Projeto e Montagem de uma Bancada Regenerativa para Ensaios de Carregamento em Transformadores de Potência

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1 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEE Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Engenharia Elétrica - CPDEE Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Projeto e Montagem de uma Bancada Regenerativa para Ensaios de Carregamento em Transformadores de Potência Clodualdo Venicio de Sousa Tese de doutorado submetida a banca examinadora designada pelo Colegiado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais, como parte dos requisitos necessários à obtenção do grau de Doutor em Engenharia Elétrica. Orientador : Selênio Rocha Silva Co-Orientador : Seleme Isaac Seleme Junior Belo Horizonte, 19 de Dezembro de 211.

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3 À minha família e aos meus amigos. iii

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5 v Se queremos progredir, não devemos repetir a história, mas fazer uma história nova. Mahatma Gandhi

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7 Agradecimentos Minha especial gratidão a Deus; aos meus pais, Miguel de Sousa e Maria Rita de Sousa e a minha esposa Rozimayre, minha filha Julia e minhas irmãs Vanilda, Sandra, Consola e Natália, pelo incentivo e companheirismo; aos professores Selênio Rocha Silva e Seleme Isaac Seleme Junior, pela dedicação, amizade e por compartilhar comigo sua experiência e conhecimento; aos professores participantes da banca examinadora, Marcus Vinicius Alves Nunes, Domingos Sávio Lyrio Simonetti, Ivan José da Silva Lopes, Marcos Antônio Severo Mendes e José Osvaldo Saldanha Paulino, pelas contribuições e melhoramento do trabalho; a todos os professores e funcionários das instituições que contribuíram para minha formação; aos colegas e funcionários do PPGEE, CPH e UNIFEI; aqueles que estiveram mais próximos, Frederico, Victor, Júlio, Élice, Mara, Edna, Martinez, Tomaz, João Lucas, Bruno, Guilherme, Gustavo, Marcel, José Eugenio, Paulo, Geraldo, Vicente, Lucas, Tameirão, Marcelo Stopa, José de Assis, José de Almeida e Levy; e também aqueles que eu esqueci de citar. vii

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9 Sumário Resumo Abstract Lista de Tabelas Lista de Figuras Lista de Símbolos Lista de Abreviações xiii xv xix xxx xxxiv xxxvi 1 Introdução Considerações Iniciais Objetivos e Contribuições Pretendidas Organização do Texto Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores Considerações Iniciais Metodologias Convencionais de Ensaios de Carregamento em Transformadores Métodos indiretos ix

10 x Métodos diretos Operação de Transformadores em Condições Especiais Carregamento acima do nominal Tensão acima da nominal Impacto da distorção harmônica em transformadores de potência Comportamento Térmico de Transformadores Elevação de temperatura no ponto mais quente Elevação de temperatura no topo do óleo Constante de tempo de elevação de temperaturas Comentários Finais Concepção da Bancada Regenerativa Considerações Iniciais Filosofia do Projeto Descrição do Sistema Transformadores trifásicos Conversor regenerativo Filtros LC Circuitos de inicialização da bancada Sistema de medição Controle da bancada regenerativa Sistemas supervisórios Medidores de grandezas elétricas Montagem do Sistema Comentários Finais Projeto e Especificação da Bancada Regenerativa Considerações Iniciais Transformadores Trifásicos

11 xi 4.3 Conversor Regenerativo Filtro LC Projeto do filtro LC Construção dos filtros LC Circuito de Inicialização Circuito de pré-carga do barramento C.C Circuito de pré-carga dos transformadores e dos filtros Sistema de Medição Medição das grandezas elétricas Medição das grandezas térmicas Descrição Geral do Sistema de Controle Estratégia de controle dos conversores Algoritmo PLL - Phase-Locked-Loop Malhas de controle do retificador ativo Malhas de controle do inversor Técnicas de ajuste dos controladores Sistemas Supervisórios Comentários Finais Desempenho Operacional da Bancada Regenerativa Considerações Iniciais Resultados de Simulação Operação do transformador com carregamento nominal Operação do transformador com carregamento variável Operação do transformador com fator de potência não unitário Resultados Experimentais Operação do transformador com carregamento nominal Operação do transformador com carregamento variável 11

12 xii Operação do transformador com fator de potência não unitário Comentários Finais Ensaios de Carregamento em Transformadores de Distribuição Através da Bancada Regenerativa Considerações Iniciais Ensaios em Transformadores Monofásicos Transformadores monofásicos de 1kVA Ensaio em Transformadores Trifásicos Transformadores trifásicos de 3kVA Transformadores trifásicos de 45kVA Comentários Finais Considerações Finais e Propostas de Continuidade Considerações Finais Propostas de Continuidade Referências Bibliográficas 155 A Transformadores Trifásicos Especiais de 5kVA 163 B Módulo de Potência da Semikron 169 C Filtro LC Projetado para Bancada Regenerativa 173 D Sistema de Medição das Grandezas Elétricas 179 E Sistema de Controle da Bancada Regenerativa 183 F Dados de Ensaio dos Transformadores de Distribuição 187 G Publicações Efetuadas Durante o Doutorado 199

13 Resumo Neste trabalho são propostas alternativas de projeto e desenvolvimento de uma bancada regenerativa para implementação de ensaios de carregamento em transformadores de potência. Neste sistema busca-se, além de realizar ensaios com carga efetiva, minimizar as potências consumidas, realizando os ensaios com o consumo de apenas as perdas inerentes aos componentes internos da bancada regenerativa e do equipamento sob teste. Assim sendo, é apresentada uma nova metodologia para a realização de ensaios em carga de transformadores de potência utilizando conversor estático regenerativo (back-to-back). O uso de tal conversor possibilita o controle independente das potências ativa e reativa, em ambas as direções de fluxo, permitindo o controle automático do nível de carregamento e flexibilidade ao processo. A metodologia de projeto e os resultados experimentais de diversos ensaios são apresentados para comprovar a viabilidade das técnicas propostas que permitem análises de características de interesse do equipamento sob ensaio. xiii

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15 Abstract This work presents alternatives to the design and development of a regenerative source prototype for implementation of load tests in power transformers. In this system, the main purpose is to minimize the power necessary for the test, reducing it to the losses due to the internal components. Thereby, itispresentedanewschemetoperformtestsusingpwmpower converters. The use of a reversible power converter allows the independent control of the active and reactive power, in both directions, allowing automatic load control. Practical and simulated results are shown, demonstrating the feasibility of the applied techniques. xv

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17 Lista de Tabelas 2.1 Alteração do carregamento do transformador com relação à temperatura ambiente (IEEE-C57.91, 1995) Limites de elevação da temperatura em transformadores de potência Limites de elevação da temperatura em transformadores de potência imersos em óleo isolante (NBR A (23)) Limites de carregamento de transformadores(nbr (1997)) Características nominais dos transformadores adquiridos Pontos de medição da temperatura no interior de cada transformador Dados dos elementos do filtro LC Características dos indutores à temperatura ambiente Dados de operação do transformador de 5kVA sob ensaio Dados de placa dos transformadores monofásicos de distribuição Fator de potência e perdas operacionais nos transformadores monofásicos N e Fator de potência e perdas operacionais nos transformadores monofásicos N e xvii

18 xviii 6.4 Fator de potência e perdas operacionais nos transformadores monofásicos N e Distorção harmônica da tensão e corrente durante os ensaios Dados dos transformadores trifásicos de distribuição Perdas no transformador trifásico de 3kVA/23,1kV -N Perdas no transformador trifásico de 3kVA/23,1kV - N Perdas nos transformadores trifásicos N e Perdas no transformador trifásico de 45kVA/13,8kV -N Perdas no transformador trifásico de 45kVA/13,8kV -N Perdas nos transformadores trifásicos N e Perdas médias nos 12 transformadores trifásicos em função do nível de carregamento Resultados dos testes realizados nos transformadores trifásicos de 3kVA, 45kVA e 75kVA A.1 Tabela dos dados do transformador A.2 Ensaio a vazio dos transformadores trifásicos para excitação de 1% A.3 Ensaio a vazio dos transformadores trifásicos para excitação entre 9% e 11% A.4 Ensaio em curto dos transformadores trifásicos corrigidos para 75 o C.1 Características dos indutores ao término dos testes D.1 Valores dos componentes das placas de condicionamento de sinais. 179 E.1 Tabela dos ganhos para o controle do CRA E.2 Tabela dos ganhos para o controle do CI

19 xix F.1 Perdas no transformador trifásico de 3kVA/13,8kV - N F.2 Perdas no transformador trifásico de 3kVA/13,8kV - N F.3 Perdas médias nos transformadores trifásicos - N e F.4 Perdas no transformador trifásico de 45kVA/23,1kV - N F.5 Perdas no transformador trifásico de 45kVA/23,1kV - N F.6 Perdas médias nos transformadores trifásicos - N e F.7 Perdas no transformador trifásico de 75kVA/13,8kV - N F.8 Perdas no transformador trifásico de 75kVA/13,8kV - N F.9 Perdasnostransformadorestrifásicosde75kVA-N 38113e F.1 Perdas no transformador trifásico de 75kVA/23,1kV - N F.11 Perdas no transformador trifásico de 75kVA/23,1kV - N F.12 Perdas médias nos transformadores trifásicos N e

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21 Lista de Figuras 1.1 Esquema básico de carregamento dos transformadores utilizando conversor estático reversível Esquema básico do ensaio de transformadores de potência em operação isolada da rede elétrica Transitório de estabilização da temperatura do óleo durante um ensaio em carga constante Diagrama esquemático da fonte regenerativa para ensaio de transformadores trifásicos Transformadores trifásicos de 5kVA 22/48V ligados à bancada regenerativa para ensaios Estrutura do módulo de potência do conversor regenerativo da bancada de ensaio Módulo de potência da Semikron (B6CI-2P8/56 1FT) utilizado para construção do conversor regenerativo da bancada de ensaios Filtro LC utilizado para filtrar os harmônicos na bancada regenerativa Placas eletrônicas para medição das correntes, tensões e temperaturas xxi

22 xxii 3.7 Diagrama esquemático simplificado do conversor regenerativo e a estrutura básica do sistema de controle Fluxograma do sistema de controle do conversor retificador ativo Fluxograma do sistema de controle do conversor inversor Placa UPCC-2812 para implementação do controle da bancada Medidor de múltiplas grandezas Kron MKM D instalado no painel de entrada Bancada experimental para testes de transformadores de potência Visão geral do sistema para testes de transformadores de potência Transformadores de 5kVA para montagem da bancada experimental Conversor regenerativo montado dentro da mesa de comando Chopper de proteção do barramento C.C Estrutura do filtro LC com amortecimento passivo Diagrama em blocos que representa o comportamento do filtro LC Curva de atenuação da corrente injetada pelo filtro LC Resposta em frequência obtida através da função de transferência que relaciona a corrente da rede e a corrente do conversor ( equação 4.2) Resposta em frequência obtida através da função de transferência que relaciona a corrente da rede e a tensão no conversor (equação 4.3) Capacitor, resistor e núcleo de pó de ferro utilizados na construção dos filtros LC

23 xxiii 4.1 Interseção das curvas traçadas através das equações 4.12 e Resistência do enrolamento em função da espessura da chapa de cobre Diagrama esquemático do circuito de pré-carga do barramento de corrente contínua Tensão no barramento C.C e corrente no resistor de pré-carga Transitório de carregamento do barramento C.C Diagrama esquemático do circuito de pré-carga dos filtros e dos transformadores Corrente e tensão no resistor de pré-carga e no circuito principal Corrente e tensão no resistor de pré-carga e no circuito principal Sensores de efeito Hall instalados nos barramentos do conversor regenerativo Placas de medição das variáveis elétricas no conversor e na rede de alimentação Fonte de corrente de 1mA utilizada para excitação dos PT Estrutura do filtro LC conectado ao conversor do lado da rede Diagrama em blocos do PLL Diagrama em blocos da malha de controle do conversor retificador Malha de controle da corrente de eixo direto Malha de controle da corrente de eixo em quadratura Malha de controle da tensão no barramento C.C Malha de controle da potência reativa Malha de controle da potência ativa Diagrama em blocos da malha de controle do conversor inversor. 85

24 xxiv 4.3 Teste em degrau na malha de corrente de eixo quadratura do conversor retificador ativo Teste em degrau na malha de corrente de eixo direto do conversor inversor Teste em degrau na malha e controle da tensão do barramento Supervisório para gerenciamento da fonte regenerativa Supervisório para monitoramento das temperaturas nos transformadores Grandezas elétricas de operação do conversor inversor Diagrama em blocos de simulação da bancada regenerativa para testes de transformadores de potência em ambiente Matlab/Simulink Potências e correntes no conversor inversor durante o ensaio do transformador com carga nominal Tensões e correntes no conversor inversor durante o ensaio do transformador com carga nominal FFT da corrente da fase A no conversor inversor FFT da tensão da fase A no conversor inversor Potências e correntes no conversor retificador durante o ensaio do transformador com carga nominal Tensões e correntes no conversor retificador durante o ensaio do transformador com carga nominal Grandezas elétricas na rede de alimentação para operação do transformador em condição nominal Perdas na fonte PWM regenerativa Potências e correntes no conversor inversor durante o ensaio do transformador com carga acima da nominal

25 xxv 5.11 Potências e correntes no conversor inversor durante o ensaio do transformador com carga abaixo da nominal Potências e correntes no conversor inversor durante o ensaio do transformador com fator de potência diferente de unitário Potências e correntes no conversor inversor durante o ensaio do transformador N com carga nominal Potências e correntes no conversor retificador durante o ensaio do transformador N com carga nominal Tensões no conversor retificador durante o ensaio do transformador N com carga nominal Fluxo de potência ativa na entrada e saída do transformador sob ensaio e potência dissipada Correntes e tensões eficazes no transformador sob ensaio Temperaturas monitoradas no transformador durante o ensaio térmico Extrapolação numérica das temperaturas no transformador durante o ensaio térmico Variáveis térmicas monitoradas no transformador N e na área de ensaio Potências e correntes no conversor inversor durante o ensaio do transformador N com carga variável FFTdatensãonaentradaesaídadofiltroLCduranteoensaio do transformador com carga variável FFT da corrente na entrada e saída do filtro LC durante o ensaio do transformador com carga variável Potências e correntes no conversor retificador durante o ensaio do transformador N com carga variável Tensão no Barramento CC para ensaio em condição de carga variável

26 xxvi 5.26 Energia recuperada no sistema em função do nível de carga Fluxo de potência ativa na entrada e saída do transformador sob ensaio Variáveis térmicas monitoradas para os transformadores operando com carga variável Avaliação da eficiência do transformador Potências e correntes no conversor inversor durante o ensaio do transformador N com fator de potência diferente de unitário Potências e correntes no conversor retificador durante o ensaio do transformador N com fator de potência diferente de unitário Variáveis elétricas na rede de alimentação para operação do transformador com fator de potência não unitário Diagrama esquemático de ligação dos transformadores monofásicos de 1kVA na fonte regenerativa Diagrama esquemático de ligação dos transformadores monofásicos de 1kVA em bancos trifásicos de 22V/13,8kV Transformadores monofásicos de 1kVA ligados na bancada regenerativa Potências ativa nos lados de baixa tensão dos transformadores monofásicos do fabricante E p e Potências ativa nos lados de baixa tensão dos transformadores monofásicos do fabricante E p e Potências ativa nos lados de baixa tensão dos transformadores monofásicos do fabricante E p e Rendimento dos transformadores monofásicos em função da potência aplicada

27 xxvii 6.8 Rendimento dos transformadores monofásicos em função do tempo de duração do ensaio Tensão e corrente no banco de transformadores sob teste Potências ativa e reativa nos conversores durante o ensaio dos transformadores monofásicos Fluxo de potência no banco de transformadores monofásicos em função da potência que circula no conversor Back-to-back Correntes de eixo direto e em quadratura nos conversores durante o ensaio dos transformadores monofásicos Temperatura no transformador do lado da rede de 5kVA/48V Temperatura no transformador de isolamento 5kVA/48V Diagrama esquemático da ligação dos transformadores trifásicos na bancada regenerativa Transformadores trifásicos de 75kVA 38V/23,1kV ligados na bancada regenerativa Potência ativa no primário e secundário do transformador trifásico de 3kVA/23,1kV - N Potência ativa no primário e secundário do transformador trifásico de 3kVA/23,1kV - N Perdas e rendimento dos transformadores trifásicos e Potências ativa e reativa nos conversores durante o ensaio dos transformadores trifásicos de 3kVA Correntes de eixo direto e em quadratura nos conversores e tensão no barramento CC durante o ensaio dos transformadores trifásicos de 3kVA Potência ativa no primário e secundário do transformador trifásico de 45kVA/13,8kV - N

28 xxviii 6.23 Potência ativa no primário e secundário do transformador trifásico de 45kVA/13,8kV - N Perdas e rendimento dos transformadores trifásicos e Potências ativa e reativa nos conversores durante o ensaio dos transformadores trifásicos de 45kVA Correntes de eixo direto e em quadratura nos conversores e tensão no barramento CC durante o ensaio dos transformadores trifásicos de 45kVA A.1 Esquema dos transformadores 5kVA - vista A.2 Esquema dos transformadores 5kVA - vista A.3 Perda nos transformadores em relação à tensão aplicada A.4 Simulação computacional 1 da fonte de corrente de 1mA A.5 Simulação computacional 2 da fonte de corrente de 1mA A.6 Simulação computacional 3 da fonte de corrente de 1mA B.1 Chopper de proteção do barramento CC B.2 Esquema do conversor back-to-back da Semikron B.3 Esquema do conversor back-to-back da Semikron C.1 Diagrama esquemático dos testes realizados nos indutores C.2 Tensão e corrente monitoradas durante os testes de uma unidade indutiva C.3 Temperatura monitorada no núcleo e no enrolamento dos indutores do filtro 1 conectado ao inversor C.4 Temperatura monitorada no núcleo e no enrolamento dos indutores do filtro 2 conectado ao retificador

29 xxix C.5 Temperaturas monitoradas no interior dos paineis dos filtros para a operação do transformador sob teste na condição nominal durante 6 horas C.6 Curva de histerese obtida através da corrente e da tensão C.7 Filtro LC trifásico montado dentro de um painel metálico D.1 Esquema das placas de condicionamento das correntes D.2 Esquema das placas de condicionamento das tensões F.1 Potências nos transformadores de distribuição trifásicos de 3kVA 38V/13,8kV F.2 Tensões e correntes nos transformadores de distribuição trifásicos de 3kVA 38V/13,8kV F.3 Perdas e rendimentos dos transformadores de distribuição trifásicos de 3kVA 38V/13,8kV F.4 Potências nos transformadores de distribuição trifásicos de 45kVA 38V/23,1kV F.5 Tensões e correntes nos transformadores de distribuição trifásicos de 45kVA 38V/23,1kV F.6 Perdas e rendimentos dos transformadores de distribuição trifásicos de 45kVA 38V/23,1kV F.7 Potências nos transformadores de distribuição trifásicos de 75kVA 38V/13,8kV F.8 Tensões e correntes nos transformadores de distribuição trifásicos de 75kVA 38V/13,8kV F.9 Perdas e rendimentos dos transformadores de distribuição trifásicos de 75kVA 38V/13.8kV F.1 Potências nos transformadores de distribuição trifásicos de 75kVA 38V/23,1kV

30 xxx F.11 Tensões e correntes nos transformadores de distribuição trifásicos de 75kVA 38V/23,1kV F.12 Perdas e rendimentos dos transformadores de distribuição trifásicos de 75kVA 38V/23.1kV

31 Lista de Símbolos minúsculo grandezas variáveis no tempo; MAIUSCULO grandezas e parâmetros constantes; e v E i dc i L L 1 L f L C f R d G conv E P T E θ e w n w res w s h s S S cc Tensão na entrada do filtro Tensão na saída do filtro Tensão no barramento CC Corrente no capacitor do barramento CC Corrente no barramento CC Indutância do filtro LC do lado do conversor Indutância do transformador Indutância total do filtro LC Capacitância do filtro LC Resistência de amortecimento Ganho do conversor Máxima variação de tensão barramento CC Máxima variação esperada de potência de saída Tempo de resposta da malha de controle de tensão Angulo do vetor tensão Frequência angular Frequência angular de ressonância Frequência angular de chaveamento Ordem harmônica na frequência de chaveamento Potência aparente Potência de curto-circuito xxxi

32 xxxii G 1 (S) Relação entre a corrente da rede e a corrente do conversor G 2 (S) Relação entre a corrente da rede e a tensão do conversor Z b Impedância base C b Capacitância base f s Frequência da rede elétrica i ripple Ripple de corrente i g (h s ) Corrente harmônica na rede i(h s ) Corrente harmônica no conversor N Número de espiras L ind Indutância i max Corrente de pico A c Área da seção do núcleo B max Densidade de campo máxima atingida; l e Comprimento do caminho magnético µ Permeabilidade do vácuo µ e Permeabilidade efetiva do material magnético µ % Permeabilidade relativa do material percentual R acn Resistência total do enrolamento R p Resistência da platina à temperatura T R Resistência de referência à temperatura T Ki Ganho integral Kp Ganho proporcional P Potência ativa Q Potência reativa f n Frequência da rede f s Frequência de chaveamento V T Tensão no transformador P V1 Perdas a vazio na condição de excitação nominal P V2 Perdas a vazio na nova condição de excitação V pu Tensão de excitação em pu P nom Perdas no enrolamento sob carga nominal P fe Perdas no ferro com 1% de excitação Tensão aplicada no primário do transformador V p

33 xxxiii h = 1,3.. Ordem da harmônica φ h Fluxo harmônico U h Tensão harmônica N 1 Número de espiras P t Perdas totais no transformador P nl Perdas a vazio P cf Perdas por corrente de Foucault P stray Perdas por dispersão do fluxo magnético P strayn Perdas por dispersão do fluxo magnético em 6Hz P cfn Perda por corrente de Foucault na frequência 6Hz I h Corrente RMS de ordem harmônica h i R Corrente RMS em carga na frequência de 6Hz M t Massa total do transformador em toneladas M o Massa de óleo em toneladas P e Perdas efetivas eddy currents relativas às perdas em CC s Densidade de corrente em A/mm 2 k Razão entre o carregamento no qual se deseja calcular a elevação de temperatura e o carregamento nominal R Relação entre perdas em carga sob carga nominal e perdas a vazio n Expoente no cálculo de elevação de temperatura do óleo, que depende do método de resfriamento do transformador τ T Constante de tempo da elevação de temperatura no topo do óleo τ H Constante de tempo da elevação da temperatura no ponto mais quente Θ on Elevação de temperatura do topo do óleo em carga Θ o Elevação de temperatura do topo do óleo em uma condição de carregamento diferente do nominal Θ f Elevação de temperatura do topo do óleo sobre a temperatura ambiente sob uma carga especifica Θ H Elevação da temperatura no ponto mais quente em relação à temperatura no topo do óleo Θ e Elevação de temperatura do ponto mais quente com carregamento diferente do nominal

34 xxxiv Θ H,i Θ en Θ u Θ TO Elevação da temperatura inicial no ponto mais quente em relação à temperatura no topo do óleo Elevação de temperatura no ponto mais quente em carga nominal Elevação de temperatura final estimada do topo do óleo Elevação da temperatura no topo do óleo em relação à temperatura ambiente Sobrescritos Valor de referência Valor estimado Subscritos d grandezas referidas ao eixo direto q grandezas referidas ao eixo em quadratura grandezas referidas a sequência zero b Valores base

35 Lista de Abreviações CLR Conversor do lado da rede CLT Conversor do lado do transformador CRA Conversor retificador ativo CI FT Conversor inversor Função de transferência Trafo Transformador IHM Interface homem máquina SEP Sistemas elétricos de potência THD Taxa de distorção harmônica FP Fator de potência QDL Quadro de distribuição local xxxv

36 xxxvi CA CC UFMG UNIFEI LCCE ONAN ONAF OFAF ODAF CEMIG Tensão alternada Tensão contínua Universidade Federal de Minas Gerais Universidade Federal de Itajubá Laboratório de Conversão e Controle da Energia Fluxo natural de óleo e de ar Fluxo natural de óleo e ar forçado Fluxo forçado de óleo e de ar Fluxo de óleo dirigido e ar forçado Companhia Energética de Minas Gerais UPCC-2812 Universal Power Converter Control HPE High Power Engineering

37 Capítulo 1 Introdução 1.1 Considerações Iniciais A utilização da energia elétrica de uma forma mais racional e eficiente constitui uma das principais preocupações atuais do setor elétrico em qualquer parte do planeta. Esta necessidade tem requerido pesquisas contínuas que contemplem a operação, de forma otimizada, de um dos equipamentos mais tradicionais do setor, o transformador de potência. Neste sentido, a exploração do carregamento especial, acima das condições nominais de operação, sem comprometer a vida útil do equipamento, ou com prejuízos calculados dentro de margens aceitáveis, constitui uma necessidade real, uma vez que, a cada dia, mais transformadores são submetidos a situações completamente além de limites pré-especificados. Uma forma pouco utilizada, mas desejada, para estudar e avaliar os limites operacionais de transformadores de potência em ambiente laboratorial é o ensaio com carga efetiva. Porém, os procedimentos existentes de ensaio não são usuais, em condições seguras para o sistema elétrico e operador, em condições controláveis e com resultados em grau de precisão adequados. Adicionalmente, o aspecto econômico também constitui um significativo limitador à sua própria realização, em vista do consumo de energia elétrica associado. Este trabalho apresenta uma nova metodologia para investigar o comportamento elétrico e térmico de transformadores de potência, através da realização de ensaios de carregamento com carga efetiva e baixo consumo de energia (Sousa (27), Sousa et al. (21)).

38 2 1 Introdução Tal metodologia é desenvolvida através de uma bancada regenerativa, na qual um conversor estático back-to-back, conectado ao enrolamento secundário do transformador sob ensaio, devolve ao ponto de conexão com a rede elétrica a potência drenada do primário menos as perdas internas do sistema, constituindo uma alternativa viável. A Figura 1.1 ilustra esta configuração de ensaio de carregamento, buscando destacar o objetivo deste trabalho de pesquisa, o desafio a que se propõe enfrentar e o grau de contribuição que constitui esta nova metodologia. Figura 1.1: Esquema básico de carregamento dos transformadores utilizando conversor estático reversível.

39 1.2 Objetivos e Contribuições Pretendidas 3 A utilização da topologia ilustrada na Figura 1.1 permite o controle independente da potência ativa e reativa, em ambos os sentidos de fluxo, possibilitando combinar efeitos de baixo fator de potência, controle de carga, controle de correntes harmônicas de baixa frequência e controle do nível de tensão secundária. A energia consumida durante a realização do ensaio representa apenas as perdas naturais dos elementos que compõem o sistema e dos equipamentos ensaiados. Este trabalho apresenta os aspectos associados ao projeto e operação dessa configuração de ensaio de carregamento, com todas essas alternativas. 1.2 Objetivos e Contribuições Pretendidas Em transformadores do sistema elétrico a realização de ensaios de carregamento, tanto em campo quanto em laboratório, constitui um desafio extremo, muitas vezes inviável. Este desafio é contemporizado pela engenharia de operação através da análise dos resultados de ensaios de tipo em laboratório e pelo uso de aplicativos de estudo de carregamento destes equipamentos, que utilizam procedimentos tradicionais normatizados e, muitas vezes, considerados extremamente conservativos. Neste contexto, os objetivos do trabalho são o desenvolvimento e a validação de uma metodologia para a realização de ensaios de carregamento em transformadores de potência. A validação é realizada através de uma bancada experimental de 75kVA, capaz de comprovar uma série de aspectos que a engenharia de projeto destes equipamentos e a engenharia de operação utilizam. Os objetivos deste trabalho são: desenvolver uma metodologia para a realização de ensaios de carregamento em transformadores de potência, em ambiente laboratorial, com carga efetiva, baixo consumo de energia e controle das grandezas elétricas envolvidas na operação;

40 4 1 Introdução desenvolver estratégias para controlar o carregamento de transformadores de forma automática e direta, em diversas situações de carregamento; validar a metodologia desenvolvida através da concepção, especificação e construção de uma bancada experimental de 75kVA, capaz de ensaiar transformadores, sob condições nominais e especiais de operação; realizar ensaios com carga efetiva em transformadores de distribuição convencionais, avaliando o rendimento em diversas condições de operação, para comprovar a eficácia no funcionamento da bancada regenerativa; possibilitar o levantamento das perdas internas e monitoramento da evolução térmica em pontos distintos do transformador de potência ligado à bancada; possibilitar a avaliação das perdas internas de transformadores de distribuição monofásicos e trifásicos para diferentes perfis de carga; possibilitar a obtenção de massas de dados que permitam, em trabalhos futuros, avaliar modelos térmicos presentes na literatura e, a partir dos resultados, propor alterações ou novos modelos. 1.3 Organização do Texto Este trabalho encontra-se dividido em sete capítulos. O Capítulo 2 apresenta os fundamentos teóricos sobre testes operacionais em transformadores potência. Primeiramente, são apresentados os métodos convencionais de ensaios de carregamento e as condições operacionais às quais os transformadores são submetidos. Posteriormente, é realizado um levantamento acerca do seu comportamento térmico. No Capítulo 3, é apresentada a concepção da bancada regenerativa que valida a metodologia de ensaio com carga efetiva em transformadores de potência proposta neste trabalho. A bancada regenerativa, bem como os componentes que a compõem, são descritos de forma sucinta.

41 1.3 Organização do Texto 5 O Capítulo 4 apresenta os aspectos construtivos e operacionais da bancada regenerativa para ensaio de transformadores de potência. São abordados de forma minuciosa a especificação, projeto e construção dos elementos que compõem o sistema (transformadores trifásicos, conversor regenerativo, filtros LC, circuitos auxiliares, sistema de medição, sistema de controle, sistemas supervisórios e medidores de grandezas elétricas). No Capítulo 5, são apresentados os resultados de simulações computacionais para várias condições de operação da bancada regenerativa. Adicionalmente, para possibilitar comparação, são apresentados os resultados experimentais obtidos no protótipo montado no Laboratório de Conversão e Controle da Energia (LCCE), localizado no Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos da UFMG. No Capítulo 6, são apresentados os resultados de testes em transformadores de distribuição monofásicos e trifásicos. Nestes ensaios, foram avaliadas as perdas e o rendimento, para diferentes níveis de cargas, em 6 transformadores monofásicos de 1kVA e 12 transformadores trifásicos de 3kVA, 45kVA e 75kVA. O Capítulo 7 apresenta as conclusões do trabalho, relaciona os artigos submetidos e publicados e propõe sugestões para trabalhos futuros com o objetivo de aperfeiçoar a metodologia desenvolvida.

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43 Capítulo 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores 2.1 Considerações Iniciais Neste capítulo, é apresentada uma revisão bibliográfica sobre os fundamentos teóricos que envolvem testes operacionais em transformadores de potência. Para tanto, inicialmente são abordadas as metodologias convencionais de ensaios de carregamento em transformadores de potência. Em sequência, são analisadas as situações de operação de transformadores em condições especiais e, por fim, é realizado um levantamento acerca do comportamento térmico de operação dos mesmos. 2.2 Metodologias Convencionais de Ensaios de Carregamento em Transformadores Os ensaios de carregamento são realizados com o objetivo de se obter as perdas internas e o comportamento térmico de operação do transformador de potência. Adicionalmente, é possível calcular o rendimento através das perdas internas. Para a realização de tais ensaios, é imprescindível o atendimento às normas e recomendações práticas existentes. Este trabalho de doutorado tem como objetivo um melhor entendimento dos procedimentos normalizados

44 8 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores para efetuar testes de rotina e testes de tipo em transformadores de potência e as limitações operacionais no que diz respeito à qualidade da energia aplicada e às características do carregamento (NBR (1993), NBR (1997), NBR A (23), NBR (23), IEEE-C57.92 (1981), IEEE-C (1991), IEEE-C57.91 (1995), IEEE-C (2), IEEE-C (21), IEEE-C57.1 (1999) e IEEE-C (22)). A norma NBR A (23) que trata das generalidades operacionais de transformadores de potência considera, como condições normais de funcionamento: altitude inferior a 1m; meio ambiente com baixo grau de poluição; para transformadores trifásicos, as tensões de alimentação devem ser praticamente simétricas (máximo nível de desbalanceamento de 2%); forma de onda da tensão de alimentação deve ser praticamente senoidal. A distorção harmônica total da corrente secundária de carga não deverá exceder 5%, enquanto que o conteúdo de harmônicos pares deverá ser inferior a 1%; temperatura ambiente superior a 25 C e inferior a 4 C e temperatura média em qualquer período de 24h, inferior a 3 C; ambiente não pode estar sujeito a abalos sísmicos que interfiram no projeto do transformador. Os métodos convencionais de ensaio de transformadores de potência podem ser caracterizados em métodos indireto e direto, como descrito nos itens e Métodos indiretos A utilização dos métodos indiretos de ensaios de transformadores são comuns para potências elevadas, visto a impossibilidade da realização com carga efetiva (método direto). Entre os diversos métodos indiretos para o

45 2.2 Metodologias Convencionais de Ensaios de Carregamento em Transformadores 9 levantamento do comportamento térmico, destacam-se dois procedimentos (NBR B (23) e IEEE-C57129 (21)): método do circuito aberto; método do curto-circuito. O método do circuito aberto consiste em aplicar uma tensão maior que a nominal em um enrolamento do transformador, de modo que as perdas no ferro sejam iguais às perdas totais à plena carga com o outro enrolamento em aberto. Visto que, todas as perdas se concentram no ferro do transformador, os resultados obtidos durante este ensaio não representam com fidelidade o comportamento do transformador quando operando conectado no sistema elétrico de potência. O método de curto-circuito consiste em se colocar um dos enrolamentos do transformador em curto-circuito e no outro aplicar uma tensão tal que produza nos enrolamentos uma corrente que, por efeito Joule, seja responsável pelo aquecimento idêntico aquele em condição nominal. Assim sendo, as perdas devem corresponder à potência dissipada. Dos métodos indiretos de ensaio de transformadores, o mais utilizado é o de curto-circuito, apesar de ocorrer uma concentração das perdas totais em uma única parte do transformador. Esta concentração das perdas no cobre do transformador gera uma distribuição interna da temperatura diferente da que ocorreria em condições normais de funcionamento falseando os resultados (Pierce, 1992) Métodos diretos Nos métodos diretos, o transformador sob teste opera com carga efetiva e, através de sensores, monitora-se as grandezas elétricas e térmicas de interesse. Considerando que o perfil de carregamento seja similar ao que o transformador está sujeito quando operando conectado à rede elétrica, os resultados obtidos representam com fidelidade o seu comportamento. Dentre os ensaios cujo carregamento é realizado de maneira direta, podese destacar o ensaio em campo, no qual o transformador é conectado à rede

46 1 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores elétrica, e o ensaio em ambiente laboratorial no qual o transformador é conectado a cargas isoladas. No ensaio em campo, o transformador conectado ao sistema elétrico opera em paralelo com outros transformadores, fato que resulta em baixa flexibilidade do controle de carregamento. Por exemplo, Cahyono et al. (28) utiliza registros de temperatura obtidos através de ensaios em campo, nos quais o transformador opera conectado ao sistema elétrico, para desenvolver sistemáticas de monitoramento térmico em transformadores de potência. Por outro lado, o ensaio em ambiente laboratorial, no qual o transformador alimenta cargas isoladas, possibilita uma maior flexibilidade do controle de carregamento. Entretanto, toda energia aplicada no transformador é dissipada pela carga elevando os custos operacionais. O diagrama esquemático deste tipo de ensaio é ilustrado na Figura 2.1. Figura 2.1: Esquema básico do ensaio de transformadores de potência em operação isolada da rede elétrica. Com base nessa configuração de ensaio, em Parentoni et al. (21) é realizada uma análise do comportamento de transformadores alimentando cargas lineares e não lineares. Para tanto, foi utilizado para se aplicar carga no transformador um conjunto formado por inversor de frequência, um motor de indução trifásico e um freio eletromagnético capaz de emular carga ao motor. Este procedimento ilustra a complexidade que envolve a realização destes ensaios em ambiente laboratórial.

47 2.3 Operação de Transformadores em Condições Especiais 11 Utilizando ensaios laboratoriais de transformadores de potência, Jardini et al. (25) aplica uma metodologia para o cálculo da temperatura no topo do óleo e no ponto mais quente. Tal metodologia é validada através de dados obtidos durante a operação de um transformador de 3/4 MVA, 138/13,8kV. Os dados de temperaturas foram obtidos diretamente, através de sensores com fibras óticas instalados internamente. O transformador foi testado com carga efetiva durante um ciclo de 24 horas, sendo a carga alterada de hora em hora. A carga aplicada na primeira série de testes variou entre 3% e 116,5%, indicando um comportamento regido por características implícitas do sistema elétrico local. 2.3 Operação de Transformadores em Condições Especiais Condições especiais de funcionamento são aquelas nas quais o transformador está submetido a temperaturas muito elevadas ou muito baixas, umidade elevada, atividade sísmica, grau de poluição elevado, formas de onda de tensão e de corrente anormais, cargas intermitentes, carregamento acima do nominal, carregamento abaixo do nominal e altitude elevada (NBR A, 23). Neste trabalho, são analisadas três condições especiais de operação, conforme descrito nos itens subsequentes Carregamento acima do nominal Devido à imposições operacionais do sistema elétrico de potência, frequentemente os transformadores são submetidos a corrente ou tensão acima das nominais. Isso eleva sua temperatura, podendo reduzir a vida útil do equipamento (Barbosa et al. (27) e Jardini et al. (25)). O aproveitamento máximo da potência de um transformador é atingido quando são aplicadas cargas acima da nominal sem comprometer o tempo de vida útil do equipamento. Os valores dos carregamentos máximos admissíveis dependem das características de projeto, construção e condição de operação, manutenção, temperatura ambiente e do perfil de carregamento do transformador.

48 12 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores A temperatura no ponto mais quente do enrolamento é o principal limitador de carregamentos acima da potência nominal, promovendo a degradação acentuada do isolamento e impactando na vida útil do transformador. Segundo a NBR A (23), a aplicação de carregamentos acima do nominal envolve as seguintes consequências: produção de gás livre proveniente dos isolamentos dos condutores aquecidos pela carga e pelas correntes de Foucault, além das correntes induzidas nas partes estruturais do transformador; operação em altas temperaturas, o que causa uma redução da resistência mecânica do isolamento estrutural e do condutor; expansão térmica de condutores e materiais isolantes, ou partes estruturais, que pode resultar na deformação permanente; aumento da pressão nas buchas, que pode resultar em vazamento nas juntas, perda de óleo e danos ao isolamento; possível expansão do óleo além da capacidade do tanque, causando a operação do dispositivo de alívio de pressão. Estas considerações devem ser cuidadosamente avaliadas antes de se submeter transformadores a carregamentos acima do nominal. A temperatura ambiente é um importante fator para determinação do carregamento máximo admissível pelo transformador, já que a temperatura absoluta, e não a elevação de temperatura, é que constitui fator limitante na vida útil e, logo, a temperatura ambiente será somada à elevação da temperatura do transformador, para se obter a temperatura de operação do equipamento (Cahyono et al., 28). O guia IEEE-C57.91 (1995) fornece informações sobre o impacto da temperatura ambiente no nível de carregamento de um transformador, isto é, o acréscimo ou decréscimo percentual no carregamento em função da variação da temperatura ambiente, que é mostrada na Tabela 2.1.

49 2.3 Operação de Transformadores em Condições Especiais 13 Tabela 2.1: Alteração do carregamento do transformador com relação à temperatura ambiente (IEEE-C57.91, 1995). % da potência nominal do transformador Tipos de Decréscimo de carga para Acréscimo de carga para carregamento cada 1 C de elevação na cada 1 C de redução na temperatura ambiente temperatura ambiente Ventilação normal 1,5 1, OA Resfriamento util. 1,5 1, água OW Ventilação forçada 1,,75 OA/FA e OA/FA/FA Óleo e ar forçado 1,,75 resfriamento util. água FOA, FOW OA/FOA/FOA Em Jardini et al. (25), é avaliado o comportamento térmico de transformadores de potência submetidos a condições de carregamento acima da nominal. Tal comportamento é utilizado no desenvolvimento de metodologia para o cálculo das temperaturas no topo do óleo e no ponto mais quente de transformadores. Para a obtenção desta metodologia, o transformador no decorrer dos ensaios, foi submetido a ciclos de carga de até 17% da potência nominal, o que ressalta a importância de se ter mecanismos para aplicação de carregamento acima do nominal em transformadores de potência (IEEE- C57.119, 21). Ensaios com cargas acima da nominal também podem ser utilizados, como abordado no trabalho de Pierce (1994), para previsão de capacidade de carregamento de transformadores através do monitoramento de grandezas térmicas em regiões pré-definidas dos mesmos Tensão acima da nominal A sobretensão em um transformador pode provocar no seu núcleo a saturação magnética, causando um aumento significativo na corrente de excitação

50 14 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores do equipamento. Os enlaces de fluxo não se mantêm mais somente confinados ao núcleo, e se fecham pelo meio isolante ou mesmo pelo tanque e peças metálicas do transformador elevando as perdas. Por outro lado, os limites de sobretensão presentes nas normas e guias são considerados conservativos tanto por usuários quanto por fabricantes. O funcionamento de transformadores em condições de carregamento acima do nominal, combinado com sobretensões vem se tornando algo comum no setor elétrico (Barbosa, 25), principalmente por questão de regulação de tensão. A norma NBR (1993) cita que os transformadores devem ser capazes de operar, em regime contínuo, em sua derivação principal, com tensão ou frequência diferente da nominal, desde que os seguintes limites sejam respeitados: tensão aplicada ao enrolamento primário excedendo, no máximo 5% de sua tensão nominal sob frequência nominal e corrente secundária nominal; tensão aplicada ao enrolamento primário acima da tensão nominal, sob frequência abaixo da frequência nominal, mantida a corrente secundária nominal. A tensão primária e a relação tensão/frequência não podem exceder 5% dos respectivos valores nominais com a frequência superior a 57Hz; tensão aplicada ao enrolamento primário superior a 5% da tensão nominal e inferior a 1% desta sob uma frequência nominal, limitando-se a corrente secundária em k vezes a corrente nominal, de acordo com a Equação 2.1. V T (%) = 11 5k 2 (2.1) sendo: V T (%) o valor de tensão aplicada ao transformador e < k < 1 o nível de carregamento admissível. tensão primária 5% abaixo da tensão nominal do enrolamento primário, mantida a potência nominal do enrolamento secundário, sob frequência nominal, sendo que, nesta condição, as elevações de temperatura das

51 2.3 Operação de Transformadores em Condições Especiais 15 várias partes do transformador não devem ultrapassar em mais de 5 C as elevações de temperatura obtidas em condição nominais; transformador a vazio, com tensão aplicada ao enrolamento primário igual a 11% da sua tensão nominal, sob frequência nominal, sem que as elevações de temperatura ultrapassem os limites fixados; transformador a vazio, com tensão aplicada ao enrolamento primário acima da tensão nominal, sob frequência abaixo da frequência nominal, desde que nem a tensão nem a relação de tensão/frequência excedam 11% dos respectivos valores nominais, sem que as elevações de temperatura ultrapassem os limites fixados; De forma diversa, a norma NBR A (23) modificou parte destas considerações constando apenas que, um transformador deve ser capaz de operar em regime permanente sem danos, nas condições de sobreexcitação onde a relação entre a tensão e a frequência não exceda em mais de 5% a relação correspondente entre a tensão e frequência nominal. Todavia, o guia IEEE-C (2) e a norma NBR (1993) apresentam dados semelhantes no que se refere aos limites de sobretensão. Ambos apresentam uma limitação de 15% da tensão nominal para o transformador funcionando em plena carga. Para a condição de funcionamento a vazio, ambos estabelecem um limite de 11% da tensão nominal. Existem situações no sistema de distribuição onde a aplicação de sobretensões no primário do transformador é inevitável, para fins de regulação de tensão em ramais extensos. Essa sobretensão aplicada aos transformadores provoca uma alteração nas perdas a vazio e em carga. Ebert (2) mostra que as perdas a vazio, na faixa de 9% a 11% de excitação, podem ser expressas aproximadamente por: sendo: P V2 = P V1 V 3,7 pu (2.2) P V1 - valor das perdas a vazio na condição de excitação nominal; P V2 - valor das perdas a vazio na nova condição de excitação;

52 16 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores V pu - valor da tensão de excitação em pu. 3,7-expoentemédiodeterminadoapartirdeanálisededadosdeperdas a vazio, medidos em vários transformadores de potência (Ebert, 2). Através da Equação 2.2 conclui-se que as perdas a vazio, na condição de sobreexcitação, aumentam significativamente em relação à condição nominal de operação. Esta equação para o cálculo das perdas a vazio do transformador só é válida para uma excitação máxima de 11%, sendo que a partir deste valor o comportamento torna-se extremamente imprevisível. Como conseqüência deste aumento das perdas no núcleo, a operação combinada de sobretensão e sobrecarregamento no transformador produz elevação da temperatura no topo do óleo e no ponto mais quente. Utilizando modelagem análoga, Barbosa et al.(27) e Maia et al.(28), em trabalhos desenvolvidos na Universidade Federal de Minas Gerais e analisando um banco de dados de transformadores de potência do sistema elétrico da CEMIG, encontraram o mesmo valor para o expoente da equação 2.2. A elevação da temperatura do topo do óleo é tradicionalmente calculada através da Equação 2.3, conforme a norma NBR (1997), que não contempla o efeito da sobrexcitação: onde: ( ) k 2 n R+1 Θ = Θ on (2.3) R+1 Θ o - elevação de temperatura do topo do óleo em uma condição de carregamento diferente do nominal; Θ on - elevação de temperatura do topo do óleo em carga nominal; k - razão entre o carregamento no qual se deseja calcular a elevação de temperatura e o carregamento nominal do transformador; R - relação entre perdas em carga sob carga nominal e perdas a vazio; n - expoente no cálculo de elevação de temperatura do óleo, que depende do método de resfriamento em funcionamento do transformador.

53 2.3 Operação de Transformadores em Condições Especiais 17 A Equação 2.3 calcula a elevação da temperatura no topo do óleo provocada apenas pelo carregamento do transformador, não levando em consideração as alterações causadas pela excitação acima dos valores nominais. Em Barbosa (25), é proposto um modelo que considera a elevação da temperatura do óleo devido ao carregamento do transformador e à excitação acima dos valores nominais. A Equação 2.4 sintetiza a metodologia de cálculo proposta: onde: [ ] k 2 P nom +P fe (V p ) 3,7 n Θ f = Θ on (2.4) P nom +P fe Θ f - elevação de temperatura do topo do óleo sobre a temperatura ambiente sob uma carga especifica; P nom - perdas no enrolamento sob carga nominal; P fe - perdas no ferro com 1% de excitação; V p - tensão aplicada no primário do transformador. A elevação de temperatura no ponto mais quente pode ser calculada através da Equação 2.5, como consta na norma NBR (1997): sendo: Θ e = Θ en (k 2 ) m (2.5) Θ e -elevaçãodetemperaturadopontomaisquentecomcarregamento diferente do nominal; Θ en - elevação de temperatura no ponto mais quente em carga nominal; k - razão entre o carregamento no qual se deseja calcular a elevação de temperatura e o carregamento nominal do transformador;

54 18 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores m - expoente no cálculo de elevação de temperatura do enrolamento, que depende do método de resfriamento em funcionamento do transformador. Desta forma, novas investigações do comportamento térmico do transformador, quando operando com tensão acima da nominal são necessárias. O desenvolvimento de uma nova metodologia, que permita a realização dos ensaios em ambiente laboratorial com carga efetiva e flexibilidade na definição do perfil de carga, vai auxiliar nestas novas investigações Impacto da distorção harmônica em transformadores de potência Distorções harmônicas na tensão de alimentação e na corrente de carregamento de transformadores provocam perdas excessivas nos enrolamentos, acarretando uma elevação significativa na temperatura interna de trabalho e uma redução na vida útil. Diante de um aumento significativo, nas ultimas décadas, das cargas não lineares conectadas à rede elétrica, este problema vem se agravando e tem sido alvo de estudos em todo mundo (Elmoudi (26), (Elmoudi et al. (26a), Pierce (1996), Kennedy and Ivey (199), Driesen et al. (2), Delaiba et al. (1996)). As perdas causadas pelos harmônicos de tensão quando comparadas às perdas causadas pela tensão fundamental são muito pequenas, podendo assim ser desprezadas. A Equação 2.6 mostra a relação entre os harmônicos de tensão e as componentes do fluxo. Observa-se que o valor do fluxo é diretamente proporcional à tensão harmônica e inversamente proporcional à ordem da harmônica. Além disso, na maioria dos sistemas de potência, a taxa de distorção harmônica da tensão está bem abaixo dos 5% e as amplitudes das componentes harmônicas de tensão são pequenas em comparação com a componente fundamental, raramente superior a 3%. Isso é provocado pela baixa impedância interna da maioria dos sistemas que geram harmônicos na tensão (Elmoudi et al., 26a). N 1 (hw)φ h = Uh (2.6)

55 2.3 Operação de Transformadores em Condições Especiais 19 sendo: h = 1,3,5,... - ordem da harmônica, φ h - fluxo harmônico; U h - tensão harmônica; N 1 - número de espiras. Já as perdas extras geradas em transformadores de potência pelas componentes harmônicas de corrente são significativas e merecem uma atenção especial ( Pierce (1996), Kennedy and Ivey (199)). O guia IEEE-C57.1 (28) classifica as perdas em dois tipos: a vazio e em carga. As perdas a vazio são necessariamente causadas pela magnetização do transformador. As perdas em carga são subdivididas em outras três categorias: perdas Joule, provocadas pela resistência dos enrolamentos; perdas por correntes parasitas nos enrolamentos e perdas magnéticas, devidas ao fluxo de dispersão em outras partes metálicas do transformador. A Equação 2.7 permite determinar as perdas totais de um transformador. sendo: P t = P nl +RI 2 +P cf +P stray (2.7) P t - perdas totais no transformador; P nl - perdas a vazio; RI 2 - perdas Joule; P cf - perdas por correntes parasitas; P stray - perdas por dispersão do fluxo magnético. As perdas por efeito Joule são provocadas pelo aquecimento dos enrolamentos do transformador e são proporcionais ao quadrado da corrente eficaz.

56 2 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores Por sua vez, as perdas por correntes parasitas são consideradas proporcionais ao quadrado da corrente eficaz e ao quadrado da frequência. Através da Equação 2.8, é possível calcular as perdas por correntes parasitas em função da ordem das harmônicas. P cf = P cfn h max 1 [ h 2 ( Ih i R ) 2 ] (2.8) onde: P cf -perdaporcorrentesparasitasemfunçãodaordemdosharmônicos; P cfn - perda por correntes parasitas na frequência 6Hz; h - ordem das harmônicas; I h - corrente RMS de ordem harmônica h; i R - corrente RMS em carga na frequência de 6Hz. As perdas por dispersão magnética são proporcionais ao quadrado da corrente eficaz. Porém, ao contrário das perdas por correntes parasitas, estas não são proporcionais ao quadrado da frequência. Devido ao efeito pelicular, o fluxo magnético não consegue penetrar totalmente no condutor, reduzindo assim as perdas. Em Elmoudi (26) e IEEE-C57.1 (28) sugere-se a utilização de um fator exponencial de,8 para correção das perdas. A Equação 2.9 mostra como obter as perdas devido à dispersão magnética. P stray = P strayn h max 1 [ h.8 ( Ih i R ) 2 ] (2.9) sendo: P stray - perda por dispersão em função da ordem dos harmônicos; P strayn - perda por dispersão na frequência de 6Hz.

57 2.4 Comportamento Térmico de Transformadores 21 Com base na preocupação do impacto de distorções harmônicas no carregamento de transformadores, diversos trabalhos abordam o tema com foco no projeto de transformadores para operação de cargas não lineares. Umas das propostas de projeto foi publicada por Pierce (1996) na qual, para o desenvolvimento dos modelos matemáticos, são utilizados registros de temperatura em diversos pontos do transformador. Tais registros são obtidos através de ensaios laboratoriais nos quais é forçada a circulação de correntes não senoidais pelos enrolamentos do transformador. Em Elmoudi et al. (25) é proposto um fator de correção das perdas harmônicas em transformadores, levando-se em conta o efeito pelicular provocado pelas correntes harmônicas. Elmoudi et al. (26b), com base na teoria de transferência de calor, estabelece modelos matemáticos para calcular a temperatura no topo do óleo e no ponto mais quente. Para obtenção das grandezas térmicas de validação dos modelos, os sensores de temperatura foram instalados em um transformador de subestação, estando o mesmo conectado à rede elétrica. Outras propostas que são encontradas na literatura ressaltam a importância de se ter mecanismos de ensaio de transformadores submetidos a condições de não linearidade de carga, podendo-se destacar Kennedy and Ivey (199), Preiningerova et al. (1983) e Parentoni et al. (211). 2.4 Comportamento Térmico de Transformadores O transformador de potência é um dos componentes mais caros do sistema elétrico e conhecer sua real condição térmica de operação é essencial. O comportamento da temperatura no topo do óleo e, principalmente no ponto mais quente do enrolamento, são aspectos críticos na etapa de projeto, uma vez que é neste momento que se define tanto a potência nominal como a capacidade de sobrecarga. Um modelo térmico permite uma análise completa do transformador e, assim, possibilita maximizar a sua utilização no que diz respeito ao carregamento e ao tempo de vida útil.

58 22 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores Devido à energia que é dissipada por suas perdas internas, o transformador é um dispositivo que normalmente trabalha em condições de temperatura superiores à temperatura ambiente. Para tanto, este equipamento deve ter projeto e construção compatíveis com a faixa de temperatura na qual irá operar, de forma a garantir um perfeito funcionamento dos seus componentes e vida útil adequada ao investimento de sua aquisição. Estas características de operação, que são normalizadas, podem ser determinadas através da realização de testes operacionais. Os transformadores são submetidos às mais diversas condições de operação durante sua vida útil. Deste modo, o conhecimento do comportamento térmico é de suma importância, pois permite evitar a evolução de problemas indesejáveis (Elmoudi (28), Elmoudi (29)). Normalmente, a engenharia de operação utiliza dados de ensaios típicos para cálculo das elevações de temperatura e dos limites de carregamento admissíveis. A norma NBR A (23) classifica os transformadores segundo suas características térmicas de operação em: classe 55 C - temperaturamédia dos enrolamentos, acimada ambiente, não exceda 55 C e cuja elevação de temperatura no ponto mais quente do enrolamento, acima da ambiente, fique abaixo de 65 C (considerando a temperatura ambiente 4 C). classe 65 C - temperatura média do enrolamento, acima da ambiente, não exceda 65 C e cuja elevação de temperatura do ponto mais quente do enrolamento, acima da ambiente, fique abaixo de 8 C (considerando a temperatura ambiente 4 C). A Tabela 2.2 apresenta os limites de elevação da temperatura para transformadores de potência classe 55 C e 65 C (NBR A, 23). O envelhecimento do isolamento do transformador é um processo contínuo que ocorre sob qualquer condição de operação, dificultando a definição de um ponto crítico, no qual esta degradação é mais acentuada. A elevação de temperaturaécausada pelas perdas oriundas do cobre e do núcleo, e é a principal causa deste envelhecimento.

59 2.4 Comportamento Térmico de Transformadores 23 Tabela 2.2: Limites de elevação da temperatura em transformadores de potência. classe de temperatura 55 C 65 C máxima temp. do topo do óleo 95 C 15 C máxima temp. do ponto mais quente do enrolamento 15 C 12 C Um transformador pode ser carregado além dos valores nominais, desde que esse carregamento se dê de forma controlada. A norma NBR A (23) e o guia IEEE-C57.91 (1995) especificam formas seguras de se obter o carregamento de um transformador além de sua potência nominal, sendo: carregamento em condição normal de operação, quando o transformadordepotênciaésubmetidoaumníveldecarga,semqueatemperatura no topo do óleo e no ponto mais quente do enrolamento alcance valores além dos limites normais, mesmo que, em alguns momentos do ciclo de carga, a potência nominal seja ultrapassada; carregamento planejado além do valor nominal, onde a temperatura do ponto mais quente do enrolamento atinge valores maiores do que os aceitos para a condição de carregamento em condição normal (12 a 13 C); carregamento em condição de emergência de curta duração, onde existe condição de risco e cujo tempo deve ser sempre inferior à constante térmica do enrolamento no transformador. carregamento em condição de emergência, onde é permitido que os limites de temperatura do carregamento em condição normal sejam ultrapassados até um certo valor. Recomenda-se não utilizar apenas a temperatura média no topo do óleo como critério para definir o perfil do carregamento, visto que as constantes de tempo térmicas do enrolamento são significativamente menores. A Tabela 2.3 apresenta os limites de elevação de temperatura para transformadores imersos em óleo (NBR A, 23).

60 24 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores Tabela 2.3: Limites de elevação da temperatura em transformadores de potência imersos em óleo isolante (NBR A (23)). limites de elevação de temperatura ( C) a enrolamentos óleo partes metálicas método da variação tipos de da resistência em contato não em transformadores circulação circulação ponto com a contato do óleo forçada de mais isolação com a natural ou óleo com quente sólida ou isolação forçada sem fluxo adjacente sólida e não fluxo de dirigido a ela adjacente a óleo dirigido ela sem Não devem A temperatura conservador atingir não deve ou sem gás b temperaturas atingir em em inerte acima superiores à nenhum caso óleo do óleo máxima valores que com c especificada venham a conservador para o ponto danificar estas ou gás mais quente partes, outras inerte 65 d 7 d 8 d 65 d da isolação partes ou acima adjacente ou materiais do óleo 95 e 1 e 12 e 65 e em contato adjacentes com esta a Os materiais isolantes devem ser adequados para o limite de elevação de temperatura em que o transformador é enquadrado. b Medida próxima à superfície do óleo. c Medida próxima à parte superior do tanque, quando tiver conservador, e próxima à superfície do óleo, no caso de gás inerte. d Quando é utilizada isolação de papel. e Estes limites de elevação de temperatura são aplicáveis desde que acordado entre fabricante e comprador. A norma NBR (1997) utiliza dois procedimentos para avaliar a aplicação de carga em transformadores, cuja escolha depende do controle disponível e das condições operacionais. Para usuários que não possuem controle das condições operacionais, não é permitido o carregamento acima do nominal do equipamento mesmo em regime de emergência de longa e curta duração. Por outro lado, tal carregamento é permitido desde que usuários possuam controle das condições operacionais. A Tabela 2.4 apresenta os limites de carregamento de transformadores de potência, para operação normal e emergencial de curta e longa duração (NBR (1997)).

61 2.4 Comportamento Térmico de Transformadores 25 Tabela 2.4: Limites de carregamento de transformadores (NBR (1997)). temperatura C tipos de carregamento classe 55 C classe 65 C óleo pt. mais quente óleo pt. mais quente normal emerg. longa duração emerg. curta duração Elevação de temperatura no ponto mais quente A vida útil de um transformador é determinada principalmente pela temperatura do seu ponto mais quente, que dependerá da capacidade do transformador em dissipar o calor para o ambiente. O modelo matemático para calcular a temperatura no ponto mais quente parte do pressuposto de que um aumento da corrente irá resultar em um aumento das perdas e, portanto um aumento na temperatura. Na Equação 2.1, é mostrada uma proposta na qual a elevação da temperatura no ponto mais quente pode ser representada por uma resposta dinâmica de um sistema de primeira ordem(nbr (1997) e Elmoudi (26)). sendo: Θ H = [ Θ e Θ H,i ] [1 e t τ H ]+ Θ H,i (2.1) Θ H - elevação da temperatura no ponto mais quente em relação à temperatura no topo do óleo; τ H - constante de tempo da elevação da temperatura no ponto mais quente; Θ e -elevaçãodetemperaturadopontomaisquentecomcarregamento diferente do nominal; Θ H,i - elevação da temperatura inicial no ponto mais quente em relação à temperatura no topo do óleo

62 26 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores A Equação 2.11 permite estimar a constante de tempo da elevação da temperatura no ponto mais quente, em função dos aspectos operacionais e de projeto. sendo: τ H = 2,75 (1+P e )s 2 Θ en (2.11) P e - perdas efetivas eddy currents relativas às perdas no enrolamento em DC (pu); s - densidade de corrente dos enrolamentos em A/mm 2. Θ en - elevação de temperatura no ponto mais quente em carga nominal; Diversos trabalhos na literatura abordam o desenvolvimento de modelos matemáticos para a determinação da temperatura no ponto mais quente de transformadores de potência. Dentre eles, podem-se destacar Pierce (1996), Lisieutre et al. (1997), IEEE-C57.91 (1995), Jardini et al. (25), Peterchuck and Pahwa (2) e Lachman et al. (23) nos quais são utilizados dados de medições laboratoriais no processo de desenvolvimento e validação dos respectivos modelos. Complementarmente, tais trabalhos dão subsídios para a definição dos pontos de instalação de sensores de temperatura no interior de transformadores em geral Elevação de temperatura no topo do óleo A idéia básica do modelo matemático para calcular a elevação da temperatura no topo do óleo de um transformador parte do pressuposto que um aumento da corrente no transformador irá resultar em um aumento das perdas e, portanto, da temperatura global de operação. Esta elevação na temperatura de operação depende da capacidade térmica do transformador, ou seja, a massa do núcleo, bobinas e óleo e da taxa de transferência de calor para fora do transformador. A elevação da temperatura no topo do

63 2.4 Comportamento Térmico de Transformadores 27 óleo, durante o carregamento, pode ser modelada por uma resposta dinâmica de um sistema de primeira ordem, como é mostrado na Equação 2.12 (NBR (1997) e Elmoudi (26)). sendo: Θ TO = [ Θ Θ TO,i ] [1 e t τ T ]+ Θ TO,i (2.12) Θ o - elevação de temperatura do topo do óleo em uma condição de carregamento diferente do nominal; Θ TO - elevação da temperatura no topo do óleo em relação à temperatura ambiente; Θ TO,i - elevação de temperatura no topo do óleo inicial em relação a temperatura ambiente; τ T - constante de tempo da elevação de temperatura no topo do óleo; A constante térmica do óleo pode ser calculada por expressões matemáticas, como sugerem textos técnicos ou através de procedimentos de medição que se encontram detalhados na NBR B (23). Uma primeira estimativa desta constante de tempo pode ser obtida através da Equação 2.13 presente na norma NBR B (23). τ T = 5M t +15M o P t Θ u 6 (2.13) M t - massa total do transformador em toneladas; M o - massa de óleo em toneladas; P t - perda total em kw; Θ u - elevação de temperatura final estimada do topo do óleo; Pode se concluir, com base no exposto acima, que a determinação das temperaturas no ponto mais quente e no topo do óleo tem que ser realizada

64 28 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores com a maior exatidão possível para possibilitar o desenvolvimento de modelos matemáticos que representem com fidelidade a dinâmica real do transformador. Dentro desta linha de pesquisa, Jardini et al. (25) e Peterchuck and Pahwa (2) desenvolveram metodologias para determinação da temperatura no topo do óleo. A validação da metodologia é efetuada através de simulações computacionais, ressaltando a importância de se ter métodos de obtenção de registros de grandezas elétricas e térmicas sobre diversas situações de carregamento de transformadores Constante de tempo de elevação de temperaturas O ensaio em carga, segundo recomendações da norma NBR B (23), deve ser realizado até que, por três horas sucessivas de funcionamento, se tenha uma variação de temperatura do óleo máxima igual a 1 C, garantindo-se uma estabilização térmica com o nível de carregamento, como representado na Figura 2.2. Figura 2.2: Transitório de estabilização da temperatura do óleo durante um ensaio em carga constante. Para realização do ensaio, devem ser utilizados no mínimo três sensores de temperatura distribuídos internamente, sendo considerada a temperatura média dos valores obtidos. Em caso de serem instalados sensores dentro do enrolamento a fim de se registrar a temperatura no ponto mais quente, é

65 2.5 Comentários Finais 29 aconselhável colocar vários sensores em posições diferentes, uma vez que a exata localização do ponto mais quente não é previamente conhecida (Jardini et al. (25), Pierce (1992) e Cahyono et al. (28)). Estima-se que o ponto mais quente encontra-se a 2/3 da altura do enrolamento mais interno (NBR B (23)). A temperatura do topo do óleo é determinada pelos sensores imersos no mesmo, dentro dos poços ou dentro das tubulações superiores que ligam o tanque aos radiadores ou trocadores de calor. No fundo do tanque, por questões práticas, a temperatura é considerada idêntica à do óleo que retorna ao tanque pelos circuitos de refrigeração. A temperatura deve, em princípio, ser a temperatura média do óleo de refrigeração dentro dos enrolamentos (NBR B, 23). Para um transformador de 25MVA, por exemplo, a ordem de grandeza para a constante de tempo da elevação de temperatura no topo do óleo é de aproximadamente 15 minutos e a da elevação da temperatura no ponto mais quente é de 7 minutos (Tamura, 29). 2.5 Comentários Finais Neste capítulo foi realizado um estudo das normas e práticas recomendadas atualmente em vigor para a avaliação do comportamento de transformadores de potência em condições normais e especiais de operação. Também foram apresentadas normas que não estão mais vigentes mas que contemplam aspectos de engenharia que dominaram procedimentos de operação clássicos. Adicionalmente, foram apresentados trabalhos que analisam, do ponto de vista teórico e prático, a operação de carregamento de transformadores sob condições nominais e especiais. Desta forma, o ensaio em carga é de suma importância, visto que o conhecimento das características térmicas do equipamento permite a operação de forma otimizada, explorando o carregamento ao máximo, sem que a vida útil do mesmo seja reduzida. As normas vigentes permitem que, por um determinado período de tempo, o transformador opere com potência acima da nominal, desde que a expectativa de vida do transformador não seja reduzida.

66 3 2 Fundamentos Teóricos Sobre Testes Operacionais em Transformadores Por fim, conclui-se que o desenvolvimento de uma metodologia capaz de submeter transformadores a diversas situações de carregamento é de extrema importância para a otimização operacional de sistemas elétricos de potência. Tal desenvolvimento é realizado através da construção da bancada regenerativa. São apresentados nos capítulos 3 e 4 deste trabalho, respectivamente, a concepção da referida bancada e o projeto e especificação de seus componentes.

67 Capítulo 3 Concepção da Bancada Regenerativa 3.1 Considerações Iniciais Durante o desenvolvimento deste trabalho, implementou-se uma bancada experimental, composta de um conversor regenerativo e dois filtros LC. Através desta bancada regenerativa, foram realizados ensaios em transformadores, possibilitando uma análise detalhada da condição de operação dos mesmos. Esta bancada é uma contribuição deste trabalho no estudo comparativo entre diversas técnicas de ensaios de transformadores propostas na literatura. Neste capítulo é feita uma descrição superficial da bancada regenerativa de 75kVA/48V, bem como de todos os seus componentes. 3.2 Filosofia do Projeto As características inovadoras da metodologia proposta para testes em transformadores são a flexibilidade na definição do perfil de carregamento e o baixo consumo de energia durante a execução dos testes. Esta metodologia, validada através da bancada experimental, é uma importante contribuição deste trabalho, permitindo agregar novos conhecimentos ao tema e sugerir novos procedimentos de projeto ou de operação dos equipamentos em teste.

68 32 3 Concepção da Bancada Regenerativa Convencionalmente, a determinação das perdas em transformadores de potência, visto a impossibilidade de aplicar carga efetiva, é realizada de forma indireta. A metodologia desenvolvida neste trabalho possibilita a realização do ensaio com carga efetiva em ambiente laboratorial e controle das variáveis associadas ao carregamento, fornecendo dados representativos do comportamento real do transformador sob teste. A bancada regenerativa permite, além da determinação das perdas, o registro de medições de temperaturas provenientes de sensores PT 1 instalados nos transformadores durante a construção. Alguns desses registros de temperatura, obtidos durante os ensaios realizados neste trabalho, foram utilizados por Mendes (211) para validar o modelo térmico proposto em seu trabalho de doutorado. Com base nesta proposta de avaliar as condições operacionais de transformadores, Pierce (1992) cita que os resultados obtidos através das metodologias indiretas são imprecisos. Adicionalmente, recomenda que novos procedimentos de testes sejam desenvolvidos. 3.3 Descrição do Sistema Com o objetivo de obter a flexibilidade desejada na definição do perfil de carregamento do transformador e garantir um baixo consumo de energia durante a execução de ensaios, a bancada tem como elemento principal um conversor regenerativo. A disposição de instalação do conversor foi projetada de tal forma a permitir que quase a totalidade da energia aplicada ao transformador sob teste fosse devolvida ao ponto de conexão com a rede elétrica, consumindo assim a energia necessária para suprir apenas as perdas internas de todos os componentes da bancada. Para um melhor entendimento do princípio de funcionamento da bancada regenerativa é apresentado, na Figura 3.1, o respectivo diagrama esquemático.

69 3.3 Descrição do Sistema 33 Figura 3.1: Diagrama esquemático da fonte regenerativa para ensaio de transformadores trifásicos.

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