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DT-11 CARACTERÍSTICAS E ESPECIFICAÇÕES DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO E FORÇA Informações Técnicas DT -11 1 Fornecimento Cia. Mineradora Zaldivar – Chile Transformador 40/50/60 MVA – Classe 242 kV Informações Técnicas DT -11 2 Informações Técnicas DT -11 3 PREFÁCIO O curso em questão refere-se a transformadores trifásicos, imersos em líquido isolante, previstos para instalação interna ou externa, com classes de tensão até 245kV, em freqüência de 60Hz ou 50Hz. Também são abordados aspectos específicos relacionados a transformadores a seco, encapsulados em resina epóxi, classe de tensão até 24,2kV. Este trabalho destina-se a dar subsídios e esclarecimentos necessários para uma boa especificação de transformadores. Aliás, uma correta seleção implica diretamente na redução do custo do equipamento e nos prazos de recebimento e instalação. Os transformadores WEG são projetados e construídos segundo normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), em suas últimas edições, assim como normas internacionais, sempre que especificado. Recomendamos, para aqueles que desejarem se aprofundar no estudo de transformadores, que tenham a disposição as seguintes normas: - NBR 5356 - Transformador de Potência: Especificação - NBR 5440 - Transformadores para Redes Aéreas de Distribuição: Padronização - NBR 5380 - Transformador de Potência: Método de Ensaio - NBR 5416 - Aplicação de Cargas em Transformadores de Potência: Procedimento - NBR 5458 - Transformador de Potência: Terminologia - NBR 10295 - Transformadores de Potência Secos - IEC 76 – Transformador de Puissance É muito importante, também, que o interessado tenha em mãos as publicações específicas para transformadores, emitidas pela concessionária de energia da região onde será instalado o equipamento. WEG INDÚSTRIAS S.A. - Transformadores Informações Técnicas DT -11 4 Informações Técnicas DT -11 5 ÍNDICE HISTÓRICO ..............................................................................................................13 1. NOÇÕES FUNDAMENTAIS ................................................................................15 1.1. TRANSFORMADORES E SUAS APLICAÇÕES...............................................15 1.2. TIPOS DE TRANSFORMADORES...................................................................17 1.2.1. Divisão dos Transformadores quanto à Finalidade ........................................17 1.2.2. Divisão dos Transformadores quanto aos Enrolamentos ...............................17 1.2.3. Divisão dos Transformadores quanto aos Tipos Construtivos .......................17 1.3. COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR......................................................18 1.4. SISTEMAS ELÉTRICOS ...................................................................................21 1.4.1. Sistemas de Corrente Alternada Monofásica .................................................21 1.4.1.1. Generalidades..............................................................................................21 1.4.1.2. Tipos de ligação...........................................................................................21 1.4.2. Sistemas de Corrente Alternada Trifásica ......................................................22 1.4.2.1. Tipos de ligação...........................................................................................23 1.4.2.2. Autotransformador........................................................................................29 1.5.1. Potência Ativa ou Útil .....................................................................................30 1.5.2. Potência Reativa ............................................................................................31 1.5.3. Potência Aparente ..........................................................................................31 2. DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃO...........................................35 2.1. POTÊNCIA NOMINAL.......................................................................................35 2.1.1. Transformadores Trifásicos ............................................................................35 2.1.2. Transformadores Monofásicos .......................................................................35 2.1.3. Potências Nominais Normalizadas .................................................................35 2.2. TENSÕES .........................................................................................................36 2.2.1. Definições.......................................................................................................36 2.2.2. Escolha da Tensão Nominal...........................................................................37 2.2.2.1. Transformadores de distribuição .................................................................37 2.2.2.2. Transformador de distribuição a ser instalado no domínio de uma concessionária............................................................................................39 2.2.2.3. Transformador para uso industrial...............................................................39 Informações Técnicas DT -11 6 2.3. DERIVAÇÕES...................................................................................................40 2.3.1. Definições.......................................................................................................41 2.4. CORRENTES ....................................................................................................43 2.4.1. Corrente Nominal ...........................................................................................43 2.4.2. Corrente de Excitação ....................................................................................43 2.4.3. Corrente de Curto-Circuito .............................................................................44 2.4.3.1. Corrente de curto-circuito permanente.........................................................44 2.4.3.2. Corrente de curto-circuito de pico................................................................45 2.4.4. Corrente de Partida ou Inrush ........................................................................45 2.5. FREQÜÊNCIA NOMINAL..................................................................................46 2.6. NÍVEL DE ISOLAMENTO..................................................................................46 2.7. DESLOCAMENTO ANGULAR ..........................................................................47 2.8. IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS..................................................................513. CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO...........................................................55 3.1. PERDAS............................................................................................................55 3.1.1. Perdas no Material dos Enrolamentos (Perdas em Carga ou no Cobre)........55 3.1.2. Perdas no Ferro do Núcleo Magnético (Perdas em Vazio) ............................55 3.2. RENDIMENTO ..................................................................................................59 3.3. REGULAÇÃO....................................................................................................60 3.4. CAPACIDADE DE SOBRECARGA...................................................................61 4. CARACTERÍSTICAS DA INSTALAÇÃO.............................................................68 4.1. OPERAÇÃO EM CONDIÇÕES NORMAIS E ESPECIAIS DE FUNCIONAMENTO. .........................................................................................68 4.2. CONDIÇÕES NORMAIS DE TRANSPORTE E INSTALAÇÃO.........................69 4.3. OPERAÇÃO EM PARALELO............................................................................71 4.3.1. Diagramas Vetoriais com mesmo Deslocamento Angular..............................71 4.3.2. Relações de Transformação Idênticas inclusive Derivações..........................71 4.3.3. Impedância.....................................................................................................72 4.4. OPERAÇÃO EM PARALELO............................................................................75 5. SELEÇÃO DOS TRANSFORMADORES ............................................................77 5.1. DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA DO TRANSFORMADOR ............................77 5.2. FATOR DE DEMANDA (D) ...............................................................................77 Informações Técnicas DT -11 7 5.2.1. Determinação da Demanda Máxima de um Grupo de Motores .....................78 5.2.2. Determinação da Demanda Máxima da Instalação........................................81 5.3. CONSIDERAÇÕES SOBRE O USO DAS TABELAS........................................81 5.4. CRITÉRIOS DE ESCOLHA DOS TRANSFORMADORES COM BASE NO VALOR OBTIDO NA DEMANDA ......................................................................82 5.4.1. Eventuais Aumentos da Potência Instalada ...................................................88 5.4.2. Conveniência da Subdivisão em mais Unidades............................................88 5.4.3. Potência Nominal Normalizada ......................................................................89 5.5. DADOS NECESSÁRIOS PARA IDENTIFICAÇÃO DO TRANSFORMADOR ...90 6. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS..............................................................91 6.1. PARTE ATIVA ...................................................................................................91 6.1.1. Núcleo ............................................................................................................93 6.1.2. Enrolamento ...................................................................................................94 6.1.3. Dispositivos de Prensagem, Calços e Isolamento..........................................97 6.1.4. Comutador de Derivações..............................................................................97 6.1.4.1. Tipo painel....................................................................................................97 6.1.4.2. Comutador acionado à vazio........................................................................98 6.1.4.3. Comutador sob carga..................................................................................100 6.2. BUCHAS .........................................................................................................102 6.3. TANQUE .........................................................................................................106 6.3.1. Selados ........................................................................................................107 6.3.2. Com Conservador de Óleo...........................................................................108 6.3.3. Transformadores Flangeados ......................................................................108 6.4. RADIADORES.................................................................................................109 6.5. TRATAMENTO SUPERFICIAL E PINTURA ...................................................110 6.6. LÍQUIDO DE ISOLAÇÃO E REFRIGERAÇÃO................................................110 6.7. PLACAS DE IDENTIFICAÇÃO E DIAGRAMÁTICA ........................................114 6.8. ACESSÓRIOS.................................................................................................118 6.8.1. Indicador de Nível do Óleo ...........................................................................120 6.8.2. Termômetros ................................................................................................120 6.8.3. Termômetro do Enrolamento com Imagem Térmica ....................................122 6.8.4. Controladores Microprocessados de Temperatura.......................................124 Informações Técnicas DT -11 8 6.8.5. Válvula de Alívio de Pressão (VAP) .............................................................125 6.8.6. Relê Detetor de Gás Tipo Buchholz .............................................................126 6.8.7. Secador de Ar de Sílica Gel .........................................................................127 6.8.8. Relê de Pressão Súbita................................................................................129 6.8.9. Tubo de Explosão.........................................................................................130 6.8.10. Manômetro e Vacuômetro ..........................................................................130 6.8.11. Relê de Tensão ..........................................................................................131 6.8.12. Paralelismo de Transformadores com Comutadores em Carga.................131 6.8.13. Sistema de Ventilação Forçada..................................................................131 6.8.14. Sistema de Óleo Forçado...........................................................................132 6.8.14.1. Sistema OFWF ........................................................................................133 6.8.14.2. Sistema OFAF com trocador de calor óleo-ar (aerotermo)......................134 6.8.14.3. Sistema ONAN/OFAN/ONAF/OFAF........................................................134 7. TRANSFORMADORES A SECO.......................................................................136 7.1. HISTÓRIA DO TRANSFORMADOR ...............................................................136 7.1.1. Retrospecto ..................................................................................................136 7.1.2. A Situação Hoje............................................................................................139 7.2. TRANSFORMADORES ENCAPSULADOS WEG ...........................................139 7.3. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS ..........................................................140 7.3.1. Núcleo e Ferragens ......................................................................................140 7.3.2. Bobinas de Baixa Tensão.............................................................................1407.3.3. Bobinas de Alta Tensão ...............................................................................141 7.3.4. Acessórios....................................................................................................143 7.3.4.1. Comutador de tensão sem carga ..............................................................143 7.3.4.2. Sistema de monitoramento térmico ...........................................................144 7.3.4.3. Sistema de ventilação forçada...................................................................144 7.3.4.4. Cubículo de proteção ................................................................................145 7.4. GARANTIA DE QUALIDADE E TESTES ........................................................147 7.5. VANTAGENS ..................................................................................................149 7.5.1. Isentos de Manutenção ................................................................................149 Informações Técnicas DT -11 9 7.5.2. Fácil Instalação.............................................................................................149 7.5.2.1 Ambiente de instalação ..............................................................................150 7.5.3. Baixíssimos Níveis de Descargas Parciais...................................................153 7.5.4. Alta Suportabilidade a Sobretensões ...........................................................154 7.5.5. Alta Capacidade de Sobrecarga...................................................................154 7.5.6. Insensíveis ao Meio......................................................................................155 7.5.7. Alto Extinguível.............................................................................................157 7.5.8. Resistente a Curto-Circuito ..........................................................................159 7.5.9. Baixo Nível de Ruído....................................................................................160 7.5.10. Assistência Técnica WEG ..........................................................................160 7.5.11. Compatíveis com o Meio Ambiente ............................................................161 7.6. APLICAÇÕES .................................................................................................161 7.7. ESPECIFICAÇÕES .........................................................................................162 7.7.1 Normas..........................................................................................................163 7.7.2. Potências......................................................................................................163 7.7.3. Classes de Tensão.......................................................................................163 7.7.4. Tensão Nominais e Derivações....................................................................164 7.7.5. Freqüência e Ligações .................................................................................164 7.7.6. Temperaturas ...............................................................................................164 7.7.7. Perdas, Corrente de Excitação e Impedância ..............................................165 7.7.8. Dimensões ...................................................................................................165 7.8. NORMA BRASILEIRA PARA ESPECIFICAÇÃO DE SECOS .........................166 8. ENSAIOS ........................................................................................................175 8.1. ENSAIOS DE ROTINA....................................................................................175 8.1.1. Relação de Tensões.....................................................................................176 8.1.2. Polaridade ....................................................................................................177 8.1.3. Deslocamento Angular e Sequência de Fases .............................................177 8.1.4. Resistência do Isolamento ...........................................................................178 8.1.5. Resistência Elétrica dos Enrolamentos ........................................................181 8.1.6 Tensão aplicada ............................................................................................181 8.1.7. Tensão induzida ............................................................................................184 Informações Técnicas DT -11 10 8.1.8. Perdas em Vazio e Corrente de Excitação....................................................184 8.1.9 Perdas em Carga ..........................................................................................185 8.2. ENSAIOS DE TIPO E ESPECIAIS.................................................................186 8.2.1 Descargas Parciais........................................................................................186 8.2.2 Ensaio de Fator de Potência do Isolamento..................................................187 8.2.3 Impulso Atmosférico ......................................................................................187 8.2.4 Elevação de Temperatura .............................................................................188 8.3 ENSAIO EM OLEO ISOLANTE......................................................................189 8.3.1 Tipo de Oleo Mineral Isolante.........................................................................190 8.3.2 Características do Oleo ..................................................................................191 8.3.3 Ensaios Físico-Químicos realizados na WEG................................................192 9. INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO.......................................................................194 9.1. TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO ..................................................194 9.1.1. Recebimento ................................................................................................194 9.1.2. Manuseio......................................................................................................194 9.1.3. Armazenagem ..............................................................................................195 9.1.4. Instalação .....................................................................................................195 9.1.5. Manutenção..................................................................................................196 9.1.6. Inspeção Periódica .......................................................................................196 9.1.7. Revisão Completa ........................................................................................197 9.2. TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA (FORÇA)..........................................197 9.2.1. Recebimento ................................................................................................197 9.2.2. Descarregamento e Manuseio .....................................................................198 9.2.3. Verificações e Ensaios de Recebimento ......................................................198 9.2.4. Armazenamento ...........................................................................................198 9.2.5. Instalação .....................................................................................................199 9.2.6. Montagem do Transformador .......................................................................1999.2.7. Cuidados Recomendados durante e após a Montagem...............................200 9.3. ENSAIOS ........................................................................................................201 9.4. ENERGIZAÇÃO ..............................................................................................201 9.5. MANUTENÇÃO ...............................................................................................202 ANEXO I..................................................................................................................206 Informações Técnicas DT -11 11 FOLHA DE DADOS:TRANSFORMADOR DE DISTRIBUIÇÃO.............................206 ANEXO II.................................................................................................................209 FOLHA DE DADOS:TRANSFORMADOR DE FORÇA ..........................................209 ANEXO III................................................................................................................213 FOLHA DE DADOS: TRANSFORMADOR A SECO ..............................................213 Informações Técnicas DT -11 12 Informações Técnicas DT -11 13 HISTÓRICO A invenção do transformador de potência, que remonta o fim do século dezenove, tornou-se possível o desenvolvimento do moderno sistema de alimentação em corrente alternada, com subestações de potência freqüentemente localizadas a muitos quilômetros dos centros de consumo (carga). Antes disto, nos primórdios do suprimento de eletricidade pública, estes eram sistemas de corrente contínua, com a fonte de geração, por necessidade, localizados próximo do local de consumo. Indústrias pioneiras no fornecimento de eletricidade foram rápidas em reconhecer os benefícios de uma ferramenta a qual poderia dispor alta corrente, normalmente obtida a baixa tensão de saída de um gerador elétrico, e transformá-lo para um determinado nível de tensão possível de transmiti-la em condutores de dimensões práticos a consumidores que, naquele tempo, poderiam estar afastados a um quilômetro ou mais e poderiam fazer isto com uma eficiência e que, para os padrões da época, era nada menos que fenomenal. Atualmente, sistemas de transmissão e distribuição de energia são, é claro, vastamente mais extensos e totalmente dependentes de transformadores os quais, por si só, são muito mais eficientes que aqueles de um século atrás; dos enormes transformadores elevadores, transformando, por exemplo, 23,5kV (19.000A) em 400kV, assim reduzindo a corrente a valores práticos de transmissão de 1.200A, ou então, aos milhares de pequenos transformadores de distribuição, as quais operam quase continuamente, dia-a-dia, com menor ou maior grau de importância, provendo suprimento para consumidores industriais ou domésticos. Informações Técnicas DT -11 14 Informações Técnicas DT -11 15 1. NOÇÕES FUNDAMENTAIS 1.1. TRANSFORMADORES E SUAS APLICAÇÕES A energia elétrica, até chegar ao ponto de consumo, passa pelas seguintes etapas: a) geração: onde a força hidráulica dos rios ou a força do vapor superaquecido é convertida em energia nos chamados geradores; b) transmissão: os pontos de geração normalmente encontram-se longe dos centros de consumo; torna-se necessário elevar a tensão no ponto de geração, para que os condutores possam ser de seção reduzida, por fatores econômicos e mecânicos, e diminuir a tensão próxima do centro de consumo, por motivos de segurança; o transporte de energia é feito em linhas de transmissão, que atingem até centenas de milhares de volts e que percorrem milhares de quilômetros; c) distribuição: como dissemos acima, a tensão é diminuída próximo ao ponto de consumo, por motivos de segurança; porém, o nível de tensão desta primeira transformação não é, ainda, o de utilização, uma vez que é mais econômico distribuí-la em média tensão; então, junto ao ponto de consumo, é realizada uma segunda transformação, a um nível compatível com o sistema final de consumo (baixa tensão). A seguir, apresentamos, esquematicamente, um sistema de potência, incluindo geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Informações Técnicas DT -11 16 FIGURA 1.1 Informações Técnicas DT -11 17 1.2. TIPOS DE TRANSFORMADORES Sendo um equipamento que transfere energia de um circuito elétrico a outro, o transformador toma parte nos sistemas de potência para ajustar a tensão de saída de um estágio do sistema à tensão da entrada do seguinte. O transformador, nos sistemas elétricos e eletromecânicos, poderá assumir outras funções tais como isolar eletricamente os circuitos entre si, ajustar a impedância do estágio seguinte a do anterior, ou, simplesmente, todas estas finalidades citadas. A transformação da tensão (e da corrente) é obtida graças a um fenômeno chamado “indução eletromagnética”, o qual será detalhado mais adiante. 1.2.1. Divisão dos Transformadores quanto à Finalidade a) Transformadores de corrente b) Transformadores de potencial c) Transformadores de distribuição d) Transformadores de força 1.2.2. Divisão dos Transformadores quanto aos Enrolamentos a) Transformadores de dois ou mais enrolamentos b) Autotransformadores 1.2.3. Divisão dos Transformadores quanto aos Tipos Construtivos a) Quanto ao material do núcleo: - com núcleo ferromagnético; - com núcleo de ar. b) Quanto a forma do núcleo: - Shell; - Core: Informações Técnicas DT -11 18 Ø Enrolado: é o mais utilizado no mundo na fabricação de transformadores de pequeno porte (distribuição), alguns fabricantes chegam a fazer transformadores até de meia-força (10MVA): § Envolvido; § Envolvente. Ø Empilhado: § Envolvido; § Envolvente. c) Quanto ao número de fases: - monofásico; - polifásico (principalmente o trifásico). d) Quanto à maneira de dissipação de calor: - parte ativa imersa em líquido isolante (transformador imerso); - parte ativa envolta pelo ar ambiente (transformador a seco). (a) Tipo Shell (b) Tipo Core Envolvido (c) Tipo Core: Cinco Colunas Envolvente FIGURA 1.2 1.3. COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR O fenômeno da transformação é baseada no efeito da indução mútua. Veja a Figura 1.3, onde temos um núcleo constituído de lâminas de açoprensadas e onde foram construídos dois enrolamentos. Informações Técnicas DT -11 19 FIGURA 1.3 onde: U1 = tensão aplicada na entrada (primária) N1 = número de espiras do primário N2 = número de espiras do secundário U2 = tensão de saída (secundário) Se aplicarmos uma tensão U1 alternada ao primário, circulará por este enrolamento uma corrente I1 alternada que por sua vez dará condições ao surgimento de um fluxo magnético também alternado. A maior parte deste fluxo ficará confinado ao núcleo, uma vez que é este o caminho de menor relutância. Este fluxo originará uma força eletromotriz (f.e.m.) E1 no primário e E2 no secundário, proporcionais ao número de espiras dos respectivos enrolamentos, segundo a relação: a N N E E == 2 1 2 1 onde: a = razão de transformação ou relação entre espiras. As tensões de entrada e saída U1 e U2 diferem muito pouco das f.e.m. induzidas E1 e E2 e para fins práticos podemos considerar: Informações Técnicas DT -11 20 a N N U U == 2 1 2 1 Podemos também provar que as correntes obedecem à seguinte relação: a N N I I ou NINI == ×=× 2 1 1 2 2211 onde: l1 = corrente no primário l2= corrente no secundário Quando a tensão do primário U1 é superior a do secundário U2, temos um transformador abaixador (step down). Caso contrário, teremos um transformador elevador de tensão (step up). Para o transformador abaixador, a > 1 e para o elevador de tensão, a < 1. Cabe ainda fazer notar que sendo o fluxo magnético proveniente de corrente alternada, este também será alternado, tornando-se um fenômeno reversível, ou seja, podemos aplicar uma tensão em qualquer dos enrolamento que teremos a f.e.m. no outro. Baseando-se neste princípio, qualquer dos enrolamentos poderá ser o primário ou secundário. Chama-se de primário o enrolamento que recebe a energia e secundário o enrolamento que alimenta a carga. Informações Técnicas DT -11 21 1.4. SISTEMAS ELÉTRICOS Faremos uma rápida revisão de conceitos e fórmulas de cálculo, envolvidos nos sistemas elétricos com o objetivo de reativar a memória e retirar da extensa teoria aquilo que realmente interessa para a compreensão do funcionamento e para o dimensionamento do transformador. 1.4.1. Sistemas de Corrente Alternada Monofásica 1.4.1.1. Generalidades A corrente alternada se caracteriza pelo fato de que a tensão, em vez de permanecer fixa, como entre os pólos de uma bateria, varia senoidalmente com o tempo, mudando de sentido alternadamente, donde o seu nome. O número de vezes por segundo que a tensão muda de sentido e volta à condição inicial é a freqüência do sistema, expressa em “ciclos por segundo” ou “hertz”, simbolizada por “Hz”. No sistema monofásico, uma tensão alternada U (Volt) é gerada e aplicada entre dois fios, aos quais se liga a carga, que absorve uma corrente I (Ampère), conforme Figura 1.4. FIGURA 1.4 1.4.1.2. Tipos de ligação Se ligarmos duas cargas iguais a um sistema monofásico, esta ligação poderá ser feita de dois modos: Informações Técnicas DT -11 22 - ligação em série (Figura 1.5): na qual duas cargas são atravessadas pela corrente total ou de circuito; neste caso, a tensão em cada carga será a metade da tensão do circuito; - ligação em paralelo (Figura 1.6): na qual é aplicada as duas cargas, a tensão do circuito; neste caso, a corrente em cada carga será a metade da corrente total do circuito. FIGURA 1.5 FIGURA 1.6 1.4.2. Sistemas de Corrente Alternada Trifásica O sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos de tensões, U1, U2 e U3 tais que a defasagem entre elas seja 120° e os “atrasos” de U2 e U1 em relação a U3 sejam iguais a 120°, considerando um ciclo completo 360°. (Figura 1.4) Informações Técnicas DT -11 23 Ligando entre si os três sistemas monofásicos e eliminando os fios desnecessários, teremos um sistema trifásico de tensões defasadas de 120° e aplicadas entre os três fios do sistema. FIGURA 1.7 1.4.2.1. Tipos de ligação a) Ligação triângulo Chamamos “tensões e correntes de fase” as tensões e correntes de cada um dos três sistemas monofásicos considerados, indicados por Uf e If. Se ligarmos os três sistemas monofásicos entre si, como indica a Figura 1.8, podemos eliminar três fios, deixando apenas um em cada ponto de ligação, e o sistema trifásico ficará reduzido a três fios U, V e W. Informações Técnicas DT -11 24 FIGURA 1.8 A tensão em qualquer destes três fios chama-se “tensão de linha”, UL, que é a tensão nominal do sistema trifásico. A corrente em qualquer um dos fios chama-se “corrente de linha”, IL. Examinando o esquema da Figura 1.9, vê-se que: - a carga é aplicada a tensão de linha UL que é a própria tensão do sistema monofásico componente, ou seja, UL = Uf; - a corrente em cada fio de linha, ou corrente de linha IL é a soma das correntes das duas fases ligadas a este fio, ou seja, I = If1 + If2. FIGURA 1.9 Como as correntes estão defasadas entre si, a soma deverá ser feita graficamente, como mostra a Figura 1.10. Pode-se verificar que: ffL III ´=´= 732,13 Informações Técnicas DT -11 25 FIGURA 1.10 Exemplo: Em um sistema trifásico equilibrado de tensão nominal 220V, a corrente de linha medida é de 10A. Ligando a este sistema uma carga trifásica composta de três cargas iguais ligadas em triângulo, qual a tensão e a corrente ligada em cada uma das cargas? Temos: VUU Lf 220== , em cada uma das fases AIIII LffL 77,510577,0577,0732,1 =´=´=\´= , em cada uma das cargas b) Ligação estrela Ligando um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum aos três restantes, forma-se um sistema trifásico em estrela (Figura 1.11). Às vezes o sistema trifásico em estrela é a “quatro fios” ou “com neutro”. O quarto fio é ligado ao ponto comum às três fases. A tensão de linha, ou a tensão nominal do sistema trifásico, e a corrente de linha são definidas do mesmo modo que na ligação triângulo. Informações Técnicas DT -11 26 U V W I1 I2 I3 U f1 U f2 U f3 I f1 If3I f2 FIGURA 1.11 Examinando o esquema da Figura 1.12 vê-se que: - a corrente em cada fio da linha, ou corrente da linha IL = I f; - a tensão entre dois fios quaisquer do sistema trifásico é a soma gráfica (Figura 1.13) das tensões de duas fases as quais estão ligados os fios considerados, ou seja: ffL UUU ´=´= 732,13 . FIGURA 1.12FIGURA 1.13 Informações Técnicas DT -11 27 Exemplo: Em uma carga trifásica composta de três cargas iguais, cada carga é feita para ser ligada a uma tensão de 220V, absorvendo 5,77A. Qual a tensão nominal do sistema trifásico que alimenta esta carga em suas condições normais (220V e 5,77A) e qual a corrente de linha? Temos: VU f 200= , em cada uma das cargas VU L 380220732,1 =´= AII fL 77,5== c) Ligação zig-zag Este tipo de ligação é preferível onde existem desequilíbrios acentuados de carga. Cada fase do secundário, compõe-se de duas bobinas dispostas cada uma sobre colunas diferentes, ligadas em série, assim a corrente de cada fase do secundário afeta sempre por igual as duas fases do primário. Na Figura 1.14 temos um diagrama mostrando as ligações e os sentidos das correntes em cada enrolamento. Na Figura 1.15 temos o diagrama fasorial da ligação zig-zag. FIGURA 1.14 Informações Técnicas DT -11 28 FIGURA 1.15 O transformador torna-se mais caro, principalmente pelo aumento de 15,5% no volume de cobre e pela complexidade de sua montagem. Além de atenuar a 3ª harmônica, oferece a possibilidade de 3 tensões: 220/127V, 380/220V e 440/254V. Supondo tensões de linha para V1 = 220/127V. (Figura 1.16) FIGURA 1.16 oo ZZ VVV 060 11 Ð+Ð= onde oVV 012 Ð= 017,12760017,127 +Ð= oZZV 110527,190 jVZZ += o ZZV 30220Ð= (tensão de fase) VV LZZ 3803220)( =´= Informações Técnicas DT -11 29 Desta maneira com dois enrolamentos em ligação zig-zag, conseguimos 380/220V. Para obtermos 220/127V ligamos em paralelo as duas bobinas de uma mesma coluna e para 440/254V ligamos as bobinas em série. 1.4.2.2. Autotransformador Possui estrutura magnética semelhante aos transformadores normais, diferenciando- se apenas na parte elétrica, isto é, os enrolamentos do primário e secundário possuem um certo número de espiras em comum, Figura 1.17. FIGURA 1.17 1 1 V PI = 2 2 V PI = 12 III -= A relação entre a tensão superior e a tensão inferior não deve ser superior a 3. É reversível, pode ser abaixador ou elevador. Não possui comutador. Quando tiver várias tensões, é dotado de painel de religação ou as diversas saídas podem ser conectadas diretamente nas buchas. O autotransformador trifásico é realizado com agrupamento das fases em estrela. Informações Técnicas DT -11 30 Vantagens: - deslocamento angular entre AT e BT é sempre nulo; - possibilidade de ligação do centro à terra, a fim de eliminar o perigo de sobretensões com respeito à terra linha BT. 1.5. POTÊNCIAS Em um sistema elétrico, temos três tipos de potências: potência aparente, ativa e reativa. Estas potências estão intimamente ligadas de tal forma que constituem um triângulo, o chamado “triângulo das potências”. (Figura 1.18) FIGURA 1.18 onde: S = potência aparente, expressa em VA (Volts-Ampère) P = potência ativa ou útil, expressa em W (Watt) Q = potência reativa, expressa em VAr (Volt Ampère reativa) Ø = ângulo que determina o fator de potência. 1.5.1. Potência Ativa ou Útil É a componente da potência aparente (S) que realmente é utilizada em um equipamento na conversão da energia elétrica em outra forma de energia. Em um sistema monofásico: Informações Técnicas DT -11 31 ØIUP cos××= [W] Em um sistema trifásico: ØIUP ff cos3 ×××= [W] ou ØIUP LL cos3 ×××= [W] 1.5.2. Potência Reativa É a componente da potência aparente (Q) que não contribui na conversão de energia. Em um sistema monofásico: ØIUQ sen××= [VAr] Em um sistema trifásico: ØIUQ ff sen3 ×××= [VAr] ou ØIUQ LL sen3 ×××= [VAr] 1.5.3. Potência Aparente É a soma vetorial da potência útil e a reativa. É uma grandeza que, para ser definida, precisa de módulo e ângulo, características do vetor. Módulo: 22 QPS += Ângulo: ÷ ø ö ç è æ= P QarctgØ Informações Técnicas DT -11 32 Aqui podemos notar a importância do fator de potência. É definido como: S PØfp == cos Um transformador é dimensionado pela potência aparente (S) e por aí se nota a importância da manutenção de um fator de potência elevado numa instalação. O baixo fator de potência causa sérios problemas às instalações elétricas, entre as quais podem ser destacados: sobrecargas nos cabos e transformadores, crescimento da queda de tensão, redução do nível de iluminância, aumento das perdas no sistema de alimentação. Além disto, as concessionárias de energia cobram pesadas multas sobre a tarifa de energia para aqueles que apresentarem fator de potência inferior a 0,92. Em um sistema monofásico: IUS ×= [VA] Em um sistema trifásico: ff IUS ××= 3 [VA] ou LL IUS ××= 3 [VA] Outras relações importantes: Ø PS cos = [VA] Ø QS sen = [VA] Informações Técnicas DT -11 33 A seguir, introduzimos uma tabela prática para determinação dos valores de tensão, corrente, potência e fator de potência de transformadores em função do tipo de ligação. (Tabela 1.1) TABELA 1.1 Determinação Estrela Triângulo Zig-Zag Tensão de Linha UL UL UL Tensão no Enrolamento 3 LU UL 3 LU Corrente de Linha IL IL IL Corrente de Enrolamento IL 3 LI IL Ligações dos Enrolamentos Esquemas Potência Aparente kVA LLff IUIUS ××=××= 33 Potência Ativa kW ØIUØIUP LLff cos3cos3 ×××=×××= Potência Reativa kVAr ØIUØIUQ LLff sen3sen3 ×××=×××= Potência Absorvida da Rede Primária KVA h kVASP = Fator de Potência do Primário ( ) ru eeØØ --×= 100coscos 21 (*) Fator de Potência do Secundário Do projeto de instalação (cosØ 2) (*) ey = Tensão de curto -circuito er = componente da tensão de curto -circuito Informações Técnicas DT -11 34 Exemplo: Cálculo da potência aparente requerida por dois equipamentos com fator de potência (cosØ) APARELHO 1 APARELHO 2 S PØ Ø WP = = = cos 5,0cos 1000 S PØ Ø WP = = = cos 92,0cos 1000 APARELHO 1 : VAS 2000 5,0 1000 == APARELHO 2 : VAS 1087 92,0 1000 == CONCLUSÃO: Verificamos que o equipamento 2 que possui o maior fator de potência requer apenas 1087 VA, enquanto que o equipamento 1 requer 2000 VA de potência aparente. Um transformador é dimensionadopela potência aparente (S), e por aí nota-se a importância da manutenção de um fator de potência elevado em uma instalação. Informações Técnicas DT -11 35 2. DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃO 2.1. POTÊNCIA NOMINAL Entende-se por potência nominal de um transformador, o valor convencional de potência aparente. Serve de base ao projeto, aos ensaios e às garantias do fabricante e determina o valor da corrente nominal que circula, sob tensão nominal, nas condições especificadas na respectiva norma. 2.1.1. Transformadores Trifásicos A potência nominal de um transformador trifásico é a potência aparente definida pela expressão: Potência nominal = 1000 3×× nn IU [kVA] 2.1.2. Transformadores Monofásicos A potência nominal de um transformador monofásico é a potência aparente definida pela expressão: Potência nominal = 1000 nn IU × [kVA] 2.1.3. Potências Nominais Normalizadas As potências nominais em kVA, normalizadas pela ABNT (NBR 5440), dos transformadores de distribuição para instalação em postes e plataformas, são as seguintes: a) transformadores monofásicos para instalação em postes: 5, 10, 15, 25, 37.5, 50, 75 e 100 kVA; Informações Técnicas DT -11 36 b) transformadores trifásicos para instalação em postes 15, 30, 45, 75, 112.5 e 150kVA; c) transformadores trifásicos para instalação em plataformas: 225 e 300kVA. As potências nominais em kVA, normalizadas pela ABNT (NBR 12454 e NBR 9369), para transformadores de potência, são as seguintes: 225, 300, 500, 750,1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3750, 5000, 7500, 10000, 15000, 25000, 30000. Quando de transformadores providos de um ou mais estágios de resfriamento forçado, entende-se como potência nominal o último estágio. Recomenda-se a escolha de um destes valores, pois os fabricantes já possuem projetos prontos para os mesmos, o que reduz os custos e o tempo de entrega dos referidos transformadores. Os transformadores com potências superiores a 40MVA não são normalizados, e dependem da solicitação do cliente. 2.2. TENSÕES 2.2.1. Definições Tensão Nominal (Un): É a tensão para a qual o enrolamento foi projetado. Tensão a Vazio (Uo): É a tensão entre os bornes do secundário do transformador energizado, porém sem carga. Tensão sob Carga: (Uc): É a tensão entre os bornes do secundário do transformador, estando o mesmo sob carga, correspondente a sua corrente nominal. Esta tensão é influenciada pelo fator de potência (cosØ) Regulação: É a variação entre a tensão a vazio e sob carga e sob determinado fator de potência. Informações Técnicas DT -11 37 Tensão Superior (TS): É a tensão correspondente à tensão mais alta em um transformador. Pode ser tanto referida ao primário ou secundário, conforme o transformador seja abaixador ou elevador. Tensão Inferior (TI): É a tensão correspondente à tensão mais baixa em um transformador. Pode ser também referida ao primário ou secundário, conforme o transformador seja elevador ou abaixador. Tensão de Curto-circuito (Ucc): Comumente chamada de impedância, é a tensão expressa, usualmente, em porcentagem (referida a 75°C) em relação a uma determinada tensão, que deve ser ligada aos terminais de um enrolamento para obter a corrente nominal no outro enrolamento, cujos terminais estão curto- circuitados. A tensão de curto-circuito medida deve manter-se dentro de ± 7,5% de tolerância, em relação ao valor declarado pelo fabricante. Nas Tabelas 3.1, 3.2, 3.3 e 3.4 encontraremos os valores de impedância (coluna 5) para os transformadores que trata este manual. Impedância de Seqüência Zero (Z0): É a impedância, por fase e sob freqüência nominal, entre os terminais de linha de um enrolamento polifásico em estrela ou zig- zag, interligados e o terminal de neutro. Seu valor depende do tipo de ligação. É necessário conhecer a impedância de seqüência zero para o estudo de circuitos polifásicos desequilibrados (curto-circuito) e é somente levada em consideração em transformadores delta-estrela (zig-zag) aterrado ou estrela-estrela (zig-zag) duplamente aterrado. 2.2.2. Escolha da Tensão Nominal 2.2.2.1. Transformadores de distribuição Informações Técnicas DT -11 38 TABELA 2.1 - TRANSFORMADORES SEM DERIVAÇÕES Tensão [V] Primário Secundário Tensão máxima do equipamento kVeficaz Trifásico e monofásico (FF) Monofásico (FN) Trifásico Monofásico 15 13800 13200 7967 7621 24,2 23100 22000 13337 12702 36,2 34500 33000 19919 19053 380/220 ou 220/127 Dois terminais: 220 ou 127 Três terminais: 440/220, 254/127, 240/120 ou 230/115 NOTA: FF = tensão entre fas es FN = tensão entre fase e neutro TABELA 2.2 - DERIVAÇÕES E RELAÇÕES DE TENSÕES Tensão [V] Primário Secundário Tensão máxima do equipamento kVeficaz Derivação no Trifásico e monofásico (FF) Monofásico (FN) Trifásico Monofásico 1 2 3 4 5 6 15 1 2 3 13800 13200 12600 7967 7621 7275 24,2 1 2 3 23100 22000 20900 13337 12702 12067 36,2 1 2 3 34500 33000 31500 19919 19043 18187 380/220 ou 220/127 Dois terminais: 220 ou 127 Três terminais: 440/220,254/ 127, 240/120 ou 230/115 NOTA: FF = tensão entre f ases FN = tensão entre fase e neutro Informações Técnicas DT -11 39 2.2.2.2. Transformador de distribuição a ser instalado no domínio de uma concessionária. A concessionária de energia elétrica possui norma própria. As tensões serão, portanto, definidas pela mesma. Exemplo: CERJ: AT: 13800 - 13200 - 12600 - 12000 - 11400 - 10800V BT: 380/220V ou 220/127V CEEE: AT: 13800 - 13200 - 12600V ou 23100 - 22000 - 20900V BT: 380/220V ou 220/127V 2.2.2.3. Transformador para uso industrial. Em uma indústria poderemos ter três ou até quatro níveis de tensão: - Subestações de entrada: · Primário - 72,5kV e 138kV ; · Secundário - 36,2kV - 24,2kV ou 13,8kV. - Subestações de distribuição: · Primário - 36,2kV - 24,2kV ou 13,8kV; · Secundário - 440/254V, 380/220V ou 220/127V. Quando a potência dos transformadores for superior a 3MVA não se recomenda baixar a tensão diretamente para tensão de uso, pois os mesmos tornam-se muito caros devido as altas correntes. Recomenda-se baixar para uma média tensão, ou Informações Técnicas DT -11 40 seja, 6,9kV, 4,16kV ou 2,4kV e, próximo aos centros de carga rebaixar novamente para as tensões de uso. Ainda um caso particular de nível de tensão primária deve ser comentado. Existem algumas regiões onde o nível de tensão de distribuiçãoestá sendo alterado. Neste caso, a concessionária avisa o interessado, que a tensão atual passará a outro nível dentro de um determinado período de tempo; logo, o transformador a ser instalado deverá ser capaz de operar em duas tensões primárias, para evitar a necessidade de aquisição de novo equipamento quando da alteração. Estes transformadores especiais são chamados de religáveis. A escolha da tensão do secundário depende de vários fatores. Dentre eles destacamos: a) econômicos, a tensão de 380/220V requer seções menores dos condutores para uma mesma potência; b) segurança, a tensão de 220/127V é mais segura com relação a contatos acidentais. De uma forma geral, podemos dizer que para instalações onde equipamentos como motores, bombas, máquinas de solda e outras máquinas constituem a maioria da carga, deve-se usar 380/220V e para instalações de iluminação e força de residências deve-se adotar 220/127V. Na NBR 5440 da ABNT encontramos a padronização das tensões primárias e secundárias. 2.3. DERIVAÇÕES Para adequar a tensão primária do transformador à tensão de alimentação, o enrolamento primário, normalmente o de TS, é dotado de derivações (taps), que podem ser escolhidos mediante a utilização de um painel de ligações ou comutador, conforme projeto e tipo construtivo, instalados junto à parte ativa, dentro do tanque. Este aparato, na maioria dos transformadores de baixa potência, deve ser manobrado com o transformador desconectado da rede de alimentação. Informações Técnicas DT -11 41 Em geral o valor da tensão primária, indicada pela concessionária constitui o valor médio entre aqueles que efetivamente serão fornecidos durante o exercício. 2.3.1. Definições Derivação principal: Derivação a qual é referida a característica nominal do enrolamento, salvo indicação diferente à derivação principal é: a) no caso de número ímpar de derivações, a derivação central; b) no caso de número para de derivações, aquela das duas derivações centrais que se acha associada ao maior número de espiras efetivas do enrolamento; c) caso a derivação determinada segundo ”a” ou “b” não seja de plena potência, a mais próxima derivação de plena potência. FIGURA 2.1 Informações Técnicas DT -11 42 Derivação superior: Derivação cujo fator de derivação é maior do que 1. Derivação inferior: Derivação cujo fator de derivação é menor do que 1. Degrau de derivação: Diferença entre os fatores de derivação, expressos em percentagem, de duas derivações adjacentes. Faixa de derivações: Faixa de derivação do fator de derivação, expresso em percentagem e referido ao valor 100. A faixa de derivações é expressa como segue: a) se houver derivações superiores ou inferiores: + a %, - b % ou + a % (quando a = b); b) se houver somente derivações superiores: + a %; c) se houver somente derivações inferiores: - b %. A Figura 2.1 é a representação esquemática de um enrolamento trifásico com três derivações e a forma de suas conexões. TABELA 2.3 Posições do comutador 1 2 3 Comutador conecta os pontos 10-7 11-8 12-9 7-13 8-14 9-15 13-4 14-5 15-6 Tensão em cada derivação UN + a% UN UN - b% Percentual de variação por degrau a b TABELA 2.4 Classe Derivação Superior Derivação Principal Derivação Inferior Degrau de Derivação 15 13800 13200 12600 + 4,5 24,2 23100 22000 20900 + 5% 36,2 34500 33000 31500 + 4,5 Informações Técnicas DT -11 43 2.4. CORRENTES 2.4.1. Corrente Nominal A corrente nominal (In) é a corrente para a qual o enrolamento foi dimensionado, e cujo valor é obtido dividindo-se, a potência nominal do enrolamento pela sua tensão nominal e pelo fator de fase aplicável (1 para transformadores monofásicos e 3 para transformadores trifásicos). 2.4.2. Corrente de Excitação A corrente de excitação ou a vazio (Io) é a corrente de linha que surge quando em um dos enrolamentos do transformador é ligada a sua tensão nominal e freqüência nominal, enquanto os terminais do outro enrolamento (secundário) sem carga, apresentam a tensão nominal. A corrente de excitação é variável conforme o projeto e tamanho do transformador, atingindo valores percentuais mais altos quanto menor for a potência do mesmo. A corrente de excitação, conforme Figura 2.2 apresenta as suas componentes ativa e reativa, que se determinam pelas seguintes expressões: FIGURA 2.2 0 0 sen cos ØII ØII oq op ×= ×= Informações Técnicas DT -11 44 sendo: o o IV PØ × =cos A componente reativa originada pela magnetização representa mais que 95% da corrente total, de forma que uma igualdade de Iq com lo leva somente a um pequeno erro. Em transformadores trifásicos normais, Io não é idêntico nas três fases, em virtude do caminho mais longo no ferro, relativo às fases externas. Por isso Io referente a fase central é menor que das outras. Devido ao fato acima, o valor de Io fornecido pelo fabricante, representa a média das três fases e é expresso em porcentagem da corrente nominal. 2.4.3. Corrente de Curto-Circuito Em um curto-circuito no transformador, é preciso distinguir a corrente permanente (valor efetivo) e a corrente de pico (valor de crista). 2.4.3.1. Corrente de curto-circuito permanente Quando o transformador, alimentado no primário pela sua tensão e freqüência nominal e o secundário estiver curto-circuitado nas três fases, haverá uma corrente de curto-circuito permanente, que se calcula pela seguinte expressão: 100 (%) )( ×= Z N CAcc E II onde: IN = corrente nominal Ez = impedância a 75oC (%) Informações Técnicas DT -11 45 A intensidade e a duração máxima da corrente de curto, que deve suportar o transformador, são normalizadas. Se a Icc calculada for superior a 25 vezes a corrente nominal, o transformador deverá suportar 3 segundos 25 vezes In. Porém, se a Icc calculada for inferior, o equipamento deverá suportar durante 2 segundos a mesma corrente do caso anterior. 2.4.3.2. Corrente de curto-circuito de pico Entende-se como corrente de curto-circuito de pico, o valor máximo instantâneo da onda de corrente, após a ocorrência do curto-circuito. Esta corrente provoca esforços mecânicos elevados e é necessário que os enrolamentos estejam muito bem ancorados por cuidadosa disposição de cabos e amarrações para tornar o conjunto rígido. Enquanto a corrente de pico afeta o transformador em sua estrutura mecânica, a corrente permanente afeta de forma térmica. Os esforços mecânicos advindos da corrente de curto são mais acentuados em transformadores de ligação zig-zag, porque somente a metade de cada enrolamento de fase é percorrido pela corrente induzida de outra fase. 2.4.4. Corrente de Partida ou Inrush É o valor máximo da corrente de excitação (Io) no momento em que o transformador é conectadoà linha (energizado) ela depende das características construtivas do mesmo. A corrente de partida é maior quanto maior for a indução usada no núcleo e maior quanto menor for o transformador. O valor máximo varia em média de 4 a 20 vezes a corrente nominal. Informações Técnicas DT -11 46 O fabricante deverá ser consultado para se saber o seu valor. Costuma-se admitir seu tempo de duração em torno de 0,1s (após a qual a mesma já desapareceu). 2.5. FREQÜÊNCIA NOMINAL Freqüência nominal é a freqüência da rede elétrica de alimentação para a qual o transformador foi projetado. No Brasil todas as redes apresentam a freqüência de 60Hz, de forma que os equipamentos elétricos são projetados para esta mesma freqüência. Existem muitos países onde a freqüência nominal padrão é 50HZ, como Argentina, Uruguai, Paraguai, etc. 2.6. NÍVEL DE ISOLAMENTO O nível de isolamento dos enrolamentos deve ser escolhido entre os valores indicados na Tabela 2.5 (NBR 5356). A escolha entre as tensão suportáveis nominais, ligadas a dada tensão máxima do equipamento da tabela acima, depende da severidade das condições de sobretensão esperadas no sistema e da importância da instalação. Na NBR 6939, os valores escolhidos devem ser claramente indicados na especificação ou solicitação de oferta. Informações Técnicas DT -11 47 TABELA 2.5 - NÍVEIS DE ISOLAMENTO PARA TENSÃO MÁXIMA IGUAIS OU INFERIOR A 242kV Tensão máxima do equipamento kV (eficaz) Tensão suportável nominal de impulso atmosférico Pleno kV (crista) Cortado kV (crista) Tensão suportável nominal à freqüência industral, durante 1 min. e tensão induzida kV (eficaz) 1 0,6 1,2 7,2 15 24,2 36,2 72,5 92,4 145 242 2 40 60 95 110 125 150 150 170 200 350 380 450 450 550 650 750 850 950 3 44 66 105 121 138 165 165 187 220 385 418 495 495 605 715 825 935 1045 4 4 10 20 34 50 70 140 150 185 185 230 275 325 360 395 2.7. DESLOCAMENTO ANGULAR Em transformadores trifásicos, os enrolamentos de cada fase são construídos trazendo intrinsecamente o conceito de polaridade, isto é, isolando-se eletricamente cada uma das fases, podemos realizar o teste de polaridade do mesmo modo que para os transformadores monofásicos. No entanto tal procedimento torna-se pouco prático, além do mais, não nos informa a maneira como estão interligados os enrolamentos. Informações Técnicas DT -11 48 Assim uma nova grandeza foi introduzida, o “deslocamento angular” que é o ângulo que define a posição recíproca entre o triângulo das tensões concatenadas primárias e o triângulo das tensões concatenadas secundárias e será medido entre fases. De uma maneira prática: seja o transformador ligado na configuração mostrada na Figura 2.3. FIGURA 2.3 Traçamos os diagramas vetoriais de tensão do transformador, Figura 2.4. Tomando o fasor de AT como origem, determinamos o deslocamento angular através dos ponteiros de um relógio cujo ponteiro grande (minutos) se acha parado em 12 coincide com o fasor da tensão entre o ponto neutro (real ou imaginário) e um terminal de linha do enrolamento de alta tensão e cujo ponteiro pequeno (horas) coincide com o fasor da tensão entre o ponto neutro (real ou imaginário e o terminal de linha correspondente do enrolamento considerado. Informações Técnicas DT -11 49 H1 H3 H2 X1 X2 X3 FIGURA 2.4 Para os transformadores de que tratamos nesta especificação, o mais comum é a utilização da ligação triângulo na alta tensão e estrela na baixa (designado por Dy). Quando ao deslocamento angular, o normal é de 30o para mais ou menos (avanço ou atraso), cujas designações são Dy11 e Dy1. As demais ligações e deslocamentos angulares não requerem nenhum cuidado especial e podem ser facilmente fornecidas. A Tabela 2.6 mostra designação de ligações de transformadores trifásicos de uso generalizado, e o correspondente deslocamento angular. Os diagramas de ligação pressupõem igual sentido de bobinagem para todos os enrolamentos. A Figura 2.5 mostra o defasamento do exemplo, usando indicação horário de fasores, o deslocamento no caso é Dy11, ou seja, - 30º. Informações Técnicas DT -11 50 TABELA 2.6 – DESLOCAMENTO ANGULAR Informações Técnicas DT -11 51 . FIGURA 2.5 2.8. IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS Junto aos terminais (buchas) encontramos uma identificação, pintada, ou marcada em baixo relevo na chapa do tanque, constituída de uma letra e um algarismo. As letras poderão ser duas, H ou X. Os terminais marcados em H são os de alta tensão e os marcados com X são de baixa tensão. Os algarismos poderão ser 0, 1, 2 e 3 correspondendo, respectivamente, ao terminal de neutro e ao das fases, 1, 2 e 3. Portanto, as combinações possíveis são H0, H1, H2, H3 e X0, X1, X2 X3. A disposição dos terminais no tanque é normalizada, de tal forma, que se olharmos o transformador pelo lado de baixa tensão, encontraremos mais a esquerda um terminal X acompanhado de menor algarismo daqueles que identificam este enrolamento (por exemplo: X0 ou X1). Consequentemente, ao olharmos o transformador pelo lado da alta tensão, encontraremos o terminal H1 mais a direita. Para uma melhor compreensão, observe as Figuras 2.6 a 2.10. Nestas figuras encontramos também o esquema de ligação dos transformadores à rede de alimentação e à carga. Na Figura 2.11 encontramos a título de ilustração, transformadores monofásicos ligados em banco, de modo a formar um equivalente trifásico. Este tipo de ligação apresenta a vantagem da manutenção e operação, quando danificar uma fase, basta Informações Técnicas DT -11 52 trocar um dos transformadores por um de reserva, com menor tempo de parada, caso existir o de reserva à disposição. Porém, a desvantagem está no capital inicial empregado em 3 ou 4 transformadores monofásicos ao invés de 2 transformadores trifásicos de potência equivalente a custo menor. FIGURA 2.6 – TRANSFORMADOR MONOFÁSICO FN (1 BUCHA DE AT E 2 BUCHAS DE BT) FIGURA 2.7 – TRANSFORMADOR MONOFÁSICO FN (1 BUCHA DE AT E 3 BUCHAS DE BT) Informações Técnicas DT -11 53 FIGURA 2.8 – TRANSFORMADOR MONOFÁSICO FF (2 BUCHAS DE AT E 2 BUCHAS DE BT) FIGURA 2.9 – TRANSFORMADOR MONOFÁSICO FF (2 BUCHAS DE AT E 3 BUCHAS DE BT) Informações Técnicas DT -11 54 FIGURA 2.10 –TRANSFORMADOR TRIFÁSICO FF (3 BUCHAS DE AT E 4 BUCHAS DE BT) FIGURA 2.11 – TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS LIGADOS EM BANCO TRIFÁSICO Dyn Informações Técnicas DT -11 55 3. CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO 3.1. PERDAS Em condições normais de funcionamento e altitude de instalação até 1000m, é considerado que a temperatura ambiente não ultrapasse os 40oC a média diária não seja superior aos 30oC. Para estas condições, os limites de elevação de temperatura previstos em normas são: - média dos enrolamentos: 55oC; - do ponto mais quente dos enrolamentos: 65oC; - do óleo (próximo à superfície): 50oC (selados), 55oC (com conservador). 3.1.1. Perdas no Material dos Enrolamentos (Perdas em Carga ou Perdas no Cobre) a) perdas na resistência ôhmica dos enrolamentos: são perdas que surgem pela passagem de uma corrente (I) por um condutor de determinada resistência (R); estas perdas são representadas pela expressão I2R e dependem da carga aplicada ao transformador; b) perdas parasitas no condutor dos enrolamentos: são perdas produzidas pelas correntes parasitas induzidas, nos condutores das bobinas, pelo fluxo de dispersão; são perdas que dependem da corrente (carga), do carregamento elétrico e da geometria dos condutores das bobinas; c) perdas parasitas nas ferragens da parte ativa e tanque. 3.1.2. Perdas no Ferro do Núcleo Magnético (Perdas em Vazio) a) perdas por histerese: são perdas provocadas pela propriedade das substâncias ferromagnéticas de apresentarem um atraso entre a indução magnética (B) e o campo magnético (H); o fenômeno da histerese é análogo ao da inércia mecânica; Informações Técnicas DT -11 56 b) perdas por correntes parasitas: assim como no caso das perdas parasitas no material condutor dos enrolamentos, o fluxo indutor variável induz no ferro forças eletromotrizes que por sua vez farão circular as correntes parasitas em circuitos elétricos fechados; estas são proporcionais ao quadrado da indução. Como vimos, as perdas se apresentam principalmente no núcleo e nos enrolamentos, e são expressas em watts. Existem perdas originárias de indução nas ferragens e no tanque; e outras de origens aleatórias nem sempre de perfeita definição, que porém comparadas as descritas nos itens 3.1.1 e 3.1.2 deste capítulo, podem ser desprezadas. Quando da realização de ensaio para determinação das perdas, estas aleatórias são detectadas juntamente com as principais. Além da elevação de temperatura, a ABNT também estabelece as perdas máximas para transformadores de distribuição imersos em óleo, em função da potência, do número de fases e da tensão do primário. Reproduzimos a seguir as tabelas da ABNT encontradas na NBR 5440, onde consta o valor das perdas acima descritas. Informações Técnicas DT -11 57 TABELA 3.1 - VALORES GARANTIDOS DE PERDAS, CORRENTES DE EXCITAÇÃO E TENSÕES E CURTO-CIRCUITO EM TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS DE TENSÃO MÁXIMA DO EQUIPAMENTO DE 15kV Potência [kVA] Corrente de excitação máxima [%] Perdas em vazio máxima [W] Perdas totais máxima [W] Tensão de curto- circuito a 75oC [%] 1 2 3 4 5 15 30 45 75 112.5 150 4,8 4,1 3,7 3,1 2,8 2,6 100 170 220 330 440 540 440 740 1000 1470 1990 2450 3,5 225 300 2,3 2,2 765 950 3465 4310 4,5 TABELA 3.2 - VALORES GARANTIDOS DE PERDAS, CORRENTES DE EXCITAÇÃO E TENSÕES DE CURTO-CIRCUITO EM TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS DE TENSÕES MÁXIMAS DO EQUIPAMENTO DE 24,2kV E 36,2kV Potência [kVA] Corrente de excitação máxima [%] Perdas em vazio máxima [W] Perdas totais máxima [W] Tensão de curto - circuito a 75oC [%] 1 2 3 4 5 15 30 45 75 112,5 150 5,7 4,8 4,3 3,6 3,2 3,0 110 180 250 360 490 610 500 825 1120 1635 2215 2755 4,0 225 300 2,7 2,5 820 1020 3730 4620 5,0 Informações Técnicas DT -11 58 TABELA 3.3 - VALORES GARANTIDOS DE PERDAS, CORRENTES DE EXCITAÇÃO E TENSÕES DE CURTO-CIRCUITO EM TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS COM TENSÃO MÁXIMA DE 15kV Potência [kVA] Corrente de excitação máxima [%] Perdas em vazio máxima [W] Perdas totais máxima [ W] Tensão curto- circuito a 75oC [%] 1 2 3 4 5 3 5 10 15 25 37,5 50 75 100 4,9 4,0 3,3 3,0 2,7 2,4 2,2 2,0 1,9 40 50 60 85 120 160 190 230 280 115 160 260 355 520 700 830 1160 1500 2,5 TABELA 3.4 - VALORES GARANTIDOS DE PERDAS, CORRENTES DE EXCITAÇÃO E TENSÕES DE CURTO-CIRCUITO EM TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS COM TENSÕES MÁXIMAS DE 24,2kV E 36,2kV Potência (kVA) Corrente de excitação máxima [%] Perdas em vazio máxima [W] Perdas totais máxima [ W] Tensão curto- circuito a 75oC [%] 1 2 3 4 5 3 5 10 15 25 37,5 50 75 100 5,7 4,8 4,0 3,6 3,1 2,9 2,7 2,1 1,5 40 50 70 90 130 170 220 250 300 115 170 285 395 580 775 975 1260 1550 2,5 (para 24,2kV) 3,0 (para 36,2kV) Informações Técnicas DT -11 59 3.2. RENDIMENTO “Relação, geralmente expressa em porcentagem, entre a potência ativa fornecida e a potência ativa recebida por um transformador.” Esta é a definição dada ao rendimento pela norma NBR 5356. É dada pela expressão 100× + = tPP P h [%] onde: h = rendimento do transformador em % Pt = perdas totais, em kW P = potência fornecida pelo transformador em kW. O rendimento de determinado transformador não é fixo ao longo do seu ciclo de operação, pois depende do fator de potência e da relação entre a potência fornecida e a potência nominal. Esta última relação é conhecida como fator de carga. Usa-se então, para o cálculo do rendimento: 100 cos 1 2 2 ×÷÷ ø ö çç è æ ×++×× ×+ -= PcbPØSb PcbP on oh [%] onde: b = fator de carga = nP P Sn = potência nominal em kVA. Po = perdas no ferro do núcleo magnético em kW. Pc = perdas no material dos enrolamentos em kW (perdas de carga) cos Ø = fator de potência da carga O rendimento máximo de um transformador ocorre quando as perdas no material Informações Técnicas DT -11 60 dos enrolamentos e as perdas no ferro forem iguais. Se quisermos saber qual a carga que deve ser aplicada a um transformador para que este opere com rendimento máximo, devemos fazer: n o SbS e Pc Pb ×= = TABELA 3.5 Transformadores
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