Index Terms Distribution Transformer, electronic tap changer, voltage regulation,

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1 1 Comutador Eletrônico de TAPs Aplicado a um Transformador de Distribuição Monofásico L. Schuch, R.C. Beltrame, F.E. Cazakevicius, R.C. Figueiredo, L. Michels, C. Rech, T.B. Marchesan, C.J. Quadros * Universidade Federal de Santa Maria UFSM Av. Roraima nº Cidade Universitária - Camobi - Santa Maria - RS - CEP * Centrais Elétricas de Carazinho S/A ELETROCAR Av. Pátria, nº Sommer - Carazinho - RS - CEP Abstract Distribution transformers are applied along to the power system in order to provide adequate voltage levels to the final users. However, the voltage regulation is still be a problem due to the no load tap changer commonly employed to distribution transformers. The use of no load tap changer is mainly justified by on load tap changers costs in this power class. Based on that, this paper presents the review of some electronic alternatives, studied in the literature, to employ on load electronic tap changer to distribution transformers. Besides, one circuit topology is studied and analyzed together with its control and protection features in order to electronic regulate the voltage in a single-phase distribution transformer. Index Terms Distribution Transformer, electronic tap changer, voltage regulation, I. INTRODUÇÃO omutadores de taps (também denominados tap changers) C em transformadores de distribuição são amplamente empregados nas redes de distribuição. Estes comutadores são empregados para ajustar a relação de transformação destes transformadores de modo que os consumidores finais sejam atendidos com uma tensão de fornecimento adequada às normas estabelecidas pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica, Brasil) [1]. Este ajuste, que é realizado pelas concessionárias de energia, se faz necessário devido as diferentes características de cada rede, tais como os diferentes comprimentos de cada alimentador e o nível de carregamento dos transformadores. Os comutadores de taps convencionais empregados em transformadores de distribuição empregam dispositivos mecânicos de comutação, cujas principais vantagens são a robustez e custo reduzido. Contudo, estes comutadores apenas podem ser comutados por uma equipe especializada in loco com o equipamento desenergizado, o que torna o procedimento dispendioso financeiramente, além de elevar as taxas de DEC e FEC a serem atendidas pela concessionária. Devido a estas características dos comutadores mecânicos, o procedimento de comutação do tap nestes equipamentos é raramente realizado. Tal operação somente é realizada quando há reclamação de uma unidade consumidora ou através da detecção, pela concessionária de energia elétrica, de níveis de tensão fora dos padrões determinados pela ANEEL. Por estes motivos, os comutadores mecânicos de taps não Este trabalho é financiado pela Centrais Elétricas de Carazinho S/A ELETROCAR. podem ser empregados para melhoria da qualidade de energia através da regulação dinâmica da tensão de atendimento. Comutadores de taps que possibilitam a mudança de taps com o sistema energizado (on load tap changer) baseados em sistemas eletromecânicos têm sido empregados em média e alta potência, por exemplo, em transformadores de subestações. Contudo, devido ao seu elevado custo, estes sistemas não são empregados em redes de distribuição urbanas e rurais. No intuito de prover ao consumidor final uma energia de qualidade, evitando sub-tensões durante o dia e sobre-tensões no período noturno, a comutação eletrônica de taps para transformadores de distribuição tem sido cada vez mais abordada em diversos trabalhos na literatura [3, 12, 21]. Destaca-se que o problema da regulação de tensão deve tornar-se cada vez mais crítico, em especial com o advento da geração distribuída, quando novas fontes geradoras de energia são conectadas à rede elétrica de distribuição [2]. Comutadores sem partes mecânicas, empregando apenas chaves eletrônicas, são uma solução recente [5]. Essa tecnologia pode ser economicamente competitiva com relação aos sistemas eletromecânicos por apresentar vantagens como a reduzida manutenção, prolongada vida útil e rápido reparo e substituição de dispositivos. Além da robustez e tolerância a transientes, características de um transformador clássico, é possível obter maior controle e velocidade nas comutações, melhorando a qualidade da energia entregue à carga. Aliado a isso, técnicas de controle e de análise da qualidade da energia elétrica fornecida ao consumidor podem minimizar, ou mesmo eliminar, a necessidade de intervenção humana no comando do comutador de taps, reduzindo os custos de operação. II. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA As principais topologias de comutadores de taps com o sistema energizado (on load tap changer) encontradas na literatura para transformadores de distribuição são apresentadas a seguir: A. Topologias empregadas em comutadores de taps 1) Comutadores mecânicos assistidos por circuito eletrônico Buscando minimizar os efeitos do arco elétrico na comutação dos taps de transformadores, que compromete os contatos das chaves mecânicas bem como a qualidade de refrigeração do óleo do transformado, diversos trabalhos sugerem a substituição dos elementos passivos (resistores e/ou

2 2 Fig. 2 Comutador de taps proposto [13]. Circuito de desvio. Circuito auxiliar. Fig. 1 Comutador de taps proposto por [11]. Circuito proposto. Comando das chaves bidirecionais em corrente e tensão A e B. indutores) empregados nos comutadores mecânicos de taps por circuitos que contemplam chaves semicondutoras controladas (IGBTs, GTOs, etc) ou semicontroladas (Tiristores) [11] conforme Fig. 1. Um comutador de taps baseado em chaves estáticas deve apresentar alta confiabilidade, vida-útil equivalente ao comutador mecânico, fácil manutenção e possibilidade de controle remoto. Além disso, deve operar com temperatura de 70ºC (temperatura do transformador) e não apresentar partes móveis [1]. O circuito de assistência baseado em tiristores é conhecido por circuito de desvio (diverter). Os objetivos são minimizar as perdas de condução, bem como o arco elétrico observado no instante da abertura de um tap. Assim, os tiristores são projetados para conduzir por um curto período de tempo, apenas durante a comutação do seletor de taps. Após a conclusão da comutação de um tap para o seguinte, realizada através dos tiristores, o comutador assume a corrente de carga, quando os tiristores podem ser bloqueados na passagem por zero da corrente. Salienta-se que todo o processo de acionamento/bloqueio dos tiristores deve ser sincronizado com a comutação do seletor. Um detalhe acerca da implementação das chaves bidirecionais em corrente e tensão, bem como do circuito de comando, é representado na Fig. 1. De modo semelhante, em [13] é proposto um novo método para mudança de taps sob carga usando dispositivos de estado sólido (interruptores a vácuo) e chaves a vácuo, conforme Fig. 2. Este circuito é empregado em conjunto com um comutador de taps convencional. Ainda, um circuito auxiliar composto por um transformador, um varistor e uma chave de estado sólido, conforme representado na Fig. 2, é necessário para o bloqueio da chave a vácuo V A. Apesar do processo de comutação demandar alguns segundos, a utilização deste sistema reduz o tempo com relação ao uso de taps mecânicos. Em [4] propõe-se o circuito representado na Fig. 3 onde são empregados GTOs ou IGBTs, a função de tal circuito é proporcionar o desvio da corrente de carga enquanto que as chaves mecânicas (C 1 a C 3 ), responsáveis pela seleção dos taps aplicado a um transformador n taps. Ao final do processo de comutação, o circuito é desativado, quando se emprega as chaves mecânicas de by-pass C 4 ou C 5. 2) Comutadores eletrônicos Na década de 1980, a disponibilidade de chaves semicondutoras de baixo custo para aplicações da ordem 40 A e 800 V, como tiristores e triacs, tornou possível a substituição dos comutadores mecânicos de taps por circuitos eletrônicos equivalentes em aplicações de baixas potências (na ordem de até 10 kva) [10]. Uma vez que o pico de corrente nãorepetitiva proporcionada por essas chaves semicondutoras é muito superior (na ordem de 10 vezes, por exemplo) a sua capacidade de corrente repetitiva, a necessidade de sobredimensionamento dos semicondutores em função das sobrecorrentes no momento da comutação dos taps pode ser eliminada. Buscando a otimização do projeto de comutadores eletrônicos de taps segundo critérios definidos a priori (como redução no número de chaves e custo), em [5] é realizada uma comparação de diferentes configurações de comutadores eletrônicos. Sendo necessários 20 degraus de tensão, proporcionados pela comutação dos taps do transformador, para altas tensões, ao passo que apenas 4 ou 5 são demandados para transformadores de distribuição. A Fig. 4 apresenta a configuração de comutador de taps mais empregada em transformadores de potência na Europa [5]. Cabe observar que a bobina principal é seccionada no centro e cada metade pode ser conectada em série com outros dois taps através de chaves semicondutoras bidirecionais, proporcionando um total de 5 degraus de tensão. A configuração apresentada na Fig. 4 resulta na possibilidade de obtenção de 4 degraus de tensão sem alterar os enrolamentos principais ou auxiliares do transformador. Um comutador baseado em chaves estáticas bidirecionais (tiristores) aplicado a um transformador de distribuição (800 kva, 20 kv/400 V), que proporciona um grande número de Fig. 3 Comutador de taps proposto por [4].

3 3 Fig. 4 Configurações de comutadores de taps analisadas em [5]. Configuração convencional em transformadores de média e baixa tensão na Europa. Configuração proposta para a obtenção de nove degraus de tensão. steps de tensão empregando um reduzido número de chaves semicondutoras, é proposto por [3]. Uma análise de otimização buscando identificar qual arranjo de taps reduz o número de chaves semicondutoras para um dado número de steps de tensão. Inicialmente, são propostos três arranjos de tiristores e diodos para a implementação de chaves bidirecionais em corrente e tensão, ver Fig. 7. Três estruturas obtidas pela metodologia de otimização proposta são apresentadas neste artigo: Com número mínimo de interruptores (Fig. 6 ); Com menores esforços de tensão sobre as chaves semicondutoras (Fig. 6 ); Com menor número de taps (Fig. 6 (c)). Cabe ressaltar que as estruturas são assimétricas, ou seja, a tensão entre os taps não é idêntica. Uma análise semelhante é desenvolvida em [15]. Por outro lado, o trabalho desenvolvido por [12] e [18] não propõe configurações novas, mas, sim, foca na implementação de um comutador eletrônico de taps em configuração clássica empregando IGBTs. A patente [19] apresenta um comutador de taps baseado em tiristores, GTOs ou IGBTs aplicado ao lado de alta tensão de um transformador trifásico. Diferentes métodos de regulação de tensão são propostos, como o método clássico de variação da relação de transformação em cada fase (in-phase), representado na Fig. 7, bem como o método de regulação por quadratura (empregando núcleos adicionais), adicionais o que Fig. 5 Comutador de taps convencional (regulação in phase) [19]. pode não ser vantajoso sob o ponto de vista dos custos finais do produto e/ou da complexidade de implementação do transformador, conforme representado na Fig. 8. Outro sistema eletrônico para comutação de taps de transformadores sob carga é proposto em [20] ver Fig. 9. Conforme se observa, o circuito não difere muito da estrutura clássica de comutadores de taps. Adicionalmente, é abordado, sem muitos detalhes, a implementação do circuito principal (com tiristores), o sistema de detecção e seleção de taps, os procedimento de operação e o sistema de proteção na energização e desligamento do transformador. O problema da regulação de tensão em redes rurais é discutido em [21]. No caso específico, o problema reside na distância das comunidades rurais dos grandes centros, visto que, as comunidade rurais apresentam baixa densidade populacional e baixo consumo de energia, o custo de instalação do sistema elétrico eleva-se. Devido ao elevado comprimento do ramal de média tensão sua impedância causa quedas de tensão, onde esta determina o comprimento da linha em especial do condutor. Nessas aplicações, os transformadores utilizados são monofásicos isolados com retorno pelo terra (SWER singlephase lines earth return). Nesse caso, protetores de surges (impulsos) devem ser usados para proteger o sistema de taps eletrônicos. O circuito proposto por [21] é apresentado na Fig. 9. III. SISTEMA DE REGULAÇÃO PROPOSTO A. Topologia A topologia empregada no comutador eletrônico de taps proposto é a que melhor adapta-se ao projeto usualmente empregado nos transformadores no país. Salienta-se que, como determinação, a norma NBR 5440 [2] impõe a existência de, ao menos, três taps em transformadores monofásicos de distribuição. Nesse sentido, buscando maximizar a capacidade de regulação da tensão fornecida ao usuário dentro dos níveis adequados definidos pelo PRODIST [9], propõe-se o emprego de uma topologia com (c) Fig. 6 Arranjos ótimos de comutadores de taps propostos em [3]. Considerando o menor número de chaves. Considerando o menor esforço de tensão nas chaves. (c) Considerando o menor número de taps. Fig. 7 Possíveis arranjos para a implementação de chaves bidirecionais em corrente e tensão [3].

4 4 Fig. 10 Comutador de taps que emprega o método de regulação por quadratura (combinação entre fases, empregando núcleos adicionais) [19]. cinco taps, a qual é apresentada na Fig. 11. Essa topologia possui a configuração de taps definida conforme a Tabela I. Em função dos níveis de tensão e dos baixos níveis de corrente no lado de alta tensão (AT) do transformador, optouse pelo emprego de IGBTs em configuração anti-série [23]. Assim, a estrutura de potência do comutador eletrônico de taps é representada na Fig. 11 e as chaves semicondutoras bidirecionais empregadas na Fig. 11. TABELA I DERIVAÇÕES E RELAÇÕES DE TENSÃO PARA O TRANSFORMADOR EMPREGADO Taps Tensão primária (V H) Tensão secundária (V x) N 7 N V* N 7 N V N 5 N V 220 V N 5 N V N 3 N V * Nível nominal de tensão. O comutador eletrônicos de taps proposto, englobando os diagramas dos principais circuitos auxiliares necessários à sua operação, é apresentado na Fig. 12. Conforme pode-se observar na Fig. 12, no primário do Fig. 11 Comutador eletrônico de taps proposto. Circuito e conexões ao transformador. Implementação das chaves semicondutoras bidirecionais. transformador emprega-se um transformador de corrente (TC) com classe de isolação de 15 kv. O TC é empregado para realizar a medição da corrente no primário de modo a sincronizar a comutação das chaves semicondutoras dos taps no cruzamento da corrente por zero. O emprego de um TP no primário tem por objetivo aumentar a confiabilidade do sistema, uma vez que, caso a alimentação dos circuitos supracitados fosse derivada do secundário do transformador, um evento de falha no circuito de potência do comutador eletrônico de taps poderia comprometer a disponibilidade de tensão no secundário do transformador, e, por consequência, deixar o circuito de controle sem alimentação. Além disso, destaca-se na Fig. 12 a medição isolada da tensão no secundário do transformador. Essa informação é necessária para a tomada de decisão, por parte do circuito de controle, por comutar ou não os taps, obedecendo à lei de controle implementada em um processador digital de sinais (DSP). Finalmente, cabe destacar, que a interface entre o circuito de controle e os circuitos de acionamento (gate-driver), responsáveis pelo comando das chaves semicondutoras é realizada por meio de um canal de fibra óptica, proporcionando elevados níveis de isolação e alta imunidade a ruídos eletromagnéticos. B. Proteção O circuito de proteção é apresentado na Fig. 13, sendo que esse constitui uma parte fundamental do desenvolvimento de um comutador eletrônico de taps, tendo como propósitos: (i) Fig. 8 Comutador de taps convencional proposto por [20]. Fig. 9 Comutador de taps proposto por [21] aplicado a um sistema monofilar de retorno por terra (áreas rurais). Fig. 12 Comutador eletrônico de taps proposto e respectivos circuitos auxiliares.

5 5 Vx_rms Vo_max Vo_min GTh5 GTh4+1.2 GTh3+2.4 GTh2+3.6 GTh ITh1 ITh2 ITh3 ITh4 ITh5 1.5 Fig. 13 Esquemático das proteções do comutador eletrônicos de taps. garantir o funcionamento do comutador eletrônico de taps quando da energização do transformador; (ii) proteger as chaves semicondutoras do comutador eletrônicos de taps contra sobrecorrentes quando da ocorrência de um de curtocircuito no secundário do transformador; (iii) proteger as chaves semicondutoras do comutador eletrônicos de taps contra sobretensões devido ao bloqueio sob corrente (spikes de tensão), sobretensões provenientes da rede de alimentação e sobretensões por operação inadequada do comutador eletrônicos de taps; e (iv) proteger os circuitos de potência e controle do comutador eletrônico de taps contra sobretensões ocasionadas por descargas atmosféricas ocorridas no lado de alta e/ou baixa tensão do transformador. C. Controle e Gerenciamento O sistema de controle implementado baseia-se em um controlador por histerese. Nesse caso, são estabelecidos um limite inferior (V x_min ) e um limite superior (V x_max ) para o nível de tensão medido no secundário do transformador (V x ). Quando esses limites são ultrapassados, as chaves semicondutoras são comandadas de tal modo a restabelecer o nível de tensão dentro da faixa adequada. Salienta-se que as comutações são realizadas apenas no cruzamento por zero da corrente do lado de alta tensão do transformador (I h ) que coincide com a corrente pelas chaves semicondutoras do comutador eletrônico de taps. D. Resultados Com o objetivo validar a operação do comutador eletrônico de taps, na Fig. 14 é apresentado os resultados obtidos do ensaio realizado com variação na tensão suprida pelo alimentador (alta tensão). Tal ensaio foi efetivado para verificar a atuação do comutador no sentido de restaurar a tensão aos níveis adequados. Salienta-se que o transformador opera com carga nominal e na Tabela II são definidas as condições do ensaio. O transformador encontra-se com os taps N 7 N 9 inicialmente conectados. Conforme se observa na Fig. 14, a cada variação no nível de tensão do alimentador que reflete em um nível de tensão no ponto de conexão fora dos limites adequados, o comutador eletrônico de taps atua no sentido de modificar a relação de transformação para restabelecer o nível de tensão dentro da faixa estabelecida como adequada. Nessa também é possível observar a corrente através das chaves semicondutoras, as quais são acionadas sempre no cruzamento por zero da corrente no lado de AT Time (s) Fig. 14 Resultados de simulação. Superior: valor eficaz da tensão no ponto de conexão e limites adequados do PRODIST [9]. Central: Comando de gate dos tiristores. Inferior: corrente pelos tiristores. Especificação da carga S = 5 kva (nominal) Fator de potência: FP = 0,92 TABELA II CONDIÇÕES DO ENSAIO Tensão do alimentador (eficaz) Vr = 7967 t = [0; 300] ms Vr = 7170 t = [300; 500] ms Vr = 6858 t = [500; 700] ms Vr = 6500 t = [700; 900] ms Vr = 6235 t = [900; 1000] ms CONCLUSÃO A utilização de comutadores sob carga em transformadores de potência é uma realidade em subestações para transformadores de grande porte, tendo por objetivo a regulação da tensão de saída do ramal de média tensão, possibilitando a redução das perdas no fornecimento de energia elétrica e a garantia da qualidade da energia fornecida aos consumidores. Contudo, com a crescente utilização da geração distribuída, das redes inteligentes (smart grids) e da maior exigência das agências reguladoras, o problema da regulação da tensão não ficará restrito apenas às subestações, mas passará às redes de distribuição de energia urbanas e rurais. Nesse cenário, não será mais aceitável o desligamento da carga para a realização da comutação manual entre taps do transformador, cujos principais problemas são: (i) o tempo de deslocamento da equipe, o custo homem/hora, e o custo por quilômetro rodado; (ii) o tempo de interrupção no fornecimento de energia do transformador e o impacto nos indicadores de qualidade do serviço, como a duração individual por consumidor (DIC) e a frequência individual por consumidor (FIC); (iii) o risco envolvido na tarefa, uma vez que o eletricista trabalha em uma zona controlada (Norma Regulamentadora nº 10, NR10, do Ministério do trabalho); e (iv) a insatisfação do usuário. Além disso, depois da comutação executada, o nível de tensão fornecido ao consumidor pode sofrer variações momentâneas devido à variações de carga no sistema. Nesse sentido, esse trabalho propõe a utilização de um comutador eletrônico de taps que possa ser utilizado nos transformadores comumente empregados em redes de distribuição urbanas e rurais, os quais apresentam entre três e cinco taps (com seccionamento entre os taps centrais). Desse

6 6 modo, o custo da implantação desse sistema é reduzido e a qualidade da energia fornecida aos consumidores é aumentada. REFERÊNCIAS [1] Agência Nacional de Energia Elétrica, PRODIST. Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica, Brasil, [2] C. Gao and M.A. Redfern, A review of voltage control techniques of networks with distributed generations using onload tap changer transformers, in Proc. International Universities Power Engineering Conference, 2010, pp [3] J. Faiz and B. Siahkolah, New solid-state onload tap-changers topology for distribution transformers, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 18, no. 1, pp , Jan [4] J.-P. Lavieville, W. Weber, M. Ryadi, and M. Saravolac, Onload transformer tap changing system, Patent US B2, pp. 1 11, Apr [5] A. Gómes-Expósito and D. Monroy-Berjillos, Solid-state tap changers: New configurations and applications, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 22, no. 4, pp , Oct [6] Agência Nacional de Energia Elétrica, Resolução Nº 505. Brasília: ANEEL, [7] T. Larsson, R. Innanen, and G. Norstrom, Static electronic tapchanger for fast phase voltage control, in Proc. IEEE International Electric Machines and Drives Conference, 1997, pp. TC3-4.1 TC [8] Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR5440: Transformadores para redes aéreas de distribuição Padronização. Rio de Janeiro: ABNT, [9] Agência Nacional de Energia Elétrica, Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST): Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica. Brasília: ANEEL, [10] S.M. García, J.C.C. Rodríguez, J.A. Jardini, J.V. López, A.I. Segura, and P.M.M. Cid, Feasibility of electronic tap-changing stabilizers for medium voltage lines Precedents and new configurations, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24, no. 3, pp , July [11] D. Gao, A novel thyristor assisted diverter switch for on load transformer tap changer, in Proc. IEEE Transmission and Distribution Conference and Exhibition, 2002, vol. 1, pp [12] P. Bauer and S.W.H. de Haan, Electronic tap changer for 500 kva/10 kv distribution transformers: Design, experimental results and impact in distribution networks, in Proc. IEEE Industry Applications Conference, 1998, vol. 2, pp [13] J. Faiz and H. Javidnia, Fast response solid-state on load transformer tap-changer, in Proc. IEE Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives, 2000, pp [14] J. Mamede Filho, Manual de equipamentos elétricos. 3 ed. Rio de Janeiro: LTC, [15] J. Faiz and B. Siahkolan, Optimal configuration for taps of windings and power electronic switches in electronic tapchangers, IEE Proc.-Gener. Transm. Distrib., vol. 149, no. 5, pp , Sept [16] M. H. Rashid, Eletrônica de potência: circuitos, dispositivos e aplicações, São Paulo: Makron Books, [17] D. Monroy-Berjillos, A. Gómes-Expósito, and E. Romero- Ramos, Improving the voltage regulation of secondary feeders by applying solid-state tap changers to MV/LV transformers, in Proc. IEEE International Conference on Electrical Power Quality and Utilization, 2007, pp [18] P. Bauer and S.W.H. de Haan, New concept for voltage control, in Proc. International Conference on Power Electronic Drives and Energy Systems for Industrial Growth, 1998, vol. 2, pp [19] P.G.J.M. Asselman, J.H. Griffioen, P. Bauer, G.C. Paap, S.W.H. de Haan, and C.J. van der Water, Method and device for continuous adjustment and regulation of transformer turns ratio, and transformer provided with such device, Patent US , pp. 1 10, Oct [20] L. Xiaoming, L. Qingfen, Y. Xianggen, and X. Jianghui, A new on-load tap changing system with power electronic elements for power transformers, in Proc. IEEE International Conference on Power System Tehnology, 2002, pp [21] A.S. Meyer and J. van Coller, Electronic tap changers for use with ultra-light rural distribution lines, in Proc. IEEE AFRICON, vol. 2, 1999, pp [22] D. Monroy-Berjillos, A. Gómez-Expósito, and A. Bachiller- Soler, A lab setup illustrating thyristor-assisted under-load tap changers, IEEE Transactions on Power Systems, vol. 25, no. 3, pp , Aug [23] J. Faiz and B. Siahkolah, New controller for an electronic tap changer part II: measurement algorithm and test results, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 22, no. 1, pp , Jan [24] Littelfuse, Designing with thermally protected TMOV varistors in TVSS applications (Application Note), 2001, pp. 1-4.