Condições Térmicas De Operação De Transformadores De Potência

1- INTRODUÇÃO

O intuito deste trabalho é conhecer as características de funcionamento dos transformadores de potência. Para isso é preciso conhecer os valores de temperatura que um Trafo pode estar submetido. Veremos também que além da temperatura externa, a carga aplicada ao transformador afeta diretamente em sua quantidade de calor.

A importância desse assunto é relevante pois o fator temperatura agrava o desgaste dos transformadores reduzindo sua vida útil. Conhecer os limites de funcionamento dos mesmos acarreta em um aproveitamento maior, ou seja ele trabalha no seu limite sem se danificar, as manutenções são mais precisas porque não há nem excesso nem falta de manutenções preventivas.

2- DESENVOLVIMENTO

2.1- Componentes de um transformador de potência:

Basicamente os transformadores de potência são divididos nas seguintes partes:

- núcleo de ferro magnético;

- enrolamentos primário e secundário (em alguns casos são acrescidos de um enrolamento terciário e de outro de tensão de serviço);

- fluído refrigerante e isolante;

- invólucro (caixa, tanque ou carcaça) e radiadores;

- comutador a vazio ou sob carga;

- instrumentação e acessórios de interligação, proteção, sinalização e controle.

2.2- Características térmicas em operação

Quando em operação, a passagem da corrente elétrica alternada pelos enrolamentos provoca as chamadas “perdas no ferro” (por histerese magnética e por correntes parasitas) e “perdas no cobre ou no enrolamento”, decorrentes da Lei de Joule. As perdas traduzem-se em dissipação de potência e aquecimento na chamada “parte ativa” do equipamento (núcleo magnético e enrolamentos) numa relação que, de forma simplificada, pode afirmar-se que quanto maior a potência transformada, e consequentemente maior corrente elétrica, maior a potência dissipada na forma de perdas térmicas.

Relativamente às perdas no ferro e no cobre e seus respectivos comportamentos nas diversas condições de carregamento do transformador, cabe citar os resultados do experimento de Kosow (2005) que, observando os resultados da medição e comparação das perdas em um transformador de 500 kVA, constatou que nas condições de baixo carregamento a influência das perdas no ferro nas perdas totais é alta. Nas condições de carregamento elevadas cresce a influência das perdas no cobre sobre o resultado obtido para as perdas totais.

Além das perdas no ferro, que se comportam como valores quase constantes, é possível concluir que um aumento de potência transformada reflete-se imediatamente no aumento da temperatura do fluído refrigerante e nos fluxos convectivos internos (parte ativa, fluído, invólucro e radiadores) e externos (invólucro, radiadores e ambiente externo). Em equipamentos de grande porte, com a finalidade de ampliar as trocas térmicas com o meio externo e possibilitar a operação nas temperaturas previstas na norma de projeto e operação os projetistas empregam recursos como estágios de ventilação forçada nos radiadores, convecção forçada por bombeamento do fluído e trocadores de calor externos com fluídos refrigerados.

Sendo assim, a NBR 5416 (ASSOCIA- ÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1997) classifica os equipamentos em dois grupos: aqueles com limites operativos de 55o C acima da temperatura ambiente e que não podem exceder a 65o C no ponto mais quente do enrolamento (Hot Spot); e aqueles que podem operar com 65o C, ou, no máximo, 80o C no ponto mais quente. É relevante considerar que os materiais e fluídos isolantes empregados nestes equipamentos começam a deteriorar-se com o aumento da temperatura, chegando a limites de acelerada degradação na faixa dos 105o C, e riscos de inflamação na faixa dos 115o C. Como fator de projeto, é usual estipular-se que as temperaturas do fluído isolante acima de 75o C influirão na diminuição da “vida útil” do equipamento e na redução dos intervalos entre manutenções preventivas e preditivas recomendadas (MILASCH, 1984).

Na maioria dos casos, as concessionárias de energia elétrica, assim como as empresas que possuem subestações de grande porte para abastecimento próprio, estabelecem padrões de operação que permitem sobrecarregar os equipamentos em percentuais aplicáveis à respectiva potência nominal. Determinam o acompanhamento instrumental da temperatura de trabalho como forma de controle do comprometimento da vida útil e dos prazos de manutenção. Tal técnica, quando aplicada de forma indiscriminada, sem considerar a “história” da operacionalidade de cada equipamento, pode representar, em alguns casos, situações de extremo conservadorismo por não utilizar o equipamento no seu melhor potencial operativo, ou de risco excessivo para a segurança, expondo o equipamento a avarias e reduzindo sua vida útil. De outra forma, os métodos de carrega- mento por aplicação genérica de sobrecargas percentuais, até então muito utilizados pelas concessionárias, podem ser contestados.

É possível afirmar que uma alta sobrecarga de curta duração, quando a temperatura ambiente externa é baixa, pode ser menos danosa ao equipamento que uma sobrecarga baixa, com longa duração, principalmente em regime climático externo de temperaturas elevadas. Ou seja, em princípio, a mesma regra para admitir ou limitar sobrecargas não pode ser aplicada em equipamentos operando no inverno e no verão, ou em regimes temporários e permanentes, ou ainda em regiões e regimes de carga diferenciados.

2.3- Efeitos causados pelo sobreaquecimento

- Evolução dos gases liberados pela isolação dos enrolamentos e dos condutores quando aquecidos em função da carga e das correntes parasitas;

- Evolução dos gases liberados das isolações adjacentes à estrutura metálica;

- A operação a altas temperaturas pode causar a diminuição da resistência mecânica dos condutores e isolação estrutural;

- Expansão térmica dos condutores, materiais isolantes ou partes estruturais a altas temperaturas pode causar deformações permanentes