Por que os transformadores de alta tensão precisam de óleo?

Alguém me disse que os transformadores de alta tensão precisam de óleo porque isso evita o arco. No entanto, em termos de quebra dielétrica, o ar não é o mais forte?

Lembro-me das aulas na faculdade que, à medida que a constante dielétrica aumenta, a tensão de ruptura diminui. Isso está correto?

3 razões: Quebra de tensão muito mais alta, condutividade térmica e contaminantes muito mais baixos, incluindo a umidade da condensação que leva à Descarga Parcial, que é mais barata de monitorar e reparar em óleo do que os tipos de epóxi seco.

• Eu adicionei a terceira razão, que é mais complexa, pois é mais fácil remover partículas estranhas no óleo e a viscosidade reduz a energia cinética das partículas aceleradas em um campo E, atingindo um condutor com energia suficiente para liberar hidrogênio, um gás combustível da molécula de água.

• Os transformadores a seco existem <5MVA ocupam um espaço menor, mais silencioso, mais seguro, preferido para algumas áreas urbanas, mas menos eficientes, custam mais e dependem de um isolamento mais caro com fita Mica e polímeros epóxi para tornar a umidade resistente. Os transformadores a seco devem combater a tendência de absorver moléculas de umidade, que deterioram rapidamente a tensão de ruptura.

O óleo de qualidade do transformador é pelo menos 8x e até 25x melhor que o ar para avaria dielétrica e pelo menos 6x melhor condutividade térmica em [W / mK].

O óleo é predominantemente usado> 5MVA devido à melhor eficiência elétrica e de refrigeração. O óleo é necessário para resfriamento, espalhamento térmico de pontos de acesso e para isolamento elétrico.

Descarga Parcial (DP) refere-se ao fluxo de íons no plasma, como uma aurora ou uma coroa. Ele precisa de alguns contaminantes para colidir e causar descarga.

Pelas minhas experiências com o óleo Nydas Transformer em uma fábrica de transformadores, exceder 25kV / mm. Com resultados típicos variando de 25 a 40kV.

Com um processamento mais caro para remover contaminantes com nível de ppm, pode atingir 70kV / mm. Aqueles que podem pagar a máquina de US $ 50 mil + os usam, mas são necessárias algumas habilidades no processamento invisível de contaminação e controle de qualidade de processo em um ambiente de sala limpa.

O teste é realizado com uma rampa de cerca de 1kV / s com eletrodos planos ultracleanos de latão grande (~ 2cm) em um copo de vidro limpo com bordas lisas e afiladas.

Assim como o ar, são contaminantes móveis e mudanças de pressão que podem levar a descargas parciais que causam variabilidade na tensão de ruptura BDV de um isolador.

Para o óleo do transformador, a Descarga Parcial também quebra a grande cadeia de hidrocarbonetos em H2, que possui um limiar explosivo mais baixo de concentração de 4%.

A quebra do ar limpo é de 3kV / mm, enquanto o ar úmido e sujo é <500V / mm, de plana a plana, enquanto ponto a ponto é de cerca de 1/3 desses limiares de tensão.

Um vácuo ultrabaixo fornece um BDV alto, mas um vácuo parcial é muito baixo, pois a redução de moléculas permite menos resistência e maior energia cinética quando um íon no ar atinge o condutor. (Veja a lei de Paschen.)

O óleo do transformador não apenas evita o arco, como também evita que o transformador superaqueça na temperatura de operação.

Portanto, o ar não é o melhor contra a quebra de tensão?

Bem, a resposta para isso é não. De acordo com meus experimentos, isso mostra que sim, o ar apresenta uma quebra de tensão no intervalo de 1 polegada a uma tensão de 20.000 volts. Mas o óleo do transformador tem uma quebra de tensão de 70.000 volts por polegada.

Se você colocar desta maneira, à medida que a distância dos dois condutores aumenta, a tensão de ruptura dielétrica necessária para atravessar essa distância aumenta.

Então sim, você está correto.

Como você mantém os fios no lugar? O ar não vai ajudar. É feito com papelão embebido em óleo.

Além disso, os gases têm uma propriedade desagradável: eles têm pressão muito baixa e, portanto, átomos ionizados aleatoriamente são facilmente movidos pelo campo elétrico. Se a pressão do gás for baixa o suficiente para a tensão, os íons e os elétrons livres alcançam o contra-eletrodo antes que eles possam se recombinar para que você tenha um canal condutor, e o calor do fluxo atual ionizará ainda mais átomos. O óleo evita isso simplesmente por sua viscosidade.

Se você deseja obter um excelente isolamento com um gás, é necessário usar um gás difícil de ionizar com alta viscosidade, por exemplo, hexafluoreto de enxofre.

Você precisa de refrigeração. E o ar limpo é difícil.

A chave da pergunta é onde eles colocam transformadores - se eles estivessem em ambientes fechados, isso seria muito interessante, mas na realidade eles estão localizados em lugares sujos, cheios de poeira, neve, umidade e todos os outros contaminantes ambientais conhecidos pelo homem. E deve proporcionar uma vida útil basicamente não mantida nas décadas.

O ar não existe apenas para isolar. Eles poderiam fazer isso com mica . Eles também precisam resfriar o transformador para obter uma classificação de corrente mais útil da mesma quantidade de cobre e ferro.

Portanto, eles podem usar o ar, mas questões ambientais tornam impraticável a troca de ar atmosférico. Então eles precisariam hermeticamente selá-lo, engarrafando o ar no interior no momento da fabricação, embora, claro, pudesse haver algum outro gás como nitrogênio ou argônio.

A próxima pergunta é a eficiência térmica do material como fluido de transferência de calor. O calor é um nível de excitação de um átomo. Neutros e prótons não armazenam calor, então a massa não armazena calor, os átomos o fazem. O petróleo é massivamente mais denso em átomos que o ar, sendo líquido. O óleo também se expande quando aquecido (basta olhar para a vareta do óleo do carro); portanto, o óleo quente é mais leve em volume que o óleo frio, a gravidade o força a subir e isso causa circulação de convecção. Isso pode ser explorado para que ele circule pelas aletas de resfriamento, sem a necessidade de uma bomba de refrigerante.

Procure "transformadores do tipo seco", que hoje são de uso comum. Há um desses em uma enorme caixa de utilidades externas perto de nosso prédio. Pelo menos no nosso caso, o transformador não está instalado em um polo de potência, portanto, ele precisa menos que seja extremamente compacto e de baixo peso. Um xfrmr pesado com ferro extra e enrolamentos de cobre mais espessos fica mais frio, portanto não precisa de óleo de arrefecimento e loops de radiador. E, se o tamanho pequeno não é um problema importante, os enrolamentos do EHT podem ser afastados do lado de baixa voltagem, de modo que o espaço de ar forneça prevenção suficiente de quebra de arco.

Observe que explosões e incêndios em transformadores a óleo não são desconhecidos durante tempestades e em linhas com curto-circuito. Os transformadores do tipo seco não possuem esses mecanismos de falha.

Todas as respostas acima são boas, mas não mencionam os benefícios ambientais da dioxina presente no óleo de muitos transformadores antigos.