Como Diagnosticar Falhas em Transformadores e Reduzir Ruído
Com o rápido desenvolvimento da economia chinesa, a indústria de energia elétrica também se expandiu gradualmente em escala, aumentando os requisitos tanto para a capacidade instalada quanto para a capacidade unitária dos transformadores. Este artigo fornece uma breve introdução a quatro aspectos: construção do transformador, proteção contra raios, falhas do transformador e ruído do transformador.
Um transformador é um dispositivo elétrico comumente usado capaz de converter energia elétrica alternada. Pode transformar uma forma de energia elétrica (corrente e tensão alternadas) em outra forma de energia elétrica (com a mesma frequência de corrente e tensão alternadas). Nas aplicações práticas, a função principal do transformador é alterar os níveis de tensão, tornando a transmissão de energia mais conveniente.
De acordo com a relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada, os transformadores são classificados como rebaixadores ou elevadores. Um transformador com uma razão de tensão menor que 1 é chamado de transformador rebaixador, cuja função principal é fornecer as tensões necessárias para diversos dispositivos elétricos, garantindo que os usuários recebam a tensão adequada. Um transformador com uma razão de tensão maior que 1 é chamado de transformador elevador, cuja função principal é reduzir os custos de transmissão, minimizar as perdas de energia durante a transmissão e estender a distância de transmissão.
Construção do Transformador
Em transformadores de média e grande capacidade, é fornecido um tanque de óleo selado, preenchido com óleo de transformador. As bobinas e o núcleo do transformador estão imersos no óleo para obter melhor dissipação de calor. São usados isoladores para levar as bobinas e conectá-las aos circuitos externos. Um transformador consiste principalmente nos seguintes componentes: dispositivo de regulação de tensão, corpo principal, dispositivos de terminais de saída, tanque de óleo, dispositivos de proteção e dispositivos de refrigeração. O dispositivo de regulação de tensão é dividido em reguladores sob carga e sem carga, essencialmente um tipo de chave de derivação; o corpo principal consiste em condutores, núcleo, estrutura de isolamento e bobinas; os dispositivos de terminais de saída incluem isoladores de baixa e alta tensão; o tanque de óleo compreende acessórios (incluindo válvulas de amostragem de óleo, placas de identificação, válvulas de drenagem, parafusos de aterramento e rodas) e o corpo principal do tanque (incluindo fundo, paredes e tampa); os dispositivos de proteção incluem respiradores dessecantes, relés de gás, reservatórios de expansão, relés de flutuação de óleo, indicadores de nível de óleo, sensores de temperatura e válvulas de segurança; os dispositivos de refrigeração consistem em resfriadores e radiadores.
Ruído do Transformador e Medidas de Mitigação
Os transformadores frequentemente produzem som durante a operação, principalmente devido às forças eletromagnéticas causando vibração do corpo principal e magnetoestrigência nas chapas de aço silício sob campos magnéticos, além do ruído gerado por ventiladores e sopradores do sistema de refrigeração. O sistema auditivo humano pode perceber som apenas dentro de certas frequências de vibração; quando a frequência está entre 16 Hz e 2000 Hz, pode ser ouvida. Ultrassom acima dessa faixa e infrassom abaixo dela não podem ser percebidos. O ruído se propaga do núcleo para o ar, as bobinas e as estruturas de fixação—esta é a principal via de transmissão do ruído do transformador de energia. O ruído pode ser reduzido diminuindo a densidade do fluxo magnético e minimizando a magnetoestrigência nas chapas de aço silício do núcleo. No entanto, reduzir a densidade de fluxo aumenta o tamanho do núcleo e o número de chapas de aço silício, elevando os custos. Para reduzir o ruído sem aumentar os custos, adicionar componentes de amortecimento é eficaz. Por exemplo, colocar espaçadores de borracha entre a bobina de baixa tensão e o núcleo pode apertar a bobina e fornecer amortecimento. Esta estrutura de amortecimento ajuda a reduzir o ruído durante sua propagação.
Proteção Contra Raios do Transformador
Na China, um grande número de transformadores é danificado anualmente devido a descargas atmosféricas. De acordo com as autoridades competentes, entre os transformadores de distribuição de 10 kV danificados, 4%–10% são danificados por raios. Conexões inadequadas de cabos de aterramento e instalação incorreta de para-raios do transformador são as principais causas de danos relacionados a raios. Os principais problemas incluem: aterramento separado dos para-raios dos lados de alta e baixa tensão e do ponto neutro do transformador; condutores de aterramento excessivamente longos e seções transversais insuficientes; ausência de para-raios no lado de baixa tensão; uso da estrutura de suporte como condutor de aterramento para para-raios do lado de alta tensão; e falta de realização de testes preventivos nos para-raios.
Falhas do Transformador
Quando ocorrem quaisquer das seguintes mudanças em um transformador, pode-se realizar uma análise de falha com base em sua condição operacional real: o transformador causa um corte de energia devido a um acidente ou experimenta fenômenos como curto-circuito na saída, mas ainda não foi desmontado; ocorrem fenômenos anormais durante a operação, forçando os operadores a desligar o transformador para inspeção ou teste; durante testes preventivos, aceitação de manutenção ou comissionamento sob condições normais de desenergização, um ou mais valores de parâmetros excedem os limites padrão. Se qualquer uma das situações acima ocorrer durante o uso real, o transformador deve imediatamente passar por inspeções e testes relevantes para garantir que possa operar normalmente.
Etapas para Determinar a Presença de uma Falha:
Primeiro, determine a possibilidade de uma falha e se é uma falha óbvia (visível) ou oculta (latente).
Segundo, identifique a natureza da falha—se é uma falha relacionada ao óleo ou ao isolamento sólido, uma falha térmica ou elétrica.
Terceiro, fatores como potência da falha, tempo de ativação do relé devido à saturação, gravidade, tendência de desenvolvimento, temperatura do ponto quente e nível de saturação de gás no óleo são indicadores comuns para determinar a presença de uma falha.
Quarto, encontre um método apropriado para lidar com o incidente. Se o transformador ainda puder operar após o incidente, determine durante a operação se medidas de segurança e métodos de monitoramento precisam ser ajustados e se é necessário inspeção interna ou reparo.
Várias causas podem levar a falhas no transformador, que podem ser classificadas de várias maneiras. Por exemplo, por tipo de circuito, podem ser categorizadas como falhas no circuito de óleo, no circuito magnético e no circuito elétrico. Atualmente, a falha mais frequente e grave no transformador é o curto-circuito na saída, que também pode desencadear falhas de descarga. Falhas de curto-circuito em transformadores geralmente referem-se a curtos-circuitos entre fases dentro do transformador, falhas de terra em condutores ou bobinas e curtos-circuitos na saída.
Muitos acidentes resultam dessas falhas. Por exemplo, um curto-circuito na saída de baixa tensão de um transformador frequentemente requer a substituição da bobina afetada; em casos graves, todas as bobinas podem precisar ser substituídas, causando perdas econômicas significativas e consequências. Curto-circuitos em transformadores merecem atenção séria. Por exemplo, um transformador (110 kV, 31,5 MVA, modelo SFS2E8-31500/110) sofreu um acidente de curto-circuito, acompanhado pelo disparo dos disjuntores de três lados do transformador principal e a ativação da proteção de gás pesado.
Após a devolução do transformador à fábrica para reparo, a inspeção durante a remoção da carcaça revelou: ferrugem na base e no núcleo superior (devido à chuva durante o acidente); deformação severa da bobina de média tensão na fase C, colapso da bobina de alta tensão na fase C e curto-circuito entre as bobinas de baixa e média tensão causado pelo deslocamento das placas de fixação; deformação severa das bobinas de média e baixa tensão na fase B; a bobina de baixa tensão na fase C queimou em duas seções; e inúmeras partículas finas de cobre e contas de cobre entre as espiras das bobinas. As principais causas incluíram: força de isolamento insuficiente da estrutura de isolamento; tiras de fixação desalinhadas, ausência de calços e deslocamento solto; e bobinas soltas.
A descarga danifica principalmente o isolamento do transformador, manifestando-se em dois aspectos: Primeiro, gases ativos produzidos pela descarga—como óxidos de cloro, ozônio e calor—causam reações químicas sob certas condições, levando à corrosão local do isolamento, aumento da perda dielétrica e, finalmente, quebra térmica. Segundo, as partículas de descarga bombardeiam diretamente o isolamento, causando danos locais que se expandem gradualmente e, eventualmente, se rompem.
Por exemplo, um transformador (63 MVA, 220 kV) sofreu descarga a 1,5 vezes a tensão, acompanhada por sons audíveis de descarga e níveis de descarga tão altos quanto 4000–5000 pC. Quando a tensão de teste inter-turno foi reduzida para 1,0 vez e o método de teste de extremidade de linha foi alterado para suporte de tensão de 1,5 vezes, não houve som de descarga e o nível de descarga caiu drasticamente para abaixo de 1000 pC. Durante a desmontagem e inspeção, foram encontrados traços de descarga em forma de árvore ao longo dos anéis de isolamento de canto, principalmente devido a material de isolamento subpadrão.
Uma vez que ocorra descarga parcial na superfície do isolamento sólido, especialmente quando componentes normais e tangenciais da intensidade do campo elétrico estão presentes, o acidente resultante é o mais grave. Falhas de descarga parcial podem ocorrer em qualquer local com material de isolamento inadequado ou campos elétricos concentrados, como entre as espiras de bobina, nos condutores de escudos eletrostáticos de bobinas de alta tensão, entre barreiras de fase e nos condutores de alta tensão.
Os transformadores são dispositivos elétricos amplamente utilizados em circuitos eletrônicos e sistemas de energia. Como equipamento-chave na utilização, distribuição e transmissão de energia, os transformadores desempenham um papel irreplaceable. Portanto, deve-se prestar maior atenção aos transformadores nas aplicações práticas.
