Transformadores de Potência: Riscos de Curto-Circuito Causas e Medidas de Melhoria

Transformadores de Potência: Riscos, Causas e Medidas de Melhoria de Curto-Circuito

Os transformadores de potência são componentes fundamentais nos sistemas de energia que fornecem transmissão de energia e são dispositivos indutivos cruciais para garantir a operação segura da energia. Sua estrutura consiste em bobinas primárias, bobinas secundárias e um núcleo de ferro, utilizando o princípio da indução eletromagnética para alterar a tensão AC. Através de melhorias tecnológicas de longo prazo, a confiabilidade e estabilidade do fornecimento de energia têm sido continuamente aprimoradas. No entanto, ainda existem várias ameaças ocultas proeminentes. Algumas unidades de transformador sofrem de capacidade insuficiente de resistência a impactos de curto-circuito, tornando-as propensas a fenômenos de curto-circuito. Para determinar efetivamente as causas e localizações de falhas, é necessário intensificar a pesquisa sobre falhas de transformadores e tecnologias de diagnóstico, adotando tecnologias correspondentes que resolvam eficientemente os problemas de diagnóstico de falhas de transformadores.

1.Perigos de Curto-Circuito em Transformadores de Potência

• Impacto da Corrente de Surtos: Um curto-circuito súbito no transformador gera uma grande corrente de curto-circuito. Embora sua duração seja breve, antes que o circuito principal do transformador seja desconectado, este perigo oculto pode já ter se formado, potencialmente causando danos internos ao transformador e reduzindo os níveis de isolamento.

• Impacto das Forças Eletromagnéticas: Durante um curto-circuito, a sobrecorrente gera forças eletromagnéticas significativas que afetam a estabilidade. Em casos graves, as bobinas do transformador podem ser afetadas em certa medida, como deformação das bobinas, danos à resistência do isolamento das bobinas e danos a outros componentes. Em casos extremos, isso pode levar a acidentes de segurança elétrica, como a combustão do transformador.

2.Causas de Curto-Circuitos em Transformadores de Potência

(1) Os programas de cálculo de corrente são desenvolvidos com base em modelos idealizados que assumem distribuição uniforme do campo magnético de fuga, diâmetros de espiras idênticos e forças em fase. No entanto, na realidade, o campo magnético de fuga nos transformadores não é uniformemente distribuído e está relativamente concentrado na seção do ióque, onde os fios eletromagnéticos experimentam maiores forças mecânicas. Nos pontos de transposição dos cabos transpostos contínuos (CTC), a mudança de inclinação altera a direção da transmissão de força, gerando torque. Devido ao fator de módulo de elasticidade dos blocos espaçadores, a distribuição axial desigual dos blocos espaçadores pode fazer com que as forças alternadas produzidas pelos campos magnéticos de fuga alternados experimentem ressonância retardada. Esta é a razão fundamental pela qual os discos de bobina na seção do ióque do núcleo de ferro, nos pontos de transposição e nas posições correspondentes com mudadores de derivação deformam-se primeiro.

(2) O uso de condutores transpostos convencionais com baixa resistência mecânica os torna propensos a deformação, separação de filamentos e exposição de cobre quando sujeitos a forças mecânicas de curto-circuito. Ao usar condutores transpostos convencionais, correntes elevadas e subidas íngremes de transposição nessas posições geram torque significativo. Além disso, os discos de bobina nas duas extremidades das bobinas experimentam considerável torque devido aos efeitos combinados dos campos magnéticos de fuga radial e axial, resultando em deformação por torção. 

Por exemplo, a bobina comum da fase A do transformador Yanggao de 500kV tinha 71 transposições, e devido ao uso de condutores transpostos convencionais relativamente grossos, 66 dessas transposições apresentaram diversos graus de deformação. Da mesma forma, o transformador principal WuJing No. 11 também exibiu diferentes graus de virada e exposição de fios nas extremidades da bobina de alta tensão na seção do ióque do núcleo de ferro devido ao uso de condutores transpostos convencionais.

(3) Os cálculos de resistência a curto-circuito não levam em consideração o impacto da temperatura na resistência à flexão e à tração dos fios eletromagnéticos. A resistência a curto-circuito projetada em temperatura ambiente não reflete as condições reais de operação. De acordo com os resultados dos testes, a temperatura dos fios eletromagnéticos afeta significativamente seu limite de rendimento (σ0.2). Conforme a temperatura dos fios eletromagnéticos aumenta, sua resistência à flexão, resistência à tração e alongamento diminuem. A 250°C, a resistência à flexão e à tração são consideravelmente menores do que a 50°C, enquanto o alongamento diminui mais de 40%. Na operação real, os transformadores atingem uma temperatura média de enrolamento de 105°C sob carga nominal, com temperaturas quentes alcançando 118°C. A maioria dos transformadores passa por processos de recolocação automática durante a operação.

Portanto, se o ponto de curto-circuito não desaparecer imediatamente, o transformador sofrerá um segundo impacto de curto-circuito em um tempo muito curto (0,8 segundos). No entanto, após o primeiro impacto de corrente de curto-circuito, a temperatura do enrolamento aumenta drasticamente. De acordo com os padrões GB1094, a temperatura máxima permitida é de 250°C, momento em que a resistência a curto-circuito do enrolamento diminuiu significativamente. Isso explica por que a maioria dos acidentes de curto-circuito em transformadores ocorre após as operações de recolocação.

(4) A construção frouxa do enrolamento, o processamento inadequado de transposição e a excessiva finura fazem com que os fios eletromagnéticos fiquem suspensos. Do ponto de vista das localizações de danos em acidentes, a deformação é mais comumente encontrada nos pontos de transposição, especialmente nas localizações de transposição dos condutores transpostos.

(5) O uso de condutores macios é uma das principais razões para a baixa resistência a curto-circuito em transformadores. Devido à compreensão insuficiente inicial deste problema ou dificuldades com equipamentos e processos de enrolamento, os fabricantes eram relutantes em usar condutores semirrígidos ou não tinham tais requisitos em seus designs. Todos os transformadores que falharam usaram condutores macios.

(6) Vazamentos excessivos de montagem resultam em apoio insuficiente nos fios eletromagnéticos, criando perigos ocultos para a resistência a curto-circuito do transformador.

(7) Forças de pré-aperto desiguais aplicadas a vários enrolamentos ou posições de derivação fazem com que os discos de enrolamento pululem durante os impactos de curto-circuito, resultando em estresse de flexão excessivo nos fios eletromagnéticos e subsequente deformação.

(8) A falta de tratamento de cura entre voltas do enrolamento ou fios resulta em baixa resistência ao curto-circuito. Enrolamentos antigos tratados com imersão em verniz não sofreram danos.

(9) O controle inadequado da força de pré-compressão dos enrolamentos provoca desalinhamento dos condutores em condutores convencionais transpostos.

(10) Incidentes frequentes de curto-circuito externo causam efeitos cumulativos das forças eletromagnéticas após múltiplos impactos de corrente de curto-circuito, levando ao amolecimento dos fios eletromagnéticos ou ao deslocamento relativo interno, resultando, por fim, na ruptura da isolação.

3. Medidas de Melhoria para Aumentar a Resistência ao Curto-Circuito de Transformadores de Potência

(1) Realizar Testes de Curto-Circuito para Prevenir Problemas Antes que Ocorram

 A confiabilidade operacional de transformadores grandes depende principalmente de sua estrutura e da qualidade do processo de fabricação, seguido por diversos testes realizados durante a operação para compreender prontamente o estado dos equipamentos. Para avaliar a estabilidade mecânica de um transformador, pode-se realizar um teste de curto-circuito para identificar pontos fracos e promover melhorias, garantindo assim confiança no projeto da resistência estrutural dos transformadores.

(2) Padronizar o Projeto e Enfatizar o Processo de Compressão Axial na Fabricação de Bobinas

Ao projetar transformadores, os fabricantes devem considerar não apenas a redução de perdas e a melhoria dos níveis de isolação, mas também o aumento da resistência mecânica e à falha por curto-circuito. Em termos de processos de fabricação, como muitos transformadores utilizam placas pressoras isoladas com as bobinas de alta e baixa tensão compartilhando uma única placa pressora, essa estrutura exige altos padrões de processo de fabricação. Os blocos espaçadores devem passar por tratamento de densificação, e após o processamento da bobina, cada bobina individual deve passar por secagem sob pressão constante com medição da altura da bobina comprimida.

Após esse processamento, as bobinas montadas na mesma placa pressora devem ser ajustadas à mesma altura. Durante a montagem final, deve-se aplicar às bobinas a pressão especificada utilizando dispositivos hidráulicos para atingir a altura projetada e exigida pelo processo. Durante a montagem final, deve-se prestar atenção não apenas à compressão das bobinas de alta tensão, mas especialmente ao controle da compressão das bobinas de baixa tensão.