Anàlisi d'aplicacions-de transformadors submergits en petroli

1. Introducció

Els transformadors-immersos en oli utilitzen oli de transformador com a mitjà aïllant i refrigerant. La seva estructura bàsica inclou components com el nucli de ferro, els bobinatges i el dipòsit d'oli, cosa que els converteix en equips crítics per a la conversió de tensió i la transmissió de potència. A través de l'evolució tecnològica, la seva capacitat ara abasta des de desenes fins a desenes de milions de kVA, cobrint nivells de tensió baixa, mitjana i ultra-. Adaptables a diversos escenaris, ocupen una posició central dins la indústria elèctrica.

Dins dels sistemes elèctrics, els transformadors-immersos en petroli serveixen com a "centres d'energia": augmenten la tensió als punts de generació per reduir les pèrdues de transmissió a llarga-distància i redueixen la tensió per a la distribució a les zones de consum. Tant si faciliten la transmissió d'energia des de les bases de generació, com si permeten la interconnexió de la xarxa o assegura el subministrament d'electricitat industrial i residencial, juguen un paper insubstituïble com a pilar bàsic per al funcionament segur, estable i eficient del sistema.

En comparació amb els transformadors de tipus sec-, les unitats immerses en oli-ofereixen diferents avantatges: l'oli aïllant aïlla la humitat, millora la fiabilitat i redueix les taxes de fallada; la dissipació de calor i l'aïllament superiors suporten càrregues elevades; i la seva vida útil estàndard de 20-30 anys (amb algunes que superen els 40 anys) supera amb escreix els 15-20 anys típics de les unitats de tipus-sec. Mentre que els transformadors de tipus sec-s'adapten a escenaris a prova- d'incendis-explosions-com ara edificis-de gran alçada, els transformadors immersos en petroli-ofereixen un rendiment global superior per a les necessitats de transmissió i conversió d'energia a gran escala i de gran càrrega.

2. Principi de funcionament dels-transformadors submergits en oli

2.1 Estructura bàsica

El nucli i els bobinatges formen el cor de conversió electromagnètica dels transformadors-immersos en oli. El nucli està format per làmines d'acer de silici laminat amb alta permeabilitat, creant un circuit magnètic tancat per minimitzar la resistència magnètica i les pèrdues per histèresi. Els bobinatges estan fets de conductors aïllats de coure o alumini, dividits en costats primari (connectat a la tensió d'entrada) i secundari (connectat a la tensió de sortida). Quan s'aplica AC al bobinatge primari, genera un flux magnètic altern al nucli. Quan aquest flux passa pel bobinatge secundari, indueix una força electromotriu segons el principi d'inducció electromagnètica. Mitjançant l'ajust de la relació de voltes entre bobinatges primaris i secundaris, s'aconsegueix la transformació de la tensió, que permet la conversió d'energia elèctrica.

2.2 Les funcions de triple nucli de l'oli de transformador

L'oli de transformador serveix com a element vital dels transformadors-immersos en petroli, i compleix tres funcions bàsiques: refrigeració, aïllament i extinció de l'arc. Per a la refrigeració, la calor generada per les pèrdues de bobinat i nucli durant el funcionament s'absorbeix per convecció natural o circulació forçada dins de l'oli, i després es dissipa mitjançant radiadors per mantenir les temperatures dels components compatibles. Per a l'aïllament, la seva rigidesa dielèctrica supera amb escreix la de l'aire, aïllant les parts conductores entre bobinatges i nuclis i evitant la ruptura de l'aïllament. Per a l'extinció de l'arc, durant les operacions de commutació o descàrregues parcials, l'oli apaga ràpidament els arcs, evitant l'escalada de fallades i garantint la seguretat operativa.

2.3 Mecanismes de refrigeració

Els transformadors-immersos en oli utilitzen dos mecanismes de refrigeració: refrigeració natural i refrigeració forçada. El refredament natural es basa en la convecció natural del petroli i la dissipació del radiador, adequat per a escenaris de càrrega estables-de baixa-capacitat. Compta amb una estructura senzilla, alta fiabilitat i zero consum d'energia addicional. La refrigeració forçada utilitza equips auxiliars per millorar la dissipació de calor, classificats en refrigeració per aire-(dissipació de calor assistida per ventilador-) i refrigerada- per aigua (intercanvi de calor de l'aigua de refrigeració per reduir la temperatura). Ofereix una capacitat de dissipació de calor superior i és adequat per a condicions de funcionament d'alta-capacitat i alta-càrrega.

2.4 Classificació i característiques dels mètodes de refrigeració comuns

Segons els estàndards internacionals, els mètodes de refrigeració de transformadors immersos en oli-es denoten mitjançant combinacions de lletres, amb quatre tipus comuns: ONAN, ONAF, OFAF i OFWF. ONAN (Oil-Immersed Natural Cooling) és el mètode bàsic, basat en l'oli natural i la dissipació d'aire, adequat per a petites capacitats; ONAF (Oil-Immersed Natural Air-refrigerat) afegeix ventiladors a això, millorant la dissipació de calor en un 30%-50% en comparació amb ONAN, adequat per a capacitats mitjanes; OFAF (Forced Oil Circulation Air-cooled) utilitza bombes d'oli per a la circulació forçada d'oli combinades amb ventiladors, que ofereixen una alta eficiència de dissipació de calor, adequades per a grans capacitats; OFWF (Forced Oil Circulation Water-Cooled) combina bombes d'oli amb refrigeració per aigua per obtenir la màxima capacitat de refrigeració, adequades per a capacitats extragrans o entorns especials. El mètode de refrigeració s'ha de seleccionar en funció de la capacitat de l'equip, la càrrega i l'entorn d'instal·lació.

3. Avantatges bàsics dels-transformadors immersos en petroli

3.1 Capacitat de sobrecàrrega excepcional

Els transformadors-immersos en oli tenen una capacitat de sobrecàrrega excepcional, capaç de suportar un funcionament a curt-termen més enllà de la càrrega nominal. Aquesta capacitat es deriva d'una dissipació eficient de la calor i de propietats d'aïllament superiors. L'oli del transformador absorbeix ràpidament l'excés de calor generat durant les sobrecàrregues, evitant danys a l'aïllament dels bobinatges. En aplicacions pràctiques, gestiona eficaçment les fluctuacions de càrrega, com ara les demandes màximes d'electricitat i l'engegada d'equips grans, assegurant un subministrament d'energia continu, reduint els riscos d'interrupció i millorant la fiabilitat del subministrament.

3.2 Excel·lent rendiment de dissipació de calor i aïllament

L'alta capacitat calorífica específica i la força d'aïllament de l'oli del transformador confereixen un rendiment excepcional a l'equip. En la dissipació de calor, la seva eficiència és diverses vegades la de l'aire. Quan s'integra amb sistemes de refrigeració, permet un control estable de la temperatura i s'adapta a entorns d'alta-temperatura. Per a l'aïllament, omple els buits, bloqueja la humitat i aconsegueix una tensió de ruptura superior a 30 kV/mm-superant significativament l'aïllament de l'aire dels transformadors de tipus sec-. Aquesta capacitat resisteix la sobretensió i redueix el risc de fallades d'aïllament.

3.3 Vida útil allargada en condicions dures

Els transformadors-immersos en oli demostren avantatges significatius de longevitat en condicions exigents. L'oli del transformador aïlla els elements corrosius com la pols i la humitat, alentint l'envelliment dels bobinatges i els nuclis. La seva construcció robusta suporta vibracions i dilatacions tèrmiques. Amb un manteniment estandarditzat, la vida útil supera els 25 anys en aplicacions de gran-càrrega (energia tèrmica, acer) i supera els 30 anys en entorns estables com la transmissió i la distribució, reduint substancialment els costos de substitució.

3.4 Cost-Característiques d'operació i manteniment rendibles

Els transformadors-immersos en oli mostren avantatges excepcionals en els costos del cicle de vida. Els costos d'inversió inicials són un 15 %-30% més baixos que els equivalents-de tipus sec per a productes de la mateixa capacitat i tensió nominal. El manteniment operatiu inclou intervals ampliats i tasques simplificades (principalment proves periòdiques de la qualitat de l'oli i neteja del radiador), cosa que fa que els costos de manteniment anuals siguin la meitat dels de les unitats de tipus sec-. A més, la complexitat de la reparació d'errors és baixa, els components bàsics presenten una forta reparació i el disseny admet el desplegament a gran escala.

3.5 Adaptabilitat ambiental robusta

Els transformadors-immersos en oli demostren una resistència ambiental excepcional. Els seus dipòsits segellats protegeixen de la pols, la pluja, la neu i la humitat, cosa que els fa adequats per a entorns durs com deserts, altiplans i zones costaneres. En seleccionar olis de transformadors de diferents graus, poden funcionar de manera fiable dins d'un rang de temperatures de -40 graus a 50 graus, satisfent les demandes de climes freds a tropicals. Això permet un rendiment fiable en ubicacions remotes, operacions de camp i altres escenaris especialitzats.

4. Aplicacions industrials dels transformadors-immersos en petroli

4.1 Sector de generació elèctrica

4.1.1 Equips bàsics d'augment-en centrals elèctriques

En la generació d'energia, els transformadors passos-submergits{1}}en petroli serveixen com a dispositius crítics per a la transmissió d'electricitat. Els nivells de tensió produïts per les centrals elèctriques (ja siguin tèrmiques, hidroelèctriques, eòliques o solars) solen ser baixos (p. ex., els generadors tèrmics produeixen 10 kV-20kV), cosa que fa que la transmissió directa-a llarga distància no sigui pràctica. Els transformadors-passadors-submergits en oli eleven aquesta potència de baixa-tensió a 110 kV, 220 kV, 500 kV o fins i tot nivells d'ultra-tensió més alts. Això redueix significativament les pèrdues d'energia durant la transmissió, permetent un lliurament eficient d'energia a llarga distància.

4.1.2 Adaptació als diferents modes de generació d'energia

Els transformadors-immersos en oli s'adapten perfectament a les característiques operatives de diversos tipus de generació d'energia. A les centrals tèrmiques i hidroelèctriques, la seva capacitat de sobrecàrrega estable gestiona les sobrecàrregues durant l'arrencada i l'aturada de la unitat. Als parcs eòlics, on la producció fluctua significativament, els transformadors-immersos en petroli mantenen una tensió de sortida estable gràcies a les seves capacitats de regulació inherents. A les centrals solars fotovoltaiques, funcionen amb inversors per convertir i produir electricitat sense problemes malgrat les fluctuacions en la generació causades per la variació de la intensitat de la llum solar. A més, en el sector de l'energia nuclear, els transformadors especialitzats-immersos en petroli tenen propietats úniques, com ara la resistència a la radiació i una alta-tolerància a la temperatura, que compleixen els estrictes requisits de seguretat per a les operacions d'energia nuclear.

4.2 Xarxes de Transmissió i Distribució

4.2.1 Equips de conversió del nucli a les subestacions

Dins de les xarxes de transmissió i distribució, els transformadors-immersos en petroli serveixen d'equip bàsic a tots els nivells de subestació. A les subestacions primàries (subestacions centrals), redueixen l'energia d'ultra-alta o alta-tensió des de les centrals generadores a nivells de tensió mitjana-. A les subestacions secundàries, redueixen encara més la potència de mitjana-tensió a nivells de baixa-tensió per als consumidors industrials i residencials. Tant si es tracta de subestacions d'increment-amunt,{10}}de baixada o d'interconnexió, els transformadors-immersos en petroli realitzen les funcions bàsiques de conversió de tensió i distribució d'energia. El seu estat operatiu determina directament la qualitat de l'alimentació i la fiabilitat de la xarxa de transmissió i distribució.

4.2.2 Interconnexió de xarxa i regulació de tensió

A mesura que l'escala de la interconnexió entre xarxes-regionals continua expandint-se, els transformadors-immersos en petroli juguen un paper fonamental en la integració de la xarxa. Mitjançant transformadors d'interconnexió immersos en petroli-, es poden interconnectar xarxes de diferents nivells de tensió, cosa que permet una assignació òptima i un suport complementari dels recursos d'energia. Simultàniament, els transformadors-immersos en oli tenen capacitats de regulació de tensió. Mitjançant l'ajust del canviador de preses, la tensió de sortida es pot modificar dinàmicament en resposta als canvis de càrrega de la xarxa i les fluctuacions de tensió, assegurant que la tensió de la xarxa es manté estable dins dels límits permesos i salvaguardant el funcionament normal de tot tipus d'equips elèctrics.

4.2.3 Aplicacions en xarxes de distribució urbanes i rurals

A les xarxes de distribució urbanes i rurals, els transformadors-immersos en petroli s'utilitzen àmpliament a les subestacions de distribució. Dins de les xarxes urbanes, els transformadors submergits d'oli-compacts i eficients en l'espai-de caixa-s'utilitzen àmpliament en zones densament poblades, com ara comunitats residencials i districtes comercials. A les xarxes rurals, la seva robusta adaptabilitat ambiental permet un funcionament fiable en entorns difícils, com ara pobles remots i regions muntanyoses, assegurant el subministrament d'energia per a la producció agrícola i la vida diària. A més, per fer front al ràpid creixement de càrrega a les xarxes urbanes, l'expansió de la capacitat mitjançant actualitzacions o operacions en paral·lel aprofita l'escalabilitat dels transformadors immersos en petroli-per satisfer la demanda creixent.

4.3 Sector industrial

4.3.1 Suport d'energia bàsica per a la producció de la indústria pesada

A les indústries pesades, com ara la siderúrgia, la química i la fabricació de maquinària, els transformadors-submergits en oli serveixen com a equip d'energia bàsica per a la producció d'alta-càrrega. Els alts forns, els convertidors, els laminadors i equips similars de les plantes siderúrgiques requereixen fonts d'alimentació de gran-capacitat i altament estables. Els transformadors-immersos en oli proporcionen nivells de tensió adequats i molta energia elèctrica alhora que resisteixen els corrents d'entrada massius durant l'inici de l'equip. Els equips que funcionen contínuament a les plantes químiques, com ara reactors i compressors, requereixen una fiabilitat de subministrament d'energia excepcionalment alta. La llarga vida útil i l'alta fiabilitat dels transformadors-immersos en oli garanteixen processos de producció ininterromputs, minimitzant el temps d'aturada de la producció i les pèrdues econòmiques causades per talls d'energia.

4.3.2 Mineria i motors d'-alta potència

Els transformadors-immersos en petroli també tenen un paper fonamental en la indústria minera. Els equips de mineria de les mines de carbó i les mines de metalls-com ara capçaleres, talladores de carbó, equips d'elevació (p. ex., ascensors de mines) i sistemes de ventilació-s'accionen amb motors d'alta-potència que requereixen transformadors immersos en oli-per a l'alimentació. Aquests transformadors solen tenir propietats resistents a la pols, a la-humitat i a les vibracions-, cosa que els permet suportar entorns miners subterranis o superficials durs. A més, davant les altes fluctuacions característiques de les càrregues elèctriques mineres, l'elevada capacitat de sobrecàrrega dels transformadors-immersos en petroli garanteix un funcionament estable de l'equip en diferents condicions de treball.

4.3.3 Aplicacions especialitzades en la indústria del petroli i del gas

Dins del sector del petroli i del gas natural, els transformadors immersos en petroli-s'utilitzen àmpliament en operacions d'exploració, extracció i transport. A les plataformes petrolieres en alta mar, els transformadors especialitzats-immersos en petroli marins tenen resistència a la corrosió, capacitats anti-vibracions i un disseny a prova d'explosió-per suportar entorns marins durs caracteritzats per una gran boira salada i humitat. Als llocs de perforació a terra, els transformadors mòbils immersos en petroli-es poden traslladar de manera flexible amb equips de perforació, proporcionant energia temporal per a plataformes, bombes de fang i altra maquinària. Al llarg de les canonades de transmissió de petroli i gas, aquests transformadors proporcionen electricitat estable per augmentar les bombes i els equips de calefacció, garantint un transport ininterromput.

4.4 Infraestructures i equipaments comercials

4.4.1 Font d'alimentació per a grans edificis comercials i-de gran alçada

Els grans complexos comercials i els edificis-de gran alçada presenten càrregues elèctriques importants i equipaments diversos, que exigeixen una gran fiabilitat i qualitat en el subministrament d'energia. Els transformadors-immersos en oli serveixen com a equip de protecció bàsic. Mitjançant una configuració de capacitat adequada i una conversió de tensió, s'adapten a diverses necessitats elèctriques, mentre que la dissipació de calor eficient gestiona les càrregues punta. Els transformadors immersos en oli-premuntats- que s'utilitzen en alguns edificis ofereixen avantatges com ara una instal·lació ràpida i una superfície compacta, que s'ajusten als requisits de disseny.

4.4.2 Garantia d'energia per als centres de transport

La continuïtat del subministrament d'energia als centres de transport com aeroports, estacions de ferrocarril i metro afecta directament la seguretat operativa. Els transformadors-immersos en oli alimenten equips crítics, com ara la il·luminació de terminals, els sistemes de senyalització i els dispositius de tracció. Per abordar les càrregues concentrades dels concentradors i els estrictes requisits de fiabilitat, els transformadors solen emprar una font d'alimentació de circuit dual-i configuracions redundants, garantint un subministrament d'energia estable fins i tot durant les fallades d'una sola-unitat.

4.4.3 Font d'alimentació per a centres de dades i concentradors de comunicació

Com a instal·lacions bàsiques de l'economia digital, els centres de dades i els centres de comunicació exigeixen una estabilitat energètica superior al 99,999%. Els transformadors-immersos en petroli proporcionen electricitat estable als grups de servidors, sistemes de refrigeració i equips de comunicació, amb la seva alta fiabilitat que minimitza l'impacte de les interrupcions de l'alimentació. Per adaptar-se al ràpid creixement de la càrrega als centres de dades, les capacitats d'expansió dels transformadors admeten la construcció per fases i els requisits d'augment de càrrega.

4.5 Sistemes d'Energies Renovables

4.5.1 Conversió d'energia del nucli per a plantes d'energia eòlica i solar

Els transformadors-immersos en petroli serveixen com a equip bàsic per integrar l'energia verda de les plantes eòliques i solars a la xarxa. L'energia eòlica experimenta un pas inicial-a través de transformadors submergits d'oli-de tipus caixa-(transformadors de caixa) abans d'elevar-se a la connexió a la xarxa d'alta-tensió mitjançant transformadors de pas-principals. L'energia fotovoltaica primer converteix la CC en CA mitjançant inversors, i després s'incrementa-a través de transformadors immersos en petroli-per a la integració a la xarxa. La seva conversió eficient i el seu funcionament estable garanteixen una utilització eficaç i una integració perfecta a la xarxa de l'energia eòlica i solar.

4.5.2 Funcionament estable sota condicions de càrrega variables

La producció d'energia renovable fluctua a causa de les condicions naturals (per exemple, la velocitat del vent que afecta l'energia eòlica, la llum solar que afecta l'energia solar), que exigeixen un alt rendiment de càrrega variable dels transformadors. Els transformadors-immersos en oli s'adapten als canvis ràpids de càrrega amb propietats d'aïllament i dissipació de calor superiors, evitant el sobreescalfament o els danys a l'aïllament. Els models avançats inclouen sistemes de monitorització intel·ligents que fan un seguiment de l'estat operatiu en temps real, proporcionant suport de dades per a l'optimització de la central elèctrica.

4.5.3 Mitjà d'intercanvi d'energia per a sistemes d'emmagatzematge d'energia

En els nous sistemes d'emmagatzematge d'energia (ESS), els transformadors-immersos en petroli serveixen com a mitjà d'intercanvi d'energia crític: durant la càrrega, redueixen l'energia de la xarxa per adaptar-se a les unitats d'emmagatzematge; durant la descàrrega, augmenten l'energia emmagatzemada per a la injecció a la xarxa o el subministrament de càrrega. Abordant els cicles de càrrega/descàrrega freqüents i les fluctuacions de càrrega elevades característiques de l'ESS, la seva alta capacitat de sobrecàrrega i una llarga vida útil garanteixen un funcionament estable a llarg termini-, facilitant una coordinació eficient entre l'emmagatzematge i la xarxa.

5. Anàlisi de casos d'aplicació pràctica

5.1 Aplicació de transformadors-immersos en petroli a grans parcs eòlics

Un parc eòlic terrestre de 2.000 MW va desplegar 500 unitats de transformadors submergits de 4,5 MVA (0,69 kV/35 kV) tipus caixa-oli-submergits-i 10 unitats de 200 MVA (35 kV/220 kV) de transformadors- passos principals. Per fer front a la producció d'energia eòlica fluctuant, el disseny incorpora una capacitat de sobrecàrrega d'1,2-vegades durant 2 hores, combinada amb una estructura totalment segellada i un oli d'èster natural adequat per a entorns remots, amb vent i pols. Després de cinc anys de funcionament, la taxa de fallada era només del 0,5%, amb costos de manteniment del 60% dels transformadors tradicionals plens d'oli. La generació d'energia anual va arribar als 4.000 milions de kWh, la qual cosa va contribuir a una reducció de carboni de 3,2 milions de tones.

5.2 Projecte d'actualització del transformador de la planta d'acer

Un transformador immers en petroli de 125 MVA (110 kV/10 kV)-que es va posar en servei als anys 90 en una planta siderúrgica va patir enganxaments freqüents a causa de l'envelliment i la capacitat de sobrecàrrega insuficient. S'ha actualitzat a un nou transformador intel·ligent de 160 MVA immers en oli-del mateix nivell de tensió. El nou transformador inclou un aïllament d'alta-temperatura (1,3 vegades la capacitat de sobrecàrrega), monitorització d'IoT i materials de baixa-pèrdua (reduint les pèrdues anuals un 25%). Després de tres anys de funcionament sense ensopegar, va aconseguir una reducció anual de pèrdues de 800.000 kWh i un estalvi de costos de 640.000 iuans, alhora que va augmentar l'eficiència del manteniment en un 40% i va reduir els costos de manteniment en un 30%.

5.3 Projecte de Modernització de la Subestació Urbana

Una subestació de 220 kV posada en funcionament l'any 2000 a l'àrea central de la ciutat va ser actualitzada a causa de la capacitat insuficient, l'eficiència energètica i la seguretat dels seus transformadors-immersos en petroli originals. La renovació va desplegar tres transformadors immersos en oli intel·ligents d'alta-eficiència- de 315 MVA (220 kV/110 kV/10 kV) amb refrigeració per aire de circulació forçada d'oli, aïllament d'oli d'èster natural i sistemes de control intel·ligent. La capacitat total posterior a l'-actualització va augmentar de 630 MVA a 945 MVA, aconseguint una eficiència energètica de classe 1 i reduint les pèrdues anuals en 1,5 milions de kWh. El temps de resposta a errors es va reduir a 1 hora, amb la fiabilitat de la font d'alimentació millorada al 99,99%.