Por que o óleo é usado em transformadores imersos de 11kV? Funções principais explicadas

Nas redes globais de distribuição de energia, 11kVtransformadores imersos em óleosão os equipamentos de transformação de energia dominantes. Eles são amplamente implantados em redes de distribuição urbana, parques industriais, integração de redes de energia fotovoltaica e eólica, eletrificação rural e projetos EPC no exterior. Muitos compradores, engenheiros elétricos e proprietários de projetos continuam fazendo uma pergunta fundamental, porém crítica: por que esses transformadores de média tensão são preenchidos com óleo isolante em vez de ar ou outros materiais isolantes sólidos?
O óleo isolante não é apenas um simples meio de enchimento. É um material funcional indispensável dentro de 11kVtransformadores imersos em óleo, que determina diretamente a capacidade de dissipação de calor, desempenho de isolamento, vida útil do equipamento e estabilidade operacional. Os transformadores do tipo seco dependem de ar e resina epóxi para isolamento, enquanto os transformadores imersos em óleo adotam óleo isolante mineral (ou óleo éster sintético) para realizar múltiplas funções simultaneamente. Este artigo discorre sobre as principais funções do óleo isolante em transformadores imersos em óleo de 11kV, compara as vantagens e limitações das soluções imersas em óleo, apresenta tipos comuns de óleo isolante, critérios de aceitação de qualidade e diretrizes de manutenção. Ele fornece referências técnicas profissionais para visitantes em sites independentes, ajudando os profissionais de energia a tomarem decisões acertadas durante a seleção de projetos, aceitação de equipamentos e manutenção diária.

Dentro de um transformador de 11kV, existem partes energizadas, como enrolamentos de alta tensão, enrolamentos de baixa tensão e núcleo de ferro, bem como componentes aterrados. É necessário um isolamento confiável entre os componentes para evitar quebras e falhas de curto-circuito. O ar tem capacidade de isolamento limitada e é propenso a descargas elétricas em espaços estreitos, sob campos elétricos elevados e condições de umidade. O óleo isolante do transformador apresenta alta rigidez dielétrica. Ele preenche todas as pequenas lacunas entre o núcleo de ferro e os enrolamentos, expele completamente o ar, isola efetivamente os enrolamentos de alta tensão dos enrolamentos de baixa tensão e separa os enrolamentos do núcleo de ferro aterrado e do casco do tanque de óleo.
Quando o transformador suporta tensão de frequência elétrica e tensão de impulso de raio, o óleo isolante suprime a concentração do campo elétrico local e reduz os riscos de descarga parcial. De acordo com a IEC 60156, o novo óleo isolante mineral qualificado deve atingir um nível de tensão de ruptura especificado para garantir a operação segura sob tensão nominal e condições de sobretensão temporária. Se o óleo isolante ficar úmido, contaminado ou envelhecido, sua tensão de ruptura cairá rapidamente e o risco de ruptura do isolamento interno aumentará acentuadamente. Esta é a razão fundamental pela qual os transformadores imersos em óleo precisam de testes regulares de tensão suportável em óleo.

Durante a operação do transformador, a perda de histerese e a perda de corrente parasita do núcleo de ferro, juntamente com a perda de carga do enrolamento, geram calor continuamente. A alta temperatura é a principal causa do envelhecimento do isolamento sólido. Se o calor não puder ser dissipado a tempo, o isolamento do enrolamento deteriorar-se-á rapidamente, encurtando a vida útil do transformador e até mesmo levando à queima do equipamento em casos graves.
O óleo isolante possui condutividade térmica favorável e forma circulação interna através da circulação natural de óleo (ONAN) ou resfriamento de ar forçado (ONAF). O óleo isolante aquecido próximo ao núcleo de ferro e aos enrolamentos tem menor densidade e flui para cima. O calor é transferido para a parede do tanque e para os radiadores, enquanto o óleo resfriado flui de volta para baixo para transportar continuamente o calor das fontes de calor. Este sistema de resfriamento por circulação de óleo apresenta estrutura simples e alta eficiência de troca de calor. Em comparação com o resfriamento a ar, o resfriamento a óleo pode suportar maior capacidade em um espaço menor, o que é um dos principais motivos pelos quais os transformadores de distribuição de grande capacidade preferem projetos imersos em óleo.

O isolamento de papel enrolado nos enrolamentos do transformador é de material orgânico. Ele oxidará gradualmente e se tornará quebradiço sob alta temperatura e exposição ao oxigênio, perdendo capacidade de isolamento. Depois que o tanque de óleo é preenchido com óleo isolante, o oxigênio e a umidade podem ser isolados para proteger o isolamento do papel enrolado. O óleo isolante pode dissolver uma pequena quantidade de oxigênio, reduzir as reações de oxidação do isolamento do papel, retardar o envelhecimento de todo o sistema de isolamento e prolongar a vida útil geral do transformador.
Enquanto isso, o óleo isolante reveste os componentes metálicos e reduz o risco de corrosão oxidativa nas superfícies metálicas do núcleo de ferro e dos enrolamentos. Deve-se notar que este efeito protetor não é permanente. Durante a operação de longo prazo, o óleo isolante oxida lentamente e produz ácidos orgânicos e borra de óleo. A borra de óleo adere aos enrolamentos e às superfícies do radiador, dificultando a dissipação de calor e acelerando ainda mais a degradação do equipamento. Portanto, os transformadores imersos em óleo precisam de detecção regular do índice de acidez e do teor de umidade. Filtragem de óleo ou substituição de óleo é necessária quando necessário.

Outro valor chave facilmente esquecido do óleo isolante é servir como meio para diagnóstico de falhas. Quando falhas latentes, como superaquecimento local, arcos elétricos e descargas entre espiras, ocorrem dentro do transformador, a alta temperatura desencadeia a decomposição térmica do óleo isolante e gera gases característicos, incluindo hidrogênio, metano e acetileno. Esses gases se dissolvem no óleo isolante. Técnicos de manutenção realizam Análise de Gases Dissolvidos (DGA) coletando amostras de óleo para testar a composição e concentração de gases dissolvidos. Os perigos latentes podem ser identificados antes que as falhas se transformem em graves acidentes de curto-circuito.
Esta é uma vantagem de diagnóstico exclusiva dos transformadores imersos em óleo. Os transformadores do tipo seco dificilmente permitem amostragem para obter características de falta interna. Em contraste, os transformadores imersos em óleo realizam avisos antecipados de falhas não intrusivos, dependendo do óleo isolante, reduzindo significativamente os riscos de cortes repentinos de energia e danos ao equipamento. O relé Buchholz também atua nas misturas óleo-gás geradas por faltas para acionar alarmes ou proteção de disparo, e esse mecanismo de proteção é construído sobre o sistema de óleo isolante.

Óleo isolante mineral: o tipo mais adotado no mercado, com custo moderado e desempenho dielétrico e térmico estável, atendendo à norma IEC 60296. A maioria dos transformadores de distribuição convencionais de 11kV utiliza óleo mineral. Sua desvantagem é a inflamabilidade. Esquemas de proteção contra incêndio são necessários quando usados ​​em salas fechadas e áreas densamente povoadas.
Óleo éster sintético e óleo éster natural: óleos isolantes biodegradáveis, ecológicos, com alto ponto de inflamação e baixo risco de incêndio. O vazamento causa menos poluição ao solo e aos corpos d'água. Eles são amplamente utilizados em salas de distribuição de energia subterrânea urbana, bairros residenciais, zonas de proteção de fontes de água e outros projetos com rigorosos requisitos ambientais e de segurança contra incêndio. A desvantagem é o custo de aquisição mais elevado em comparação com o óleo mineral.
A seleção deve ser determinada de forma abrangente com base no ambiente de instalação, códigos de incêndio, padrões de rede local e orçamento do projeto.

A adoção de óleo isolante também apresenta desvantagens. Existe risco de vazamento de óleo isolante, que pode ser causado pelo envelhecimento das soldas do tanque e das juntas de vedação. O óleo mineral é inflamável e devem ser implementadas medidas de proteção contra incêndio. O óleo isolante degrada-se com o tempo e são obrigatórios testes regulares de qualidade do óleo.
As principais tarefas de manutenção diária incluem monitorar o nível de óleo e verificar vazamentos no tanque; amostragem regular de óleo para testes de tensão de ruptura, umidade, índice de acidez e DGA; manter os radiadores limpos para garantir a circulação do calor; manter respiradores para minimizar a entrada de umidade no tanque. Com manutenção padronizada, 11kVtransformadores imersos em óleopode operar de forma estável por décadas.

Resumindo, o óleo isolante desempenha quatro funções principais em 11kVtransformadores imersos em óleo: atuando como meio de isolamento de alta tensão, circulando e removendo calor, protegendo o isolamento sólido interno contra o envelhecimento e servindo como meio para detecção de falhas internas latentes. Combinadas, essas quatro vantagens tornam os transformadores imersos em óleo a opção principal para aplicações globais de distribuição de 11kV devido à alta confiabilidade, excelente dissipação de calor e custo favorável.
No entanto, o desempenho do óleo isolante deteriora-se com o tempo de operação, temperatura e umidade ambiente e nível de contaminação. Os profissionais em projetos de energia devem compreender o princípio de funcionamento do óleo isolante e atribuir importância aos testes periódicos de qualidade do óleo, de modo a utilizar plenamente as vantagens de desempenho dos transformadores imersos em óleo e garantir o fornecimento de energia estável a longo prazo das redes de distribuição.