O que é um transformador de distribuição totalmente selado

Nas modernas redes de distribuição, seja em áreas residenciais, centros comerciais ou parques industriais, é possível observar uma espécie de equipamento de energia com formato redondo e sem a tradicional “grande almofada de óleo” – transformadores de distribuição totalmente selados. Com a sua estrutura selada única e características isentas de manutenção, está gradualmente a substituir o tradicional transformador aberto imerso em óleo e a tornar-se a escolha principal para atualizações da rede elétrica urbana e rural.

I. O que é um transformador de distribuição totalmente selado?

Um transformador de distribuição totalmente selado é um transformador de potência imerso em óleo com um tanque de óleo totalmente soldado e selado. A maior diferença de aparência entre ele e os transformadores tradicionais é que o conservador de óleo (almofada de óleo) e o absorvedor de umidade (respirador) são eliminados. A tampa e a borda da caixa geralmente adotam uma estrutura soldada ou permanentemente selada para isolar completamente o óleo interno do transformador da atmosfera do ambiente externo.

Ele compensa automaticamente a expansão e contração do volume de óleo causada por mudanças de carga e aumentos e quedas de temperatura através da expansão e contração elástica da parede corrugada do tanque de óleo ou do radiador de expansão, bloqueando completamente a intrusão de ar e umidade, mantendo a pressão interna estável.

II. Princípios técnicos básicos

1. Estrutura de vedação

• Vedação do tanque de combustível

A vedação do tanque de óleo de um transformador de distribuição totalmente selado é uma de suas principais tecnologias, alcançada principalmente através do uso de materiais de vedação de alto desempenho e processos de vedação avançados. Como componente principal de suporte de carga do transformador, o desempenho de vedação do tanque de óleo afeta diretamente a capacidade de proteção do equipamento e a confiabilidade operacional a longo prazo. Normalmente, o tanque de combustível é vedado com juntas de borracha ou juntas de metal acopladas a parafusos de alta resistência para garantir que o interior do tanque de combustível esteja completamente isolado do ambiente externo. Este método de vedação pode não apenas prevenir eficazmente a entrada de umidade, poeira e outros meios corrosivos no interior do tanque, mas também aliviar até certo ponto o impacto das mudanças de pressão interna causadas pelo aumento da temperatura do óleo do transformador na estrutura do tanque. Além disso, a seleção dos materiais de vedação é crucial, e sua resistência ao óleo, resistência a altas temperaturas e propriedades antienvelhecimento precisam ser consideradas de forma abrangente. Por exemplo, a borracha nitrílica é amplamente utilizada na vedação de tanques de óleo de transformadores de distribuição totalmente vedados devido à sua excelente resistência ao óleo e resistência mecânica. A pesquisa mostra que um projeto razoável de vedação do tanque pode melhorar significativamente o nível de proteção do transformador e reduzir a taxa de falhas causadas por fatores ambientais externos.

• Vedação de peças de conexão

Além da vedação do tanque de óleo, as medidas de vedação de cada parte de conexão do transformador também desempenham um papel decisivo no desempenho geral da vedação. Os componentes de conexão de um transformador de distribuição totalmente vedado incluem principalmente buchas, comutadores de derivação, dispositivos de resfriamento, etc. Esses componentes podem causar falha de vedação devido a vibrações, mudanças de temperatura e outros fatores durante a operação. Por esta razão, uma estrutura de vedação multicamadas combinada com fixadores de alta resistência é normalmente usada para garantir a confiabilidade da vedação da peça de conexão. Por exemplo, na conexão entre a carcaça e o tanque de óleo, um anel de vedação em forma de "O" e um flange de metal são frequentemente usados ​​para aumentar o efeito de vedação. Para peças móveis, como comutadores de derivação, é necessário um projeto de vedação dinâmica para se adaptar ao seu leve deslocamento durante a operação. Além disso, o material de vedação das peças de conexão deve ter boa elasticidade e resistência à corrosão para lidar com o complexo ambiente operacional. Estudos apontaram que o projeto de vedação científico e razoável das peças de conexão pode não apenas melhorar o desempenho geral da vedação do transformador, mas também reduzir efetivamente a probabilidade de falhas comuns, como vazamento de óleo.

2. Sistema de isolamento

• Seleção de material de isolamento

O sistema de isolamento de um transformador de distribuição totalmente selado é a principal garantia de seu desempenho elétrico, e a seleção dos materiais de isolamento afeta diretamente seu desempenho de isolamento e confiabilidade operacional. Em aplicações práticas, os materiais de isolamento comumente usados ​​incluem principalmente papel impregnado com óleo mineral, resina epóxi e filme de poliéster. Cada um desses materiais possui características próprias e é adequado para diferentes cenários de trabalho. Por exemplo, o papel impregnado de óleo mineral é amplamente utilizado no sistema de isolamento de transformadores de distribuição tradicionais devido às suas boas propriedades de isolamento e estabilidade térmica; enquanto a resina epóxi desempenha um papel importante nos transformadores do tipo seco devido à sua excelente resistência mecânica e resistência à corrosão química. Para transformadores de distribuição totalmente selados, a seleção dos materiais de isolamento deve levar em consideração as particularidades do ambiente de trabalho, como umidade, faixa de variação de temperatura e condições de carga. Além disso, à medida que os requisitos de proteção ambiental se tornam cada vez mais rigorosos, novos materiais de isolamento ecológicos, como os isentos de halogéneo e os isentos de halogéneo com baixo teor de fumo, tornaram-se gradualmente um ponto importante de investigação. A pesquisa mostra que a seleção racional de materiais de isolamento pode não só melhorar o desempenho do isolamento do transformador, mas também prolongar sua vida útil e reduzir os custos de manutenção.

• Projeto de estrutura de isolamento

O projeto da estrutura de isolamento é uma parte importante do sistema de isolamento do transformador de distribuição totalmente selado. Seu layout razoável e design científico estão diretamente relacionados ao desempenho elétrico e à segurança operacional do transformador. Em aplicações práticas, a estrutura de isolamento geralmente adota um design em camadas para obter um isolamento eficiente entre componentes com diferentes potenciais. Por exemplo, múltiplas camadas de papel isolante são colocadas entre os enrolamentos e o núcleo para aumentar a resistência do isolamento eléctrico; ao mesmo tempo, divisórias isolantes são usadas para separar os enrolamentos de alta tensão e os enrolamentos de baixa tensão para evitar a ocorrência de descarga parcial. Além disso, o projeto da estrutura de isolamento também deve considerar integralmente o estresse térmico e o estresse mecânico que o transformador pode enfrentar durante a operação para garantir sua estabilidade sob condições de trabalho complexas. A pesquisa mostra que otimizar o projeto da estrutura de isolamento pode não apenas melhorar o desempenho do isolamento do transformador, mas também reduzir efetivamente a taxa de falhas causadas por falhas de isolamento. Especialmente em áreas de grande altitude, devido ao ar rarefeito que leva a uma diminuição da rigidez elétrica, o projeto da estrutura de isolamento precisa ser ajustado especificamente para atender aos requisitos operacionais em ambientes especiais.

3. Mecanismo de dissipação de calor

• Dissipação natural de calor

O mecanismo de dissipação de calor de um transformador de distribuição totalmente selado é uma garantia importante para o seu funcionamento normal. O método natural de dissipação de calor é amplamente utilizado em transformadores de pequeno e médio porte devido às suas características simples e confiáveis. A dissipação natural de calor depende principalmente da radiação térmica e convecção na superfície do tanque do transformador para transferir o calor gerado no interior para o ambiente circundante. Especificamente, quando o transformador está funcionando, o calor gerado pelos enrolamentos e pelo núcleo de ferro é primeiro transferido para a parede interna do tanque de óleo por meio de condução de calor e depois dissipado para o ambiente circundante por meio de radiação térmica e convecção de ar na superfície do tanque de óleo. A fim de melhorar a eficiência natural da dissipação de calor, geralmente são fornecidos dissipadores de calor ou estruturas corrugadas na superfície do tanque de combustível para aumentar a área de dissipação de calor e aumentar o efeito de transferência de calor por convecção. Além disso, o projeto do dissipador de calor precisa considerar de forma abrangente fatores como condutividade térmica, coeficiente de forma e layout do material para atingir o desempenho ideal de dissipação de calor. A pesquisa mostra que o projeto razoável de dissipação de calor natural pode não apenas garantir a operação segura do transformador sob carga nominal, mas também estender efetivamente sua vida útil.

• Resfriamento forçado (se houver)

Para transformadores de distribuição totalmente selados operando com grande capacidade ou alta carga, a dissipação natural de calor por si só pode não ser capaz de atender às suas necessidades de dissipação de calor. Neste caso, métodos de dissipação forçada de calor precisam ser introduzidos para melhorar as capacidades de dissipação de calor. A dissipação forçada de calor é geralmente obtida através de equipamentos auxiliares, como ventiladores e bombas de óleo, e a circulação forçada de meios de resfriamento (como ar ou óleo de transformador) é usada para acelerar a transferência e dissipação de calor. Por exemplo, em alguns cenários de aplicação de alta carga, radiadores resfriados a ar podem ser usados ​​para conduzir o fluxo de ar através dos ventiladores para melhorar significativamente a eficiência da dissipação de calor. Em transformadores extragrandes, os sistemas de resfriamento por circulação forçada de óleo são frequentemente usados ​​para transportar óleo quente para um resfriador externo através de uma bomba de óleo para resfriamento e depois fluir de volta para o transformador. A vantagem do método de resfriamento forçado é sua forte capacidade de dissipação de calor e rápida velocidade de resposta, mas também apresenta as desvantagens de alto consumo de energia e manutenção complicada. Portanto, em aplicações práticas, uma seleção razoável deve ser feita com base na capacidade, ambiente operacional e características de carga do transformador para alcançar um equilíbrio entre desempenho e economia de dissipação de calor.

III. Principais vantagens em comparação com transformadores tradicionais

• Vida útil significativamente prolongada: Como o oxigênio e a umidade não podem entrar, a velocidade de envelhecimento do óleo isolante é reduzida em mais de 50%, a degradação dos materiais de isolamento de papel é retardada e a vida útil projetada pode chegar a 20 a 30 anos.
• Verdadeiramente livre de manutenção: Durante a operação, não há necessidade de inspeções regulares do núcleo, não há necessidade de substituir o dessecante do respirador, não há necessidade de reabastecer óleo ou filtrar óleo, apenas inspeções externas são necessárias e os custos de operação e manutenção são reduzidos em mais de 60%. É especialmente adequado para instalação em locais com transporte inconveniente ou situações desacompanhadas.
• Alta confiabilidade e adaptabilidade ambiental: O nível de proteção pode atingir IP67, podendo suportar poeira, névoa salina, umidade e ambientes corrosivos costeiros, podendo até operar quando imerso em água por um curto período de tempo. Ao mesmo tempo, por não possuir conservador de óleo, ocupa menor área e possui maior resistência mecânica contra curto-circuitos.
• Segurança e proteção ambiental: O óleo é isolado do ar, o que reduz o risco de lodo e incêndio causado pela oxidação do óleo, além de evitar que o óleo polua o ambiente externo.

4. Limitações e Notas

• O custo inicial é um pouco mais alto: a linha de produção de tanques de óleo corrugados e a tecnologia de placas elásticas são complexas e o custo é cerca de 15% a 20% maior do que o de transformadores comuns da mesma capacidade, mas muitas vezes é mais econômico em termos de custo total do ciclo de vida (TCO).
• A manutenção é difícil: uma vez que ocorre vazamento de solda, é difícil apertá-la tão facilmente quanto uma conexão aparafusada no local e geralmente precisa ser devolvida à fábrica para reparo; e alguns modelos não possuem medidor de nível de óleo transparente externo, portanto, é necessária uma haste de sonda para detectar o nível de óleo, e o monitoramento não é tão intuitivo quanto os tradicionais.
• Pontos de inspeção antes da operação: Antes da instalação e operação, certifique-se de remover a placa de pressão fixa de transporte (pino de vedação) na válvula de alívio de pressão, caso contrário a pressão não poderá ser liberada quando a pressão interna estiver anormal, o que pode causar a deformação do tanque.

V. Principais cenários de aplicação

Transformadores de distribuição totalmente selados são amplamente utilizados em:

• Rede de distribuição urbana e residencial: áreas residenciais, complexos comerciais, salas subterrâneas de distribuição de energia (elevados requisitos de resistência à umidade);
• Áreas ambientais adversas: áreas costeiras de névoa salina, parques industriais químicos, minas, áreas de alta altitude e alta umidade;
• Novas energias e periferias: parques fotovoltaicos/eólicos, transformação da rede eléctrica rural, transformadores de distribuição em zonas montanhosas (onde a manutenção é inconveniente);
• Subestação tipo caixa: Como unidade central integrada, economiza espaço e melhora a vedação geral.

Com a popularização de S20, SH15 e outras ligas amorfas e produtos de chapa de aço silício de alta eficiência, os transformadores de distribuição totalmente selados estão se tornando um "guardião invisível" mais estável e livre de preocupações na rede de distribuição, impulsionados pela dupla unidade de economia de energia e redução de consumo (fundo "duplo carbono") e operação e manutenção inteligentes.