A Maior Ameaça aos Transformadores Secos - Curtos-Circuitos

1. Nos últimos anos, acidentes com transformadores secos têm ocorrido de tempos em tempos. A partir da análise desses acidentes, constatou-se que danos por curto-circuito tornaram-se a principal causa de acidentes com transformadores secos de potência, causando grandes prejuízos à rede elétrica e afetando seriamente sua operação segura. Os acidentes de dano causados por curtos-circuitos externos em transformadores secos de potência na última década são classificados e analisados, e em seguida são apresentados os problemas existentes na seleção de fios eletromagnéticos e as medidas para reduzir tais acidentes.

2. Acidentes por curto-circuito em transformadores secos de janeiro de 2010 a maio de 2022: ocorreram 17 acidentes de dano por curto-circuito em transformadores secos no mundo, representando 77,3% do total de acidentes de dano, sendo esta a principal causa de avarias, com uma capacidade total de 2.750 MW. Entre eles, 2 conjuntos de 500 kV, 13 conjuntos de 220 kV e 2 conjuntos de 110 kV. Um conjunto de 220 kV e um de 110 kV tiveram que ser substituídos devido à grave deformação da bobina de baixa tensão. Durante a reforma dos transformadores secos, constatou-se que quatro conjuntos de enrolamentos de baixa tensão de 220 kV estavam deformados, e dois conjuntos de enrolamentos de 500 kV apresentaram sinais de deformação durante a operação. Especialmente desde 2011, os acidentes com danos em transformadores secos vêm aumentando, e o escopo dos acidentes tem se expandido. As principais formas de acidentes são:
1) Após múltiplos impactos de curto-circuito externo, a deformação da bobina torna-se gradualmente grave, e a ruptura do isolamento por dano é mais frequente;
2) O exterior é frequentemente danificado por impacto de curto-circuito em um curto período de tempo;
3) Dano por impacto de curto-circuito de longa duração;
4) Dano por impacto de curto-circuito de curta duração.

3. Principais formas de dano por curto-circuito em transformadores secos:
3.1 Instabilidade axial: Este tipo de dano é causado principalmente pela força eletromagnética axial gerada pelo fluxo magnético de dispersão radial, que provoca deformação axial do enrolamento do transformador seco. Este tipo de acidente representa 52,9% do total de acidentes de dano.
3.1.1 Deformação por flexão superior e inferior da bobina do enrolamento: Este dano ocorre devido à deformação permanente da bobina entre os dois espaçadores axiais, causada pelo momento fletor excessivo sob a ação da força eletromagnética axial. Normalmente, a deformação entre as duas bobinas do enrolamento é simétrica.
3.1.2 Colapso do enrolamento ou da bobina. Este dano ocorre porque os fios se comprimem ou colidem entre si sob a ação da força axial, resultando em deformação oblíqua. Se o fio estiver levemente inclinado, a força axial aumentará a inclinação, podendo levar ao colapso em casos graves; quanto maior a relação aspecto do fio, mais fácil é causar colapso. Além do componente axial, o campo magnético de dispersão na extremidade também possui um componente radial. A força eletromagnética combinada gerada pelo fluxo de dispersão nas duas direções faz com que o fio do enrolamento interno gire para dentro e o enrolamento externo gire para fora.
3.1.3 Quando a tensão no enrolamento aumenta, a placa de pressão se espalha. Este dano é geralmente causado por forças axiais excessivas, resistência e rigidez insuficientes dos suportes das extremidades ou defeitos de montagem.

3.2 Instabilidade radial: Este tipo de dano é causado principalmente pela força eletromagnética radial gerada pelo fluxo magnético de dispersão axial, resultando em deformação radial do enrolamento do transformador seco, representando 41,2% do total de acidentes de dano.
3.2.1 Dano ao isolamento devido ao alongamento do enrolamento externo. As forças eletromagnéticas radiais tentam aumentar o diâmetro do enrolamento externo. A deformação permanente ocorre quando a tensão de tração atuando no fio é muito alta. Esta deformação frequentemente resulta em curtos entre espiras devido ao isolamento do fio danificado. Em casos graves, a bobina ficará fora de ordem, colapsará ou até se romperá.

No entanto, devido à deformação por compressão do núcleo de ferro e aos diferentes métodos de suporte dos montantes, a tensão ao longo da circunferência do enrolamento não é uniforme, resultando em instabilidade local da bobina e deformação por flambagem.

3.3 Fixação instável do fio: Este dano é causado principalmente pela força eletromagnética entre os fios, resultando em vibração do fio e curto-circuito entre fios. Tais acidentes são raros.

4. Partes comuns de danos por curto-circuito em transformadores secos:
4.1 A razão para a deformação da parte correspondente sob o jugo é:
(1) O campo magnético gerado pela corrente de curto-circuito é confinado pelo óleo e pela parede do tanque ou núcleo. Como a relutância magnética do jugo é relativamente baixa, ele é principalmente confinado entre o circuito de óleo e o jugo magnético, o campo magnético é relativamente concentrado e a força eletromagnética atuando na bobina é relativamente grande;
(2) A folga do tubo da bobina interna é muito grande ou o núcleo não está suficientemente apertado, o que faz com que os dois lados do núcleo se contraiam e deformem, resultando em empenamento e deformação da bobina no lado do jugo de ferro;
(3) Estruturalmente, a compressão axial do jugo correspondente à parte da bobina é menos confiável, e o bolo de fio desta parte frequentemente não consegue atingir a força de pré-aperto, portanto o bolo de fio desta parte é facilmente deformado.
4.2 A área da tomada de regulação de tensão e as partes correspondentes a outras bobinas estão nesta área, devido a:
(1) O número de ampère-espiras é desequilibrado, a distribuição do fluxo de dispersão é desequilibrada, e forças externas axiais adicionais são geradas na bobina devido ao campo magnético de dispersão adicional gerado por sua amplitude, e a direção dessas forças sempre aumenta a assimetria dessas forças. A força externa axial é a mesma que a força interna axial gerada pelo fluxo de dispersão normal de amplitude, que dobra o bolo de fio na direção vertical e comprime o espaçador do bolo de fio. Além disso, parte ou toda essa força é transmitida ao jugo de ferro, tentando afastá-lo do caule, o bolo de fio é deformado ou virado para o meio da bobina;
(2) Para buscar o equilíbrio de ampère-espiras ou a distância de isolamento apropriada no intervalo da tomada, frequentemente são adicionados mais espaçadores. Quanto mais espesso o espaçador, mais lenta a transmissão da força e maior o impacto na bobina do enrolamento;
(3) Após a montagem da bobina, a reatância central não pode ser altamente alinhada, o que agrava ainda mais o desequilíbrio das ampère-espiras;
(4) Após funcionar por um período, o espaçador grosso encolhe naturalmente de forma significativa, o que agrava o desequilíbrio de ampère-espiras por um lado, e também agrava a vibração quando submetido à força de curto-circuito;
(5) No projeto, para buscar o equilíbrio de ampère-espiras, o fio magnético na área da tomada é selecionado com um tamanho mais estreito ou menor, resultando em uma redução na resistência ao curto-circuito.

4.3 Parte de transposição: A deformação desta parte é comum na transposição do fio transposto e na transposição padrão da hélice única. A transposição do fio transposto é mais íngreme do que a do fio comum, de modo que a transposição de diferentes raios de curvatura produz forças tangenciais opostas. Este par de forças tangenciais iguais e opostas faz com que o diâmetro de transposição do enrolamento interno diminua e a direção se deforme, enquanto a transposição do enrolamento externo busca o mesmo raio de curvatura, de modo que a transposição fica reta, a transposição interna se deforma no centro e a transposição externa se deforma para fora, e quanto mais espessa a espessura do fio transposto, mais íngreme a subida e mais grave a deformação. Além disso, há também um componente de corrente de curto-circuito axial na transposição, e a força adicional gerada fará com que a deformação da bobina do enrolamento seja agravada. A transposição padrão de uma hélice única ocupa uma volta no espaço, resultando em um desequilíbrio de ampère-espiras nesta parte. Ao mesmo tempo, tem as características de deformação de transposição do fio transposto, portanto o bolo de fio nesta parte é mais facilmente deformado.
4.4 O fio de ligação do enrolamento é comumente usado no enrolamento da estrutura espiral oblíqua. O enrolamento desta estrutura, devido ao desequilíbrio de ampère-espiras das duas aberturas espirais, tem uma grande força axial e uma corrente axial ao mesmo tempo, o que faz com que o canto do fio de ligação produza uma direção transversal. A deformação por torção ocorre devido à força. Além disso, durante o processo de enrolamento da bobina espiral, há tensão residual, o que fará com que a bobina tente retornar ao seu estado original. Portanto, o enrolamento da estrutura espiral é mais propenso a ser torcido e deformado sob o impacto da corrente de curto-circuito.

4.5 Fios de ligação são comumente encontrados entre os fios de ligação de baixa tensão. Os fios de ligação de baixa tensão têm uma corrente grande devido à baixa tensão, e a fase é de 120 graus, o que faz com que os fios de ligação se atraiam mutuamente. Se os fios de ligação não forem fixados adequadamente, ocorrerão curtos-circuitos entre fases. Análise de Causas de Danos por Curto-Circuito na Operação de Transformadores Secos

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