¿Cómo optimizar el diseño de la estructura del transformador para reducir el aumento de temperatura?

—Análisis de tecnologías clave

En los sistemas de transmisión y distribución de energía, los transformadores son equipos esenciales cuya temperatura de operación impacta directamente en la confiabilidad, la eficiencia energética y la vida útil. Datos de investigación de la Agencia Internacional de Energía (AIE) muestran que por cada 10 000 km de reducción en el aumento de temperatura del transformador, la tasa de envejecimiento de los materiales aislantes se reduce en un 50 %, mientras que la eficiencia mejora entre un 0.3 % y un 0.7 %. Con la aceleración de la transición energética global y el endurecimiento de las regulaciones de eficiencia energética (por ejemplo, el reglamento de la UE Ecodesign 2021 exige una reducción del 10 % al 20 % en las pérdidas sin carga para los transformadores de distribución), el control del aumento de temperatura se ha convertido en una métrica de diseño crucial. Este artículo analiza sistemáticamente soluciones de ingeniería para la optimización estructural de transformadores y el control del aumento de temperatura desde perspectivas interdisciplinarias, que incluyen la ciencia de los materiales, el electromagnetismo y la termodinámica, proporcionando información técnica para la industria.

Contenido

1. Optimización del sistema central: de la innovación de materiales al diseño estructural

● Micromecanismos y macrobeneficios del acero al silicio de alta permeabilidad

Las pérdidas en el núcleo representan entre el 30 % y el 50 % de las pérdidas totales de los transformadores, lo que convierte a las láminas de acero al silicio avanzado en una medida fundamental para reducir el aumento de temperatura. A nivel microscópico, el acero al silicio de grano orientado laminado en frío (CRGO) alcanza una alineación de textura Goss superior al 85 % (en comparación con el 30 %-40 % del acero al silicio convencional), lo que garantiza que la dirección de magnetización se alinee con el eje fácil y reduce las pérdidas por histéresis entre un 40 % y un 60 %. Un estudio de JFE Steel Corporation demuestra que el acero al silicio 30JG120 de 0.23 mm de espesor presenta una pérdida unitaria de tan solo 1.10 W/kg a una densidad de flujo de trabajo de 1.7 T, lo que supone una reducción del 25 % en comparación con el acero al silicio tradicional de 0.3 mm.

Los parámetros clave para aplicaciones prácticas de ingeniería incluyen:

(1)Selección de espesor:El acero al silicio de 0.23 mm reduce las pérdidas por corrientes parásitas en un 15 % en comparación con 0.27 mm, pero aumenta los costos en un 20 %.

(2)Tecnología de recubrimiento:Los recubrimientos aislantes compuestos de fosfato-silicato alcanzan una resistencia entre laminaciones superior a 100 Ω·cm².

(3)Control de magnetostricción:El rayado láser reduce el coeficiente de magnetostricción a menos de 0.5 ppm, minimizando el calentamiento inducido por la vibración.

Tabla 1: Comparación de los materiales del núcleo

● Dinámica de fluidos y análisis electromagnético de la innovación en estructuras articulares

La distribución no uniforme del flujo en las juntas del núcleo crea puntos calientes localizados. La optimización multifísica puede mitigar significativamente este problema. Un diseño de junta ingleteada de 45° reduce el ángulo de giro del flujo de 90° a 45°, lo que disminuye la densidad de flujo pico en la junta de 1.8 T a 1.5 T y reduce las pérdidas localizadas en un 35 %. La práctica de ABB demuestra que una junta escalonada de cinco pasos con una separación de 0.5 mm reduce la corriente en vacío en un 12 %, lo que corresponde a una reducción de 4-6 K en el aumento de la temperatura del núcleo.

Puntos técnicos clave:

(1)Optimización del ángulo de la articulación:Las juntas ingleteadas de 45° reducen flujo de fuga transversal en un 50% en comparación con las juntas a tope.

(2)Diseño escalonado:Juntas de tres pasos con flujo suave transición, reduciendo el aumento de temperatura de la articulación entre 3 y 5 K.

(3)Tratamiento con láser:La irradiación láser local refina el tamaño del grano a 20-30 μm en las áreas de unión.

2. Diseño de sistemas de bobinado: desde la selección del conductor hasta la optimización del campo térmico

● Principios de acoplamiento electrotérmico para materiales conductores

La resistencia CA de los conductores de bobinado afecta directamente las pérdidas de carga, lo que requiere considerar los efectos peliculares y de proximidad. Cuando el espesor del conductor d supera 1.5 veces la profundidad de penetración δ (δ ≈ 9.3 mm para cobre a 50 Hz), la resistencia CA aumenta considerablemente. Los conductores transpuestos solucionan este problema rotando periódicamente los filamentos (cada 5-10 mm), igualando la distribución de la corriente y limitando las pérdidas circulantes a <5 % de las pérdidas totales.

Consideraciones de ingeniería:

(1)Forma del conductor:Los cables de cobre planos con una relación ancho-espesor de 3:1 reducen la resistencia de CA en un 15 % en comparación con los cables redondos.

(2)Tono de transposición:Para devanados que transportan >1000 A, se recomienda un paso ≤8 mm.

(3)Sistema de aislamiento:El papel aislante Nomex® (clasificación de 180 °C) con un espesor de 0.05 mm logra un factor de llenado de 0.85.

La fórmula de resistencia de CA corregida:

Rac = Rdc[1 + 0.00393(T-20)]·(1 + kₛ·F(d/δ) + kₚ·G(s/d))

  Lugar:

k = coeficiente de efecto piel (0.8-1.2)

k = coeficiente de efecto de proximidad (0.5-1.0)

F, G = funciones empíricas

● Estrategias de control activo del campo térmico

El análisis CFD muestra que los devanados continuos tradicionales presentan gradientes de temperatura axiales de 15-20 K, mientras que los devanados axiales divididos con conductos de aceite dirigidos los limitan a 8 K. El estudio de caso de Siemens Energy sobre un transformador de 800 kVA demostró una reducción de 12 K en la temperatura del punto caliente mediante:

(1)Partición radial:Cuatro caminos paralelos reducen la densidad de corriente de 3.2 a 2.6 A/mm².

(2)Conductos de aceite axiales:Los conductos verticales de 6 mm aumentan la velocidad del aceite de 0.1 m/s a 0.25 m/s.

(3)Blindaje final:Los anillos electrostáticos de cobre reducen la intensidad del campo final de 3.5 kV/cm a 2.0 kV/cm.

3. Innovaciones en sistemas de refrigeración: del control pasivo al control inteligente

● Optimización multiescala de sistemas de flujo de petróleo

La disipación de calor en transformadores sumergidos en aceite depende de la organización del flujo de aceite. La refrigeración dirigida optimizada mejora el coeficiente de transferencia de calor h entre un 30 % y un 50 %.

 Nu = 0.023·Re^0.8·Pr^0.4
 (Nu = número de Nusselt, Re = número de Reynolds, Pr = número de Prandtl)

Prácticas clave:

(1)Dimensionamiento del conducto de aceite:Los conductos de 6-8 mm optimizan la turbulencia (Re≈4000).

(2)Velocidad de flujo:0.2-0.3 m/s equilibra la caída de presión y la transferencia de calor.

(3)Aceites avanzados:Los ésteres sintéticos ofrecen un 15% menos de viscosidad y un 20% más de h que el aceite mineral.

● Respuesta dinámica de los sistemas de refrigeración inteligentes

Los sistemas basados ​​en IoT ajustan la refrigeración en tiempo real:

(1)Control del ventilador:El funcionamiento intermitente con una carga <60% reduce el consumo de energía en un 40%.

(2)Bombas de velocidad variable:El control de frecuencia reduce la potencia de la bomba en un 50% con carga parcial.

(3)Tubos de calor:Maneja flujos de calor de punto caliente de hasta 50 W/cm².

4. Estándares en evolución y tendencias futuras

Los últimos estándares de eficiencia imponen límites más estrictos:

(1)IEC 60076-14:2019:Se requiere monitoreo de puntos de acceso en tiempo real.

(2)IEEE C57.91-2011:El límite de aumento de temperatura del aceite superior se redujo de 60 °C a 55 °C.

(3)China GB 20052-2020:Los transformadores de nivel 1 deben reducir las pérdidas sin carga en un 20%.

Tecnologías emergentes:

(1)Gestión térmica digital:Predicción del campo de temperatura en tiempo real mediante gemelos digitales.

(2)Nanofluidos:Coeficientes de transferencia de calor 30%+ más altos.

(3)Superconductores:Los transformadores superconductores de alta temperatura eliminan las pérdidas de cobre.

En resumen

Optimizar el aumento de temperatura requiere un enfoque holístico de control de materiales y estructuras. La combinación de medidas puede reducir el aumento de temperatura entre 15 y 25 K, aumentar la eficiencia entre un 0.8 % y un 1.5 % y reducir las emisiones anuales de CO₂ entre 5 y 10 toneladas (por transformador de 1000 kVA). Los fabricantes deberían adoptar plataformas de diseño multifísico para integrar el control de temperatura a lo largo del ciclo de vida del producto.

Contáctenos

lushan, est.1975Es un fabricante profesional chino especializado en transformadores y reactores de potencia con más de 50 años de experiencia. Nuestros productos líderes son...transformador monofásico, transformadores de aislamiento trifásicos, transformador eléctrico, transformador de distribución, transformador reductor y elevador, transformador de baja tensión, transformador de alta tensión, transformador de control, transformador toroidal, transformador de núcleo R; inductores de CC, reactores de CA, reactor de filtrado, reactor de línea y carga, estranguladores, reactor de filtrado y productos intermedios de alta frecuencia.

Nuestros transformadores y reactores de potencia se utilizan ampliamente en 10 áreas de aplicación: tránsito rápido, maquinaria de construcción, energía renovable, fabricación inteligente, equipos médicos, prevención de explosiones en minas de carbón, sistema de excitación, sinterización al vacío (horno), aire acondicionado central.

Conozca más sobre transformadores de potencia y reactores:www.lstransformer.com.

Si desea obtener soluciones personalizadas para transformadores o reactancias, póngase en contacto con nosotros.

WhatsApp:+86 17267488565
Correo electrónico: marketing@hnlsdz.com