Como o projeto de um núcleo de transformador imerso em óleo influencia o desempenho elétrico?

Os transformadores imersos em óleo são a base dos modernos sistemas de energia elétrica, servindo como dispositivos cruciais para regulação de tensão, distribuição de energia e eficiência energética. No centro desses transformadores está o núcleo do transformador, um componente cuidadosamente projetado que influencia significativamente o desempenho elétrico geral. Nos transformadores imersos em óleo, o projeto do núcleo impacta diretamente parâmetros como eficiência, redução de perdas, regulação de tensão, níveis de ruído e gerenciamento térmico. Compreender a conexão entre o projeto do núcleo e o desempenho elétrico é essencial para engenheiros e operadores de serviços públicos que buscam a operação ideal do transformador.

1. Compreendendo o núcleo do transformador imerso em óleo

O núcleo do transformador serve como um circuito magnético que guia o fluxo magnético gerado pela corrente alternada (CA) no enrolamento primário para o enrolamento secundário. Nos transformadores imersos em óleo, o núcleo é submerso no óleo do transformador, que serve tanto como refrigerante quanto como meio isolante. O projeto do núcleo – sua geometria, material e construção – afeta as propriedades magnéticas e, conseqüentemente, a eficiência e o desempenho do transformador.

As principais funções do núcleo do transformador incluem:

• Condução de Fluxo Magnético: Canaliza eficientemente o fluxo magnético entre os enrolamentos para minimizar a perda de energia.
• Minimizando perdas por histerese e por correntes parasitas: O design otimizado reduz as perdas internas que ocorrem devido a campos magnéticos alternados.
• Apoiando a integridade estrutural: Fornece uma estrutura estável para enrolamentos e isolamento.

2. Materiais principais e sua influência no desempenho elétrico

A seleção do material é um aspecto crítico do projeto do núcleo do transformador. Os núcleos de alto desempenho utilizam laminações de aço silício ou ligas metálicas amorfas, que afetam a eficiência, as perdas e a estabilidade operacional.

um. Aço Silício de Grão Orientado

• Material mais comumente usado em núcleos de transformadores imersos em óleo.
• A orientação dos grãos alinha a estrutura cristalina com a direção do fluxo magnético, minimizando as perdas por histerese.
• A espessura da laminação (geralmente 0,23–0,35 mm) reduz as perdas por correntes parasitas, que são proporcionais ao quadrado da espessura da laminação.
• Impacto no desempenho elétrico: Perdas mais baixas levam a maior eficiência, redução na geração de calor e melhor regulação de tensão.

b. Aço Amorfo

• Aço não cristalino com estrutura de grão mínima.
• Fornece perdas de núcleo ultrabaixas em comparação com o aço silício convencional.
• Ideal para transformadores de alta eficiência, especialmente em regiões com regulamentações de conservação de energia.
• Impacto no desempenho elétrico: Reduz significativamente as perdas sem carga, melhorando a eficiência geral do transformador.

c. Isolamento central

• O revestimento das laminações com verniz isolante evita correntes parasitas entre as laminações.
• Mantém baixas perdas no núcleo, contribuindo para a estabilidade térmica e prolongando a vida útil do transformador.

3. Técnicas Básicas de Construção

O way the core is constructed has a profound effect on magnetic properties, losses, and electrical performance.

um. Tipos principais

1. Transformadores tipo núcleo

   • O windings are placed around the vertical legs of the core.
   • Oferece baixa reatância de vazamento e boa distribuição de fluxo magnético.
   • Comumente usado em transformadores de média e alta tensão.

2. Transformadores Tipo Shell

   • Os enrolamentos são encerrados dentro do núcleo, o que proporciona melhor resistência a curto-circuito.
   • Reduz o fluxo parasita e melhora a robustez mecânica.
   • Freqüentemente usado para transformadores de potência em aplicações industriais.

b. Juntas Step-Lap e Mitered

• As laminações são unidas em sobreposições angulares para reduzir o vazamento de fluxo nos cantos.
• A construção escalonada garante uma transição de fluxo suave, minimizando a saturação local e as perdas associadas.
• Impacto no desempenho elétrico: Reduz pontos quentes, melhora a eficiência e aprimora a capacidade de manuseio de carga.

c. Empilhamento de laminação

• O empilhamento adequado de laminações finas é fundamental para minimizar as correntes parasitas.
• O empilhamento aleatório ou desalinhado pode criar concentrações de fluxo localizadas, aumentando as perdas e a geração de calor.
• O empilhamento controlado também afeta o ruído acústico, pois a vibração é influenciada por forças magnéticas dentro do núcleo.

4. Geometria central e seu efeito nos parâmetros elétricos

O physical dimensions and shape of the core influence key performance characteristics.

um. Área transversal

• Uma área transversal maior reduz a densidade do fluxo magnético, evitando a saturação do núcleo sob cargas elevadas.
• O dimensionamento adequado garante que o transformador possa operar com eficiência sem superaquecimento.
• Impacto no desempenho elétrico: Reduz as perdas por histerese e melhora a regulação de tensão.

b. Design de janela

• O central space where windings are placed is known as the window.
• As dimensões otimizadas da janela garantem isolamento adequado, permitem curvas de enrolamento suficientes e mantêm baixa indutância de vazamento.
• Impacto no desempenho elétrico: Transferência eficiente de energia entre os enrolamentos primário e secundário, reduzindo a queda de tensão.

c. Comprimento do núcleo e proporção das pernas

• O length of the core limbs and the ratio between yoke and leg length affect magnetic flux distribution.
• A distribuição uniforme do fluxo evita a saturação localizada, que pode causar superaquecimento e aumentar as perdas sem carga.

5. Influência do projeto do núcleo no resfriamento do transformador

Nos transformadores imersos em óleo, o núcleo interage com o sistema de refrigeração. A área de superfície do núcleo, orientação e posicionamento dentro do tanque afetam a circulação do óleo e a dissipação de calor.

• Circulação de Óleo: O projeto adequado do núcleo permite que o óleo do transformador flua livremente, removendo o calor gerado pelas perdas do núcleo.
• Ormal Hot Spots: Step-lap or mitered joints prevent local concentration of magnetic flux, reducing temperature peaks.
• Impacto no desempenho elétrico: O resfriamento eficiente preserva a integridade do isolamento, reduz o risco de ruptura dielétrica e garante uma operação confiável a longo prazo.

6. Considerações sobre desempenho elétrico

O design of the oil-immersed transformer core affects several critical electrical performance metrics:

uma. Eficiência

• As perdas do núcleo (perdas por histerese e por correntes parasitas) estão diretamente relacionadas ao material do núcleo, à laminação e à geometria.
• Núcleos bem projetados reduzem as perdas sem carga, melhorando a eficiência do transformador, especialmente durante condições de carga parcial.

b. Regulação de tensão

• O fluxo de fuga, que depende do arranjo do núcleo e do enrolamento, afeta a queda de tensão sob carga.
• O design otimizado do núcleo garante fluxo de vazamento mínimo e regulação de tensão aprimorada, fornecendo tensão de saída consistente.

c. Força de curto-circuito

• Núcleos do tipo casca ou estruturas de núcleo reforçadas melhoram a resiliência mecânica.
• O projeto adequado minimiza o deslocamento do enrolamento durante eventos de curto-circuito, garantindo uma operação confiável.

d. Ruído acústico

• Vibrações causadas por fluxo magnético alternado geram um zumbido audível.
• As laminações do núcleo e o design das juntas podem reduzir o ruído, aumentando o conforto operacional, especialmente em ambientes urbanos.

7. Inovações no design do núcleo do transformador

Os transformadores imersos em óleo modernos incorporam designs de núcleo avançados para melhorar ainda mais o desempenho:

• Núcleos Metálicos Amorfos: Reduzem significativamente as perdas de energia em transformadores de distribuição.
• Laminações Otimizadas: Use laminações cortadas a laser ou CNC para alinhamento preciso, reduzindo o vazamento de fluxo.
• Laminados Compostos: Combinação de materiais para equilibrar custo, eficiência e desempenho térmico.
• Análise de Elementos Finitos (FEA): Simulação avançada para geometria ideal do núcleo, garantindo perdas mínimas e distribuição uniforme de fluxo.

Ose innovations improve energy efficiency, reduce operational costs, and extend transformer lifespan.

8. Conclusão

O design of an oil-immersed transformer core is a critical factor that directly influences electrical performance, efficiency, thermal management, voltage regulation, and reliability. Material selection, lamination thickness, core geometry, joint design, and interaction with the cooling system collectively determine the transformer’s operational characteristics.

Núcleos de alta qualidade feitos de aço silício de grão orientado ou ligas amorfas, combinados com técnicas de construção otimizadas, como juntas escalonadas e empilhamento preciso de laminação, minimizam perdas, melhoram a eficiência e aumentam a durabilidade. Núcleos adequadamente projetados também reduzem o ruído, evitam o aquecimento localizado e mantêm a saída de tensão estável, o que é essencial para aplicações em escala industrial e de serviços públicos.

À medida que a eficiência energética e a confiabilidade se tornam cada vez mais importantes nos sistemas de energia modernos, o projeto de núcleos de transformadores imersos em óleo continuará a evoluir, incorporando novos materiais, geometrias inovadoras e técnicas de fabricação de precisão para atender às demandas do futuro. Compreender a relação crítica entre o projeto do núcleo e o desempenho elétrico é essencial para engenheiros, fabricantes e operadores que buscam desempenho e longevidade ideais do transformador.