Enrolamentos de transformadores e isolamento de transformadores

Os enrolamentos do transformador são os componentes do circuito de um transformador e são as peças principais para a conversão de energia eletromagnética. São feitos de fios isolados (geralmente cobre ou alumínio) enrolados de acordo com um padrão específico e transmitem energia através do princípio da indução eletromagnética.

1. Principais Funções

• Criando um campo magnético: Quando o enrolamento primário é alimentado com corrente alternada, um campo magnético alternado é estabelecido.
• Força eletromotriz indutora: Este campo magnético alternado passa pelo enrolamento secundário, induzindo uma força eletromotriz (tensão) no enrolamento secundário.
• Alteração da tensão: Ao ajustar a relação de espiras dos enrolamentos primário e secundário, a tensão pode ser aumentada ou diminuída.

2. Tipos de Enrolamentos (classificados por nível de tensão e posição relativa)

• Enrolamento-de alta tensão: enrolamento que suporta tensão mais alta. Geralmente tem uma seção transversal-de fio menor (já que a corrente é relativamente pequena), mas requer alto isolamento.
• Enrolamento-de baixa tensão: Enrolamento que suporta tensão mais baixa. Geralmente tem uma seção transversal-de fio maior (já que a corrente é relativamente grande) e tem requisitos de isolamento relativamente mais baixos.

Estruturalmente, com base na sua disposição no núcleo, eles são divididos principalmente em dois tipos:

(1) Enrolamento concêntrico:

• Estrutura: os enrolamentos de alta-tensão e baixa{1}}tensão são enrolados em formas cilíndricas de diâmetros diferentes e colocados concentricamente no membro central.
• Arranjo comum: para facilitar o isolamento, o enrolamento de baixa-tensão geralmente é colocado na parte interna (mais próximo do núcleo) e o enrolamento de alta-tensão na parte externa. Isso ocorre porque o isolamento entre o enrolamento-de baixa tensão e o núcleo (aterrado) é mais fácil de manusear.
• Aplicação: A maioria dos transformadores de potência (especialmente aqueles com maiores capacidades) utiliza esta estrutura. O processo de fabricação é relativamente simples e a estrutura é robusta.

(2)Enrolamento intercalado:

• Estrutura: os enrolamentos de alta-tensão e de baixa{1}}tensão são feitos em formato de disco e empilhados alternadamente ao longo da altura do membro central.
• Vantagens: fluxo de vazamento reduzido entre os enrolamentos, alta resistência mecânica e forte resistência-a curto-circuito.
• Aplicação: Usado principalmente para transformadores especiais, como transformadores de fornos elétricos e transformadores de soldagem, que precisam suportar grandes forças eletromagnéticas.

3. Principais Requisitos para Enrolamentos
Desempenho elétrico: deve suportar tensão operacional-de longo prazo e sobretensão transitória (como quedas de raios).
Desempenho mecânico: A estrutura deve ser forte o suficiente para suportar as enormes forças eletromagnéticas geradas durante curtos-circuitos sem deformação.
Desempenho térmico: deve ter boa dissipação de calor para garantir que o aumento de temperatura sob carga-de longo prazo não exceda o limite.
Desempenho do processo: O processo de enrolamento deve ser simples, econômico e confiável.

É o sistema de material que isola as diferentes partes do enrolamento umas das outras e separa o enrolamento das partes aterradas (como o núcleo e o tanque de óleo). Não é-uma parte do circuito do transformador, mas determina a segurança e a vida útil do transformador.
1. Principais Funções

• Isolamento de potencial: separa de forma confiável peças condutoras com diferentes potenciais (como enrolamentos de alta e baixa tensão e enrolamentos do núcleo) para evitar curtos-circuitos.
• Canal de dissipação de calor: Materiais isolantes (como óleo de transformador) geralmente servem como meio de resfriamento, transferindo o calor gerado pelo enrolamento e pelo núcleo.
• Suporte Mecânico: Materiais isolantes (como placa isolante) também ajudam a fixar e apoiar os enrolamentos.

2. Classificação do Isolamento (por Localização e Função)
O sistema de isolamento do transformador é normalmente dividido em duas categorias principais:

• Isolamento Interno: Localizado dentro do tanque de óleo do transformador, não em contato direto com o ar externo.
• Isolamento principal: refere-se ao isolamento entre enrolamentos e peças aterradas (como o núcleo e o tanque de óleo) e entre enrolamentos de diferentes níveis de tensão (como entre enrolamentos de alta-tensão e baixa-tensão). Este é o núcleo do sistema de isolamento do transformador e determina o nível de tensão do transformador.
• Isolamento longitudinal: refere-se ao isolamento dentro do mesmo enrolamento, como isolamento entre espiras (isolamento-a-espira), entre camadas de enrolamento (isolamento de camada-a{3}}camada) e entre seções de enrolamento (isolamento de seção-a-seção).
• Isolamento Externo: Refere-se às partes de isolamento expostas ao ar externo ao transformador, principalmente o isolamento na parte superior das buchas (fora do tanque de óleo). Sua resistência de isolamento depende principalmente das condições do ar e da distância de fuga.

3. Principais materiais isolantes
O isolamento de transformadores (especialmente transformadores-imersos em óleo) é um sistema composto. Os materiais comuns incluem:
(1)Materiais isolantes líquidos:

• Óleo Mineral de Transformador: O mais comumente usado. As funções incluem: isolamento (rigidez dielétrica muito maior que o ar), dissipação de calor (remove o calor por convecção), proteção (isola o oxigênio, retarda o envelhecimento do material).
• Óleo Isolante de Éster Sintético ou Natural: Como óleo de silicone ou óleo isolante vegetal, comumente usado em locais com altos requisitos de resistência ao fogo.

(2)Materiais isolantes sólidos:

• Papel isolante, placa isolante: Usado para isolamento de voltas, isolamento de camadas, separadores entre enrolamentos e cilindros de isolamento. O sistema de isolamento composto de óleo-papel é o tipo mais clássico e confiável de isolamento de transformador.
• Resina Epóxi: Amplamente utilizada em transformadores do tipo-seco, formando um isolamento geral sólido por meio de fundição.
• Papel NOMEX®: Papel de poliamida aromática de alto-desempenho e alta resistência térmica, comumente usado em transformadores-do tipo seco ou especiais.

Os enrolamentos do transformador são os “canais do circuito” para alcançar a conversão de energia eletromagnética, enquanto o isolamento do transformador é o “sistema de proteção” que separa com segurança os componentes com diferentes potenciais; o isolamento atua como 'blindagem' dos enrolamentos, proporcionando segurança para sua operação normal e evitando acidentes-de curto-circuito. Os dois se complementam e juntos determinam o desempenho, o nível de tensão e a confiabilidade operacional do transformador.