¿Cómo prevenir un fallo repentino de cortocircuito en el transformador?

—Análisis de la verificación de la resistencia a cortocircuitos y soluciones de refuerzo estructural

En los sistemas de redes eléctricas y de distribución industrial, el cortocircuito repentino del transformador, que provoca la deformación del devanado y la rotura del aislamiento, se ha convertido en un desafío global para la confiabilidad de los equipos eléctricos. Según...IEEE C57.12.00 Según las estadísticas, los impactos de la corriente de cortocircuito pueden someter los devanados a fuerzas electromagnéticas superiores a 100 kN, lo que provoca la falla del 40 % de los transformadores tras su primer cortocircuito. Este artículo explica sistemáticamente los procesos de verificación de la resistencia a cortocircuitos y las tecnologías de refuerzo estructural con base en estándares internacionales como...IEC-60076 5 y IEEE C57.12.90, respaldado por datos de validación de ingeniería interregional.

Contenido

1. Mecanismo de destrucción y cuantificación del riesgo de corriente de cortocircuito

● Impacto de la fuerza electromagnética de la corriente de cortocircuito

(1)Cálculo de corriente de cortocircuito y electromagnetismo 

Generación de fuerza Cuando ocurre un cortocircuito en el lado secundario del transformador, la corriente primaria aumenta hasta 10 a 25 veces su valor nominal, determinado por el porcentaje de voltaje de impedancia del transformador (%).

Fórmula:

Definiciones de variables:

· : Voltaje nominal del sistema

·: Porcentaje de voltaje de impedancia (rango típico: 4%–12%)

·: Corriente nominal del transformador

Ejemplo: Un transformador de 1000 kVA con Z%=6% y yo_{Calificación} = 1443A tiene una corriente de cortocircuito de:

(2)Daño mecánico directo por electromagnetismo 

Fuerzas Según la fórmula de fuerza de Lorentz, las fuerzas electromagnéticas entre conductores de bobinados adyacentes son:

Definiciones de variables:

·: Densidad de flujo de fuga (0.5–1.2 T, determinada por el espaciado de los devanados y la corriente)

·:Corriente de cortocircuito

·:Longitud efectiva del conductor

Ejemplo:Si B=0.8T y L=2m, la fuerza es: F=0.8×24,050×2=38,480N(≈38.5kN)

Modos de fallo:

·Compresión axial: Los devanados de alto voltaje experimentan presión interna, lo que provoca el aplastamiento del aislamiento entre vueltas.

·Expansión radial: Los devanados de bajo voltaje se expanden hacia afuera, lo que provoca fracturas en los puntales de soporte y un eventual colapso.

● Efectos térmicos y degradación del aislamiento

(1) Mecanismo de calentamiento Joule:

La corriente de cortocircuito genera calor a través de la resistencia del devanado:

Definiciones de variables:

·R: Resistencia del devanado (Ω)

·t:Duración del cortocircuito (normalmente ≤2 segundos)

·c:Capacidad calorífica específica (cobre: ​​385 J/kg·K)

·m:Masa del conductor

Ejemplo: Para un conductor de cobre de 50 kg con AIsc =24 kA y t=1s:

(2)Proceso de falla del aislamiento:

·Descomposición térmica: La resina epoxi se carboniza cuando las temperaturas superan los 105 °C (límite de aislamiento de clase A).

·Reducción de la rigidez dieléctrica: La tensión de ruptura del papel aislante cae entre un 5 % y un 8 % por cada aumento de 10 °C (IEC 60076-5).

·Cortocircuitos entre vueltas: La tensión de inicio de una descarga parcial cae de 15 kV a menos de 6 kV, lo que provoca daños permanentes.

2. Normas internacionales para la verificación de la resistencia a los cortocircuitos

● IEC 60076-5:Norma básica de pruebas de estabilidad dinámica para transformadores ≤35 kV.

(1)Procedimiento de prueba:

·Estado previo al cortocircuito:Aplicar corriente nominal; monitorear la temperatura y la vibración.

·Impulso de cortocircuito:Aplique corriente simétrica en la posición de toma del 75 % durante 0.25 segundos.

·Repita tres veces para evaluar el daño acumulativo.

(2)Criterios de aprobación:

·Cambio de reactancia ≤2%

·Deformación del bobinado ≤1.5 ​​mm (medida mediante sensores de desplazamiento láser).

● IEEE C57.12.90:Validación de resistencia mecánica Estándar clave para transformadores de gran capacidad en América del Norte.

(1)Requisitos:

(2)Métodos de prueba:

·Simulación de presión estática utilizando cilindros hidráulicos (retención de 60 segundos).

·Barrido de frecuencia de vibración (10–2000 Hz); desplazamiento de frecuencia natural ≤5%.

3. Soluciones de refuerzo estructural para una mayor resistencia a los cortocircuitos

● Sistemas de soporte de bobinado optimizados

(1)Técnicas de refuerzo:

·Puntales impregnados con resina epoxi: 

El epoxi reforzado con fibra de vidrio (resistencia a la flexión ≥350 MPa, 4 veces más resistente que la madera) reduce la deformación radial de 3.2 mm a 0.8 mm.

·Sistemas de compresión axial: 

Los conjuntos de resortes de disco (precarga ≥50 kN) mitigan  compresión axial, aumentando los ciclos de resistencia de 1 a 3 (según IEC 60076-5).

(2)Comparación de rendimiento:

● Mejoras en la estructura del núcleo y de sujeción

(1)Técnicas de refuerzo:

·Acero al silicio de baja histéresis: El acero 23ZDKH90 reduce la transferencia de energía de vibración del núcleo en un 40%, evitando la resonancia (cumple con la norma ISO 10816-3).

·Abrazaderas soldadas multicapa: El acero Q345B (límite elástico 345 MPa, 47 % más alto que el Q235) absorbe fuerzas axiales de 300 kN (cumple con IEEE C57.12.90).

(2)Propiedades mecánicas:

En resumen

Conclusión Transformadores modernos reforzados medianteIEC-60076 5 yIEEE C57.12.90 Los estándares pueden soportar Corrientes de cortocircuito ≥50 kA (IEC Nivel 4). Casos globales muestran una reducción del 70 % en las tasas anuales de fallos (informe técnico de ABB 2023). Para soluciones personalizadas, contacte con nuestro equipo técnico para servicios de simulación, pruebas y validación.

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