Acerca de Canwin ¿Quieres saber cómo se combinan las estructuras de los transformadores? Manual de usuario | Canwin

02 Forma de núcleo de hierro

El núcleo de hierro consta de una columna de hierro y un yugo de hierro. La columna de hierro está recubierta de bobinas y el yugo de hierro conecta la columna de hierro para formar un circuito magnético cerrado.

La figura 1A muestra un transformador monofásico, y la figura 1B, un transformador trifásico. La estructura del núcleo de hierro se divide en dos partes: C, que contiene la bobina (conocida como columna del núcleo), e Y, que cierra el circuito magnético (conocida como yugo de hierro). Los transformadores monofásicos tienen dos columnas de núcleo, mientras que los trifásicos tienen tres.

Debido a que el flujo magnético en el núcleo de hierro del transformador es alterno, para reducir las pérdidas por corrientes parásitas, el núcleo se fabrica generalmente con virutas de hierro de un tamaño determinado, hechas de chapa de acero al silicio de alta resistividad. La chapa de acero al silicio que compone el núcleo se corta primero con la forma y el tamaño requeridos (lámina troquelada) y luego se combina con la chapa troquelada de forma superpuesta. La figura 2A muestra el núcleo de hierro de un transformador monofásico. Cada capa consta de 4 láminas troqueladas. La figura 2B muestra el núcleo de hierro de un transformador trifásico. Cada capa está compuesta por 6 piezas, y la combinación de las piezas troqueladas de cada dos capas aplica diferentes métodos de disposición para escalonar la unión del circuito magnético de cada capa. Este método de ensamblaje se denomina ensamblaje superpuesto y evita el flujo de corrientes parásitas entre las láminas de acero. Además, debido a que las capas están entrelazadas e incrustadas, se pueden usar menos sujetadores, lo que simplifica la estructura al prensar el núcleo. Durante el ensamblaje, primero se superponen las piezas perforadas para formar un núcleo de hierro completo, luego se sujeta la horquilla inferior, se extraen las piezas perforadas de la horquilla superior para dejar al descubierto la columna del núcleo de hierro, se colocan los devanados prefabricados sobre la columna del núcleo de hierro y, finalmente, se insertan las piezas perforadas de la horquilla superior.

Según la disposición del bobinado en el núcleo, el transformador se divide en dos tipos: de núcleo y de carcasa. La diferencia radica principalmente en la distribución del circuito magnético: en el transformador de carcasa, el núcleo está rodeado por una yugo, mientras que en el transformador de núcleo, la mayor parte de la bobina está en contacto con el núcleo, y solo una parte se encuentra fuera de la yugo de hierro, donde se utiliza para formar un bucle magnético.

03 Disipación de calor del núcleo de hierro

Durante el funcionamiento normal del transformador, el núcleo de hierro genera calor debido a las pérdidas por fricción. Cuanto mayor sea el peso y el volumen del núcleo, mayor será la cantidad de calor generado. El aceite del transformador, a temperaturas superiores a 95 °C, es propenso al envejecimiento, por lo que la temperatura de la superficie del núcleo debe mantenerse lo más baja posible. Esto requiere que la estructura de disipación de calor del núcleo disipe el calor rápidamente. Dicha estructura tiene como objetivo principal aumentar la superficie de disipación de calor del núcleo. La disipación de calor del núcleo de hierro incluye principalmente la disipación de calor a través de los canales de aceite y de aire del núcleo.

En los transformadores sumergidos en aceite de gran capacidad, se suelen colocar ranuras de aceite entre las láminas del núcleo de hierro para mejorar la disipación del calor. Estas ranuras se dividen en dos tipos: una paralela a la lámina de acero al silicio y otra perpendicular a ella, como se muestra en la figura 4. Esta última disposición ofrece una mejor disipación del calor, pero su estructura es más compleja.

El núcleo de hierro del transformador seco se refrigera por aire. Para garantizar que la temperatura del núcleo de hierro no supere el valor admisible, a menudo se instala un conducto de aire en la columna del núcleo de hierro y en el yugo de hierro.

04 Ruido del núcleo de hierro

Los transformadores generan ruido durante su funcionamiento. La fuente de este ruido es la magnetostricción del núcleo de hierro, específicamente la magnetostricción. Esta se refiere al aumento del tamaño de la lámina de acero al silicio a lo largo de la línea de inducción magnética cuando el núcleo de hierro se excita. El tamaño de la lámina disminuye en la dirección perpendicular a la línea de inducción magnética, fenómeno conocido como magnetostricción. Además, la estructura y las dimensiones geométricas del núcleo de hierro, así como su procesamiento y fabricación, influyen en el nivel de ruido.

El nivel de ruido del núcleo de hierro se puede reducir mediante las siguientes medidas técnicas:

(1) Utilice láminas de acero al silicio de alta calidad con un valor ε magnetostrictivo pequeño.

(2) Reducir la densidad de flujo magnético del núcleo.

(3) Mejorar la estructura del núcleo de hierro.

(4) Elija un tamaño de núcleo razonable.

(5) Adoptar tecnología de procesamiento avanzada.

05 Conexión a tierra del núcleo de hierro

En el funcionamiento normal del transformador, el campo eléctrico que se forma entre los devanados y conductores electrificados y el depósito de aceite es desigual, y el núcleo de hierro y sus componentes metálicos se encuentran en este campo. Debido a que el potencial de inducción electrostática no es uniforme, el potencial de suspensión del núcleo de hierro y sus componentes metálicos tampoco lo es. Cuando existe una diferencia de potencial entre dos puntos, se puede romper el aislamiento entre ellos, generando una descarga de chispa. Esta descarga puede corroer el aceite del transformador y dañar el aislamiento sólido. Para evitarlo, tanto el núcleo como sus componentes metálicos deben estar conectados a tierra de forma fiable.

El núcleo debe estar conectado a tierra en un solo punto. Cuando el núcleo de hierro u otros componentes metálicos tienen dos o más puntos de conexión a tierra, se forma un circuito cerrado, lo que genera una corriente que puede alcanzar decenas de amperios. Esto puede provocar sobrecalentamiento localizado, descomposición del aceite e incluso la fusión del elemento de conexión a tierra y la quema del núcleo de hierro. Estas situaciones son inaceptables. Por lo tanto, el núcleo debe estar conectado a tierra, aunque sea parcialmente.

II. Estructura del bobinado del transformador

Función del bobinado 01

El bobinado es la parte más básica del transformador; se encarga de generar el campo magnético y transmitir la energía eléctrica. Generalmente, se enrolla con papel aislante, alambre de cobre o aluminio, y se coloca en el núcleo del transformador. El núcleo debe tener suficiente capacidad de aislamiento, resistencia mecánica y resistencia al calor.

Tipo de bobinado

La estructura del bobinado de un transformador se puede dividir generalmente en dos categorías: estructura de capas y estructura de torta. La estructura de capas se refiere a que las espiras del bobinado se disponen de forma continua a lo largo de su eje, y se utiliza generalmente en transformadores de potencia de bajas pérdidas de las series S8 y S9. La estructura de torta se refiere a que las espiras del bobinado se enrollan de forma continua formando una torta (segmento) a lo largo de su dirección radial, y luego se compone de muchas tortas dispuestas a lo largo de la dirección axial. Se utiliza generalmente en transformadores grandes y extragrandes con alta tensión de 110 kV o superior.

Básicamente, los devanados de los transformadores de potencia fabricados en China adoptan una estructura concéntrica. Un devanado concéntrico implica que los devanados se enrollan alrededor del núcleo con la misma línea cilíndrica en cualquier sección transversal del mismo. Debe existir un espacio de aislamiento y un canal de disipación de calor (canal de aceite) entre los devanados de alta y baja tensión, y entre los devanados de baja tensión y el núcleo de hierro, separados por un tubo de cartón aislante. La distancia de aislamiento depende del nivel de tensión del devanado y del espacio libre requerido por el canal de disipación de calor. Cuando el devanado de baja tensión se coloca cerca del núcleo, la distancia de aislamiento requerida entre este y el núcleo es relativamente pequeña, por lo que se puede reducir el tamaño del devanado y, por consiguiente, el tamaño total del transformador.

El transformador de tres devanados es el más utilizado en sistemas de potencia. Conectar un sistema de transmisión con tres voltajes diferentes mediante un transformador de tres devanados es más económico, requiere menos espacio y facilita el mantenimiento y la gestión en comparación con el uso de dos transformadores convencionales. El transformador trifásico de tres devanados suele adoptar una conexión YY-△, donde los devanados primario y secundario están conectados en Y, y el tercer devanado en △, como se muestra en la Figura XX. La conexión △ constituye un circuito cerrado que, a través de la misma fase, transmite la tercera armónica, evitando así que los devanados primario y secundario conectados en Y se vean afectados por la tercera armónica. De esta forma, se proporciona un punto neutro tanto para el primario como para el secundario. En sistemas de transmisión de larga distancia, el tercer devanado también puede conectarse a una cámara síncrona para mejorar el factor de potencia de la línea.

III. Estructura de los cables del transformador

01 Material de plomo y clasificación

Los devanados del transformador están conectados externamente al extremo del cable, que se denomina conductor. A través del conductor se conecta a la fuente de alimentación externa del transformador, pero también a través del conductor se transmite la energía eléctrica de salida del transformador hacia el exterior.

Existen principalmente los siguientes tipos de clientes potenciales:

(1) el cable conductor conectado con el extremo del cable de bobinado y la carcasa;

(2) cables de conexión entre los extremos del bobinado;

(3) la toma del bobinado está conectada con el cable de toma conectado al interruptor.

El material principal suele ser:

(1) Barra de cobre desnudo, ámbito de aplicación: transformador de 10 kV clase 6300 kVA e inferior;

(2) Barra de cobre redonda envuelta en papel, ámbito de aplicación: transformador de pequeña capacidad de 10 ~ 35 kV;

(3) Barra de cobre desnudo, ámbito de aplicación: conductores de bobinado de baja tensión de 10 kV o inferior;

(4) Cable trenzado de cobre, ámbito de aplicación: todos los niveles de tensión, especialmente 110 kV y superiores al conductor;

(5) Tubería de cobre, ámbito de aplicación: cable de transformador de 220 kV y superior.

Para garantizar una distancia de aislamiento suficiente, el conductor que atraviesa la madera laminada o el aislamiento de cartón debe cumplir con los requisitos de rendimiento eléctrico, resistencia mecánica y aumento de temperatura. La selección de los conductores también se basa en la rigidez dieléctrica, la resistencia mecánica, el aumento de temperatura en cortocircuito y el aumento de temperatura bajo carga a largo plazo.

02 Conexión del cable

Las formas de conexión de los cables del transformador son: soldadura fuerte, soldadura a gas, soldadura por presión en frío y conexión atornillada.

El electrodo de soldadura fuerte deberá estar hecho de aleación de cobre fosforoso para la conexión entre la salida del bobinado y el conductor, y entre los conductores.

La soldadura a gas se utiliza para soldar barras de cobre, cables conductores y juntas de revestimiento de cables perforados.

La soldadura por presión en frío consiste en insertar los dos terminales conectados por el cable en un tubo metálico y, a continuación, utilizar un molde para comprimir el tubo y unir los dos terminales. Este método no requiere calentamiento, es relativamente seguro, no produce soldaduras defectuosas ni daña el aislamiento de los cables ni de otras partes, y ofrece una buena calidad de extrusión y resistencia a la tracción. Por lo tanto, la soldadura por presión en frío es el método principal de conexión de cables para transformadores de gran tamaño.

La conexión atornillada se utiliza principalmente para el cable conductor conectado al manguito de la varilla guía. El cable conductor se puede desmontar y compensar la desviación de su longitud. Generalmente, la estructura de arco curvo del cable conductor permite una expansión libre, también conocida como conexión flexible.

03 Fijación del plomo

Para garantizar la distancia de aislamiento del cable y soportar las vibraciones y los impactos de la energía eléctrica durante el funcionamiento y los cortocircuitos sin desplazamiento ni deformación, se deben utilizar elementos de sujeción para fijar el cable.

Las piezas de sujeción de los cables deben tener suficiente resistencia mecánica y eléctrica, por lo que su estructura generalmente adopta un soporte de madera. Las piezas de sujeción y las partes metálicas del cuerpo del transformador se fijan mediante pernos metálicos para mejorar la resistencia mecánica. Sin embargo, entre las piezas de sujeción se deben utilizar pernos epoxi, y se debe añadir un dispositivo de aislamiento para sujetar los cables y evitar que se atasquen.

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