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02 Forma de núcleo de ferro

O núcleo de ferro consiste em uma coluna de núcleo de ferro e um jugo de ferro. A coluna de núcleo de ferro é revestida por enrolamentos e o jugo de ferro conecta a coluna de núcleo de ferro para formar um circuito magnético fechado.

A FIG. 1A mostra um transformador monofásico e a FIG. 1B, um transformador trifásico. A estrutura do núcleo de ferro pode ser dividida em duas partes: C, que corresponde à bobina e é conhecida como coluna do núcleo, e Y, que é a parte utilizada para fechar o circuito magnético e é chamada de jugo de ferro. O transformador monofásico possui duas colunas de núcleo, enquanto o transformador trifásico possui três colunas de núcleo.

Como o fluxo magnético no núcleo de ferro do transformador é alternado, para reduzir as perdas por correntes parasitas, o núcleo geralmente é feito de lascas de aço silício de alta resistividade com dimensões específicas. Essas lascas são cortadas no formato e tamanho desejados, formando as chapas de estampagem, e posteriormente unidas umas às outras por sobreposição. A Figura 2A mostra o núcleo de ferro de um transformador monofásico. Cada camada é composta por 4 chapas de estampagem. A Figura 2B mostra o núcleo de ferro de um transformador trifásico, onde cada camada é composta por 6 peças. A combinação das chapas de estampagem de cada par de camadas utiliza diferentes métodos de arranjo para escalonar a junção do circuito magnético de cada camada. Esse método de montagem, chamado de montagem por sobreposição, evita a circulação de correntes parasitas entre as chapas de aço. Além disso, como as camadas são entrelaçadas e encaixadas, menos fixadores são necessários, simplificando a estrutura durante a prensagem do núcleo. Na montagem, as peças de punção são primeiro sobrepostas para formar um núcleo de ferro completo; em seguida, a culatra inferior é fixada; as peças de punção da culatra superior são puxadas para fora para expor a coluna do núcleo de ferro; os enrolamentos pré-fabricados são colocados na coluna do núcleo de ferro; e, finalmente, as peças de punção da culatra superior, já puxadas, são inseridas.

De acordo com a disposição do enrolamento no núcleo, o transformador é dividido em dois tipos: núcleo e carcaça. A principal diferença reside na distribuição do circuito magnético: no transformador de carcaça, o núcleo envolve as bobinas em uma estrutura de suporte, enquanto no transformador de núcleo, a maior parte das bobinas está contida no núcleo, com apenas uma parte delas externa à carcaça de ferro, formando um circuito magnético.

03 Dissipação de calor do núcleo de ferro

Quando o transformador está em operação normal, o núcleo de ferro gera calor devido às perdas por atrito, e quanto maior o peso e o volume do núcleo, maior será o calor gerado. A temperatura do óleo do transformador acima de 95 graus Celsius acelera o envelhecimento do núcleo, portanto, a temperatura da superfície do núcleo deve ser controlada o mais baixo possível, o que exige uma estrutura de dissipação de calor que permita a rápida dissipação do calor. Essa estrutura visa principalmente aumentar a superfície de dissipação de calor do núcleo. A dissipação de calor do núcleo de ferro inclui principalmente a dissipação de calor através do canal de óleo e da passagem de ar.

Em transformadores de grande capacidade imersos em óleo, ranhuras de óleo são frequentemente instaladas entre as lâminas do núcleo de ferro para melhorar a dissipação de calor. As ranhuras de óleo podem ser de dois tipos: uma paralela à chapa de aço silício e outra perpendicular à chapa de aço, como mostrado na Figura 4. A segunda configuração proporciona melhor dissipação de calor, porém sua estrutura é mais complexa.

O núcleo de ferro do transformador a seco é refrigerado a ar. Para garantir que a temperatura do núcleo de ferro não exceda o valor permitido, geralmente são instalados dutos de ar na coluna do núcleo de ferro e na culatra de ferro.

04 Ruído do núcleo de ferro

Os transformadores produzem ruído durante a operação. A fonte desse ruído é a magnetostrição da chapa de aço silício do núcleo de ferro, ou seja, o ruído do núcleo do transformador é causado basicamente pela magnetostrição. Magnetostrição refere-se ao aumento da dimensão da chapa de aço silício ao longo da linha de indução magnética quando o núcleo de ferro é excitado. A dimensão da chapa de aço silício diminui na direção perpendicular à linha de indução magnética, o que é chamado de magnetostrição. Além disso, a estrutura e a geometria do núcleo de ferro, bem como a tecnologia de processamento e fabricação do núcleo, também influenciam o nível de ruído.

O nível de ruído do núcleo de ferro pode ser reduzido pelas seguintes medidas técnicas:

(1) Use chapa de aço silício de alta qualidade com pequeno valor magnetostritivo ε.

(2) Reduzir a densidade de fluxo magnético do núcleo.

(3) Melhorar a estrutura do núcleo de ferro.

(4) Escolha um tamanho de núcleo razoável.

(5) Adotar tecnologia de processamento avançada.

05 Aterramento do núcleo de ferro

Durante o funcionamento normal do transformador, o campo elétrico formado entre os enrolamentos e condutores energizados e o tanque de óleo é um campo elétrico não uniforme, e o núcleo de ferro e suas partes metálicas estão imersos nesse campo elétrico. Devido à diferença de potencial entre os núcleos, o potencial de suspensão entre eles também não é uniforme. Quando essa diferença de potencial ocorre entre dois pontos, pode ocorrer a ruptura do isolamento entre eles, gerando uma descarga elétrica. Essa descarga pode romper o óleo do transformador e danificar o isolamento sólido. Para evitar isso, tanto o núcleo quanto seus componentes metálicos devem ser aterrados de forma confiável.

O núcleo deve ser aterrado em um ponto. Quando o núcleo de ferro ou outros componentes metálicos possuem dois ou mais pontos de aterramento, forma-se um circuito fechado, criando uma circulação de corrente que pode atingir dezenas de amperes, causando superaquecimento local, decomposição do óleo, fusão do elemento de aterramento e queima do núcleo de ferro. Essas condições são inaceitáveis. Portanto, o núcleo deve ser aterrado, e em pequena quantidade.

II. Estrutura do enrolamento do transformador

Função do enrolamento 01

O enrolamento é a parte mais básica do transformador, responsável pela criação do campo magnético e pela transmissão da energia elétrica. Geralmente, é feito com fio de cobre ou alumínio revestido com papel isolante e instalado no núcleo do transformador. O núcleo do transformador deve possuir isolamento, resistência mecânica e térmica suficientes.

Tipo de enrolamento

A estrutura de enrolamento de transformadores pode ser geralmente dividida em duas categorias: estrutura em camadas e estrutura em bloco. A estrutura em camadas refere-se ao fato de as espiras do enrolamento serem dispostas continuamente ao longo de seu eixo, sendo geralmente utilizada em transformadores de potência de baixa perda das séries S8 e S9. Já a estrutura em bloco refere-se ao fato de as espiras do enrolamento serem enroladas continuamente em um bloco (segmento) ao longo de sua direção radial, e então compostas por vários blocos dispostos ao longo da direção axial. É geralmente utilizada em transformadores de grande e extra grande porte com alta tensão de 110 kV ou superior.

Basicamente, os enrolamentos dos transformadores de potência produzidos na China adotam uma estrutura concêntrica. Enrolamento concêntrico significa que os enrolamentos são dispostos externamente ao núcleo, seguindo a mesma linha cilíndrica em qualquer seção transversal do núcleo. Deve haver um certo espaço de isolamento e um canal de dissipação de calor (canal de óleo) entre os enrolamentos de alta e baixa tensão, e entre os enrolamentos de baixa tensão e o núcleo de ferro, separados por um tubo de papelão isolante. A distância de isolamento depende do nível de tensão do enrolamento e do espaço necessário para o canal de dissipação de calor. Quando o enrolamento de baixa tensão é posicionado próximo ao núcleo, a distância de isolamento necessária entre ele e o núcleo é relativamente pequena, permitindo a redução do tamanho do enrolamento e, consequentemente, do tamanho total do transformador.

O transformador de três enrolamentos é o mais comumente usado em sistemas de energia. Utilizar um transformador de três enrolamentos para conectar o sistema de transmissão com três tensões diferentes é mais econômico, ocupa menos espaço e possui manutenção e gerenciamento mais convenientes do que usar dois transformadores convencionais. O transformador trifásico de três enrolamentos geralmente adota a conexão YY-△, ou seja, os enrolamentos primário e secundário são conectados em Y, e o terceiro enrolamento é △, conforme mostrado na Figura XX. A conexão △ em si é um circuito fechado, através da corrente harmônica de terceira ordem na mesma fase, de modo que os enrolamentos primário e secundário conectados em Y não aparecem na tensão harmônica de terceira ordem. Dessa forma, fornece-se um ponto neutro tanto para o lado primário quanto para o secundário. Em sistemas de transmissão de longa distância, o terceiro enrolamento também pode ser conectado com um circuito síncrono para melhorar o fator de potência da linha.

III. Estrutura de ligação do transformador

01 Material de chumbo e classificação

Os enrolamentos do transformador são conectados externamente à extremidade principal do fio, chamada de condutor. Através do condutor, a energia é transmitida para a fonte de alimentação externa do transformador, e também através do condutor, a energia elétrica é transmitida do transformador para o exterior.

Existem principalmente os seguintes tipos de leads:

(1) o fio condutor conectado com a extremidade do fio de enrolamento e a carcaça;

(2) fios de ligação entre as extremidades do enrolamento;

(3) a derivação do enrolamento está conectada com o condutor de derivação conectado ao interruptor

O material principal é geralmente:

(1) Barra de cobre nu, âmbito de aplicação: transformador de 10kV classe 6300kVA e inferior;

(2) Barra de cobre redonda revestida de papel, âmbito de aplicação: transformador de pequena capacidade de 10 ~ 35kV;

(3) Barra de cobre nu, âmbito de aplicação: condutores de enrolamento de baixa tensão de 10 kV e inferiores;

(4) Fio de cobre trançado, âmbito de aplicação: todos os níveis de tensão, especialmente 110kV e acima do condutor;

(5) Tubo de cobre, âmbito de aplicação: condutor de transformador de 220kV e acima.

Para garantir uma distância de isolamento suficiente, os condutores que atravessam madeira laminada ou isolamento de papelão devem atender aos requisitos de desempenho elétrico, resistência mecânica e elevação de temperatura. A seleção dos condutores também se baseia na intensidade do campo elétrico e na resistência mecânica, bem como na elevação da temperatura em curto-circuito e na elevação da temperatura sob carga contínua.

02 Conexão do cabo

As formas de conexão dos cabos do transformador são: brasagem, soldagem a gás, soldagem a frio por pressão e conexão por parafuso.

O eletrodo de brasagem deve ser feito de liga de cobre fosforoso para a conexão entre a saída do enrolamento e o condutor, bem como entre os próprios condutores.

A soldagem a gás é utilizada para soldar barras de cobre, fios condutores e juntas de revestimento de cabos perfurados.

A soldagem por pressão a frio consiste em inserir os dois terminais conectados pelo fio em um tubo metálico e, em seguida, usar um molde para comprimir o tubo, unindo os dois terminais. A soldagem por pressão a frio não requer aquecimento, é relativamente segura, não apresenta falhas de soldagem e preserva a isolação dos fios e outras peças, além de apresentar boa qualidade de extrusão e resistência à tração. Portanto, a soldagem por pressão a frio é o principal método de conexão de fios em transformadores de grande porte.

A conexão por parafuso é usada principalmente para o fio condutor conectado à bucha da haste guia. O fio condutor pode ser desmontado e compensado em caso de variação no seu comprimento. Normalmente, a estrutura do fio condutor em arco curvo permite expansão livre, também conhecida como conexão flexível.

03 Fixação do cabo

Para garantir a distância de isolamento do cabo e suportar a vibração e o impacto da energia elétrica durante a operação e curto-circuito sem deslocamento ou deformação, devem ser utilizadas peças de fixação para apertar o cabo.

As peças de fixação dos cabos devem ter resistência mecânica e elétrica suficientes. Por isso, a estrutura de fixação geralmente adota suportes de madeira, fixando as peças de fixação às partes metálicas do transformador. Para melhorar a resistência mecânica, utilizam-se parafusos metálicos, mas entre as peças de fixação devem ser fixados parafusos com epóxi, e há um dispositivo de fixação solto. Uma placa isolante deve ser adicionada para proteger os cabos contra travamentos e evitar que fiquem presos.

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