Estrutura básica do transformador imerso em óleo de 11kV: uma análise detalhada

O 11kVtransformador imerso em óleoserve como um dos dispositivos de conversão de energia mais críticos em redes de distribuição de energia. É amplamente utilizado em redes de energia urbanas, parques industriais, locais de mineração, comunidades residenciais e novas estações de energia. Usando óleo isolante como meio dielétrico e de resfriamento, ele reduz a tensão do lado de alta tensão de 11kV para a tensão de distribuição de baixa tensão de 0,4kV para obter transmissão e distribuição segura de energia elétrica. Comparados aos transformadores do tipo seco, os transformadores imersos em óleo apresentam forte capacidade de sobrecarga, menor custo de capital, excelente desempenho de dissipação de calor e operação estável. Para compreender totalmente o princípio de funcionamento, realizar manutenções de rotina e prever possíveis falhas, é essencial familiarizar-se com toda a estrutura interna e externa do transformador imerso em óleo de 11kV. Este artigo detalha seus componentes principais um por um, auxiliando especialistas em compras, engenheiros de operação e manutenção e empreiteiros gerais a compreender rapidamente a construção do equipamento.

Um 11kV completotransformador de distribuição imerso em óleoé composto por sete módulos principais: conjunto de núcleo e enrolamento, tanque de óleo e sistema de refrigeração, sistema de óleo isolante, comutador, conjunto de bucha, componentes de proteção e acessórios de base. Todo o núcleo de ferro e enrolamentos energizados estão totalmente submersos no óleo do transformador. O óleo do transformador desempenha duas funções principais. Primeiro, o isolamento elétrico: isola os enrolamentos em diferentes níveis de potencial, bem como os enrolamentos do núcleo e do casco do tanque para evitar quebras e falhas de curto-circuito. Em segundo lugar, a dissipação de calor: o calor gerado pelos enrolamentos energizados e pelo núcleo é transferido para o meio petrolífero. Através de convecção natural ou circulação forçada de óleo, o calor é fornecido à parede do tanque e aos radiadores e dissipado no ar ambiente. Toda a unidade adota uma construção selada para reduzir a entrada de ar e umidade no óleo, retardando a degradação do isolamento.

3.1 Núcleo de Ferro
O núcleo de ferro forma o circuito magnético do transformador, conduzindo fluxo magnético alternado para realizar a indução eletromagnética. Chapas de aço silício laminadas a frio de alta permeabilidade são normalmente adotadas como matéria-prima. Cada chapa de aço silício é revestida com verniz isolante e empilhada em um padrão intercalado. O design de empilhamento reduz a perda por histerese e a perda por correntes parasitas para minimizar a geração de calor. O núcleo consiste em pernas centrais e jugos. Os enrolamentos são montados nas pernas do núcleo, enquanto as culatras conectam as pernas do núcleo superior e inferior para formar um laço magnético fechado. O núcleo de ferro é aterrado em um único ponto para evitar potencial flutuante que pode provocar descarga parcial e danificar materiais de isolamento.
3.2 Enrolamentos de alta e baixa tensão
Os enrolamentos constituem o circuito elétrico do transformador, dividido em enrolamentos de alta tensão (11kV) e enrolamentos de baixa tensão (0,4kV). Eles são montados concentricamente nas pernas centrais. Na maioria dos projetos, os enrolamentos de baixa tensão são colocados na camada interna e os enrolamentos de alta tensão na camada externa.
Os enrolamentos de baixa tensão utilizam condutores com maior área de seção transversal e menos voltas, enquanto os enrolamentos de alta tensão possuem maior número de voltas com condutores mais finos. Os condutores são envoltos em papel isolante. Blocos espaçadores e dutos de óleo são dispostos entre voltas e camadas. Os dutos de óleo reservam canais de fluxo para o óleo do transformador circular e transportar o calor. Após a fabricação do enrolamento, é realizada a impregnação com óleo a vácuo para eliminar bolhas de ar internas e aumentar a rigidez dielétrica.
3.3 Sistema de Isolamento
Além do papel isolante do condutor, os componentes de isolamento incluem tiras de suporte, separadores, anéis angulares e espaçadores, geralmente fabricados em cartão isolante. Essas peças separam os enrolamentos de alta e baixa tensão, suportam e fixam os conjuntos de enrolamentos e, enquanto isso, formam passagens de óleo de resfriamento. O sistema de isolamento é a base da operação segura do transformador. Quando o isolamento ficar úmido ou danificado, poderá ocorrer curto-circuito entre espiras ou ruptura do aterramento e causar acidentes graves.

4.1 Tanque de óleo
O tanque de óleo é um recipiente de aço soldado projetado para conter o óleo do transformador e acomodar o conjunto do núcleo e do enrolamento. Também atua como estrutura de suporte mecânico para transportar radiadores, buchas, conservador e outros acessórios externos. Os tanques de óleo são classificados em tanques planos e tanques corrugados. Os tanques corrugados contam com paredes corrugadas elásticas para compensar a mudança no volume de óleo causada pela expansão e contração térmica, e os conservadores podem ser omitidos para pequenos transformadores de distribuição. Unidades de maior capacidade adotam tanques de topo plano combinados com conservadores. Uma válvula de drenagem de óleo é instalada na parte inferior do tanque para amostragem e drenagem de óleo durante a manutenção. Os parafusos de aterramento são montados na lateral do tanque para um aterramento confiável durante a operação para proteger a segurança do pessoal.
4.2 Conservador (Tanque de Expansão de Óleo)
O conservador é montado no topo do tanque de óleo e conectado ao corpo do tanque através de um tubo de conexão. O óleo do transformador se expande quando a temperatura aumenta e se contrai quando a temperatura cai. O conservador acomoda essa variação de volume, garantindo que o tanque esteja sempre totalmente cheio de óleo e evitando a exposição do núcleo e dos enrolamentos ao ar. Um respiro é equipado no conservador, preenchido com sílica gel que muda de cor para absorver a umidade do ar ambiente e evitar que ar úmido entre no óleo do transformador. Um indicador de nível de óleo é instalado na lateral do conservador para exibir visualmente o nível de óleo para inspeção de rotina.
4.3 Componentes de resfriamento
Modos de resfriamento comuns para 11kVtransformadores imersos em óleoincluem ONAN (Óleo Natural Ar Natural) e ONAF (Óleo Natural Ar Forçado). Pequenos transformadores de distribuição dissipam o calor naturalmente através das paredes do tanque ou painéis corrugados. Os modelos de maior capacidade estão equipados com radiadores de painel. Os radiadores se conectam ao tanque por meio de tubulações. O óleo quente flui para cima, para os radiadores, para resfriamento, e o óleo resfriado retorna ao fundo do tanque para estabelecer a circulação natural de convecção. Unidades equipadas com ventiladores de resfriamento podem ativar ventiladores sob carga pesada para melhorar a dissipação de calor e melhorar a capacidade de sobrecarga de curta duração.
4.4 Buchas de alta tensão e baixa tensão
As buchas são componentes isolantes que conduzem os enrolamentos energizados para fora do tanque de óleo. Uma extremidade se conecta aos enrolamentos internos, enquanto a outra extremidade é exposta à atmosfera para conexão externa de cabos ou barramentos.. 11As buchas de alta tensão kV geralmente são de porcelana ou compostas. O lado de baixa tensão funciona sob tensão mais baixa e geralmente adota buchas de porcelana ou resina. Uma haste condutora passa pela bucha e o invólucro isolante externo suporta a tensão de terra. As buchas estão entre os componentes mais propensos a falhas. Contaminação da superfície, rachaduras ou entrada de umidade podem resultar em descarga por flashover.
4.5 Trocador de toque
O comutador ajusta o número de voltas dos enrolamentos de alta tensão e modifica a relação do transformador para compensar a flutuação da tensão da rede. Ele pode ser categorizado em comutador de derivação fora de circuito e comutador de derivação em carga. A maioria dos transformadores de distribuição de 11kV são equipados com comutadores de derivação fora de circuito, que devem ser operados somente depois que o transformador estiver totalmente desenergizado. O comutador de derivação é montado na parte superior do tanque e ajustado através de uma alavanca de operação externa. A faixa de tap comum é de ±2×2,5%. Os engenheiros de manutenção ajustam as posições dos taps de acordo com a tensão real do local para garantir uma tensão de saída de BT estável dentro da faixa nominal.

Relé Buchholz: Instalado na tubulação que conecta o tanque e o conservador, é o principal dispositivo de proteção paratransformadores imersos em óleo. Falhas internas geram impacto no fluxo de gás ou óleo. O relé Buchholz aciona sinais de alarme ou comandos de trip. A proteção contra gases leves responde a pequenas falhas internas que produzem gás, enquanto a proteção contra gases pesados ​​reage a eventos graves de curto-circuito.
Válvula de alívio de pressão: montada na tampa do tanque. Um curto-circuito interno repentino produz gás massivo em pouco tempo e aumenta drasticamente a pressão do tanque. A válvula de alívio de pressão abre rapidamente para liberar a pressão e evitar deformação ou explosão do tanque.
Termômetros: Incluindo termômetro de superfície de óleo e termômetro de enrolamento, monitorando a temperatura superior do óleo e a temperatura do enrolamento. O alarme de temperatura excessiva será ativado quando as leituras excederem os limites.
Válvula de Amostragem de Óleo: Utilizada para amostragem periódica de óleo para realizar cromatografia gasosa, perda dielétrica e testes de umidade, avaliando o estado de envelhecimento do óleo isolante.

Cada componente estrutural do 11kVtransformador imerso em óleoexecuta sua função dedicada. O circuito magnético, o circuito elétrico, o sistema de isolamento, o sistema de refrigeração e o sistema de proteção trabalham cooperativamente para garantir uma conversão de energia estável. Núcleo e enrolamentos completam a conversão de energia eletromagnética; o óleo do transformador fornece isolamento e dissipação de calor; o tanque de óleo e o conservador mantêm um ambiente de óleo selado; buchas exportam energia elétrica; o comutador estabiliza a tensão de saída; vários dispositivos de proteção monitoram o status do equipamento em tempo real e respondem rapidamente quando ocorrem falhas.
A familiaridade com a estrutura do transformador permite que as equipes de aquisição e manutenção avaliem a qualidade do produto durante a fase de licitação e seleção, identifiquem possíveis defeitos em inspeções de rotina, formulem cronogramas de manutenção otimizados, estendam a vida útil do transformador e reduzam os riscos de falta de energia nas redes de distribuição.