Quais são as falhas comuns em transformadores de distribuição monofásicos?

Transformadores monofásicos de distribuição, como equipamentos cruciais de transformação de tensão e distribuição de energia no sistema elétrico, são amplamente utilizados em redes rurais, áreas residenciais de baixa tensão e áreas com cargas monofásicas concentradas. Com o aumento contínuo da proporção de cargas monofásicas na rede de distribuição, a taxa de falhas dos transformadores monofásicos também aumentou. A identificação e o tratamento oportunos dessas falhas são de grande importância para garantir o fornecimento de energia. De acordo com as pesquisas mais recentes, as falhas comuns dos transformadores monofásicos de distribuição se concentram principalmente em cinco categorias: falhas de enrolamento, envelhecimento do isolamento, vazamento de óleo, temperatura anormal e falhas de derivações de baixa tensão. Essas falhas não apenas interferem na operação normal do transformador, mas também podem causar danos ao equipamento e interrupções no fornecimento de energia. Este artigo analisará de forma abrangente as causas, características e métodos de tratamento de várias falhas, fornecendo orientação prática para os profissionais de operação e manutenção do sistema elétrico.

1. Falhas de Enrolamento

As falhas de enrolamento são o tipo de falha mais frequente nos transformadores monofásicos de distribuição, incluindo curtos-circuitos entre espiras, circuitos abertos e falhas de aterramento de enrolamentos. Elas são causadas principalmente pelo envelhecimento do material isolante, danos mecânicos ou defeitos de fabricação. Um curto-circuito entre espiras no enrolamento causará superaquecimento local dentro do transformador, acelerando o envelhecimento do isolamento e, eventualmente, pode levar ao dano total do enrolamento. Pesquisas mostram que, quando há um curto-circuito ligeiro no enrolamento do transformador, dispositivos tradicionais, como proteção diferencial e proteção por gás, podem não funcionar no início da falha, colocando requisitos mais altos na capacidade de identificação de falhas dos profissionais de operação e manutenção.

(1) Manifestações da Falha

• Ruído Anormal: O transformador emite um som de "borbulhamento" de óleo fervendo ou um som de "estalido" de descarga.

• Temperatura Anormal: A temperatura do óleo excede o padrão. Quando o conteúdo de gás no óleo ultrapassa o valor de atenção, o estado do transformador deve ser verificado imediatamente (conforme os padrões IEC).

• Desequilíbrio de Resistência: A taxa de desequilíbrio da resistência DC do enrolamento excede 2% (valor permitido), indicando possível deformação do enrolamento ou contato ruim.

• Tensão Anormal: A tensão de saída é instável e cai significativamente. Além disso, o enrolamento de baixa tensão é mais propenso a deformação durante um curto-circuito repentino (o enrolamento de baixa tensão é mais propenso a deformação sob pressão).

(2) Medidas de Tratamento

• Desligamento Emergencial: Desligue imediatamente o fornecimento de energia e pare a operação do transformador.

• Detecção Precisa: Use um termômetro infravermelho para verificar a distribuição de temperatura do enrolamento, localizando a falha; meça a resistência DC e a capacitância para avaliar o grau de deformação.

• Reparo e Substituição: Se necessário, levante a tampa para manutenção, reparo ou substituição do enrolamento danificado.

(3) Estratégias de Prevenção

• Testes Regulares: Realize testes de isolamento do enrolamento para entender o estado do isolamento.

• Evitar Sobrecarga: Proíba estritamente a operação sobrecarregada de longo prazo do transformador para reduzir o risco de danos ao enrolamento.

• Inspeção Prévia à Manutenção: Realize inspeções preventivas antes do período de carga máxima para identificar perigos ocultos.

• Instalação Estável: Assegure que o transformador esteja instalado firmemente para reduzir o impacto da vibração no enrolamento.

2. Falhas de Envelhecimento do Isolamento

O envelhecimento do isolamento é a segunda falha mais comum nos transformadores monofásicos de distribuição, incluindo o envelhecimento de materiais isolantes sólidos e a deterioração do isolamento por óleo. O envelhecimento do isolamento reduz o desempenho isolante do transformador e acelera o envelhecimento geral do equipamento. Segundo estatísticas, pode reduzir a vida útil projetada (35-40 anos) do transformador para cerca de 20 anos, o que é particularmente proeminente em transformadores que estão em operação de longo prazo, em ambientes adversos ou com manutenção insuficiente.

(1) Manifestações da Falha

• Mudança na Qualidade do Óleo: O óleo do transformador gradualmente muda de amarelo claro para laranja ou marrom, e até mesmo aparecem depósitos de carbono.

• Declínio do Isolamento: O valor do teste de resistência de isolamento é inferior ao padrão, e o volume de descarga parcial aumenta.

• Som Anormal: O som de operação é agudo e irregular, e a taxa de envelhecimento está positivamente correlacionada com a temperatura (conforme a teoria de Arrhenius, a taxa de envelhecimento dobra para cada aumento de 6°C na temperatura).

(2) Métodos de Tratamento

• Análise de Amostra de Óleo: Realize análise cromatográfica para detectar o conteúdo de gases característicos e julgar o grau de envelhecimento.

• Disposição de Óleo e Material: De acordo com a situação de envelhecimento, decida se deve trocar o óleo, substituir o material isolante sólido e realizar uma revisão geral, se necessário.

(3) Estratégias de Prevenção

• Detecção Regular: Regularize a detecção da qualidade do óleo e o teste de resistência de isolamento para controlar o estado do isolamento.

• Operação Controlada por Temperatura: Mantenha uma temperatura razoável (padrão GB: a elevação de temperatura média do enrolamento do transformador a óleo ≤ 65°C, e a elevação de temperatura do óleo superior ≤ 55°C).

• Otimização do Ambiente: Melhore o ambiente de operação, reduza a erosão por poeira, umidade e gases nocivos; selecione transformadores de alta eficiência, como o tipo S11, para reduzir a elevação de temperatura e as perdas.

3. Falhas de Vazamento de Óleo

O vazamento de óleo é uma falha frequente e prejudicial nos transformadores monofásicos de distribuição. Representa mais de 40% das falhas em transformadores de potência, afetando o desempenho isolante e de dissipação de calor, e causando incêndios, poluição e perdas econômicas no equipamento.

(1) Manifestações da Falha

• Queda do Nível de Óleo: O medidor de nível de óleo mostra uma diminuição no nível de óleo, e manchas de óleo podem ser vistas na superfície do tanque de óleo.

• Anomalias Relacionadas: O som de operação é agudo e irregular, o isolamento óleo-papel está úmido, e o vazamento se agrava em dias chuvosos e ambientes de alta umidade.

(2) Causas da Falha

Envelhecimento/danificação de vedantes, trincas nas soldas, instalação inadequada de buchas, conexões soltas causadas por vibração, corrosão do tanque de óleo e pressão anormal de óleo causada por um respirador entupido.

(3) Métodos de Tratamento

• Tratamento Gradual: Repare temporariamente pequenos vazamentos, e, em caso de vazamentos graves, desligue imediatamente e realize uma revisão completa.

• Reparo Fundamental: Substitua vedantes, repara soldas/conexões, limpe o respirador e assegure o funcionamento normal do conservador de óleo.

(4) Estratégias de Prevenção

• Inspeção de Vedação: Verifique regularmente o estado de vedação e fortaleça a fixação em ambientes vibratórios.

• Atualização de Materiais: Use materiais de vedação de alta qualidade, limpe o tanque de óleo para prevenir a corrosão; transformadores antigos podem ser substituídos por produtos com novas estruturas de vedação.

4. Falhas de Temperatura Anormal

A temperatura anormal é um tipo de falha chave nos transformadores monofásicos de distribuição, incluindo superaquecimento do enrolamento, superaquecimento local do núcleo de ferro e aumento da temperatura do óleo. É o "gatilho" para falhas como envelhecimento do isolamento, vazamento de óleo e deformação do enrolamento. Conforme os padrões IEC, quando a temperatura do ponto mais quente atinge 140°C, bolhas serão geradas no óleo, o que reduzirá o isolamento ou causará flashover, danificando o transformador.

(1) Manifestações da Falha

• Temperatura Acima do Padrão: O termômetro de óleo indica uma anomalia, a superfície local está superaquecida e descolorida, e o nível de óleo do conservador de óleo é anormal.

• Som Anormal: Emite um som "zumbido", que fica mais alto conforme o aumento da carga; a cor do óleo escurece e aparecem depósitos de carbono.

(2) Causas da Falha

Sobrecarga do transformador, falhas internas (curto-circuito no enrolamento/núcleo de ferro), falhas no sistema de resfriamento, temperatura ambiente alta, volume insuficiente de óleo devido a vedação inadequada e ventilação de instalação deficiente.

(3) Métodos de Tratamento

• Redução de Carga e Desligamento: Reduza imediatamente a carga ou desligue, e verifique o sistema de resfriamento.

• Diagnóstico Preciso: Use um termômetro infravermelho para localizar o ponto superaquecido, colete uma amostra de óleo para análise cromatográfica, verifique falhas internas; repare causas externas.

(4) Estratégias de Prevenção

• Monitoramento e Análise: Monitore regularmente a temperatura, estabeleça uma análise de tendência; evite sobrecarga de longo prazo.

• Otimização do Ambiente: Otimize a posição de instalação para garantir a ventilação; limpe a sujeira no dissipador de calor; aumente a capacidade ou opere múltiplas unidades em paralelo em áreas de alta carga, e instale sombreamentos e dispositivos de ventilação em ambientes de alta temperatura.

5. Falhas de Derivações de Baixa Tensão

As falhas de derivações de baixa tensão são exclusivas dos transformadores monofásicos de distribuição, incluindo contato ruim, circuitos abertos e conexões erradas. Como o lado de baixa tensão geralmente adota um design de derivação (como três/quatro derivações), a qualidade da conexão afeta diretamente a tensão de saída e a estabilidade da operação, sendo comum em transformadores com grandes flutuações de carga e manutenção insuficiente.

(1) Manifestações da Falha

• Anomalia de Tensão: A tensão de saída é instável, muito alta/muito baixa.

• Som Anormal: Emite um som de "estalo" "farfalhar" de atrito mecânico, que é evidente quando a carga muda; a tensão no lado de baixa tensão é desequilibrada, e a temperatura de operação é anormalmente alta.

(2) Causas da Falha

Soldagem ruim das derivações, oxidação da superfície de contato, instalação insegura, falha em restaurar as conexões durante a operação e manutenção, resistência de contato alta devido a um ambiente úmido, e desgaste do ponto de contato devido a flutuações de carga.

(3) Métodos de Tratamento

• Manutenção com Desligamento: Verifique a conexão das derivações, reinsoldre e aperte as partes soltas, substitua componentes envelhecidos.

• Limpeza e Proteção: Limpe as partes mal conectadas para garantir um bom contato do interruptor de mudança de derivação.

(4) Estratégias de Prevenção

• Inspeção Regular: Regularize a inspeção das conexões de derivação e use materiais e processos de soldagem de alta qualidade.

• Adaptação Ambiental: Fortaleça medidas anti-umidade em ambientes úmidos; para transformadores com ajustes frequentes de derivação, substitua por métodos de conexão confiáveis; substitua equipamentos antigos por produtos com novos designs de derivação.

6. Aplicação de Tecnologia de Monitoramento Inteligente no Diagnóstico de Falhas

Com o desenvolvimento da rede inteligente, o modo de diagnóstico tradicional baseado em experiência manual e instrumentos simples tem sido gradualmente substituído pela tecnologia de monitoramento inteligente. O sistema de diagnóstico de falhas baseado em inteligência artificial pode monitorar o estado de operação em tempo real, alertar riscos com antecedência e melhorar a precisão e a eficiência do diagnóstico.

(1) Tecnologias Principais

• Medição de Temperatura por Sensores Infravermelhos: Com precisão de ±1°C, pode detectar temperaturas anormais com precisão.

• Diagnóstico por Reconhecimento de Assinatura Acústica: Analisa a frequência e as características do som de operação para distinguir entre sons normais e de falha.

• Análise de Gases Dissolvidos no Óleo: Detecta o conteúdo de gases característicos para determinar o tipo e o grau de falhas internas.

• Sistema de Aprendizado de Máquina: Integra múltiplos parâmetros para estabelecer um modelo de previsão de falhas.

(2) Efeitos da Aplicação

Após aplicar a medição de temperatura por infravermelho, uma empresa de energia aumentou a taxa de detecção de falhas em 65% e reduziu o tempo de processamento em 40%; o reconhecimento de assinatura acústica pode detectar falhas de enrolamento 3-6 meses antes. O sistema inteligente também pode localizar falhas e avaliar a gravidade, fornecendo uma base para decisões de operação e manutenção.

7. Medidas de Manutenção e Prevenção para Transformadores Monofásicos

A maioria das falhas dos transformadores monofásicos de distribuição está relacionada à operação de longo prazo, ao ambiente e à manutenção insuficiente. Estabelecer um sistema de manutenção científico e implementar medidas preventivas são as chaves para reduzir as falhas e prolongar a vida útil.

(1) Manutenção Diária

• Inspeção do Estado do Óleo: Verifique regularmente o nível e a cor do óleo para garantir que o nível de óleo seja normal e a qualidade do óleo seja boa.

• Monitoramento do Estado: Monitore o som de operação, monitore a temperatura e estabeleça uma análise de tendência.

• Inspeção de Componentes: Verifique a limpeza, danos e vestígios de descarga nas buchas; verifique o sistema de aterramento (a resistência de aterramento de 100 kVA e acima ≤ 4Ω, e abaixo ≤ 10Ω).

• Gestão Ambiental: Assegure a instalação estável, limpe a sujeira na superfície e previna a emissão de poluentes.

(2) Prevenção Classificada

• Falhas de Enrolamento: Evite sobrecarga e realize testes regulares de isolamento.

• Envelhecimento do Isolamento: Opere em temperatura controlada e realize detecção regular da qualidade do óleo.

• Vazamento de Óleo: Verifique regularmente a vedação e fortaleça a fixação em ambientes vibratórios.

• Temperatura Anormal: Otimize a instalação, assegure a ventilação e instale dispositivos de monitoramento de temperatura.

• Falhas de Derivação: Verifique regularmente as conexões, use processos de soldagem de alta qualidade e previna a umidade em ambientes úmidos.

(3) Adaptação e Otimização de Padrões

Selecione transformadores de alta eficiência conforme GB20052-2020 para reduzir perdas e elevação de temperatura; opere múltiplas unidades em paralelo em áreas de alta carga para reduzir a pressão de carga em uma única unidade; fortaleça a gestão ambiental para reduzir a erosão externa.

8. Conclusões e Recomendações

As falhas comuns dos transformadores monofásicos de distribuição estão inter-relacionadas, e a maioria é causada por um único fator levando a múltiplas manifestações de falhas. Construir um sistema completo de diagnóstico de falhas que integre a experiência tradicional e a tecnologia inteligente pode melhorar a precisão e a eficiência do diagnóstico.

Recomendações de Gestão de Operação e Manutenção

• Sistema de Monitoramento: Estabeleça um sistema de monitoramento abrangente para múltiplos parâmetros, como temperatura, som e qualidade do óleo, para dominar o estado em tempo real.

• Otimização do Ambiente: Otimize a posição e o método de instalação para reduzir o impacto ambiental.

• Testes Preventivos: Realize regularmente testes preventivos (testes de resistência de isolamento, detecção de qualidade do óleo, etc.) para identificar perigos ocultos.

• Ajuste