Aumento da temperatura do transformador: limites, cálculo e guia de resfriamento

Aumento da temperatura do transformadoré um daqueles detalhes técnicos que podem parecer simples no papel, mas são muito importantes na operação real. Todo transformador produz calor quando está energizado e carregando uma carga. O desafio é retirar esse calor de forma eficiente e manter o núcleo, os enrolamentos, o isolamento e o óleo dentro da faixa de temperatura projetada.

Isto se torna especialmente importante com umtransformador-imerso em óleo. O óleo do transformador faz mais do que fornecer isolamento elétrico. Ele também afasta o calor das partes ativas e o transfere para o tanque, radiadores e ar circundante.

Então, quando os engenheiros falam sobre oaumento de temperatura de transformadores-imersos em óleo, eles estão realmente observando todo o sistema térmico - perdas do transformador, circulação de óleo, equipamento de resfriamento, condições ambientais, projeto do tanque e carga real.

Aumento de temperatura e temperatura dos transformadores

Primeiramente, vale esclarecer um ponto comum:temperatura do transformadoreaumento de temperatura do transformadornão são a mesma coisa.

A temperatura do transformador é a temperatura real de um componente, como o enrolamento, o óleo superior, o núcleo ou o tanque. O aumento da temperatura éa diferença entreessa temperatura e a temperatura ambiente ou de referência especificada.

Em termos simples:

Temperatura do transformador=Temperatura ambiente + Aumento de temperatura

Por exemplo, se a temperatura ambiente for 30 graus e o aumento da temperatura superior-do óleo for 55 K, a temperatura superior-do óleo aproximada será 85 graus.

É claro que um transformador real não é tão simples assim. Diferentes peças operam em diferentes temperaturas. A temperatura do enrolamento é normalmente mais alta do que a do óleo circundante, e uma pequena área do enrolamento pode ficar muito mais quente do que a temperatura média do enrolamento. Essa área-de temperatura mais alta é conhecida comoponto quente sinuoso.

É por isso que o projeto térmico do transformador analisa mais do que apenas uma leitura de temperatura.

Padrões de aumento de temperatura do transformador

Os requisitos-de aumento de temperatura dependem do padrão aplicável, do projeto do transformador, do sistema de isolamento, do método de resfriamento e das condições operacionais.

CEI 60076-2fornece requisitos para testes de-aumento de temperatura para transformadores-imersos em líquido. OIEEE C57A série também é amplamente utilizada, especialmente para aplicações de transformadores na América do Norte.

Para um projeto específico, é sempre melhor verificar a norma aplicável e as especificações do projeto, em vez de simplesmente copiar um valor de temperatura de outro transformador.

Tabela de limite de aumento de temperatura do transformador

Para projetos convencionais de transformadores{0}imersos em líquido, os valores comumente referenciados na IEC 60076-2 incluem o seguinte:

Estes valores são referências úteis de engenharia, mas não devem ser tratados como limites universais para todos os transformadores. Os requisitos reais podem variar dependendo do líquido isolante, sistema de isolamento, arranjo de resfriamento, especificação do transformador e padrão aplicável.

E há outro ponto que é fácil de ignorar:aumento de temperatura não é temperatura absoluta.

A tabela é apenas uma ilustração simples. A temperatura operacional real do transformador depende da carga, das condições de resfriamento, da distribuição de calor e do projeto térmico do fabricante.

As práticas de transformadores IEEE também distinguem entre projetos com diferentes aumentos médios de temperatura do enrolamento, incluindo os comumente usados55 grause65 grausprojetos para transformadores imersos em-óleo-mineral. Assim, novamente, os dados técnicos garantidos pelo fabricante devem ser a referência final para um projeto específico.

Envelhecimento do material de isolamento e aumento de temperatura

A temperatura tem efeito direto no envelhecimento do isolamento do transformador.

Quando o isolamento funciona a temperaturas elevadas durante longos períodos, o seu processo de envelhecimento geralmente acelera. Tanto o isolamento sólido como o óleo isolante podem ser afetados pelo estresse térmico contínuo.

Oponto quente sinuosomerece atenção especial. Um transformador pode ter uma temperatura média aceitável do enrolamento enquanto uma área localizada está significativamente mais quente.

Um bom projeto de transformador tenta manter esses pontos quentes sob controle. A geometria adequada do enrolamento, os caminhos do{1}}fluxo de óleo, a seleção do condutor e a capacidade de resfriamento desempenham um papel importante.

Temperatura ambiente média ponderada

Temperatura ambienteé outro fator que não deve ser esquecido.

Um transformador operando com o mesmo aumento de temperatura obviamente terá uma temperatura absoluta mais alta quando instalado em um ambiente quente.

Isto é particularmente relevante em regiões tropicais, subestações fechadas e instalações industriais onde as temperaturas circundantes podem permanecer elevadas por longos períodos.

Os engenheiros podem precisar considerar as temperaturas sazonais, a altitude de instalação, a ventilação, a radiação solar e os equipamentos próximos.

Por outras palavras, o mesmo transformador pode comportar-se de forma bastante diferente em dois ambientes de instalação, mesmo quando o aumento de temperatura nominal é idêntico.

Aquecimento e resfriamento de transformadores

Um transformador gera calor principalmente através deperda de núcleo, perda de enrolamento e perda de carga parasita.

As perdas no núcleo estão associadas principalmente à histerese e correntes parasitas no núcleo magnético. As perdas nos enrolamentos estão principalmente relacionadas à resistência do condutor, enquanto perdas parasitas adicionais podem ocorrer em enrolamentos, paredes de tanques, braçadeiras e outros componentes metálicos.

Para um transformador-imerso em óleo, o caminho básico-de transferência de calor é semelhante a este:

Núcleo e enrolamentos → óleo do transformador → tanque/radiadores → ar circundante

Quando o transformador atinge o equilíbrio térmico, o calor gerado dentro dele é aproximadamente equilibrado pelo calor liberado para fora.

Métodos de dissipação de calor do transformador

Vários mecanismos-de transferência de calor funcionam juntos dentro de um transformador.

Para um transformador pequeno ou médio, o resfriamento natural pode ser suficiente. À medida que a capacidade do transformador aumenta, entretanto, a quantidade de calor que precisa ser removida também aumenta. É aí que entram bancos de radiadores maiores, ventiladores, bombas ou circulação direcionada de óleo.

Métodos de resfriamento de transformadores

Vários arranjos de resfriamento são comumente usados ​​para transformadores-imersos em óleo.

O resfriamento ONAN continua sendo uma escolha popular porque é relativamente simples e confiável. Há menos componentes auxiliares para manter, o que é uma vantagem real em muitas instalações.

Para transformadores maiores, podem ser adicionados ventiladores para aumentar a capacidade de refrigeração. Transformadores de potência muito grandes podem usar circulação-forçada de óleo para fornecer transferência de calor mais controlada.

Aquecimento e resfriamento de transformadores imersos em óleo-

Óleo de transformadorestá no centro do sistema térmico em um transformador-imerso em óleo.

À medida que o núcleo e os enrolamentos geram calor, o óleo circundante fica mais quente. O óleo quente torna-se menos denso e move-se naturalmente para cima, enquanto o óleo mais frio se move para baixo. Isso cria circulação dentro do transformador.

É essencialmente assim que funciona o resfriamento ONAN.

O óleo aquecido eventualmente chega ao tanque eradiadores, onde seu calor é transferido para o ar circundante.

A carga do transformador tem um efeito importante neste processo. As perdas no enrolamento são aproximadamente proporcionais ao quadrado da corrente:

Pcu ∝ I²

Isso significa que um aumento relativamente modesto na corrente pode resultar num aumento muito maior nas perdas do enrolamento.

Esta é uma comparação simplificada. As perdas reais do transformador são mais complicadas porque a resistência do condutor muda com a temperatura e estão presentes perdas parasitas adicionais.

Ainda assim, a mensagem é bastante clara: a sobrecarga sustentada pode rapidamente tornar-se um problema térmico.

Aumento da temperatura dos enrolamentos do transformador imersos em óleo-

Oaumento de temperatura dos enrolamentos-imersos em óleo do transformadoré um dos parâmetros-chave no projeto térmico do transformador.

A temperatura do enrolamento é afetada pelo material do condutor, pela resistência do enrolamento, pela densidade da corrente, pela geometria do enrolamento, pelos canais de fluxo-de óleo, pelo arranjo do isolamento, pelo método de resfriamento e pela carga.

A temperatura também não está distribuída uniformemente por todo o enrolamento. Algumas áreas ficarão naturalmente mais quentes do que outras, e o local-de temperatura mais alta se tornará o ponto quente sinuoso.

Um relacionamento simplificado é:

Temperatura-ponto quente=Temperatura ambiente + subida-do óleo + enrolamento-até-gradiente de temperatura do óleo

O cálculo real é mais complexo e depende do projeto do transformador e da norma aplicável.

Métodos de cálculo de engenharia para fluxo de óleo e aumento de temperatura em enrolamentos

Os engenheiros podem avaliar o fluxo de óleo do transformador e a temperatura do enrolamento usando cálculos analíticos, modelos térmicos e, para transformadores maiores ou mais complexos, dinâmica de fluidos computacional (CFD).

Alguns dos principais parâmetros incluem:

Um bom projeto de fluxo-de óleo é fundamental. Se o óleo não circular adequadamente através de um enrolamento, pontos quentes localizados poderão se desenvolver mesmo quando a temperatura geral do transformador parecer aceitável.

Para grandes transformadores de potência, a análise CFD pode ajudar os engenheiros a identificar fluxo irregular de óleo, gradientes de temperatura e possíveis locais-de pontos quentes antes da fabricação do transformador.

Dissipação de calor de tanques de óleo de transformador

O tanque de óleo do transformador não é apenas um recipiente para o óleo. Também faz parte do sistema de refrigeração.

Depois de absorver o calor do núcleo e dos enrolamentos, o óleo transfere esse calor para as paredes do tanque. A superfície do tanque então libera o calor para o ambiente circundante.

Transformadores maiores normalmente exigem radiadores para fornecer área adicional-de transferência de calor.

Dissipação de calor por convecção

A convecção é uma das principais formas pelas quais um transformador libera calor.

Quando a superfície do tanque fica mais quente que o ar circundante, o ar próximo aquece, torna-se menos denso e sobe. O ar mais frio move-se então em direção à superfície do tanque.

Isso cria uma circulação natural de ar e afasta o calor do transformador.

Com o resfriamento por ar-forçado, os ventiladores aumentam o fluxo de ar nas superfícies do radiador. Isto é especialmente útil quando o transformador está operando com carga elevada.

Radiação

O tanque do transformador e os radiadores também liberam calor através da radiação térmica.

A quantidade de calor irradiado depende da temperatura da superfície, emissividade, área exposta e condições ambientais.

A radiação não funciona sozinha. Na prática, a radiação e a convecção operam juntas e ambas contribuem para a dissipação geral de calor do transformador.

Aumento de temperatura de tanques de óleo de transformadores tubulares

Os tanques tubulares de óleo do transformador usam estruturas tubulares para aumentar a área externa de transferência-de calor.

O caminho térmico básico permanece:

Partes ativas → óleo → tanque tubular → ar circundante

Uma superfície de resfriamento maior pode melhorar a dissipação de calor, especialmente para transformadores resfriados naturalmente.

O aumento de temperatura de um tanque de óleo de transformador tubular depende da carga do transformador, da circulação de óleo, das dimensões do tubo, do espaçamento dos tubos, da temperatura ambiente e do fluxo de ar ao redor do tanque.

O tanque deve, portanto, ser projetado como parte do sistema térmico completo, juntamente com o núcleo, enrolamentos, passagens de óleo, radiadores e ar circundante.

Por que o aumento da temperatura do transformador é importante

Por que gastar tanto tempo discutindo o aumento da temperatura? Porque tem uma ligação direta comvida útil do isolamento, capacidade de carga do transformador, desempenho de refrigeração, confiabilidade e vida útil.

A operação-de longo prazo em temperaturas excessivas pode acelerar o envelhecimento do isolamento e aumentar o risco de deterioração térmica. Por outro lado, um sistema de refrigeração superdimensionado pode adicionar custos desnecessários de equipamento e consumo de energia auxiliar.

O objetivo não é simplesmente tornar o transformador o mais legal possível. Uma boa engenharia consiste em encontrar o equilíbrio certo entre geração de calor, dissipação de calor, eficiência, custo, confiabilidade e o perfil de carga real.

As instalações elétricas modernas também merecem atenção redobrada. Data centers, inversores de frequência-variáveis, conversores de energia-renováveis, sistemas de carregamento de veículos elétricos e outras cargas{3}eletrônicas de energia podem introduzir correntes harmônicas. Estas correntes podem aumentar as perdas adicionais do transformador e contribuir para o aquecimento.

Principais fatores que afetam o aumento da temperatura do transformador

Ao selecionar ou especificar um transformador-imerso em óleo, vale a pena observar o ambiente operacional completo em vez de focar em um número de temperatura.

Conclusão

Aumento da temperatura do transformadoré uma parte fundamental do projeto, teste e operação do transformador. Ele descreve o quanto um componente do transformador fica mais quente em comparação com a temperatura ambiente de referência e fornece uma indicação útil da eficácia do sistema térmico do transformador.

Por umtransformador-imerso em óleo, o calor gerado pelo núcleo e pelos enrolamentos é transferido para o óleo isolante, transportado pelo sistema de refrigeração, passado para o tanque e radiadores e finalmente liberado por convecção e radiação.

Oaumento de temperatura de transformadores-imersos em óleodepende de muitos fatores, incluindo carga do transformador, temperatura ambiente, projeto do enrolamento, circulação de óleo, método de resfriamento, construção do tanque e área de-transferência de calor disponível.

O ponto quente do enrolamento merece atenção especial porque o superaquecimento localizado pode acelerar o envelhecimento do isolamento mesmo quando a temperatura média permanece dentro de limites aceitáveis.

Para fabricantes de transformadores comoTransformador Yawei, o projeto térmico é, portanto, uma parte essencial da engenharia de produto. A configuração do enrolamento, os caminhos do-fluxo de óleo, a distribuição de perdas, o projeto do radiador, o equipamento de resfriamento e os testes de aumento-de temperatura precisam trabalhar juntos.

Ao especificar um transformador, sempre verifique osPadrões IEC 60076 ou IEEE C57, requisitos do projeto, sistema de isolamento, arranjo de refrigeração, condições ambientais e dados técnicos garantidos pelo fabricante. Valores como60 K, 65 K, 70 K e 78 Ksão valores de referência de aumento de temperatura-sob condições definidas, e não limites universais de temperatura-operacional para cada transformador.

No final das contas, um bom projeto térmico é bastante simples em princípio: gerar menos calor desnecessário, movimentar o calor com eficiência, manter os pontos quentes sob controle e garantir que o transformador possa lidar com a carga-do mundo real que ele realmente verá.

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