Thales Sousa Universidade Federal do ABC

Transcrição

1 XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétri SENDI a 10 de novembro Curitiba - PR - Brasil Thales Sousa Universidade Federal do ABC thales.sousa@gmail.com Jose Antonio Jardini Fumiaki Uemura Masao Yasiro jose.jardini@gmail.com fumiaki@densitel.com.br laboratorio@densitel.com.br Joao Carlos Carneiro Companhia Paulista de Força e Luz carneiro@cpfl.com.br Adriano Nicioli Companhia Paulista de Força e Luz nicioli@cpfl.com.br Marco Aurélio Bini Companhia Paulista de Força e Luz mabini@cpfl.com.br Transformador Móvel Com Alta Densidade de Potência: Testes de Fábrica Palavras-chave Licença Especial Nomex Transformador Móvel Óleo Vegetal Resumo O aumento da demanda de energia elétrica e a busca pelo ganho de confiabilidade da rede elétrica têm elevado o interesse dos fabricantes e concessionárias de energia no que diz respeito ao desenvolvimento dos limites operativos dos equipamentos. De maneira a atender esse objetivo, o emprego de novos materiais tem sido cada vez mais explorado. No que tange os transformadores de potência, o emprego de novos materiais tem dado ênfase aos isolantes sólidos (Nomex) e líquidos (óleo vegetal). Nesse sentido, o presente trabalho apresenta os testes de fábrica de um transformador móvel com alta densidade de potência a partir do emprego de novos materiais. O adensamento de potência proposto tem como objetivo alocar o máximo de potência ao transformador, considerando dimensões e peso que não necessitem de licença especial para tráfego. 1. Introdução O transformador de potência é um dos equipamentos mais importantes do sistema de distribuição, sendo responsável por transferir energia elétrica ou potência elétrica de um circuito a outro, transformando tensões e correntes de um circuito elétrico. Em muitas situações, resultantes de contingências ou aumento de demanda por períodos pré-determinados, as redes de 1/10

2 transmissão e distribuição estão limitadas quanto à realização de operações ou manobras, por estarem operando próximo ao limite de carregamento; ou não têm condições de realizar obras de expansão, em função da relação entre a necessidade e o tempo de obra. Nesses casos, são utilizados transformadores ou subestações móveis que possibilitam a minimização dos transtornos e corte de cargas, decorrentes das condições impostas anteriormente. Um grande problema é que em muitos casos, quando da necessidade de transportar os transformadores ou subestações móveis em vias de transporte normais, há a necessidade de definir esquemas de transporte e esquemas especiais de acompanhamento de tráfego, podendo retardar o atendimento previsto (Hamoud, 2008). Nessas situações, unidades móveis compactas construídas a partir do emprego de novos materiais isolantes, que tenham um limite de operação maior a altas temperaturas, atenderiam as necessidades impostas. Assim, foi proposta a construção de um transformador móvel de alta densidade de potência com base nas recomendações dadas em Std (IEEE, 1997). Ademais, no Brasil, existem valores limites para o peso e dimensões físicas que devem ser cumpridas a fim de evitar a necessidade de licença especial de trânsito. Para a configuração do transformador móvel proposto, os limites são: peso total (incluindo caminhões e semi-reboque) igual a 53,0 t; comprimento máximo igual a 18,6 m, largura máxima de 2,6 m e altura máxima igual a 4,4m, como representado na Fig. 1. Figura 1 - Limites de peso e de dimensões físicas que devem ser atendidos de maneira a evitar a necessidade de licenças especiais de tráfego A ideia por trás deste projeto foi obter o máximo possível de potência mantendo as dimensões e o peso a um nível que não requer licença especial para se mover nas estradas. Neste sentido, o presente trabalho apresenta as características do transformador móvel com alta densidade de potência, bem como os resultados obtidos a partir de teste de fábrica. 2. Desenvolvimento 2.1 Variáveis do Projeto e Racionalização do Processo Construtivo A. Resultados do Projeto O projeto inicial previa uma potência de MVA. Porém, com o desenvolvimento da pesquisa e a exploração das características térmicas dos novos materiais, verificou-se que a potência poderia alcançar o valor de MVA (Sousa et al., 2014). 2/10

3 Nesse sentido, um projeto com os pesos dos enrolamentos e do núcleo inferiores ao conceito inicial proposto foi desenvolvido. Os pesos atuais obtidos são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 - Resultado do Projeto - Pesos Potência (MVA) Peso do Núcleo (kg) Peso do Cobre (kg) Peso da Parte Ativa (kg) Os materiais isolantes inicialmente previstos para MVA eram compostos de papel Kraft e Nomex em uma isolação híbrida. Nessa condição, somente os pontos críticos seriam utilizados o Nomex, visto que tem custo muito superior em relação ao papel Kraft. Para atingir os novos valores de potência (30-40 MVA), o ambiente interno ao tanque do transformador atingiria elevadas temperaturas que o papel Kraft não suportaria. Desta forma, optou-se por utilizar a isolação sólida desenvolvida 100% em Nomex, inclusive nas capas isolantes (DuPont, 2016). Tal isolação, associada ao emprego de óleo vegetal suportaria a condição de elevadas temperaturas. Ademais, para obter uma potência entre os valores de 30 e 40 MVA e atender aos limites de pesos e dimensões desejadas para tráfego sem licença especial, foi necessário o aumento de temperatura de trabalho dos enrolamentos e dos materiais isolantes. Para tanto, foi proposto um sistema complementar de resfriamento composto por três módulos. São eles: conjunto de trocadores de calor aletados com ar forçado em série, sistema de nebulização e um trocador de calor a placas com resfriamento com água gelada produzida em Chiller. B. Características Finais de Projeto O desenho do transformador considerando as suas dimensões é apresentado na Figura 2. A Figura 3 ilustra o préprojeto do caminhão de transporte, considerando o transformador móvel. A Tabela 2 apresenta a tensão nominal especificada para o projeto transformador. Tabela 2 - Resultado do Projeto - Enrolamentos Enrolamentos Tensão (kv) Taps Alta 138/88/69 145/138/131/123/117 Baixa 24/13,8;11,95-3/10

4 Figura 2 - Dimensões do transformador 4/10

5 Figura 3 - Pré-projeto da carreta de transporte A potência de 30 MVA foi obtida no mínimo valor de tap para o enrolamento de alta tensão. Os Enrolamentos e as posições onde foram inseridos os sensores ópticos são apresentados na Figura 4. Figura 4 - Enrolamentos e posições dos sensores ópticos 2.2 Sistema de Monitoramento O sistema de monitoramento é composto por sensores de temperatura via fibras ópticas instaladas no transformador, um Dispositivo Eletrônico Inteligente (Intelligent Electronic Device - IED) e um sistema de comunicação GPRS que realizará a comunicação com o centro de controle. Sensores de temperatura PT100 também foram instalados no topo do óleo e na entrada e saída do óleo para o sistema de troca de calor. Os dados aquisitados são enviados via sistema de comunicação GPRS à sala de controle pré-definida, permitindo a gestão otimizada do despacho e operação do transformador. Dessa forma, a partir das informações coletadas será possível realizar consultas voltadas à operação e manutenção preventiva do equipamento monitorado. O sistema de monitoramento proposto deu suporte aos testes de fábrica realizados junto ao transformador. 2.3 Resultados dos Testes de Fábrica Os testes de fábrica foram realizados inicialmente para uma potência de 32 MVA. Porém, para essa potência o transformador resultou em uma elevação de temperatura maior que a especificada em projeto. Por conseguinte, de 5/10

6 forma a adequar ao valor especificado de elevação, foi feita a correção da potência para o valor de 30MVA, definindo assim a potência máxima de operação do transformador. A seguir são apresentados os seguintes resultados dos testes de fábrica: - Perdas em Vazio; - Perda de Potência Nominal (tensão mínima do enrolamento de alta tensão); - Impedância de Curto-circuito; - Aumento da Temperatura (em condição nominal); - Resistência Média dos Enrolamentos. a) Resistência dos Enrolamentos As resistências foram medidas em vazio a uma temperatura de 26 C. A Tabela 3 apresenta os valores de resistências medidos. Tabela 3 - Resultado do Projeto - Resistência dos Enrolamentos Enrolamentos Resistência (ohm) Alta 7,2 a 7,6 (dependendo da posição do tap) Baixa 0,190 b) Perdas em Vazio As perdas em vazio obtidas nos testes de fábrica foram de 10,4 kw. As perdas no cobre a uma temperatura de 150 C foram de 933 kw (para o pior tap) e as perdas totais obtidas foram de 944 kw. c) Impedância de Curto-circuito A impedância de curto-circuito obtida durante os testes de fábrica foram de 111 ohm a 176 ohm, dependendo da posição do tap do transformador. d) Aumento de Temperatura em Potência Nominal O teste de aumento de temperatura foi feito para o tap de tensão mínima do enrolamento de alta tensão (117kV) e 6/10

7 potência igual a 32 MW, resultando em uma corrente igual a 158,9 A. O aumento da temperatura do topo do óleo e da temperatura absoluta são apresentados na Figura 5. Figura 5 - Teste de aumento de temperatura em condição nominal e mínima tensão do enrolamento de alta tensão e) Medição da Temperatura do Ponto Mais Quente A curva de resfriamento do enrolamento (após a temperatura nominal ser atingida) é apresentada na Figura 6. Figura 6 - Curva de resfriamento do enrolamento 7/10

8 O valor de resistência média obtido para o enrolamento de baixa foi igual a 0,290 ohm e para o enrolamento de alta foi igual a 0,6 ohm. A constante de tempo de temperatura do enrolamento (ponto mais quente) resultou em aproximadamente 2,5 min. Este valor foi obtido para medidas de temperatura no ponto mais quente iguais a 120 C (enrolamento de alta) e 165 C (enrolamento de baixa) em potência nominal. f) Cálculo da Temperatura do Ponto Mais Quente a Partir do Carregamento do Transformador A Equação (1) permite o cálculo da temperatura do ponto mais quente a partir do carregamento do transformador (IEC, 2004). (1) Sendo: qh é a temperatura do ponto mais quente; qa é a temperatura ambiente; Dqor é a elevação do topo do óleo em potência nominal (= 78 o C); R é a relação entre as perdas sob carga e em vazio (= 89,7); Hgré o gradiente entre o topo do óleo e o ponto quente para potência nominal (= 41,6 o C); x,y são constantes a serem determinadas em ensaio (para o presente transformador foram considerados x = 0,9 e y = 1,6); K é o valor da potência dividido pelo valor da potência nominal. A Figura 7 ilustra o transformador móvel durante os testes de fábrica. 8/10

9 Figura 7 - (a) Visão geral da construção do transformador, (b) Detalhes do sistema de troca de calor Nesse ponto, vale destacar que para operação com potência superior a 30 MVA, considerando o intervalo de 30 a 40 MVA, foi considerado o emprego do sistema de resfriamento complementar. Nesse caso, em ensaios de operação, o transformador após recebido o resfriamento complementar do óleo vegetal, teve sua capacidade de operação aumentada para o valor de 39,5 MVA, com propensão a alcançar maiores patamares de potência, mantendo as condições de operação do óleo dentro dos limites adequados de elevação de temperatura (Oliveira et al., 2016). 3. Conclusões O emprego de transformadores móveis minimizam alguns inconvenientes, bem como evita o corte de cargas, proporcionando o fornecimento contínuo de energia ao sistema. Consequentemente, o emprego de transformadores móveis ajuda a manter bons índices de energia, mitigando alguns dos riscos regulatórios. Quando necessário, transportar transformadores de grande porte é caro, e esquemas de transporte especiais (rotas especiais, batedores etc.) retarda o atendimento ao consumidor. Neste projeto específico, o desafio proposto foi o de construir um transformador móvel com alta densidade de potência, com carregamento flexível e transporte de logística simples, satisfazendo as necessidades da rede elétrica. Para fazer isso, novos conceitos, processo de construção e os materiais tiveram de ser considerados. Para tanto, foi necessário desenvolver um projeto específico de maneira a racionalizar as variáveis de projeto e processo construtivo. 9/10

10 As principais dificuldades encontradas estão relacionadas ao sistema de transporte, resultado dos limites de peso e dimensão impostos ao projeto; à utilização da isolação sólida 100% em Nomex, uma vez que até os dias de hoje não se construiu capas do transformador em Nomex; e ao dimensionamento dos trocadores de calor, uma vez que é objetivo do projeto dissipar as perdas, com a maior eficiência e com o menor nível de ruído possível. Adicionalmente, verificou-se que o emprego do resfriamento complementar do óleo vegetal permitiu um aumento da potência de até 32% (em relação ao valor de 30 MVA), com propensão a alcançar maiores patamares de potência devido a maior capacidade existente da unidade de resfriamento. Estes resultados se mostram promissores no que diz respeito a compactação de transformadores móveis de alta tensão. Por fim, os resultados apresentados pelos testes de fábrica se mostraram satisfatórios, validando os objetivos propostos no que tange o desenvolvimento de um transformador móvel com alta densidade de potência para tráfego sem licença especial. 4. Referências bibliográficas Oliveira, C. C. M.; Brittes, J. L. P.; Junior, V. S.. Avaliação do Resfriamento complementar de óleo vegetal de transformador móvel de alta potência. Submetido ao XXII SENDI, Curitiba, DuPont. Nomex Tipo 410. Disponível em: Acesso em: 25/04/2016. Hamoud, G.A. Use of mobile unit transformers in high voltage load stations, In: 2008 Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, Pittsburgh, PA, July pp IEEE, Std : IEEE Guide for the Application of High-Temperature Insulation Materials in Liquid-Immersed Power Transformers, International Electrotechnical Commission. Power Transformers - Part 14: Design and application of liquid-immersed Power transformers using high-temperature insulation materials, 2004, Switzerland. Sousa, T.; Jardini, J. A.; Bini, M. A.; Carneiro, J. C.; Uemura, F.; Brittes, J. L. P.. Characteristics of High Power Density Transformer without a Special License to Traffic IEEE T&D Latin America 2014, Medellin, Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), a CPFL Paulista (Companhia Paulista de Força e Luz - Paulista) e a RGE (Rio Grande Energia) pelo apoio financeiro e técnico fornecidos. 10/10