Quines són les característiques dels transformadors immersos en oli per a sistemes d'energia?

Construcció central i sistema d'aïllament: com l'oli i la cel·lulosa permeten una transformació d'energia fiable

Components estructurals clau: nucli, bobinatges, dipòsit, conservador i relé Buchholz

Els transformadors immersos en oli depenen de cinc components clau que treballen conjuntament. Al centre d'aquests sistemes hi ha el nucli magnètic, construït normalment amb capes d'acer silici. Aquest component crea un camí eficient per al flux magnètic entre els bobinatges primari i secundari. Els propis bobinatges solen estar fets de coure o alumini, i són els elements que permeten realment el procés de transformació de tensió mitjançant inducció electromagnètica. Tots aquests components es troben dins d'un recipient hermètic d'acer ple d'oli dielèctric. Damunt d'aquest dipòsit principal n'hi ha un altre component important anomenat dipòsit conservador. La seva funció és força senzilla però crucial: gestiona l'expansió i contracció de l'oli quan canvien les temperatures, mantenint la pressió estable i evitant l'entrada d'aire no desitjat. I finalment hi ha el relé Buchholz, que actua com un sistema d'alerta precoç davant possibles problemes. Quan alguna cosa falla dins del transformador —potser hi ha descàrregues parcials, arcs elèctrics o fins i tot descomposició de l'oli—, aquest dispositiu de seguretat detecta els gasos produïts i emet alertes o interromp els circuits abans que la situació empitjori.

Sinergia Olí–Cel·lulosa: Doble Paper Dielèctric i Tèrmic en la Fiabilitat del Transformador

Els transformadors immersos en oli depenen molt de la col·laboració entre l'oli aïllant i els materials d'aïllament sòlid basats en cel·lulosa. Els components de paper i premsatge compleixen diverses funcions: mantenen tot el conjunt mecànicament unit, separen físicament els conductors i resisteixen naturalment la ruptura elèctrica fins i tot quan estan exposats al calor continuat d'uns 105 graus Celsius. L'oli mineral impregna aquests materials com l'aigua en una esponja, omplint els espais buits i millorant la capacitat general del sistema per gestionar l'electricitat de manera segura. Assaigs de laboratori ho confirmen, mostrant un increment d'aproximadament dos terços en la resistència a la tensió comparat amb material cel·lulòsic sec únicament. Tanmateix, el que fa realment valuós l'oli de transformador és el seu paper en el refredament. Aproximadament set dècimes de tota la calor generada pels nuclis i bobinats del transformador són absorbides per l'oli, que després transporta aquesta calor cap a les seccions radiadores mitjançant corrents de convecció simples. Aquesta capacitat de gestió tèrmica és la que permet als transformadors funcionar de manera fiable durant llargs períodes sense sobrecalfentar-se.

Aquest sistema sinèrgic permet un funcionament estable en condicions de càrrega dinàmica i contribueix directament a una vida útil superior als 30 anys, convertint l'aïllament oli-cel·lulosa en l'estàndard per al 85% dels transformadors elèctrics a escala industrial a nivell mundial.

Classes de Refrigeració (ONAN a OFWF): Adaptació del Rendiment Tèrmic del Transformador a les Demandes de la Xarxa

De la Refrigeració Natural a la Forçada: Principis de Funcionament i Implicacions en la Capacitat de Càrrega

Les diferents classes de refrigeració dels transformadors ens indiquen bàsicament com s'extreu la calor dels nuclis i bobinats interiors, cosa que afecta el tipus de càrrega que poden suportar de manera segura i la seva flexibilitat operativa. Comencem per ONAN (que significa Ol Natural Aire Natural). Aquest sistema funciona de manera passiva mitjançant convecció, on l'oli calent puja a través de conductes cap als radiadors i es refreda naturalment per l'aire circumdant. Funciona prou bé per a transformadors petits o mitjans inferiors a uns 20 MVA quan les càrregues romanen força constants, tot i que no gestiona gaire bé les sobrecàrregues, només arribant a un 120% de la capacitat durant un màxim de 30 minuts abans que la situació es torni perillosa. Pujant en escala tenim ONAF (Ol Natural Aire Forçat), que incorpora ventiladors per augmentar el flux d'aire sobre els radiadors. Això fa que la transferència de calor sigui molt més eficient i permet que aquests transformadors tinguin una classificació contínua d'aproximadament un 30% superior, per la qual cosa és habitual trobar-los en subestacions de mida mitjana. Al nivell superior hi ha els sistemes OFWF (Ol Forçat Aigua Forçada) que impulsen l'oli a través d'intercanviadors tèrmics refrigerats per aigua externa, permetent capacitats massives dins dels 500 MVA. El que fa especials aquests sistemes és la seva capacitat de mantenir sobrecàrregues del 150% durant diverses hores seguides, fet que explica per què són components essencials en parts clau de les xarxes elèctriques. En conjunt, aquestes tècniques millorades de refrigeració redueixen les temperatures de punts calents aproximadament un 25%, allargant la vida útil dels transformadors entre un 15% i un 25% comparat amb models antics que depenen únicament de la refrigeració bàsica ONAN.

Adaptabilitat ambiental i resiliència a la sobrecàrrega en diferents mètodes de refrigeració

L'eficàcia dels sistemes de refrigeració canvia força segons on estiguin instal·lats. Per exemple, els sistemes ONAN depenen molt de l'aire exterior, fet que els fa menys adequats per a zones realment càlides. Quan les temperatures superen els 40 graus Celsius, aquests sistemes normalment han d'operar al voltant del 80% de la seva capacitat habitual. Amb els sistemes ONAF, però, la situació és diferent. Els seus ventiladors de velocitat variable conserven aproximadament el 95% de la seva potència nominal fins i tot en condicions extremes de desert càlid. Mentrestant, els sistemes OFWF disposen d'un circuit tancat d'aigua que no es veu afectat per la humitat, el pols ni altres partícules presents en regions costaneres o entorns industrials. Durant problemes en la xarxa elèctrica, les unitats ONAF poden suportar un 140% de la càrrega normal durant unes dues hores si els ventiladors s'activen per fases. Els sistemes OFWF realment tenen un millor rendiment sota estrès a curt termini, arribant fins al 160% de la capacitat perquè alliberen la calor més ràpidament. El manteniment es complica més a mesura que el refredament és més agressiu. L'ONAF requereix revisar els ventiladors cada tres mesos, mentre que l'OFWF necessita una atenció constant als bombes i a la qualitat de l'aigua. Tot i això, els sistemes de refrigeració forçada eviten aproximadament el 70% dels fallades causades per sobrecalfament, segons dades del sector procedents d'estudis de l'IEEE.

Variants de disseny i adaptació d'aplicació: transformadors submergits en oli de tipus nucli vs. de tipus closca

El que diferencia bàsicament els transformadors submergits en oli de tipus nucli dels de tipus closca és la forma dels seus circuits magnètics i el que això implica en termes de rendiment. En els models de tipus nucli, les bobines envolten laminacions d'acer verticals, creant el que es coneix com a camí magnètic obert. Aquesta disposició facilita realment la circulació de l'oli pel sistema i també simplifica la producció, raó per la qual són tan habituals en aplicacions d'alta tensió, com ara subestacions de 220 a 400 kV, on és fonamental mantenir una bona refrigeració i controlar els costos. Aquests tipus de nucli solen ser els preferits en sistemes de potència molt grans, superiors a 500 MVA, ja que s'escalen bé i s'adapten correctament a diversos mètodes de refrigeració disponibles avui en dia.

En els transformadors de tipus embolcall, les bobines estan envoltades dins aquest embolcall d'acer multi-branques, cosa que crea un paquet molt més compacte amb protecció magnètica integrada. El que fa tan bons aquests dissenys és la manera com redueixen el flux de fuita i la seva millor resistència quan hi ha una gran sobrecàrrega de corrent durant fallades. Aquest tipus de robustesa és molt important en llocs com forns d'arc o subestacions de tracció com les que veiem al voltant dels sistemes ferroviaris. És cert que els tipus embolcall tenen un cost inicial més elevat i poden ser complicats de refredar correctament, però suporten curts circuits molt millor que altres opcions i també generen menys soroll electromagnètic. Per a moltes operacions industrials, aquesta durabilitat addicional marca tota la diferència, encara que impliqui pagar una mica més al principi i fer front a alguns reptes de refrigeració pel camí.

Compensacions operatives: per què els transformadors immersos en oli destaquen en xarxes d'alta tensió i on cal aplicar mesures correctores

Avantatges demostrats: Eficiència, llarga vida útil i transformació HV econòmica

Pel que fa a la transmissió d'alta tensió, els transformadors immersos en oli encara estan establerts com a norma perquè ofereixen alguna cosa especial quan es combina l'eficiència, la durada i l'efectivitat econòmica general al llarg del temps. Quan estan correctament carregats, aquests models més nous poden arribar a tenir pèrdues a plena càrrega d'aproximadament el 0,3 per cent, superant a les opcions de tipus sec en tots els nivells superiors a 100 quilovolts. El que els fa funcionar tan bé és el seu sistema d'aïllament oli-cel·lulosa. Aquest sistema manté el funcionament fresc fins i tot sota estrès i suporta força bé les tensions elèctriques. La majoria de fabricants afirmen una vida útil superior als 40 anys, aproximadament el doble del que veiem en unitats similars de tipus sec desplegades en grans xarxes. Des del punt de vista d'una companyia elèctrica, aquest tipus de durabilitat significa uns estalvis d'aproximadament el 30 per cent en costos totals per megavolt-amper durant la vida útil. Per això la majoria de companyies elèctriques continuen utilitzant transformadors immersos en oli per a aquelles línies de transmissió llargues i crítiques on és realment important tenir un subministrament constant sense interrupcions.

Consideracions importants: Risc d'incendi, sensibilitat a la humitat i compliment ambiental

Els transformadors immersos en oli ofereixen molts beneficis, però comporten riscs que cal gestionar amb cura. L'oli dielèctric de l'interior pot arribar a cremar-se si alguna cosa falla, pel que seguir les normes NFPA 850 esdevé fonamental. Els instal·ladors han d'incloure elements com parets tallafoc al voltant de l'equip, àrees adequades de contenció i sistemes de detecció de gasos que activen alarmes quan comencen a aparèixer problemes. Un dels grans problemes que els tècnics detecten habitualment és la humitat que entra al sistema. Si no es controla, aquesta humitat pot reduir la capacitat aïllant de l'oli aproximadament entre un 15 i un 20 per cent cada any, provocant que els materials celulòsics es degradin més ràpid del normal. Per això són tan importants els conservadors estancs i els respiradors de gel de sílice per mantenir el sistema sec. Les normatives medioambientals d'agències com l'EPA també tenen un paper rellevant aquí, especialment pel que fa al tipus de fluids utilitzats i com s'han de contenir vessaments durant les tasques de manteniment. Combinar totes aquestes mesures preventives amb revisions regulars de l'oli, anàlisis de gasos dissosos i vàlvules de subpressió correctament ajustades marca una gran diferència. Diversos estudis indiquen que aquest tipus d'aproximacions completes poden reduir les parades inesperades aproximadament dos terços, cosa que permet mantenir les operacions funcionant sense interrupcions i protegir alhora la seguretat dels treballadors.

Secció de preguntes freqüents

Com ajuda el relé Buchholz a prevenir la fallida del transformador?

El relé Buchholz actua com un sistema d'alerta precoç en detectar gasos produïts per possibles problemes com descàrregues parcials o descomposició de l'oli dins del transformador. Envia alertes o interromp circuits per evitar fallides majors.

Per què és important la cel·lulosa en els transformadors?

La cel·lulosa té múltiples funcions, incloent subjectar mecànicament els components, separar físicament els conductors i resistir la ruptura elèctrica, especialment quan està exposada a calor.

Quines són les diferències entre els transformadors de tipus nucli i els de tipus armadura?

Els transformadors de tipus nucli tenen bobinats que envolten làmines d'acer verticals, oferint un camí magnètic obert i un refredament eficient. Els transformadors de tipus armadura tenen bobinats situats dins d’una carcassa d’acer, oferint un millor control del flux de fuita i una major resistència al curtcircuit.

Quines classes de refrigeració s'utilitzen en transformadors, i per què són importants?

Les classes de refrigeració com ONAN, ONAF i OFWF s'utilitzen per gestionar la dissipació de calor en transformadors. Afecten la capacitat de càrrega, la flexibilitat operativa i la vida útil en reduir les temperatures dels punts calents i millorar l'eficiència de refrigeració.

Quines precaucions s'han de prendre per mitigar els riscos d'incendi i humitat en transformadors immersos en oli?

Les precaucions inclouen seguir les normes de seguretat contra incendis, utilitzar àrees de contenció, instal·lar sistemes de detecció de gasos, segellar els conservadors, utilitzar respiradors de gel de sílice i realitzar revisions de manteniment regulars per prevenir riscos relacionats amb la humitat i l'incendi.