Como o transformador imerso em óleo atinge tensão de ruptura de 60kV por meio de enchimento a vácuo?

Dados da indústria indicam que aproximadamente 30% das falhas prematuras de transformadores são diretamente atribuíveis à umidade excessiva e ao teor de gás no óleo isolante. Um aumento de umidade de apenas 15 partes por milhão (ppm) pode reduzir a tensão de ruptura do óleo do transformador de 60kV para menos de 30kV. Esta redução dramática na rigidez dielétrica ressalta a importância crítica do processo de enchimento a vácuo na fabricação de transformadores. Por umtransformador imerso em óleoavaliado em 33kV ou superior, atingir e manter uma tensão de ruptura de 60kV não é uma meta de qualidade – é um requisito fundamental para uma operação confiável durante a vida útil de 30 a 40 anos do transformador.

Este artigo fornece uma análise técnica sistemática de como os transformadores imersos em óleo atingem uma tensão de ruptura de 60kV através do enchimento a vácuo. A discussão abrange quatro etapas essenciais do processo: pré-tratamento do óleo e verificação de qualidade, secagem a vácuo do núcleo e isolamento do enrolamento, processo de enchimento a vácuo com parâmetros controlados e testes pós-enchimento de acordo com os padrões IEC e ASTM. Cada estágio é examinado com referência a parâmetros específicos do processo, requisitos de equipamentos e pontos de verificação de controle de qualidade. O artigo também aborda modos de falha comuns e fornece uma estrutura prática de controle de qualidade para fabricantes de transformadores e usuários finais.

Índice

• 1. Pré-tratamento de óleo e padrões de qualidade
• 2. Secagem a vácuo do núcleo e enrolamento do transformador
• 3. Parâmetros do processo de enchimento a vácuo
• 4. Teste de óleo e verificação de tensão de ruptura
• 5. Modos de falha comuns e pontos de controle de qualidade
• 6. Perguntas frequentes (FAQ)
• 7. Conclusão

1. Pré-tratamento de óleo e padrões de qualidade

A jornada para atingir uma tensão de ruptura de 60kV começa com o pré-tratamento do óleo do transformador antes de ele entrar no tanque do transformador. Mesmo o óleo de transformador novo e refinado normalmente contém umidade dissolvida, gases e contaminantes particulados que devem ser removidos para atingir a rigidez dielétrica necessária. O processo de pré-tratamento é conduzido em uma planta dedicada de processamento de petróleo, que inclui sistemas de aquecimento, unidades de desidratação a vácuo e equipamentos de filtragem de vários estágios. Os seguintes parâmetros devem ser verificados antes que o óleo seja considerado adequado para enchimento do transformador:

• Tensão de ruptura (BDV):≥ 60kV (medido de acordo com IEC 60156)
• Conteúdo de umidade:≤ 10 ppm (medido por titulação Karl Fischer)
• Conteúdo de gás dissolvido (DGA):≤ 0,5% em volume (medido por cromatografia gasosa)
• Fator de Dissipação (tan δ):≤ 0,001 a 90°C (medido de acordo com IEC 60247)
• Contagem de partículas:≤ 500 partículas por 100mL (tamanho ≥ 5μm)
• Resistividade:≥ 10¹² Ω·cm a 90°C

O processo de purificação do óleo segue uma sequência de três estágios. A primeira etapa é o aquecimento: o óleo é aquecido a 60-70°C para reduzir a viscosidade e facilitar a liberação de gases dissolvidos e umidade. A segunda etapa é a desidratação a vácuo: o óleo aquecido é introduzido em uma câmara de vácuo operando a 0,1-0,5 mbar. Sob este vácuo, o ponto de ebulição da água é reduzido, fazendo com que a umidade evapore e seja retirada pela bomba de vácuo. O tempo típico de desidratação é de 4 a 8 horas, dependendo do volume do óleo e do teor de umidade inicial. A terceira etapa é a filtração: o óleo desidratado passa por uma série de filtros com classificações de 5μm e 1μm para remover contaminantes particulados. O óleo processado é então recirculado através do sistema até que todos os parâmetros especificados sejam alcançados.

A tabela a seguir resume os parâmetros de pré-tratamento e os critérios de aceitação correspondentes.

NoLugao Power Co., Ltd., mantemos uma instalação dedicada de processamento de óleo equipada com um tanque de óleo de 10.000 litros, uma unidade de desidratação a vácuo de 300 L/min e um sistema de filtragem de circuito fechado com filtros absolutos de 1μm. Cada lote de óleo processado é amostrado e testado antes de ser aprovado para enchimento do transformador. Os resultados dos testes são documentados em um certificado de lote que acompanha o transformador durante toda a sua vida útil. Este rigoroso protocolo de pré-tratamento garante que o óleo que entra no transformador atenda aos mesmos padrões de qualidade que o óleo que será testado após o enchimento, estabelecendo a base para atingir a tensão de ruptura de 60kV.

2. Secagem a vácuo do núcleo e enrolamento do transformador

O isolamento do transformador é composto principalmente de materiais à base de celulose – papel, cartão e madeira – que são inerentemente higroscópicos. Sob condições atmosféricas normais, estes materiais podem absorver até 8% de umidade em peso. Quando um transformador é energizado, o isolamento aquece e qualquer umidade presente vaporiza, reduzindo a rigidez dielétrica tanto do isolamento sólido quanto do óleo circundante. A secagem a vácuo é o processo de remoção dessa umidade do sistema de isolamento antes que o transformador seja abastecido com óleo. O processo de secagem é crítico porque mesmo depois de o óleo ser purificado, a umidade retida no isolamento irá infiltrar-se no óleo ao longo do tempo, reduzindo a tensão de ruptura.

O processo de secagem a vácuo normalmente envolve as seguintes etapas. Primeiro, o transformador é colocado em uma estufa de secagem ou aquecido pela circulação de óleo quente pelo sistema de refrigeração. O núcleo e o enrolamento são aquecidos a 85-105°C para acelerar a liberação de umidade. O tanque do transformador é então evacuado usando uma bomba de vácuo para reduzir a pressão para 0,1-0,5 mbar. Sob este vácuo, o ponto de ebulição da água é reduzido para aproximadamente 40-50°C, permitindo que a umidade do isolamento evapore. A umidade evaporada é retirada do tanque pela bomba de vácuo. O processo de secagem continua até que o teor de umidade do isolamento caia abaixo de 0,5% em peso.

O ponto final da secagem é determinado por um dos dois métodos:

• Método de aumento de pressão:A bomba de vácuo é isolada do tanque do transformador e a taxa de aumento de pressão é medida durante um período definido. Se a taxa de aumento de pressão for inferior a 0,1 mbar por hora durante um período de 4 horas, a secagem é considerada completa.
• Método do Ponto de Orvalho:O ponto de orvalho do gás evacuado do transformador é monitorado continuamente. Quando o ponto de orvalho cai abaixo de -40°C, a secagem é considerada completa.

A duração do processo de secagem a vácuo varia dependendo do tamanho do transformador, do tipo de isolamento e das condições ambientais. Para um transformador típico de 10 MVA, o processo de secagem pode levar de 48 a 72 horas. Para transformadores de potência maiores, o processo pode se estender por vários dias. A tabela a seguir fornece parâmetros de secagem típicos para diferentes classes de transformadores.

Na Lugao, usamos uma combinação de secagem térmica a vácuo e circulação de óleo quente para obter a remoção de umidade necessária. O transformador é aquecido pela circulação de óleo quente através do sistema de refrigeração, enquanto o tanque é simultaneamente evacuado. Este método proporciona aquecimento uniforme e acelera o processo de secagem. Após a conclusão do ciclo de secagem, o transformador é mantido sob vácuo até o início do processo de enchimento de óleo, evitando a reabsorção da umidade da atmosfera. Esta abordagem garante que o teor de umidade do isolamento seja mantido abaixo do limite de 0,5%, o que é essencial para atingir e manter uma tensão de ruptura de 60kV.

3. Parâmetros do processo de enchimento a vácuo

Depois que o núcleo e o enrolamento do transformador estiverem secos até atingir o teor de umidade necessário, o processo de enchimento de óleo começa. Esta é a etapa mais crítica da fabricação do transformador, pois qualquer erro nesta etapa pode comprometer a rigidez dielétrica do sistema de isolamento. O processo de enchimento a vácuo é conduzido enquanto o tanque do transformador é mantido sob vácuo. O óleo purificado é introduzido no fundo do tanque e sobe lentamente, deslocando o vácuo. Os parâmetros do processo devem ser cuidadosamente controlados para evitar a formação de bolhas, garantir a penetração completa do isolamento e evitar danos aos enrolamentos.

Os principais parâmetros do processo para enchimento a vácuo são os seguintes:

• Nível de vácuo de pré-preenchimento:0,1-0,5 mbar, mantido por pelo menos 2 horas após a conclusão do ciclo de secagem.
• Temperatura do óleo no enchimento:60-70°C, mantido para garantir baixa viscosidade e boas características de fluxo.
• Velocidade de enchimento:≤ 300 L/h (para transformadores pequenos e médios; transformadores maiores podem usar vazões proporcionalmente mais altas, mas não devem exceder a taxa na qual o óleo pode penetrar no isolamento).
• Pressão de enchimento:No fundo do tanque, uma leve pressão positiva (0,1-0,2 bar) é aplicada para garantir que o óleo seja forçado para dentro dos enrolamentos.
• Vácuo durante o enchimento:O vácuo é mantido durante o processo de enchimento para remover quaisquer gases que possam ser liberados do óleo ou do isolamento.
• Assentamento Pós-Preenchimento:Depois que o tanque estiver cheio, o transformador é deixado em repouso por 12 a 24 horas sob vácuo ou sob pressão positiva de nitrogênio seco para permitir que quaisquer bolhas de gás restantes escapem.

A velocidade de enchimento é particularmente crítica. Se o óleo for introduzido muito rapidamente, a turbulência pode criar bolhas e o óleo pode não penetrar totalmente no isolamento. Se o óleo for introduzido muito lentamente, o processo torna-se ineficiente. A velocidade de enchimento é normalmente controlada ajustando a vazão da bomba de óleo ou usando uma válvula redutora de pressão. Para transformadores grandes, o processo de enchimento pode ser realizado em etapas, com pausas para permitir que o óleo penetre no isolamento antes do início da próxima etapa. A tabela a seguir fornece velocidades de enchimento recomendadas para diferentes capacidades de transformadores.

Após a conclusão do enchimento, o transformador é normalmente aquecido a 50-60°C usando o sistema de resfriamento para aumentar a capacidade do óleo de absorver gás residual e umidade. O transformador é então submetido a um tratamento final a vácuo, conhecido como “desgaseificação final”, para remover quaisquer gases que possam ter sido absorvidos pelo óleo. Esta etapa final garante que a tensão de ruptura do óleo permaneça no nível alvo de 60kV ou superior. Na Lugao Power Co., Ltd., mantemos registros detalhados de todos os parâmetros do processo para cada transformador, incluindo registros com registro de data e hora de níveis de vácuo, temperaturas e vazões. Esses registros fazem parte da documentação de qualidade do transformador e são mantidos durante a vida útil do equipamento.

4. Teste de óleo e verificação de tensão de ruptura

Após o transformador ter sido abastecido com óleo e deixado assentar, o sistema de isolamento deve ser testado para verificar se atende às especificações de tensão de ruptura exigidas. O teste primário é o teste de tensão de ruptura do óleo, realizado de acordo com IEC 60156 ou ASTM D1816. Este teste envolve a aplicação de uma tensão a uma amostra do óleo do transformador a uma taxa controlada até que o óleo se quebre. O teste é realizado em múltiplas amostras para garantir que o resultado seja repetível. Além do teste de óleo, todo o sistema de isolamento do transformador é submetido a testes dielétricos para verificar sua integridade.

O teste de tensão de ruptura do óleo é realizado utilizando uma célula de teste padrão, que consiste em dois eletrodos separados por uma folga de 2,5 mm. A tensão de teste é aplicada a uma taxa de 2 kV/s. O teste é realizado em seis amostras de óleo. Os resultados do primeiro teste são descartados e a média dos cinco testes restantes é calculada. O valor médio deve ser ≥ 60kV. Se o valor médio for inferior a 60kV, considera-se que o óleo falhou no teste. O procedimento de teste e os critérios de aceitação estão resumidos na tabela a seguir:

Além do teste de quebra de óleo, o transformador é submetido aos seguintes testes dielétricos para verificar a integridade de todo o sistema de isolamento:

• Teste de resistência à frequência de energia:O transformador é submetido a uma tensão 2 a 3 vezes maior que a tensão nominal por 60 segundos. Nenhuma avaria ou descarga parcial é permitida.
• Teste de sobretensão induzida:O transformador é submetido a uma frequência de 100-400 Hz a uma tensão de 2 vezes a tensão nominal por 60 segundos. Não é permitida nenhuma quebra ou deformação visível do isolamento.
• Teste de descarga parcial:O transformador é testado para descarga parcial a uma tensão de 1,1 vezes a tensão nominal. O nível de descarga parcial é medido e deve estar abaixo do limite especificado (normalmente 20-50 pC para transformadores a óleo).
• Teste Tan Delta:O fator de dissipação do sistema de isolamento é medido a 90°C. O valor deve estar dentro dos limites especificados na IEC 60076.

Na Lugao Power Co., Ltd., realizamos esses testes em todos os transformadores antes de serem enviados. Os resultados dos testes são documentados em um relatório de teste abrangente que acompanha o transformador. O teste de tensão de ruptura do óleo é realizado em amostras de óleo retiradas do tanque do transformador após o processo de enchimento e sedimentação. Isto garante que o óleo no transformador seja o mesmo óleo que foi testado. Se o óleo falhar no teste de tensão de ruptura, todo o processo será repetido até que o óleo atenda às especificações. Este rigoroso regime de testes garante que nosso transformador imerso em óleo atenda aos mais altos padrões de qualidade e confiabilidade.

5. Modos de falha comuns e pontos de controle de qualidade

Apesar dos rigorosos controles de processo descritos acima, ainda podem ocorrer falhas durante o enchimento a vácuo. Compreender os modos de falha comuns e estabelecer pontos de verificação robustos de controle de qualidade é essencial para manter uma qualidade de fabricação consistente. Esta seção identifica os modos de falha mais frequentes e fornece uma estrutura de controle de qualidade para cada estágio do processo.

Modo de falha 1: Secagem a vácuo incompleta.Se o isolamento do transformador não for seco até atingir o teor de umidade necessário, a tensão de ruptura será reduzida. A causa mais comum de secagem incompleta é o nível de vácuo insuficiente ou o tempo de aquecimento inadequado. Para evitar esta falha, o nível de vácuo deve ser monitorado continuamente durante o ciclo de secagem. O teste de aumento de pressão ou ponto de orvalho deve ser usado para verificar o ponto final.

Modo de Falha 2: Recontaminação do Óleo.O óleo pode ser recontaminado durante o manuseio, armazenamento ou enchimento se o equipamento não for devidamente limpo. Contaminantes como poeira, água ou outras partículas podem entrar no óleo através das conexões ou durante a transferência. Para evitar isso, todos os equipamentos devem ser cuidadosamente limpos e secos antes do uso. Os tanques de armazenamento de óleo devem ser mantidos fechados e cheios de nitrogênio seco.

Modo de falha 3: aprisionamento de ar.Se o ar ficar preso no transformador durante o enchimento, ele poderá formar bolhas que reduzem a tensão de ruptura. O aprisionamento de ar é mais provável se a velocidade de enchimento for muito rápida ou se o nível de vácuo não for mantido durante o enchimento. Para evitar isto, a velocidade de enchimento deve ser reduzida e o vácuo deve ser mantido durante todo o processo.

Os seguintes pontos de verificação de controle de qualidade são recomendados para cada etapa do processo de enchimento a vácuo:

Na Lugao, implementamos um sistema de gestão de qualidade que incorpora estes pontos de verificação nos nossos procedimentos operacionais padrão. Cada etapa do processo é documentada e eventuais desvios são investigados e corrigidos. Esta abordagem sistemática ao controle de qualidade é essencial para manter os altos níveis de confiabilidade que nossos clientes esperam de nossos produtos de transformadores imersos em óleo.

6. Perguntas frequentes (FAQ)

Pergunta 1: A tensão de ruptura de 60kV é um valor garantido para toda a vida útil do transformador ou diminui com o tempo?

Resposta: 60kV é um valor mínimo garantido no momento da fabricação e comissionamento. Ao longo da vida operacional do transformador, a tensão de ruptura diminuirá gradualmente devido à degradação do óleo, entrada de umidade e acúmulo de material particulado. No entanto, com manutenção adequada – incluindo testes periódicos de óleo, filtragem e secagem – a tensão de ruptura pode ser mantida acima dos níveis aceitáveis. Os padrões da indústria normalmente exigem que o óleo seja substituído ou recondicionado quando a tensão de ruptura cai abaixo de 30kV.

Pergunta 2: Qual é a diferença na tensão de ruptura entre transformadores preenchidos a vácuo e transformadores convencionalmente preenchidos?

Resposta: Um transformador preenchido convencionalmente (preenchido sob pressão atmosférica sem secagem a vácuo) normalmente atinge uma tensão de ruptura de 30-40kV. Um transformador cheio de vácuo, com pré-secagem e processamento de vácuo adequados, atinge consistentemente 60kV ou superior. Esta diferença de 20-30kV representa uma melhoria significativa na margem de segurança e confiabilidade. A tensão de ruptura mais elevada reduz o risco de falha de isolamento, particularmente durante picos de tensão ou relâmpagos.

Pergunta 3: O enchimento a vácuo é necessário para pequenos transformadores de distribuição (≤ 10kV)?

Resposta: Para transformadores de distribuição classificados em 10kV e abaixo, o enchimento a vácuo nem sempre é obrigatório, mas é cada vez mais considerado uma prática recomendada. Embora esses transformadores possam operar com uma tensão de ruptura de 30-40kV, o enchimento a vácuo proporciona uma margem de segurança maior e maior confiabilidade a longo prazo. Muitas concessionárias agora especificam o enchimento a vácuo para todas as compras de novos transformadores, independentemente da classificação de tensão, como parte de seus requisitos de garantia de qualidade. Na Lugao Power Co., Ltd., aplicamos enchimento a vácuo em todos os nossos produtos de transformadores imersos em óleo.

Pergunta 4: Como o óleo do transformador pode manter sua tensão de ruptura durante a operação?

Resposta: Manter a tensão de ruptura durante a operação requer um programa de manutenção abrangente. Amostras regulares de óleo devem ser coletadas e testadas quanto à tensão de ruptura, teor de umidade e teor de gás dissolvido. Se a tensão de ruptura cair abaixo de 45kV, o óleo deverá ser filtrado e desidratado. Se o teor de umidade exceder 20 ppm, o óleo deverá ser seco. Alguns transformadores estão equipados com sistemas de filtragem de óleo online que removem continuamente a umidade e as partículas, mantendo a qualidade do óleo em um nível ideal.

Pergunta 5: Qual é a ação corretiva se o teste de tensão de ruptura do óleo falhar após o enchimento?

Resposta: Se o teste de tensão de ruptura do óleo falhar após o enchimento, o transformador normalmente será reprocessado. O óleo defeituoso é drenado e o transformador é submetido a um novo ciclo de secagem a vácuo para remover a umidade do isolamento. O óleo fresco e purificado é então introduzido usando o mesmo processo de enchimento a vácuo. Após o reabastecimento, o óleo é testado novamente. Este processo pode precisar ser repetido até que a tensão de ruptura atenda ao requisito especificado. Em casos raros em que o próprio óleo é a origem do problema, pode ser necessário substituir o óleo por um novo lote.

7. Conclusão

A obtenção de uma tensão de ruptura de 60kV em um transformador imerso em óleo é o resultado de um processo de fabricação meticulosamente controlado que começa com a purificação do óleo e se estende pela secagem a vácuo, enchimento controlado e testes rigorosos. Cada etapa deste processo requer controle preciso de parâmetros críticos – temperatura, nível de vácuo, velocidade de enchimento e condições de teste – para garantir que o produto final atenda às especificações de rigidez dielétrica exigidas. As normas e práticas descritas neste artigo, baseadas na IEC 60156, ASTM D1816 e IEC 60076, fornecem a base técnica para alcançar este benchmark crítico de qualidade.

Na Lugao Power Co., Ltd., implementamos um sistema abrangente de gestão de qualidade que incorpora esses controles de processo e padrões de teste em nossas operações de fabricação de transformadores. Nossos produtos de transformadores imersos em óleo são projetados e fabricados para oferecer desempenho confiável durante sua vida útil. Para informações técnicas mais detalhadas, documentação de processos ou especificações de produtos, entre em contato com nossa equipe de engenharia.

Entre em contato com Lugao Power Co., Ltd.para obter especificações técnicas e documentação de qualidade para nossos produtos de transformadores imersos em óleo.