FUNCIONAMENTO-TRANFORMADOR

7/22/2019 FUNCIONAMENTO-TRANFORMADOR

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Universidade Federal de Itajub

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

Eficincia de Transformadores deMdia Tenso

Bruno Pereira Cardoso

Orientador:Prof. Manuel Luis B. Martinez, Dr.

Itajub, Setembro de 2005


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II

Ao Senhor Deuspela vida, inspirao, coragem, nimo e f.

Aos meus pais Claudionor e Clia,

e minha irm Fernanda.


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III

Agradecimentos

Ao professor Manuel Martinez, pela oportunidade, pelos ensinamentos

e pela orientao segura e incansvel;

A toda equipe do Laboratrio de Alta Tenso;

Aos eternos e inesquecveis amigos dos Cobaias EngenhariaEltrica;

Aos companheiros inseparveis da Repblica Brulios;

minha famlia, pelo amor e constante incentivo.


4/97

IV

Resumo

Este trabalho discute o desempenho tcnico, econmico e operacional dos transformadores de

mdia tenso de fabricao e/ou reforma nacional, baseado nos resultados das perdas efetivas,

corrente de excitao, elevao de temperatura e suportabilidade frente a impulso atmosfrico obtidos

de ensaios realizados pelo Laboratrio de Alta Tenso da Universidade Federal de Itajub.

Reformas parciais e/ou totais de transformadores so prticas usuais das concessionrias de

energia no Brasil, como o caso da AES-SUL Distribuidora Gacha de Energia Eltrica S.A..

De posse dos dados, a anlise foi feita de maneira concisa e criteriosa, e ainda levantaram-se

curvas de eficincia dos transformadores nacionais com base em informaes do Padro Europeu

PROPHET, de maneira a fornecer subsdios para avaliar as possibilidades de reduo das perdas.

Observando a deficincia da qualidade dos equipamentos, foi proposta a aquisio de

transformadores de mdia tenso novos de alta eficincia em lugar da compra de novas unidades

convencionais e/ou da reforma dos transformadores mais antigos. A anlise econmica de tal proposta

foi realizada, resultando em argumentos concretos para a tomada de deciso.


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V

Abstract

This production discuss the technical, economic and operational performance of the medium

voltage transformers manufactured and/or repaired in Brazil, based on results of load and no-load

losses, magnetization current, temperature rising and lightning impulse withstanding, obtained from the

tests accomplished by the High Voltage Laboratory of the Federal University of Itajub.

Transformers partial and/or total repairing are usual practice of the power utilities in Brazil, like

the AES-SUL Distribuidora Gacha de Energia Eltrica S.A. case.

With the purchased data, the analysis was made in concise and discerning way, furthermore was

defined national transformers efficiency curves based on European Standard PROPHET informations.

Seeing the Brazilian equipments lack of quality, was proposed the acquiring of new medium

voltage transformers with high efficiency instead of the acquisition of conventional new units and/or

repairing old transformers. The investment analysis of this proposal was made, resulting in concretes

arguments for the decision.


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VI

Sumrio

RESUMO ........................................................... ........................................................... ............................................................. IV

ABSTRACT................................................................... ........................................................... .................................................. V

SUMRIO ........................................................... ........................................................... ........................................................... VI

LISTA DE FIGURAS ......................................................... ............................................................... ..................................... VII

LISTA DE TABELAS..................................................................... ............................................................. .............................. X

1 INTRODUO.....................................................................................................................................................................1-1

2 NORMALIZAO NACIONAL DE TRANSFORMADORES ........................................................... ........................... 2-3

2.1CARACTERSTICAS CONSTRUTIVAS [15][17] .....................................................................................................................2-3 2.2CONDIES DE FUNCIONAMENTO [15] ............................................................................................................................2-6

2.2.1 Condies Gerais..................................................................................................................................................2-62.2.2 Condies Especficas ..................................................................... ........................................................... .......... 2-7

2.3ENSAIOS [15][16] ............................................................................................................................................................2-11 2.3.1 Ensaios de Rotina .............................................................. ................................................................... .............. 2-112.3.2 Ensaios de Tipo...................................................................................................................................................2-142.3.3 Ensaios Especiais ........................................................ ......................................................................... .............. 2-15

3 ENSAIOS EM TRANSFORMADORES DE MDIA TENSO [15][16]..........................................................................3-17

3.1RESISTNCIA DO ISOLAMENTO [8].................................................................................................................................3-17 3.2RELAO DE TENSES ................................................................................................................................................3-183.3DESLOCAMENTO ANGULAR.........................................................................................................................................3-18 3.4PERDA EM VAZIO.........................................................................................................................................................3-19 3.5CORRENTE DE EXCITAO ..........................................................................................................................................3-20 3.6RESISTNCIA ELTRICA DOS ENROLAMENTOS ............................................................................................................3-203.7PERDA EM CARGA .......................................................................................................................................................3-213.8IMPEDNCIA DE CURTO-CIRCUITO...............................................................................................................................3-23 3.9RIGIDEZ DIELTRICA DO LEO ISOLANTE [8] ...............................................................................................................3-24

3.10ELEVAO DE TEMPERATURA ...................................................................................................................................3-25 3.11TENSO SUPORTVELNOMINAL DE IMPULSO ATMOSFRICO ...................................................................................3-28 3.12BANCADA AUTOMATIZADA DE ENSAIOS DE ROTINA .................................................................................................3-33

4 ANLISE DE PROJETO DE REFORMA DE TRANSFORMADORES DE MDIA TENSO...............................4-37

4.1CONDIES GERAIS.....................................................................................................................................................4-37 4.1.1 Condies de Servio..........................................................................................................................................4-374.1.2 Identificao dos Transformadores .................................................................... ................................................ 4-384.1.3 Embalagem............................................... ....................................................... ................................................... 4-384.1.4 Montagem para Entrega.....................................................................................................................................4-38

4.2CONDIES ESPECFICAS.............................................................................................................................................4-39 4.2.1 Materiais.............................................................................................................................................................4-39

4.2.1.1 Buchas e Terminais ........................................................................................................................................................ 4-394.2.1.2 Tanque e Radiadores....................................................................................................................................................... 4-394.2.1.3 Juntas de Vedao .......................................................................................................................................................... 4-394.2.1.4 Ncleo ............................................................................................................................................................................ 4-394.2.1.5 Enrolamentos.................................................................................................................................................................. 4-404.2.1.6 leo Isolante................................................................................................................................................................... 4-404.2.1.7 Placa de Identificao..................................................................................................................................................... 4-404.2.1.8 Ferragens .................... ...................... ...................... ...................... ...................... ................... ...................... ................... 4-40

4.2.2 Pintura................................................................................................................................................................4-404.2.3 Acessrios...........................................................................................................................................................4-41

4.2.3.1 Dispositivo de Aterramento............................................................................................................................................ 4-414.2.3.2 Suporte para Fixao em Poste....................................................................................................................................... 4-414.2.3.3 Orelhas de Suspenso ..................... ...................... ...................... ...................... ..................... ...................... ................... 4-41

4.2.4 Caractersticas Eltricas ................................................................ .................................................................... 4-414.2.5 Caractersticas Construtivas ..............................................................................................................................4-41

4.2.5.1 Montagem das Buchas e Marcao dos Terminais......................................................................................................... 4-414.2.5.2 Montagem do Tanque e Radiadores ............................................................................................................................... 4-424.2.5.3 Limites de Elevao de Temperatura.............................................................................................................................. 4-424.2.5.4 Nvel de Rudo................................................................................................................................................................ 4-42


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VII

4.2.5.5 Derivaes, Janela de Inspeo e Ligaes Internas....................................................................................................... 4-42 4.2.5.6 Demais Caractersticas Construtivas............................................................................................................................... 4-43

4.3ENSAIOS ......................................................................................................................................................................4-434.3.1 Relao de Ensaios.............................................................................................................................................4-434.3.2 Classificao dos Ensaios ..................................................................................................................................4-44

4.3.2.1 Ensaios de Recebimento................................................................................................................................................. 4-444.3.2.2 Ensaios Complementares................................................................................................................................................ 4-44

4.3.3 Execuo dos Ensaios.........................................................................................................................................4-444.3.3.1 Inspeo Geral................................................................................................................................................................ 4-454.3.3.2 Verificao Dimensional ................... ...................... ...................... ...................... ..................... ...................... ................ 4-454.3.3.3 Tenso Suportvel Nominal Freqncia Industrial 100 % (Tenso Aplicada)............................................................. 4-45 4.3.3.4 Tenso Induzida 100 % .................................................................................................................................................. 4-454.3.3.5 Nvel de Rudo................................................................................................................................................................ 4-454.3.3.6 Resistncia de Isolamento............................................................................................................................................... 4-454.3.3.7 Relao de Tenses ........................................................................................................................................................ 4-464.3.3.8 Deslocamento Angular e Seqncia de Fases................................................................................................................. 4-464.3.3.9 Corrente de Excitao..................................................................................................................................................... 4-464.3.3.10 Perdas em Vazio e em Carga (Totais)........................................................................................................................... 4-464.3.3.11 Tenso (ou Impedncia) Percentual de Curto-circuito.................................................................................................. 4-464.3.3.12 Resistncia Eltrica dos Enrolamentos .................... ....................... ...................... ...................... ....................... ........... 4-464.3.3.13 Elevao de Temperatura.............................................................................................................................................. 4-464.3.3.14 Estanqueidade e Resistncia Presso Interna 100 %.................................................................................................. 4-474.3.3.15 Ensaio do leo Isolante................................................................................................................................................ 4-474.3.3.16 Ensaio de Pintura.......................................................................................................................................................... 4-474.3.3.17 Vedao........................................................................................................................................................................ 4-474.3.3.18 Zincagem...................................................................................................................................................................... 4-474.3.3.19 Torque nos Terminais................................................................................................................................................... 4-474.3.3.20 Estanhagem dos Terminais........................................................................................................................................... 4-48

4.4COMENTRIOS GERAIS ................................................................................................................................................4-48

5 DESEMPENHO DE TRANSFORMADORES DE MDIA TENSO .............................................................. ............ 5-51

5.1RESULTADOS OBTIDOS [12] ...........................................................................................................................................5-51 5.2ANLISE DOS DADOS [12]..............................................................................................................................................5-51 5.3CURVAS DE EFICINCIA ...............................................................................................................................................5-56

5.3.1 Padro PROPHET[5]

.........................................................................................................................................5-575.3.2 Transformadores Nacionais ...............................................................................................................................5-58

5.3.3 Comparaes de Eficincia ............................................................... ................................................................. 5-645.3.4 Dependncia da Carga .............................................................. ..................................................................... .... 5-665.4COMENTRIOS GERAIS ................................................................................................................................................5-66

6 ANLISE ECONMICA E VIDA TIL.........................................................................................................................6-68

6.1CURVA DE CARGA .......................................................................................................................................................6-68 6.2VIDA TIL [3][18] ..........................................................................................................................................................6-69 6.3CUSTO DO TRANSFORMADOR [14] .................................................................................................................................6-70

6.3.1 Custo de Investimento.........................................................................................................................................6-706.3.2 Capitalizao das Perdas em Vazio ...................................................................................................................6-716.3.3 Capitalizao das Perdas em Carga ..................................................................................................................6-71

6.4COTAO DE TRANSFORMADORES..............................................................................................................................6-72 6.5ANLISE ECONMICA [14] ............................................................................................................................................6-72

6.6TEMPO DE RETORNO DE INVESTIMENTOPAYBACK[14]

..........................................................................................6-75 6.7COMENTRIOS GERAIS ................................................................................................................................................6-77

7 RECOMENDAES E CONCLUSES ................................................................ ......................................................... 7-79

7.1MONTAGEM DAS BUCHAS ...........................................................................................................................................7-797.2AQUISIO DE TRANSFORMADOR ...............................................................................................................................7-797.3GARANTIA DE PERDAS.................................................................................................................................................7-80 7.4INSPEO DOS ENSAIOS...............................................................................................................................................7-80 7.5CUSTO DO TRANSFORMADOR......................................................................................................................................7-80 7.6CONCLUSES...............................................................................................................................................................7-81 7.7SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS.....................................................................................................................7-83

TRABALHOS PUBLICADOS..............................................................................................................................................8-84

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................ ..................................................................... .... 9-85


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VIII

Lista de Figuras

FIGURA 3.1MEGHMETRO...................................................................................................................................................3-18 FIGURA 3.2ANALISADOR DE RIGIDEZ DIELTRICA ...............................................................................................................3-25 FIGURA 3.3MESA DE COMANDO ..........................................................................................................................................3-29 FIGURA 3.4CAPACITORES E RESISTNCIAS ........................................................................................................................3-29

FIGURA 3.5CENTELHADOR EXTERNO ..................................................................................................................................3-29 FIGURA 3.6DIVISOR DE TENSO ..........................................................................................................................................3-29 FIGURA 3.7CIRCUITO DO GERADOR COM CONEXO 3S2P.................................................................................................3-29 FIGURA 3.8CIRCUITO DO GERADOR COM CONEXO 2S3P.................................................................................................3-29 FIGURA 3.9OSCILOSCPIO..................................................................................................................................................3-30 FIGURA 3.10CONEXO DO TRANSFORMADOR TRIFSICO ..................................................................................................3-31FIGURA 3.11CONEXO DO TRANSFORMADOR MONOFSICO..............................................................................................3-31 FIGURA 3.12RESISTORES DE FRENTE.................................................................................................................................3-31 FIGURA 3.13RESISTORES DE CAUDA ..................................................................................................................................3-31 FIGURA 3.14PEARSON E SHUNT..........................................................................................................................................3-32 FIGURA 3.15PONTAS DE PROVA..........................................................................................................................................3-32 FIGURA 3.16BANCADA DE ENSAIOS ....................................................................................................................................3-33FIGURA 3.17DETALHES DOS MDULOS E DOS COMANDOS ................................................................................................3-33

FIGURA 3.18DETALHES DOS COMPONENTES......................................................................................................................3-34 FIGURA 3.19DETALHES DOS TCS .......................................................................................................................................3-34 FIGURA 3.20DETALHES DOS CONTATORES E FUSVEIS ......................................................................................................3-34 FIGURA 3.21DETALHES DOS TPS .......................................................................................................................................3-34 FIGURA 3.22TRANSFORMADOR DE ALIMENTAO E VARIAC ..............................................................................................3-34 FIGURA 3.23DETALHES DA MOTORIZAO DO VARIAC .......................................................................................................3-34 FIGURA 3.24CONECTOR 01 ................................................................................................................................................3-35FIGURA 3.25CONECTOR 02 ................................................................................................................................................3-35FIGURA 3.26SOFTWARE DE ENSAIO EM VAZIO E EM CURTO-CIRCUITO ..............................................................................3-35 FIGURA 3.27SOFTWARE DE ENSAIO DE RELAO DE TENSO ...........................................................................................3-35 FIGURA 3.28SOFTWARE DE ENSAIO DE RESISTNCIA ELTRICA DOS ENROLAMENTOS .....................................................3-35 FIGURA 3.29SOFTWARE DE ENSAIO DE ELEVAO DE TEMPERATURA ..............................................................................3-35FIGURA 3.30CELA DE ENSAIOS ...........................................................................................................................................3-36

FIGURA 3.31EXECUO DE ENSAIOS ..................................................................................................................................3-36 FIGURA 4.1PONTAS DE PARAFUSO .....................................................................................................................................4-48FIGURA 4.2DOBRA NO FIO DE ALTA TENSO .......................................................................................................................4-48 FIGURA 4.3INCLINAO DA BUCHA ......................................................................................................................................4-49 FIGURA 4.4PONTA DE PARAFUSO........................................................................................................................................4-49 FIGURA 4.5PROBLEMA NO TERMINAL DE ALTA TENSO ......................................................................................................4-49 FIGURA 4.6QUEBRA NO FIO DE ALTA TENSO .....................................................................................................................4-49 FIGURA 4.7NCLEO ENFERRUJADO E AMASSADO ..............................................................................................................4-49FIGURA 4.8FALTA DE ISOLAMENTO NA CONEXO ENTRE CAMADAS DO ENROLAMENTO ....................................................4-49 FIGURA 4.9PROBLEMA NAS ESPIRAS ..................................................................................................................................4-50FIGURA 4.10PROBLEMA NA SUSTENTAO DO NCLEO.....................................................................................................4-50 FIGURA 4.11CONEXO ENTRE CAMADAS DO ENROLAMENTO MAL FEITAS .........................................................................4-50FIGURA 4.12FURO NO NCLEO ...........................................................................................................................................4-50

FIGURA 5.1COMBINAES DE PERDAS ................................................................................................................................5-58 FIGURA 5.2EFICINCIA DE TRANSFORMADORES 50KVA ...................................................................................................5-58 FIGURA 5.3EFICINCIA DE TRANSFORMADORES 100KVA.................................................................................................5-58 FIGURA 5.4LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES 50KVA.................................................................................5-59 FIGURA 5.5LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES 100KVA ..............................................................................5-59 FIGURA 5.6EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 10KVA ..........................................................................5-59 FIGURA 5.7EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 15KVA ..........................................................................5-59 FIGURA 5.8EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 25KVA ..........................................................................5-60 FIGURA 5.9EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 37,5KVA .......................................................................5-60 FIGURA 5.10EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 50KVA ........................................................................5-60 FIGURA 5.11EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 100KVA ......................................................................5-60 FIGURA 5.12EFICINCIA DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS 30KVA .............................................................................5-61 FIGURA 5.13EFICINCIA DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS 45KVA .............................................................................5-61 FIGURA 5.14EFICINCIA DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS 75KVA .............................................................................5-61 FIGURA 5.15EFICINCIA DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS 112,5KVA .......................................................................5-61FIGURA 5.16LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 10KVA......................................................5-62 FIGURA 5.17LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 15KVA......................................................5-62


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IX

FIGURA 5.18LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 25KVA......................................................5-62 FIGURA 5.19LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 37,5KVA ..................................................5-62FIGURA 5.20LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 50KVA......................................................5-63 FIGURA 5.21LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS 100KVA....................................................5-63 FIGURA 5.22LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS 30KVA ..........................................................5-63FIGURA 5.23LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS 45KVA ..........................................................5-63FIGURA 5.24LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS 75KVA ..........................................................5-64FIGURA 5.25LIMITES DE EFICINCIA DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS 112,5KVA .....................................................5-64

FIGURA 5.26COMPARAO DE EFICINCIA ENTRE TRANSFORMADORES NACIONAIS 30KVAE TRANSFORMADORESEUROPEUS 50KVA.........................................................................................................................................................5-65

FIGURA 5.27COMPARAO DE EFICINCIA ENTRE TRANSFORMADORES NACIONAIS 45KVAE TRANSFORMADORESEUROPEUS 50KVA.........................................................................................................................................................5-65

FIGURA 5.28COMPARAO DE EFICINCIA ENTRE TRANSFORMADORES NACIONAIS 75KVAE TRANSFORMADORESEUROPEUS 100KVA ......................................................................................................................................................5-65

FIGURA 5.29COMPARAO DE EFICINCIA ENTRE TRANSFORMADORES NACIONAIS 112,5KVAE TRANSFORMADORESEUROPEUS 100KVA ......................................................................................................................................................5-65

FIGURA 5.30DEPENDNCIA DOS TRANSFORMADORES EM RELAO A SUA CARGA...........................................................5-66 FIGURA 6.1CURVAS DE CARGA DOS 4DIAS MEDIDOS.........................................................................................................6-68 FIGURA 6.2CURVA DE CARGA CARACTERSTICA DIRIA EM PATAMARES ...........................................................................6-68


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X

Lista de Tabelas

TABELA 2.1CLASSES DE TEMPERATURA DOS MATERIAIS ISOLANTES...................................................................................2-3 TABELA 2.2CARACTERSTICAS DO LEO ISOLANTE ..............................................................................................................2-4 TABELA 2.3ESPESSURA MNIMA DA CHAPA DE AO ..............................................................................................................2-4 TABELA 2.4CORRENTE NOMINAL DAS BUCHAS DE BAIXA TENSO PARA TRANSFORMADORES MONOFSICOS [A].............2-5

TABELA 2.5CORRENTE NOMINAL DAS BUCHAS DE BAIXA TENSO PARA TRANSFORMADORES TRIFSICOS [A] ..................2-5 TABELA 2.6DERIVAES E RELAES DE TENSO...............................................................................................................2-5 TABELA 2.7NVEIS DE ISOLAMENTO.......................................................................................................................................2-8 TABELA 2.8ESPAAMENTOS EXTERNOS MNIMOS ................................................................................................................2-9TABELA 2.9CORREO DA RIGIDEZ DIELTRICA DO AR ........................................................................................................2-9 TABELA 2.10VALORES MXIMOS ADMISSVEIS 2DA MXIMA TEMPERATURA MDIA DO ENROLAMENTO APS CURTO-

CIRCUITO.........................................................................................................................................................................2-11 TABELA 2.11VALORES DO FATOR A..................................................................................................................................2-11 TABELA 2.12VALORES GARANTIDOS DE PERDAS,CORRENTES DE EXCITAO E TENSES DE CURTO-CIRCUITO PARA

TRANSFORMADORES TRIFSICOS COM TENSO MXIMA DE 15KV...............................................................................2-12 TABELA 2.13VALORES GARANTIDOS DE PERDAS,CORRENTES DE EXCITAO E TENSES DE CURTO-CIRCUITO PARA

TRANSFORMADORES TRIFSICOS COM TENSES MXIMAS DE 24,2KVE 36,2KV ......................................................2-13 TABELA 2.14VALORES GARANTIDOS DE PERDAS,CORRENTES DE EXCITAO E TENSES DE CURTO-CIRCUITO PARA

TRANSFORMADORES MONOFSICOS COM TENSO MXIMA DE 15KV ..........................................................................2-13 TABELA 2.15VALORES GARANTIDOS DE PERDAS,CORRENTES DE EXCITAO E TENSES DE CURTO-CIRCUITO PARATRANSFORMADORES MONOFSICOS COM TENSES MXIMAS DE 24,2KVE 36,2KV .................................................2-13

TABELA 2.16TOLERNCIAS .................................................................................................................................................2-14TABELA 2.17LIMITES DE ELEVAO DE TEMPERATURA ......................................................................................................2-15 TABELA 2.18NVEIS DE RUDO PARA TRANSFORMADORES EM LEO ..................................................................................2-15 TABELA 2.19CARACTERSTICAS DO LEO MINERAL ISOLANTE TIPOAOU TIPO B,APS CONTATO COM O EQUIPAMENTO...2-

15TABELA 3.1LIGAES PARA ENSAIOS DE RESISTNCIA DE ISOLAMENTO ...........................................................................3-18 TABELA 3.2DESLOCAMENTO ANGULAR E MEDIO DE VERIFICAO .................................................................................3-19 TABELA 3.3PARMETROS DO GERADOR .............................................................................................................................3-30 TABELA 4.1CARACTERSTICAS DO SISTEMA DE DISTRIBUIO DE ENERGIA DAAES-SUL ...............................................4-37 TABELA 4.2TORQUE SUPORTVEL NOS PARAFUSOS DOS TERMINAIS E DISPOSITIVO DE ATERRAMENTO .........................4-42

TABELA 4.3RELAO DOS ENSAIOS DE TIPO,RECEBIMENTO E COMPLEMENTARES ..........................................................4-44 TABELA 5.1PERDAS E CORRENTES DE EXCITAO DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS NOVOS CLASSE 15KV.......5-52TABELA 5.2PERDAS E CORRENTES DE EXCITAO DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS NOVOS CLASSE 15KV ............5-52TABELA 5.3PERDAS E CORRENTES DE EXCITAO DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS NOVOS CLASSE 24,2KV ....5-53TABELA 5.4PERDAS E CORRENTES DE EXCITAO DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS NOVOS CLASSE 24,2KV .........5-54TABELA 5.5-PERDAS E CORRENTES DE EXCITAO DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS REFORMADOS CLASSE 15KV.5-

54TABELA 5.6PERDAS E CORRENTES DE EXCITAO DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS REFORMADOS CLASSE 15KV .5-55TABELA 5.7PERDAS E CORRENTES DE EXCITAO DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS REFORMADOS CLASSE 24,2KV

........................................................................................................................................................................................5-55 TABELA 5.8PERDAS E CORRENTES DE EXCITAO DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS REFORMADOS CLASSE 24,2KV..5-

56TABELA 5.9MDIA E DESVIO PADRO DOS VALORES PORCENTUAIS DAS PERDAS E CORRENTE DE EXCITAO ...............5-56

TABELA 5.10PERDAS EM TRANSFORMADORES TRIFSICOS EUROPEUS ............................................................................5-58 TABELA 6.1DURAO DE CARGA.........................................................................................................................................6-69 TABELA 6.2COTAES DE TRANSFORMADORES ................................................................................................................6-72TABELA 6.3TRANSFORMADORES PADRO ..........................................................................................................................6-73 TABELA 6.4CUSTO DA ENERGIA ELTRICA ..........................................................................................................................6-73 TABELA 6.5DEMANDA DE CADA PATAMAR DA CARGA PARA 25KVADE POTNCIA BASE ..................................................6-73TABELA 6.6CUSTO DO TRANSFORMADOR A PLENA CARGA COM JUROS DE 4%A.A. ..........................................................6-73 TABELA 6.7CUSTO DO TRANSFORMADOR A PLENA CARGA COM JUROS DE 8%A.A. ..........................................................6-74 TABELA 6.8CUSTO DO TRANSFORMADOR A PLENA CARGA COM JUROS DE 12%A.A. ........................................................6-74 TABELA 6.9CUSTO DO TRANSFORMADOR A 50%DE CARGA COM JUROS DE 4%A.A. .......................................................6-74TABELA 6.10CUSTO DO TRANSFORMADOR A 50%DE CARGA COM JUROS DE 8%A.A. .....................................................6-74 TABELA 6.11CUSTO DO TRANSFORMADOR A 50%DE CARGA COM JUROS DE 12%A.A. ...................................................6-75 TABELA 6.12CUSTO DO TRANSFORMADOR A 25%DE CARGA COM JUROS DE 4%A.A. .....................................................6-75 TABELA 6.13CUSTO DO TRANSFORMADOR A 25%DE CARGA COM JUROS DE 8%A.A. .....................................................6-75 TABELA 6.14CUSTO DO TRANSFORMADOR A 25%CARGA COM JUROS DE 12%A.A. ........................................................6-75 TABELA 6.15TEMPO DE RETORNO DE INVESTIMENTO DA SUBSTITUIO DE TRANSFORMADORES DE 25KVAPOR UM DE

MESMA POTNCIA COM MAIOR EFICINCIA (ANOS) ........................................................................................................6-76


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XI

TABELA 6.16TEMPO DE RETORNO DE INVESTIMENTO DA SUBSTITUIO DE TRANSFORMADORES DE 15KVAPOR UM DE 25KVADE ALTA EFICINCIA (ANOS) ...................................................................................................................................6-76


TABELA 6.18TEMPO DE RETORNO DE INVESTIMENTO DA SUBSTITUIO DE TRANSFORMADORES DE 25KVAPOR UM DEMESMA POTNCIA COM MAIOR EFICINCIA (ANOS) ........................................................................................................6-77




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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBLABORATRIO DEALTA TENSO 1

EFICINCIA DE TRANSFORMADORES DE MDIA TENSO BRUNO PEREIRA CARDOSO

Captulo 01

1Introduo

Desde 2001, o Laboratrio de Alta Tenso da Universidade Federal de Itajub vem ensaiandouma srie de transformadores de mdia tenso dentro do conjunto de Projetos de Pesquisa e

Desenvolvimento (P&D) a respeito da avaliao de desempenho de linhas de distribuio areas, em

parceria com a AES SUL Distribuidora Gacha de Energia S.A.. Esses equipamentos so submetidos

a todos os ensaios de rotina e, de modo complementar, a ensaios de impulso atmosfrico padronizado

e no-padronizado, RIV e aquecimento.

Uma justificativa para o estudo de transformadores de mdia tenso est relacionada com o fato

dos mesmos serem um dos componentes que mais geram perdas no sistema de distribuio de energia

eltrica, cerca de 33% do total das perdas, situando-se atrs somente das linhas de distribuio. O nvelde perdas de energia no sistema de distribuio mundial como um todo da ordem de 1.279 TWh,

variando para cada pas entre 3,7% e 26,7% do consumo de energia, o que demonstra um grande

potencial de melhoria tanto no mbito tcnico, quanto no econmico. No Brasil as perdas no sistema de

distribuio de energia chegam ordem de 61 TWh, representando 18,3% da energia consumida [10].

Os transformadores so relativamente fceis de substituir, quando comparados aos cabos das

linhas, e sua eficincia pode ser classificada, qualificada e padronizada. E ainda, as perdas podem ser

reduzidas em at 80%, utilizando-se tecnologias modernas. Tal reduo obtida com a modificao de

2 elementos principais, sendo estes o ncleo e os enrolamentos. O projeto complexo, sendo suascaractersticas especificadas em normas nacionais e internacionais.

Assim, com tal motivao, o objetivo principal deste trabalho a anlise do desempenho e

eficincia dos transformadores de mdia tenso de fabricao nacional.

Inicialmente, no Captulo 2, faz-se uma revista na normalizao nacional de transformadores

relacionada fabricao, condies de operao, ensaios necessrios e obrigatrios, ndices de

qualidade (nvel de perdas e suportabilidades) e padronizao aplicvel rede de distribuio area.

No Captulo 3 feita uma descrio dos ensaios em transformadores realizados pelo

Laboratrio de Alta Tenso, apresentando os equipamentos e o sistema para execuo dos mesmos.

O Captulo 4 trata da especificao bsica de projeto de transformadores, proposta pela AES-

SUL, baseada em normas nacionais, conforme apresentado no Captulo 2, experincia, e resultados

preliminares de alguns ensaios realizados.

No Captulo 5 apresentam-se os resultados de maior relevncia obtidos dos ensaios

executados, conforme apresentados no Captulo 4, com breves comentrios. Em seguida so

elaboradas e apresentadas curvas de eficincia dos transformadores nacionais, de acordo com o

padro PROPHET, tambm apresentado nesse captulo. Ainda so feitas algumas anlises desses

resultados.


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No Captulo 6 so apresentadas anlises econmicas, utilizando o conceito de tempo de retorno

de investimento (Pay Back), das propostas de substituio dos transformadores atuais por unidades

novas de alta eficincia. Tais propostas visam uma nova filosofia na compra e instalao desses

equipamentos, a qual est diretamente relacionada com perdas capitalizadas, penalizaes por falhas

prematuras e carga caracterstica do sistema de distribuio de energia.

Por fim, no Captulo 7, discutem-se recomendaes a fim de melhorar a qualidade e a eficincia

dos transformadores baseadas na anlise tcnica efetuada no Captulo 5 e anlise econmica de

acordo com o Captulo 6. So apresentadas, ainda, as concluses finais do trabalho.

De maneira geral os resultados no so satisfatrios, porm o trabalho colabora como sendo um

alerta situao atual dos transformadores nacionais, sugerindo melhorias na fabricao, inspeo e

controle de qualidade.

A avaliao como um todo visa prestao de um servio melhor aos consumidores da rea de

concesso, parcerias com fabricantes resultando na utilizao eficiente de energia e obteno de um

produto compatvel com os novos horizontes de utilizao, e aplicao eficaz de energia.


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Captulo 02

2Normalizao Nacional de Transformadores

Este captulo trata da normalizao nacional vigente no que diz respeito a transformadores demdia tenso, cujas normas especficas aqui discutidas so basicamente as NBR5356 [15]/NBR5380 [16]

Transformador de Potncia e NBR5440 [17] Transformadores para Redes Areas de Distribuio

Padronizao. O assunto da NBR5356 est relacionado com as condies exigveis aos

transformadores, e da NBR5380 aos mtodos de ensaios relativos aos transformadores construdos

segundo a NBR5356. J a NBR5440 estabelece a padronizao das caractersticas eltricas e

mecnicas dos transformadores aplicveis a redes areas de distribuio nas tenses primrias at

36,2 kV e nas tenses secundrias usuais dos transformadores monofsicos e trifsicos, com

enrolamento de cobre ou alumnio imerso em leo mineral isolante com resfriamento natural.

2.1 Caractersticas Construtivas [15][17]

Os materiais isolantes eltricos so classificados em classes de temperatura, segundo a

temperatura limite atribuda a cada um, conforme a Tabela 2.1. Os mesmos materiais utilizados em

transformadores devem ser Classe A.

Tabela 2.1 Classes de temperatura dos materiais isolantes

Classe Temperatura limite atribuda [ C]

Y 90A 105E 120B 130F 155H 180C Acima de 180

O leo isolante deve ser de origem mineral, e classificado em 2 tipos: Tipo A(base naftnica)

para tenso mxima superior a 145 kV, e Tipo B(base parafnica) para tenso mxima igual ou inferior

a 145 kV. Os valores limites das caractersticas fsico-qumicas desses tipos de leo devem obedecer

s especificaes contidas na Tabela 2.2.

O tanque do transformador e sua tampa devem ser de chapas de ao, cuja espessura mnima

indicada na Tabela 2.3. Nos radiadores devem-se utilizar chapas com no mnimo 1,2 mm de espessura

e tubos com espessura mnima de 1,5 mm. Todas as soldas na confeco do tanque devem ser

contnuas e do lado externo.


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Tabela 2.2 Caractersticas do leo isolante

Valores garantidos

Tipo A Tipo BCaractersticas Norma Unidade

Mnimo Mximo Mnimo Mximo

Densidade 20/4 C NBR 7148 - 0,861 0,900 - 0,860

a 20 C - 25,0 - 25,0a 40 C - 11,0 - 12,0Viscosidadecinemticaa 100 C

NBR 10441 mm2/s- 3,0 - 3,0

Ponto de fulgor NBR 11341 C 140 - 140 -Ponto de fluidez NBR 11349 C - -39 - -12

ndice de neutralizao ASTM D 974 mgKOH/g - 0,03 - 0,03Tenso interfacial a 25 C NBR 6234 mN/m 40 - 40 -

Cor ASTM D 1500 - - 1,0 - 1,0Teor de gua NBR 5755 mg/kg - 35 - 35

Cloretos e sulfatos NBR 5779 - Ausentes -Enxofre corrosivo NBR 10505 - Ausente Ausente

Enxofre total ASTM D 1552 % massa - - 0,30Ponto de anilina NBR 11343 C 63 84 85 91ndice de refrao a 20 C NBR 5778 - 1,485 1,500 1,469 1,478

NBR 6869 30 - 30 -Rigidez dieltrica

IEC 156kV

- - 42 -a 100 C ASTM D 924 0,50 0,50a 90 C IEC247 0,40 0,40

Fator de perdasdieltricas ou Fator

de dissipao a 25 C ASTM D 924% -

--

0,05Teor de inibidor de oxidao

DBPC/DBPASTM D 2668 % massa - 0,08 No detectvel

Teor de carbonos ASTM D 2140 % Anotar 7,0 -Estabilidade oxidao:

- ndice de neutralizao- borra- fator de dissipao a 90 C

IEC 74 mgKOH/g% massa%

- 0,40,1020

- 0,40,1020

Tabela 2.3 Espessura mnima da chapa de ao

Espessura [mm]Potncia do transformador[kVA] Tampa Corpo Fundo

P10 1,90 1,90 1,9010 < P150 2,65 2,65 3,00150 < P300 3,00 3,00 4,75

As buchas devem ser de porcelana vidrada, de acordo com as normas NBR5034, NBR5435 e

NBR5437. A tampa deve ser provida de ressaltos para a montagem das buchas de alta tenso. As de

baixa tenso, cujo dimensionamento apresentado nas Tabelas 2.4 e 2.5, devem ser montadas na

parede lateral do tanque, do mesmo lado que os suportes para fixao no poste. A marcao dos

terminais deve ser com tinta preta, padro Munsell N1, e altura mnima dos caracteres de 30 mm.

As orelhas de suspenso devem ser em nmero de 2, soldadas na parede externa do tanque e

ainda isentas de arestas vivas para no danificar o cabo de iamento. Suas dimenses, formato e

resistncia mecnica devem ser adequados para iamento em locomoo segura do transformador,sem causar danos tampa, tanque ou buchas.


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Tabela 2.4 Corrente nominal das buchas de baixa tenso para transformadores monofsicos [A]

Maior tenso secundria [V]Potncia nominal do transformador[kVA] 127 220 ou 230 240 254 440

3 a 15 160 160 160 160 16025 400 160 160 160 160

37,5 400 400 400 400 16050 800 400 400 400 16075 800 800 400 400 400100 800 800 800 800 400

Tabela 2.5 Corrente nominal das buchas de baixa tenso para transformadores trifsicos [A]

Maior tenso secundria [V]Potncia nominal do transformador[kVA] 220 380

15 a 45 160 16075 400 160

112,5 400 400

150 800 400225 800 800300 800 800

Os suportes para fixao tambm devem ser soldados no tanque e suportar perfeitamente o

peso do transformador e permitir a instalao deste ao poste.

Na tampa do transformador deve haver uma abertura de no mnimo 120 mm de dimetro,

localizada sobre o acionamento do comutador. A Tabela 2.6 apresenta a padronizao para

transformadores com 3 derivaes, onde a derivao principal a de tenso mais elevada.

Tabela 2.6 Derivaes e relaes de tenso

Tenso [V]

Primrio SecundrioTenso mximado equipamento

[kVEficaz]

Derivaon Trifsico e

monofsico (FF)Monofsico

(FN)Trifsico Monofsico

1 13.800 7.9672 13.200 7.62115

3 12.600 7.2751 23.100 13.3372 2.200 12.70224,2

3 20.900 12.0671 34.500 19.9192 33.000 19.05336,2

3 31.500 18.187

380/220ou

220/127

2 terminais:220 ou 1273 terminais:

440/220,254/127,240/120

ou230/115

As juntas de vedao devem ser de elastmetro a prova de leo mineral isolante, possuir

temperatura compatvel com a classe do material isolante do transformador e ser resistentes ao da

umidade e dos raios solares. As juntas de seo circular devem ser alojadas em leito apropriado para

evitar deslizamento das mesmas.O ncleo deve ser construdo de chapas de ao silcio de gro orientado, com as lminas presas

por uma estrutura apropriada que sirva como meio de centrar e firmar o conjunto ncleo-bobina ao


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tanque, de modo que este no tenha movimento em qualquer direo. Deve ser aterrado atravs de um

nico ponto massa do transformador, utilizando-se uma fita de cobre, e os tirantes que atravessem as

lminas do ncleo devem ser isolados dessas lminas e tambm aterrados. Todas as porcas dos

parafusos utilizados na construo do ncleo devem estar providas de travamento mecnico.

A massa total do transformador no pode ultrapassar 1.500 kg.

A placa de identificao deve ter formato A6, ser de alumnio anodizado com espessura mnima

de 0,8 mm. Deve ser fixada atravs de rebites de material resistente corroso, em um suporte com

base que impea a deformao da mesma, soldado ao tanque ou nos radiadores. Deve tambm conter

no mnimo as seguintes informaes:

A palavra Transformador Monofsico ou Transformador Trifsico;

Nome do fabricante e local de fabricao;

Nmero de srie de fabricao;

Ano de fabricao; Nmero da norma;

Tipo (segundo a classificao do fabricante);

Nmero de fases;

Potncia nominal e potncias de derivaes diferentes das nominais;

Designao do mtodo de resfriamento;

Diagrama de ligaes contendo todas as tenses nominais e de derivaes, alm de respectivas

correntes;

Freqncia nominal;

Limite de elevao de temperatura dos enrolamentos;

Polaridade;

Impedncia de curto-circuito (derivao principal);

Tipo do leo e volume necessrio;

Massa total aproximada;

Nveis de isolamento;

Nmero do livro de instrues, fornecido pelo fabricante, junto com o transformador.

2.2 Condies de Funcionamento [15]

2.2.1 Condies Gerais

A tenso de alimentao do transformador deve ser aproximadamente senoidal, e as tenses de

fase, que alimentam um transformador polifsico, aproximadamente iguais em mdulo e defasagem,

com freqncia nominal de 60 Hz.


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Em relao ao resfriamento, a temperatura do ar de resfriamento (temperatura ambiente) no

deve ser superior a 40 C, e a temperatura mdia, em qualquer perodo de 24 h, no deve ser superior

a 30 C.

Os transformadores devem ser projetados para funcionamento como abaixadores, em

instalao externa, ter corrente de carga aproximadamente senoidal e fator harmnico inferior a 0,05

pu. Tambm no devem ser instalados em altitude superior a 1.000 m, em relao ao nvel do mar.

2.2.2 Condies Especficas

A caracterstica nominal de um transformador est ligada ao fornecimento de corrente nominal

sob condio de carga constante, sem exceder os limites de elevao de temperatura, admitindo-se a

tenso aplicada igual tenso nominal sob freqncia nominal, e constituda da potncia, tenso,

corrente e freqncia nominais, e nvel de isolamento dos enrolamentos.

A potncia nominal, ou potncia mxima quando varia com diferentes mtodos ou estgios de

resfriamento, serve de base ao projeto, aos ensaios e s garantias do fabricante, determinando o valor

da corrente nominal que circula, sob tenso de valor igual nominal. Deve ser especificada pelo

comprador, respeitadas as padronizaes existentes, levando em conta as condies gerais de

funcionamento.

O carregamento do transformador deve estar de acordo com a NBR5416, e buchas,

comutadores e outros devem suportar carregamentos correspondentes a at 1,5 vezes a sua potncia

nominal.

A tenso nominal a ser aplicada nos terminais de linha de um enrolamento deve ser

especificada pelo comprador, respeitando as padronizaes existentes. Os transformadores devem ser

capazes de funcionar continuamente na derivao principal com tenses ou freqncias diferentes das

nominais nas seguintes condies:

Tenso primria excedendo no mximo 5% da nominal, sob freqncia e corrente secundria

nominais;

Tenso primria acima da nominal (at 5%), sob freqncia abaixo da nominal (at 57 Hz),

relao tenso/freqncia inferior a 5%, mantida a corrente secundaria nominal;

Tenso primria excedendo entre 5% e 10% da nominal, sob freqncia nominal. Esta tenso,

para uma corrente secundria igual a kvezes a nominal, deve ser limitada ao valor dado pela

Equao 2.1.

( ) 25110% kU = (2.1)

Onde,

0


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Tenso primria 5% abaixo da nominal, mantida a potncia nominal, sob freqncia nominal,

sendo que, nesta condio, as elevaes de temperatura das vrias partes do transformador

no devem ser maiores que 5% das elevaes de temperatura em condies normais;

Tenso primria 110% da nominal, sob freqncia nominal, com o transformador em vazio, sem

que as elevaes de temperatura ultrapassem os limites estabelecidos;

Tenso primria acima da nominal, sob freqncia abaixo da nominal, desde que nem a tenso

nem a relao tenso/freqncia excedam 110% dos respectivos valores nominais, com o

transformador em vazio, sem que as elevaes de temperatura ultrapassem os limites

estabelecidos.

A cada enrolamento de um transformador atribudo um valor de tenso mxima do

equipamento Um, cujos valores so apresentados na Tabela 2.7. As prescries para coordenao de

isolamento de um transformador, referentes sobretenses transitrias so formuladas diferentemente,

e dependente do valor de Um. Quando as prescries relativas aos ensaios especficos deenrolamentos diferentes de um mesmo transformador conflitarem, deve ser aplicada a prescrio

relativa ao enrolamento de maior valor de Um.

O valor de Um e o nvel de isolamento atribudo a cada enrolamento do transformador

constituem parte da informao a ser fornecida com a especificao e confirmada na proposta.

Os espaamentos mnimos a serem observados no ar so apresentados na Tabela 2.8.

Os transformadores podem ser instalados em altitudes superiores a 1.000 m, desde que a

isolao seja coerente com o nvel de isolamento, tendo em conta o abaixamento da rigidez dieltrica

do ar com a altitude, a qual se determina multiplicando a rigidez dieltrica do ar na altitude normal pelos

fatores de correo especificados na Tabela 2.9.

Tabela 2.7 Nveis de isolamento

Tenso suportvel nominalde impulso atmosfrico

Tenso mximado equipamento

[kVEficaz] Pleno [kVCrista] Cortado [kVCrista]

Tenso suportvel nominal freqncia industrial, durante

1 min e tenso induzida[kVEficaz]

0,6 - - 4

1,2 - - 1040 447,2

60 6620

95 10515

110 12134

125 13824,2

150 16550

150 165170 18736,2

200 22070

A impedncia de curto-circuito a obtida entre os terminais de um enrolamento quando circula,sob freqncia nominal, nesse enrolamento, uma corrente correspondente menor das potncias

nominais do par de enrolamentos considerados, e os demais permanecem em circuito aberto.


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expressa em porcentagem, tendo como base tenso e potncia nominais do enrolamento, e deve ser

especificada pelo comprador na temperatura de referncia.

Tabela 2.8 Espaamentos externos mnimos

Espaamentos mnimos em arTenso mxima

do equipamento[kVEficaz]

Tenso suportvel nominal

de impulso atmosfrico[kVCrista]

Fase-terra [mm] Fase-fase [mm]

1,2 - 25 257,2 60 65 65

95 130 14015

110 150 170125 170 190

24,2150 200 230150 200 230170 250 28036,2200 300 330

Tabela 2.9 Correo da rigidez dieltrica do ar

Altitude [m] Fator de correo

1.000 1,001.200 0,981.500 0,951.800 0,922.100 0,892.400 0,862.700 0,83

3.000 0,803.600 0,754.200 0,704.500 0,67

A impedncia de seqncia zero medida sob freqncia nominal, e pode depender do valor da

corrente. possvel ter vrios valores, uma vez que depende do mtodo de ligao do prprio

enrolamento, dos outros enrolamentos e das ligaes entre os seus terminais de linha e de neutro.

As perdas em vazio so obtidas sob tenso e freqncia nominais, e as perdas em carga

quando se faz circular pelo enrolamento alimentado a corrente de magnetizao, sob freqncia

nominal, em relao respectiva derivao. As perdas totais so a soma dos 2 tipos de perdas citadas

acima, no incluindo perdas dos equipamentos auxiliares, que so computadas separadamente. O

fabricante deve garantir as perdas em vazio e as perdas totais na temperatura de referncia, com

tenso senoidal, na derivao principal.

A corrente de excitao tambm obtida sob tenso e freqncia nominais, e expressa em

porcentagem da corrente nominal do enrolamento. Em transformadores polifsicos as correntes de

excitao nos vrios terminais de linha podem ser desiguais, assim, admite-se que a corrente de

excitao a mdia aritmtica das diferentes correntes de excitao obtidas.Tratando-se de transformadores imersos em leo, o resfriamento feito a partir da circulao

interna natural do leo e da circulao externa natural do ar (ONAN).


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A elevao de temperatura da camada superior do leo refere-se combinao especificada de

carga para a qual as perdas totais so as mais elevadas. As elevaes de temperatura de

enrolamentos individuais devem ser consideradas relativas combinao da carga mais severa para o

enrolamento considerado.

Transformadores em leo devem ser projetados e construdos para suportarem, sem danos, os

efeitos trmicos e dinmicos de curto-circuitos externos, os quais compreendem curto-circuitos

trifsicos, bifsicos para a terra ou no, e fase-terra.

A corrente de curto-circuito simtrico (valor eficaz) deve ser calculada utilizando-se a

impedncia de curto-circuito do transformador, atravs da Equao 2.2, para transformador trifsico. O

valor da corrente no deve exceder 25 vezes o valor da corrente nominal do enrolamento considerado,

caso contrrio, cabe ao comprador tomar as medidas adequadas para sua limitao, e se isso no for

possvel deve haver um acordo entre fabricante e comprador. O valor de crista da corrente de curto-

circuito (Icr) dado pela Equao 2.4.

3=

tZ

UI (2.2)

Onde,

U tenso nominal (Un) do enrolamento considerado;

Zt impedncia de curto-circuito do transformador, referido ao enrolamento considerado, dado

pela Equao 2.3.

n

nZt

S

UUZ

=100

2

(2.3)

Com,

UZ tenso de curto-circuito expressa em porcentagem, sob corrente nominal, na temperatura

de referencia;

Sn potncia nominal do transformador.

2kIIcr = (2.4)

Onde,

senek XR

+=

+21 (2.5)

Sendo,

arctanXt/Rt.


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As potncias aparentes de curto-circuito do sistema, com as respectivas contribuies, no ponto

do sistema onde est instalado o transformador, devem ser especificadas pelo comprador na sua

solicitao, a fim de obter-se o valor da corrente de curto-circuito simtrica a ser utilizado em projetos e

ensaios.

O equipamento de comutao deve ser capaz de suportar a mesma sobrecorrente, devido ao

curto-circuito, que o enrolamento ao qual esteja conectado, e o terminal de neutro de enrolamento com

ligao estrela deve ser projetado para a mxima sobrecorrente que pode circular atravs dele.

O valor da mxima temperatura mdia 1 do enrolamento, depois de percorrido por umacorrente de curto-circuito simtrica, calculada com base na temperatura inicial do enrolamento 0, pelaEquao 2.6, no deve exceder o valor 2da Tabela 2.10, para qualquer posio de derivao.

Tabela 2.10 Valores mximos admissveis 2da mxima temperatura mdia do enrolamento aps curto-circuito

Valor de 2[ C]Limite de elevao de temperatura dos enrolamentosMtodo da variao da resistncia [ C] Cobre Alumnio

5565

250 200

3201 10

+= tJa (2.6)

Onde,

J densidade da corrente de curto-circuito;

t durao da corrente de curto-circuito (2 s);

a funo de (2+0), de acordo com a Tabela 2.11.Tabela 2.11 Valores do fator a

a = funo de (2+0)(2+0) [ C]Enrolamento de cobre Enrolamentos de alumnio

140 7,41 16,5160 7,80 17,4180 8,20 18,3200 8,59 19,1

220 8,99 -240 9,38 -260 9,78 -

2.3 Ensaios [15][16]

2.3.1 Ensaios de Rotina

Os ensaios de rotina so feitos pelo fabricante em sua fbrica, cabendo ao comprador o direito

de designar um inspetor para acompanh-los. Os ensaios so os seguintes:

Resistncia eltrica dos enrolamentos;


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Relao de tenses;

Resistncia do isolamento;

Polaridade;

Deslocamento angular e seqncia de fases;

Perdas (em vazio e em carga);

Corrente de excitao;

Impedncia de curto-circuito;

Ensaios dieltricos:

Tenso suportvel freqncia industrial, aplicada fiao e aos acessrios;

Tenso suportvel nominal freqncia industrial (tenso aplicada);

Tenso induzida.

Estanqueidade e resistncia presso, a quente, e temperatura ambiente;

Verificao do funcionamento dos seguintes acessrios:

Indicador externo do nvel de leo;

Indicador de temperatura do leo;

Comutador de derivaes sem tenso;

Comutador de derivaes em carga;

Rel Buchholz ou equivalente;

Indicador de circulao de leo;

Indicador de temperatura do enrolamento;

Dispositivo de alvio de presso; TCs de bucha.

Ensaios de verificao da pintura da parte externa:

Aderncia;

Espessura.

Os valores mdios de perdas e corrente de excitao, assim como a tenso de curto-circuito do

lote devem ser garantidos pelo fabricante em sua proposta, conforme as Tabelas de 2.12 a 2.15 [17].

Tabela 2.12 Valores garantidos de perdas, correntes de excitao e tenses de curto-circuito para transformadores trifsicoscom tenso mxima de 15 kV

Potncia dotransformador

[kVA]

Corrente deexcitao

[%]

Perdas emvazio [W]

Perda total[W]

Tenso de curto-circuitoa 75 C [%]

15 4,8 100 44030 4,1 170 74045 3,7 220 1.00075 3,1 330 1.470

112,5 2,8 440 1.990150 2,6 540 2.450

3,5

225 2,3 765 3.465300 2,2 950 4.310

4,5


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Tabela 2.13 Valores garantidos de perdas, correntes de excitao e tenses de curto-circuito para transformadores trifsicoscom tenses mximas de 24,2 kV e 36,2 kV


[kVA]

Corrente deexcitao

[%]

Perdas emvazio [W]

Perda total[W]


15 5,7 110 500

30 4,8 180 82545 4,3 250 1.12075 3,6 360 1.635

112,5 3,2 490 2.215150 3,0 610 2.755

4,0

225 2,7 820 3.730300 2,5 1.020 4.620

5,0

Tabela 2.14 Valores garantidos de perdas, correntes de excitao e tenses de curto-circuito para transformadoresmonofsicos com tenso mxima de 15 kV


[kVA]

Corrente deexcitao

[%]Perdas emvazio [W]

Perda total[W]


3 4,9 40 1155 4,0 50 16010 3,3 60 26015 3,0 85 35525 2,7 120 520

37,5 2,4 160 70050 2,2 190 83075 2,0 230 1.160100 1,9 280 1.500

2,5

Tabela 2.15 Valores garantidos de perdas, correntes de excitao e tenses de curto-circuito para transformadoresmonofsicos com tenses mximas de 24,2 kV e 36,2 kV


[kVA]

Corrente deexcitao

[%]

Perdas emvazio [W]

Perda total[W]


3 5,7 40 1155 4,8 50 17010 4,0 70 28515 3,6 90 395

25 3,1 130 58037,5 2,9 170 77550 2,7 220 97575 2,1 250 1260100 1,5 300 1550

2,5(para 24,2 kV)

3,0(para 36,2 kV)

As tolerncias indicadas na Tabela 2.16 devem ser aplicadas a todo valor especificado e/ou

garantido para as caractersticas do transformador.


25/97



Tabela 2.16 Tolerncias

Caractersticas especificadas Tolerncia

Impedncia de curto-circuito 7,5%Perdas em vazio

- em cada unidade da encomenda considerada individualmente

- na mdia aritmtica obtida em encomendas de mais de uma unidade

+ 10%0%

Perdas totais

- em cada unidade da encomenda considerada individualmente- na mdia aritmtica obtida em encomendas de mais de uma unidade

+ 6%0%

Relao de tenses 0,5%Corrente de excitao

- em cada unidade da encomenda considerada individualmente- na mdia aritmtica obtida em encomendas de mais de uma unidade

+ 20%0%

2.3.2 Ensaios de Tipo

O comprador deve especificar, na ordem de compra, os ensaios desejados e o nmero de

unidades da encomenda sobre as quais devem ser executados. Nesse caso, cabe-lhe tambm o direito

de designar um inspetor para acompanh-los. No caso de existirem resultados de ensaios

anteriormente executados sobre transformadores do mesmo projeto, o comprador pode dispensar a

execuo dos mesmos. Os ensaios de tipo so:

Elevao de temperatura;

Tenso suportvel nominal de impulso atmosfrico;

Nvel de rudo;

Ensaios no leo isolante, aps contato com o equipamento:

Rigidez dieltrica;

Teor de gua;

Fator de potncia ou fator de dissipao;

Tenso interfacial;

ndice de neutralizao.

As elevaes de temperatura dos enrolamentos, do leo, das partes metlicas e das outras

partes do transformador no devem exceder os limites especificados na Tabela 2.17. E o nvel de rudo

no deve ultrapassar os valores da Tabela 2.18.

Os critrios de aceitao do leo isolante, aps contato com o equipamento, so indicados na

Tabela 2.19.


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Tabela 2.17 Limites de elevao de temperatura

Limites de elevao de temperatura [ C]

Dos enrolamentos Das partes metlicas

Mtodo da variao daresistncia

Transformador

imerso em leoCirculao

do leonatural ou

forada semfluxo de leo

dirigido

Circulaoforada de

leo comfluxo

dirigido

Do

pontomais

quente

Doleo

Em contato

com a isolaoslida ouadjacente a

ela

No emcontato com

a isolaoslida e noadjacente a

ela

Sem conservadorou gs inerteacima do leo

55 60 65 50

Com conservadorou gs inerteacima do leo

55

65

60

70

65

80

55

65

No devematingir

temperaturassuperiores

mximaespecificada

para o pontomais quente daisolao

adjacente ou emcontato com

esta.

A temperaturano deveatingir, em

nenhum casovalores quevenham a

danificar estaspartes, outras

partes oumateriais

adjacentes.

Tabela 2.18 Nveis de rudo para transformadores em leo

Nvel mdio de rudo [dB]Potncia nominal do transformador

com 2 enrolamentos [kVA]

48 1 50

51 51 10055 101 30056 301 500

Tabela 2.19 Caractersticas do leo mineral isolante tipo A ou tipo B, aps contato com o equipamento

Valores garantidosCaractersticas

Mtodo deEnsaio

UnidadeMnimo Mximo

Tenso interfacial a 25 C NBR 62345 mN/m 40 -Un< 72,5 [kV] 25

Teor de guaUn72,5 [kV]

NBR 5755 mg/kg -15

Un< 72,5 [kV] NBR 6869 30Un< 72,5 [kV] 50Rigidez dieltricaUn72,5 [kV]

IEC 156kV

70-

Un< 72,5 [kV] 0,9a 100 C

Un72,5 [kV]ASTM D 924

0,6Un< 72,5 [kV] 0,7

Fator de perdasDieltricas ou

Fator dedissipao a 90 C Un72,5 [kV]

IEC 247% -

0,5

2.3.3 Ensaios Especiais

Os ensaios especiais so os seguintes:

Ensaio de curto-circuito;


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Medio da impedncia de seqncia zero em transformadores trifsicos;

Medio dos harmnicos na corrente de excitao;

Anlise cromatogrfica dos gases dissolvidos no leo isolante;

Fator de potncia do isolamento;

Vcuo interno;

Nvel de tenso de radio-interferncia;

Ensaios para verificao do esquema de pintura interna e externa do transformador.

Os valores mximos de tenso de radio-interferncia so 250 V para tenso mxima de 15 kV,

e 650 V para tenses mximas de 24,2 kV e 36,2 kV.


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Captulo 03

3Ensaios em Transformadores de Mdia Tenso [15][16]

Neste captulo so detalhados os ensaios realizados pelo Laboratrio de Alta Tenso daUniversidade Federal de Itajub.

Dentre os ensaios citados pela normalizao nacional, os seguintes so executados:

Resistncia do isolamento;

Relao de tenses;

Deslocamento angular;

Perda em vazio;

Corrente de excitao;

Resistncia eltrica dos enrolamentos;

Perda em carga;

Impedncia de curto-circuito;

Rigidez dieltrica do leo isolante;

Elevao de temperatura;

Tenso suportvel nominal de impulso atmosfrico;

Nvel de tenso de rdiointerferncia.

Com exceo dos ensaios de resistncia do isolamento, ensaio de leo isolante, tenso

suportvel nominal de impulso atmosfrico e nvel de tenso de rdiointerferncia, os ensaios so

realizados em uma bancada automatizada, a qual apresentada com detalhes posteriormente, no item

3.12.

3.1 Resistncia do Isolamento [8]

O instrumento utilizado na verificao do isolamento entre enrolamentos e entre enrolamentos e

massa (ncleo, carcaa, etc) o Meghmetro de 2.500 V, o qual ilustrado na Figura 3.1.

A resistncia determinada um valor que d idia do estado de isolamento antes de se

submeter o transformador aos ensaios dieltricos, embora sujeita a grandes variaes devido

temperatura, umidade e qualidade do leo empregado.

Os terminais de cada enrolamento do transformador devem ser curto-circuitados, e as medies

devem ser realizadas nas ligaes conforme indicado na Tabela 3.1. Com o meghmetro ligado,

mantm-se a tenso constante durante, no mnimo, 1 min e, em seguida, anota-se o valor obtido no

meghmetro, a tenso utilizada e a temperatura do enrolamento sob ensaio. Para esta ltima, o

transformador deve estar em equilbrio trmico com a temperatura ambiente.


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Figura 3.1 Meghmetro

Tabela 3.1 Ligaes para ensaios de resistncia de isolamento

Transformador de 2 enrolamentos (no caso de ensaios sem cabo de blindagem)

de AT para BT aterradode BT para AT aterrado

de AT e BT para terraTransformador de 2 enrolamentos (no caso de ensaios com cabo de blindagem)

de AT Para BT aterradode BT Para AT aterrado

de AT e BT Para terrade AT Para terra (BT ligado blindagem)de BT Para terra (AT ligado blindagem)

3.2 Relao de Tenses

O ensaio de relao de tenses, ou seja, a proporo existente entre as tenses primria e

secundria, deve ser realizado aplicando-se a um dos enrolamentos uma tenso igual ou inferior

tenso nominal deste enrolamento, com freqncia igual ou superior nominal, e o transformador em

vazio.

Para transformadores trifsicos, apresentando fases independentes e com terminais acessveis,

procede-se, indiferentemente, usando-se corrente monofsica ou trifsica, como for mais conveniente.

Se o enrolamento onde a tenso aplicada estiver ligado em estrela com neutro inacessvel, usa-secorrente trifsica, procedendo-se como para transformadores monofsicos.

Para a obteno da relao de tenses pode-se tambm utilizar um equipamento especial para

este fim, o medidor de relao de tenses (TTR Transformer Turns Ratio), que basicamente um

comparador de tenses.

3.3 Deslocamento Angular

Este ensaio permite a obteno dos elementos para verificao do diagrama fasorial dasligaes do transformador trifsico.


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Devem-se ligar os terminais de alta tenso a uma fonte de tenso reduzida, e conectar entre si

os terminais de alta e baixa tenso da fase 1 (H1 e X1, respectivamente). Em seguida, medir as

tenses entre vrios pares de terminais de acordo com a Tabela 3.2.

Tabela 3.2 Deslocamento angular e medio de verificao

Deslocamento angular Medio de verificao

Ligao delta delta

Ligao estrela estrela

Deslocamento

angular0

Ligao delta ziguezague

Ligar H1 a X1Medir H2 X2; H3 X2; H1 H2; H2 X3; H3 X3

Relaes de Tenses

(1) H2 X3 = H3 X2(2) H2 X2 < H1 H2(3) H2 X2 < H2 X3(4) H2 X2 = H3 X3

Ligao delta estrela

Ligao estrela delta

Deslocame

nto

angular3

0

Ligao estrela ziguezague

Ligar H1 a X1Medir H3 X2; H3 X3; H1 H3; H2 X2; H2 X3

Relaes de Tenses(1) H2 X2 = H3 X3(2) H3 X2 < H1 H3(3) H2 X2 < H2 X3(4) H2 X2 < H1 H3

3.4 Perda em Vazio

A perda em vazio deve-se ao fluxo principal estabelecido no circuito magntico que

acompanhado dos efeitos conhecidos por Histerese e correntes parasitas de Foucault, sendo funo dovalor, da freqncia e da forma da tenso de alimentao. Deve ser referida tenso senoidal pura,

com fator de forma 1,11, e medida com tenso e freqncia nominais na derivao principal, ou,

quando medida em uma outra derivao, com a respectiva tenso. As ligaes geralmente so feitas

nos enrolamentos de baixa tenso pela maior facilidade na medio da corrente, porm de diferentes

maneiras para transformadores trifsicos e monofsicos.

Ajustadas freqncia e a tenso para o valor nominal, deve-se fazer a leitura dos valores da

freqncia, tenso eficaz, potncia, tenso mdia e corrente. Aps desligar o transformador sob ensaio,

deve-se fazer nova leitura de potncia, a qual subtrada da anterior, correspondente perda no

circuito de medio.

Mesmo com uma tenso de alimentao senoidal, esta pode ser distorcida pelos harmnicos

que existem na corrente de excitao, dos quais o 3, 5, 7 e 9 so predominantes. Para a medio da

perda em vazio com uma tenso com forma de onda distorcida, deve-se introduzir uma correo no

valor medido da perda, para referi-la tenso senoidal pura. Isto vlido tanto para transformadores

monofsicos, quanto para trifsicos, quando o enrolamento delta energizado.

A perda por Histerese funo do valor mximo da densidade do fluxo, que funo do valor

mdio da tenso de alimentao, enquanto a perda por correntes parasitas de Foucault funo do

valor eficaz da tenso de alimentao. Em conseqncia, esta correo s possvel se os valores


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mdio e eficaz da tenso de alimentao forem medidos. A correo a ser feita na perda em vazio

medida realizada com base nas Equaes 3.1 e 3.2.

%%

1000

fh

mWkW

WW+

= (3.1)

2

11,1

=

med

ef

U

Uk (3.2)

Onde,

W0 perda em vazio para tenso senoidal pura;

Wm perda em vazio medida;

Wh perda por histerese percentual relativa a Wm;

Wf perda por correntes parasitas de Foucault percentual relativa a Wm;

Uef valor eficaz da tenso de alimentao;

Umed valor mdio da tenso de alimentao.

Os valores de Whe Wfa serem substitudos na Equao 3.1 devem ser medidos, entretanto, na

falta de tais valores, pode-se adotar os valores tpicos de 50% para chapas laminadas a frio de gro

orientado, em ambas as variveis.

3.5 Corrente de Excitao

Da mesma maneira que a perda em vazio, a corrente de excitao deve ser referida tenso

senoidal pura, com fator de forma 1,11, e medida com tenso e freqncia nominais na derivao

principal, ou, quando medida em uma outra derivao, com a respectiva tenso.

Para a sua medio, podem-se utilizar as mesmas ligaes das utilizadas no ensaio de perdas

em vazio, sem a necessidade de medir a potncia. Deve-se ajustar a tenso nominal, e fazer a leitura

da corrente mdia.

3.6 Resistncia Eltrica dos Enrolamentos

Neste ensaio deve-se registrar a resistncia eltrica de cada enrolamento, dos terminais entre

os quais medida a resistncia eltrica e da temperatura dos enrolamentos.

A medio deve ser efetuada com corrente contnua por um mtodo de ponte, quando a

corrente for menor que 1 A, ou queda de tenso. A corrente utilizada no ensaio no deve ser superior a

15% da corrente nominal do enrolamento considerado.

Na medio da resistncia a frio, o tempo at a estabilizao da corrente de medio deve ser

registrado e utilizado para orientao ao efetuar medies de resistncia a quente, aps o desligamento

da energia no ensaio de elevao de temperatura. Deve-se observar que o desligamento da fonte de


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corrente contnua pode produzir sobretenses considerveis, podendo danificar os instrumentos de

medio.

A temperatura dos enrolamentos a frio pode ser considerada igual temperatura mdia do leo,

desde que o transformador tenha estado desenergizado e em um ambiente de temperatura, tanto

quanto possvel, estvel por tempo suficiente (3 a 8 h, dependendo do tamanho do transformador) para

que haja equilbrio trmico. A temperatura do leo , ento, medida por meio de um ou mais

termmetros ou pares termoeltricos imersos no leo.

A temperatura mdia do leo tomada como a mdia das temperaturas do leo no topo e no

fundo, entretanto, em transformadores com potncia nominal menor ou igual a 5.000 kVA, a diferena

entre as temperaturas do leo do topo e do fundo pode ser desprezvel, sendo suficiente, neste caso,

medir a temperatura do topo do leo.

Ao medir a resistncia a frio para fins de elevao de temperatura, deve-se tomar cuidado

especial para uma determinao precisa de temperatura mdia do enrolamento. Para isto, a diferena

entre as temperaturas do leo no topo e no fundo no deve ultrapassar 5 C.

Os valores de resistncia medidos na temperatura do meio circundante so convertidos para a

temperatura de referncia atravs da Equao 3.3.

k

kRR

++

=1

212

(3.3)

Onde,

R1 resistncia medida na temperatura 1;R2 resistncia medida na temperatura 2;k 234,5 para o cobre e 225 para o alumnio;

1 temperatura do meio circundante;2 temperatura de referncia.

3.7 Perda em Carga

Na determinao da perda em carga, deve-se notar que elas dependem do carregamento do

transformador. Isso sugere a necessidade de se estabelecer certo ponto de funcionamento, para a

determinao da perda nos enrolamentos primrio e secundrio. Tal ponto fixo como o

correspondente ao funcionamento nominal do transformador.

Desde que se tenha a circulao de corrente por um dos enrolamentos, pela relao de tenso,

o outro enrolamento tambm o ter, e nessas circunstncias, a perda em carga a denominada

nominal.

No caso de transformadores monofsicos, deve-se ligar um dos enrolamentos do transformadorem curto-circuito, e aplicar ao outro uma tenso na freqncia nominal e de valor suficiente para circular

corrente nominal. Em transformadores trifsicos, tambm se deve ligar em curto-circuito os 3 terminais


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de alta tenso ou baixa tenso, e conectar aos outros 3 terminais uma f

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