UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
EVERTON FORNARI MARIN
REFRIGERAÇÃO DE TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES
PATO BRANCO 2012
1. INTRODUÇÃO Transformadores de potência são equipamentos cujo princípio básico de funcionamento ocorre por meio da conversão de diferentes níveis de tensão entre a fonte, ligada ao primário, e a carga alimentada, ligada ao secundário. São formados por vários dispositivos e dependem da interação entre esses componentes para um perfeito funcionamento. No entanto, como em qualquer outro tipo de máquina elétrica, podem ocorrer perdas na forma de calor e que contribuem para o aquecimento das máquinas (BECHARA, 2010). Para evitar que se atinjam temperaturas elevadas, que possam comprometer o isolamento dos enrolamentos, é preciso dotar o transformador de um sistema de refrigeração adequado. Com o aumento das perdas do transformador, o número e o tamanho dos radiadores necessários para resfriar o óleo aumenta. Eventualmente, um ponto é atingido no qual o ar e a convecção natural não são suficientes para eliminar o calor, e, com isso, tornase necessário forçar, com motores, a passagem de ar através dos radiadores (NOGUEIRA & ALVES, 2009). Conforme a circulação do fluído refrigerante seja feita por convecção natural ou forçada (impulsionada por uma bomba) fala-se em refrigeração natural (N) ou forçada (F). Da mesma forma que a capacidade de resfriamento é aumentada pelo uso do ar forçado, a capacidade de carregamento do transformador também é aumentada, podendo chegar a 125%, ou até mesmo 130% da potência nominal. Ao conectar mais carga ao transformador, pode ser atingia uma situação em que a temperatura interna do equipamento seja a máxima suportável. Neste caso, desejando-se aumentar o carregamento, a solução é aumentar a velocidade do óleo, bombeando-o com bombas localizadas na parte inferior dos radiadores (NOGUEIRA & ALVES, 2009).
2. PRINCIPAIS MEIOS REFRIGERANTES Os principais meios de refrigeração são o ar, água e o óleo mineral, onde o uso do óleo e de outros líquidos justifica-se pelas melhores características técnicas e elétricas do material, como rigidez elétrica, condutividade térmica e maior calor específico, evitando, assim, a oxidação dos materiais através de uma maior capacidade de armazenamento térmico (ARANA, 2007). Assim os dois principais meios de refrigeração de transformadores são a seco e em líquido isolante, conforme descrição:
Transformador a seco (figura 01) é o transformador cujo núcleo e enrolamento estão envoltos e refrigerados pelo ar do ambiente. Dentro desse grupo estão todos os pequenos transformadores e os de baixa potência nos quais a troca de calor é feita com o ar. Para os transformadores desse grupo que necessitarem de maior refrigeração, usam-se ventiladores que forçam a circulação do ar.
Figura 01. Transformador com refrigeração a seco.
Transformador em líquido isolante (figura 02) é o transformador cujo núcleo e enrolamento são imersos em líquido isolante. Esse líquido exerce duas funções: isolação e resfriamento, pois transfere para as paredes do tanque o calor produzido. Os transformadores que
necessitam desse tipo de resfriamento são os trifásicos de grande potência, usados na rede de distribuição de energia elétrica.
Figura 02. Transformador com refrigeração a óleo.
A refrigeração, quando feita através de cubas ou tanques, que imergem os transformadores em óleo, elimina o calor por convecção e irradiação, sendo que a refrigeração exterior da cuba pode ser feita de forma natural ou forçada, através de ventiladores. O óleo propriamente dito também pode ter uma circulação forçada através de uma bomba, onde a refrigeração é feita através de um permutador de calor óleo-água (BATISTA, 2005). As
normas
classificam
os
sistemas
de
refrigeração
dos
transformadores segundo o refrigerante primário (em contato com partes ativas) e secundário (utilizado para arrefecer o primário).
3. CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS DE RESFRIAMENTO (NBR 5356) A classificação dos transformadores é realizada através do método de resfriamento
utilizado,
onde
cada
método
apresenta
correspondente, conforme a tabela 01 baseada na NBR 5356.
um
símbolo
Tabela 01 – Símbolos para classificação dos transformadores
Natureza do meio de resfriamento Óleo Líquido isolante sintético não-inflamável Gás Água Ar Natureza da circulação Natural Forçada (no caso de óleo, fluxo não dirigido) Forçada com fluxo de óleo dirigido*
Símbolo O L G W A Símbolo N F D
* Em transformadores com circulação forçada com fluxo de óleo dirigido, certa proporção do fluxo de óleo forçado é canalizada através dos enrolamentos. Certos enrolamentos, no entanto, podem ter fluxo de óleo não dirigido; por exemplo, enrolamentos de regulação separados e enrolamentos terciários.
A nomenclatura do transformador será obtida pela utilização de 4 símbolos, dependendo do método de resfriamento empregado, com exceção dos transformadores secos, sem invólucro protetor, que serão designados por dois símbolos apenas. A ordem de arranjo dos símbolos é pré determinada e segue conforme a tabela 02. Tabela 02 – Ordem de utilização dos símbolos de classificação de transformadores
Primeira letra
Segunda letra
Indicativa do meio de resfriamento em contato com os enrolamentos Natureza do meio de resfriamento
Natureza da circulação
Terceira letra Quarta letra Indicativa do meio de resfriamento em contato com o sistema de resfriamento externo Natureza do meio de resfriamento
Natureza da circulação
A construção da nomenclatura é feita pela utilização dos símbolos correspondentes aos diferentes métodos de resfriamento separados por traços inclinados, como por exemplo em um transformador imerso em óleo com circulação forçada e dirigida do fluxo de óleo e circulação forçada do ar sendo nomeado ODAF. Quando os transformadores apresentam alternativas de resfriamento a nomenclatura pode seguir, por exemplo, ONAN/ONAF. As figuras 03, 04, 05, 06 e 07 ilustram alguns modelos de transformadores.
Figura 03. Transformador ONAN e seu esquema de funcionamento.
Figura 04. Transformador OFWF e seu esquema de funcionamento.
Figura 05. Transformador ODAF.
Figura 06. Esquema de funcionamento de um transformador ONAF.
Figura 07. Esquema de funcionamento de um transformador OFAF.
4. CAPACIDADE DE SOBRECARGA (MÁXIMAS TEMPERATURAS, MÁXIMA SOBREELEVAÇÃO DE TEMPERATURA)
A NBR5356 define limites de elevação da temperatura dos enrolamentos, do óleo, das partes metálicas e das outras partes dos transformadores, visando assim seu funcionamento normal. Os valores referência estão dispostos na tabela 03. Transformadores com enrolamentos individuais devem considerar as elevações de temperatura relativas a combinação de carga mais severa para o enrolamento
considerado.
Nos
transformadores
com
mais
de
dois
enrolamentos, a elevação da temperatura da camada superior do óleo referese à combinação especificada de carga para a qual as perdas totais são mais elevadas.
Os limites de elevação de temperatura dos enrolamentos, do óleo e das partes metálicas, quando projetados para funcionamento em locais onde a temperatura do ar de resfriamento exceder os valores apresentados na tabela 03 em não mais que 10 oC devem ser reduzidos da seguinte forma, quando a potência nominal for igual ou superior a 10 MVA, a redução deve corresponder ao excesso de temperatura, para potências nominais inferiores a 10 MVA, as reduções devem ser de 5 oC, se o excesso de temperatura for igual ou superior a 5 oC; ou de 10 oC, se o excesso de temperatura for superior a 5 oC e igual ou inferior a 10 oC. Tabela 03 – Limites da elevação de temperatura
Tipos de transformadores
Sem conservador ou sem gás inerte acima do óleo o e l ó m E
Com conservador ou com gás inerte acima do óleo
Limites de elevação de temperatura ( oC) (A) Dos enrolamentos Do Das partes metálicas óleo Método da variação da Do Em contato Não em resistência ponto com a contato mais isolação com a Circulação Circulação sólida ou isolação do óleo forçada de quente adjacente a sólida e não natural ou óleo com ela adjacente a forçada fluxo ela sem fluxo dirigido de óleo dirigido A Não devem temperatura (B) 55 60 65 50 atingir não deve temperaturas atingir, em superiores à nenhum máxima caso, (C) especificada valores que 55 60 65 55 para o ponto venham a mais quente danificar 65 70 80 65 da isolação estas adjacente ou partes, em contato outras com esta partes ou materiais adjacentes
Os materiais isolantes, de acordo com experiência prática e ensaios, devem ser adequados para o limite de elevação de temperatura em que o transformador é enquadrado. (B) Medida próxima à superfície do óleo. (C) Medida próxima à parte superior do tanque, quando tiver conservador, e próxima à superfície do óleo, no caso de gás inerte. (D) Quando é utilizada isolação de papel, este deve ser termoestabilizado. (A)
Os transformadores a óleo têm normalmente melhor rendimento que os do tipo seco e, usualmente tem maior vida útil. O óleo é um meio mais eficiente
para dissipação das perdas permitindo melhor refrigeração do transformador além de reduzir a temperatura dos pontos quentes nos enrolamentos. Esta característica permite uma maior capacidade de sobrecarga. Transformadores imersos em óleo não têm limites de tensão e potência o que não ocorre com os do tipo seco, o limite de potência mais comum é de 10 MVA e tensão máxima de operação no primário até 36 kV sendo a de 15 kV mais comum no Brasil. As tensões secundárias podem ser 7,2 kV, 4,16 kV, 480 V, etc., sem problemas. Para uso externo o tipo predominante escolhido é a óleo (SARAIVA, 2010). Os transformadores a seco têm limitação de uso em tensão nominal e potência. Dependendo do tipo podem ser fabricados para tensões até 36 kV e potências de até 30 MVA. O mais usual é o uso em tensões primárias da classe de 15 kV e potências variando de 500 a 2500 kVA (SARAIVA, 2010).
5. REFERÊNCIAS ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5356-1: Transformadores de potência - Parte 1: Generalidades. ABNT; 2007. ARANA, Edgar. Conversão Eletromecânica de Energia. Capítuilo III - Teoria dos Transformadores. Pág. 34-61. 2007. BATISTA, Douglas Antonio. Desenvolvimento de Metodologia Colorimétrica para Dosagem de Compostos Furânicos em Óleo Mineral Isolante. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Paraná - Setor de Tecnologia, Programa de PósGraduaçăo em Engenharia - PIPE. Curitiba, 2005. BECHARA, Ricardo. Análise de falhas em transformadores de potência. Dissertação de Mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas. 102 p.. São Paulo, 2010. NOGUEIRA, Daniel da Silva & ALVES, Diego Prandino. Transformadores de Potência - Teoria e Aplicação - Tópicos Essenciais. Trabalho de conclusão de curso. Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro - Departamento de Engenharia Elétrica. 201 p. Rio de Janeiro, 2009. SARAIVA, Carlos Alberto de Moura. Escolha entre transformadores imersos em óleo isolante e transformadores secos para uso em áreas industriais. 2010.
Disponível em: http://pt.scribd.com/doc/41737487/Escolha-entre-transformadoresimersos-em-oleo-isolante-e-t%E2%80%A6. Acesso em: 01/10/2012.
