Introducció
En els sistemes elèctrics moderns, els transformadors actuen com a reguladors del món elèctric, donant suport al funcionament estable de la xarxa elèctrica. Tant si es tracta dels tipus comuns al costat de la carretera com de les unitats gegants de les subestacions, les seves estructures bàsiques comparteixen una lògica comuna arrelada a la ciència dels materials. Avui parlarem d'aquests materials essencials en transformadors.
Nucli
El component més crític d'un transformador-el nucli- utilitza gairebé exclusivament làmines d'acer al silici. Aquest material està lluny de l'acer normal. Es basa en acer estàndard amb l'addició d'un 2-5% de silici i se sotmet a processos especials de laminació i recuit.
Per què acer al silici?
-L'addició de silici redueix significativament les pèrdues de ferro (histeresi i pèrdues per corrents de Foucault).
L'acer al silici orientat -gra-ofereix una permeabilitat magnètica superior en la direcció de rodament.
-El recobriment d'aïllament de la superfície evita curtcircuits entre capes alhora que suporta altes temperatures de recuit.
Curiosament, el mètode de laminació del nucli també reflecteix el nivell d'experiència de fabricació. La tècnica d'apilament de voltes ara-passos corrents-permet un camí magnètic més continu, reduint les pèrdues sense-càrrega un 10-15% en comparació amb els mètodes tradicionals de voltes posteriors.
Sinuós
L'elecció del material de bobinat és essencialment un concurs entre coure i alumini, amb cada material amb les seves àrees d'aplicació dedicades.
Els bobinatges de coure segueixen sent l'opció preferida per als transformadors{0}}d'alt rendiment:
-La conductivitat és d'aproximadament 58 MS/m, el que resulta en un volum de bobinat més petit per a la mateixa capacitat.
-L'alta resistència mecànica li permet suportar forces electromagnètiques de curt-circuits més grans.
-La tecnologia madura de processament conjunt garanteix una fiabilitat operativa validada durant un segle d'ús.
Els bobinatges d'alumini tenen avantatges en aplicacions-sensibles als costos:
-El preu sol ser només d'un-terç a-la meitat del del coure.
-La menor densitat redueix el pes total del transformador en un 20-30%.
-Els avenços recents en la tecnologia d'aliatge d'alumini han abordat problemes relacionats amb la fluïdesa i les connexions.
Sistema d'aïllament
L'evolució dels materials aïllants reflecteix l'avenç de la tecnologia dels transformadors.
Els materials aïllants sòlids s'han convertit en un sistema complet
-El tauler de premsa aïllant serveix com a marc d'aïllament principal.
-El paper d'aramida Nomex® s'utilitza en escenaris-d'alta temperatura (classe H i superior).
-S'utilitzen taulers de fibra de vidre epoxi per als components de suport mecànic.
La selecció de mitjans aïllants líquids reflecteix la saviesa adaptativa basada en les condicions locals
-L'oli mineral continua sent dominant i representa més del 75% de la quota de mercat mundial.
-Els èsters naturals (olis vegetals) estan experimentant un ràpid creixement a les regions amb requisits ambientals estrictes.
-L'oli de silicona i els fluids fluorats s'utilitzen en aplicacions especialitzades resistents al foc-.
L'aïllament dels transformadors de tipus-sec té una tendència a la diversificació
-La tecnologia de fosa de resina epoxi és madura i ofereix una excel·lent resistència a la humitat.
La -impregnació per pressió-al buit (VPI) amb refrigeració d'estructura-oberta ofereix una millor dissipació de la calor.
-Els materials aïllants semisòlids respectuosos amb el medi-desenvolupats en els darrers anys equilibren el rendiment amb la reciclabilitat.
Components estructurals
Aquestes peces estructurals poc visibles amaguen nombroses complexitats:
El material per als dipòsits de petroli ha evolucionat des de l'acer al carboni normal fins a l'acer per a la intempèrie. Avui en dia, un nombre creixent de transformadors estan adoptant dissenys de revestiment d'acer inoxidable, especialment a les zones costaneres i altament contaminades.
Un petit però crític detall: el recobriment anticorrosió dins dels dipòsits d'oli és ara predominantment pintura semi-conductora. Això no és només per estètica-, serveix per distribuir uniformement el camp elèctric dins del dipòsit, evitant així la descàrrega parcial.
Canvis impulsats per les tendències ambientals
Oli aïllant biodegradable
La tensió de ruptura dels olis aïllants d'origen vegetal-com ara l'oli de soja i l'oli de colza supera ara els 60 kV/2,5 mm.
Passivació-lliure de crom
El recobriment de les làmines d'acer al silici està canviant d'alternatives basades en cromat-a fosfat-ecològiques.
Materials renovables
El tauler de premsa aïllant reforçat amb fibra de bambú-ha entrat a l'etapa d'aplicació de prova.
Acer baix-de carboni
L'acer produït mitjançant la tecnologia de procés curt{0}}del forn elèctric redueix la seva petjada de carboni en un 40%.
Selecció
En seleccionar els materials del transformador, els enginyers estan resolent essencialment una equació multivariant: on el cost inicial, les pèrdues operatives, les expectatives de vida útil, els requisits de manteniment i les consideracions ambientals serveixen com a variables. Per exemple:
Centres de dades
Els centres de dades poden optar per transformadors d'oli d'èster natural amb un preu un 30% més alt, valorant el seu rendiment resistent al foc de nivell K4-.
parcs eòlics marí
Els transformadors per a parcs eòlics en alta mar inclouran dissenys anticorrosió millorats, fins i tot amb un augment de costos del 15%.
centres urbans
Els transformadors de distribució als nuclis urbans tendeixen a afavorir els dissenys de tipus sec-que, malgrat una eficiència lleugerament inferior, eliminen el risc de fuites d'oli.
Conclusió
La propera vegada que vegeu un transformador al carrer, potser el veureu amb una mica més de comprensió-dins d'aquesta caixa hi ha un segle de saviesa de científics de materials i enginyers elèctrics. Des de l'aïllament d'asfalt de l'era d'Edison fins als materials aïllants nanocomposts actuals, cada evolució dels materials del transformador representa un delicat equilibri entre seguretat, eficiència i cost.
Com seran els futurs materials per als transformadors? Els superconductors d'alta-temperatura ja han fet avenços als laboratoris i les patents de paper aïllant-millorat de grafè augmenten any rere any. No obstant això, no importa com canvien els materials, l'objectiu principal es manté inalterat: fer que la conversió d'energia sigui més segura, més eficient i més fiable.