¿Cómo influye el diseño del núcleo de un transformador sumergido en aceite en el rendimiento eléctrico?

Los transformadores sumergidos en aceite son la piedra angular de los sistemas de energía eléctrica modernos y sirven como dispositivos cruciales para la regulación de voltaje, la distribución de energía y la eficiencia energética. En el corazón de estos transformadores se encuentra el núcleo del transformador, un componente cuidadosamente diseñado que influye significativamente en el rendimiento eléctrico general. En los transformadores sumergidos en aceite, el diseño del núcleo impacta directamente en parámetros como la eficiencia, la reducción de pérdidas, la regulación de voltaje, los niveles de ruido y la gestión térmica. Comprender la conexión entre el diseño del núcleo y el rendimiento eléctrico es esencial tanto para los ingenieros como para los operadores de servicios públicos que buscan una operación óptima del transformador.

1. Comprensión del núcleo del transformador sumergido en aceite

El núcleo del transformador Sirve como un circuito magnético que guía el flujo magnético generado por la corriente alterna (CA) en el devanado primario hacia el devanado secundario. En los transformadores sumergidos en aceite, el núcleo está sumergido en aceite de transformador, que sirve como medio refrigerante y aislante. El diseño del núcleo (su geometría, material y construcción) afecta las propiedades magnéticas y, en consecuencia, la eficiencia y el rendimiento del transformador.

Las funciones clave del núcleo del transformador incluyen:

• Conducción de flujo magnético: canaliza eficientemente el flujo magnético entre los devanados para minimizar la pérdida de energía.
• Minimización de las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas: el diseño optimizado reduce las pérdidas internas que se producen debido a los campos magnéticos alternos.
• Respaldo de la integridad estructural: Proporciona un marco estable para los devanados y el aislamiento.

2. Materiales centrales y su influencia en el rendimiento eléctrico

La selección de materiales es un aspecto crítico del diseño del núcleo de un transformador. Los núcleos de alto rendimiento utilizan laminaciones de acero al silicio o aleaciones de metales amorfos, que afectan la eficiencia, las pérdidas y la estabilidad operativa.

a. Acero al silicio de grano orientado

• Material más comúnmente utilizado en núcleos de transformadores sumergidos en aceite.
• La orientación del grano alinea la estructura cristalina con la dirección del flujo magnético, minimizando las pérdidas por histéresis.
• El espesor de la laminación (normalmente entre 0,23 y 0,35 mm) reduce las pérdidas por corrientes parásitas, que son proporcionales al cuadrado del espesor de la laminación.
• Impacto en el rendimiento eléctrico: menores pérdidas conducen a una mayor eficiencia, una menor generación de calor y una mejor regulación del voltaje.

b. Acero amorfo

• Acero no cristalino con estructura de grano mínima.
• Proporciona pérdidas en el núcleo ultrabajas en comparación con el acero al silicio convencional.
• Ideal para transformadores de alta eficiencia, particularmente en regiones con regulaciones de conservación de energía.
• Impacto en el rendimiento eléctrico: Reduce significativamente las pérdidas sin carga, mejorando la eficiencia general del transformador.

do. Aislamiento del núcleo

• Recubrir las laminaciones con barniz aislante evita corrientes parásitas entre laminaciones.
• Mantiene bajas pérdidas en el núcleo, lo que contribuye a la estabilidad térmica y a una vida útil prolongada del transformador.

3. Técnicas básicas de construcción

El way the core is constructed has a profound effect on magnetic properties, losses, and electrical performance.

a. Tipos de núcleos

1. Transformadores tipo núcleo

   • El windings are placed around the vertical legs of the core.
   • Ofrece baja reactancia de fuga y buena distribución del flujo magnético.
   • Comúnmente utilizado en transformadores de media y alta tensión.

2. Transformadores tipo carcasa

   • Los devanados están encerrados dentro del núcleo, lo que proporciona una mejor resistencia al cortocircuito.
   • Reduce el flujo parásito y mejora la robustez mecánica.
   • A menudo se utiliza para transformadores de potencia en aplicaciones industriales.

b. Juntas escalonadas y a inglete

• Las laminaciones se unen en superposiciones en ángulo para reducir la fuga de flujo en las esquinas.
• La construcción escalonada garantiza una transición de flujo suave, minimizando la saturación local y las pérdidas asociadas.
• Impacto en el rendimiento eléctrico: reduce los puntos calientes, mejora la eficiencia y mejora la capacidad de manejo de carga.

do. Apilamiento de laminación

• El apilamiento adecuado de laminaciones delgadas es fundamental para minimizar las corrientes parásitas.
• El apilamiento aleatorio o desalineado puede crear concentraciones de flujo localizadas, aumentando las pérdidas y la generación de calor.
• El apilamiento controlado también afecta al ruido acústico, ya que la vibración está influenciada por las fuerzas magnéticas dentro del núcleo.

4. Geometría central y su efecto sobre los parámetros eléctricos

El physical dimensions and shape of the core influence key performance characteristics.

a. Área transversal

• Un área de sección transversal más grande reduce la densidad del flujo magnético, evitando la saturación del núcleo con cargas elevadas.
• El tamaño adecuado garantiza que el transformador pueda funcionar de manera eficiente sin sobrecalentarse.
• Impacto en el rendimiento eléctrico: Reduce las pérdidas por histéresis y mejora la regulación de voltaje.

b. Diseño de ventanas

• El central space where windings are placed is known as the window.
• Las dimensiones optimizadas de la ventana garantizan un aislamiento adecuado, permiten suficientes vueltas de devanado y mantienen una inductancia de fuga baja.
• Impacto en el rendimiento eléctrico: Transferencia eficiente de energía entre los devanados primarios y secundarios, reduciendo la caída de tensión.

do. Longitud del núcleo y proporción de las piernas

• El length of the core limbs and the ratio between yoke and leg length affect magnetic flux distribution.
• La distribución uniforme del flujo evita la saturación localizada, que puede provocar sobrecalentamiento y mayores pérdidas sin carga.

5. Influencia del diseño del núcleo en la refrigeración del transformador

En los transformadores sumergidos en aceite, el núcleo interactúa con el sistema de refrigeración. La superficie, la orientación y la ubicación del núcleo dentro del tanque afectan la circulación del aceite y la disipación de calor.

• Circulación de aceite: el diseño adecuado del núcleo permite que el aceite del transformador fluya libremente, eliminando el calor generado por las pérdidas del núcleo.
• Elrmal Hot Spots: Step-lap or mitered joints prevent local concentration of magnetic flux, reducing temperature peaks.
• Impacto en el rendimiento eléctrico: la refrigeración eficiente preserva la integridad del aislamiento, reduce el riesgo de rotura dieléctrica y garantiza un funcionamiento fiable a largo plazo.

6. Consideraciones sobre el rendimiento eléctrico

El design of the oil-immersed transformer core affects several critical electrical performance metrics:

a. Eficiencia

• Las pérdidas del núcleo (histéresis y pérdidas por corrientes parásitas) están directamente relacionadas con el material, la laminación y la geometría del núcleo.
• Los núcleos bien diseñados reducen las pérdidas sin carga, mejorando la eficiencia del transformador, especialmente durante condiciones de carga parcial.

b. Regulación de voltaje

• El flujo de fuga, que depende de la disposición del núcleo y del devanado, afecta la caída de tensión bajo carga.
• El diseño de núcleo optimizado garantiza un flujo de fuga mínimo y una regulación de voltaje mejorada, proporcionando un voltaje de salida constante.

do. Resistencia al cortocircuito

• Los núcleos tipo concha o las estructuras de núcleo reforzadas mejoran la resiliencia mecánica.
• El diseño adecuado minimiza el desplazamiento del devanado durante eventos de cortocircuito, lo que garantiza un funcionamiento confiable.

d. Ruido Acústico

• Las vibraciones causadas por el flujo magnético alterno generan un zumbido audible.
• Las laminaciones centrales y el diseño de las juntas pueden reducir el ruido, mejorando la comodidad operativa, particularmente en entornos urbanos.

7. Innovaciones en el diseño del núcleo de transformadores

Los transformadores modernos sumergidos en aceite incorporan diseños de núcleo avanzados para mejorar aún más el rendimiento:

• Núcleos de Metal Amorfo: Reducen significativamente las pérdidas de energía en transformadores de distribución.
• Laminaciones optimizadas: utilice laminaciones cortadas con láser o CNC para una alineación precisa y reducir la fuga de flujo.
• Laminados compuestos: combinación de materiales para equilibrar costos, eficiencia y rendimiento térmico.
• Análisis de elementos finitos (FEA): simulación avanzada para una geometría óptima del núcleo, lo que garantiza pérdidas mínimas y una distribución uniforme del flujo.

Else innovations improve energy efficiency, reduce operational costs, and extend transformer lifespan.

8. Conclusión

El design of an oil-immersed transformer core is a critical factor that directly influences electrical performance, efficiency, thermal management, voltage regulation, and reliability. Material selection, lamination thickness, core geometry, joint design, and interaction with the cooling system collectively determine the transformer’s operational characteristics.

Los núcleos de alta calidad fabricados con acero al silicio de grano orientado o aleaciones amorfas, combinados con técnicas de construcción optimizadas, como juntas escalonadas y apilado preciso de laminaciones, minimizan las pérdidas, mejoran la eficiencia y aumentan la durabilidad. Los núcleos diseñados correctamente también reducen el ruido, evitan el calentamiento localizado y mantienen una salida de voltaje estable, lo cual es esencial tanto para aplicaciones industriales como de servicios públicos.

A medida que la eficiencia energética y la confiabilidad se vuelven cada vez más importantes en los sistemas de energía modernos, el diseño de núcleos de transformadores sumergidos en aceite seguirá evolucionando, incorporando nuevos materiales, geometrías innovadoras y técnicas de fabricación de precisión para satisfacer las demandas del futuro. Comprender la relación crítica entre el diseño del núcleo y el rendimiento eléctrico es esencial para los ingenieros, fabricantes y operadores que buscan un rendimiento y una longevidad óptimos del transformador.