VENTILAÇÃO LOCAL PARA INSTALAÇÃO DE TRANSFORMADORES A SECO. PALAVRAS-CHAVE: Transformador de energia, aquecimento térmico, ventilação local.

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1 VENTILAÇÃO LOCAL PARA INSTALAÇÃO DE TRANSFORMADORES A SECO MARCO ANTONIO FERREIRA FINOCCHIO 1 ; JAIR HENRIQUE JUNIOR 2 ; JOSÉ ALEXANDRE DE FRANÇA 3 RESUMO: Este artigo apresenta a metodologia de cálculo para ventilação local, da instalação de transformadores de energia elétrica. Salienta-se, que todo transformador em operação gera calor. Portanto, esse calor deve ser eliminado para o ambiente. A ventilação adequada contribui em preservar a vida útil da instalação como um todo. Esta solução objetiva projetar cabines de transformação mais eficientes, dentro dos níveis aceitáveis de ventilação. O tema aqui abordado restringiu-se apenas a instalação de transformadores a seco. PALAVRAS-CHAVE: Transformador de energia, aquecimento térmico, ventilação local. 1. INTRODUÇÃO Os transformadores são equipamentos, destinados à adequação dos níveis de tensão, transferem energia via campo eletromagnético, tendo perdas associadas a este processo. Estas perdas dependem dos parâmetros elétricos e do regime de funcionamento do equipamento, ocorrendo principalmente no núcleo e nos enrolamentos. As perdas no ferro se fazem presentes durante a energização do transformador, e associadas às características magnéticas do núcleo, independendo da carga conectada ao secundário (FITZGERALD, 2003). As perdas nos enrolamentos estão associadas à circulação de corrente e dependem da carga conectada no secundário (KOSOW, 2005). Estas perdas podem ser agravadas pelas harmônicas, que dependem da freqüência. As perdas nos transformadores são agrupadas a vazio, sob carga e perdas geradas por fluxo de dispersão (DEL TORO, 1994). Estas últimas estão intimamente ligadas à freqüência 1 UTFPR - Campus Cornélio Procópio ( mafinocchio@utfpr.edu.br) 2 UTFPR Campus Cornélio Procópio ( jair.henrique.junior@gmail.com) 3 UEL Departamento de Engenharia Elétrica ( jaf@jaf.eng.br)

2 das harmônicas existentes e devem ser cuidadosamente avaliadas no que diz respeito à elevação da temperatura. As perdas geradas por fluxo de dispersão são originadas por correntes parasitas geradas pelo fluxo de dispersão nos enrolamentos, no núcleo, no tanque e nos demais elementos estruturais do transformador. As perdas nos enrolamentos são proporcionais ao quadrado da amplitude e também ao quadrado da freqüência das correntes circulantes. O mesmo ocorre, de forma aproximada, com a elevação da temperatura devido às correntes parasitas nas partes estruturais do transformador. A norma ANSI/IEEE C apresenta um procedimento de cálculo das perdas ocasionadas por correntes parasitas (fundamental e harmônicas) nos transformadores (ANSI, 1986). As correntes harmônicas produzem aquecimento adicional nos enrolamentos, no núcleo e nas demais partes estruturais do transformador, que causam elevação da temperatura de trabalho, podendo causar falhas prematuras no isolamento, aumentando as perdas e diminuindo a vida útil deste equipamento. Os projetistas enfrentam o problema com projetos cuidadosos, para a nova geração de transformadores de distribuição, que são projetados para operar sob condições de correntes distorcidas. Buscando minimizar as perdas por correntes parasitas. A vida útil de um transformador pode ser aumentada pela ventilação do seu posto de transformação (MAMEDE, 2007). O que acarreta uma melhora da confiabilidade de serviço, rendimento e capacidade de carregamento do transformador. Inicialmente deve ser verificada a possibilidade da ventilação natural. Não sendo possível é preciso instalar a ventilação forçada. Para isto seguem indicações importantes como: Cálculo de sistemas para ventilação natural e forçada; Diagramas e exemplos para dimensionamento de instalações de ventilação; Exemplos de instalações de ventilação eficientes.

3 Estas perdas adicionadas acarretam aquecimento térmico no equipamento. Por sua vez somado as condições de má ventilação da cabine, este excesso de calor poderá gerar sinistros a instalação. 2. CONSIDERAÇÕES INICIAIS A temperatura ambiente máxima para transformadores dimensionados conforme NBR10295 é de 40 o C (ABNT, 1988). Os sensores de temperatura colocados nos enrolamentos de baixa tensão são definidos em função da temperatura máxima do ar de refrigeração, e da temperatura máxima dos enrolamentos. Independe se os transformadores são refrigerados naturalmente (RN) ou equipados com ventiladores para ventilação forçada (VF). O importante é que o sistema de ventilação deve sempre ser projetado para dissipar o calor gerado pelas perdas máximas que podem ocorrer (MAMEDE, 2005). A ventilação efetiva é atingida sempre quando o ar entra no local pela parte inferior e sai pela parte superior, junto ao teto do lado oposto ao da entrada. Se o ar de entrada estiver altamente poluído devem ser instalados filtros. A figura 1 apresenta dados para o cálculo de ventilação. Figura 1: Dados para cálculo de ventilação. Onde Q v representa as perdas totais dissipadas [kw], P V as perdas do transformador [kw], V a velocidade do ar [m/s], A 1,2 a seção de entrada e saída do ar [m 2 ], Δϑ L é a elevação

4 da temperatura do ar [ C], H a altura útil para cálculos térmicos [m], Q W,D as perdas dissipadas (paredes e teto) [kw], A W, D a área das paredes e teto, K W,D o coeficiente de condutividade térmica [W/m 2 K], W a parede, D o teto e V L é o volume de ar [m 3 /s]. 3. METODOLOGIA DE CÁLCULOS A metodologia de cálculo e o dimensionamento correto da ventilação local no posto de transformação será apresentada objetivamente. A Equação 01 fornece as perdas de calor geradas no transformador. 2 1,1.. Saf 115 P k San P P (01) V O Desta forma P V representa as perdas geradas [kw], P o a perdas em vazio [kw], 1,1.P k115 [kw] as perdas em carga a 115 o C transformadores a seco em resina, S af a potência com ventilação forçada [kva] e S an potência com ventilação natural [kva]. O calor total gerado no ambiente por perdas é a soma das perdas de todos os transformadores no ambiente apresentado pela Equação 02: Q P (02) V V Os seguintes métodos possibilitam a dissipação das perdas totais Q v no ambiente segundo a Equação 03: Q V P Q Q Q (03) V V1 V 2 V 3 Onde Q V1 fornece a dissipação do calor pela circulação natural do ar [kw], Q V2 a dissipação através de paredes e teto [kw] e Q V3 a dissipação pela circulação forçada do ar [kw].

5 Equação 04: Para a dissipação das perdas em calor pela circulação natural do ar, aplica-se a 3 Q V 1 0,1. A1,2. H. (04) figura 2. Para a solução gráfica aplica-se o ábaco para ventilação natural do ambiente conforme Figura 2: Ábaco da ventilação natural. Para compreensão será mostrado um exemplo de cálculo prático com circulação natural com os seguintes dados: Q V1 =ΣP V =10kW; H=5m; Δϑ L =15 o C (valor prático). Determinando assim, á o volume do ar que entra e sai V L do ambiente. Já a área da seção de entrada e saída do ar A 1,2 (Q V2 é desconsiderado neste caso por simplicidade). Utilizando o ábaco da figura 2, a partir de Q V1 traça-se a reta para Δϑ L. Esta reta corta a escala V L em 0,58m 3 /s que é o valor procurado do volume do ar. Isto significa que com Δϑ L =15 o C são necessários 2000m 3 /h de ar para cada kw. Uma segunda reta é traçada a partir da interseção da primeira com a auxiliar, (a direita da escala de V L ) ao ponto H=5m. Esta reta

6 corta escala A 1,2 (m 2 ) no ponto 0,78m 2, que é o valor da seção livre da entrada e saída do ar. A resistência ao fluxo de entrada do ar, devido a uma tela com malha de 10 a 20mm e na saída devido a persianas fixas, já foi considerado. Tela de arame na saída do ar em vez de persianas reduz a seção necessária em 10%. Sempre que peças inseridas no sistema de ventilação provoquem a redução da seção do fluxo de ar deverá haver uma compensação para que permaneça conforme calculada. A Equação 05 fornece a parcela das perdas de calor que são dissipadas através das paredes e teto: 3 0,7. A. K. A. K.. QV 2 W W W D D D 10 (05) Onde K W,D representa o coeficiente de transmissão de calor, A W,D a área das paredes e tetos e Δϑ W,D a diferença de temperatura interna-externa (figura 2). Comparada com a dissipação de calor pelo fluxo de ar (Q V1 ) a dissipação pelas paredes e tetos (Q V2 ) normalmente é baixa. Ela depende da espessura e do material que compõe as paredes e tetos. O coeficiente de transmissão de calor K define a característica de cada material. A tabela 1 relaciona a espessura do material com o coeficiente de transmissão de calor. O coeficiente K da Tabela1 abrange a condução através de materiais e sobre superfícies. Tabela 1: Analogia entre Sistema Térmico e Elétrico Material Espessura [cm] K [W/m 2 K] Concreto celular Concreto Tijolo ,7 1,0 0,7 4,1 3,4 2,8 3,1 2,2 1,7 Metal - 6,5 Vidro - 1,4

7 3.1 CALOR PELA CIRCULAÇÃO FORÇADA DO AR A parte do calor das perdas Q V3 que o fluxo forçado de ar dissipa, normalmente é muito maior do que Q V1 e Q V2. Isto representa o calor pela circulação forçada do ar. Na prática aplica-se Q V3 =ΣP V. Assim a circulação forçada de ar dissipa todo o calor das perdas, ficando Q V1 e Q V2 como reservas de segurança. A dissipação do calor pela circulação forçada do ar é calculada pela Equação 06: Q V 3 VL. CPL. pl. L (06) Onde V L representa o fluxo de ar [m 3 /s], C PL o calor específico do ar igual 1,015kWs/kg o C, p L a densidade específica do ar em 20 o C igual 1,18kg/m 3 e Δϑ L a elevação de temperatura do ar [ o C]. A Equação 07 expressa a elevação de temperatura do ar: Δϑ L = ϑ 2 ϑ 1 (07) O ábaco da figura 3 representa a forma gráfica da expressão acima, que representa a ventilação forçada do ambiente. Assim é possível determinar para uma velocidade do ar de 10m/s no duto e diferença de temperatura Δϑ L os seguintes parâmetros: Volume do ar a ser removido Seção do duto do ar Seção da entrada/saída do ar ( 4.S seção do duto ) Assim, a Equação 08 representa a relação entre o volume de ar V L, a velocidade do ar ν, e a seção média A:

8 V L v. A (08) Em ambientes de transformadores uma velocidade do ar de 0,6 a 0,7m/s é admissível. Se o ambiente não for transitável ou acessível pode-se optar por velocidades mais altas. Figura 3: Ábaco da ventilação forçada. 3.2 DUTOS DE AR Por questões de segurança os dutos de ar devem ser feitos em chapa galvanizada ou chapas plásticas (não pode ser PVC). A seção pode ser redonda ou retangular. A colocação de uma barreira corta-fogo no duto é necessária sempre que atravessar uma parede corta-fogo. Além de uma tela na entrada e saída do duto é necessária para evitar a entrada de pequenos animais ou objetos. Observa-se que os valores calculados para as seções de entrada e saída das grades devem ser multiplicados pelo fator 1,7, pois a efetiva área livre da grade é só aproximadamente 60% conforme exigência das concessionarias.

9 No projeto das cabines de transformação as grades ajustáveis permitem uma adequação maior do volume necessário de ar. O que possibilita uma melhor circulação do mesmo. 3.3 VENTILADORES DO AMBIENTE Para a ventilação do ambiente podem ser usados ventiladores do tipo caixas axiais ou radiais. Eles são facilmente encontrados no mercado. Um ponto importante na seleção do ventilador é a necessária diferença total de pressão (N/m 2 ). O que pode ser facilmente verificado nos catálogos dos fabricantes de ventiladores. Outro ponto crítico é a redução do ruído do ventilador. Isto pode acarretar na instalação de um silenciador diretamente nos dutos de ar. Uma observação deve ser feita que as condições especiais no local possam elevar o nível de ruído. Outra é que existindo diversos ventiladores em operação, os ruídos sofrem o fenômeno da superposição. Na seleção dos ventiladores do ambiente devem ser considerados os seguintes critérios: Volume de ar (m 3 /h) em relação à pressão (N/m 2 ); Número de rotações (para manter os ruídos em nível baixo, máximo 600 a 800rpm); Tensão nominal de operação V; Potência nominal kw; Freqüência Hz; Nível de pressão sonora db(a); A Equação 09 fornece a potência P [kw] do ventilador de ambiente: pv. P L (09) 6 3,6.10.

10 Onde p representa a diferença total de pressão relativa ao fluxo do ar [N/m 2 ], V L o fluxo de ar [m 3 /h] e η o rendimento do ventilador entre 0,7 e 0,9. p p R p B (10) A diferença de pressão p R devida ao fluxo de ar se estabelece pela resistência de atrito no duto retilíneo e é fornecida pela Equação 11: P L. p (11) R duto RO Onde L duto é o comprimento do duto e p RO o coeficiente de atrito Resistências específicas como: curvas, derivações, grades, variações de seção também devem ser consideradas. Tabela 2: Valores de referência aproximados para a perda de pressão por p R são apresentados na Tabela 2: Perda de pressão p R Silenciadores N/m 3 Montagem em parede inclusive persianas 40-70N/m 3 Persianas 10-50N/m 3 Grelhas 10-20N/m 3 Valores médios devem ser empregados em "exaustão livre" e "insuflação livre". As Equações 12 e 13 fornecem as expressões para a diferença de pressão devido à aceleração p B [N/m 2 ]: B 2 0,61. vk p (12) V L k (13) Ak

11 Onde ν k é a velocidade do ar [m/s] no duto, V L o volume de ar [m 3 /h] e A k seção transversal do duto [m 2 ] 4. MODELO DIDÁTICO Para o cálculo do fluxo forçado de ar apresentada na figura 4, deve-se considerar o ábaco da figura 3. Figura 4: Cálculo para ventilação forçada. O exemplo será composto de 4 transformadores 1000kVA cada e pelas perdas totais. Salienta-se que as perdas P V típicas para o nível de potência citado é fixado por norma em 12,9kW. QV 3 PV 4.12,9kW 51, 6kW Estão sendo desconsiderados Q V1 e Q V2 que representam margem de segurança. 40 o C temperatura máxima do ar de refrigeração conforme norma. (Em locais com temperatura do ar 40 o C são necessárias soluções especiais como: Pré-

12 refrigeração do ar, redução da capacidade do transformador ou projeto especial para altas temperaturas); Diferença de temperatura Δϑ L =16 C: o ábaco da figura 3 fornece os seguintes resultados: Fluxo do ar de refrigeração m 3 /h Seção transversal do duto de ar 0,28m 2 Seção transversal da entrada do ar 1,12m 2 A figura 4 ilustra um sistema de ventilação com, exaustor (Ventilador de ambiente), persianas, 4 curvas de 90 o com raio igual a 2D, oito metros de dutos retilíneos de chapa galvanizada com seção de 0,28m 2, grade de saída do ar seção livre igual aproximadamente 1,12m 2, e uma grade de sucção do ar com seção livre aproximadamente 1,12m 2. A diferença total de pressão do ventilador é obtida da seguinte fórmula: diferença de pressão devido ao fluxo, mais diferença de pressão devido à aceleração. p p R p B Determinação dos itens componentes: A diferença de pressão devido ao fluxo (p R ) é a soma das perdas de resistência de atrito no duto e a resistência dos componentes individuais. 5. CONCLUSÃO A parte ativa do transformador constitui-se de uma fonte de calor devido às perdas que surgem em suas condições operacionais, com isso, há elevação de temperatura destas partes. O que gera aquecimento do equipamento, diminuindo seu rendimento e a vida útil do isolamento. Portanto, a temperatura está intrinsecamente ligada às perdas no transformador, ou seja, quanto maior for o aquecimento, maior serão as perdas e menor será o rendimento.

13 Com isso, ocorre uma limitação da potência que deve ser solicitada ao equipamento, que faz com que torne a capacidade de carga do transformador intimamente ligada aos níveis de temperatura. Na realidade, considera-se que o funcionamento em temperaturas elevadas causa um envelhecimento rápido do isolamento, quando comparando as condições nominais. O calor gerado nas diversas partes dos transformadores resulta em elevação de temperatura dos enrolamentos. Isto pode ser agravado pela má circulação de ar no posto de transformação, acarretando acréscimos nas partes constituintes do próprio equipamento. Através do exemplo proposto a ventilação em cabines de transformação pode ser abordada de forma didática. Os conceitos expostos possibilitam a dinâmica no dimensionamento do local de transformação. O que facilitará o entendimento para os estudantes e profissionais do ramo. Esse dimensionamento colabora de forma global com uma melhora no aproveitamento da vida útil, confiabilidade de serviço e manutenção correta dos transformadores a seco. 6. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Transformadores de potência secos: especificações. Rio de Janeiro: ABNT, (NBR10295). DEL TORO, Vicent. Fundamentos de Máquinas Elétricas. 1ª ed.. São Paulo: LTC, FITZGERALD, Arthur E., KINGSLEY JR., Charles, UMANS, Stephen D.. Electric Machinery. 6ª ed. New York: McGraw-Hill, IEEE C , IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal Load Currents (ANSI). KOSOW, Irving L.. Máquinas Elétricas e Transformadores. 15ª ed.. São Paulo: Globo, MAMEDE FILHO, João. Manual de Equipamentos Elétricos. 3ª ed.. Rio de Janeiro: LTC, MAMEDE FILHO, João. Instalações Elétricas Industriais. 7ª ed.. Rio de Janeiro: LTC, 2007.