La Amenaza Número Uno para los Transformadores Secos - Cortocircuitos

1. En los últimos años, los accidentes en transformadores secos han ocurrido de vez en cuando. Según el análisis de estos incidentes, los daños por cortocircuito se han convertido en la principal causa de accidentes en transformadores secos de potencia, ocasionando grandes perjuicios a la red eléctrica y afectando gravemente su operación segura. Se clasifican y analizan los accidentes por daños debidos a cortocircuitos externos en transformadores secos de potencia durante la última década, para luego plantear los problemas existentes en la selección de conductores electromagnéticos y las medidas para reducir este tipo de accidentes.

2. Accidentes por cortocircuito en transformadores secos de enero de 2010 a mayo de 2022: a nivel mundial se registraron 17 accidentes por daños por cortocircuito en transformadores secos, representando el 77.3% del total de accidentes con daños, siendo esta la principal causa, con una capacidad total afectada de 2,750 MW. Entre estos, 2 unidades de 500 kV, 13 unidades de 220 kV y 2 unidades de 110 kV. Una unidad de 220 kV y una de 110 kV tuvieron que ser reemplazadas debido a una grave deformación del devanado de baja tensión. Durante la transformación de los transformadores secos, se descubrió que cuatro devanados de baja tensión de 220 kV estaban deformados, y dos devanados de 500 kV mostraron signos de deformación durante su operación. Especialmente desde 2011, los accidentes por daños en transformadores secos han ido en aumento y el alcance de los incidentes se ha expandido. Las principales formas de accidente son:
1) Después de múltiples impactos por cortocircuitos externos, la deformación de los devanados se agrava gradualmente, y los daños por ruptura de aislamiento son más frecuentes;
2) Daños externos frecuentes por impactos de cortocircuito en un período corto;
3) Daños por impactos prolongados de cortocircuito;
4) Daños por impactos breves de cortocircuito.

3. Principales formas de daño por cortocircuito en transformadores secos:
3.1 Inestabilidad axial: Este tipo de daño se debe principalmente a la fuerza electromagnética axial generada por el flujo magnético de dispersión radial, que provoca la deformación axial del devanado del transformador seco. Este tipo de accidente representa el 52.9% del total de accidentes con daños.
3.1.1 Deformación por flexión superior e inferior del devanado: Este daño ocurre debido a la deformación permanente de la bobina entre dos espaciadores axiales, causada por un momento flector excesivo bajo la acción de la fuerza electromagnética axial. Normalmente, la deformación entre dos bobinas del devanado es simétrica.
3.1.2 Colapso del devanado o bobina. Este daño se produce cuando los conductores se comprimen o chocan entre sí bajo la acción de la fuerza axial, resultando en una deformación oblicua. Si el conductor está ligeramente inclinado, la fuerza axial aumentará la inclinación, pudiendo colapsar en casos graves; cuanto mayor sea la relación de aspecto del conductor, más fácil será provocar el colapso. Además del componente axial, el campo magnético de dispersión en los extremos también tiene un componente radial. La fuerza electromagnética combinada generada por la dispersión de flujo en ambas direcciones hace que los conductores del devanado interno se inclinen hacia adentro y los del devanado externo hacia afuera.
3.1.3 Cuando el esfuerzo en el devanado aumenta, la placa de presión se expande. Este daño suele deberse a fuerzas axiales excesivas, resistencia y rigidez insuficientes en los soportes extremos, o defectos de montaje.

3.2 Inestabilidad radial: Este tipo de daño se debe principalmente a la fuerza electromagnética radial generada por el flujo magnético de dispersión axial, que provoca la deformación radial del devanado del transformador seco, representando el 41.2% del total de accidentes con daños.
3.2.1 Daño al aislamiento debido al alargamiento del devanado externo. Las fuerzas electromagnéticas radiales tienden a aumentar el diámetro del devanado externo. Se produce deformación permanente cuando el esfuerzo de tracción que actúa sobre el conductor es demasiado alto. Esta deformación a menudo resulta en cortocircuitos entre espiras debido al daño en el aislamiento del conductor. En casos graves, la bobina se desordena, colapsa o incluso se rompe.

Sin embargo, debido a la deformación por compresión del núcleo de hierro y los diferentes métodos de soporte de los puntales, el esfuerzo a lo largo de la circunferencia del devanado no es uniforme, lo que provoca inestabilidad local de la bobina y deformación por pandeo.

3.3 Fijación inestable del conductor: Este daño se debe principalmente a la fuerza electromagnética entre los conductores, lo que provoca vibraciones y cortocircuitos entre ellos. Este tipo de accidentes es poco común.

4. Partes comunes de daño por cortocircuito en transformadores secos:
4.1 La razón de la deformación de la parte correspondiente bajo el yugo es:
(1) El campo magnético generado por la corriente de cortocircuito está encerrado por el aceite y la pared del tanque o el núcleo. Debido a que la reluctancia magnética del yugo es relativamente pequeña, se cierra principalmente entre el circuito de aceite y el yugo magnético, el campo magnético está relativamente concentrado y la fuerza electromagnética que actúa sobre la bobina es relativamente grande;
(2) El espacio del manguito del devanado interno es demasiado grande o el núcleo no está suficientemente apretado, lo que provoca que los dos lados del núcleo se contraigan y deformen, resultando en alabeo y deformación del devanado en el lado del yugo de hierro;
(3) Estructuralmente, la compresión axial del yugo correspondiente a la parte del devanado es menos confiable, y la pastilla de alambre de esta parte a menudo es difícil de lograr la fuerza de pretensado, por lo que la pastilla de alambre de esta parte se deforma fácilmente.
4.2 El área de la toma de regulación de voltaje y las partes correspondientes a otros devanados están en esta área, debido a:
(1) El número de amperios-vueltas está desequilibrado, la distribución del flujo de dispersión es desigual y se generan fuerzas externas axiales adicionales en la bobina debido al campo magnético de dispersión adicional generado por su amplitud, y la dirección de estas fuerzas siempre aumenta la asimetría de estas fuerzas. La fuerza externa axial es la misma que la fuerza interna axial generada por el flujo de dispersión de amplitud normal, lo que dobla la pastilla de alambre en la dirección vertical y comprime el separador de la pastilla de alambre. Además, parte o la totalidad de estas fuerzas se transmiten al yugo de hierro, intentando alejarlo del vástago, la pastilla de alambre se deforma o se voltea hacia el centro del devanado;
(2) Para lograr el equilibrio de amperios-vueltas o la distancia de aislamiento adecuada en el intervalo de la toma, a menudo se agregan más separadores. Cuanto más grueso es el separador, más lenta es la transmisión de fuerza y mayor es el impacto en la bobina del devanado;
(3) Después de colocar el devanado, la reactancia central no puede alinearse perfectamente, lo que agrava aún más el desequilibrio de los amperios-vueltas;
(4) Después de funcionar durante un período de tiempo, la almohadilla gruesa se contrae naturalmente de manera significativa, lo que por un lado agrava el desequilibrio de amperios-vueltas y también aumenta la vibración cuando está sometida a la fuerza de cortocircuito;
(5) En el diseño, para lograr el equilibrio de amperios-vueltas, se selecciona alambre magneto en el área de la toma con un tamaño más estrecho o más pequeño, lo que resulta en una reducción de la resistencia al cortocircuito.

4.3 Parte de transposición: La deformación de esta parte es común en la transposición del alambre transpuesto y la transposición estándar de la hélice simple. La transposición del alambre transpuesto es más pronunciada que la del alambre ordinario, de modo que la transposición de diferentes radios de giro produce fuerzas tangenciales opuestas. Este par de fuerzas tangenciales iguales y opuestas hacen que el diámetro de transposición del devanado interno sea más pequeño y la dirección se deforme, mientras que la transposición del devanado externo busca el mismo radio de giro, de modo que la transposición sea recta, la transposición interna se deforma en el centro y la transposición externa se deforma hacia afuera, y cuanto mayor es el grosor del alambre transpuesto, más pronunciada es la subida y más grave es la deformación. Además, también hay un componente axial de corriente de cortocircuito en la transposición, y la fuerza adicional generada hará que la deformación de la bobina del devanado se agrave. La transposición estándar de una hélice simple ocupa una vuelta en el espacio, lo que resulta en un desequilibrio de amperios-vueltas en esta parte. Al mismo tiempo, tiene las características de deformación por transposición del alambre transpuesto, por lo que la pastilla de alambre en esta parte se deforma más fácilmente.
4.4 El cable de conexión del devanado se usa comúnmente en el devanado de la estructura espiral oblicua. El devanado de esta estructura, debido al desequilibrio de amperios-vueltas de las dos aberturas espirales, tiene una gran fuerza axial y una corriente axial al mismo tiempo, lo que hace que la esquina del cable de conexión produzca una deformación por torsión en dirección transversal debido a la fuerza. Además, durante el proceso de bobinado del devanado espiral, hay tensión residual, lo que hará que el devanado intente volver a su estado original. Por lo tanto, el devanado de estructura espiral es más propenso a sufrir deformación por torsión bajo el impacto de la corriente de cortocircuito.

4.5 Los cables de conexión se encuentran comúnmente entre los cables de conexión de baja tensión. Los cables de conexión de baja tensión tienen una corriente grande debido al bajo voltaje, y la fase es de 120 grados, lo que hace que los cables se atraigan entre sí. Si los cables no están fijados adecuadamente, ocurrirán cortocircuitos entre fases. Análisis de causas de daño por cortocircuito en la operación de transformadores secos

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