Ciclo de carregamento em regime de operação com sobrecarga planejada

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1 Ciclo de carregamento em regime de operação com sobrecarga planejada Introdução Algumas especificações, principalmente de países que seguem a norma IEEE, definem regimes especiais de carregamento dos transformadores. Este estudo visa esclarecer os critérios de projeto a considerar no caso particular em que é especificado um Regime de Operação com Sobrecarga Planejada (Planned Loading Beyond Nameplate Rating). Descrição do problema Um exemplo típico de especificação de sobrecarga é apresentado abaixo: O transformador pode ser requerido a operar beyond its nameplate rating. Durante este período ocorrerão as seguintes condições: Sobrecarga = 140% da potência nominal Carga inicial = 70% da potência nominal Duração da sobrecarga = 4 horas Temperatura ambiente = 32 0 C Colocando estes dados no software de carregamento do site que segue os critérios da norma NBR , obtém-se os resultados ao lado. 1 NBR5416 Aplicação de cargas em transformadores de potência - Procedimento

2 Para um transformador de classe 65 0 C os limites no caso de um ciclo normal de carregamento são TO C e TE C. Fazendo algumas simulações com o mesmo software chega-se a que, para ficar abaixo destes limites, seria necessário sobredimensionar o transformador de tal forma que a carga durante a ponta correspondesse a aproximadamente 115,7% desta potência física. Atribuindo ao transformador uma potência nominal de, por exemplo, 10 MVA, as duas situações descritas acima seriam: Tabela 1- Comparação inicial Situação 1 2 Potência nominal (kva) Potência física (kva) Carga no pico (kva) Carga inicial (kva) Temperatura do ponto mais quente ( 0 C) O problema do raciocínio acima é que ele simplesmente substitui a potência nominal do equipamento por uma maior, o que não é o objetivo da especificação, sendo, portanto, necessário aprofundar a análise. Comparação entre as normas A dificuldade de uma definição para o problema acima tem sua origem nas diferenças entre as normas. Enquanto a NBR e a IEC especificam três ciclos de carregamento, a IEEE possui mais um, e este é o que deve ser utilizado neste caso. Os ciclos de carregamento são: Em condição normal de operação (NBR, IEC e IEEE)

3 Em regime de operação com sobrecarga planejada (somente IEEE) Em condição de emergência de longa duração (NBR, IEC e IEEE) Em condição de emergência de curta duração (NBR, IEC e IEEE) Ciclo de carregamento em condição normal de operação (Normal life expectancy loading} Aquele em que em nenhum momento é excedida a temperatura do topo de óleo ou a do ponto mais quente do enrolamento para a condição normal, mesmo que, em parte do ciclo, seja ultrapassada a potência nominal. Ciclo de carregamento em regime de operação com sobrecarga planejada (Planned loading beyond nameplate) Neste caso a sobrecarga gerará uma perda de vida maior do que a do ciclo na condição normal de operação, e pode durar vários anos. Nela a temperatura do topo de óleo e/ou do ponto mais quente do enrolamento ultrapassam os limites usados para a condição normal.

4 Ciclo de carregamento em condição de emergência de longa duração (Long time emergency loading) Tal carregamento permite que sejam ultrapassados os limites de temperatura do ciclo de carregamento em condição normal de operação. Decorre de desligamentos prolongados de um elemento do sistema. Isto costuma ocorrer, por exemplo, quando um transformador falha e sai de operação, e sua carga tem que ser absorvida pelos demais transformadores da rede. Uma vez ocorrida a contingência este carregamento pode se repetir de forma cíclica até que o restabelecimento das condições anteriores ao desligamento. Ciclo de carregamento em condição de emergência de curta duração (Short time emergency loading) Este tipo de carregamento envolve condições de maior risco 2, devendo, portanto, ser utilizado apenas em raras ocasiões. O tempo de operação, nessa condição, deve ser menor do que a constante de tempo térmica do transformador e depende da temperatura em operação antes da contingência, não devendo ser maior que 30 minutos. 2 No caso do ciclo em condição de emergência de curta duração o maior risco é a formação de bolhas quando a temperatura do ponto mais quente ultrapassa os C.

5 Durante esse intervalo de tempo, deve-se retornar à condição de carregamento de longa duração: caso contrário, o transformador deve ser desligado, para evitar o risco de falha. Limites de elevação de temperatura Nas tabelas abaixo estão os limites de temperatura considerados nas distintas normas. Tabela 2 - Limites de temperatura para o topo de óleo NBR IEC IEEE Classe 55 0 C 65 0 C 65 0 C 65 0 C Condição normal Sobrecarga planejada Emergência de longa duração Emergência de curta duração

6 Tabela 3 - Limites de temperatura para o ponto mais quente do enrolamento NBR IEC IEEE Classe 55 0 C 65 0 C 65 0 C 65 0 C Condição normal Sobrecarga planejada Emergência de longa duração Emergência de curta duração As tabelas demonstram que a NBR define limites menores e, portanto, mais conservadores que os das demais normas. Como o ciclo em condição de emergência de longa duração é teoricamente mais crítico que o de sobrecarga planejada, é razoável considerar os limites de C e C definidos pela IEEE sejam válidos também no ciclo não definido pela NBR. Novo cálculo considerando os limites para sobrecarga planejada Após algumas iterações chega-se a que, para atender os limites da IEEE a potência física do transformador deve ser na ordem de kva. Tabela 4 - Resumo dos resultados Ciclo Sobrecarga planejada Potência nominal (kva) Potência física (kva) Carga no pico (kva) Carga inicial (kva) 7000 Temperatura do topo de óleo ( 0 C) 94 Temperatura do ponto mais quente ( 0 C) 129

7 Conclusão Quando for especificado um ciclo de carregamento em Regime de Operação com Sobrecarga Planejada deve-se utilizar os limites da IEEE no cálculo da potência física do transformador, e usá-la no dimensionamento térmico do equipamento. Bibliografia NBR Aplicação de cargas em transformadores de potência Procedimento IEC Power transformers - Loading guide for oil immersed power transformer IEEE C Loading - Oil type