Qual é o papel do núcleo em um transformador imerso em óleo?

O zumbido das subestações elétricas é um som familiar no mundo moderno, um testemunho da vasta e invisível rede que alimenta as nossas vidas. No centro deste sistema, dentro dos icônicos tanques cilíndricos, está uma peça crítica de tecnologia: o transformador imerso em óleo. Embora toda a unidade seja uma maravilha da engenharia, seu herói silencioso e indispensável é o núcleo do transformador. Este componente não é apenas um elemento estrutural; é o caminho fundamental para o fluxo magnético, a própria essência da função do transformador. Mas o que é exatamente este núcleo, porque é que o seu design é tão crucial e como é que a sua imersão em óleo eleva o seu desempenho?

Um núcleo de transformador imerso em óleo é uma estrutura multicamadas de circuito fechado meticulosamente laminada a partir de folhas de aço silício de alta qualidade. Sua principal função é fornecer um caminho de alta permeabilidade para o fluxo magnético gerado pela corrente alternada que flui através dos enrolamentos do transformador. Essa canalização eficiente do fluxo é o que permite o acoplamento indutivo entre os enrolamentos primário e secundário, permitindo aumentar ou diminuir os níveis de tensão com perda mínima de energia. Sem este núcleo, o transformador seria irremediavelmente ineficiente e praticamente inutilizável para aplicações de alta potência.

A escolha do material e da construção do núcleo é, portanto, fundamental. O aço silício, também conhecido como aço elétrico, é o material preferido. A adição de silício à liga de ferro aumenta a sua resistividade elétrica, que é uma propriedade fundamental. Uma resistividade mais alta reduz a magnitude das correntes parasitas - correntes circulantes parasitas induzidas dentro do próprio núcleo pelo campo magnético alternado. Essas correntes parasitas representam uma fonte significativa de perda de energia, manifestando-se como calor. Ao reduzi-los, o aço silício aumenta diretamente a eficiência do transformador. Além disso, o núcleo não é um bloco sólido de metal, mas é construído a partir de laminações finas. Cada laminação é revestida com uma fina camada isolante. Este projeto obstrui ainda mais o caminho das correntes parasitas, confinando-as a laminações individuais e reduzindo drasticamente as perdas gerais do núcleo, conhecidas como perdas de ferro.

A geometria do núcleo é igualmente deliberada. O projeto mais comum é um núcleo de seção transversal escalonada disposto em uma moldura retangular ou circular. Este "passo" é uma técnica de otimização que permite que o núcleo se aproxime de uma seção transversal circular dentro de uma moldura quadrada, maximizando a área efetiva do fluxo magnético e minimizando a quantidade de material e o comprimento médio de uma volta, aumentando assim a eficiência. As juntas entre as laminações são precisamente escalonadas ou intercaladas para minimizar o entreferro nos cantos, garantindo um caminho magnético contínuo e evitando que o fluxo magnético escape, o que causaria perdas adicionais e zumbido audível.

É aqui que o aspecto “imerso em óleo” se torna crítico. O núcleo, juntamente com os enrolamentos, é submerso em um óleo mineral especialmente desenvolvido dentro do tanque do transformador. Este óleo desempenha múltiplas funções sinérgicas, todas vitais para a longevidade e desempenho do núcleo. Em primeiro lugar, atua como um refrigerante altamente eficaz. O núcleo, apesar de seu design eficiente, ainda sofre perdas de energia que geram calor. O óleo circula naturalmente ou por meio de bombas, absorvendo esse calor do núcleo e dos enrolamentos e transferindo-o para as aletas do radiador do transformador, onde é dissipado na atmosfera. Isso evita o superaquecimento do núcleo, o que degradaria os revestimentos isolantes das laminações e, em última análise, levaria a falhas catastróficas.

Em segundo lugar, o óleo proporciona um isolamento superior. Enquanto o núcleo está aterrado, os intensos campos eletromagnéticos e as altas tensões presentes exigem um isolamento robusto entre o núcleo, os enrolamentos e o próprio tanque. A alta rigidez dielétrica do óleo evita arcos e falhas elétricas. Finalmente, o óleo serve como uma barreira protetora, protegendo as laminações de aço silício com acabamento preciso de dois inimigos prejudiciais: umidade e oxigênio. A exposição a estes elementos causaria rápida corrosão e oxidação, danificando os delicados revestimentos isolantes e alterando as propriedades magnéticas do aço, levando a um aumento acentuado nas perdas do núcleo e a um declínio na eficiência global.

Em essência, o núcleo de transformador imerso em óleo é uma obra-prima da engenharia eletromagnética e de materiais. É um componente perfeitamente equilibrado onde as propriedades do aço silício, a inovação da construção laminada e o ambiente protetor do óleo dielétrico convergem para um único propósito: facilitar a transformação altamente eficiente e confiável da energia elétrica. Funciona silenciosamente no seu banho de óleo, escondido da vista, mas é a pedra angular absoluta da transmissão e distribuição de energia, permitindo que a electricidade percorra grandes distâncias desde as centrais eléctricas até às nossas casas com uma eficiência notável. Seu design duradouro é a principal razão pela qual podemos confiar no fluxo constante de poder que define a civilização moderna.