TEMA DA AULA TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA PROFESSOR: RONIMACK TRAJANO DE SOUZA
TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA Transformadores são máquinas de operação estática que transferem energia elétrica de um circuito para outro (circuito primário, para um ou mais circuitos denominados, respectivamente secundário e terciário) por meio do princípio da indução eletromagnética. Transformadores são destinados a rebaixar ou elevar a tensão e, consequentemente, elevar ou reduzir a corrente de um circuito, com frequência constante, ou ainda modificar os valores das impedâncias de um circuito elétrico, ajustando a impedância do estágio seguinte à impedância do anterior (casamento de impedância). O casamento de impedância pode ser realizado visando à maximização da potência ativa fornecida para a carga ou a minimização da potência reativa fornecida.
TRANSFORMADOR IDEAL Um transformador ideal é aquele em que não se tem perdas de acoplamento, o que implica que o fluxo magnético Φ no primário é concatenado integralmente pelo circuito secundário. Neste caso, a permeabilidade magnética do núcleo ferromagnético seria infinita, com o circuito magnético fechado. Resumindo, no transformador ideal: A permeabilidade magnética do núcleo é infinita. Todo o fluxo é confinado no núcleo e, portanto, envolve todas as voltas dos dois enrolamentos. As perdas no núcleo e na resistência dos enrolamentos são nulas.
TRANSFORMADOR REAL A transferência de energia é efetuada com baixa perda de potência. A fração de potência que não é transmitida do primário para o secundário deve-se as perdas (cobre e ferro) que dependem basicamente da construção do transformador, do seu regime de funcionamento e da manutenção nele efetuada. As perdas no ferro são determinadas pelo fluxo estabelecido e as perdas no cobre, por efeito joule, dependem da corrente que circulam nos enrolamentos e na carga. Importante salientar que os circuitos não são ligados fisicamente, ou seja, não há conexão condutiva entre eles.
TRANSFORMADOR CIRCUITO MAGNÉTICO
TIPOS DE TRANSFORMADORES (a) (b) (c) (a) Transformador até 300kVA (b) Transformador até 1000kVA (c) Transformador acima de 1000kVA
TRANSFORMADOR PARTES CONSTITUINTES Um transformador é formado basicamente de: Enrolamentos são formados de várias bobinas, que em geral são produzidas com cobre eletrolítico e recebem uma camada de verniz sintético como isolante. Núcleo produzidos a partir de material ferromagnético, sendo o responsável por confinar o fluxo magnético, de modo que o fluxo que envolve um dos enrolamentos envolva também o outro e, assim, possibilita a máxima transferência de potência do enrolamento primário ao secundário. Acessórios (radiador, buchas isolantes, terminais de conexão elétrica, chave comutadora de tap, placa de identificação, et.)
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS PADRÃO 1. Válvula de alívio sem contato ( 750kVA) 2. Secador de ar sílica-gel * 3. Tubo de enchimento do conservador de óleo; 4. Conservador de óleo; 5. Bolsa para termômetro; 6. Olhal para suspensão do conservador de óleo; 7. Visor de nível do óleo; 8. Radiadores; 9. Caixa de blocos Terminais; 10. Placa de identificação; 11. Válvula de drenagem e retirada de amostra de óleo; 12. Apoio para macaco 13. Rodas bidirecionais (E.E.);
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS PADRÃO 14. Dispositivo de aterramento (cabo de 6 a 70mm²) 15. Bucha de baixa tensão 16. Janela de inspeção 17. Acionamento externo do comutador 18. Bucha de alta tensão 19. Olhal para suspensão 20. Válvula para conexão de filtro Øn1" Gás 21. Caixa com flange 22. Indicador nível de óleo 23. Indicador de temperatura 24. Relé de gás tipo Buchholz
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS E COMPONENTES Termômetro de óleo (ITO) e de imagem térmica (ITE) O termômetro é utilizado para indicação da temperatura do óleo e do enrolamento. Existem dois tipos: o termômetro com haste rígida e o termômetro com capilar.
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS E COMPONENTES Controladores microprocessados de temperatura Este equipamento recebe o valor da resistência de um sensor, geralmente PT100, e o transforma, através de um transdutor incorporado em temperatura equivalente, a qual é vista no monitor de temperatura, com painel frontal digital. Desempenham diversas funções de controle e acionamento de contatos, sendo que através do teclado frontal podemos configurar os parâmetros de sua atuação e ler os valores medidos e configurados.
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS E COMPONENTES Dispositivo de alívio de pressão Os dispositivos de alívio de pressão são instalados em transformadores imersos em líquido isolante com a finalidade de protegê-los contra possíveis deformações ou ruptura do tanque, em casos de defeito interno, com aparecimento de pressão elevada. Possuem ou não contatos elétricos a fim de acionar o desligamento do circuito.
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS E COMPONENTES Conservador de óleo O conservador de óleo é um acessório destinado a compensar as variações de volume de óleo decorrentes das oscilações de temperatura e da pressão. Tem a forma cilíndrica, com o seu eixo disposto na horizontal.
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS E COMPONENTES Secador de ar O secador de ar é composto de um recipiente metálico, no qual está contido o agente secador (sílica-gel), e uma câmara para óleo, colocada após o recipiente (que contém o agente) isolando-o da atmosfera.
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS E COMPONENTES Secador de ar Durante o funcionamento normal do transformador, o óleo aquece e dilata, expulsando o ar do conservador através do secador. A diminuição da temperatura do óleo, provoca a redução do volume. Forma-se, então, uma depressão de ar no conservador e o ar ambiente é aspirado através da câmara e do agente secador, o qual absorve a umidade contida no ar, que entrará em contato com o óleo.
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS E COMPONENTES Relé de gás (tipo Buchholz) Tem por finalidade proteger aparelhos elétricos que trabalham imersos em líquido isolante. É instalado em transformadores justamente para, em tempo hábil, indicar por meio de alarme ou através do desligamento do transformador, defeitos como: perda de óleo, descargas internas, isolação defeituosa dos enrolamentos, do ferro ou mesmo contra a terra. As análises físico-químicas e cromatográficas (Análise de Gás Dissolvido) permitem diagnosticar o estado de operação do trafo.
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS E COMPONENTES Indicador de nível de óleo Têm por finalidade indicar o nível do líquido isolante e, ainda, quando providos de contatos para alarme ou desligamento, servirem como dispositivos de proteção do transformador. O mostrador possui três indicações, conforme abaixo: MIN, (nível mínimo); 25ºC, (à temperatura ambiente de referência (25ºC); MAX, que corresponde ao nível máximo..
TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS E COMPONENTES
TRANSFORMADORES - PERDAS As perdas são traduzidas em escoamentos de potência, que fazem com que a potência de saída do transformador seja diferente da potência de entrada. A potência absorvida pelo transformador é dissipada, em forma de calor, pelos enrolamentos e pelo núcleo de ferro. Basicamente, existem quatro tipos de perdas importantes nos transformadores de potência: Perda no cobre Correntes de Foucault Perda por histerese Fluxo de dispersão
TRANSFORMADORES - PERDAS Perdas no cobre são decorrentes da resistência ôhmica das bobinas, provocando pelo efeito Joule que ocorre nos condutores dos enrolamentos do transformador ao serem percorridos pela corrente elétrico. Estas perdas são desprezíveis quando o transformador opera em vazio (sem carga) e são máximas quando o transformador opera em carga máxima. Em vazio, as perdas no cobre correspondem à corrente de magnetização que percorre o enrolamento primário do transformador, e sob carga corresponde à corrente absorvida pela carga ligada aos seus terminais secundários.
TRANSFORMADORES - PERDAS Correntes de Foucault: são também conhecidas como correntes parasitas. Estas correntes circulam no interior do núcleo do transformador quando este é submetido a um fluxo variante no tempo, provocando perdas por efeito Joule. Esta perda é proporcional ao quadrado da tensão aplicada no transformador, e pode ser reduzida laminando-se o núcleo do transformador.
TRANSFORMADORES - PERDAS CORRENTE DE FOUCAULT Quando um corpo metálico é submetido a uma variação de fluxo magnético, gera-se uma força eletromotriz que produz a circulação de correntes elétricas no seu interior, provocando perda de potência. As perdas por correntes de Foucault, de forma simplificada, referida a 1 kg de lâmina de ferro-silício são dadas por: Sendo: P cf - perdas por correntes de Foucault em W/kg de núcleo ; B m - indução (valor máximo) no núcleo em gauss; F - frequência em Hz; E - Espessura da chapa em mm; K - coeficiente de Steimmetz (depende do material) ;
TRANSFORMADORES - PERDAS POR HISTERESE Perda por histerese: está associada à reorganização dos momentos magnéticos atômicos do material ferromagnético que compõe o núcleo do transformador. Cada vez que o ciclo de histerese é percorrido, uma parcela de energia é gasta para que estes momentos magnéticos sejam realinhados.
TRANSFORMADORES - PERDAS POR HISTERESE Considerando que o fluxo magnético na condição de carga ou à vazio é praticamente o mesmo, as perdas por histerese são dadas por: Sendo: P hm - perdas por histerese em Watt por quilograma de núcleo; K - coeficiente de Steimmetz (depende do material) ; B m - indução (valor máximo) no núcleo em gauss; F - freqüência em Hz.
TRANSFORMADORES - PERDAS Fluxo de dispersão: os fluxos magnéticos que concatenam com apenas um enrolamento e cujas trajetórias são definidas majoritariamente através do ar são denominados fluxo de dispersão. Estes fluxos traduzem-se em uma indutância própria para ambas as bobinas, e seus efeitos são representados pela adição de uma reatância indutiva de dispersão em série com cada um dos enrolamentos.
TRANSFORMADORES - PERDAS EM CARGA Corresponde a potência ativa absorvida na frequência e correntes nominais, estando os terminais secundários em curto-circuito. As perdas em cargas são causadas pela resistência ôhmica das bobinas, denominadas perdas no cobre. Elas são desprezíveis para o transformador em vazio e máxima para o transformador em carga, sendo assim expressas para 1 kg de fio de cobre: Sendo: P cu - perdas no cobre em W/kg; D - densidade de corrente em A/mm², tomada como média das densidades de corrente dos enrolamentos primário e secundário.
TRANSFORMADORES - PERDAS TOTAIS As perdas totais do transformador em qualquer regime de carga pode ser expresso por: Sendo: P t perdas totais no transformador, em W; F c - fator de carga P fe - perdas totais no ferro, em W, dado por: Sendo: P cfn - perdas por correntes de Foucault em W; P hmm - perdas por histerese em Watt;
TRANSFORMADORES - RENDIMENTO O rendimento de um equipamento pode ser definido como a relação entre as potências de saída e entrada. No caso de transformadores, o rendimento é a relação entre a potência elétrica fornecida pelo secundário e a potência absorvida pelo primário. Sendo: P saida =potencia transferida do primário para o secundário P perdas = perdas no ferro e perdas no cobre Sendo: S nt - potência saída do transformador.
TRANSFORMADORES - RENDIMENTO O rendimento do transformador é máximo quando as perdas no cobre são iguais às perdas no ferro e que o valor da corrente para esse rendimento é menor que o valor da corrente nominal. É evidente que em circuito aberto (em vazio) e em curto-circuito o rendimento é nulo, visto que em ambos os casos não há carga ligada ao secundário do transformador. Em circuito aberto não há potência útil porque não há corrente, e em curto-circuito não há potência útil, tendo em vista que a carga é apenas o núcleo e os enrolamento dos transformador.
TRANSFORMADORES - CURVAS DE RENDIMENTO
TRANSFORMADORES - REGULAÇÃO DA TENSÃO A regulação de tensão de um transformador é a variação na tensão terminal do secundário, entre circuito aberto e em plena carga, considerando a tensão do primário constante, sendo usualmente expressa como percentagem do valor da tensão em plena carga.
TRANSFORMADORES - IMPEDÂNCIA PERCENTUAL Conhecida também como tensão nominal de curto-circuito, representa numericamente a fração da tensão nominal no primário, com relação a tensão nominal do primário, capaz de provocar a circulação da corrente nominal no secundário do transformador, no ensaio de curto-circuito. Z = VP cc VP n 100% Sendo: VP cc Tensão nominal de curto-circuito, aplicada no primário; VP n Tensão nominal do primário; Z impedância percentual ou tensão nominal de curto-circuito ;
TRANSFORMADORES - INSTRUÇÕES GERAIS Todos que trabalham em instalações elétricas, seja na montagem, operação ou manutenção, deverão ser permanentemente informados e atualizados sobre as normas e prescrições de segurança que regem o serviço, e aconselhados a segui-las. É fundamental que estes serviços sejam efetuados por pessoal qualificado.
TRANSFORMADORES - NORMAS APLICÁVEIS Os transformadores são projetados e construídos rigorosamente segundo normas ABNT ou outras especificações brasileiras ou internacionais solicitadas pelo cliente. As normas aplicáveis transformadores são: NBR 7037 - Recebimento, instalação e manutenção de transformadores de potência em óleo isolante mineral - Procedimento. NBR 5416 - Aplicação de cargas em transformadores de potência Procedimento.
TRANSFORMADORES - NORMAS APLICÁVEIS NBR 5380 - Transformador de Potência - Método de ensaio; NBR 5356 - Transformador de Potência Especificação; NBR 5440 - Transformador de Distribuição Requisitos; NBR 7277 - Medição de Nível de Ruído de Transformadores e Reatores - Método de Ensaio; NBR 7570 Guia para Ensaios de Tensão Suportável Nominal de Impulso atmosférico e de Manobra para Transformadores e Reatores - Procedimento;
ENSAIOS E RECEBIMENTO - ENSAIOS DE ROTINA 1. Resistência elétrica dos enrolamentos Finalidade: verificar se não há irregularidades nos enrolamentos, contatos, soldas, etc. 2. Relação de tensões Finalidade: verificar se não há irregularidades nos enrolamentos quanto ao número de espiras. 3. Resistência de isolamento Finalidade: verificar a isolação entre enrolamentos e terra para atestar a secagem da parte ativa. 4. Polaridade Finalidade: verificar se o sentido dos enrolamentos está correto.
ENSAIOS E RECEBIMENTO - ENSAIOS DE ROTINA 5. Deslocamento angular e sequência de fase Finalidade: verificar se a conexão dos enrolamentos está correta de acordo com o diagrama fasorial. 6. Perdas em vazio e corrente de excitação Finalidade: verificar perdas no ferro e corrente de magnetização do núcleo. 7. Perdas em carga e Impedância de curto circuito Finalidade: verificar perdas nos enrolamentos e o valor da impedância de curto circuito.
ENSAIOS E RECEBIMENTO - ENSAIOS DE ROTINA 8. Tensão aplicada (75% para transformadores usados e reparados) Finalidade: verificar se as isolações entre enrolamentos e terra suportam as tensões especificadas de testes de acordo com o nível de isolamento dos enrolamentos. 9. Tensão induzida (75% para transformadores usados ou reparados) Finalidade: verificar as isolações entre espiras do próprio enrolamento. Valor = 2 x tensão nominal do enrolamento (durante 7.200 cliclos) 10. Determinação do fator de potência (FP) Finalidade: verificar a qualidade do processo de secagem da parte ativa. Não se trata de ensaio de rotina, mas em transformadores com tensão igual ou superior a 36,2 kv, é recomendado fazê-lo.
ENSAIOS E RECEBIMENTO - ENSAIOS DE ROTINA Ensaios dielétricos Tensão suportável nominal de impulso de manobra; Tensão suportável nominal de impulso atmosférico; Tensão induzida de longa duração; Tensão suportável nominal à freqüência industrial; Estanqueidade e resistência á temperatura ambiente; Verificação do funcionamento dos acessórios.
ENSAIOS E RECEBIMENTO - ENSAIOS DE TIPO Fator de potência de isolamento; Elevação de temperatura; Nível de ruído; Nível de tensão de radiointerferência;
ENSAIOS E RECEBIMENTO - ENSAIOS ESPECIAIS Ensaio de curto-circuito; Medição da impedância de seqüência zero; Medição dos harmônicos na corrente de excitação; Análise cromatográfica dos gases dissolvidos no óleo isolante; Teste de rigidez dielétrica do óleo isolante
TRANSFORMADORES - RECEBIMENTO Os transformadores, antes de expedidos, são testados na fábrica, garantindo, assim, o seu perfeito funcionamento. Dependendo do tamanho do transformador ou das condições de transporte, ele pode ser expedido completamente montado ou desmontado. Sempre que possível, o transformador deve ser descarregado diretamente sobre sua base definitiva, verificando se o terreno oferece plenas condições de segurança e distribuição de esforço.
TRANSFORMADORES - INSPEÇÃO DE CHEGADA Antes do descarregamento, deve ser feita, por pessoal especializado, uma inspeção preliminar no transformador. A inspeção visa identificar eventuais danos provocados durante o transporte, na qual devem ser verificadas as suas condições externas (deformações, vazamentos de óleo e estado da pintura) e avarias e/ou falta de acessórios e componentes.
TRANSFORMADORES - ARMAZENAGEM Para transformador transportado sem óleo, preferencialmente montá-lo e enchê-lo com líquido isolante em seu local de operação tão logo seja recebido. Quando não instalados imediatamente, devem ser armazenados preferencialmente em lugar abrigado, seco, isento de poeiras e gases corrosivos, colocando-os sempre em posição normal e afastados de área com muito movimento ou sujeita a colisões.
TRANSFORMADORES - ARMAZENAGEM
TRANSFORMADORES - CONEXÕES ELÉTRICAS As conexões elétricas do transformador devem ser realizadas de acordo com o diagrama de ligações de sua placa de identificação. As ligações das buchas deverão ser apertadas adequadamente, cuidando para que nenhum esforço seja transmitido aos terminais, o que pode vir a ocasionar afrouxamento das ligações, mau contato e posteriores vazamentos por sobreaquecimento no sistema de vedação. As terminações devem ser suficientemente flexíveis a fim de evitar esforços mecânicos causados pela expansão e contração, o que pode vir a quebrar a porcelana dos isoladores.
TRANSFORMADORES - ATERRAMENTO DO TANQUE O tanque deverá ser efetiva e permanentemente aterrado através do seu conector de aterramento. Uma malha de terra permanente de baixa resistência é essencial para uma proteção adequada. No tanque está previsto um ou dois conectores para aterramento. A malha de terra deverá ser ligada a um desses conectores por meio de um cabo de cobre nu com seção adequada.
TRANSFORMADORES - PROTEÇÃO E MANOBRA Os transformadores devem ser protegidos contra sobrecargas, curtocircuito e surtos de tensão, instalados tão próximos quanto possível dos transformadores. Normalmente usam-se chaves fusíveis, disjuntores, seccionadores, para-raios, relés de proteção, etc., adequadamente dimensionados. Os elos utilizados nas chaves-fusíveis devem estar de acordo com a demanda e potência do transformador.
TRANSFORMADORES - MANUTENÇÃO Os transformadores são projetados e construídos rigorosamente segundo normas ABNT ou outras especificações brasileiras ou internacionais solicitadas pelo cliente. A programação da correta operação e manutenção dos equipamentos elétricos visa proporcionar um bom desempenho do equipamento, além de prolongar a sua vida útil.