De ce se folosește ulei în transformatoarele imersate de 11 kV? Rolurile cheie explicate

În rețelele globale de distribuție a energiei, 11kVtransformatoare cu scufundare în uleisunt echipamentele dominante de transformare a puterii. Acestea sunt implementate pe scară largă în rețelele de distribuție urbane, parcuri industriale, integrarea rețelelor fotovoltaice și eoliene, electrificarea rurală și proiectele EPC de peste mări. Mulți cumpărători, ingineri electrici și proprietari de proiecte continuă să pună o întrebare fundamentală, dar critică: de ce astfel de transformatoare de medie tensiune sunt umplute cu ulei izolator în loc de aer sau alte materiale izolante solide?
Uleiul izolator nu este doar un simplu mediu de umplere. Este un material funcțional indispensabil în interiorul 11kVtransformatoare cu scufundare în ulei, care determină direct capacitatea de disipare a căldurii, performanța izolației, durata de viață a echipamentului și stabilitatea operațională. Transformatoarele de tip uscat se bazează pe aer și rășini epoxidice pentru izolație, în timp ce transformatoarele cu scufundare în ulei adoptă ulei izolator mineral (sau ulei de ester sintetic) pentru a realiza mai multe funcții simultan. Acest articol detaliază rolurile de bază ale uleiului izolator în transformatoarele cu scufundare în ulei de 11 kV, compară avantajele și limitările soluțiilor cu scufundare în ulei, introduce tipuri comune de ulei izolator, criterii de acceptare a calității și linii directoare de întreținere. Oferă referințe tehnice profesionale pentru vizitatori pe site-uri web independente, ajutând specialiștii în putere să emită judecăți solide în timpul selecției proiectelor, acceptării echipamentelor și întreținerii zilnice.

În interiorul unui transformator de 11 kV, există părți sub tensiune, cum ar fi înfășurări de înaltă tensiune, înfășurări de joasă tensiune și miez de fier, precum și componente legate la pământ. Este necesară izolarea fiabilă între componente pentru a preveni defecțiunile și scurtcircuitul. Aerul are capacitate de izolare limitată și este predispus la descărcări electrice în spații înguste, în câmpuri electrice mari și în condiții de umiditate. Uleiul izolator pentru transformator are rezistență dielectrică ridicată. Umple toate golurile minuscule dintre miezul de fier și înfășurări, elimină complet aerul, izolează eficient înfășurările de înaltă tensiune de înfășurările de joasă tensiune și separă înfășurările de miezul de fier împământat și carcasa rezervorului de ulei.
Atunci când transformatorul rezistă la tensiunea de frecvență a puterii și la tensiunea impulsului fulgerului, uleiul izolator suprimă concentrația locală a câmpului electric și reduce riscurile de descărcare parțială. Conform IEC 60156, uleiul izolator mineral calificat trebuie să atingă un nivel specificat al tensiunii de avarie pentru a asigura funcționarea în siguranță în condiții de tensiune nominală și supratensiune temporară. Dacă uleiul izolator devine umed, contaminat sau îmbătrânit, tensiunea de defectare a acestuia va scădea rapid, iar riscul de deteriorare a izolației interne crește brusc. Acesta este motivul fundamental pentru care transformatoarele cu scufundare în ulei au nevoie de teste regulate de rezistență la ulei.

În timpul funcționării transformatorului, pierderea prin histerezis și pierderea curenților turbionari a miezului de fier împreună cu pierderea sarcinii înfășurării generează în mod continuu căldură. Temperatura ridicată este cauza principală a îmbătrânirii izolației solide. Dacă căldura nu poate fi disipată la timp, izolația înfășurării se va deteriora rapid, scurtând durata de viață a transformatorului și chiar ducând la arderea echipamentului în cazuri severe.
Uleiul izolator are o conductivitate termică favorabilă și formează circulație internă prin circulație naturală a uleiului (ONAN) sau răcire forțată cu aer (ONAF). Uleiul izolator încălzit lângă miezul de fier și înfășurările are o densitate mai mică și curge în sus. Căldura este transferată către peretele rezervorului și calorifere, în timp ce uleiul răcit curge înapoi în jos pentru a îndepărta în mod continuu căldura de la sursele de căldură. Acest sistem de răcire cu circulație a uleiului are o structură simplă și o eficiență ridicată a schimbului de căldură. În comparație cu răcirea cu aer, răcirea cu ulei poate suporta o capacitate mai mare într-o amprentă mai mică, care este un motiv cheie pentru care transformatoarele de distribuție de mare capacitate preferă designul cu scufundare în ulei.

Izolația din hârtie înfășurată în jurul înfășurărilor transformatorului este material organic. Se va oxida treptat și va deveni fragil la temperaturi ridicate și la expunerea la oxigen, pierzând capacitatea de izolare. După ce rezervorul de ulei este umplut cu ulei izolator, oxigenul și umiditatea pot fi izolate pentru a proteja izolația hârtiei de înfășurare. Uleiul izolator poate dizolva o cantitate mică de oxigen, poate reduce reacțiile de oxidare ale izolației hârtiei, poate încetini îmbătrânirea întregului sistem de izolație și poate prelungi durata de viață generală a transformatorului.
Între timp, uleiul izolator acoperă componentele metalice și reduce riscul de coroziune oxidativă pe suprafețele metalice ale miezului de fier și înfășurărilor. Trebuie remarcat faptul că acest efect protector nu este permanent. În timpul funcționării pe termen lung, uleiul izolator se oxidează lent și produce acizi organici și nămol de ulei. Nămolul de ulei aderă la înfășurări și suprafețele radiatoarelor, împiedicând disiparea căldurii și accelerând în continuare degradarea echipamentului. Prin urmare, transformatoarele cu scufundare în ulei necesită detectarea regulată a valorii acidului și a conținutului de umiditate. Filtrarea uleiului sau înlocuirea uleiului este necesară atunci când este necesar.

O altă valoare cheie a uleiului izolator, ușor de trecut cu vederea, este servirea ca mediu pentru diagnosticarea defecțiunilor. Atunci când în interiorul transformatorului apar defecțiuni latente, cum ar fi supraîncălzirea locală, arcuri electrice și descărcări rotative, temperatura ridicată declanșează descompunerea termică a uleiului izolator și generează gaze caracteristice, inclusiv hidrogen, metan și acetilenă. Aceste gaze se dizolvă în uleiul izolator. Tehnicienii de întreținere efectuează analiza gazelor dizolvate (DGA) prin colectarea de probe de ulei pentru a testa compoziția și concentrația gazelor dizolvate. Pericolele latente pot fi identificate înainte ca defecțiunile să se transforme în accidente grave de scurtcircuit.
Acesta este un avantaj unic de diagnosticare al transformatoarelor cu scufundare în ulei. Transformatoarele de tip uscat permit cu greu prelevarea pentru a obține caracteristici interne de defecțiune. În schimb, transformatoarele cu scufundare în ulei realizează avertizare timpurie de defecțiuni non-intruzive bazându-se pe uleiul izolator, reducând considerabil riscurile de întreruperi bruște de curent și de deteriorare a echipamentului. Releul Buchholz acționează și asupra amestecurilor ulei-gaz generate de defecțiuni pentru a declanșa alarme sau protecție la declanșare, iar acest mecanism de protecție este construit pe sistemul de ulei izolator.

Ulei izolator mineral: tipul cel mai utilizat pe piață, cu costuri moderate și performanțe dielectrice și termice stabile, în conformitate cu IEC 60296. Majoritatea transformatoarelor de distribuție convenționale de 11 kV folosesc ulei mineral. Dezavantajul său este inflamabilitatea. Schemele de protecție împotriva incendiilor sunt necesare atunci când sunt utilizate în încăperi închise și zone dens populate.
Ulei de ester sintetic și ulei de ester natural: uleiuri izolatoare biodegradabile ecologice cu punct de aprindere ridicat și risc scăzut de incendiu. Scurgerile cauzează mai puțină poluare a solului și a corpurilor de apă. Sunt utilizate pe scară largă în încăperile urbane de distribuție a energiei subterane, cartierele rezidențiale, zonele de protecție a surselor de apă și alte proiecte cu cerințe stricte de siguranță la incendiu și de mediu. Dezavantajul este costul de achiziție mai mare în comparație cu uleiul mineral.
Selecția va fi determinată cuprinzător pe baza mediului de instalare, a codurilor de incendiu, a standardelor locale de rețea și a bugetului proiectului.

Adoptarea uleiului izolant are și dezavantaje. Există riscul de scurgere de ulei izolator, care poate fi cauzat de îmbătrânirea sudurilor rezervorului și a garniturilor de etanșare. Uleiul mineral este inflamabil și trebuie prevăzute măsuri de protecție împotriva incendiilor. Uleiul izolator se degradează în timp și testarea regulată a calității uleiului este obligatorie.
Sarcinile cheie de întreținere zilnică includ monitorizarea nivelului de ulei și verificarea scurgerilor din rezervor; prelevare regulată de ulei pentru testele de tensiune de defecțiune, umiditate, aciditate și DGA; menținerea radiatoarelor curate pentru a garanta circulația căldurii; menținerea ventilației pentru a minimiza pătrunderea umidității în rezervor. Cu întreținere standardizată, 11kVtransformatoare cu scufundare în uleipoate funcționa stabil timp de zeci de ani.

În concluzie, uleiul izolator îndeplinește patru funcții de bază la 11kVtransformatoare cu scufundare în ulei: acționează ca mediu de izolație de înaltă tensiune, circulă și elimină căldura, protejează izolația solidă internă împotriva îmbătrânirii și servește ca mediu pentru detectarea defecțiunilor interne latente. Combinate, aceste patru avantaje fac din transformatoarele cu scufundare în ulei opțiunea principală pentru aplicațiile globale de distribuție de 11 kV datorită fiabilității ridicate, disipării excelente a căldurii și costurilor avantajoase.
Cu toate acestea, performanța uleiului izolator se deteriorează odată cu timpul de funcționare, temperatura și umiditatea mediului ambiant și nivelul de contaminare. Practicienii din proiectele energetice trebuie să înțeleagă principiul de funcționare al uleiului izolator și să acorde importanță testării periodice a calității uleiului, astfel încât să utilizeze pe deplin avantajele de performanță ale transformatoarelor cu scufundare în ulei și să asigure o alimentare stabilă pe termen lung a rețelelor de distribuție.