Nesta segunda parte do nosso comparativo entre transformadores de distribuição e força (veja aqui a parte 1), iremos tratar dos equipamentos desenvolvidos para potências normatizadas iguais ou superiores a 500 kVA, os transformadores de força.
Assim como todo transformador, sua função é transformar energia elétrica entre as partes de um sistema de potencia. A quantidade de modos construtivos e acessórios para proteção dos equipamentos de força é muito grande dado que normalmente estes são os ativos mais valiosos dentro de uma subestação quando construída.
Considerando toda a gama de tipos de transformadores que podem ser classificados como equipamentos de força, podemos destacar os transformadores abaixadores e elevadores imersos em óleo isolante e a seco, podendo ser construídos para subestações abrigadas (teoricamente livres de intempéries), pedestais (fixados no nível do solo) ou subestações subterrâneas e/ou submersíveis (quando construídos capazes de operar quando imersos em água, em condições especificadas).
Composição e estrutura
Os componentes básicos dos transformadores de força como o tanque, buchas e meios de isolação não diferem muito dos de distribuição, quando em tensões e potencias menos elevadas – de 500 kVA a 1500 kVA em média tensão por exemplo – porém quando elevamos estas grandezas temos equipamentos com características construtivas totalmente diferentes e com diversas proteções e acessórios adicionais.
Podemos elencar alguns itens e acessórios inerentes aos transformadores de força, explanando rapidamente a funcionalidade dos mesmos:
Conservador de óleo isolante
Também chamado de tanque de expansão, é um reservatório auxiliar com uma certa quantidade de líquido isolante com o objetivo de minimizar contaminações do óleo e manter a parte ativa completamente cheia para permitir as variações do meio isolante conforme a temperatura interna do transformador.
É recomendado que seja instalado um secador de ar com sílica-gel na saída do tanque de expansão, a fim de eliminar parcialmente a entrada de umidade pois o conservador fica aberto na parte superior para evitar acúmulo de pressão interna. Alguns modelos possuem uma membrana de borracha dentro do conservador, prevenindo que a maior parte do óleo não entre em contato com o ar ambiente para evitar contaminação com umidade e oxigênio.
Indicador externo de nível de óleo
Este acessório pode ser encontrado como um indicador simples ou magnético. Ambos definem uma faixa de 25°C e limites máximos e mínimos do nível do óleo para transformadores imersos em líquido isolante, sendo instalados diretamente no tanque ou no conservador de óleo/tanque de expansão quando disponível.
Indicador de temperatura do óleo
Muito comum em transformadores de força imersos em óleo, também chamado de ITO, mede e indica a temperatura no topo do óleo. Transformadores de menor porte possuem termômetros de haste rígida, sendo utilizado capilar nos equipamentos de maior porte. O sistema é constituído de um sensor de temperatura, um capilar/haste e um mostrador.
Termômetro do enrolamento ou monitor de temperatura
Para equipamentos construídos “a seco”, o monitor de temperatura microprocessado com medições através de sensores de resistência (normalmente PT100) é item quase indispensável. Em transformadores de maiores potencias, também temos a medição através de fibra ótica instalada diretamente no ponto mais quente dos enrolamentos ou medição indireta através de imagem térmica. Este último faz a comparação do gradiente de temperatura do enrolamento em relação ao óleo.
Válvula de alívio de pressão
Utilizada contra surtos de sobrepressão em transformadores selados ou com conservador de óleo. No caso de curto-circuitos ou falhas internas no transformador, o calor gerado internamente pode fazer com que o líquido isolante expanda e a formação de gases combustíveis aumenta a pressão interna.
Há alguns modelos que podem ejetar líquido isolante quando esta atua, outros sinalizam com contatos secos alarmes ou realizam desligamentos. A pressão de disparo pode ser ajustada entre 25 à 90 kPa, sendo usualmente calibrada com 70 kPa (0,7 kgf/cm²) na maioria das fábricas.
Relés detectores de gás
Sendo um supervisório do fluxo anormal ou ausência de óleo e dos eventuais gases combustíveis a serem gerados dentro do equipamento. No caso do relé Buchholz, comum em transformadores imersos em óleo com conservador de óleo, este é instalado entre o tanque principal e o tanque de expansão.
Dentro do relé Buchholz, existem duas boias, uma destinada à atuação por acúmulo de gases e outra atuando na falta de fluxo ou até mesmo do próprio óleo isolante. Estas boias, quando deslocadas, acionam contatos que irão disparar os respectivos alarmes ou farão desligamentos nos sistemas de proteção da subestação. Os tamanhos dos relés de gás dependem da potencia do transformador instalado e do fabricante ou reformador, mas com base na potencia podemos considerar:
- Até 1.000 kVA – relé Buchholz de 1”;
- De 1.000 kVA até 10.000 kVA (10 MVA) – modelo de 2”;
- De 10 MVA até 100 MVA – relé de 3”;
- Acima de 100 MVA – aplicação de modelo de 4”.
Figura 01 – relé de gás “Buchholz” em transformador de força. Fonte: Hostin Engenharia
Em um cenário atual, os relés Buchholz (tradicionais) estão sendo substituídos em equipamentos de maior porte por monitores de gás e umidade, com monitoramento on-line baseando-se na quantidade de hidrogênio e associação de gases combustíveis. Há diversas opções deste tipo de equipamento, desde a medição de umidade e mais 9 (nove) gases combustíveis até o monitor que mede somente os níveis de hidrogênio (H2).
Acessórios exclusivos de transformadores de força imersos em óleo
Algumas proteções são opcionais, porém importantes para evitarmos queima inesperada de transformadores quando há falha nas proteções ou eventuais danos internos:
- O relé de pressão súbita atua quando ocorrem defeitos internos no transformador, com produção de pressão interna anormal igual ou acima de 0,2 kgf/cm² somente para mudanças rápidas de pressão;
- O indicador de fluxo de óleo tem a finalidade de indicar a presença ou não de vazão em circuitos de resfriamento de óleo ou água. Normalmente utilizado em sistemas de resfriamento ODAF/OFAF/ONAF/OWAF e similares;
- O manovacuômetro mede a pressão interna e o vácuo no tanque do transformador. Pode ser acompanhado de contatos internos para alarme e desligamentos.
Curiosidades
Um fato interessante é a limitação de potencia dos transformadores de força a seco. Mesmo com toda a tecnologia empregada e estudos acerca deste tipo de equipamento, não é comum que estes ultrapassem a barreira dos 25 MVA. Há casos de transformadores a seco de potencias maiores, como o transformador na ABB de Zaragoza com potencia de 31.500 kVA, mas é um fator bem incomum.
Trafos a óleo isolante possuem potencias e formas construtivas tão avançadas em relação aos equipamentos a seco que em fevereiro de 2018 a empresa SIEMENS construiu um equipamento de 587 MVA com classe de tensão 1.100 kV em corrente contínua, por exemplo.
Transformadores de força de alta tensão imersos em óleo – usualmente em classes de tensão de 69 kV ou superiores – também possuem alguns aspectos interessantes para suportarem estes níveis de tensão sem sofrerem desgaste prematuro ou falhas intempestivas.
O sistema de resfriamento destes equipamentos é um destes itens, sendo também item de classificação de transformadores. A identificação é feita com quatro letras, assim definidas:
1ª letra: meio isolante interno em contato com os enrolamentos.
O – líquido isolante com ponto de combustão menor ou igual a 300°C;
K – líquido isolante com ponto de combustão maior do que 300°C;
L – líquido isolante com ponto de combustão não mensurável;
2ª letra: circulação do meio de resfriamento e dos enrolamentos.
N – circulação natural por convecção entre radiadores e enrolamentos;
F – circulação forçada por convecção através do sistema de resfriamento;
D – circulação forçada através do sistema de resfriamento e direcionada até os enrolamentos;
3ª letra: meio de resfriamento externo.
A –ar (air);
W – água (water);
4ª letra: natureza da circulação do meio de resfriamento externo.
N – convecção natural;
F – circulação forçada através de bombas, ventiladores ou similares.
Comutação
Também podemos destacar a comutação sob carga, que não acontece em transformadores de distribuição e de menor porte. Com um comutador externo ao tanque do transformador, um relé regulador de tensão aumenta ou diminui o “tap” de um ou mais transformadores através de seus comutadores, para manter a tensão a mais próxima possível da fornecida pela concessionária.
A finalidade é manter um nível constante de tensão de saída, já que normalmente estes transformadores alimentam grandes fábricas, bairros ou até mesmo cidades inteiras.
Figura 02 – vista superior de uma bucha capacitiva. Fonte: treetech.com.br
Conforme imagem acima, outra particularidade de transformadores de grande porte são as buchas capacitivas de alta tensão. Estas possuem uma capacitância elevada internamente, proveniente de sua forma construtiva através da isolação com óleo dielétrico.
A forma construtiva deste tipo de bucha dá origem a uma capacitância entre o condutor central da bucha e a terra, com passagem de corrente de fuga para este terra. Este corrente também vai possuir uma componente resistiva que em caso de falha altera os valores da corrente de fuga. Estas falhas podem ser medidas através dos parâmetros de capacitância interna e tangente delta (através do ensaio de fator de potência).
Com avanços na área de ensaios e monitoramento de transformadores, há monitores de buchas capacitivas no mercado que conseguem avaliar estes parâmetros baseados em valores já ensaiados.
Enfim, todas estas definições são importantes para estabelecermos um paralelo entre transformadores de distribuição e força. Se levarmos em conta todas as etapas do sistema elétrico existente (geração, transmissão e distribuição) poderíamos dizer que todos os transformadores seriam de distribuição.
Em termos normativos, não ocorre o mesmo.
Referencias:
- Normas ABNT NBR 5356:2016, partes 1 à 11, que normatiza transformadores, suas características e requisitos em geral.