Causas da Fissuração do Enrolamento em Transformadores a Seco Fundidos em Resina Epóxi e o Mecanismo de Influência da Ciclagem Térmica

1. Fatores Desencadeantes Multidimensionais do Trincamento dos Enrolamentos

O trincamento dos enrolamentos não é o resultado de uma única falha, mas sim a interação de múltiplos fatores, incluindo materiais, processos, projeto estrutural e ambiente de operação.

1.1 Evolução da Estrutura de Isolamento e Incompatibilidade das Propriedades dos Materiais

1.2 Controle Inadequado dos Processos de Moldagem e Cura

Durante a moldagem, se não for adotada a moldagem a vácuo de alto padrão ou se a desgaseificação for insuficiente, é provável que bolhas de ar permaneçam no interior da resina. Durante a etapa de cura, se os perfis de aquecimento, manutenção e resfriamento não forem controlados adequadamente, a resina não poderá curar de forma lenta e uniforme, resultando em tensão residual interna excessiva que cria defeitos inerentes, predispondo o material a trincas posteriores.

1.3 Tensão Mecânica e Impacto da Força Eletromagnética

Durante a operação, os transformadores estão sujeitos a vibrações mecânicas externas, bem como a enormes forças eletromagnéticas durante eventos de curto-circuito. Se o enrolamento da bobina não estiver firme ou se os métodos de suporte e fixação forem inadequados, as forças eletromagnéticas repetidas e a vibração podem causar deformação da bobina, danos à camada de isolamento e até mesmo trincas.

1.4 Ambiente Operacional Severo

A exposição prolongada a altas temperaturas acelera o envelhecimento térmico e a decomposição térmica da resina, reduzindo sua resistência mecânica. Em ambientes quentes e úmidos, a entrada de umidade causa a hidrólise do éster na resina, formando microporos na superfície. Além disso, gases corrosivos em ambientes como plantas químicas (por exemplo, dióxido de enxofre, cloro) podem atacar o material isolante e degradar sua estrutura molecular.

2. Mecanismo de Influência do Ciclo Térmico na Camada de Isolamento de Resina

Entre os gatilhos descritos acima, o ciclo térmico (ciclo de temperatura) é o mecanismo físico central que percorre todo o ciclo de vida do equipamento, atuando como um "catalisador" que acelera a propagação de trincas. Pesquisas indicam que a "fadiga termomecânica" causada pelo ciclo térmico tem muito mais probabilidade de induzir microfissuras na camada de isolamento do que a exposição contínua a altas temperaturas. Seu impacto na camada de isolamento de resina reflete-se principalmente nos seguintes quatro aspectos.

2.1 Acumulação e Fadiga de Tensão Térmica Alternada

Devido à incompatibilidade do CTE entre a resina e o condutor, e entre a resina e o reforço de fibra de vidro, a ciclagem térmica gera tensões alternadas de tração e cisalhamento nas interfaces dos materiais. À medida que o número de ciclos aumenta, essas tensões enfraquecem a resistência de ligação interfacial, as microfissuras se iniciam e se propagam gradualmente, desenvolvendo-se finalmente em fissuras passantes.

2.2 Deterioração da Microestrutura do Material

Sob a tensão térmica alternada da ciclagem térmica, a rede reticulada da resina epóxi degrada-se gradualmente, e o volume livre dentro do material aumenta. No nível microscópico, isso se manifesta como vazios e microfissuras nas superfícies de fratura; no nível macroscópico, aparece como uma diminuição na resistência à ruptura dielétrica em CA do material isolante.

2.3 Efeito Crítico da Temperatura de Transição Vítrea (Tg)

Quando a temperatura de operação se aproxima ou excede a temperatura de transição vítrea (Tg) da resina epóxi, o coeficiente de expansão térmica aumenta acentuadamente e o módulo sofre uma mudança significativa. Neste ponto, o material transita de um estado vítreo rígido para um estado altamente elástico, sua resistência à deformação cai drasticamente, e a concentração de tensão interna causada pela ciclagem térmica leva mais facilmente à descolagem interfacial e fissuração.

2.4 Ciclo Vicioso Desencadeando Descarga Parcial (DP)

A fissuração causada pela ciclagem térmica cria microespaços de ar dentro da camada de isolamento. Como a constante dielétrica da resina é muito maior que a do ar, sob tensão CA, a intensidade do campo elétrico no espaço de ar é distribuída inversamente proporcional à constante dielétrica, resultando em uma intensidade de campo extremamente alta dentro do espaço. Isso desencadeia facilmente a descarga parcial. As partículas de alta energia geradas pela DP corroem e degradam ainda mais a resina epóxi, formando um ciclo vicioso de "fissuração → DP → erosão elétrica → fissuração agravada" que, em última análise, leva à ruptura do isolamento.

3. Resumo e Estratégia de Defesa Sistemática

Em resumo, a fissuração dos enrolamentos em transformadores a seco de resina epóxi fundida é essencialmente um problema de fadiga do material e falha estrutural causado pelo acoplamento multifatorial. Para resolver fundamentalmente esta questão, deve ser estabelecida uma estratégia de defesa sistemática tanto nas fases de fabricação quanto de operação.

Somente combinando o aprimoramento das propriedades intrínsecas dos materiais com a gestão de operação e manutenção do ciclo de vida é possível resistir efetivamente aos efeitos erosivos da ciclagem térmica, garantindo a operação segura e estável a longo prazo dos transformadores a seco.