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Resumo – Os transformadores de potência são parte fundamental do sistema de geração e distribuição de energia elétrica. Durante o seu funcionamento, ocorre uma perda de energia, que se transforma em calor, prejudicando, principalmente, o sistema de isolamento das partes internas dele. O calor excessivo pode prejudicar o equipamento, gerando falhas e reduzindo sua vida útil. Assim, é importante realizar o controle de sua temperatura para permitir que todos os seus componentes fiquem dentro da temperatura correta, evitando acidentes, aumentando sua vida útil e melhorando sua eficiência operacional.
Palavras-chave —Transformador, resfriamento, óleo isolante, dissipação de calor.
I. INRODUÇÃO Como parte do Sistema Elétrico de Potência, os transformadores tem papel fundamental na distribuição de energia elétrica. Eles permitem que a energia seja gerada e transmitida da forma mais otimizada possível, na tensão mais adequada para o local e para o dispositivo que se quer energizar. Um transformador é constituído basicamente por dois ou mais circuitos (bobinas) elétricos acoplados por um circuito magnético comum a ambos (núcleo ferromagnético), onde a tensão de saída (secundário) depende da tensão de entrada (primário), da magnitude do fluxo, da frequência e do número de espiras no primário e no secundário, quer dizer, o funcionamento do transformador baseia-se nos fenômenos de mútua indução entre dois circuitos eletricamente isolados, mas magneticamente ligados. Os transformadores são formados por diversos componentes e que depende do trabalho harmônico entre eles para que possa funcionar perfeitamente. Contudo, como em qualquer máquina elétrica, podem ocorrer perdas na forma de calor e que contribuem para o aquecimento e perda de rendimento das máquinas. Para evitar que se atinjam temperaturas elevadas, que possam comprometer o seu funcionamento, principalmente dos seus isolamentos, é preciso dotar o transformador de um sistema de refrigeração adequado. Quando excessivo, esse calor pode prejudicar o equipamento, reduzindo sua vida útil e gerando falhas.
II. DESENVOLVIMENTO Um transformador por transferir calor de 3 maneiras:
- Condução: onde a transferência de calor é feita através dos condutores para os elementos refrigerantes;
- Convecção: onde a transferência de calor é feita através do movimento do fluido. Ela pode ser do tipo natural ou forçada. Na convecção forçada, o óleo é bombeado
através de vários dutos existentes entre os enrolamentos e através de tubos de resfriamento;
- Radiação: onde a transferência de calor é feita da superfície externa do tanque para a atmosfera.
Neste resumo, não será estudado o método de transferência por radiação.
A. Tipos de Arrefecimento de Transformadores
Nos transformadores temos 2 tipos de elementos de resfriamento dos seus componentes: o ar e o óleo. Este último, além de realizar o arrefecimento do transformador, ainda atua como meio isolante. Para transformadores menores não há grandes problemas para manter suas temperaturas de regime dentro dos limites compatíveis com as classes de isolação adotadas. Nestes casos, é frequente o emprego de arrefecimento natural (ar). O arrefecimento a ar, além de não ser tão eficiente quanto o realizado a óleo, não proporciona a mesma proteção dos materiais isolantes, principalmente com relação a poeira na superfície dos enrolamentos. Esse problema é tanto indesejável quanto maior for a potência do transformador. As trocas de calor de transformadores arrefecidos por ar podem ser:
- Circulação de ar por simples convecção;
- Circulação de ar por ventilação forçada.
À medida que se necessita de maiores potências, fica mais difícil realizar a troca do calor gerado pelas perdas Joule no transformador. Surge então a necessidade de utilizar outros meios para realizar esse arrefecimento. A solução encontrada então é imergir as partes ativas do transformador em óleo isolante. Na grande maioria dos casos, os transformadores utilizados nos sistemas de potência operam imersos em óleo. O calor desenvolvido pelas perdas no núcleo de ferro e nos enrolamentos de cobre é absorvido e armazenado no óleo por circulação natural ou forçada (dependendo da potência do transformador) e dissipado para a atmosfera através das paredes do tanque, onde tubos e radiadores soldados podem aumentar a dispersão de calor. Já esses radiadores podem também ser resfriados, seja de forma natural pelo ar, ou de forma forçada usando ventiladores ou, até mesmo, água. Os transformadores devem ser designados de acordo com o método de resfriamento utilizado. Para os transformadores imersos em óleo isolante, esta designação é realizada por meio de um código de quatro letras, definidos abaixo:
- Primeira letra: Natureza do meio de resfriamento interno em contato com os enrolamentos: O = Óleo mineral ou liquido isolante sintético de ponto de combustão1) 5 300 "C;
Sistema de Arrefecimento de Transformadores
Daniel Câmara Gadê de Vasconcelos
K = Líquido isolante com ponto de combustão > 300 ºC; L = Líquido isolante com ponto de combustão não mensurável.
- Segunda letra: Natureza da circulação do meio de resfriamento interno: N = Circulação natural por convecção através do sistema de resfriamento e dos enrolamentos; F = Circulação forçada através do sistema de resfriamento, circulação por convecção dentro dos enrolamentos; D = Circulação forçada através do sistema de resfriamento e dirigida do sistema de resfriamento pelo menos até os enrolamentos principais.
- Terceira letra: Meio de resfriamento externo: A = Ar; W = Água.
- Quarta letra: Natureza da circulação do meio de resfriamento externo: N = Convecção natural; F = Circulação forçada (ventiladores, bombas).
Seguem alguns exemplos de arrefecimento de transformadores e suas siglas:
Fig. 1 – Transformador de convecção natural do óleo arrefecido sem ventilação externa forçada (ONAN).
Fig. 2 – Transformador de convecção natural do óleo arrefecido com ventilação externa forçada (ONAF).
Fig. 3 – Transformador de convecção forçada do óleo arrefecido com ventilação externa forçada (OFAF).
Fig. 4 – Transformador de convecção natural do óleo arrefecido em tubos imersos em água (ONWF).
B. Óleos Isolantes
O líquido de um transformador exerce duas funções distintas: uma é de natureza isolante (função dielétrica), e a outra é a de transferir para as paredes do tanque o calor produzido pelas perdas na parte ativa do aparelho. A fim de executar devidamente estas funções o óleo deve possuir determinadas características:
- Elevada rigidez dielétrica: necessária para permitir o isolamento elétrico dos componentes imersos no óleo. Esta característica pode ser bastante afetada pela presença de água ou de partículas sólidas (fibras, carvão, poeira, etc.) no óleo;
- Boa fluidez (baixa viscosidade): para permitir uma melhor circulação pelo transformador, facilitando a troca de calor e a convecção do fluido;
- Boa condutividade térmica;
- Baixa reatividade química: para impedir que suas características se alterem com as condições de uso e de operação do transformador;
- Baixa inflamabilidade;
- Bom extintor de arco elétrico.
- Ser compatível com o equipamento que está inserida e com as condições de uso dele.
Alguns líquidos possuem essas características:
- Óleo mineral;
- Óleo vegetal;
- Ascarel.
1) Óleo Mineral O óleo mineral é obtido de óleos crus de base naftênica, cuidadosamente refinados, a fim de retirar todas as impurezas, os ácidos, os álcalis e o enxofre. É o fluido isolante mais usado na fabricação de transformadores de potência. Ele possui as seguintes características:
Nomeadamente:
- Concentração de água dissolvida.
- Densidade.
- Rigidez dielétrica.
- Acidez (número de neutralização).
- Tensão interfacial.
- Fator de dissipação (a 20 ºC ou 25 ºC e a 90 ºC ou 100ֻºC).
- Tensão interfacial.
- Cor.
- Concentrações de furamos (cromatografia liquida).
- Concentrações de gases dissolvidos (DGA, cromatografia gasosa).
Atualmente, a concentração de água e as concentrações de gases dissolvidos no óleo podem ser monitoradas em tempo real (sensores e sistema de monitoração em tempo real). A análise dos gases e da água dissolvidos no óleo isolante é feito a partir de gás cromatografia de óleo e segue as seguintes etapas:
- Detecção: Detecta, a partir de cromatógrafos on-line (monitoramento em tempo real dentro do transformador) ou off-line (onde uma amostra de óleo é retirada do transformador e enviada para o laboratório) a quantidade de gás ou de água dissolvida que exceda as quantidades homologadas para o funcionamento normal do equipamento.
- Avaliação: Avalia os testes e os resultados obtidos pelo cromatógrafo ou pelo laboratório usando um conjunto de critérios ou recomendações expressos pelo fabricante ou pelas normas vigentes.
- Ação: Caso seja necessário, são realizadas ações para mitigar as falhas partindo, desde uma manutenção corretiva no transformador ou uma redução de carga, até a retirada da unidade de operação.
A cromatografia gasosa desempenha um papel crucial na
análise do óleo isolante dos transformadores, fornecendo informações valiosas sobre a qualidade, condição e desempenho do óleo e do transformador. Essas informações auxiliam na manutenção preditiva, diagnóstico de falhas, planejamento de substituições de óleo e garantia da operação segura. É relevante observar que o custo do óleo isolante e o custo da sua manutenção adequada são muito baixos quando comparados ao valor do transformador. A expectativa de vida do óleo isolante, de alta qualidade e com manutenção adequada, pode ser comparável a expectativa de vida do transformador.
III. LIMITES DE ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA
A NBR5356 define limites de elevação da temperatura dos enrolamentos, do óleo, das partes metálicas e das outras partes dos transformadores, visando assim seu funcionamento normal. Transformadores com enrolamentos individuais devem considerar as elevações de temperatura relativas a combinação de carga mais severa para o enrolamento considerado. Nos transformadores com mais de dois enrolamentos, a elevação da temperatura da camada superior do óleo refere-se à combinação especificada de carga para a qual as perdas totais são mais elevadas. A temperatura do meio de resfriamento e a altitude (com respeito a densidade do ar de resfriamento) são características do local de instalação. Quando as condições normais de serviço nestes aspectos predominam, então os valores normais de elevação de temperatura do transformador determinam as temperaturas admissíveis em serviço. As elevações de temperatura dos enrolamentos, do Óleo, das partes metálicas e de outras partes de transformadores, projetados para funcionamento nas condições normais, não devem exceder os limites especificados na Tabela 3.
Tabela 03 – Limites da elevação de temperatura Tipos de Transformadores
Limites de elevação de temperatura (ºC) Dos Enrolamentos Do Óleo Das Partes Metálicas Método da variação da resistência Do ponto mais quente
Em contato com a isolação sólida ou adjacente a ela
Não em contato com a isolação sólida e não adjacente a ela
Circulação do óleo natural ou forçada sem fluxo de óleo dirigido
Circulação forçada de óleo com fluxo dirigido
Em Óleo
Sem conservador ou sem gás inerte acima do óleo
55 (A)
95 (C)
60 (A)
100 (C)
65 (A)
120 (C)
50 (A)
60 (C)
Não devem atingir temperaturas superiores à máxima especificada para o ponto mais quente da isolação adjacente ou em contato com esta
A temperatura não deve atingir, em nenhum caso, valores que venham a danificar estas partes, outras partes ou materiais adjacentes
Com conservador ou com gás inerte acima do óleo
55 (A)
65 (B)
95 (C)
60 (A)
70 (B)
100 (C)
65 (A)
80 (B)
120 (C)
55 (A)
65 (B)
65 (C)
(A) Papel isolante do tipo kraft não termoestabilizado. (B) Papel isolante do tipo kraft termoestabilizado. (C) Isolação sólida híbrida com papel isolante à base de aramida ou similares. Estes limites devem ser acordados entre o fabricante e o comprador.
Os transformadores a óleo têm normalmente melhor rendimento que os do tipo seco e, usualmente tem maior vida útil. O óleo é um meio mais eficiente para dissipação das perdas permitindo melhor refrigeração do transformador além de reduzir a temperatura dos pontos quentes nos enrolamentos. Esta característica permite uma maior capacidade de sobrecarga.
IV. CONCLUSÕES
A refrigeração por óleo isolante desempenha um papel crucial no funcionamento e na vida útil dos transformadores. O óleo isolante tem a função de isolar os componentes internos do transformador e de dissipar o calor gerado durante a operação. A refrigeração adequada é essencial para manter a temperatura do transformador dentro dos limites seguros e para garantir o seu desempenho e confiabilidade. Aqui estão algumas das principais razões pelas quais a refrigeração por óleo isolante é importante para os transformadores:
- Dissipação de calor: Durante a operação, o transformador gera calor devido às perdas elétricas e magnetização. O óleo isolante tem a capacidade de absorver e transportar o calor gerado para a superfície do transformador, onde é dissipado para o ambiente. Uma refrigeração eficiente ajuda a manter a temperatura interna do transformador dentro dos limites aceitáveis, evitando o superaquecimento dos componentes e a degradação dos materiais isolantes.
- Isolamento elétrico: O óleo isolante possui propriedades dielétricas que ajudam a isolar os diferentes enrolamentos e partes condutoras dentro do transformador. A presença do óleo isolante entre os componentes evita a ocorrência de descargas elétricas indesejadas e garante a integridade do sistema elétrico. Uma refrigeração adequada ajuda a manter a estabilidade dielétrica do óleo, prevenindo a formação de bolhas de gás ou a degradação do isolamento elétrico.
- Estabilidade do sistema: Uma refrigeração adequada contribui para a estabilidade operacional do transformador. Ao manter a temperatura interna dentro de limites controlados, evita-se a expansão e contração excessivas dos componentes do transformador, o que pode levar a falhas mecânicas e desalinhamento dos enrolamentos. Além disso, a refrigeração eficiente ajuda a minimizar o estresse térmico nos materiais isolantes, garantindo a integridade do sistema e prolongando sua vida útil.
Em resumo, a refrigeração por óleo isolante é essencial para os transformadores, garantindo a dissipação eficiente do calor gerado, mantendo a temperatura interna controlada, preservando as propriedades dielétricas do óleo e garantindo a estabilidade operacional do transformador. Uma refrigeração adequada contribui para o desempenho confiável, a eficiência energética e a vida útil prolongada do transformador.
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