Análise completa das características e aplicações dos transformadores de tipo seco

Como um componente-chave indispensável dos sistemas de energia modernos, os transformadores a seco estão substituindo rapidamente os transformadores a óleo tradicionais em todo o mundo com seu design exclusivo sem óleo e desempenho de segurança superior.

Conceitos Básicos e Princípios de Operação de Transformadores a Seco

Os transformadores a seco são transformadores de energia que não utilizam um meio isolante líquido (como óleo de transformador). Em vez disso, seus enrolamentos e núcleo são expostos diretamente ao ar ou encapsulados com material isolante sólido. Em comparação com os transformadores a óleo tradicionais, os transformadores a seco utilizam materiais isolantes sólidos (como resina epóxi e fibra de vidro) para obter isolamento elétrico entre os enrolamentos, eliminando completamente o risco de vazamento de óleo e incêndio. Eles são particularmente adequados para aplicações que exigem alta segurança e proteção ambiental. Com base no método de isolamento, os transformadores a seco são divididos principalmente em duas categorias: impregnados (VPI) e moldados (CRT). O primeiro utiliza um processo de impregnação a vácuo para impregnar os enrolamentos com verniz isolante, enquanto o último utiliza resina epóxi moldada a vácuo para formar uma camada protetora isolante sólida.

Em termos de seu princípio de operação, os transformadores a seco ainda aderem ao princípio físico básico da indução eletromagnética. Quando a corrente alternada passa pelo enrolamento primário, ela gera fluxo magnético alternado no núcleo, que por sua vez induz uma força eletromotriz no enrolamento secundário, alcançando a conversão de tensão. No entanto, os transformadores a seco implementam este princípio básico através de design estrutural e seleção de materiais exclusivos para otimizar o desempenho. Por exemplo, a tecnologia de transformador a seco patenteada recentemente desenvolvida pela TBEA utiliza três pernas de núcleo paralelas com seus eixos perpendiculares à superfície inferior. Isso otimiza efetivamente a distribuição do campo magnético e reduz as perdas por correntes circulantes e parasitas. Esta estrutura de núcleo inovadora, combinada com enrolamentos de baixa tensão e folha especialmente enrolada (com um ângulo de enrolamento controlado entre 175° e 185°), melhora significativamente a eficiência energética do transformador.

Os transformadores a seco têm uma ampla gama de capacidades nominais, variando de dezenas de kVA a dezenas de milhares de kVA, sendo os transformadores a seco de 1000 kVA um produto principal no mercado. Esses transformadores normalmente utilizam chapas de aço silício de alta permeabilidade laminadas para o núcleo. Os enrolamentos são moldados a vácuo, e a dissipação de calor eficiente é alcançada através de sistemas de resfriamento a ar natural ou forçado. Em termos de nível de tensão, os transformadores a seco evoluíram dos tradicionais 10kV e 35kV para os atuais 66kV e até superiores.

Os nomes dos transformadores a seco geralmente refletem suas características técnicas. Na série "SCB", "S" significa trifásico, "C" para tipo moldado e "B" para enrolamentos de folha. O número seguinte representa o nível de desempenho; por exemplo, "SCB18" indica eficiência energética que atende ao padrão Tipo 18. Com os avanços tecnológicos, a classificação de eficiência energética dos transformadores a seco continua a melhorar. O uso de novos materiais, como ligas amorfas, reduziu as perdas sem carga e com carga em aproximadamente 15%-20% em comparação com os transformadores a óleo tradicionais. Esses avanços tecnológicos tornaram os transformadores a seco cada vez mais críticos nas atualizações do sistema de energia e no desenvolvimento de energia renovável.

Inovações na Estrutura do Núcleo e Materiais em Transformadores a Seco

O design estrutural dos transformadores a seco determina diretamente seu desempenho e vida útil. Os transformadores a seco modernos alcançam operação segura, eficiente e confiável através de configuração de componentes sofisticada e aplicação de materiais inovadores. Um transformador a seco típico consiste em quatro componentes principais: o núcleo, os enrolamentos, o sistema de isolamento e o sistema de resfriamento. Cada componente é meticulosamente projetado e otimizado para atender aos requisitos exigentes de diferentes cenários de aplicação.

A estrutura do núcleo de ferro forma a base do circuito magnético de um transformador a seco. Ele é tipicamente construído laminando chapas de aço silício laminadas a frio de alta permeabilidade. A espessura e o processo de laminação das chapas de aço silício impactam diretamente as perdas sem carga do transformador. A mais recente tecnologia patenteada da TBEA demonstra uma abordagem inovadora para o design do núcleo de ferro: uma estrutura com três pernas de núcleo paralelas, com seus eixos perpendiculares à base, otimiza efetivamente a distribuição do campo magnético e reduz a perda de energia. Ainda mais avançados são os núcleos de ferro feitos de ligas amorfas, que podem reduzir as perdas sem carga em mais de 30% em comparação com as chapas de aço silício tradicionais, tornando-os particularmente adequados para aplicações com grandes flutuações de carga. Embora caros, as ligas amorfas oferecem benefícios significativos de economia de energia ao longo de todo o seu ciclo de vida e estão se tornando uma característica padrão dos transformadores a seco de alta qualidade.

O sistema de enrolamento, como o componente do circuito de um transformador a seco, tem um impacto direto em suas perdas de carga e resistência a curto-circuito. Os enrolamentos de transformadores a seco modernos são principalmente de cobre e alumínio. O cobre oferece condutividade superior, mas um custo mais alto, enquanto o alumínio oferece um preço mais competitivo. No design patenteado da TBEA, cada perna do núcleo é equipada com um enrolamento de baixa tensão, que é enrolado em múltiplas camadas de folha ao redor da circunferência externa da perna do núcleo. Esta estrutura não só melhora a eficiência, mas também reduz a perda de energia causada por correntes parasitas. O isolamento do enrolamento é moldado ou impregnado com resina epóxi, criando uma forte camada protetora isolante que pode suportar picos de alta tensão e dissipar o calor de forma eficaz.

O sistema de isolamento é uma característica chave que distingue os transformadores a seco dos transformadores a óleo e é um fator crucial em sua segurança. Os transformadores a seco modernos utilizam principalmente métodos de isolamento por moldagem de resina epóxi ou impregnação a vácuo (VPI). A moldagem de resina epóxi veda completamente os enrolamentos no material isolante, proporcionando excelente resistência à umidade e poeira. Por exemplo, a Shunte Electric usa essa tecnologia para manter o ruído do transformador em data centers abaixo de 50 decibéis. A tecnologia VPI, por outro lado, usa múltiplas impregnações a vácuo para infundir profundamente o verniz isolante nos enrolamentos, formando uma camada de isolamento uniforme. Os mais recentes transformadores a seco da Jingquanhua apresentam um design de sistema de isolamento otimizado, fornecendo uma solução de fornecimento de energia mais segura e confiável para data centers.

O sistema de resfriamento tem uma influência decisiva na capacidade de carga e na vida útil dos transformadores a seco. Como não há óleo como meio de resfriamento, os transformadores a seco dependem principalmente da convecção do ar para dissipar o calor. Os métodos de resfriamento comuns incluem resfriamento a ar natural (AN) e resfriamento a ar forçado (AF). Transformadores a seco de grande capacidade são geralmente projetados no modo híbrido AN/AF, que resfria naturalmente sob carga normal e inicia ventiladores para resfriamento forçado quando sobrecarregados. Otimizando o design do duto de ar e a área de dissipação de calor, os transformadores a seco de 1000kVA podem manter o aumento de temperatura dentro de uma faixa razoável, mesmo sob alta carga. Os transformadores a seco de 66kV da Envision Energy para turbinas eólicas offshore adotam um design ultracompacto, alcançando dissipação de calor eficiente em um espaço limitado, atendendo aos requisitos operacionais em ambientes offshore agressivos.