HISTÓRICO DA EVOLUÇÃO DE PERDAS EM TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO NO BRASIL E UMA VISÃO DE FUTURO Tema 1.1: Perdas Técnicas Autores: - ADILSON NOGUEIRA ARAÚJO TAP ELETRO-SISTEMAS - ERIVALDO COSTA COUTO CEMIG (Autor Responsável) - FRANCISCO WOODS DE CARVALHO - CEMIG - WILSON VIEIRA DE SOUZA AUTONÔMO PALAVRAS-CHAVE: (até 7) Transformadores de distribuição Perdas Normas ABNT COMISSÃO DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA REGIONAL COMITÊ NACIONAL BRASILEIRO V CIERTEC - SEMINÁRIO INTERNACIONAL SOBRE GESTÃO DE PERDAS, EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA E PROTEÇÃO DA RECEITA NO SETOR ELÉTRICO Área de Distribuição e Comercialização Identificação do Trabalho: BR-33 Maceió, Brasil, Agosto de 2005 Empresa ou Entidade: CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais RESUMO DO TRABALHO: DADOS DO AUTOR RESPONSÁVEL Nome: Erivaldo Costa Couto Cargo: Engenheiro Endereço: Av. Barbacena, 1200 Telefone: (31) 3287-5333 Fax: (31) 3299-4054 E-Mail: erivaldo@cemig.com.br O trabalho apresenta uma evolução histórica das perdas elétricas (em vazio e em carga) de transformadores de distribuição no Brasil, baseado nas normas brasileiras de padronização de transformadores de distribuição e em especificações da CEMIG, em comparação com as perdas praticadas por fabricantes internacionais. São apresentados dados referentes às aquisições realizadas pela CEMIG, através de concorrências nacionais e internacionais, onde fica demonstrada a capacidade técnica da industria brasileira de produzir transformadores mais eficientes do que os atualmente padronizados pela ABNT. Uma comparação entre os valores médios obtidos nas concorrências e os valores padronizados pela ABNT indica o valor salvados anualmente pela CEMIG com a capitalização de perdas de transformadores de distribuição. Em função da reconhecida capacidade técnica da industria brasileira de produzir transformadores de baixas perdas como demonstrado pelos dados de perdas de concorrências, é desenvolvida uma discussão onde são levantados pontos de atenção com relação ao projeto dos transformadores, aspectos relativos à aquisição e ao mercado interno (projetos otimizados, fornecimento de matériasprimas adequadas, etc.) de forma a aumentar a eficiência dos transformadores e reduzir as perdas técnicas no sistema elétrico. Finalmente, o trabalho dá uma visão das possibilidades da melhoria dos projetos e de matérias primas empregadas, que não distantes da realidade brasileira.
1) OBJETIVO Este trabalho ter por objetivo apresentar a evolução das perdas de transformadores de distribuição no Brasil e comentar possíveis soluções para sua redução. No trabalho será apresentada a evolução da normalização de transformadores de distribuição Brasil incluindo os valores de perdas padronizadas pela ABNT. Na ausência de informações relativas a valores antigos praticados pelas empresas de eletricidade serão abordados, como subsídios para comparação, valores praticados em concorrências realizadas pela CEMIG ao longo de mais de 15 anos. Será abordado também o impacto que as perdas tem no sistema elétrico mostrando os valores financeiros envolvidos. Finalmente, pretende-se mostrar que a tecnologia nacional pode produzir transformadores muito mais eficientes dos que os fabricados atualmente. Para essa abordagem, será considerado o fato de que por várias vezes, a CEMIG adquiriu transformadores de fabricantes nacionais com eficiência superior aos padronizados e comentar possíveis alternativas que poderão ser consideradas, visando, no futuro, a redução das perdas no equipamento e no sistema elétrico. Os valores de perdas mostrados neste trabalho estão focados em transformadores de tensão máxima de operação de 15kV, que são os mais utilizados no sistema de distribuição da CEMIG. Os comentários e conclusões, no entanto, podem ser estendidos para toda gama de transformadores de distribuição atualmente padronizados pela NBR 5440 Transformadores para redes aéreas de distribuição. 2) HISTÓRICO DA PADRONIZAÇÃO DE TRANSFORMADORES NO BRASIL Na CEMIG, a primeira especificação técnica de transformadores de distribuição foi emitida em 1961, tendo sido, posteriormente, revisada em 1972. Essa especificação trazia em seu texto além das características elétricas e mecânicas dos transformadores (dimensões, massa máximas, etc) os valores de perdas máximas (em vazio e totais) estabelecidas pela CEMIG, na aquisição de transformadores para seu sistema de distribuição. Os valores de perdas em vazio e totais, adotados pela CEMIG, tal como se tem noticia, foram objeto de consenso entre algumas concessionárias e fabricantes buscando, já naquela época, mesmo que de forma bastante tímida, uma uniformização que permitisse assegurar uma qualidade mínima para os transformadores. Esses valores foram usados por 18 anos até o surgimento da norma de padronização de transformadores de distribuição, em 1979, que foi a PB-99 Transformadores de Distribuição para Postes e Plataformas Padronização, a qual estabeleceu, pela primeira vez, valores máximos de perdas em vazio e perdas totais. Essa norma passou por três revisões: a primeira em 1984, quando foi transformada para NBR-5440, e a segunda em 1987 e a mais recente em 1998, há cerca de 7 anos. 3) HISTÓRICO DA EVOLUÇÃO DE PERDAS NO BRASIL Conforme comentado anteriormente, a primeira especificação técnica de transformadores de distribuição emitida pela CEMIG data de 1961 e a segunda de 1972. Os
valores de perdas utilizados nessas especificações estão mostrados na TABELA 1. Comparando os valores padronizados pela PB- 99 (1984 e 1987) com os valores da ET CEMIG (1972), podemos verificar que houve uma redução significativa nos valores de perdas até então praticados principalmente, nas perdas em vazio. No caso dos transformadores monofásicos, a redução das perdas em vazio ficou entre 27% (5kVA) e 36% (10kVA). Para os transformadores trifásicos, a redução ficou entre 17% (75kVA) e 29% (15kVA). As perdas totais tiveram redução no caso dos monofásicos entre 5 e 21%. No entanto, para os transformadores trifásicos, na maioria dos casos, houve aumento das perdas totais o que representou um aumento de até 42% nas perdas em carga (perdas totais Perdas em vazio). Por ocasião da última revisão da NBR-5440, realizada em 1998, as perdas em vazio foram reduzidas de 9 a 16% dependendo da potência do transformador. As perdas em carga, considerando-as como sendo a diferença entre as perdas totais e em vazio, foram mantidas. Os valores estão mostrados na TABELA 2. É importante notar que, no intervalo entre a emissão da NBR 5440 - versão1984 e a revisão de 1998, que introduziu tímida redução no valor das perdas em vazio, mudanças substanciais nos projetos (transformadores com núcleo enrolado), nos processos de produção (melhorias no recozimento e no corte de núcleos) e na qualidade do aço silício foram introduzidas pelos fabricantes. Entre a primeira padronização editada em 1979, através da PB-99, e a ocorrida na NBR 5440, de1998, cuja revisão reduziu as perdas em vazio, transcorreram-se 19 anos. Até o presente já se vão 7 anos da última revisão. Espera-se que a próxima seja realizada brevemente e que uma intervenção mais acentuada e corajosa seja efetuada nesses valores. 4) AQUISIÇÕES DE TRANSFORMADORES PELA CEMIG E A CAPITALIZAÇÃO DE PERDAS A CEMIG com a finalidade de reduzir as perdas técnicas em seu sistema de distribuição iniciou em 1980, a aquisição de transformadores utilizando o sistema de capitalização de perdas. Por esse sistema, busca-se a aquisição de transformadores mais eficientes e cujo custo final, composto pelo preço do transformador somado ao custo das perdas ao longo de sua vida útil, seja o menor, mesmo que seu preço inicial, sem considerar as perdas, seja maior do que o do concorrente cuja proposta contemple transformadores com perdas maiores e preço inicial menor. Desde o inicio da aquisição com a utilização desta sistemática já foram adquiridos mais de 350.000 transformadores. Uma estimativa da redução da demanda necessária para atendimento às perdas e do consumo de energia é apresentado no item X. A primeira fórmula de capitalização de perdas utilizada pela CEMIG e mostrada abaixo, levava em consideração uma vida útil do transformador de 20 anos, e um ciclo quadrático de carga, ou seja, de 4hs com 25%, 8hs com 50%, 8hs com 75% e 4hs com 100% da potência nominal. A k P 65,40 + 29, P HF Onde: k = 43 1 1 P A p = avaliação de perdas, em reais P HF = Perdas em vazio, em watts P C = Perdas em carga K 1 = Preço do KWh, em reais Por volta de 1997, a CEMIG verificou que o carregamento médio dos transformadores de c 3
distribuição era inferior ao utilizado até então na fórmula de capitalização e alterou a fórmula conforme abaixo, fazendo, inclusive, uma diferenciação entre a capitalização das perdas de transformadores monofásicos e trifásicos, ainda considerando uma vida útil de vinte anos para o transformador. C P = + ( B 0,72 f o A ( B 0,09936 P xk ) A h 1 P h x k ) + C f = Custo final capitalizado P o = preço inicial unitário B/A = fator de valor atual P h = Perdas em vazio, em Watts P c = Perdas em carga, em Watts K 1 = preço do kwh, para perdas em vazio, em R$; K 2 = preço do kwh, para perdas em carga, em R$; Entre 2001 e 2002, um grupo formado pela CEMIG, Light, Grupo Guaraniana e CEEE, propôs uma fórmula de capitalização de perdas única que pudesse ser utilizada por essas empresas como forma de se iniciar uma padronização brasileira para a capitalização de perdas e um instrumento visando incentivar, tanto a redução desses valores nos transformadores de distribuição, quanto a conservação de energia e redução dos investimentos futuros das empresas em geração, transmissão e distribuição. 5) COMPARAÇÃO DE AQUISIÇÕES COM PERDAS ABNT Ao longo dos últimos 20 anos os valores de perdas, em vazio e totais, foram acompanhados pela CEMIG, de forma a comparar os valores cotados por fabricantes nacionais e estrangeiros e verificar possíveis vantagens da aquisição de transformadores de fora do país. Outro objetivo era tentar identificar possíveis tecnologias utilizadas por fabricantes 1 estrangeiros que pudessem ser adotadas no Brasil em uma parceria entre a CEMIG e algum fabricante nacional. Os valores de perdas estão indicados na Tabela Y. Os fabricantes nacionais são identificados pela letra N seguida de outra (A, B, C, etc), enquanto que os fabricantes estrangeiros são identificados pela letra I seguida de outra, da mesma forma que os fabricantes nacionais. Algumas constatações importantes podem ser tiradas da Tabela 3 - Para os transformadores de 37,5, 45, 75, 112,5 e 300kVA a média dos valores de perdas em vazio apresentadas por fabricantes nacionais é inferior à dos fabricantes estrangeiros; - Para os transformadores de 5 e 10kVA a média dos valores de perdas de fabricantes nacionais e estrangeiros é igual; - Os fabricantes estrangeiros apresentam perdas em vazio menores do que os nacionais apenas para os transformadores de 15kVA, monofásico. - O menor valor de perda em vazio para transformadores de 5 e 37,5 kva, apresentado por um fabricante nacional é 60% e 55%, respectivamente, inferior ao valor padronizado pela ABNT. - No caso dos transformadores trifásicos de 45, 75, 150 e 300kVA a diferença entre os valores padronizados pela ABNT e o menor valor cotado por fabricante nacional fica entre 40% e 50% inferior. - De forma geral a redução das perdas obtidas pela CEMIG foi da ordem de 17%, tanto para transformadores monofásicos quanto trifásicos. 4
Após a análise desse dados, concluímos que o que não falta aos fabricantes nacionais tecnologia para produção de equipamentos mais eficientes. 6) ECONOMIA DE ENERGIA Por simplificação de cálculo, não foram consideradas apenas as perdas em vazio, que são fixas e ocorrem durante todas as horas do dia.. Para estimativa da energia consumida com perdas em transformadores de distribuição na CEMIG, foi realizado um cálculo, conservador, da energia perdida, referente às perdas em vazio, nos transformadores de distribuição levando em consideração as perdas ABNT e as perdas médias dos transformadores de distribuição. O resultado apresentado é a diferença entre o valor das perdas de energia, calculada da forma acima, para os transformadores instalados na CEMIG. A utilização do valor médio das perdas em vazio foi considerada conservativa pois, na maioria das vezes, o proponente vencedor é aquele que apresenta a menor perda em vazio, em função da fórmula de capitalização de perdas. A TABELA 4 mostra a quantidade de transformadores instalados na CEMIG em Maio de 2005 e a perda de energia calculada para a perda padrão da ABNT e a perda média obtida nas concorrências da CEMIG. Conforme pode ser visto, a diferença das perdas é de 97.876.160 kwh por ano. Considerando que para o Programa Luz para Todos que está sendo realizado pela CEMIG com a previsão de consumo médio por consumidor da ordem de 70kWh/mês, a redução propiciada pela aquisição de transformadores mais eficientes é suficiente para atender a cerca de 116.000 consumidores durante um ano. Considerando o valor da tarifa A4 de média tensão, o valor financeiro referente a redução das perdas é de R$ 18.500.000,00 por ano, apenas para as perdas em vazio. Com relação a demanda de energia necessária para alimentar as perdas a aquisição dos transformadores com perda capitalizada reduz o total necessário em 12 MW. 7) RECUPERAÇÃO DE TRANSFORMADORES Uma prática usual nas concessionárias de energia elétrica é a recuperação de transformadores de distribuição, seja reforma, com reconstrução do enrolamento, ou a simples manutenção para troca do óleo e repintura do tanque. Essa prática, em geral, bastante atrativa em função do baixo custo quando comparada ao preço de um transformador novo (de 20% a 50%), é feita sem avaliação das perdas do transformador a ser trabalhado. Assim, com freqüência, transformadores antigos de perdas em vazio elevadas, por utilizarem em seu núcleo aço silício de baixa qualidade, retornam à rede. É importante que as concessionárias antes da realização da manutenção de um transformador façam a medição pelo menos das perdas em vazio, e realizem uma avaliação econômica de forma a verificar a viabilidade da manutenção e comparar os custos envolvidos e o valor das perdas com o preço de um transformador novo de mesma potência e as perdas. Esse procedimento além de evitar custos de manutenção de um equipamento ineficiente faria com que, a longo prazo, as perdas técnicas dos sistemas se reduzissem. 8) VISÃO DE FUTURO Os transformadores de distribuição são vistos freqüentemente como equipamentos que não estão susceptíveis a agregar desenvolvimento tecnológico. Os usuários do 5
produto, freqüentemente, não estão dispostos a permitir a adoção de novas tecnologias que possam implicar no seu desenvolvimento. Conforme demonstrado anteriormente, é possível, sob o aspecto tecnológico, construir no Brasil transformadores com perdas em vazio bastante inferior aos valores atualmente padronizados. Abaixo discutimos alguns aspectos técnicos que podem ser adotados com a finalidade de reduzir os valores de perdas em transformadores novos. a) Transformadores com núcleo enrolado: Essa alternativa afeta de forma mais contundente parte dos fabricantes, pois envolve a adequação do seu parque fabril para a produção de transformadores com núcleo enrolado, cuja tecnologia sabidamente propicia ganhos relevantes principalmente com relação às perdas em vazio. Para tanto, é necessário um investimento inicial elevado, o qual pode inicialmente impactar negativamente no preço do transformador. No entanto, após a amortização do investimento, a eficientização do projeto contribuiria para a otimização da relação preço inicial x redução de perdas. É importante, também, que algumas concessionárias, que ainda hoje só aceitam transformadores com núcleo empilhado (visando a facilidade de manutenção) flexibilizem suas especificações para propiciar alterações nos projetos dos fabricantes e permitir avanços na direção da redução de perdas. b) Capitalização de perdas: Essa alternativa, embora afete diretamente os fabricantes, depende fundamentalmente da disposição das concessionárias de energia elétrica em adotar uma alternativa amplamente consagrada e eficaz. Com certeza, essa alternativa exige um maior investimento inicial, mas que, em contra partida, garante a compra de equipamentos de melhor desempenho, com reflexos inquestionáveis na conservação de energia e adiamento de investimentos em geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Atualmente existem duas alternativas para adoção dessa metodologia pelas concessionárias: a primeira é um relatório emitido pelo CODI de nº 19-35 que propõe uma metodologia para a capitalização de perdas em transformadores de distribuição; a segunda, é um estudo, já citado, desenvolvido pela CEMIG, Light, Grupo Guaraniana e CEEE, que propõe, por sua vez, um critério para capitalização das perdas em vazio. c) Transformador com núcleo amorfo: Essa alternativa foi estudada há cerca de cinco anos pela CEMIG. Na época, ficou claro que, na visão da CEMIG, a alternativa não era economicamente viável, embora alguns estudos indicassem o contrário. A principal razão para a diferença entre as conclusões dos estudos da CEMIG e outros estudos era base de comparação das perdas em vazio. Enquanto os estudos utilizavam como base de comparação os valores padronizados pela ABNT, a CEMIG utilizou os valores verificados em suas concorrências e mostrados na TABELA 3. d) Avanço dos materiais isolantes O desenvolvimento de novos compostos isolantes mudará, em breve, a visão de que os transformadores de distribuição não permitem grandes avanços tecnológicos. A 6
utilização de novos materiais isolantes permitirá a construção de bobinas e núcleos mais compactos que suportarão maiores níveis de temperatura, sem aumento da perda de vida dos equipamentos. Logo, os novos equipamentos terão como características, além de menores dimensões e pesos, maior eficiência em perdas elétricas. Por isso, deveremos estar abertos a avaliar essa nova tendência do mercado, flexibilizando as especificações técnicas, a fim de permitirmos a introdução no mercado brasileiro dessas novas tecnologias. e) Programa de eficientização energética: Adoção de um programa de eficientização energética nos moldes do Programa Reluz, para substituição de transformadores antigos. O programa incentivaria a substituição de transformadores antigos por unidades novas, com valores otimizados de perdas, especialmente em vazio. Entendemos que qualquer perspectiva de melhoria dos valores normalizados passa também pela possibilidade de se obter um aço silício de boa qualidade no Brasil. Essa possibilidade somada a uma possível disposição das empresas em fazer um desembolso inicial maior, conforme já comentado, levaria a ganhos futuros em função da redução das perdas. ser até 60% inferiores. Assim, infere-se que não há dificuldades tecnológicas que impeçam os fabricantes nacionais de produzirem equipamentos mais eficientes. Finalizando deixamos aqui alguns questionamentos no sentido de se identificar quais fatores têm impedido que a norma brasileira avance para uma redução significativa na perda em vazio: seria a qualidade do aço silício fabricado no Brasil? ou seriam fatores econômicos relativos ao preço final do equipamento? Por último, uma pergunta para reflexão: não seria importante para as concessionárias estar investindo na compra de transformadores mais eficientes e adiando investimentos em geração e transmissão? Acreditamos que as respostas a essas questões são de fundamental importância para a definição das ações futuras. 10) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] NBR-5440 Transformadores para redes de distribuição Padronização 1987 [2] NBR-5440 Transformadores para redes de distribuição Padronização 1987 [3] 02118-CEMIG-0139 Especificação Técnica Transformadores para redes de distribuição aéreas 15kV, 24,2kV e 36,2kV 9) CONCLUSÃO A tecnologia nacional, conforme comprovado pelos valores mostrados na TABELA 4 permite a fabricação de transformadores com perdas em vazio que nada ficam a dever aos valores apresentados por fabricantes internacionais. Quando comparado aos estabelecidos pela padronização brasileira, NBR-5440, os valores já obtidos pelos fabricantes nacionais chegam a 7
TABELA 1 PERDAS EM TRANSFORMADORES NA CEMIG EM ET s EMITIDAS 1961 E 1972 TRANSFORMADORES DE 15kV POT (kva) PERDAS e EM VAZIO N. FASES PERDAS TOTAIS 5 1 75 210 10 1 110 310 15 1 140 390 25 1 210 580 37,5 1 290 800 15 3 170 470 30 3 250 690 45 3 330 880 75 3 470 1300 112,5 3 650 1800 150 3 (1972) 800 2300 TABELA 2 PERDAS EM TRANSFORMADORES DE 15kV, NA PB 99 (NBR-5440) EMITIDAS 1984, 1987 E 1998 POT (kva) e N. FASES 1984 e 1987 1998 PERDAS PERDAS TOTAIS EM VAZIO PERDAS EM VAZIO PERDAS TOTAIS 5 1 55 165 50 160 10 1 70 270 60 260 15 1 100 370 85 355 25 1 140 540 120 520 37,5 1 190 730 160 700 15 3 120 460 100 440 30 3 200 770 170 740 45 3 260 1040 220 1000 75 3 390 1530 330 1470 112,5 3 520 2070 440 1990 150 3 640 2550 540 2450 225 3 900 3600 765 3465 300 3 1120 4480 950 4310
TABELA 3 PERDAS EM TRANSFORMADORES DE 15KV NAS CONCORRÊNCIAS DA CEMIG POT FABRICANTES Perdas ABNT Perdas Conc Valores Médios Diferença Valores Vazio Totais Vazio Totais Vazio Totais médios/perdas padrão NA 20 129 5kVA NC 22 134 50 160 IA 17 117 36,76 IB 24 101 NC 32 216 10kVA NA 36 245 60 260 IA 30 259 51,49 IB 38 142 NA 42 302 15kVA NC 44 324 85 355 IA 36 343 71,5 IB 47 205 NB 103 524 25kVA NA 140 540 135 530 135 143,34-26,5% 246,33-14,2% 339,75-15,9% 530-3,6% NC 73 685 37,5kVA NA 80 618 160 700 IA 80 583 116,08 IB 99 492 NB 113 460 3-15kVA NA 120 460 120 460 118,6 668,09-27,5% 460-1,2% NA 120 460 3-30kVA NC 200 770 137 697 173,8 717,87-13,1% NC 116 936 3-45kVA NA 120 985 220 1000 IB 118 869 170,76 950,57-22,4% ID 140 878 NC 197 1147 3-75kVA NE 330 1470 210 1270 274,21 1388,48-16,9% NE 300 2000 3-150kVA NA 314 2291 640 2550 IB 318 1625 451,31 IC 535 1956 NG 510 3950 3-300kVA NC 640 3653 950 4310 IG 600 3900 788,2 IC 762 4155 2213,2-29,5% 4049-17,0% Nota: 1) Devido ao fato da CEMIG er paralisado a aquisição de transformadores de 30kVA por um longo período de tempo, os valores de perdas ABNT para este transformador mostrado na tabela acima é referente à Norma NBR-5440, versão 1997 9
TABELA 4 ESTIMATIVA DE PERDAS ANUAIS EM TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO POTÊNCIA (kva) QUANTIDADE INSTALADA (PÇ) PERDA VAZIO PADRÃO ABNT PERDA MÉDIA CONCORRÊNCIAS CEMIG kwh PERDA PADRÃO ABNT KWh PERDA MÉDIA CONCORRÊNCIAS CEMIG kwh DIFERENÇA DE CONSUMO DE ENERGIA 5 141.940 50 36,76 62.169.720 45.707.178 16.462.542 10 152.909 60 51,49 80.368.970 68.969.971 11.398.999 15 94.043 85 71,5 70.024.418 58.902.893 11.121.525 25 19.208 140 135 23.556.691 22.715.381 841.310 37,5 17.854 160 116,08 25.024.166 18.155.033 6.869.134 Total mono 425.954 261.143.966 214.450.456 46.693.510 15 10.403 120 118,6 10.935.634 10.808.051 127.582 30 30.626 200 173,8 53.656.752 46.627.717 7.029.035 45 46.055 220 170,76 88.757.196 68.891.722 19.865.474 75 37.717 330 274,21 109.032.304 90.599.236 18.433.067 112 8.071 440 440 31.108.862 31.108.862-150 3.303 640 451,31 18.517.939 13.058.330 5.459.609 225 7.904 765 765 52.967.866 52.967.866-300 189 950 788,2 1.572.858 1.304.975 267.883 Total trif 144.268 366.549.410 315.366.760 51.182.650 Total Geral 570.222 627.693.376 529.817.216 97.876.160 10