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Resumo – Este artigo apresenta o estudo do remanejamento de transformadores monofásicos de média tensão, com base em 69 transformadores pertencentes à AES Sul Distribuidora Gaúcha de Energia. O objetivo principal desta análise é verificar os benefícios para o sistema de distribuição resultantes do remanejamento dos transformadores de média tensão. Realizou- se a comparação entre dois grupos de transformadores. O primeiro grupo, Potência Nominal, é composto pelos transformadores organizados de acordo com a AES Sul. O segundo grupo, Potência Real, é composto por estes, mas organizados de acordo com as condições estabelecidas no estudo. Verificou-se que o remanejamento dos transformadores de média tensão é um procedimento viável e que contribui com a eficiência do sistema de distribuição.
Palavras-Chave – Transformadores, Remanejamento, Eficiência Energética.
I. I NTRODUÇÃO s transformadores de média tensão são um dos componentes do sistema de distribuição que mais geram perdas, cerca de 33% do total, perdendo apenas para as linhas de transmissão [1]. Uma opção viável que implique na redução destas perdas é o remanejamento dos transformadores instalados no sistema de distribuição. Isto resulta na liberação da potência que seria dissipada nas perdas permitindo a alimentação de novas cargas sem a necessidade de se investir em geração.
Nesse artigo é discutida a importância do remanejamento dos transformadores de média tensão na redução das perdas no sistema distribuição. Para tanto, foi realizada uma análise estatística na qual se utilizou dos dados coletados, através de medições em campo, em 69 transformadores monofásicos de média tensão pertencentes à AES Sul Distribuidora Gaúcha de Energia S.A.
A análise foi realizada através da comparação entre os resultados TSMP (Tempo Suprindo a Máxima Potência) obtidos antes e depois do remanejamento dos transformadores, nos quais apresentam potências de 5 kVA, 10 kVA e 15 kVA.
M. L. B. Martinez, E. T. Wanderley Neto, D. L. Coriolano, A. M. M. Diniz, A. A. Nunes, Universidade Federal de Itajubá, Instituto de Sistemas Elétricos e Energia, Departamento de Sistemas de Potência, Laboratório de Alta Tensão. Caixa Postal 50, Itajubá, Minas Gerais, Brasil – 37.500-018. E-mail: [email protected], [email protected] H. R. P. M. Oliveira, AES-SUL, Distribuidora Gaúcha de Energia S.A. E-mail: ([email protected]).
O grupo composto por transformadores não-remanejados foi denominado de Potência Nominal e o grupo composto por transformadores remanejados foi denominado de Potência Real. O grupo Potência Nominal é composto pelo conjunto de transformadores onde a potência considerada é a que está indicada na placa do equipamento. O grupo Potência Real é composto pelos transformadores cuja potência considerada é a máxima solicitada pela carga durante a semana.
O TSMP (Tempo Suprindo a Máxima Potência) e a Demanda Máxima foram os fatores utilizados na análise. O TSMP indica o tempo total durante um dia (24 horas) que o transformador operando em plena carga necessita para apresentar as perdas série de um ciclo normal de carga média. O valor do TSMP pode ser obtido a partir da Equação 1.
1
2
=
nd
i (^) n
i
d S
S
n
TSMP (1)
Onde, Si é a potência instantânea em Watts; Sn é a potência nominal em Watts; nd é o número de intervalos de tempo utilizados para discretizar a carga diária.
A Figura 1 ilustra o comportamento do TSMP calculado a partir da curva de carga. Por definição, verifica-se que a área delimitada pela curva azul equivale ao valor do TSMP.
Fig. 2. Representação do TSMP através da demanda em função do tempo.
0 4 8 12 16 20 24 Tempo (Horas)
0
1
Demanda (p.u.)
Curva de Demanda em um dia Tempo Suprindo Máxima Potência (TSMP)
Gráfico da demanda versus o tempo
Estudo do Remanejamento de Transformadores
Instalados na Rede de Média Tensão
H. R. P. M. de Oliveira, E. L. Batista
AES Sul Distribuidora Gaúcha de Energia SA
M. L. B. Martinez, E. T. Wanderley Neto, A. M. M. Diniz, A. A. Nunes, D. L. Coriolano
O
II. ANÁLISE DOS TRANSFORMADORES
A partir da demanda máxima semanal solicitada pela carga, foi possível obter o conjunto de transformadores que compõe o grupo Potência Real, para isto, foram estabelecidas as seguintes condições:
Transformadores com demanda máxima semanal igual ou inferior a 4,25 kVA foram remanejados para o grupo de transformadores de 5 kVA; Transformadores com demanda máxima semanal superior a 4,25 kVA e igual ou inferior a 8,5 kVA foram remanejados para o grupo de transformadores de 10 kVA; Transformadores com demanda máxima semanal superior a 8,5 kVA foram remanejados para o grupo de transformadores de 15 kVA.
O grupo Potência Nominal é composto por 10 transformadores de 5 kVA, 30 transformadores de 10 kVA e 29 transformadores de 15 kVA. Entretanto, ao utilizar as condições estabelecidas para que ocorresse o remanejamento foi criado o grupo Potência Real. Este grupo é composto por 22 transformadores de 5 kVA, 36 transformadores de 10 kVA e 11 transformadores de 15 kVA. Nota-se que tanto o grupo Potência Nominal quanto o grupo Potência Real é composto por 69 transformadores.
A. Análise das Distribuições
A partir da equação 1, foram calculados os TSMPs referentes a cada dia da semana para todos os transformadores analisados. A carga diária foi discretizada em intervalos de tempo de 5 minutos durante os cinco dias úteis da semana.
De posse dos valores dos TSMPs foram realizadas análises estatísticas em ambos os grupos de transformadores utilizando o Software Estatístico MINITAB 14®^. Através deste Software foram construídos modelos estatísticos, baseados na utilização de distribuições de probabilidade, que melhor representassem os dados coletados.
Os modelos foram selecionados de acordo com o critério de Anderson-Darling. As figuras de 3 a 8 ilustram os resultados obtidos das distribuições nas quais indicam o comportamento estatístico do TSMP referente às potências de 5 kVA, 10 kVA e 15 kVA para os dois grupos de transformadores.
Fig. 3 - Transformadores de 5 kVA, Potência Nominal.
Fig. 4 - Transformadores de 5 kVA, Potência Real.
As figuras 3 e 4 ilustram as distribuições de probabilidade dos TSMPs para os grupos Potência Nominal e Potência Real referentes aos transformadores de 5 kVA. Nota-se que os dados do grupo Potência Nominal se adequou melhor a distribuição Gamma, entretanto, os dados referentes ao grupo Potência Real apresentou maior adequação a distribuição Weibull. Após o remanejamento o número de transformadores de 5 kVA passou de 10 para 22, logo, torna-se perceptível a diferença de pontos ilustrados nas figuras 3 e 4.
Fig. 5 - Transformadores de 10 kVA, Potência Nominal.
Fig. 6 - Transformadores de 10 kVA, Potência Real.
Com estas demandas foram obtidas 288 distribuições de probabilidade, cada uma relativa a um período específico de 5 minutos ao longo das 24 horas de um dia típico. A partir dos resultados obtidos, foram desenvolvidas curvas da demanda versus tempo referentes às probabilidades de 1%, 5%, 50%, 95% e 99%, para os dois grupos de transformadores. Neste trabalho foram ilustradas apenas as curvas referentes à probabilidade de 50%, pois a mesma agrega informações suficientes para a análise em questão. As curvas de referência são apresentadas para as potências de 5 kVA, 10 kVA e 15 kVA, tanto para o grupo Potência Nominal quanto para o grupo Potência Real. A Figura 9 ilustra a comparação entre as curvas de referência dos grupos Potência Nominal e Potência Real relativos à potência de 5 kVA.
Fig. 9 - Curvas de 50% para os transformadores de 5 kVA
Verificou-se que a curva composta por dados pertencentes ao grupo Potência Real apresentou uma média bem inferior à curva composta por dados do grupo Potência Nominal. Este comportamento é explicado devido ao número de transformadores que operavam subcarregados, pertencentes às potências de 10 kVA e 15 kVA do grupo Potência Nominal, e com o remanejamento foram adequados a potência de 5 kVA do grupo Potência Real. Tratando-se de valores, verifica-se que 40,91% do número total de transformadores de 5 kVA pertencentes ao grupo Potência Real apresentam demandas máximas inferiores a 2, kVA, justificando o comportamento observado na Figura 9. A Figura 10 ilustra a comparação entre as curvas de referência dos grupos Potência Nominal e Potência Real referentes à potência de 10 kVA. Observou-se que a curva composta por dados relativos ao grupo Potência Real apresentou valores superiores quando comparada a curva composta por dados do grupo Potência Nominal, ou seja, com o remanejamento dos transformadores os valores das demandas aumentaram.
Fig. 10 - Curvas de 50% para os transformadores de 10 kVA
A Figura 11 ilustra a comparação entre as curvas de referência dos grupos Potência Nominal e Potência Real relativos à potência de 15 kVA. Observou-se que o remanejamento dos transformadores resultou em um aumento da demanda em função do tempo.
Fig. 11 - Curvas de 50% para os transformadores de 10 kVA
Para fins de avaliação dos procedimentos de remanejamento, a partir das demandas utilizadas para desenvolver as curvas de referência ilustradas nas figuras 9, 10 e 11, foram calculados os TSMPs médios máximos relativos às potências de 5 kVA, 10 kVA e 15 kVA para os dois grupos de transformadores. Os valores dos TSMPs estão apresentados na Tabela 4.
0 400 800 1200 1600 2000 2400 Tempo (Hora)
0
Fluxo de potência (p.u.)
5 kVA - Curvas para 50% Potência Nominal Potência Real
Gráfico do fluxo de potência versus o tempo (50%)
0 400 800 1200 1600 2000 2400 Tempo (Hora)
Fluxo de potência (p.u.)
10 kVA - Curvas para 50% Potência Nominal Potência Real
Gráfico do fluxo de potência versus o tempo (50%)
0 400 800 1200 1600 2000 2400 Tempo (Hora)
Fluxo de potência (p.u.)
15 kVA - Curvas para 50% Potência Nominal Potência Real
Gráfico do fluxo de potência versus o tempo (50%)
TABELA 4 V ALORES DE TSMPS OBTIDOS A PARTIR DAS CURVAS DE REFERÊNCIA PARA OS GRUPOS POTÊNCIA NOMINAL E POTÊNCIA REAL. Potência Nominal Potência Real 5 kVA 1,622 0, 10 kVA 0,339 0, 15 kVA 0,375 0,
Notou-se que os resultados obtidos a partir das curvas características apresentaram comportamento semelhante aos resultados obtidos a partir das curvas de probabilidade para o TSMP. Entretanto, esse comportamento não agrega o resultado correto da análise, principalmente por não retratar o comportamento real da carga devido às eliminações dos picos instantâneos resultantes das análises estatísticas realizadas a cada 5 minutos.
III. CONCLUSÕES
De acordo com as análises realizadas, referente à potência de 5 kVA, verificou-se que os TSMPs do grupo de transformadores Potência Real são significativamente inferiores aos do grupo de transformadores Potência Nominal, o que indica a existência de um desbalanço entre a distribuição da potência nominal em relação à carga suprida. Isto implica na existência de um grande conjunto de transformadores de 10 e 15 kVA trabalhando subcarregados, associado a um conjunto também razoável de transformadores de 5 kVA sobrecarregados. Observou-se que o grupo de transformadores Potência Real apresenta 9 transformadores, dos 22 que o compõem, com demandas máximas inferiores a 2,5 kVA, ou seja, 40,91% dos transformadores do grupo apresentam demandas máximas relativamente pequenas, impondo, com isso, em TSMPs relativamente curtos. Se isto é um problema para o conjunto de transformadores de 5 kVA se torna muito mais grave para transformador4es com potência superior. No que se refere à potência de 10 kVA, verificou-se a partir dos resultados mostrados no estudo dos grupos de transformadores, que o grupo Potência Real apresentou um aumento significativo dos TSMPs quando comparado ao grupo Potência Nominal. O resultado obtido é devido ao grupo Potência Real apresentar uma amostra de dados composta de 36 demandas médias máximas, nas quais apresentam valores superiores e com menor dispersão quando comparados ao grupo Potência Nominal, composto por 30 transformadores. Portanto, após o remanejamento, as demandas apresentaram uma melhor adequação a potência de 10 kVA, obtendo, com isso, valores mais significativos para o TSMP. De modo similar isto também foi observado para os transformadores de 15 kVA, que ao fazer o remanejamento descrito neste artigo, o TSMP sofre um acréscimo. Isto ocorre devido ao remanejamento dos transformadores antes considerados como sendo de 15 kVA e que estavam operando com demanda inferior a 8,5 kVA. Desta maneira, os transformadores com baixa demanda são remanejados, fazendo com que a probabilidade da média aumentasse. Com base nos resultados obtidos através do estudo nos dois grupos de transformadores, verificou-se que o remanejamento de transformadores de média tensão é um
procedimento que permite otimizar a utilização dos ativos das companhias distribuidoras de energia elétrica. Este deve ser o primeiro passo na aplicação e desenvolvimento de transformadores eficientes que objetivam o uso técnico e econômico da energia elétrica fato de suma importância nos dias atuais. Complementarmente este tipo de estudo permite verificar alguns pontos de suma importância no projeto de transformadores monofásicos, ou seja, a relação entre demanda máxima suprida, que como verificado é reduzida, a impedância porcentual e a queda de tensão, bem como, de modo secundário, o nível de curto circuito na baixa tensão. Transformadores com maior impedância percentual podem apresentar menores perdas em vazio, fato de extrema importância para o projeto de transformadores com núcleo em aço silício.
IV. REFERÊNCIAS
[1] Energy, L. Global Energy Savings Potencial from Hight Efficiency Distribution Transoformers. European Copper Institute. (October 2004). [2] Picanço, Alessandra, F. (2006). Avaliação econômica de transformadores de distribuição com base no carregamento e eficiência energética. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI. [3] Cardoso, Bruno, P. (2005) Eficiência de transformadores de distribuição. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI.
V. B IOGRAFIAS
Hermes R. P. M. de Oliveira nasceu em 1960 em São Lourenço, Brasil. Recebeu o diploma e o título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica na Universidade Federal de Itajubá. Ele trabalha na AES Sul Distribuidora Gaúcha de Energia S.A. desde 1998. Édson Luis Batista nasceu em Ijuí/RS, em 1975. Graduou-se em Engenhara Elétricas pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul em 2005 e cursa Pós-Graduação em Gestão Empresarial pela ESPM. Atualmente trabalha na AES Sul Distribuidora Gaúcha de Energia na área de Planejamento e Engenharia com Projetos de Pesquisa & Desenvolvimento e Sistemas de Distribuição.
Manuel L. B. Martinez nasceu em Santos - SP. Recebeu o diploma de Engenheiro Eletricista em Julho de 1982, e o título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica em julho de 1990 na Universidade Federal de Itajubá. Recebeu o titulo de Doutor em Ciências em Engenharia Elétrica em julho de 1999 na Universidade de São Paulo. Atualmente é Professor na Universidade Federal de Itajubá e Coordenador do Laboratório de Alta Tensão.
Estácio Tavares Wanderley Neto nasceu em 1977 na cidade de Campina Grande, Brasil. Recebeu o diploma de Engenheiro Eletricista em 2001, o título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica em 2003, e o título de Doutor em Ciências em Engenharia Elétrica em 2007 na Universidade Federal de Campina Grande. Atualmente é professor da Universidade Federal de Itajubá.
Aellfclêniton M. M. Diniz nasceu em Campina Grande/PB em Maio de 1981. Recebeu o diploma de Engenheiro Eletricista em agosto de 2009, na Universidade Federal de Campina Grande e atualmente é aluno de Mestrado na Universidade Federal de Itajubá/MG. Arimatéa A. Nunes nasceu em Campina Grande/PB em 1983. Recebeu o diploma de Engenheiro Eletricista em agosto de 2009, na Universidade Federal de Campina Grande e atualmente é aluno de Mestrado na Universidade Federal de Itajubá/MG. Diego L. Coriolano nasceu em Aracaju/SE em 1984. Recebeu o diploma de Engenheiro Eletricista em agosto de 2007, na Universidade Federal de Sergipe e atualmente é aluno de Mestrado na Universidade Federal de Itajubá/MG.
