Transformador de Distribuição de Maior Vida Útil e Menor Agressividade Ambiental

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1 21 a 25 de Agosto de 2006 Belo Horizonte - MG Transformador de Distribuição de Maior Vida Útil e Menor Agressividade Ambiental José Mak Roberto L. Maciel B&M Pesquisa e Desenvolvimento Grupo Bueno&Mak josemak@bmpd.com.br; rmaciel@bmpd.com.br Luiz R. Franchini Itaipu Transformadores luizfranchini@itaiputransformadores.com.br Vagner Vasconcelos Companhia Piratininga de Força e Luz vagnervasco@cpfl.com.br RESUMO A Companhia Piratininga de Força e luz vinha procurando há algum tempo reprojetar seus Transformadores de Distribuição, pois os atuais além de terem perdas elevadas, eram muito pesados e não utilizavam novos materiais ecologicamente corretos e de melhor desempenho, existentes no mercado internacional. De modo a atender esta solicitação de mercado, a Companhia Piratininga de Força e Luz em parceria com a Empresa de Gestão de Tecnologia B&M Pesquisa e Desenvolvimento Ltda e o fabricante de Transformadores de Distribuição Itaipu Transformadores Ltda, desenvolveu um novo transformador trifásico, compacto (exteriormente idêntico ao transformador de 45kVA), híbrido, de núcleo normal, com potência de 88 kva, tensões de AT de V /11.400V e BT de 220/127V, de menor peso e menores perdas, isolado com fluído à base de éster vegetal biodegradável e papel Kraft convencional, extremamente ecológico. Todos os materiais utilizados na produção desses transformadores estão nacionalizados, inclusive o óleo vegetal. Encontram-se aplicados em região piloto da Companhia Piratininga de Força e Luz, para avaliação de desempenho em condições reais de campo. PALAVRAS-CHAVE Distribuição, Eficiência Térmica, Redução de Custo, Transformador, Vida Útil. 1/6

2 1. INTRODUÇÃO O desenvolvimento desse projeto procurou aliar vários aspectos importantes para o bom desempenho do equipamento como: confiabilidade, líquido de arrefecimento de maior eficiência, suportar maiores temperaturas de trabalho, custos reduzidos, maior vida útil, menor agressividade ambiental e menores perdas no ferro. Foram pesquisados, propostos, definidos, avaliados e testados novos materiais isolantes para redução do custo de produção dos transformadores de distribuição em fábrica e para redução de custos de manutenção. Foram identificadas as alternativas de maior viabilidade técnico-econômica dentre aquelas estudadas. A alternativa escolhida foi avaliada por meio do desenvolvimento de protótipos de transformadores de distribuição, que foram estudados em laboratório de alta tensão para determinação do dimensionamento e para avaliação do desempenho e da biodegradabilidade dos óleos isolantes empregados. Foi escolhida uma região típica para avaliação de desempenho em condições reais de campo. O resultado foi um novo transformador de distribuição, empregando materiais isolantes mais eficazes e interessantes que reduzem sensivelmente os custos de fabricação e de manutenção de maneira técnica e economicamente viável. Também como resultado, foi viabilizado a construção de uma planta de processamento do óleo vegetal no país. 2. MAIOR CONFIABILIDADE Geometria do núcleo em degraus substituída por uma de cantos vivos, com maior área de contato entre chapas e reduzindo esforços de curto circuito sobre os enrolamentos, conforme Figura1. Figura 1 Núcleo com geometria em degraus 3. LÍQUIDO DE ARREFECIMENTO DE MAIOR EFICIÊNCIA TRANSFORMADOR COMPACTO DE MENOR VOLUME 3.1. Fluidos à Base de Óleo Vegetal Alguns trabalhos publicados anteriormente demonstraram a praticidade de substituir óleo mineral por fluido dielétrico de éster natural em sistemas de isolamento líquido-papel 1,2,3. Experiências anteriores mostraram diferença nas taxas de envelhecimento de papel em éster natural em relação a papel em óleo mineral. O presente experimento foi executado para entender e quantificar melhor a vida térmica do isolamento do papel termo estabilizado envelhecido em éster natural. Nos ensaios de laboratório com os materiais a serem estudados, parte das informações contidas foram autorizadas e retiradas de Trabalho realizado pela Cooper Power Systems 1. Os sistemas de 2/6

3 envelhecimento continham materiais na mesma proporção de um transformador de 225 kva. Cada recipiente de ensaio continha papel Kraft termo estabilizado de 0,255mm (26g), fluido dielétrico (350ml), tira de alumínio (106cm 2 ), tira de cobre (76cm 2 ) e a superfície interna de aço do recipiente de envelhecimento (323cm 2 ). O espaço livre acima do nível do fluido ficou em 17% do volume interno à temperatura ambiente. Um recipiente de envelhecimento e os seus materiais de ensaio estão ilustrados na Figura 2 e o resultado do envelhecimento do papel na Figura 3. Figura 2 - Componentes de um sistema de ensaio selado Figura 3 Papel Kraft termo estabilizado após 4000 horas Visualmente, o papel em éster natural mostrou menos degradação do que o papel em óleo mineral. A manipulação de rotina de amostras mostrou que papeis envelhecidos em óleo mineral ficaram mais frágeis do que aqueles em óleos de éster. 3/6

4 4. CUSTOS REDUZIDOS O projeto original prevê customização de materiais (menos ferro, cobre e óleo) e maximização da classe de temperatura 55ºC - Transformador Trifásico Convencional e 85ºC - Transformador Trifásico Óleo Vegetal, Figura 4. Transformador Trifásico Convencional Potência: 45 kva Tensões de AT: V a V Tensões de BT: 127/220 V Peso: 435 kg Litros: 90 litros Preço/kVA: R$ 84,40 Transformador Trifásico Óleo Vegetal Potência: 88 kva Tensões de AT: V a V Tensões de BT: 127/220 V Peso: 350 kg Litros: 81 litros Preço/kVA: R$ 53,40 Figura 4 Principais características dos transformadores 5. MAIOR VIDA ÚTIL Líquido isolante mais higroscópico que o papel, impedindo o envelhecimento deste por hidrólise (fator majoritário). Figura 5 Amostra do óleo vegetal 4/6

5 6. MENOR AGRESSIVIDADE AMBIENTAL Maior biodegradabilidade do óleo vegetal, evitando problemas de contaminação do meio ambiente. Isolante líquido biodegradável e ecologicamente correto para flora e fauna. Solução de descarte final dos resíduos. 7. MENORES PERDAS NO FERRO Para análise das perdas do novo transformador optou-se pela comparação com o transformador de 75 kva, já que este se aproxima mais da potência disponível em kva. 8. NACIONALIZAÇÃO DOS PRODUTOS Todos os materiais utilizados na produção desses transformadores encontram-se nacionalizados e disponíveis para venda no mercado nacional; inclusive o óleo vegetal, cuja plataforma para fabricação foi montada em território nacional e hoje está sendo fabricada pela CARGIL, com supervisão da COOPER. 9. ENSAIOS REALIZADOS Os protótipos que foram ensaiados e que servirão de base para a produção em escala industrial são transformadores tipo híbrido, trifásicos e compactos que apresentam as seguintes características: Tabela 1 Características dos Transformadores Potência: 88 kva AT: V a V BT: 220/127 V Peso: 350 kg Perdas Totais: 1969 W Perdas a vazio: 236 W Óleo: 81 litros (óleo biodegradável) 9.1. Ensaios efetuados nos protótipos Ensaios de compatibilidade de materiais Ensaios no óleo após contato Ensaios elétricos 10. APLICAÇÃO EM REGIÃO PILOTO Depois de aplicados em região piloto da Companhia Piratininga de Força e Luz, para avaliação de desempenho em condições reais de campo, concluiu-se que a continuidade de sua fabricação é viável de modo a reduzir sensivelmente os custos de fabricação e de manutenção de maneira técnica e econômica. 5/6

6 11. CONCLUSÕES Os novos transformadores têm as mesmas dimensões e geometria externa, resultado da compactação almejada por este projeto, e mesmo com potência 95,55% superior a transformadores com a mesma dimensão e geometria, possuem perdas menores a vazio e perdas equivalentes no ferro. Os resultados dos ensaios de compatibilidade de materiais demonstraram a adequação dos materiais escolhidos, resultando em redução substancial de peso que anteriormente se mostrava como 435 kg diminuindo 85 kg, e também reduzindo o volume de óleo utilizado, se comparado ao transformador de 75 kva, de 102 litros (óleo mineral) para 81 litros (óleo biodegradável). Os resultados dos ensaios elétricos demonstraram que apesar da compactação, os transformadores híbridos com núcleo invertido, atingem maior desempenho, pois suportam maiores temperaturas do óleo e conseqüentemente maior carregamento, resultando em transformadores com potência nominal de 88 kva. 12. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS I II McSHANE,C.P., RAPP,K.J.,CORKRAN,J.L.,GAUGER,G.A.,LUKSICH,J. Aging of Paper Insulation in natural Ester Dieletric Fluid. Transmission & Distribution Conference & Exposition, IEEE/PES, Atlanta-GA,Nov,2001. SCHELLHASE,H.&DOMINELLI,N Environmentally acceptable transformer oils EPRI Report wo , Palo Alto CA, EPRI,Out.2000,90p. III McSHANE,C.P. New Safety Dieletric Coolants for Distribution and Power Transformer.IEEE Industry Applications Magazine, vol. 6, nº 3,pp.24-32, Maio/Junho * Agradecimentos ao IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers e a Cooper Power Systems. 6/6