Transformador imerso em óleo de eficiência energética secundária - análise abrangente dos transformadores de distribuição de economia de energia da série S20

No contexto da promoção da estratégia nacional de "duplo carbono" e da plena implementação dos "Limites de Eficiência Energética e Níveis de Eficiência Energética de Transformadores de Potência" do GB 20052-2020, os transformadores imersos em óleo de eficiência energética secundária (normalmente representados pela série S20) tornaram-se a seleção principal para distribuição de energia industrial, transformação da rede de distribuição urbana e novos projetos de energia. Comparado com o tipo tradicional S11/S13, possui excelente desempenho na redução de perdas sem carga e perda de carga, levando em consideração os benefícios de economia de energia e o retorno do investimento.

I. O que é um transformador imerso em óleo com eficiência energética secundária?

Os transformadores imersos em óleo de eficiência energética secundária referem-se a transformadores de distribuição imersos em óleo trifásicos que atendem aos limites de eficiência energética secundária em GB 20052-2020 (e a versão atualizada GB 20052-2024). Os modelos comuns são marcados como série S20-M (totalmente selada), com capacidades variando de 30 a 2500kVA. Os níveis de tensão são geralmente 6/10/20kV (lado de alta tensão) e 0,4kV (lado de baixa tensão).

• Eficiência energética de primeiro nível: menor perda (como liga amorfa S22/SH21), adequada para cenários de carga total de longo prazo

• Eficiência energética de nível 2: Em comparação com a eficiência energética de nível 3, a perda sem carga é reduzida em cerca de 10% a 20%, e a perda de carga é reduzida em cerca de 5% a 15% – ou seja, a série S20

• Eficiência energética de nível 3: limite mínimo de entrada no mercado (como parte S13), novos projetos serão gradualmente eliminados

Como um equipamento de energia de alta eficiência e economia de energia, o projeto estrutural do transformador imerso em óleo com eficiência energética secundária foi otimizado para atender aos requisitos dos novos padrões de eficiência energética. Este tipo de transformador é composto principalmente de componentes principais, como núcleo, enrolamentos e tanques de óleo. Cada componente se complementa em função e em conjunto garante o funcionamento eficiente do transformador. Como núcleo do circuito magnético do transformador, o núcleo de ferro é geralmente feito de chapas laminadas de aço silício com alta permeabilidade magnética. Sua forma de seção transversal tem importante influência nos parâmetros de desempenho elétrico e estrutural do transformador. O enrolamento é a parte do circuito do transformador. Ele realiza a função de conversão de tensão através de uma relação de espiras razoável. O material e a disposição do fio afetam diretamente a perda de carga e a impedância de curto-circuito do transformador. O tanque de óleo não apenas fornece suporte mecânico para o transformador, mas também realiza funções de dissipação de calor e isolamento através do fluxo circulante de óleo isolante interno, garantindo assim a estabilidade e confiabilidade do transformador em operação de longo prazo.

II. Princípio de funcionamento

O princípio de funcionamento do transformador imerso em óleo com eficiência energética de dois estágios é baseado na lei da indução eletromagnética, e a conversão entre a tensão de entrada e a tensão de saída é obtida através da ação de um campo magnético alternado. Quando o enrolamento primário é conectado à fonte de alimentação CA, a corrente alternada gerada no enrolamento excitará o fluxo magnético alternado no núcleo, induzindo assim uma força eletromotriz induzida no enrolamento secundário. Este processo de indução eletromagnética permite que o transformador ajuste de forma flexível o nível de tensão sem alterar a quantidade total de energia elétrica, atendendo assim às necessidades de diferentes cenários de aplicação.

Nos transformadores imersos em óleo, o papel do óleo isolante é crucial. Por um lado, o óleo isolante, por ser um excelente meio isolante, pode isolar eficazmente a parte de alta tensão entre o enrolamento e o núcleo, evitando falhas do equipamento por falha elétrica; por outro lado, o óleo isolante retira o calor gerado durante a operação do transformador por meio de convecção natural ou circulação forçada, garantindo que o equipamento mantenha uma faixa razoável de elevação de temperatura sob carga nominal. Este eficiente mecanismo de dissipação de calor não só prolonga a vida útil do transformador, mas também garante sua operação estável sob condições de alta carga. Portanto, o transformador imerso em óleo de eficiência energética secundária atinge o objetivo de alta eficiência e economia de energia por meio de um design científico e razoável, fazendo pleno uso do princípio da indução eletromagnética e das características do óleo isolante.

III. Características de desempenho

1. Desempenho de dissipação de calor

Os transformadores imersos em óleo apresentam vantagens significativas no desempenho de dissipação de calor devido ao seu mecanismo exclusivo de dissipação de calor. Durante a operação, o óleo do transformador absorve o calor gerado pelos enrolamentos e núcleo por meio de convecção natural ou circulação forçada e o transfere para a superfície do tanque de óleo para dissipação de calor. Este método eficiente de dissipação de calor pode não apenas controlar efetivamente o aumento da temperatura dentro do transformador, mas também prolongar a vida útil do equipamento. A pesquisa mostra que a eficiência de dissipação de calor dos transformadores imersos em óleo é cerca de 20% maior do que a dos transformadores do tipo seco, o que se deve principalmente à alta capacidade térmica e à alta condutividade térmica do óleo isolante.

Além disso, o projeto de dissipação de calor do transformador secundário imerso em óleo com eficiência energética foi ainda mais otimizado. Por exemplo, a capacidade de dissipação de calor é significativamente melhorada aumentando a área de superfície do tanque de combustível, instalando dissipadores de calor ou adotando um sistema de refrigeração por ar forçado. Especialmente sob condições de operação de alta carga, estas medidas de otimização garantem que a temperatura interna do transformador seja sempre mantida dentro de uma faixa razoável, evitando assim o risco de degradação do desempenho ou falha devido ao superaquecimento. Portanto, as vantagens dos transformadores imersos em óleo com eficiência energética secundária no desempenho de dissipação de calor estabeleceram uma base sólida para sua ampla aplicação nos campos industrial e de construção.

2. Estrutura corrugada totalmente selada do tanque de combustível

Adota um tanque de óleo corrugado totalmente selado (sem conservador de óleo ou conservador de óleo interno). A chapa ondulada se expande e contrai automaticamente à medida que a temperatura do óleo muda para compensar o volume do óleo e isolar a entrada de ar e umidade - reduzindo o envelhecimento do óleo isolante. É basicamente livre de manutenção e tem uma vida útil projetada de até 30 anos.

3. Alta confiabilidade e segurança

• Impedância de curto-circuito: 4% (≤630kVA) / 4,5%~6% (grande capacidade)

• Resistência aprimorada a curto-circuito: Suporte de enrolamento aprimorado e estruturas de placa de ligação para suportar força elétrica de curto-circuito de nível 31,5kA

• Válvula de alívio de pressão padrão, interface de relé de gás, termômetro de sinal

• Nível de proteção IP44 (tipo externo), o ruído é geralmente ≤50dB(A), adequado para áreas residenciais/edifícios comerciais

4. Parâmetros técnicos típicos (trecho da série S20 10kV)

Nota: Os valores específicos são ligeiramente diferentes devido ao processo do fabricante e estão sujeitos ao relatório de teste de tipo.

V. Principais cenários de aplicação

• Empresas industriais/parques industriais: operação contínua, alta taxa de carga (>30%), ciclo curto de recuperação de economia de energia

• Complexo comercial/edifício de escritórios: baixo ruído, totalmente vedado e livre de manutenção, adequado para transformador de subsolo ou caixa externa

• Renovação da rede elétrica urbana/áreas residenciais antigas: substituição de transformadores S7/S9/S11 de alta perda para reduzir perdas nas linhas da rede de distribuição

• Novas instalações de suporte energético: reforço fotovoltaico distribuído e acesso ao sistema de armazenamento de energia (alguns projetos anti-harmônicos personalizáveis ​​estão disponíveis)

• Transformação da rede elétrica rural/área de Taiwan: efeito óbvio na redução de perdas sem carga e na melhoria da qualidade do fornecimento de energia

VI. Sugestões de seleção

• S20 (eficiência energética de nível 2) é preferido: novos projetos, operação de longo prazo (>10h/d), distribuição de energia industrial/comercial

• S13 (eficiência energética de nível 3): recomendado apenas para consumo de energia temporário de curto prazo ou cenários de orçamento de custo extremamente baixo

• Novas instalações de S11 e inferiores são proibidas: elas não atendem mais aos requisitos nacionais de acesso à eficiência energética

• Se o projeto tiver fundos suficientes, operação anual >8000h e alta taxa de carga, a eficiência energética de primeiro nível S22 ou liga amorfa SH15 pode ser avaliada

VII. Conclusão

Como um equipamento importante em sistemas de energia modernos, os transformadores imersos em óleo com eficiência energética secundária têm sido amplamente utilizados em muitos campos devido às suas características significativas de economia de energia e desempenho operacional confiável. Este artigo fornece uma análise aprofundada de suas características técnicas, incluindo estrutura e princípio de funcionamento, vantagens de eficiência energética e características de desempenho, revelando seu excelente desempenho em perda sem carga e otimização de perda de carga, bem como as principais tecnologias para alcançar a melhoria da eficiência energética através de novos materiais de núcleo e design de enrolamento otimizado. Em termos de aplicação, o transformador tem apresentado boa aplicabilidade em fornecimento de energia de alta potência na área industrial, adaptação a ambientes industriais especiais, fornecimento de energia em edifícios altos e complexos comerciais na área de construção, e outros cenários como transporte e extração de energia.

No entanto, os transformadores secundários imersos em óleo com eficiência energética ainda enfrentam certos desafios em termos de adaptabilidade ambiental, custos de manutenção e atualizações tecnológicas. Em resposta a esses problemas, este artigo propõe projetos otimizados e medidas de proteção para melhorar a adaptabilidade ambiental, tecnologia de monitoramento de condições e estratégias de otimização de gerenciamento de manutenção para reduzir custos de manutenção, bem como investimento em P&D e métodos de resposta de atualização padrão para acompanhar o desenvolvimento tecnológico. No futuro, espera-se que este transformador prossiga padrões mais elevados de eficiência energética através da integração profunda com redes inteligentes e da aplicação de novos materiais e tecnologias, desempenhando assim um papel mais crítico no sistema energético e promovendo o desenvolvimento sustentável da indústria energética.