Qual é a razão da fraca estabilidade do transformador?

Como um dos principais equipamentos do sistema de energia, o transformador desempenha as principais funções de conversão de tensão, transmissão e distribuição de energia. Sua estabilidade operacional afeta diretamente a segurança e a confiabilidade de todo o sistema de potência. Nas redes de energia modernas, os transformadores alcançam uma transmissão eficiente e uma distribuição razoável de energia, alterando os níveis de tensão, atendendo assim às necessidades de energia elétrica dos diferentes usuários. Além disso, os transformadores também desempenham um importante papel regulador na operação estável do sistema de energia, como manter o nível de tensão ajustando a posição do tap ou melhorar o fator de potência do sistema através da compensação de potência reativa. No entanto, na operação real, muitos transformadores enfrentarão problemas como grandes flutuações de tensão, distribuição desigual de carga e capacidade reduzida de sobrecarga. Esses fenômenos geralmente apontam para o “fraco desempenho de estabilidade” do transformador. Então, quais são as causas do baixo desempenho de estabilidade dos transformadores?

I. Design e seleção irracionais

1. Correspondência inadequada de tensão de impedância

A tensão de impedância do transformador determina a uniformidade da distribuição da carga quando ele é operado em paralelo. Se o desvio de tensão de impedância for muito grande quando vários transformadores são operados em paralelo, o transformador com impedância menor suportará muita carga e ficará em estado de sobrecarga por um longo período, afetando assim a estabilidade de todo o sistema.

2. Margem de capacidade insuficiente

Se a capacidade nominal do transformador não corresponder à demanda real de carga, especialmente em cenários com grandes flutuações de carga (como inicialização de linha de produção industrial, nova conexão à rede de energia), o transformador frequentemente opera próximo ou excede a capacidade nominal, tornando difícil manter a tensão de saída estável.

3. A faixa de ajuste do comutador é limitada

O número de engrenagens e a precisão de ajuste do comutador regulador de tensão em carga são insuficientes e não conseguem lidar efetivamente com grandes flutuações na tensão da rede, fazendo com que a tensão do lado secundário se desvie da faixa normal.

II. Processo de fabricação e problemas de qualidade do material

1. Má seleção de material de núcleo de ferro

Como componente central do transformador, a escolha do material do núcleo de ferro afeta diretamente as propriedades magnéticas, a perda sem carga e a estabilidade operacional do transformador. Atualmente, os materiais de núcleo de ferro comumente usados ​​incluem principalmente chapas de aço silício e ligas amorfas. Existem diferenças significativas entre os dois em termos de permeabilidade magnética, intensidade de indução magnética de saturação e perda de ferro. Chapas de aço silício são amplamente utilizadas em transformadores tradicionais devido à sua alta permeabilidade magnética e baixo custo. No entanto, a perda de ferro das chapas de aço silício é relativamente elevada, especialmente em condições de alta frequência, o que levará a um aumento nas perdas sem carga do transformador, acompanhado por um aumento do ruído e outros problemas, afetando assim a sua estabilidade e economia. Os materiais de liga amorfa tornaram-se gradualmente o material preferido para novos transformadores devido à sua perda de ferro extremamente baixa e excelentes propriedades magnéticas. No entanto, a resistência mecânica e o desempenho de processamento das ligas amorfas são relativamente pobres. Se esses fatores não forem totalmente considerados durante o processo de projeto, poderão causar problemas como deformação e rachaduras do núcleo durante a fabricação ou operação, afetando ainda mais o desempenho do circuito magnético e a estabilidade operacional do transformador. Portanto, ao selecionar materiais com núcleo de ferro, suas propriedades magnéticas, economia e aplicabilidade devem ser consideradas de forma abrangente para obter o melhor efeito de projeto.

2. Defeitos no projeto da estrutura central e no processo de empilhamento

A racionalidade do projeto da estrutura central e do processo de empilhamento tem um impacto importante no desempenho do circuito magnético, na corrente sem carga e na estabilidade operacional do transformador. Em primeiro lugar, o projeto estrutural irracional do núcleo de ferro, como juntas excessivas ou mau isolamento entre as folhas, levará à distribuição desigual do fluxo magnético no circuito magnético, aumentando assim a corrente sem carga e a perda de ferro. Este fenômeno não só reduzirá a eficiência operacional do transformador, mas também poderá causar problemas locais de superaquecimento e até mesmo causar falha no núcleo em casos graves. Em segundo lugar, o processo de empilhamento irregular também é um factor importante que afecta o desempenho do núcleo. Durante o processo de empilhamento, se as peças estiverem desalinhadas ou o isolamento for danificado, a continuidade do circuito magnético será destruída, resultando em aumento da perda por histerese e perda de correntes parasitas. Além disso, a força de pressão insuficiente ou distribuída de forma desigual durante o empilhamento também pode fazer com que o núcleo se solte durante a operação, afetando sua estabilidade mecânica e nível de ruído. Portanto, durante o projeto e processo de fabricação do núcleo, a precisão do processo de empilhamento deve ser rigorosamente controlada para garantir que as dimensões geométricas e as propriedades magnéticas do núcleo atendam aos requisitos do projeto, fornecendo assim uma garantia confiável para a operação estável do transformador.

3. Estrutura e isolamento inadequados do enrolamento

A escolha da estrutura do enrolamento tem um impacto importante no desempenho de dissipação de calor, resistência mecânica e estabilidade do transformador. Atualmente, as estruturas de enrolamento comuns incluem o tipo cilíndrico e o tipo torta. Cada estrutura possui características únicas e cenários aplicáveis. Os enrolamentos cilíndricos são amplamente utilizados em transformadores de pequeno e médio porte devido à sua estrutura simples e tecnologia de fabricação madura. Porém, a aplicação desta estrutura em grandes transformadores pode apresentar problemas de má dissipação de calor, principalmente sob condições de carga elevada, o que pode facilmente levar ao superaquecimento local, afetando assim a operação estável do transformador. Em contraste, os enrolamentos tipo torta melhoram a eficiência da dissipação de calor e aumentam a resistência mecânica por meio de um design segmentado, tornando-os mais adequados para transformadores de alta tensão e grande capacidade. Porém, se a estrutura for selecionada incorretamente, por exemplo, selecionando cegamente uma determinada estrutura sem considerar totalmente as características de carga e o ambiente operacional, isso poderá causar problemas como concentração de tensões mecânicas e danos ao isolamento durante a operação do transformador, afetando assim seu desempenho estável.

Curto-circuito entre as espiras do enrolamento, envelhecimento do isolamento intercamada ou processo de impregnação inadequado causarão descarga parcial ou mesmo quebra entre espiras, resultando em distribuição anormal do campo eletromagnético dentro do transformador e deterioração das características de saída.

Portanto, no projeto da estrutura sinuosa, é necessário avaliar de forma abrangente as vantagens e desvantagens de várias estruturas com base em cenários de aplicação específicos para selecionar a solução ideal.

4. Projeto irracional de curvas sinuosas

O número de voltas do enrolamento é um dos parâmetros centrais no projeto do transformador, e sua racionalidade afeta diretamente a relação de tensão, a distribuição de corrente e o desempenho geral de estabilidade do transformador. Quando o número de voltas do enrolamento é projetado muito, a relação de tensão entre o lado primário e o lado secundário do transformador se desviará do valor nominal, causando problemas de desvio de tensão. Este desvio não afetará apenas a qualidade do fornecimento de energia do sistema de energia, mas também poderá causar danos ao equipamento de carga. Além disso, muitas voltas aumentarão a resistência do enrolamento, resultando em aumento das perdas de cobre, reduzindo assim a eficiência operacional do transformador. Pelo contrário, se o número de voltas do enrolamento for projetado para ser muito pequeno, o transformador suportará corrente excessiva sob a carga nominal, exacerbando o fenômeno de aquecimento do enrolamento, e pode até causar envelhecimento ou quebra da camada de isolamento, afetando seriamente a estabilidade e vida útil do transformador. Portanto, no projeto real, é necessário calcular e determinar com precisão o número razoável de voltas do enrolamento com base em fatores como capacidade nominal, nível de tensão e ambiente operacional do transformador para garantir que o transformador mantenha desempenho estável em operação de longo prazo.

5. Má qualidade do fio

Os fios são os materiais constituintes básicos dos enrolamentos do transformador e sua qualidade afeta diretamente o valor da resistência, a resistência elétrica e a estabilidade geral dos enrolamentos. Se a resistividade do fio for muito alta, a resistência do enrolamento aumentará, causando perdas adicionais de cobre e problemas de aumento de temperatura. Este aumento de temperatura não só acelerará o envelhecimento do material de isolamento, mas também poderá reduzir a rigidez elétrica do enrolamento e aumentar o risco de falha por curto-circuito. Além disso, a qualidade da camada de isolamento do fio também tem um impacto importante no desempenho estável do transformador. Se a camada de isolamento apresentar problemas como espessura irregular e resistência de tensão insuficiente, isso levará facilmente a curtos-circuitos entre espiras ou falhas à terra nos enrolamentos, o que afetará o funcionamento normal do transformador. Especialmente sob condições de alta carga, o problema da má qualidade do condutor será ainda mais amplificado, o que pode causar falha do transformador devido a superaquecimento ou falha elétrica. Portanto, durante o processo de fabricação do transformador, os materiais dos fios devem ser rigorosamente selecionados para garantir que sua resistividade e propriedades de isolamento atendam aos requisitos de projeto para garantir a operação estável do transformador.

6. Mau desempenho dos materiais de isolamento

Os materiais isolantes desempenham um papel importante no isolamento de componentes com diferentes potenciais em transformadores, e seu desempenho afeta diretamente a confiabilidade e a estabilidade geral do sistema de isolamento do transformador. Se o material de isolamento tiver um baixo nível de resistência ao calor, a sua resistência mecânica e propriedades eléctricas podem diminuir rapidamente sob condições de carga elevada ou sobrecarga, resultando na quebra do isolamento ou descarga parcial. Além disso, a resistência corona do material isolante também é um fator chave que afeta a estabilidade do transformador. Quando o material isolante é exposto a um forte ambiente de campo elétrico, se sua resistência corona for insuficiente, causará facilmente uma descarga corona, levando à corrosão e deterioração da superfície de isolamento, encurtando em última análise a vida útil do transformador. A pesquisa mostra que o mau desempenho dos materiais de isolamento não só aumentará a taxa de falhas do transformador, mas também pode ter um impacto negativo na sua operação económica, como aumento dos custos de manutenção e perdas por falta de energia. Portanto, durante o processo de fabricação do transformador, os materiais de isolamento de alto desempenho devem ter prioridade e passar por testes e verificações rigorosos para garantir que possam manter um desempenho estável sob diversas condições operacionais.

III. Ambiente Operacional Adverso

1. Temperatura excessiva ou má dissipação de calor

Quando os transformadores operam em ambientes de alta temperatura por longos períodos (como quando expostos à luz solar direta ao ar livre no verão ou em subestações mal ventiladas), o material de isolamento envelhece mais rapidamente, as propriedades dielétricas do isolamento de papel-óleo se deterioram, levando ao aumento de descargas parciais internas, desvios nos parâmetros elétricos e redução da estabilidade.

2. Alta umidade e contaminação severa

A alta umidade, juntamente com contaminantes como névoa salina e poeira, aderidos às superfícies das buchas e isoladores, podem diminuir o nível de isolamento externo, desencadear descargas elétricas, causar aterramento instantâneo ou curtos-circuitos e resultar em flutuações severas de tensão.

3. Interferência de carga harmônica e de impacto

Uma grande quantidade de harmônicos gerados por cargas não lineares (como conversores de frequência, retificadores e fornos a arco) quando injetados em transformadores aumenta as perdas de cobre e ferro, causando aquecimento adicional. Ao mesmo tempo, as correntes harmônicas também podem distorcer o fluxo magnético no núcleo, afetando a estabilidade da forma de onda e da amplitude da tensão de saída.

4. Gestão inadequada de operação e manutenção

1. Falta de inspeções regulares e testes preventivos: Testes preventivos, como testes de resistência de isolamento, medição de perda dielétrica e análise de cromatografia em óleo, não foram realizados dentro do prazo, impossibilitando a identificação imediata de falhas internas latentes (como superaquecimento localizado, descarga ou entrada de umidade). Isto levou à incapacidade de detetar problemas antecipadamente, permitindo-lhes aumentar e afetar gravemente a estabilidade.

2. Manutenção negligente do sistema de refrigeração: Falhas nos dispositivos de refrigeração, como ventiladores, bombas de óleo e radiadores, não foram reparadas prontamente ou os radiadores ficaram gravemente entupidos com poeira, reduzindo a eficiência de dissipação de calor do transformador e aumentando a temperatura do óleo. Isso acelerou o envelhecimento do isolamento e a deterioração do desempenho elétrico.

3. Operação inadequada dos comutadores de derivação: Durante a regulação de tensão manual ou automática, podem ocorrer problemas como mecanismos do comutador de derivação emperrados, contatos queimados ou falhas mecânicas, resultando em falha na regulação de tensão ou posições de derivação incorretas, o que pode levar a tensões de saída descontroladas.

V. Fatores Externos da Rede Elétrica

1. A tensão do sistema flutua frequentemente

A tensão da rede elétrica a montante aumenta ou diminui repentinamente devido a comutação de carga em grande escala, disparo de falha, etc. Quando a capacidade de regulação de tensão do transformador é excedida, o transformador não consegue manter a estabilidade da tensão lateral secundária.

2. O desequilíbrio trifásico é grave

A carga monofásica de alta potência no lado de baixa tensão é distribuída de forma desigual, resultando em um sério desequilíbrio na corrente trifásica e em um deslocamento no ponto neutro. Isto não só provoca um aumento na corrente de sequência zero e perdas adicionais, mas também torna a tensão de saída trifásica assimétrica, afetando o funcionamento normal dos equipamentos elétricos.

VI. Resumo e sugestões de melhoria

O mau desempenho da estabilidade do transformador é frequentemente o resultado da superposição de múltiplos fatores, e uma única causa raramente pode levar a consequências graves de forma independente. Em resposta aos problemas acima, recomenda-se melhorar os seguintes aspectos:

• Otimize o projeto inicial: selecione razoavelmente a capacidade do transformador, a tensão de impedância e o método de regulação de tensão de acordo com as características reais da carga e use um transformador de regulação de tensão em carga quando necessário.
• Controle rigorosamente a qualidade de fabricação: selecione chapas de aço silício de alta qualidade e materiais de isolamento de alta qualidade e reforce os testes de fábrica para garantir a consistência do processo.
• Melhore o ambiente operacional: mantenha a sala do transformador bem ventilada, instale dispositivos de controle de temperatura e desumidificação e limpe a sujeira regularmente.
• Fortalecer o gerenciamento de operação e manutenção: estabelecer um sistema de inspeção científica, realizar análises de amostras de óleo e testes elétricos regularmente e substituir peças envelhecidas em tempo hábil.
• Melhorar a qualidade da rede elétrica: instalar dispositivos de filtragem e compensação de potência reativa, otimizar a distribuição de carga trifásica e reduzir o impacto de harmônicos e desequilíbrio no transformador.

Somente controlando toda a cadeia, desde a fonte do projeto até a operação e manutenção diária, o desempenho estável do transformador pode ser efetivamente melhorado e a operação segura e confiável do sistema de energia garantida.