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Resumo – O tema tratado nesse trabalho está no contexto da distribuição e recepção de energia elétrica, sendo que os transformadores são equipamentos necessários para ajuste da tensão enviada para as cargas. Diante disso, a área de investigação é a análise da viabilidade entre modelos diferentes desse dispositivo elétrico, visto que há variados tipos comercializados. O estudo levará em consideração os transformadores a seco e a óleo, já instalados em uma planta industrial, buscando dados práticos e teóricos da viabilidade de ambos, comparando seus pontos positivos e negativos. Encontrou-se como resultados que ambos os modelos possuem vantagens e desvantagens cabendo às equipes envolvidas identificar as características que mais necessitam na planta. Palavras Chave – Transformador, Vantagens, Desvantagens. I. SIGLAS AT – Alta Tensão BT – Baixa Tensão trafo – Transformador II. INTRODUÇÃO Os transformadores, ou trafos, são equipamentos estáticos os quais transferem energia elétrica entre os lados de AT e BT, mantendo a frequência e podendo variar níveis de tensão e amplitude da corrente [1]. Quanto à isolação e refrigeração, há diferentes tipos de materiais que podem ser utilizados, como, por exemplo, o óleo mineral. Também há transformadores a seco [2][3]. Cada um desses modelos de transformadores tem suas características e particularidades [ 4 ][5]. Dessa forma, a situação problema a ser analisada é: comparando modelos diferentes de transformadores, sendo um a óleo e o outro a seco, quais são as características e viabilidade de cada um? Para a análise teórica, a pesquisa bibliográfica foi utilizada. Já para a verificação em campo, foram feitas visitas in loco , avaliando os equipamentos instalados. Também foram utilizados dados disponibilizados pela empresa, como documentos e relatórios referentes aos transformadores. O estudo poderá ser aplicado em empresas que precisem escolher entre modelos diferentes de transformadores para suas plantas produtivas. Dessa forma, destina-se a engenheiros para apoio em seus projetos de implantação ou melhoria nas áreas. A pesquisa também pode ser utilizada por estudiosos da área, como fonte de informações confiáveis para suas análises.
III. OBJETIVOS
O objetivo geral desse trabalho de conclusão de curso é analisar características e viabilidade, comparando dois modelos de transformadores, sendo eles: a seco e a óleo. Já os objetivos específicos são: realizar uma verificação teórica sobre os conceitos associados ao tema, como função, por exemplo; elencar dados práticos sobre os trafos instalados em uma planta industrial; identificar pontos positivos e negativos do uso de cada um. IV. REVISÃO DE BIBLIOGRAFIA Antes de evidenciar a comparação prática entre os tipos de transformadores, para embasamento teórico, é importante pesquisar os assuntos pertinentes ao tema, sendo eles apresentados nos tópicos pertencentes a esse capítulo. A. Transformador O transformador é um equipamento elétrico estático o qual transporta eletricidade do elemento primário para o secundário, através do efeito de indução eletromagnética [6]. Sua representação esquemática simplificada é evidenciada na Fig. 1, onde os elementos citados são vistos. O detalhamento das variáveis apresentadas na imagem é elencado na Tabela I. Fig. 1. Representação de um trafo [ 6 ] TABELA I DETALHAMENTO DA REPRESENTAÇÃO DO TRANSFORMADOR Variável Detalhamento U 1 Tensão no elemento primário dado em volts (V) I 1 Corrente no primário dada em amper (A)
Viabilidade de transformadores: um estudo
comparativo entre os tipos a seco e a óleo
Jadine Pires da Costa, Professor Me. Eugênio Pacelli de Oliveira Alves,
Fundação Presidente Antônio Carlos - FUPAC, Engenharia Elétrica.
N 1 Número de espiras no elemento primário U 2 Tensão no secundário dado em volts (V) I 2 Corrente no secundário dada em amper (A) N 2 Número de espiras no elemento secundário K Relação de transformação Quanto ao seu princípio de funcionamento, ele se baseia na Lei de Faraday, onde a tensão elétrica é dada pela variação do fluxo concatenado com a bobina [ 15 ]. Em sua operação, o núcleo é excitado por um enrolamento de um número determinado de voltas (N), por onde circula uma corrente elétrica (i). Esta produz um campo magnético no núcleo, chamada de força magnetomotriz, mostrada na Equação 1 [4]. ( 1 ) O circuito magnético do transformador é mostrado na Figura 2, onde os enrolamentos são representados em lados opostos do núcleo. O enrolamento primário apresenta N 1 voltas e o enrolamento secundário tem N 2 voltas[4]. Em função da semelhança matemática entre a lei de Kirchhoff das correntes e das tensões é possível fazer uma analogia aos circuitos elétricos. [4]. Fig. 2. Circuito Magnético do Transformador. [ 4 ] Sobre seu circuito equivalente, ele é visto na Fig. 3, sendo que através dessa representação seus cálculos são facilitados [4]. Fig. 3. Circuito equivalente modelo T do transformador com o enrolamento 1 como enrolamento de referência. [ 4 ] Ainda em relação aos cálculos que podem ser feitos para análise de trafos, a relação de transformação desse equipamento pode ser calculada de duas formas distintas [7]. A teórica é evidenciada na Equação 2 , onde utiliza-se a relação de espiras para o cálculo. Já a relação real, leva-se em consideração as tensões de entrada (V 1 ) e saída (V 2 ) medidas, já considerando perdas, como vista na Equação 3 [8][16]. K = U 1 /U 2 = N 1 /N 2 ( 2 ) K = V 1 /V 2 ( 3 ) Se o valor de K é maior que 1, o transformador é chamado de abaixador. Caso contrário, é um trafo elevador [6]. Sobre o valor da tensão induzida ( e ) que é produzida nos terminais dos enrolamentos, ela é calculada através da Equação 4, onde N é o número de espiras, Ф é o fluxo magnético variante no tempo, e λ é o fluxo concatenado do enrolamento (bobina) em weber- espira ( Wb · e ). [4]. ( 4 ) Já em relação à eficiência, ela é a razão entre a potência de saída ( Pout ) e a potência de entrada ( Pin ), sendo apresentada através da Equação 5 [4]. ( 5 ) Onde S é a carga do transformador (VA), perdas são as perdas do transformador (W) e cos θL é o fator de potência. A Equação 6 evidencia a forma de se calcular a potência nominal ( Sn ) para um transformador trifásico [4] ( 6 ) Onde Un é a tensão nominal e In é a corrente nominal do transformador. Os transformadores podem ser classificações conforme tipo de resfriamento [4], como pode ser visto nas seções seguintes o trafo a seco e o a óleo. B. Transformador a seco Transformador a seco tem como característica principal não precisar de refrigeração ou isolação a óleo, por utilizar o ar ambiente para tais funções [9]. Um exemplo desse equipamento, instalado em uma planta industrial, é visto na Fig. 4.
que explora as diferenças entre os transformadores [3]. Como pode ser visto nas informações do quadro, a escolha entre os modelos pode ser feita com base em diferentes abordagens e características dos mesmos [4]. Quanto ao rendimento, a Fig. 6 evidencia um gráfico comparativo entre os modelos de trafo analisados. Fig. 6. Comparação entre o rendimento [ 3 ] Quanto à eficiência os trafos a óleo são normalmente mais superiores aos seus correspondentes com refrigeração e isolação a seco. Sobre as dimensões, para transformadores com potências semelhantes, o modelo a seco é geralmente menor [4]. Quanto ao custo após a instalação, por serem necessárias manutenções periódicas, o trafo a óleo demanda um maior valor financeiro [9]. Já sobre emissão de ruídos, os transformadores a seco apresentam maior nível de sons em sua operação [4]. Sobre a redução da vida útil com adicional de temperatura, a Fig. 7 ilustra tal questão. Em relação aos custos o transformador a óleo se destaca por ter o preço de compra e perdas anuais menores do que o transformador a seco [4]. Fig. 7. Redução da vida útil com adicional de temperatura [ 3 ] Em relação à diferença básica entre eles que é o sistema de isolamento e resfriamento, sendo que, como apresentado nos aspectos constituintes de cada modelo, o trafo a seco utiliza-se do ar para tal questão, enquanto que o a óleo possui em sua constituição os radiadores que permitem a circulação do material. Dessa forma, o transformador a seco possui temperaturas mais elevadas de operação [4]. Diante de todo exposto, pode-se afirmar que, para escolher qual o modelo de trafo melhor para determinada área é necessário analisar bem as vantagens e desvantagens de cada um deles, buscando associar as características do transformador escolhido àquilo que a planta realmente precisa [9]. E. Testes e ensaios em transformadores Existem diferentes tipos de testes e ensaios que podem ser feitos em transformadores, entre eles estão: relação, isolação, perdas a vazio, perdas a quente, estanqueidade e fator de potencia de bucha. A relação de transformação foi anteriormente mencionada através das Equações 1 e 2 [8]. Os testes de isolação verificam se tal item está com suas funções efetivas, ou seja, se o efeito isolante ocorre no transformador [11]. Para as perdas a vazio, é feito o ensaio de mesmo nome, o qual fornece dados sobre as perdas no núcleo [11]. Já as perdas a quente são testes feitos com o trafo em funcionamento [12]. A estanqueidade é realizada nos transformadores a óleo, no sentido de verificar as características de tal isolante [13]. O fator de potência de bucha, também pode ser feito nos transformadores do tipo a óleo [14]. Existem também os ensaios dielétricos que verificam sobre os níveis de sobretensões que o trafo suporta. Em transformadores a óleo também há a análise sobre gases presentes da operação do equipamento [4]. Alguns desses testes foram feitos na prática, durante a comparação entre modelos diferentes de transformadores em uma planta produtiva. V. DESENVOLVIMENTO Para comparar de forma prática os modelos de transformadores abordados, foi necessário coletar dados em campo. As informações iniciais evidenciadas no Anexo II foram coletadas através de visitas nas áreas onde os transformadores estão instalados, feitas nos dias 6 e 7 de setembro de 2021, questionando os profissionais responsáveis por tais equipamentos sobre suas características, assim como coletando as informações em documentos técnicos, como manuais dos fabricantes e padrões operacionais da empresa mineradora. A. Análise sobre o transformador a seco instalado O transformador a seco está instalado na subestação da área administrativa do pico, na empresa pesquisada. Quanto à sua constituição, ele possui o núcleo de transformador, e duas bobinas conectadas ao núcleo, buchas, isolamento epoxi, e monitor de temperatura do enrolamento. Em relação aos testes feitos nesse equipamento, há como exemplos a análise da relação, da isolação e das perdas a vazio.
Para exemplificação da análise desse modelo de trafo no processo produtivo, os dados quanto à relação de transformação medida foram apresentados na Tabela IV, sendo que o erro máximo de relação medido foi de 0,3272%. TABELA IV ENSAIO SOBRE A RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO Relação Nominal Fase 1 Fase 2 Fase 3 6,0239 6,03 6,03 6, 5,8892 5,8892 5,8786 5, 5,7457 5,7457 5,7275 5, 5,6021 5,6021 5,6066 5, 5,4584 5,4584 5,4553 5, Já em relação aos dados sobre resistência elétrica dos enrolamentos a 24° Célsius (°C), tanto no enrolamento de alta tensão (AT), quanto no enrolamento de baixa tensão (BT), eles foram apresentados na Tabela V. TABELA V ENSAIO SOBRE A RESISTÊNCIA ELÉTRICA NOS ENROLAMENTOS Terminais Enrolamento AT Enrolamento AT 1 - 2 0,1274Ω 0,00822 Ω 1 - 3 0,12796 Ω 0,0081 Ω 2 - 3 0,12793 Ω 0,00829 Ω Média 0,12776333 Ω 0,0082033 Ω Para análise das perdas a vazio e em carga, os dados obtidos nos ensaios foram elencados na Tabela VI. TABELA VI ENSAIO SOBRE PERDAS A VAZIO E EM CARGA Variáveis mensuradas Valores Perdas a Vazio 9.430,00W Perdas em Carga a 115°C 23.341,55W Perdas Adicionais a 115°C 3799,88W Perdas Totais a 115°C 32.771,55W Impedância 6,04 Ω Corrente de Exitação 0,43% Finalizando os testes nesse modelo de transformador, na Tabela VII os ensaios elétricos finais foram evidenciados. TABELA VII ENSAIO SOBRE A RESISTÊNCIA ELÉTRICA NOS ENROLAMENTOS Ensaios Variáveis Valores Resistência de isolamento Escala 2,5 KV AT BT 150.000 MΩ AT Massa 25.000 MΩ BT Massa 15.000 MΩ Tensão Induzida Frequência 120 Tempo 60 s Tensão Nominal 4.160V Tensão Induzida 8.320V Tensão aplicada Tempo 60s a 60Hz AT/BT 34 KV AT/Massa 34 KV BT/Massa 20 KV Diante dos dados obtidos nos ensaios, comparando com os valores estipulados nos relatórios internos da empresa, pode-se perceber que o transformador analisado está em condições normais de funcionamento. Cabe destacar que avaliando históricos do mesmo, constatou-se que as variáveis mensuradas estão dentro da normalidade a mais de 5 anos, que é o período máximo de rastreabilidade das informações estipulado para esse equipamento. B. Análise sobre o transformador a óleo instalado O transformador a óleo verificado está instalado na subestação de bombeamento de água. Em relação à característica estrutural do mesmo, ele possui núcleo do transformador, radiadores, buchas, motoventiladores, relé de gás, tanque de expansão, óleo isolante mineral AV Petrobrás, monitor de temperatura de óleo, monitor de temperatura do enrolamento. Quanto aos ensaios que podem ser nesse modelo de trafo destacam-se a estanqueidade, testes físicos-químicos, a verificação de gases, entre outros. Diferentemente do transformador a seco analisado na seção anterior, este trafo apresentou avarias recorrentes em seu funcionamento, que culminou em uma queima do equipamento em setembro de 2021 , sendo que foi necessário realizar uma peritagem para compreensão da falha que gerou indisponibilidade de energia elétrica no setor produtivo. Nessa etapa da peritagem, foram observadas algumas avarias no mesmo. A princípio, foram identificados no equipamento danos somente nas bobinas da fase B, como visto na Fig. 8. Fig. 8. Bobina da fase B danificada na extremidade A cabeça superior apresentou um deslocamento, ou colapso, das bobinas BT, no qual foi possível constatar um curto- circuito entre a bobina e o núcleo, conforme evidências na Fig. 9 , 10 e 11. Também foi visto que os suportes de madeira da bobina B se danificaram. Continuando a análise da ocorrência, verificou-se que a corrente de curto-circuito do trafo era maior que o projetado para o ponto ANSI, que é de 12,5KA. Isso foi constado ao identificar que de acordo com a NBR 5356- 5 [17], a impedância mínima de curto circuito para um transformador
C. Comparação entre as análises de campo Comparando as análises de campo meramente observando a questão da falha apresentada pelo transformador a óleo, a conclusão seria que o modelo a seco é o mais viável. Porém, apenas essa variável não é suficiente para determinar qual seria o melhor modelo entre os estudados. Destacando a situação exposta na verificação em campo, caso tivesse escolhido outro transformador a óleo e este não apresentasse a falha explicitada, esse argumento da avaria não seria valido. Dessa forma infere-se que apenas essa questão não pode ser usada para determinação da viabilidade de uso entre os modelos analisados. Para a determinação de qual tipo de transformador deve ser utilizado no processo produtivo, a principal análise a ser feita é em relação às necessidades da área. Por exemplo, caso necessite de maior rendimento, o transformador a ser escolhido é o modelo a seco [3]. Caso a temperatura do local de instalação seja elevada, considera-se a utilização do trafo a óleo visto que ele possui menores valores nesse item se comparado com o a seco [4]. A fim de verificar a viabilidade, também se pode recorrer à elaboração de cálculos baseados nas equações 1 , 2 , 3 , 4 , 5 e 6 apresentadas neste artigo e realizar as comparações posteriormente. Possíveis parâmetros a serem calculados são preços de manutenção, periodicidade para a realização dos ensaios, custo e área de instalação. VI. CONCLUSÕES Mediante os estudos feitos, buscou-se comparar modelos diferentes de transformadores, sendo um a óleo e o outro a seco. Através da verificação em campo aliado ao embasamento teórico as características e viabilidade de cada um foram analisadas. Foi mostrado que um dos transformadores sofreu avarias durante a pesquisa, porém esse fator não foi considerado como determinante para a verificação da viabilidade. Como se pode observar no decorrer deste trabalho, o transformador a óleo possui maior risco de falhas por conter alta concentração de gases dissolvidos. Com a presença de fluxo magnético há presença de calor dissipado que pode ocasionar explosão do mesmo. Necessita manutenção periódica do equipamento bem como ensaios e risco de contaminação do ambiente. Já o Trafo a seco, encontra-se dentro das condições de operação, porém, com maiores níveis de temperatura, maior custo para aquisição, menor eficiência. Ou seja, ambos os modelos possuem vantagens e desvantagens cabendo às equipes envolvidas identificar as características que mais necessitam na planta. Se o transformador for para instalações abrigadas que exigem segurança e confiabilidade, menor dimensão e necessite principalmente de uma manutenção mais simples, é recomendado o uso do transformador a seco. Caso se faça necessário um equipamento para exposição em ambiente externo, maior rigidez dielétrica, necessidade de alta potência aliado a um menor custo de aquisição e maior eficiência, recomenda-se a utilização de transformadores a óleo. Como sugestão de trabalhos futuros, recomenda-se um estudo para em tempo real realizar análise de óleo a fim de minimizar os impactos promovidos pelos gases dissolvidos no óleo para aumento da vida útil e redução do custo de manutenção e paradas. VII. ANEXO ANEXO I COMPARAÇÃO ENTRE TRANSFORMADORES A ÓLEO E A SECO Item Transformador a óleo Transformador a seco Manutenção Deve ser periódica. Necessitando de substituições de óleo isolante, juntas, guarnições e acessórios. Isento. Vida útil 30 anos. 30 anos ou superior. Obras civis Demanda de paredes e portas corta-fogo, sistema contra incêndio e poço para recolhimento de fluido em caso de vazamento. Não demanda obras especiais. Segurança Risco de explosão e incêndio, vazamentos e contaminação do ambiente. Não explode, não alimenta ou propaga incêndios. Proteção Vários acessórios para proteção e controle. Apenas sensores de temperatura para alarme, desligamento e medição de temperatura. Restrições ambientais Risco de contaminação pelo vazamento do liquido isolante. Sem restrições. Ambiente São afetados pela umidade, salinidade, oxidante, etc. Insensível à umidade e outros fatores ambientais. Certificações ISO 14000 e NR Recomenda cuidados com este tipo de equipamento. Tendência a se evitar esta execução. Não oferecer riscos ao ser humano e ao meio ambiente.
ANEXO II COLETA INICIAL DE DADOS SOBRE OS TRANSFORMADORES VERIFICADOS NA PRÁTICA Itens verificados Transformador a óleo Transformador a seco Custo de aquisição (estimado por fornecedor) 1PU 1,35PU Custo de manutenção anua 1PU 0,2PU Quantidade de paradas anuais médias 2 1 Horas de indisponibilidade do equipamento 719h mês 719h mês H/h mensal (manutenção) 4 4 Sistemas de proteção ANSI (49, 50, 51, 50N, 63) ANSI (49, 50, 51, 50N) Sistema de ventilação Ventilação forçada Ar ambiente Periodicidade de inspeções Trimestral Trimestral Temperaturas (média) 55 graus 75 graus Vida útil (média) 30 anos 40 anos VIII. APÊNDICE APÊNDICE I ESTRATÉGIA UTILIZADA PARA MANUTENÇÃO DE TRANSFORMADORES A ÓLEO
IX. REFERÊNCIAS
[1] UFRN. Manutenção de transformadores. 2020. [Online]. Disponível em: http://www.dee.ufrn.br/~joao/manut/11%20- %20Cap%EDtulo%209.pdf. [2] D. S. Nogueira. “Transformadores de potência – Teoria e aplicações: Tópicos essenciais”. Graduação em Engenharia Elétrica. Projeto de Conclusão de Curso. Universidade Federal do Rio de Janeiro, 20 09. [3] M. A. F. Finocchio, et al. “Comparação entre transformadores a óleo e a seco”. 2016. in: 73 SOEA. pp. 1- 5. [4] B. K. Zanini. “Análise comparativa entre o uso de transformadores a seco e a óleo em subestações de média tensão”. Graduação em Engenharia Elétrica. Projeto de Conclusão de Curso. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2016. [5] J. Rodrigues. “Transformadores a seco e a óleo”. Educação Técnica em Elétrica. Mettzer, 2015. [6] E. G. C. Neves; R. Munchow. Transformadores elétricos. 2020. [Online]. Disponível em: http://transforman.com.br/arquivos/Transformadores %20El__tricos.pdf. [7] I. Camargo. Transformadores trifásicos. Salvador: UFBA, 2007, p.65. [8] L. R. Lisita. Conversão eletromagnética de energia. Salvador: UFBA, 2000 , p. 68. [9] H. Mattede. Transformador a seco : o que é e como funciona. 2021. [Online]. Disponível em: https://www.mundodaeletrica.com.br/ transformador-seco-como- funciona/ [10] H. A. Antunes; M. P. Brito. “Comissionamento de transformadores de força: do projeto à entrada em operação”. Pós-graduação em Engenharia de Condicionamento/Comissionamento. Trabalho de Fim de Curso. Universidade Federal do Espírito Santo, 2010. [11] S. J. Chapman. Fundamentos de máquinas elétricas. 5ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2013, p.698. [12] J. A. Edminister. Eletromagnetismo. São Paulo: MacGraw-Hill, 1980, p.238. [13] M. A. Ravaglio; J. C. Schaefer; L. R. A. Gamboa; N. G. Adonis; M. M. Valença. “Avaliação da Vida Útil dos Transformadores da COPEL Distribuição - 2ª Etapa” in: II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica. pp. 1081-1087. [14] M. E. C. Paulino. Avaliação em campo de buchas em transformadores de potência: O fator de dissipação a 60Hz é suficiente? 201 1. [Online]. Disponível em: https://osetoreletrico.com.br/avaliacao-em-campo-de- buchas-em-transformadores-de-potencia-o-fator-de-dissipacao-a- 60 - hz- e-suficiente/ [15] I. L. Kosow. Máquinas elétricas e transformadores. Porto Alegre: Globo, 1982, p.685. [16] S. D. Umans. Máquinas elétricas. Porto Alegre: AMGH, 2014, p.724. [17] ABNT. NBR5356- 5. 2015. [Online]. Disponível em: https://www.target.com.br/produtos/normas-tecnicas/40550/nbr5356- 5 - transformadores-de-potencia-parte- 5 - capacidade-de-resistir-a-curtos- circuitos.
