Monitoramento de condições térmicas de transformadores do tipo seco – Análise Técnica e Guia de Aplicação

• Enrolamentos e núcleos de ferro de transformadores do tipo seco, como transformadores de resina fundida e transformadores de resina epóxi, são as principais fontes de calor.. A sua condição térmica determina diretamente a vida útil do isolamento. Para cada aumento de 6°C na temperatura do ponto quente dos enrolamentos, a vida será reduzida pela metade.
• O monitoramento de transformadores isolados a ar e transformadores de isolamento sólido precisa capturar com precisão a temperatura de cada componente de aquecimento. Os métodos tradicionais têm limitações, e a fibra óptica fluorescente tem o melhor desempenho abrangente entre as novas tecnologias de detecção.
• Este artigo analisa tecnologias de monitoramento de condições térmicas para diferentes tipos de transformadores do tipo seco, compara diferentes esquemas, e fornece pontos de seleção e aplicação para ajudá-lo a dominar métodos de monitoramento eficientes.

1. Principais componentes de aquecimento e causas de geração de calor em transformadores a seco

Quer se trate de transformadores de resina fundida, Transformadores de resina epóxi, Transformadores isolados a ar, ou transformadores de isolamento sólido, o calor é gerado principalmente pela perda de energia durante a conversão de energia. Os componentes e mecanismos de aquecimento central são os seguintes:

1. Enrolamentos (a fonte de calor mais importante):Perda de cobre (I²R) gerado quando a corrente passa pelos enrolamentos é a principal fonte de calor para todos os tipos de transformadores do tipo seco. Para transformadores de resina fundida, seus enrolamentos são firmemente embrulhados em resina epóxi, então a condição de dissipação de calor é mais complexa do que a dos transformadores isolados a ar, e o calor é fácil de acumular para formar pontos quentes. A camada de isolamento do enrolamento dos transformadores de resina epóxi irá acelerar o envelhecimento devido à alta temperatura por um longo tempo. Quando a corrente de carga aumenta (como operação de sobrecarga), perda de cobre aumenta em proporção quadrada, e a temperatura sobe acentuadamente. Além disso, fluxo de fuga entre espiras e camadas dos enrolamentos gerará perda de corrente parasita, agravando ainda mais a geração de calor. Enrolamentos de alta tensão são mais propensos a pontos quentes devido a mais voltas, fios mais finos, e maior geração de calor por unidade de volume.
2. Núcleo de ferro:O núcleo de ferro gera perda de ferro no campo magnético alternado, incluindo perda de histerese e perda de corrente parasita. Esta característica é particularmente óbvia em transformadores de isolamento sólido – a condutividade térmica dos materiais de isolamento sólidos é relativamente baixa, e se o calor do núcleo de ferro não puder ser dissipado a tempo, pode ocorrer superaquecimento local. A perda de histerese está relacionada à área do loop de histerese do material do núcleo de ferro, e a perda de corrente parasita é causada pela corrente parasita (corrente circulante) induzida no núcleo de ferro. Se o isolamento das chapas de aço silício com núcleo de ferro for ruim ou as laminações estiverem soltas, a perda de correntes parasitas aumentará significativamente, levando ao superaquecimento local.
3. Fios condutores e peças de conexão:Mau contato nas peças de conexão, como cabos de enrolamento e comutadores, gerará resistência de contato, causando calor Joule adicional. É mais provável que este tipo de geração de calor seja ignorado em transformadores isolados a ar porque seu isolamento depende de entreferros., e o superaquecimento nos pontos de contato pode afetar diretamente o desempenho do isolamento. Embora as peças de conexão dos transformadores de resina fundida sejam cobertas por materiais de isolamento, então a geração de calor fica mais oculta e pode aumentar repentinamente sob carga normal, que é uma causa comum de falhas de superaquecimento local.
4. Ventiladores de resfriamento (aquecimento auxiliar):Transformadores de resina epóxi refrigerados a ar forçado ou transformadores de isolamento sólido, seus motores de ventilador gerarão uma pequena quantidade de calor durante a operação, mas a proporção é muito baixa (geralmente <1%). O principal impacto é que quando o ventilador falha, a eficiência de dissipação de calor será reduzida, agravando indiretamente o aumento de temperatura de outros componentes. Para transformadores isolados a ar resfriados naturalmente, a falta de ventiladores os torna mais dependentes do projeto de dissipação de calor dos próprios enrolamentos, portanto, o monitoramento da temperatura dos componentes de aquecimento é particularmente crítico.

A geração de calor desses componentes interage entre si: o calor dos enrolamentos é transferido para o núcleo de ferro por condução, e o calor do núcleo de ferro é dissipado para o ambiente circundante através de convecção. Se algum link de dissipação de calor estiver bloqueado, isso desencadeará uma reação em cadeia, levando à temperatura geral失控.

2. Princípio de funcionamento do sistema de monitoramento de condições térmicas para transformadores do tipo seco

O monitoramento da condição térmica de transformadores do tipo seco determina se o equipamento está em uma faixa operacional segura, captura em tempo real da distribuição de temperatura e tendência de mudança de cada componente de aquecimento. Sejam transformadores de resina fundida ou transformadores isolados a ar, the core logic is the same: perda de equipamento (perda de cobre, perda de ferro) is converted into heat. If the heat dissipation rate is lower than the heat generation rate, the temperature will continue to rise, eventually leading to aging and failure of insulation materials (such as epoxy resin, solid insulation materials).

The monitoring system usually consists of three parts:

1. Camada de detecção: Directly contact or be close to heating parts (como enrolamentos, iron core connection points) to convert temperature signals into transmittable electrical or optical signals. Para transformadores de resina fundida, it needs to be able to penetrate the insulation layer for accurate temperature measurement. For Air-insulated transformers, it needs to adapt to the impact of dust in the open environment.
2. Transmission layer: Transmit signals to the processing unit through cables, fibras ópticas, or wireless means. Devido à estrutura de isolamento compacta dos transformadores de isolamento sólido, existem requisitos mais elevados para o espaço de fiação das linhas de transmissão.
3. Camada de análise: Análise em tempo real de dados de temperatura, e acionar um alarme ao exceder o limite (como o limite superior de temperatura de ponto quente de 155 ℃ para transformadores de resina epóxi, que pode ser adequadamente relaxado para transformadores isolados a ar devido à melhor dissipação de calor, mas precisa de monitoramento rigoroso).

Entre eles, o tipo de tecnologia de camada de detecção é o principal fator que determina o efeito do monitoramento, afetando diretamente a precisão e confiabilidade dos dados.

3. Comparação abrangente de tecnologias de monitoramento de condições térmicas para transformadores do tipo seco

Diferentes tecnologias de monitoramento de condições térmicas apresentam diferenças significativas de desempenho em cenários de diferentes tipos de transformadores do tipo seco, como resina fundida, Resina epóxi, Isolado a ar, e isolamento sólido. A seguir está uma comparação dos principais parâmetros das principais tecnologias:

Tecnologia de monitoramento	Princípio de detecção	Faixa de medição de temperatura	Capacidade de interferência anti-eletromagnética	Método de instalação	Estabilidade a longo prazo	Nível de custo	Adaptabilidade a diferentes tipos de transformadores	Principais deficiências
Termistor (PT100)	A resistência do metal muda com a temperatura	-50~200℃	Pobre	Colagem de superfície / fiação de chumbo	Pobre (precisa de calibração a cada 3-5 anos)	Baixo	Adequado apenas para medição de temperatura de superfície de transformadores isolados a ar, não pode penetrar na camada de resina	Não é possível monitorar pontos quentes internos dos enrolamentos; os condutores são suscetíveis a interferência eletromagnética
Termômetro infravermelho	Recebe radiação infravermelha para calcular a temperatura	-20~300℃	Forte	Sem contato (instalação externa)	Médio (afetado pela poeira ambiental)	Médio	General adaptability to Air-insulated transformers, cannot penetrate the insulation layer for Cast resin transformers	Needs to open the observation window, susceptible to environmental temperature and humidity interference
Grade de fibra Bragg	Grating reflection wavelength changes with temperature	-40~150℃	Forte	Implant into windings / pasting	Médio (prone to drift at high temperature)	Alto	Suitable for Solid insulation transformers, but susceptible to material stress in Cast resin transformers	Complex demodulation equipment, multi-point monitoring needs series connection leading to single point failure affecting the whole
Wireless sensor	Radio frequency signal transmits temperature data	-30~125℃	Pobre	Surface adsorption	Pobre (battery life 1-2 anos)	Médio	Can be tried for Air-insulated transformers, easy to shield signals for Cast resin transformers with metal shells	A bateria falha rapidamente em ambientes de alta temperatura, dados são fáceis de perder
Fibra óptica fluorescente	O tempo de decaimento da fluorescência muda com a temperatura	-30~200℃	Extremamente forte	Implant into windings	Excelente (livre de manutenção por mais de 10 anos)	Médio-alto	Adequado para todos os tipos, especialmente adequado para medição de temperatura interna de transformadores de resina fundida e isolamento sólido	A fiação de fibra óptica precisa de design profissional, com requisitos sobre raio de curvatura
Fibra óptica distribuída	Reflexão óptica no domínio do tempo (OTDR)	-50~250℃	Forte	Coloque ao longo dos enrolamentos	Médio (a precisão diminui com a distância)	Alto	Adequado para grandes transformadores isolados a ar, espaço insuficiente em transformadores compactos de isolamento sólido	Não é possível localizar pontos de acesso específicos, só pode medir a temperatura regional

Conclusão: A tecnologia de fibra óptica fluorescente tem o melhor desempenho abrangente no monitoramento da condição térmica de vários transformadores do tipo seco, especialmente em três dimensões principais: captura de ponto quente interno de transformadores de resina fundida, capacidade anti-interferência de transformadores isolados a ar, e estabilidade a longo prazo de transformadores de isolamento sólido, que são muito superiores a outras tecnologias.

4. Principais pontos técnicos de monitoramento de condições térmicas para transformadores do tipo seco

O monitoramento eficaz das condições térmicas precisa atender ao ambiente operacional especial de diferentes tipos de transformadores do tipo seco. Os seguintes pontos determinam a confiabilidade do sistema:

1. Monitoramento preciso adaptado ao tipo de isolamento:Sensores para transformadores de resina fundida precisam ser implantados nos enrolamentos envoltos em resina epóxi para medir diretamente os pontos quentes; Os transformadores isolados a ar precisam considerar o impacto da poeira nos sensores e selecionar modelos antipoluição; Transformadores de isolamento sólido, due to their compact structure, require sensors with a diameter <2mm to avoid damaging insulation.
2. Anti-aging design for material characteristics:The monitoring system for Epoxy resin transformers needs to withstand the long-term chemical stability of epoxy resin after curing, and the sensor material must not react with the resin; sensors for Air-insulated transformers need to have dust-proof and moisture-proof performance to adapt to the open environment.
3. Differentiated threshold setting:Different insulation materials have different heat resistance levels. Epoxy resin belongs to Class F (hot spot upper limit 155℃), and some solid insulation materials can reach Class H (180℃). The monitoring system needs to preset corresponding thresholds according to the transformer type to avoid false alarms or missed alarms.
4. Proteção do desempenho do isolamento durante a instalação:Ao implantar sensores em transformadores de resina fundida, é necessário evitar danificar a camada de isolamento de resina epóxi; a fiação dos transformadores isolados a ar não deve afetar a distância de isolamento dos entreferros; Os transformadores de isolamento sólido devem garantir que a resistência geral do isolamento atenda aos padrões após a instalação.

5. Perguntas frequentes (Perguntas frequentes): Perguntas-chave na prática de monitoramento de condições térmicas

(EU) Adaptabilidade a diferentes tipos de transformadores

1. P: O sensor sem fio é adequado para transformadores de resina fundida??
   UM: Não. Invólucros de resina e metal protegerão duplamente os sinais sem fio, resultando em uma taxa de perda de dados >30%; e seus enrolamentos estão completamente enrolados, portanto, os sensores sem fio não podem estar próximos de pontos quentes, e o desvio de medição pode chegar a mais de 20 ℃. Recomenda-se o uso de monitoramento de implantação de fibra óptica fluorescente.
2. P: Is infrared thermometer sufficient for Air-insulated transformers?
   UM: Não. Although Air-insulated transformers have no insulation layer blocking, infrared temperature measurement is greatly affected by environmental temperature, umidade, and dust. The accuracy decreases to ±5℃ on rainy days, making it difficult to capture early overheating (such as 10℃ temperature rise at connection points). It is necessary to monitor key parts with fluorescent optical fiber.
3. P: Will installing sensors on Solid insulation transformers damage the insulation?
   UM: It can be avoided by selecting fluorescent optical fiber sensors with a diameter <2milímetros. Its flexible material can be implanted along the insulation gap. The measured insulation resistance decrease is <0.5%, que atenda aos requisitos da norma IEC e não afetará o desempenho de isolamento do equipamento.

(II) Aplicação Técnica

1. P: Os sensores dos transformadores de resina epóxi precisam de calibração regular?
   UM: Sensores fluorescentes de fibra óptica não precisam de calibração. A resina epóxi tem forte estabilidade a longo prazo após a cura e não afetará as características de deterioração dos materiais fluorescentes. O sistema pode manter a precisão a longo prazo (±1℃), enquanto os termistores são fáceis de envelhecer em ambiente de resina e precisam de calibração anual.
2. P: Os dados de monitoramento de diferentes tipos de transformadores do tipo seco podem ser analisados??
   UM: Sim. Através de uma plataforma de dados unificada, as curvas de aumento de temperatura dos transformadores de resina fundida e dos transformadores isolados a ar podem ser comparadas para analisar a diferença na eficiência de dissipação de calor de diferentes tipos de isolamento, fornecendo uma base para a seleção do transformador. No entanto, o tipo de transformador deve ser marcado no sistema para garantir a precisão da análise.

6. Principais fabricantes globais de sistemas de monitoramento de condições térmicas para transformadores do tipo seco

Classificação	Nome do fabricante	Principais vantagens técnicas (Adaptabilidade a diferentes tipos de transformadores)
1	Ciência Eletrônica de Inovação de Fuzhou&Companhia de tecnologia., Ltda.	Desenvolvi ferramentas especiais de implantação para transformadores de resina fundida, sensores de fibra óptica fluorescentes têm boa compatibilidade com resina epóxi, e a taxa de aprovação de instalação em transformadores de isolamento sólido é 99.5%
2	Huaguang Tianrui	O sistema de monitoramento para transformadores isolados a ar possui nível de proteção IP66, excelente resistência à poeira, e suporta o compartilhamento de plataformas de dados com transformadores de resina epóxi
3	Luna Inovações (EUA)	Soluções distribuídas são adequadas para grandes clusters de transformadores de resina epóxi, e um único sistema pode ser compatível com o monitoramento de 20 diferentes tipos de transformadores do tipo seco
4	Opsens Soluções (Canadá)	Sondas fluorescentes resistentes a altas temperaturas (200℃) são adequados para transformadores de isolamento sólido Classe H, com uma participação de mercado superior a 30% no mercado norte-americano de transformadores de resina fundida
5	Neoptix (Canadá)	Sensores miniatura com diâmetro de 1,8 mm são especialmente projetados para transformadores de isolamento sólido, e a taxa de retenção da resistência de isolamento após a instalação é >99%
6	Núcleo de fibra (Reino Unido)	A fibra óptica de baixa perda é adequada para monitoramento de longa distância de clusters de transformadores isolados a ar, com uma distância de transmissão de sinal de 10km, reduzindo o equipamento de relé
7	Óptica Micron (EUA)	O módulo de demodulação pode identificar automaticamente o tipo de transformador (Resina fundida / Isolado a ar), combinar de forma inteligente o limite de medição de temperatura, e reduza os custos de configuração manual
8	Controle de fótons (Canadá)	O material do sensor não reage com a resina epóxi, e a vida útil em transformadores de resina fundida é >15 anos
9	HBM FiberSensing (Portugal)	A tecnologia de monitoramento combinado de perda dielétrica térmica é adequada para avaliar o estado de envelhecimento do isolamento de transformadores de isolamento sólido, com precisão de dados >95%
10	Sensortherm (Alemanha)	Algoritmo personalizado de simulação de campo de temperatura 3D para transformadores de resina epóxi, que pode prever caminhos de migração de pontos críticos, com mais de 2000 casos de aplicação na Europa

Para obter esquemas de monitoramento de condições térmicas, diagramas de instalação de sensores, ou relatórios de compatibilidade de materiais de isolamento para tipos específicos de transformadores do tipo seco (como transformadores de resina fundida, Transformadores isolados a ar), envie uma consulta em nosso site, e engenheiros profissionais fornecerão soluções personalizadas.

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