En los sistemas eléctricos, los transformadores sirven como equipo central para la conversión y transmisión de energía, y su rendimiento de aislamiento determina directamente la estabilidad del funcionamiento de la red eléctrica. La descarga parcial (PD) es una "señal de alerta temprana" para la degradación del aislamiento del transformador.-Este tipo de descarga de arco local que no penetra el aislamiento erosionará gradualmente el material aislante y, eventualmente, puede provocar accidentes graves, como roturas del aislamiento y apagones del equipo.
Los transformadores con diferentes estructuras de aislamiento tienen diferencias significativas en el mecanismo de generación y factores clave que inducen descargas parciales. Este artículo se centra en los transformadores-inmersos en aceite y los transformadores de tipo seco-(representados por el tipo fundido-de resina epoxi), combinando la práctica de la industria y los principios técnicos para analizar en profundidad las causas principales de las descargas parciales, proporcionando referencias profesionales para la selección de equipos, pruebas de operación y mantenimiento.
I. Transformadores de tipo seco-(resina epoxi-tipo fundido): los defectos de aislamiento y el control del proceso son factores inductores fundamentales
Los transformadores de tipo seco-toman resina epoxi y otros materiales aislantes sólidos como núcleo, y se usan ampliamente en edificios de gran-altura, centros de datos y otros escenarios debido a sus ventajas como resistencia al fuego, operación sin mantenimiento-y tamaño pequeño. Sus problemas de descargas parciales se concentran principalmente en dos dimensiones: defectos del material aislante y procesos de fundición/bobinado.
Los materiales aislantes centrales de los transformadores de tipo seco-incluyen resina epoxi, papel Nomex, cartón aislante, etc. Si la producción o selección del material es inadecuada, es fácil que se mezcle con burbujas, impurezas o se produzcan microfisuras:
- Burbujas que inducen la concentración del campo eléctrico:Las burbujas residuales en materiales aislantes sólidos tienen una constante dieléctrica mucho más baja que la del medio aislante base (por ejemplo, la constante dieléctrica de la resina epoxi es aproximadamente 3,5, mientras que la del aire es sólo 1,0). El campo eléctrico estará muy concentrado dentro de las burbujas. Cuando la intensidad del campo eléctrico excede el umbral de tolerancia del material, se desencadenará una descarga parcial. La descarga-a largo plazo expandirá gradualmente el volumen de la burbuja, formando riesgos de aislamiento;
- Impurezas que causan distorsión del campo eléctrico:Los restos de metal, el polvo y otras impurezas mezcladas en el material aislante formarán una estructura similar a un "electrodo de punta", alterando la distribución uniforme del campo eléctrico y formando un área local de alta intensidad de campo en la punta de la impureza, induciendo una descarga de corona;
- Peligros de aislamiento de microfisuras:Si la liberación de tensión es desigual durante el curado del material, o si se produce un impacto mecánico durante el transporte y la instalación, se generarán microfisuras invisibles a simple vista. El efecto de concentración del campo eléctrico en las grietas también provocará descargas parciales, y las grietas seguirán extendiéndose con la descarga, acelerando el envejecimiento del aislamiento.
El control del proceso es la clave para prevenir descargas parciales en transformadores de tipo seco-. La negligencia en cualquier eslabón como bobinado, envoltura, vaciado y curado puede dejar peligros ocultos:
- Envoltura de aislamiento deficiente de los devanados:Envoltura aislante suelta entre capas de bobinado y vueltas, con huecos o arrugas. Estos espacios formarán áreas locales de baja constante dieléctrica, convirtiéndose en "áreas de alto-riesgo" de concentración de campos eléctricos; al mismo tiempo, las arrugas generadas durante el envoltorio provocarán un espesor de aislamiento desigual, lo que exacerbará aún más la distorsión del campo eléctrico;
- Defectos en el procesamiento de conductores:Rebabas no eliminadas, esquinas afiladas o rayones en la superficie del conductor. En condiciones de funcionamiento de alto-voltaje, la intensidad del campo eléctrico en las puntas aumentará bruscamente (de acuerdo con el principio de "descarga de corona"), induciendo directamente la descarga de corona. La descarga erosionará gradualmente la capa de aislamiento del conductor, ampliando el rango de defectos;
- Tratamiento de ecualización de voltaje inadecuado:La distribución del campo eléctrico al final del devanado del transformador es naturalmente desigual. Si no se instala ningún anillo de ecualización de voltaje o placa de ecualización de voltaje, o el diseño de la estructura de ecualización de voltaje no es razonable, la intensidad del campo eléctrico en el extremo excederá el límite de tolerancia del aislamiento, lo que provocará una descarga parcial excesiva. Este también es un incentivo común para la descarga parcial al final de los transformadores de tipo seco-;
- Procesos inadecuados de fundición y curado:Los principales defectos del proceso de los transformadores fundidos con resina-epoxi se concentran en dos eslabones: "desgasificación" y "curado". Una desgasificación incompleta provocará que el gas residual en la mezcla de epoxi no pueda descargarse, formando burbujas internas después del curado (esta es una causa de alta-frecuencia de descarga parcial excesiva en transformadores de tipo seco-); mientras que una temperatura de curado excesivamente alta o baja o un tiempo de curado excesivamente largo o corto conducirán a un curado incompleto del aislamiento (monómeros epoxi residuales sin reaccionar) o a una concentración de tensiones, lo que a su vez genera microfisuras y daña la integridad del aislamiento.
II. Transformadores-inmersos en aceite: la condición del aceite aislante y los defectos de la interfaz son los principales puntos de riesgo
Los transformadores sumergidos en aceite-adoptan un sistema de aislamiento combinado de aceite aislante y aislamiento sólido (cartón, papel-impregnado con aceite) y han ocupado durante mucho tiempo el principal mercado de transformadores en sistemas eléctricos debido a sus ventajas, como una alta resistencia del aislamiento y una buena disipación de calor. Sus problemas de descarga parcial están estrechamente relacionados con el estado del aceite aislante y las características de la interfaz aceite-papel, con factores inductores principales que incluyen las tres categorías siguientes:
El aceite aislante no sólo sirve como medio aislante sino que también cumple la función de disipación de calor. Su pureza y estado inciden directamente en el riesgo de descarga parcial:
- Humedad y contenido excesivo de gas:Si el transformador-inmerso en aceite no está herméticamente sellado, la humedad del aire penetrará en el aceite aislante, lo que reducirá significativamente el voltaje de ruptura del aceite; al mismo tiempo, si los gases disueltos en el aceite (como oxígeno, hidrógeno, metano) no se eliminan a tiempo, se formarán pequeñas burbujas en el aceite. Estas burbujas son propensas a descargarse bajo la acción del campo eléctrico, y el gas generado por la descarga aumentará aún más el contenido de gas en el petróleo, formando un círculo vicioso;
- Contaminación por impurezas:Si el aceite aislante se mezcla con partículas metálicas, impurezas de fibras, etc. durante la producción, el transporte o la operación y mantenimiento, formará un prototipo de "canal conductor" en el aceite.-Las impurezas adsorberán cargas, se moverán direccionalmente bajo la acción del campo eléctrico, se acumularán en la interfaz entre el aceite y el aislamiento sólido e inducirán una descarga parcial;
- Envejecimiento y deterioro de la calidad del aceite:Después de un funcionamiento prolongado-, el aceite aislante sufrirá reacciones de oxidación bajo la acción de altas temperaturas y campos eléctricos, produciendo productos envejecidos como ácidos, coloides y lodos. Estas sustancias reducirán el rendimiento de aislamiento del aceite y, al mismo tiempo, reaccionarán químicamente con los materiales aislantes sólidos, dañando la integridad del aislamiento de la interfaz aceite-papel y proporcionando condiciones para una descarga parcial.
El sistema de aislamiento de los transformadores-inmersos en aceite está compuesto de "aceite aislante + cartón sólido", y el estado de interfaz entre los dos es un área sensible clave para descargas parciales:
- Burbujas y espacios en la interfaz:Si la desgasificación es incompleta durante el llenado de aceite del transformador, o si el aceite aislante se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría durante la operación, se formarán pequeños espacios o burbujas en la interfaz entre el aceite y el cartón. Es muy probable que el efecto de concentración del campo eléctrico en estas zonas desencadene descargas parciales;
- Humedad y Envejecimiento del Cartón:Como material aislante sólido, si el cartón absorbe humedad (como la infiltración de agua de lluvia debido a una falla del sello), su rendimiento de aislamiento se reducirá significativamente. Al mismo tiempo, la humedad favorecerá el envejecimiento y degradación del cartón, generando microfisuras y restos de fibras. Estos defectos inducirán una descarga en la interfaz y la descarga acelerará la carbonización del cartón, formando un canal conductor.
Además de los problemas del aceite aislante y la interfaz, el diseño estructural y los procesos inadecuados también pueden provocar descargas parciales en transformadores-inmersos en aceite:
- Fijación del devanado suelto:Si el devanado está flojo, la vibración electromagnética durante el funcionamiento del transformador provocará el desplazamiento del devanado, lo que provocará espacios en el aislamiento entre capas y espiras e inducirá la concentración del campo eléctrico;
- Puntas sobresalientes de componentes metálicos:Si hay esquinas afiladas, rebabas en los soportes metálicos, cables y otros componentes dentro del transformador, o si sus posiciones están desplazadas durante la instalación, se formarán áreas locales de alta intensidad de campo bajo alto voltaje, lo que inducirá una descarga de corona;
- Mal sellado del tanque:El fallo del sellado del tanque no sólo provocará la infiltración de humedad e impurezas, sino que también permitirá que entre aire en el tanque, formando una capa de burbujas en la superficie del aceite. Estas burbujas son fuentes importantes de descargas parciales.
III. Principales diferencias y núcleo de prevención de descargas parciales entre los dos tipos de transformadores
| Dimensión de comparación | Transformadores de tipo seco-(resina epoxi-tipo fundido) | Transformadores-inmersos en aceite |
| Medio de aislamiento central | Aislamiento sólido como resina epoxi, papel Nomex. | Aceite aislante + aceite-aislamiento compuesto de papel |
| Principales factores inductores de descarga | Burbujas internas en materiales, defectos de proceso (fundición/bobinado) | Deterioro del aceite aislante, defectos en la interfaz del papel-aceite |
| Áreas Sensibles | Extremos del devanado, dentro del cuerpo de fundición, puntas del conductor. | Interfaz de aceite-papel, burbujas en el aceite, espacio de aire en la parte superior del tanque |
| Núcleo de Prevención | Control de pureza del material, procesos refinados (desgasificación/curado/envoltura), optimización de la estructura de ecualización de voltaje. | Purificación de aceite aislante (desgasificación/deshidratación/eliminación de impurezas), protección de sellado, monitoreo del estado de la interfaz |
IV. Perspectivas de la industria: detección temprana y sugerencias de operación y mantenimiento para descargas parciales
El peligro de la descarga parcial radica en su "ocultamiento".-la intensidad de la descarga inicial es baja, sin características externas obvias, pero la acumulación-a largo plazo conducirá a una degradación irreversible del aislamiento. Por lo tanto, tanto los transformadores-inmersos en aceite como los de tipo seco-deben dar importancia a la detección temprana y al control de operación y mantenimiento:
- Pruebas periódicas: adopte sistemas de monitoreo de descargas parciales en línea (como pruebas ultrasónicas y pruebas de frecuencia ultra-alta) para capturar señales de descarga en tiempo real y localizar con precisión las posiciones de los defectos;
- Control de materiales y procesos: priorizar a los fabricantes con calificaciones completas y procesos maduros al seleccionar productos, centrándose en la pureza del material de aislamiento y los informes de pruebas de procesos;
- Protección de operación y mantenimiento: para transformadores-inmersos en aceite, pruebe periódicamente indicadores como la humedad, el contenido de gas y la pérdida dieléctrica de aceite aislante, y realice la filtración y purificación de manera oportuna; para transformadores de tipo seco-, evite el impacto mecánico, limpie regularmente el polvo de la superficie y evite la fuga de la superficie del aislamiento;
- Control ambiental: Evite operar transformadores en ambientes con alta humedad, exceso de polvo y gases corrosivos. Los transformadores de tipo seco-deben garantizar una buena ventilación y disipación de calor para evitar el sobrecalentamiento y el envejecimiento del aislamiento.
Conclusión: La descarga parcial es un "asesino invisible" del sistema de aislamiento del transformador y sus causas están estrechamente relacionadas con el tipo de equipo, la estructura del aislamiento y el nivel del proceso. Dominar las características de descarga parcial de los transformadores de tipo-inmersos en aceite y secos-, y mediante la selección científica de productos, un control de proceso refinado y pruebas periódicas, puede reducir los riesgos de descarga desde la fuente y garantizar el funcionamiento seguro y estable del sistema eléctrico.
