¿Puede la optimización del proceso de laminación reducir el flujo de fuga?
—Análisis en profundidad de la transposición de bobinados y la tecnología de unión escalonada-traslapada del núcleo

En la ola global de búsqueda de la neutralidad de carbono, el consumo energético de los equipos eléctricos se ha convertido en una prioridad creciente. Según datos de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), las pérdidas de transmisión y distribución representan aproximadamente entre el 8 % y el 15 % de la generación eléctrica mundial. Como equipos esenciales en las redes eléctricas, mejorar la eficiencia de los transformadores es fundamental para la conservación de energía y la reducción de emisiones. La Directiva de Diseño Ecológico de la Unión Europea (UE) y las normas de eficiencia energética del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) siguen evolucionando, impulsando la innovación en las tecnologías de reducción de pérdidas en transformadores. Entre ellas, el control del flujo de fuga, debido a su impacto decisivo en las pérdidas de carga, se ha convertido en un reto fundamental en el diseño de transformadores.

Contenido

1. La raíz del flujo de fuga: el camino oculto de la pérdida de energía

El flujo de fuga se refiere al campo magnético disperso en los transformadores que no participa eficazmente en la transferencia de energía. Se origina por los efectos combinados de las leyes de inducción electromagnética y circuitos magnéticos imperfectos. Cuando la corriente alterna fluye a través de los devanados, la distribución desigual de amperios-vuelta y la reluctancia discontinua del núcleo (especialmente el cambio abrupto del valor μ en las juntas) provocan que parte del flujo magnético se desvíe de la trayectoria principal, formando un flujo de fuga. Sus peligros incluyen:

● Pérdidas por corrientes de Foucault: El flujo de fuga alterno induce corrientes de Foucault en los conductores de bobinado, las abrazaderas del núcleo y las paredes del tanque, generando calor Joule (pérdidas I²R).

● Aumento de las pérdidas por dispersión:Provoca puntos calientes locales, lo que pone en peligro la vida útil del aislamiento (norma IEEE C57.12.00).

● Mayor voltaje de impedancia: Afecta la estabilidad del voltaje de la red (IEC 60076-1).

2. Tecnología de transposición de bobinados: el arte de precisión de equilibrar el potencial magnético

●Principio fundamental: Reconstruir la simetría electromagnética
En los devanados convencionales, los conductores internos conectan menos flujo magnético y presentan menor inductancia, mientras que los conductores externos conectan más flujo y presentan mayor inductancia (según la ley circuital de Ampère ∮H·dl = I_enc). Esta asimetría provoca: corrientes circulantes (corrientes de bucle) entre conductores paralelos; distorsión de los campos de fuga axiales y radiales; y la tecnología de transposición modifica sistemáticamente la posición espacial de los conductores, garantizando que cada uno experimente una trayectoria equivalente en el campo magnético, equilibrando así los parámetros electromagnéticos.

    ●Implementación técnica y efectos cuantificados

Caso de estudio: Un transformador de 240 MVA en una subestación holandesa demostró que, tras aplicar 32 transposiciones completas, las pérdidas de corriente circulante se redujeron del 2.8 % al 0.6 %, el aumento de temperatura local disminuyó en 14 K y la clasificación de eficiencia mejoró a IE4. Esta tecnología es especialmente adecuada para transformadores de alta tensión y alta capacidad, ya que ofrece una reducción significativa de las pérdidas a pesar de la mayor complejidad del proceso.

3. Tecnología de unión escalonada y solapada: un avance revolucionario en la optimización de circuitos magnéticos

●Defectos en las uniones tradicionales
Las uniones rectas tradicionales crean entrehierros discretos en el circuito magnético, lo que provoca refracción del flujo magnético y saturación local. Los problemas clave incluyen:

(1)Aumento drástico de la reticencia local: Los espacios de aire reducen drásticamente la permeabilidad μ (R_m = l/(μA), donde R_m es la reluctancia).

(2)Distorsión del flujo magnético:Parte del flujo pasa por el espacio y forma un flujo de fuga difuso.

(3)PPérdidas por corrientes de Foucault débiles: Los campos magnéticos tangenciales en los bordes del acero al silicio provocan elevadas pérdidas por remolinos (P_e ∝ (B_m ft)^2).

●Mecanismo físico de las juntas escalonadas
Las uniones escalonadas traslapadas utilizan corte láser de precisión para crear un acoplamiento multinivel entre la ranura y el diente, reduciendo el ángulo de giro del flujo magnético de 90° a menos de 30° y la longitud efectiva del espacio entre dientes a entre 1/5 y 1/7 de un solo paso. Esto logra:

(1)Transición de flujo gradual: Las líneas magnéticas giran suavemente a lo largo de pendientes escalonadas, evitando la refracción abrupta.

(2)Longitud de espacio efectiva reducida: La longitud total del espacio se dispersa en múltiples microespacios, lo que reduce significativamente la reluctancia.

(3)Supresión de corrientes de Foucault: Minimiza los campos magnéticos transversales, frenando los efectos de borde.

●Estudio de caso: Los datos de prueba de un fabricante chino demostraron que el uso de juntas de 7 pasos redujo las pérdidas en vacío en un 35 %, la corriente de excitación en un 40 % y el ruido de funcionamiento en 7 dB. Esta innovación no solo mejora la eficiencia, sino también la fiabilidad, y ahora es una norma adoptada por fabricantes líderes como ABB y Siemens.

4. Efectos sinérgicos y prácticas de ingeniería

●Validación de reducción de pérdidas a nivel de sistema
La aplicación combinada de la transposición de bobinado y las juntas escalonadas-traslapadas ofrece un notable efecto sinérgico. La transposición equilibra el flujo de fuga axial, mientras que las juntas escalonadas-traslapadas suprimen el flujo de fuga radial, lo que resulta en una distribución general de fugas más uniforme.

En resumen

La transposición de bobinados y las uniones de núcleo escalonado-traslapado representan la cumbre del diseño de circuitos magnéticos de transformadores. La primera reconstruye la simetría electromagnética para eliminar el desequilibrio amperio-vuelta, mientras que la segunda optimiza la continuidad magnética para suprimir la distorsión del flujo, controlando así sistemáticamente los campos de fuga. Impulsadas por los objetivos globales de neutralidad de carbono, estas tecnologías no son solo opciones, sino esenciales para la fabricación ecológica. Nuestros diseños, certificados por DNV-GL e implementados en las redes eléctricas de Europa, Norteamérica y Asia-Pacífico, redefinen los estándares industriales con una reducción del 40 % en las pérdidas sin carga y del 25 % en las pérdidas con carga, estableciendo nuevos estándares para la transmisión eficiente de energía.

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