Guia abrangente para monitoramento de temperatura de ponto quente para transformadores a seco

• Definições básicasO monitoramento da temperatura do ponto quente do transformador do tipo seco refere-se ao uso de meios técnicos específicos, o transformador do tipo seco no processo de operação devido à perda do ponto de temperatura mais alto (ou seja, “ponto quente”) para medição e monitoramento precisos e em tempo real.
• Necessidade de monitoramentoO monitoramento preciso da temperatura é um pré-requisito fundamental para evitar falhas prematuras no isolamento, avaliar a saúde do equipamento, otimizar a capacidade de carga e garantir uma operação segura.
• Programa técnico: existe uma ampla gama de tecnologias de monitoramento, incluindo os tradicionais termopares Pt100 incorporados, a termografia infravermelha sem contato e a termometria de fibra óptica fluorescente de última geração, capaz de medir diretamente os pontos quentes internos.
• Comparação das principais tecnologias:: De todas as tecnologias.Medição de temperatura por fibra óptica fluorescenteDevido à sua completa imunidade eletromagnética e isolamento de alta tensão, é a única tecnologia que pode medir com segurança e precisão pontos quentes reais diretamente dentro dos enrolamentos; ePt100Por outro lado, é amplamente utilizado no monitoramento de locais secundários, como a parte externa do enrolamento ou o núcleo, devido ao seu custo-benefício e maturidade.
• configuração do sistemaUm sistema de monitoramento completo consiste em sensores front-end, um host de aquisição e demodulação de dados e interfaces de camada de aplicativo para controle e comunicação remota, que juntos formam o núcleo do gerenciamento térmico inteligente de um transformador.

Catálogo deste artigo

• 1) O que é um transformador do tipo seco?
• 2) Qual é a temperatura normal de um transformador do tipo seco?
• 3) Por que monitorar a temperatura?
• 4) Que problemas de funcionamento podem ser causados por temperaturas elevadas?
• 5) Quais são os tipos de tecnologia disponíveis para o monitoramento de temperatura de hot spots?
• 6. tabela de comparação das principais tecnologias de medição de temperatura
• 7. componentes de um sistema de monitoramento de temperatura de transformador a seco
• 8 Perguntas frequentes (FAQ)

1) O que é um transformador do tipo seco?

Um transformador do tipo seco é um tipo de transformador de potência no qual o núcleo e os enrolamentos não são impregnados com nenhum líquido isolante (por exemplo, óleo de transformador). Seu isolamento e resfriamento são feitos com base no ar (resfriamento por ar natural ou forçado) e em materiais isolantes sólidos (por exemplo, resina epóxi, papel/filme isolante etc.). Por serem isentos de óleo, retardantes de chamas, à prova de fogo e explosão, de fácil manutenção e ecologicamente corretos, os transformadores do tipo seco são amplamente utilizados em locais internos que exigem alta segurança e proteção ambiental, como prédios altos, complexos comerciais, data centers, aeroportos, metrôs, hospitais e usinas de energia.

2) Qual é a temperatura normal de um transformador do tipo seco?

A temperatura normal de operação de um transformador do tipo seco depende do tipo de transformador usado.Grau de resistência ao calor do isolamento. A classe de isolamento define a temperatura máxima permitida na qual um material isolante pode ser suportado por um longo período de tempo sem deterioração significativa do desempenho. As classes de isolamento comuns e seus respectivos limites de aumento de temperatura máxima permitida e de temperatura de ponto quente estão listados abaixo:

• Isolamento classe FClasse de temperatura: Essa é a classe mais comum. Sua temperatura máxima de trabalho permitida é155°C. Em uma temperatura ambiente de 40°C, o limite médio de aumento de temperatura de seu enrolamento é de 100K, e o aumento de temperatura admissível do ponto de acesso é de 115K, ou seja, a temperatura do ponto de acesso não deve exceder155°C。
• Isolamento de classe HClasse térmica mais alta. A temperatura máxima de trabalho permitida é180°C. Em uma temperatura ambiente de 40°C, o limite médio de aumento de temperatura de seu enrolamento é de 125K, e o aumento de temperatura do ponto quente permitido é de 140K, ou seja, a temperatura do ponto quente não deve exceder180°C。
• Isolamento classe CClasse térmica extremamente alta, temperatura máxima de trabalho permitida de até220°C。

Normalmente, os transformadores são equipados com um sistema de controle de temperatura que protege o transformador ativando o ventilador de resfriamento quando a temperatura atinge um valor predefinido (por exemplo, 95 °C), emitindo um alarme em temperaturas mais altas (por exemplo, 130 °C) e emitindo um comando de disparo quando o limite de isolamento (por exemplo, 150 °C) se aproxima.

3) Por que monitorar a temperatura?

Temperatura, especialmentetemperatura do ponto quenteA temperatura, por si só, é o parâmetro mais crítico e direto que afeta a vida útil e a confiabilidade dos transformadores a seco. A necessidade de monitorar a temperatura se reflete nos seguintes aspectos:

1. Determinantes da vida útil do isolamentoO envelhecimento dos materiais de isolamento elétrico é um processo químico irreversível, cuja taxa está intimamente relacionada à temperatura. De acordo comLei de MontsingerPara o isolamento Classe A, a taxa de envelhecimento do isolamento dobra, ou seja, cai pela metade, para cada aumento de 8 a 10°C na temperatura. O monitoramento e o controle precisos das temperaturas dos pontos quentes são essenciais para garantir que o transformador atinja a vida útil projetada.
2. Operações seguras e protegidas são garantidasA operação contínua com temperatura excessiva degradará a resistência mecânica e elétrica do material isolante, o que pode levar a rupturas no isolamento de curva a curva, camada a camada ou fase a fase, provocando falhas de curto-circuito e até incêndios.
3. Base para otimização da capacidade de cargaA capacidade nominal de um transformador é definida em um limite específico de aumento de temperatura. Com o monitoramento preciso e em tempo real da temperatura do ponto de acesso, a equipe de O&M pode entender a margem térmica do transformador na carga atual, de modo que possa implementar com segurança sobrecargas de curto prazo para lidar com picos temporários no consumo de energia e melhorar a utilização dos ativos.
4. Diagnóstico de falhas e avaliação de condiçõesPadrões anormais de aumento de temperatura são pistas importantes para o diagnóstico de defeitos internos. Por exemplo, um desequilíbrio de temperatura em um enrolamento trifásico pode indicar uma falha, como um desequilíbrio de carga trifásica ou a presença de um curto-circuito entre fases em uma fase. A análise de tendências dos dados de temperatura de longo prazo é a base para avaliar a integridade do transformador e realizar a manutenção preditiva.

4) Que problemas de funcionamento podem ser causados por temperaturas elevadas?

Os aumentos de temperatura persistentes ou acentuados, se não forem interrompidos a tempo, podem causar, direta ou indiretamente, os seguintes problemas graves de funcionamento:

• Envelhecimento acelerado e carbonização do isolamentoMateriais isolantes sólidos (por exemplo, papel Nomex, resinas epóxi) tornam-se frágeis, encolhem e carbonizam em temperaturas excessivas, perdendo sua força isolante original e seu suporte mecânico.
• Curto-circuito entre espiras do enrolamentoA deterioração do isolamento pode ocorrer primeiro na camada de isolamento fraca entre as voltas do condutor. Quando essa camada de isolamento falha, forma-se um curto-circuito entre as voltas, o que gera uma enorme corrente de curto-circuito e leva à rápida queima do enrolamento.
• Danos à estrutura mecânicaDescrição: Os condutores e os corpos fundidos dos enrolamentos fundidos de resina epóxi têm coeficientes de expansão térmica diferentes. O ciclo repetido de temperatura excessiva pode levar a tensões mecânicas significativas entre os dois, o que pode causar rachaduras no corpo fundido e criar condições para a entrada de umidade e a quebra do isolamento.
• Conexões superaquecidas e queimadasObservação: O mau contato entre os cabos e terminais do enrolamento e outras peças de conexão gerará calor adicional de resistência sob altas correntes, resultando em um ponto quente localizado que, em casos graves, queimará as conexões e causará uma falha de circuito aberto.

5) Quais são os tipos de tecnologia disponíveis para o monitoramento de temperatura de hot spots?

Para o monitoramento de hotspot de transformadores a seco, existem várias soluções técnicas com princípios, aplicabilidade e precisão diferentes.

5.1 Medição de temperatura de contato incorporada

Termômetro de resistência de platina Pt100

Princípio de funcionamentoBaseado na propriedade física de que o valor da resistência de um fio de platina muda de forma precisa, constante e linear com a temperatura. A temperatura é convertida pela medição do valor da resistência.
vantagem: Pt100Tecnologia madura, boa linearidade, alta precisão e custo relativamente econômico. É muito adequado para monitorar o núcleo, a superfície externa do enrolamento, grampos e outras partes sem alto potencial, e é o tipo de sensor mais comumente usado para controladores de temperatura padrão para transformadores a seco.

Termopar

Princípio de funcionamentoDescrição: Com base no efeito Seebeck, um circuito feito de dois materiais condutores diferentes conectados produz uma tensão fraca, que está relacionada à diferença de temperatura, quando as temperaturas dos dois pontos de conexão são diferentes.
vantagem: Ampla faixa de medição de temperatura e velocidade de resposta rápida. No entanto, em aplicações de transformadores, como sua saída é um sinal de tensão mV fraco, muito suscetível à interferência eletromagnética e à necessidade de compensação de extremidade fria, a aplicação não é tão ampla quanto a do Pt100.

Sensor de temperatura fluoróptico

Princípio de funcionamentoDescrição: Um pulso de luz é transmitido por uma fibra óptica para um material fluorescente na extremidade da sonda, e a temperatura é demodulada pela medição do tempo de decaimento da fluorescência. O tempo de decaimento é uma função da temperatura e é totalmente independente da intensidade da luz e do campo eletromagnético.
vantagem: Sensores de fibra óptica fluorescenteÉ a única tecnologia que pode medir com segurança e precisão os verdadeiros pontos quentes diretamente dentro do enrolamento. Suas sondas e cabos de fibra óptica são compostos inteiramente de material dielétrico com umImunidade eletromagnética perfeita和Isolamento de alta tensãoEssa é sua vantagem fundamental em relação a todas as outras tecnologias. Essa é sua vantagem fundamental em relação a todas as outras tecnologias.

5.2 Medição de temperatura sem contato

Termografia infravermelha

Princípio de funcionamentoDescrição: Qualquer objeto com uma temperatura acima do zero absoluto irradia radiação infravermelha. Uma câmera de infravermelho calcula a distribuição de temperatura de um objeto detectando a intensidade da radiação infravermelha em sua superfície.
vantagemA capacidade de fornecer uma nuvem de temperatura 2D sobre toda a superfície do transformador permite a visualização de pontos quentes anormais em áreas como pontos de conexão externos e superfícies de enrolamento. No entanto, elaNão é possível medirPontos quentes no interior do enrolamento encapsulados por resina epóxi sólida.

Sensor de temperatura passivo sem fio

Princípio de funcionamentoSensor de temperatura: Baseado na tecnologia de onda acústica de superfície (SAW) ou RFID. Os sensores não precisam de baterias, recebem energia eletromagnética de um leitor externo e fornecem um sinal contendo informações sobre a temperatura.
vantagemNão é necessária nenhuma fiação. No entanto, ele ainda é um dispositivo eletrônico, e sua estabilidade sob fortes campos eletromagnéticos e a limitação de sua posição de montagem limitam sua aplicação no monitoramento de pontos quentes dentro do enrolamento.

6. tabela de comparação das principais tecnologias de medição de temperatura

7. componentes de um sistema de monitoramento de temperatura de transformador a seco

Um sistema completo de monitoramento de temperatura de transformador a seco, especialmente um baseado em tecnologia avançada de fibra óptica fluorescente, normalmente consiste em três componentes:

1. Camada de detecção: sensor de temperatura
   Esse é o front end da aquisição de dados. Para o monitoramento completo, geralmente é realizado um arranjo misto de vários pontos: pontos quentes pré-construídos dentro dos enrolamentos trifásicosSonda de fibra óptica fluorescentemontado na superfície externa do núcleo, enrolamentos, etc.Sensores Pt100。
2. Camada de aquisição e processamento: Termostato inteligente/ Mainframe de aquisição de dados
   Esse é o cérebro central do sistema. Ele é responsável por conectar todos os sensores, demodular (fibra óptica) ou adquirir (Pt100) os sinais e exibir as temperaturas de todos os pontos de medição em tempo real por meio da tela LCD. Além disso, ele tem lógica de controle integrada, como:
   • Controle do ventiladorVentoinha de resfriamento: Inicia e para automaticamente a ventoinha de resfriamento com base em um ponto de temperatura definido (geralmente com base na temperatura do ponto quente do enrolamento na fase mais alta).
   • Alarmes e proteçãoRelé de contato seco: Forneça vários contatos secos de relé programáveis para alarme de temperatura excessiva e saída de sinal de disparo de temperatura excessiva.
3. Camada de comunicações e aplicativos: interface remota
   Para obter operação e manutenção inteligentes, os hosts geralmente têm interfaces de comunicação padrão:
   • Saída analógica (4-20 mA)Transmissão de pontos críticos de temperatura como sinais analógicos padrão para um sistema PLC ou DCS.
   • Comunicação digital (RS485/Modbus)Transmitir a temperatura e o status do equipamento de todos os pontos de medição para o sistema de monitoramento back-end por meio de sinais digitais para obter monitoramento centralizado remoto e análise de dados.

8 Perguntas frequentes (FAQ)

1. o que é um “ponto quente” de um transformador a seco? Por que isso é tão importante?

O ponto quente é o ponto do enrolamento do transformador que apresenta a temperatura mais alta em operação. Devido ao resfriamento desigual e à distribuição do campo de vazamento, ele geralmente está localizado na parte superior do enrolamento, próximo à extremidade de saída. A taxa de deterioração do isolamento é determinada pela temperatura nesse ponto, portanto, o monitoramento preciso do ponto quente é essencial para garantir a vida útil e a segurança do transformador.

2) Como a sonda de fibra óptica fluorescente é instalada dentro do enrolamento?

Isso deve ser feito durante o processo de fabricação do transformador. A sonda de fibra óptica é projetada para ser mecanicamente forte o suficiente para ser enrolada e fixada diretamente entre voltas ou camadas específicas do enrolamento durante o processo de enrolamento e, em seguida, é fundida em epóxi ou impregnada com VPI junto com o enrolamento, tornando-se parte da estrutura do enrolamento.

3) O Pt100 não pode ser usado para medir a temperatura do enrolamento?

O Pt100 é um condutor metálico e não pode entrar em contato direto com enrolamentos que transportam altas tensões. Ele pode ser pré-enterrado na parte externa do enrolamento (por exemplo, no isolamento entre camadas ou na superfície do enrolamento), mas esse não é um ponto quente real e o valor medido será de 10 a 20 °C ou mais abaixo da temperatura real do ponto quente, com o risco de margens de segurança insuficientes.

4) Quantos pontos de medição de temperatura são normalmente necessários para um transformador?

Isso depende da capacidade e da importância do transformador. Uma configuração típica é ter 1 ponto de medição de temperatura por fibra óptica na área de ponto quente de cada uma das três fases (A, B, C) do enrolamento de BT e 1 ponto de medição de temperatura por fibra óptica na área de ponto quente de cada uma das três fases do enrolamento de AT, em um total de 6 pontos de fibra óptica. Além disso, 1 a 2 pontos Pt100 estão dispostos no núcleo de ferro e 1 Pt100 é usado para monitorar a temperatura ambiente, constituindo um programa de monitoramento abrangente.

5) Com base em qual temperatura o ventilador de resfriamento deve ser controlado?

O controle mais científico e eficiente é baseado na temperatura real do ponto quente** do mais alto dos enrolamentos trifásicos**. Isso garante que o ventilador seja ativado somente quando for absolutamente necessário, permitindo um gerenciamento térmico preciso e economia de energia.

6) As câmeras termográficas ainda são úteis para inspeções de rotina?

Muito útil. Embora não possa medir o ponto quente interno, é a ferramenta mais eficaz para inspecionar rapidamente a superfície do enrolamento, o núcleo, especialmente os terminais e outros pontos de conexão externa quanto a calor anormal, sendo um complemento poderoso para a medição de temperatura da fibra óptica.

7) O sistema de medição de temperatura por fibra óptica fluorescente requer calibração periódica?

Não é necessário. A tecnologia baseia-se em um princípio físico estável pelo qual as características de temperatura do material fluorescente são calibradas com precisão na fábrica e curadas no mainframe, proporcionando excelente estabilidade a longo prazo e eliminando a necessidade de recalibração durante todo o ciclo de vida do transformador.

8) Como os dados de temperatura podem me ajudar na manutenção preditiva?

Ao monitorar dados sobre a temperatura do ponto quente e a corrente de carga ao longo do tempo, é possível modelar a saúde do transformador. Se for constatado que o aumento da temperatura do ponto quente é maior do que antes, com a mesma carga e temperatura ambiente, isso pode indicar defeitos precoces, como dutos de resfriamento bloqueados, falha do ventilador ou curtos-circuitos internos entre as curvas, orientando-o assim para a manutenção direcionada.

9. o que é “capacitação dinâmica”? Como o monitoramento de temperatura o apóia?

O aumento dinâmico da capacidade refere-se à permissão segura para que um transformador opere acima de sua capacidade nominal por um curto período de tempo, com base nas temperaturas dos pontos quentes e no status de resfriamento em tempo real. Somente por meio do monitoramento direto e em tempo real dos pontos quentes, como a fibra óptica fluorescente, é possível compreender com precisão a margem térmica atual do transformador, fornecendo assim uma base de dados confiável para a tomada de decisões sobre o aumento dinâmico da capacidade.

10) Quais são as considerações mais importantes ao selecionar um sistema de monitoramento de temperatura?

Os aspectos mais importantes são **aplicabilidade** e **confiabilidade**. Para pontos quentes dentro do enrolamento, a fibra fluorescente é a única opção segura e confiável. Para outros locais, o Pt100 é a opção comprovada e econômica. O sistema escolhido deve ter confiabilidade de nível industrial e ser capaz de operar de forma estável por longos períodos de tempo em subestações com forte interferência eletromagnética e grandes diferenças de temperatura.

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