O curto circuito é um evento altamente indesejado, para qualquer que seja o elemento de uma instalação elétrica, incluindo o transformador, no qual os efeitos principais são dois: térmico e mecânico.

O primeiro efeito, o térmico, tem consequências de relativamente menor gravidade do que o segundo efeito, o mecânico.

Isso porque a inércia térmica inerente à massa total do transformador não permite a elevação de temperatura do transformador como um todo, antes que a proteção contra curto-circuito atue. Desta forma, o sobreaquecimento ficar localizado em regiões periféricas à superfície dos condutores dos enrolamentos, mas que pode ser muito prejudicial aos materiais sólidos isolantes que ali se encontram, tais como o verniz e/ou o papel kraft. Entretanto, o efeito mecânico pode ser considerado como “mortal”.

Afinal, os esforços que surgem tanto entre espiras de um mesmo enrolamento quanto entre enrolamentos, propriamente, podem deslocar essas mesmas espiras ou enrolamentos, levando o transformador a um processo de destruição crescente. Para que isso ocorra com um transformador, basta que um curto-circuito aconteça em seu secundário, num ponto externo ao transformador. Então, invariavelmente antes que a proteção possa atuar, por mais rápida que ela seja, para interromper o curto-circuito, esforços vigorosos, de natureza magnética, vão se manifestar entre condutores, com a dependência do quadrado do valor da corrente, podendo vir a mover todo um enrolamento, se esse não estiver devidamente calçado.

Esforços

Esses esforços são de atração entre condutores que conduzem correntes com sentido contrário e de repulsão entre condutores que conduzem correntes com mesmo sentido. Consequentemente, um novo curto-circuito, agora interno ao transformador e, portanto, da maior intensidade, pode ocorrer, num curto espaço de tempo dado para a proteção agir.

Por isso, num projeto bem elaborado, o projetista deve estar atendo à localização de calços e demais elementos de suporte mecânico, tais como vigas e tirantes, tendo em vista a suportabilidade do transformador aos esforços inerentes de um curto circuito. Esses esforços podem ser radiais e axiais aos enrolamentos. Este se torna um item bem complexo para o projetista, uma vez que ele deverá estar tanto atento aos itens de natureza mecânica, quanto a itens específicos, de natureza elétrica.

Por exemplo, de natureza mecânica, o cálculo de esforços através de diagramas de momento e o conhecimento e a adequação de materiais a serem aplicados para resistir aos esforços. Já quanto à natureza elétrica, o conhecimento das curvas características de atuação dos dispositivos de proteção, tais como fusíveis e disjuntores, é essencial. Assim como também é essencial ter domínio sobre o valor da impedância do transformador, uma vez que, na pior das hipóteses, o curto-circuito pode ocorrer nos terminais do seu circuito secundário e, assim, a sua impedância poderá vir a ser a única a limitar a corrente de curto-circuito.

Mais esforços

Por conta da natureza mecânica do fator mais grave a considerar, que são os esforços mecânicos entre enrolamentos, é usual que o circuito magnético de transformadores tenha a seção reta de suas colunas com o formato mais próximo possível do circular. Ou seja, pacotes de lâminas de aço-silício são empilhados em degraus com diferentes larguras, de forma a preencher uma circunferência.

Isso permite o uso de enrolamentos com seção circular, também. Por exemplo, contínuos, em camadas ou em discos que. Na ocorrência de um curto-circuito vão distribuir os esforços radiais uniformemente ao longo do perímetro, facilitando a aplicação de suportes. Esse tipo de arranjo está mostrado na Figura 1, abaixo.

Figura 1 – Seção reta usual de uma coluna do circuito magnético de um transformador – A preocupação com os esforços mecânicos, faz com que o arranjo tenha natureza circular. Tanto para o circuito magnético quanto para os enrolamentos.

Concluindo

Já, por exemplo, enrolamentos com o perímetro retangular, que podem parecer ser mais óbvios a serem utilizados, tenderiam a sofrer um concentrado esforço na parte central de cada lado do enrolamento, forçando o perímetro a se tornar circular, deformando significativamente, senão sob a aplicação e um sistema mais complexo de calços e outros contentores de esforços. A Figura 2 ilustra esse caso.

Figura 2 – Seção reta retangular de uma coluna do circuito magnético de um transformador – A suportabilidade de esforços se mostra mais vulnerável na parte central de cada lado do retângulo, exigindo um sistema mais complexo (e caro) para a sua contenção.

Finalmente, cabe ressaltar que os esforços axiais nunca devem ser esquecidos. Assim, por exemplo, o uso de bobinas concêntricas com diferentes alturas pode vir a ser um problema, se senão não apresentarem simetria.