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CURSO SUPERIOR EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ANTONIO CLEVERTON SANTOS DE AZEVEDO
CARLOS HENRIQUE SILVA SANTOS
EVANDRO PEREIRA MACEDO
FABIO MESSIAS SILVA
TRANSFORMADORES
ARACAJU
2019
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resumo de transformadores, Resumos de Engenharia Elétrica
transformadores e suas funções
Tipologia: Resumos
2020
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CURSO SUPERIOR EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ANTONIO CLEVERTON SANTOS DE AZEVEDO
CARLOS HENRIQUE SILVA SANTOS
EVANDRO PEREIRA MACEDO
FABIO MESSIAS SILVA
TRANSFORMADORES
ARACAJU
ANTONIO CLEVERTON SANTOS DE AZEVEDO
CARLOS HENRIQUE SILVA SANTOS
EVANDRO PEREIRA MACEDO
FABIO MESSIAS SILVA
TRANSFORMADORES
Trabalho para obtenção de nota referente a 1° unidade do 2° semestre de 2019 na disciplina de Equipamentos Elétricos do Curso de Engenharia Elétrica pela Faculdade Mauricio de Nassau. Prof. Wellington Silva ARACAJU 2019
SUMÁRIO
- 1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................
- 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
- 2.1 Histórico
- 2.2 Introdução
- 2.2.1 Princípios Básicos de Funcionamento
- 2.2.2 Normas de Referência
- 2.2.3 Tipos de Transformadores............................................................................
- 2.2.3.1 Transformadores de Transmissão
- 2.2.3.2 Transformadores de Subtransmissão
- 2.2.3.3 Transformadores de Distribuição..................................................................
- 2.2.3.4 Autotransformador
- 2.2.3.5 Transformador de Corrente
- 2.2.3.6 Transformadores de Potencial......................................................................
- 3 CONSTRUÇÃO DO TRANSFORMADOR
- 3.1 Equipamentos Auxiliares
- 3.1.1 Indicador de Nível de Óleo
- 3.1.2 Termômetro
- 3.1.3 Controladores Microprocessados de Temperatura
- 3.1.4 Válvula de Alívio de Pressão
- 3.1.5 Manômetro e Manovacuômetro..................................................................
- 3.1.6 Motores para Ventilação Forçada
- 4 PROTEÇÃO DO TRANSFORMADOR
- 5 ÓLEO ISOLANTE................................................................................................
- 6 CONCLUSÃO
- REFERÊNCIAS
1 INTRODUÇÃO
O aumento do consumo de energia implica diretamente no aumento da capacidade de geração. A energia elétrica é essencial em todas as atividades humanas modernas. Falhas ou anomalias no fornecimento implicam em graves desdobramentos, em vários aspectos, seja no âmbito econômico, quanto de segurança, de forma que há requisitos específicos para qualidade de energia, continuidade de fornecimento e disponibilidade de equipamentos para atendimento às necessidades do sistema elétrico, tanto nas condições normais, quanto em contingências. Os transformadores de potência podem ser instalados em subestações externas, isto é, instalados ao tempo, ou instalados em subestações internas, ou seja, abrigados. O transformador é um dos principais equipamentos do sistema elétrico. O transformador de energia é caro e um elemento importante no sistema de energia de transmissão. A condição e o bom funcionamento do transformador afetam diretamente a confiabilidade do sistema de potência de transmissão. As características do transformador de potência, que dependem do estresse térmico e mecânico, que alteram irreversivelmente a exploração como resultado do envelhecimento (MILETAˇZARKOVI´C, 2017). Os transformadores são adjetivos em função da posição que ocupam no sistema, conforme a Fig. 1.1, que trata de um esquema de geração, transmissão, subtransmissão e distribuição de energia elétrica. Fig. 1.1 - Esquema de geração, transmissão, subtransmissão e distribuição de energia elétrica Fonte: www.ebah.com.br
2.2 Introdução Transformador é um equipamento de operação que por meio de indução eletromagnética transfere energia de um circuito, chamado primário, para um ou mais circuitos denominados, respectivamente, secundário e terciário, sendo, no entanto, mantida a mesma frequência, porém com tensões e correntes diferentes. Entretanto, para que os aparelhos consumidores de energia elétrica sejam utilizados com segurança pelos usuários, é necessário que sua alimentação seja através de tensões adequadas, normalmente inferiores a 500V. No Brasil, temos diversas tensões padronizadas, em geral as mais usuais 380V ou 220V entre fases, implicando em 220V ou 127V, fase-neutro, respectivamente. Os transformadores de potência possuem ampla aplicação, desde a geração da energia elétrica, até os grandes pontos de suprimento, onde a tensão é reduzida para níveis de subtransmissão, de modo que a energia seja transportada para as subestações de distribuição, para, enfim, ser utilizada com segurança pelos usuários do sistema elétrico. 2.2.1 Princípios Básicos de Funcionamento Um transformador é um dispositivo com a finalidade de transmitir energia elétrica ou potência de um circuito a outro, convertendo tensões, correntes ou de modificar os valores da impedância elétrica de um circuito. Trata-se de um dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz. Fig. 1.2 – Transformador de baixa potência Fonte: www.ebah.com.br
Quando o indutor é conectado a uma fonte de alimentação em corrente alternada ocorre o surgimento de um campo magnético induzido. Quando um segundo indutor é imerso sobre este campo magnético, ocorre o processo de indução, onde o campo magnético é convertido pelo indutor em forma de tensão induzida. No modelo básico de um transformador sua estrutura é formada por duas bobinas isoladas eletricamente e enroladas em torno de um núcleo comum. Para se transferir a energia elétrica de uma bobina à outra se utiliza do artifício do acoplamento magnético. A bobina que recebe a energia de uma fonte CA recebe a denominação de primário. A bobina que fornece energia para uma carga CA é designada como secundário. O núcleo dos transformadores usados em baixa frequência é feito geralmente de material magnético, comumente se usa aço laminado. Os núcleos dos transformadores usados em altas frequências são feitos de pó de ferro e cerâmica ou de materiais não magnéticos. Algumas bobinas são simplesmente enroladas em torno de formas ocas não magnéticas como, por exemplo, papelão ou plástico, de modo que o material que forma o núcleo na verdade é o ar. Se considerarmos que um transformador funcione sobre condições ideais, a transferência de energia de uma tensão para a outra se faz sem nenhuma perda. Fig. 1.3 – Aspecto construtivo de um transformador simples de baixa tensão Fonte: www.ebah.com.br
2.2.3.1 Transformadores de Transmissão São transformadores utilizados para interligação geral dentro do Sistema Interligado Nacional (SIN), em sua Rede Básica, adequando diferentes níveis de tensão. São equipamentos construtivamente mais complexos e robustos em comparação aos transformadores elevadores. Apresentam tensões usuais primárias de 230 kV e secundárias de 69 kV ou 138 kV (além do terciário em 13,8 kV, em alguns casos), Figura 1. 4. Figura 1. 4 - Transformador de força Fonte: http://ecatalog.weg.net/files/produtos/transformadorForcaG.jpg 2.2.3.2 Transformadores de Subtransmissão São transformadores utilizados para reduzir o nível de tensão a níveis utilizados em sistemas de distribuição. São também denominados de transformador de carga e podem apresentar dois ou três enrolamentos. As tensões primárias usuais deste tipo de transformador são 138 kV ou 69 kV e apresentam o secundário, usualmente, em 34,5 kV ou 13,8 kV. Podem apresentar sistema de comutação à vazio e sob carga.
2.2.3.3 Transformadores de Distribuição São transformadores utilizados para reduzir o nível de tensão a níveis utilizados pelos consumidores nos sistemas de baixa tensão. As tensões primárias usuais deste tipo de transformador são 34,5 kV ou 13,8 kV e apresentam o secundário, usualmente, em 220 V ou 127 V. Não apresentamos sistema de comutação sob carga. Figura 1. 5. Figura 1. 5 - Transformador de distribuição Fonte:http://static.weg.net/medias/images/h64/h62/WTD_IMAGE_SMALL_DISTRIBUTION_TRANSF ORMERS_UP_TO_300KVA-01_1200Wx1200H.jpg Trata-se de um dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz. O transformador consiste em duas ou mais bobinas ou enrolamentos e um "caminho", ou circuito magnético, que "acopla" essas bobinas. Há uma variedade de transformadores com diferentes tipos de circuito, mas todos operam sobre o mesmo princípio de indução eletromagnética. No caso dos transformadores de dois enrolamentos, é comum denominá-los como enrolamento primário e secundário, existem transformadores de três enrolamentos sendo que o terceiro é chamado de terciário. Transformadores de potência são destinados primariamente à transformação da tensão e das correntes operando com altos valores de potência, de forma a elevar o valor da tensão e consequentemente reduzir o valor da corrente. Este procedimento é utilizado, pois ao
Transformadores com núcleo de ar. O núcleo de ar confere uma característica linear ao circuito magnético do transformador, e não apresenta perdas magnéticas, porém apresenta grande relutância (mHar/10470− ==piμμ) e, consequentemente, necessita de maior f.m.m. de excitação. No último elo de um sistema de geração e distribuição de energia, desde os geradores até o consumidor final, estão os transformadores de distribuição, que fornecem a potência necessária para edifícios, hospitais, pequenas e médias empresas, etc... com alto nível de desempenho, confiabilidade, eficiência sendo ao mesmo tempo silenciosos. Transformadores de distribuição são utilizados em tensões primárias de até 34,5 kV, tensões secundárias de 220, 380, 440, 460 ou 480 V, em potências de 750 kVA até 2500. Transformadores de distribuição de energia em concessionárias e subestações de grandes indústrias, incluindo aplicações especiais como fornos de indução e a arco e retificadores. ➢ Tipos de Transformadores de Distribuição: A óleo - Durante sua operação são expostos a fatores externos tais como alto stress dielétrico, causado por descargas atmosféricas, assim como a grandes esforços mecânicos decorrentes de curtos-circuitos. Por isso seu núcleo magnético e enrolamentos – estes fabricados com fios ou chapas de cobre e/ou alumínio - devem ter projeto adequado para oferecer baixas perdas, alto rendimento e confiabilidade. Normas técnicas ABNT, como a NBR 5440 e NR 5356 especificam detalhes de projeto, ensaio, manutenção e operação destes transformadores. A Seco - Para atender aos requisitos das normas e regulamentações técnicas de instalações elétricas, como por exemplo, a NBR14039 e a NR10, os transformadores de distribuição devem garantir a máxima segurança em áreas frequentadas por pessoas. Os transformadores GEAFOL, encapsulados em resina sob vácuo, são a solução ideal para o atendimento a estas especificações, pois superam com vantagens técnicas e econômicas as limitações dos transformadores imersos em líquidos isolantes, sem prejuízo de suas comprovadas características, tais como segurança operacional – pois não oferecem risco de explosões e/ou incêndios
- riscos ao meio ambiente e longa vida útil. Os transformadores GEAFOL são
fabricados no Brasil em potências de 75 a 25 MVA e até 40 MVA na Alemanha, em tensões nominais de até 34,5 kV. Existem concessionárias que quando do fornecimento de transformadores ao mercado particular exigem que estes sejam construídos e ensaiados em atendimento integral as suas normas, recomenda-se verificar esta particularidade com a concessionária local antes da aquisição dos transformadores. 2.2.3.4 Autotransformador Um Autotransformador é um transformador que não dispõe de um enrolamento secundário propriamente dito, mas que utiliza o enrolamento primário como secundário. Fig. 1.6 – Esquema de um Autotransformador Fonte: http://pessoal.utfpr.edu.br A figura nos mostra um esquema de um autotransformador. Consta de um bobinado dos extremos A e D, no qual se fez uma derivação no ponto B. Chamaremos de primário o bobinado AD e secundário à porção BD. Para os Autotransformadores elevadores de tensão, esta denominação ficaria ao contrário. Podemos observar que o Autotransformador intervém somente para modificar a tensão de entrada e isto significa que conduzirá uma potência tanto mais reduzida quanto menor for a diferença entre as tensões de entrada (Ee) e saída (Es). Chamando Pu a potência útil na saída do autotransformador, a potência transformada
Tipo Janela - É aquele que não possui um primário fixo no transformador e é constituído de uma abertura através do núcleo, por onde passa o condutor que forma o circuito primário. Tipo Bucha - É aquele cujas características são semelhantes ao Transformador de Corrente do tipo barra, porém sua instalação é feita na bucha dos equipamentos (transformadores, disjuntores etc.), que funcionam como enrolamento primário. Tipo Núcleo Dividido - É aquele cujas características são semelhantes às dos tipo janela, em que o núcleo pode ser separado para permitir envolver o condutor que funciona como enrolamento primário. Tipo com Vários Enrolamentos Primários - É aquele constituído de vários enrolamentos primários montados isoladamente e apenas um enrolamento secundário. Tipo com Vários Núcleos Secundários - É aquele constituído de dois ou mais enrolamentos secundários montados isoladamente, sendo que cada um possui individualmente o seu núcleo, formado, juntamente com o enrolamento primário, um só conjunto. Tipo com Vários Enrolamentos Secundários - É aquele constituído de um único núcleo envolvido pelo enrolamento primário e vários enrolamentos secundários e que podem ser ligados em série ou paralelo. 2.2.3.6 Transformadores de Potencial O nome transformador de potencial (ou TP) denota que está máquina muda os valore de potência, mas na verdade ela muda os valores de tensão que entram na bobina primária. A espira primária recebe a tensão primária e conduz uma corrente primária. Por essa corrente ser alternada, ela gera uma variação no fluxo magnético no seu interior. Esse fluxo é canalizado pelo núcleo ferromagnético, e na espira secundária, induzindo uma tensão nesta espira. Se não houver um circuito fechado ligado à espira secundária, uma corrente induzida será estabelecida. Os TPs possuem um enrolamento primário com muitas espiras e um secundário onde se tem uma tensão desejada, esta tensão no secundário é
normalmente padronizada em 115 V ou 115 / √3 V. Desta forma os instrumentos de medição são dimensionados em tamanhos reduzidos com bobinas e demais componentes de baixa isolação, promovendo economia e segurança. Os transformadores de potencial são utilizados para aparelhos que apresentam elevada impedância, tais como voltímetro, relés de tensão, bobinas de tensão de medidores de energia, etc. Em geral os TPs são instalados juntamente com os TCs (Transformadores de corrente). C Fig. 1.7 – Instalação de um conjunto TP-TC Fonte: manual de equipamentos elétricos, cap.6 pag. 192 ➢ Tipos de Transformadores de Potencial: Tipo Indutivo - Os transformadores de potencial indutivo são dotados de um enrolamento primário envolvendo um núcleo de ferro-silício que é comum ao enrolamento secundário. Tipo Capacitivo - O transformador de potencial capacitivo é constituído de um divisor capacitivo, cujas células que formam o condensador são ligadas em série e o conjunto fica imerso no interior de um invólucro de porcelana. O divisor capacitivo é ligado entre fase e terra. Uma derivação intermediaria, alimenta um grupo de medida de média tensão.
Para potências menores são encontrados transformadores com radiadores tanto em tubo como em chapa de aço. A área de dissipação dos radiadores somada à área do tanque propriamente dito deve ser suficiente para dissipar todo o calor gerado pelas perdas internas do transformador. ✓ Tanque de expansão de óleo Permite a expansão do volume de óleo do transformador por conta das variações de temperatura a que o equipamento é submetido. Normalmente o tanque é provido de uma bolsa de borracha que auxilia no sistema de selagem do transformador. A inexistência do conservador de óleo impossibilita o uso do relé de Buchholz, que é necessário para a detecção de pequenas falhas internas, Figura1. 9 Assim, os transformadores de potência elevada necessitam do conservador de óleo, e, além do mais, seria extremamente onerosa a sua construção selada por causa da grande espessura das chapas, necessária para suportar as grandes pressões internas. Já os transformadores providos com conservador de óleo sofrem grandes restrições quando destinados a ambientes com intensa poluição. Figura1.9 - Relé de Buchholz Fonte: http://www.lorencinibrasil.com.br/wp-content/uploads/2013/09/funcionamento-dos- transformadores-de-potencia.png
✓ Secador de ar Como os transformadores operam comumente com um ciclo de carga variável elevando a temperatura do líquido isolante em períodos de carga elevada e resfriamento do mesmo em períodos de menor carga. Essa variação de temperatura faz com que o volume do líquido isolante aumente ou diminua devido à expansão ou contração das moléculas, sendo o conservador uma câmara de compensação. Desta forma quando há diminuição do volume do líquido isolante ocorre a entrada de ar no conservador e expulsão quando elevação do volume daí, podemos afirmar que o equipamento respira. A penetração de umidade no interior do transformador reduz substancialmente as características dielétricas do líquido isolante, resultando em perdas de isolamento das partes ativas e a consequente queima do equipamento. Para evitar, portanto, a penetração do ar úmido no interior do transformador, instala-se um recipiente contendo sílica-gel, que serve de comunicação entre o interior do tanque e o ambiente externo, conforme Figura 1. 0. Assim, durante o processo de respiração do transformador, a umidade do ar que penetra no secador é absorvida pela sílica-gel, produto químico de cor azulada e que tem uma elevada capacidade de absorção de umidade. Em ambientes excessivamente úmidos, é necessária a troca da sílica-gel periodicamente, a fim de que não fique saturada e permita a entrada de umidade no interior do tanque. Figura 1. 10 - Secador de ar Fonte: http://www.lorencinibrasil.com.br/wp-content/uploads/2013/09/funcionamento-dos- transformadores-de-potencia.png