Comprensió dels termòmetres de pressió, resistència i fibra òptica

El funcionament fiable d'un Transformador immers en oli depèn en gran mesura de l'estabilitat del seu oli aïllant intern i de les temperatures dels bobinatges. El sobreescalfament és una de les principals causes de l'envelliment accelerat de l'aïllament, la degradació del rendiment i, en última instància, les fallades. Per tant, la monitorització de la temperatura és un dels aspectes més fonamentals i crítics del funcionament i el manteniment dels transformadors. Des dels dials mecànics tradicionals fins als sistemes intel·ligents de fibra òptica moderns, la història del desenvolupament del termòmetre és una evolució de la tecnologia de monitorització de transformadors, des de l'observació passiva fins a l'alerta primerenca activa.

 

Aquest article descriurà sistemàticament els tipus comuns de termòmetres utilitzats en transformadors immersos en oli i proporcionarà una anàlisi en profunditat dels seus principis de funcionament i escenaris d'aplicació.

 

Capítol 1: L'"arbre genealògic" dels termòmetres: una anàlisi detallada dels tres tipus principals

Segons els principis de mesura i la ubicació d'instal·lació, els termòmetres per a transformadors immersos en oli es divideixen principalment en les tres categories següents. Junts, formen una xarxa de monitorització tridimensional des de la temperatura superior de l'oli fins als punts calents dels bobinatges.

 

1. Termòmetre de pressió (termòmetre de lectura remota)

Principi de funcionament: Aquest és un instrument mecànic clàssic basat en l'expansió/contracció tèrmica i la transmissió de pressió líquida/gas. El sistema consta de tres parts:

 

Bulb de temperatura (sensor): s'insereix a l'oli a la part superior del tanc del transformador, omplert amb un medi sensible a la temperatura (per exemple, líquid, gas o líquid de baix punt d'ebullició).

 

Tub capil·lar: Un tub metàl·lic llarg i prim que connecta la bombeta al capçal del manòmetre, ple d'un medi transmissor de pressió.

 

Capçal indicador: muntat a la paret del dipòsit del transformador o al gabinet de control, potencialment a pocs metres de la bombeta. El seu nucli és un tub de Bourdon, un tub metàl·lic corbat i elàstic. Quan la bombeta s'escalfa, el canvi de pressió interna es transmet a través del capil·lar al tub de Bourdon, fent que es deformi. Aquesta deformació mou un indicador a través d'un mecanisme d'enllaç, que mostra la temperatura.

 

Característiques clau:

 

Purament mecànic, no requereix alimentació externa, excel·lent immunitat a les interferències electromagnètiques, molt alta fiabilitat.

 

El capçal del mesurador es pot muntar remotament per a una lectura local convenient.

 

Normalment equipat amb 1-2 contactes ajustables per a funcions d'alarma i de disrupció de sobretemperatura.

 

La precisió i la velocitat de resposta són relativament més lentes en comparació amb els tipus electrònics, i el tub capil·lar és susceptible a danys mecànics.

 

Aplicació típica: El dispositiu principal de monitorització i alarma per a la temperatura superior de l'oli, una característica gairebé estàndard en tots els transformadors immersos en oli.

 

2. Detector de temperatura de resistència (RTD, p. ex., PT100)

Principi de funcionament: Basat en la propietat que la resistència d'un conductor canvia amb la temperatura. L'element sensor més comú és un termòmetre de resistència de platí, amb PT100 que denota una resistència de 100 ohms a 0 °C. La seva resistència canvia de manera precisa i lineal amb la temperatura.

 

Components del sistema:

 

Sonda RTD de platí: instal·lada en un pou del termòmetre a la part superior del transformador, immersa en oli.

 

Pont de mesura i transmissor: Sovint integrat en una unitat de control intel·ligent. Un circuit precís mesura la resistència del PT100 i la converteix en un senyal de corrent estàndard de 4-20 mA o senyal digital.

 

Característiques clau:

 

Alta precisió de mesura, els senyals es poden transmetre a llargues distàncies, bona immunitat al soroll.

 

La sortida és un senyal elèctric estàndard, fàcilment integrable amb plataformes d'automatització com SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) i DCS (Distributed Control Systems) per a la monitorització centralitzada remota.

 

Sovint s'instal·la juntament amb el termòmetre de pressió, i serveix com a mitjà redundant o de més precisió per a la monitorització remota i el registre de la temperatura de l'oli.

 

Aplicació típica: S'utilitza per a la transmissió remota i la monitorització digital de la temperatura de l'oli superior, la pedra angular de les subestacions modernes automatitzades i sense vigilància.

 

3. Sistema de mesura de temperatura de bobinatge de fibra òptica (el mesurament directe de "punt calent" més avançat)

Principi de funcionament: Aquesta és actualment la tecnologia més directa i avançada per a la monitorització de la temperatura dels bobinatges. Es basa en la física de les xarxes de Bragg de fibra.

 

Sensor de fibra òptica de Bragg (FBG): Una variació periòdica de l'índex de refracció (una xarxa) s'escriu en un segment de fibra òptica especial mitjançant un làser. La seva propietat clau: La llum d'una longitud d'ona específica (longitud d'ona de Bragg) es reflecteix, i aquesta longitud d'ona reflectida canvia linealment amb els canvis de temperatura (o tensió) a la ubicació de la xarxa.

 

Procés de mesura: Un cable de fibra òptica flexible amb múltiples sensors FBG integrats s'insereix directament entre les capes d'aïllament dels debanaments d'alta tensió als punts més calents previstos durant la fabricació del transformador. El sistema emet llum de banda ampla i, analitzant la longitud d'ona específica reflectida per cada reixeta, pot obtenir amb precisió i en temps real la temperatura absoluta en diferents punts dins del debanament.

 

Característiques clau:

 

Mesura directa de la temperatura del punt calent del bobinatge, no estimació indirecta. Les dades són les més autèntiques i fiables.

 

Intrínsecament segura: la fibra òptica està feta de sílice, aïllant, resistent a alts voltatges i immune a interferències electromagnètiques, funcionant de manera estable en camps electromagnètics forts.

 

Mesura distribuïda: una sola fibra pot allotjar desenes de punts de detecció, cosa que permet obtenir un mapa tèrmic complet del bobinatge.

 

Facilitador clau per a la "classificació dinàmica" i l'avaluació de la vida útil dels transformadors.

 

Aplicació típica: transformadors grans i crítics (per exemple, EHV, transformadors convertidors), subestacions intel·ligents que requereixen gestió de la capacitat de càrrega.

 

Capítol 2: Aclariment dels conceptes clau: temperatura de la part superior de l'oli vs. temperatura del bobinatge

Aquest és un concepte crucial i el punt de partida per seleccionar els tipus de termòmetres.

 

Temperatura superior de l'oli: Mesura la temperatura de l'oli a la part superior del tanc. Reflecteix la càrrega tèrmica general del transformador, però té un retard tèrmic. Quan canvia la càrrega, la temperatura del bobinatge canvia més ràpidament, seguida de la temperatura de l'oli. Els termòmetres de pressió i els RTD mesuren això.

 

Temperatura del punt calent del bobinatge: es refereix al punt més calent de tot el transformador, normalment situat a la part superior del bobinatge de baixa tensió. És el paràmetre més crític que determina la velocitat d'envelliment de l'aïllament i la capacitat de càrrega. Els mètodes tradicionals no la poden mesurar directament, sinó que es basen en un indicador de temperatura del bobinatge (WTI) que la simula/estima mitjançant la "correcció de la temperatura superior de l'oli + corrent". La mesura per fibra òptica és l'única tecnologia que la pot mesurar directament i amb precisió.