Solução Completa de Melhoria de Desempenho para Transformadores de Transmissão: Otimizando o Resfriamento e Reduzindo as Perdas no Circuito Magnético

1. Contexto e Desafios

Com o crescimento contínuo das cargas elétricas e os requisitos cada vez mais rigorosos para a operação estável da rede, os transformadores de transmissão enfrentam desafios severos em termos de eficiência operacional, controle do aumento de temperatura e confiabilidade a longo prazo. Temperaturas de operação excessivas aceleram o envelhecimento dos materiais de isolamento, reduzem a vida útil do equipamento e aumentam o risco de falhas. As perdas elevadas no circuito magnético (principalmente perdas de ferro e cobre) reduzem a eficiência de utilização de energia, resultando em custos operacionais desnecessários. Para abordar os dois problemas centrais comumente encontrados nos transformadores de transmissão - aumento excessivo de temperatura e perdas significativas no circuito magnético - esta solução abrangente foi formulada.

2. Objetivos da Solução

• Reduzir Significativamente as Temperaturas de Operação: Controlar a temperatura do óleo superior e a temperatura do ponto quente do enrolamento dentro dos limites seguros de operação.
• Reduzir Efetivamente as Perdas no Circuito Magnético: Focar na redução das perdas a vazio (perda de ferro) e das perdas a carga (perda de cobre), melhorando a eficiência operacional geral.
• Melhorar a Confiabilidade Operacional: Reduzir as taxas de falha causadas pelo superaquecimento e perdas excessivas, prolongando a vida útil do transformador.
• Otimizar o Custo Total do Ciclo de Vida: Aumentar a eficiência econômica do transformador através de economia de energia e redução da frequência de manutenção.

3. Medidas Centrais de Mitigação

Esta solução adota uma estratégia integrada de "Controle de Fonte de Perdas + Melhoria da Capacidade de Dissipação de Calor + Gestão Precisa de Condições":

3.1 Otimização e Atualização do Sistema de Refrigeração, Melhorando a Eficiência de Dissipação de Calor (Abordagem do Aumento de Temperatura)

• Utilizar Métodos de Refrigeração de Alta Eficiência:
• Resfriamento Forçado por Ar (OFAF/ODAF): Retificar transformadores existentes resfriados naturalmente por ar (ONAN) ou resfriados forçadamente por ar (ONAF), ou equipar novas unidades com ventiladores axiais de alto desempenho. Selecionar ventiladores eficientes, de baixo ruído e resistentes às condições climáticas combinados com controle inteligente de fluxo de ar (por exemplo, partida/parada automática com base na temperatura ou ajuste de velocidade variável) para aumentar significativamente a eficiência da convecção de ar nas superfícies dos radiadores e remover rapidamente o calor.
• Resfriamento Forçado por Óleo e Água (OFWF): Prioritário para transformadores de ultra-alta capacidade, unidades com fatores de carga elevados ou aqueles operando em temperaturas ambientais elevadas. Equipado com bombas de óleo de alta eficiência e trocadores de calor de placas para aproveitar a alta capacidade térmica específica da água para troca de calor eficiente. Requer sistemas de tratamento de água de suporte (para prevenir incrustações e corrosão) e mecanismos de garantia de confiabilidade (por exemplo, circuitos de água duplos, bombas de reserva).
• Resfriamento Auxiliado por Tubos de Calor: Instalar módulos de tubos de calor em pontos críticos dos radiadores para conduzir e dissipar eficientemente o calor localizado em pontos quentes através do princípio de mudança de fase.
• Otimizar a Estrutura e Disposição dos Radiadores:
• Utilizar radiadores com área superficial aumentada (por exemplo, radiadores com aletas, radiadores de painel) e designs de trajeto de fluxo otimizados.
• Garantir trajetos de fluxo suaves para o meio de resfriamento (ar ou água), eliminar restrições locais de fluxo e melhorar a uniformidade da dissipação de calor.
• (Para resfriamento a ar) Otimizar a posição dos ventiladores e o design dos dutos para garantir uma cobertura uniforme de fluxo de ar sobre as superfícies dos radiadores, minimizando zonas mortas.
• Controle Inteligente de Refrigeração:
• Ajustar automaticamente a saída do sistema de resfriamento (velocidade/número de ventiladores, taxa de fluxo da bomba de óleo) com base no monitoramento em tempo real da temperatura do óleo, da bobina e da temperatura ambiente. Realiza resfriamento sob demanda, garantindo a eficácia da dissipação de calor enquanto minimiza o consumo de energia dos equipamentos auxiliares.

3.2 Otimização de Materiais e Estruturas Nucleares, Reduzindo a Perda de Ferro (Controle de Perdas Magnéticas no Núcleo)

• Selecionar Materiais de Núcleo de Alto Desempenho:
• Priorizar folhas de aço silício laminado a frio de alta permeabilidade e baixa perda unitária (por exemplo, aço HiB) ou materiais mais avançados de liga amorfa (oferecendo vantagens significativas para a redução das perdas a vazio).
• Controlar estritamente a espessura, a planicidade e a qualidade do revestimento de isolamento das folhas de aço silício para minimizar as perdas de histerese e correntes parasitas.
• Otimizar o Design e Processos de Fabricação do Núcleo:
• Implementar técnicas de empilhamento em degraus para minimizar a reluctância magnética nas juntas, reduzindo perdas adicionais de ferro.
• Controlar precisamente o fator de empilhamento do núcleo e a força de aperto para garantir uma distribuição uniforme do caminho magnético e evitar saturação local excessiva.
• (Aplicação de Tecnologias Avançadas) Explorar técnicas como gravação a laser (Laser Scribbling) para otimizar ainda mais a estrutura de domínios magnéticos do material.
• Otimizar métodos de aterramento do núcleo e blindagem para reduzir as perdas dispersas em componentes estruturais.

3.3 Otimização do Design e Melhoria dos Processos de Enrolamento, Reduzindo a Perda de Cobre (Controle de Perdas Magnéticas Chave)

• Otimizar a Estrutura e o Design Eletromagnético do Enrolamento:
• Calcular com precisão a distribuição de ampère-voltas, otimizar a seção transversal do condutor (por exemplo, usando cabos transpostos contínuos - CTC ou cabos transpostos autocolantes - TTC) para minimizar as correntes circulantes e as perdas de correntes parasitas.
• Selecionar racionalmente o material do condutor (cobre sem oxigênio de alta condutividade) e a densidade de corrente, reduzindo efetivamente as perdas de resistência DC, enquanto atende aos limites de aumento de temperatura.
• Otimizar a altura, o diâmetro e as dimensões radiais do enrolamento para controlar o fluxo de fuga e reduzir as perdas dispersas.
• Processos de Fabricação Avançados:
• Garantir a compactação uniforme do enrolamento utilizando equipamentos de enrolamento com tensão constante.
• Empregar processos avançados de Impregnação a Vácuo (VPI) ou moldagem com resina para garantir o preenchimento completo das lacunas com materiais isolantes, melhorando a condutividade térmica e a resistência mecânica, auxiliando na dissipação de calor e reduzindo descargas parciais.

3.4 Monitoramento de Condições do Circuito Magnético e Manutenção Proativa (Gestão em Loop Fechado, Garantindo o Desempenho a Longo Prazo)

• Implementar Monitoramento Preciso de Condições do Circuito Magnético:
• Avaliar de forma abrangente a saúde do circuito magnético, integrando monitoramento online (por exemplo, Análise de Gases Dissolvidos - DGA, monitoramento de descargas parciais de alta frequência, monitoramento de vibração/ruído acústico, termografia infravermelha) e testes offline (testes periódicos de deformação do enrolamento, testes de perdas a vazio e a carga, teste de corrente de aterramento do núcleo).
• Monitoramento Focado: Sinais de falhas de aterramento múltiplos no núcleo, flutuações anormais de perdas, superaquecimento de escudos magnéticos e estruturas de aperto.
• Estabelecer um Mecanismo de Manutenção Preventiva:
• Desenvolver planos de manutenção direcionados ao circuito magnético com base nos dados de monitoramento de condições e histórico operacional.
• Inspecionar Periodicamente o Aterramento do Núcleo e Estruturas de Aperto: Garantir aterramento confiável em um único ponto, detectar e corrigir prontamente falhas de aterramento múltiplos (que aumentam significativamente as perdas de ferro e causam superaquecimento).
• Inspecionar Escudos Magnéticos, Apertos e Outros Componentes Estruturais: Verificar soltura, superaquecimento ou sinais de descarga; eliminar prontamente anomalias.
• Durante inspeções de levantamento do núcleo/tampa, realizar verificações e manutenções focadas nas juntas de lâminas do núcleo e na condição de aperto.
• Realizar análise diagnóstica profunda em tendências ascendentes de perdas anormais para identificar as causas raiz e implementar ações corretivas.

4. Benefícios Esperados

• Redução Significativa do Aumento de Temperatura: As temperaturas de operação (especialmente as temperaturas de pontos quentes) são esperadas ser controladas efetivamente, com reduções alcançando metas projetadas (por exemplo, 15-25%), aliviando consideravelmente o estresse de envelhecimento térmico no isolamento.
• Redução Efetiva das Perdas no Circuito Magnético:
• Perda de Ferro (Perda a Vazio): Redução esperada de 20-40% através de novos materiais e processos (especialmente significativo quando se usa ligas amorfas).
• Perda de Cobre (Perda a Carga): Redução esperada de 10-25% através de design de enrolamento otimizado.
• Melhoria de 1-3 pontos percentuais na eficiência geral, proporcionando benefícios econômicos consideráveis e redução de emissões de carbono.
• Melhoria Substancial na Confiabilidade: Os riscos de falhas causados pelo superaquecimento e anormalidades no circuito magnético são significativamente reduzidos, aumentando a disponibilidade do equipamento e prolongando a vida útil.
• Custo Total do Ciclo de Vida Otimizado: Apesar de um investimento inicial potencialmente maior (por exemplo, materiais de alto desempenho, sistemas de resfriamento avançados), os benefícios derivados da economia de energia a longo prazo, redução de custos de manutenção e extensão da vida útil são substanciais, alcançando um Retorno sobre Investimento (ROI) favorável.

5. Âmbito de Aplicação

Esta solução aplica-se a transformadores de transmissão (energia) de imersão em óleo novos e em serviço, a partir do nível de tensão de 35kV. Medidas específicas podem ser personalizadas e implementadas com base na capacidade do transformador, nível de tensão, ambiente operacional, criticidade e condição atual.