Transformadores trifásicos imersos em óleo série S13: um guia de seleção para transformadores de distribuição de baixas perdas de última geração

Em sistemas de distribuição de 10kV, os transformadores de distribuição trifásicos imersos em óleo estão há muito tempo entre os tipos de equipamentos mais utilizados. Seja para complexos residenciais urbanos, atualizações de redes rurais ou fornecimento de energia para instalações industriais e edifícios comerciais, os transformadores imersos em óleo de 10kV desempenham um papel crucial na transformação de tensão e na distribuição de energia.

À medida que os padrões de eficiência energética para equipamentos de distribuição continuam a aumentar, os transformadores tradicionais das séries S9 e S11 – devido às suas perdas relativamente mais elevadas – são cada vez mais incapazes de satisfazer os requisitos de poupança de energia de determinados projetos. Em contraste, a série S13 oferece maior eficiência operacional e confiabilidade do equipamento por meio de estruturas centrais otimizadas, aplicação de materiais avançados e projetos totalmente vedados; conseqüentemente, tornou-se um modelo preferido para substituição e modernização de transformadores de distribuição de 10kV.

Este artigo descreve as designações do modelo, características estruturais, principais parâmetros de desempenho e cenários de aplicação prática dos transformadores trifásicos imersos em óleo da série S13, servindo como referência para seleção, aquisição, operação e manutenção.

I. Designação do modelo: Decifrando o “Código de Identidade” S13

As designações dos modelos de transformadores de distribuição normalmente consistem em uma combinação de letras e números, com símbolos específicos que representam a estrutura do produto, classe de desempenho e parâmetros nominais. Tomando como exemplo o modelo comum S13-M.RL-500/10, a repartição é a seguinte:

Assim, S13-M.RL-500/10 designa um transformador de distribuição trifásico imerso em óleo com capacidade nominal de 500 kVA e classe de tensão de 10 kV, apresentando estrutura de núcleo enrolado tridimensional totalmente vedado.

Notavelmente, o “M” significa uma estrutura totalmente vedada, que é uma característica chave do design da série S13.

Os transformadores imersos em óleo tradicionais são normalmente equipados com um conservador de óleo; o óleo do transformador interage com o ar para acomodar mudanças de volume causadas por flutuações de temperatura. No entanto, durante a operação de longo prazo, a umidade e o oxigênio do ar podem causar o envelhecimento gradual do óleo do transformador, comprometendo assim o desempenho do isolamento.

A estrutura totalmente vedada elimina o conservador de óleo, utilizando em vez disso a expansão e contração do próprio tanque corrugado para compensar as alterações no volume de óleo. Isto isola o óleo do transformador da atmosfera externa, reduzindo os riscos de degradação do óleo e absorção de umidade, e melhorando a estabilidade do equipamento durante a operação a longo prazo.

II. Principais recursos técnicos da série S13

Notavelmente, o “M” significa uma estrutura totalmente vedada, que é uma característica chave do design da série S13. Os transformadores imersos em óleo tradicionais são normalmente equipados com um conservador de óleo; o óleo do transformador interage com o ar para acomodar mudanças de volume causadas por flutuações de temperatura. No entanto, durante a operação de longo prazo, a umidade e o oxigênio do ar podem causar o envelhecimento gradual do óleo do transformador, comprometendo assim o desempenho do isolamento.

A estrutura totalmente vedada elimina o conservador de óleo, utilizando em vez disso a expansão e contração do próprio tanque corrugado para compensar as alterações no volume de óleo. Isto isola o óleo do transformador da atmosfera externa, reduzindo os riscos de degradação do óleo e absorção de umidade, e melhorando a estabilidade do equipamento durante a operação a longo prazo.

1. Perda sem carga reduzida e economia operacional melhorada

Durante a operação do transformador, o núcleo de ferro gera uma certa perda mesmo quando não há carga; isso é conhecido como perda sem carga. Como os transformadores de distribuição normalmente permanecem energizados por longos períodos, a redução das perdas sem carga é crucial para minimizar o consumo anual de energia.

A série S13 atinge menores perdas sem carga em comparação com a série S11 por meio de materiais de núcleo e processos de fabricação otimizados.

Esses produtos normalmente utilizam chapas de aço silício de grão orientado laminadas a frio de alta qualidade para o núcleo e empregam configurações de junta otimizadas para minimizar a perda de fluxo magnético. Alguns modelos de alto desempenho utilizam aço silício de alta permeabilidade para melhorar ainda mais as propriedades magnéticas.

Além disso, o processo de fabricação do núcleo emprega uma estrutura de junta totalmente esquadrada de 45°, o que minimiza as variações de relutância magnética no circuito magnético e reduz as perdas de ferro durante a operação.

Em relação aos materiais condutores, a série S13 geralmente utiliza fio de cobre de alta condutividade para enrolamentos para reduzir perdas resistivas sob carga e melhorar a eficiência operacional geral.

Tomando como exemplo uma unidade de 10kV e 500kVA, a série S13 apresenta perdas sem carga mais baixas do que os modelos S11 tradicionais, reduzindo assim o desperdício de energia durante a operação a longo prazo.

2. Aplicação da estrutura tridimensional do núcleo da ferida

Certos modelos da série S13 apresentam uma estrutura de núcleo enrolado tridimensional (tipo RL), representando uma tendência significativa na otimização estrutural de transformadores de distribuição nos últimos anos.

Ao contrário dos núcleos empilhados tradicionais, o núcleo enrolado tridimensional é formado através de um processo de enrolamento contínuo para criar um circuito magnético trifásico fechado. Os três membros centrais estão dispostos em uma configuração tridimensional, resultando em um circuito magnético trifásico mais equilibrado. Essa estrutura oferece os seguintes recursos principais:

· Simetria aprimorada do circuito magnético: A relutância magnética nas três fases é essencialmente uniforme, ajudando a reduzir a corrente de excitação;

·Perdas sem carga reduzidas: As perdas de fluxo magnético são minimizadas, melhorando a eficiência de utilização do núcleo;

· Menor ruído operacional: Os efeitos de magnetostrição reduzidos resultam em uma operação mais silenciosa e suave;

·Alta resistência estrutural: A estrutura central integrada aumenta a estabilidade mecânica.

Os produtos com design de núcleo enrolado tridimensional oferecem vantagens distintas para locais com requisitos rigorosos de controle de ruído, como áreas residenciais e edifícios comerciais.

3. Estrutura totalmente selada para maior confiabilidade operacional

O design totalmente vedado é uma característica fundamental que distingue os transformadores da série S13-M dos modelos tradicionais imersos em óleo.

Os transformadores imersos em óleo convencionais normalmente utilizam uma estrutura de conservador de óleo (tanque de expansão), onde o nível de óleo flutua para acomodar mudanças de volume induzidas pela temperatura. No entanto, durante a operação a longo prazo, a umidade, o oxigênio e as impurezas do ar podem entrar no óleo, acelerando o envelhecimento do óleo isolante e comprometendo o desempenho do isolamento do transformador.

A série S13-M emprega uma estrutura totalmente vedada com tanque corrugado, eliminando a necessidade de um conservador de óleo tradicional. À medida que a temperatura operacional muda, as paredes corrugadas do tanque se expandem e contraem para compensar as variações no volume de óleo, garantindo que o óleo interno permaneça completamente isolado do ambiente externo.

Esta estrutura oferece várias vantagens importantes:

·Minimiza o contato entre o óleo do transformador e o ar, diminuindo a taxa de oxidação do óleo;

·Reduz o risco de entrada de umidade, que poderia degradar o desempenho do isolamento;

·Reduz a necessidade de tarefas de manutenção de rotina, como reposição ou reposição de óleo;

·Adequado para ambientes externos e cenários que exigem operação contínua e de longo prazo.

Para equipamentos de distribuição instalados em locais dispersos ou áreas com acesso limitado para manutenção – como redes elétricas rurais, subestações externas do tipo caixa e sistemas de distribuição de parques industriais – a estrutura totalmente vedada ajuda a aliviar a carga de operação e manutenção contínuas.

4. Alta capacidade de resistência a curto-circuito

Durante a operação real, os transformadores de distribuição podem estar sujeitos a condições anormais, como falhas na linha ou curtos-circuitos externos. Quando ocorre um curto-circuito, os enrolamentos estão sujeitos a forças eletromagnéticas significativas; portanto, o projeto estrutural do transformador deve possuir resistência mecânica suficiente.

A série S13-M.RL utiliza uma estrutura de núcleo enrolado tridimensional, proporcionando alta rigidez geral para o conjunto do transformador. Os enrolamentos normalmente apresentam uma estrutura cilíndrica com bobinas concêntricas de alta e baixa tensão, permitindo uma distribuição mais uniforme das forças eletromagnéticas axiais e radiais geradas pelas correntes de curto-circuito.

Enquanto isso, a montagem interna é fixada por meio de braçadeiras, tirantes e estruturas de suporte isolantes para aumentar a estabilidade mecânica geral, melhorando assim a capacidade do transformador de suportar o impacto de curtos-circuitos repentinos.

Deve-se notar que a capacidade de suportar curto-circuito de um transformador depende não apenas da estrutura do núcleo, mas também do projeto do enrolamento, dos processos de fabricação, dos materiais de isolamento e da qualidade da montagem; portanto, avaliações abrangentes baseadas em dados de testes de tipo do fabricante devem ser realizadas durante a seleção real do projeto

III. Parâmetros de Desempenho Técnico

A série S13 de transformadores trifásicos imersos em óleo de 10 kV oferece uma ampla faixa de capacidade, cobrindo as classificações de capacidade padrão comumente usadas em sistemas gerais de distribuição de energia. A seguir estão alguns parâmetros típicos para a série S13-M.RL:

Especificações Técnicas Gerais

Os transformadores de distribuição de 10kV da série S13 geralmente atendem aos seguintes requisitos técnicos básicos:

* Frequência nominal: 50Hz

*Classe de tensão nominal: 10kV / 0,4kV

* Método de resfriamento: ONAN (resfriamento natural imerso em óleo)

*Classe de isolamento: isolamento Classe A

*Faixa de rosqueamento HV: ±5% ou ±2×2,5%

*Grupo de vetores: Dyn11 ou Yyn0

Entre estes, o grupo vetorial Dyn11 é amplamente utilizado na distribuição de energia urbana e em aplicações de carga industrial porque o enrolamento conectado em delta permite que as correntes de terceiro harmônico circulem internamente, ajudando assim a mitigar o impacto dos harmônicos no sistema de fornecimento de energia.

4. Requisitos de grau de eficiência energética

Os transformadores de distribuição são equipamentos projetados para operação de longo prazo e seus níveis de perdas afetam diretamente os custos operacionais da rede. Portanto, as normas nacionais estabeleceram requisitos claros para os indicadores de eficiência energética dos transformadores. De acordo com os valores mínimos permitidos padrão de eficiência energética e graus de eficiência energética para transformadores de potência (GB 20052-2020), as métricas de perda da série S13 atendem aos requisitos de eficiência energética relevantes, tornando-os transformadores de distribuição de economia de energia amplamente utilizados no mercado atual.

Deve-se notar que o padrão GB 20052 foi atualizado. GB 20052-2024 entrará em vigor em 1º de fevereiro de 2025; com base na versão anterior, ele refina ainda mais os requisitos de eficiência energética para transformadores em novos cenários de aplicação de energia, incluindo equipamentos para energia fotovoltaica (PV), energia eólica e sistemas de armazenamento de energia.

Para projetos de distribuição padrão de 10kV, a série S13 atende às necessidades convencionais de economia de energia. No entanto, para projetos com requisitos de consumo de energia mais rigorosos – como edifícios verdes, centros de dados de grande escala e novas centrais energéticas – produtos com graus de eficiência energética mais elevados (por exemplo, as séries S20 ou S22) podem ser considerados, dependendo dos orçamentos de investimento e dos ciclos de vida operacionais.

V. Cenários de Aplicação

Os transformadores trifásicos imersos em óleo da série S13 são usados ​​principalmente em sistemas de distribuição CA de 50 Hz classificados em 10 kV ou menos. Eles são adequados para aplicações que exigem alta confiabilidade operacional, baixos níveis de perdas e facilidade de manutenção.

Deve-se notar que novos projetos de energia envolvem frequentemente condições operacionais mais complexas para transformadores. Além das métricas de capacidade e perda, fatores como níveis harmônicos, flutuações de carga e requisitos de conexão à rede devem ser considerados. Portanto, para aplicações como energia fotovoltaica e armazenamento de energia, os produtos adequados devem ser selecionados com base nos requisitos técnicos específicos do projeto. VI. Análise Econômica Comparativa: Série S13 vs. Série S11

Ao selecionar transformadores de distribuição, a escolha entre as séries S13 e S11 depende não apenas do preço de compra inicial, mas também de uma avaliação abrangente das perdas de energia e dos custos de manutenção a longo prazo.

Em comparação com a série S11, a série S13 alcança reduções adicionais nas perdas sem carga e com carga através de materiais de núcleo e processos de fabricação otimizados. Como os transformadores de distribuição normalmente operam continuamente durante longos períodos, as perdas sem carga persistem mesmo durante condições de baixa carga; portanto, minimizar essas perdas é praticamente significativo para aumentar a eficiência econômica do ciclo de vida do equipamento.

Tomando como exemplo um transformador de 10kV e 500kVA, a tabela a seguir compara os custos operacionais dos dois produtos com base na suposição de 8.000 horas de operação anuais e um preço de eletricidade de 0,8 RMB/kWh:

Os cálculos acima demonstram que, em condições de funcionamento a longo prazo, a série S13 reduz os custos de eletricidade ao minimizar as perdas de energia. Para projetos que envolvem tempos de funcionamento prolongados e cargas estáveis, as poupanças decorrentes da eficiência energética podem normalmente compensar o investimento inicial mais elevado ao longo do tempo.

Deve-se notar que o período de retorno real depende de fatores como preço de compra do equipamento, tarifas locais de eletricidade, fator de carga e duração de operação; portanto, recomenda-se uma avaliação abrangente baseada em condições operacionais específicas durante o processo de seleção.

Perguntas frequentes (FAQ)

Q1: Quais são as principais diferenças entre a série S13 e a série S11?

A principal melhoria da série S13 em relação à série S11 reside no controle de perdas. Ao otimizar os materiais principais e os processos de fabricação, a série S13 reduz ainda mais as perdas sem carga, melhorando assim a eficiência econômica durante a operação de longo prazo. A taxa específica de redução de perdas depende da capacidade do produto, do projeto estrutural e das especificações técnicas do fabricante.

Q2: Qual é a diferença entre o S13-M e o S13-M.RL?

O S13-M apresenta estrutura totalmente vedada; sua principal característica é a eliminação do conservador de óleo, isolando assim o óleo do transformador do ar externo.

Com base nisso, o S13-M.RL incorpora uma estrutura central enrolada em 3D. Este projeto otimiza o circuito magnético para reduzir ainda mais as perdas e o ruído operacional, ao mesmo tempo que melhora a estabilidade estrutural.

Q3: Quais padrões de eficiência energética a série S13 atende?

A série S13 atende aos requisitos estabelecidos nos 'Valores mínimos permitidos de eficiência energética e graus de eficiência energética para transformadores de potência'. Com a implementação da norma GB 20052-2024, os requisitos de eficiência energética para transformadores de distribuição foram aumentados; portanto, os produtos com o grau de eficiência energética apropriado devem ser selecionados com base nos requisitos específicos do projeto.

Q4: Em quais aplicações a série S13 é usada principalmente?

A série S13 é usada principalmente em sistemas de distribuição classificados em 10 kV e abaixo, incluindo redes elétricas urbanas e rurais, complexos residenciais, edifícios comerciais, empreendimentos industriais e certos projetos de apoio para novas energias.

Q5: Um transformador totalmente selado é totalmente livre de manutenção?

A estrutura totalmente vedada minimiza o contato entre o óleo do transformador e o ar, reduzindo assim os riscos de degradação do óleo e absorção de umidade, o que, por sua vez, diminui a carga de trabalho para manutenção de rotina. No entanto, o equipamento ainda requer inspeções regulares e testes periódicos de acordo com as normas relevantes para garantir uma operação segura e de longo prazo.