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DT-11 CARACTERÍSTICAS E ESPECIFICAÇÕES DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO E FORÇA Informações Técnicas DT-11 1 Transformador 200 MVA - 550 kV Usina Capivara – Taciba - SP 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 550kV, em freqüência de 60Hz ou 50Hz. Também são abordados aspectos específicos relacionados a transformadores a seco, encapsulados em resina epóxi, classe de tensão até 36,2kV. 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 ................................................................................................................................... 11 1. NOÇÕES FUNDAMENT AIS ................................................................................................... 13 1.1. TRANSFORMADORES E SUAS APLICAÇÕES ............................................................... 13 1.2. TIPOS DE TRANS FORMADORES ..................................................................................... 15 1.2.1. Divisão dos Transformadores quanto à Finalidade ......................................................... 15 1.2.2. Divisão dos Transf ormadores quanto aos Enrolamentos ............................................... 15 1.2.3. Divisão dos Transformadores quanto aos Tipos Construtivos ....................................... 15 1.3. COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR ....................................................................... 16 1.4. SISTEMAS ELÉTRICOS ...................................................................................................... 19 1.4.1. Sistemas de Corrente Alternada Monofásica .................................................................. 19 1.4.1.1. Generalid ades............. ................. ................ ................. ................ ................. ...........19 1.4.1.2. Tipos de ligação... ................ ................. ................ ................. ................ ................. ..19 1.4.2. Sistemas de Corrente Alternada Trifásica...... ................ ................. ................ ............20 1.4.2.1. Tipos de ligação... ................ ................. ................ ................. ................ ................. ..21 1.4.2.2. Autotrans formador ................. ................ ................. ................ ................. ................ .26 1.5. POTÊNCIAS ................ ................. ................ ................. ................ ................. ................ .28 1.5.1 . Potência Ativa ou Útil......... ................ ................. ................ ................. ................ ........28 1.5.2 . Potência Reativa ................................................................................................................ 29 1.5.3. Potência Aparente .............................................................................................................. 29 2. DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃ O...........................................................33 2.1. POTÊNCIA NOMINAL .......................................................................................................... 33 2.1.1 . Transf ormadores Trifásicos ............................................................................................... 33 2.1.2. Transformadores Monof ásicos ......................................................................................... 33 2.1.3. Potências Nominais Normalizadas ................................................................................... 33 2.2. TENSÕES .............................................................................................................................. 34 2.2.1. Definições ........................................................................................................................... 34 2.2.2. Escolha da Tensão Nominal ............................................................................................. 35 2.2.2.1. Transformadores de distribuição ................................................................................... 36 2.2.2.2. Transformador de distribuição a ser instalado no domínio de uma concessionária. 37 2.2.2.3. Transformador para uso industrial. ............................................................................... 37 2.3. DERIVAÇÕES ....................................................................................................................... 38 2.3.1. Definições ........................................................................................................................... 39 2.4. CORRENTES ........................................................................................................................ 41 Informações Técnicas DT-11 6 2.4.1. CORRENTE NOMINAL ................................ ................................ ....... 41 2.4.2 . Corrente de Excitação ....................................................................................................... 41 2.4.3. Corrente de Curto -Circuito ................................................................................................ 42 2.4.3.1. Corrente de curto-circuito per manente....... ................. ................. ................ ............42 2.4.3.2.Corrente de curto-circuito de pico...................... ................ ................. ................ ........43 2.4.4. Corrente de Partida ou Inrush ........................................................................................... 43 2.5. FREQÜÊNCIA NOMINAL ..................................................................................................... 44 2.6. NÍVEL DE ISOLA MENTO ..................................................................................................... 44 2.7. DESLOCAMENTO A NGULAR............................................................................................. 45 2.8. IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS .................................................................................... 49 3. CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO ............................................................................53 3.1. PERDAS ................................................................................................................................ 53 3.1.1. Perdas no Material dos Enrolamentos (Per das em Carga ou no Cobre) ...................... 53 3.1.2. Perdas no Ferro do Núcleo Magnético (Perdas em Vazio) ............................................ 53 3.2. RENDIMENTO....................................................................................................................... 57 3.3. REGULAÇÃO ........................................................................................................................ 58 3.4. CAPA CIDADE DE SOBRECARGA ..................................................................................... 59 4. SELEÇÃO DOS TRANSFORMADORES ..............................................................................66 4.1. DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA DO TRANSFORMADOR ........................................... 66 4.2. FATOR DE DEMANDA (d) ................................................................................................... 66 4.2.1. Determinação da Demanda Máxima de um Grupo de Motores .................................... 67 4.2.2. Determinação da Demanda Máxima da Instalação ........................................................ 70 4.3. CONSIDERAÇÕES SOBRE O USO DAS TABELAS........................................................ 70 4.4. CRITÉRIOS DE ESCOLHA DOS TRANSFORMADORES COM BASE NO V ALOR OBTIDO NA DEMANDA ...................................................................................................... 71 4.4.1. Eventuais Aumentos da Potência Instalada .................................................................... 76 4.4.2. Conveniência da Subdivisão em mais Unidades ............................................................ 76 4.4.3. Potência Nominal Normalizada ......................................................................................... 77 4.5. DADOS NECESSÁRIOS PARA IDENTIFICAÇÃ O DO TRANSFORMADOR ................. 78 4.6. SOFTWARE PARA CÁLCULO DE DIMENSIONAMENTO DE TRANSFORMADOR ES.................. ................ ................. ................. ................ ...............7 8 4.6.1. Processo 1............. ................ ................. ................ ................. ................ ................. ....78 4.6.2. Processo 2............. ................ ................. ................ ................. ................ ................. ....82 5. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS................................................................................85 5.1. PARTE ATIVA ....................................................................................................................... 85 5.1.1. Núcleo ................................................................................................................................. 87 Informações Técnicas DT-11 7 5.1.2. Enrolamento ....................................................................................................................... 88 5.1.3. Dispositivos de Prensagem, Calços e Isolamento .......................................................... 91 5.1.4. Comutador de Derivações ................................................................................................. 91 5.1.4.1.Tipo painel....... ................ ................. ................ ................. ................ ................. ........91 5.1.4.2.Comuta dor acionad o à vazio.. ................. ................ ................. ................. ................ .92 5.1.4.3. Comutador sob carga..... ...................... ...................... ...................... ............ .............94 5.2. BUCHAS ................................................................................................................................ 96 5.3. TANQUE .............................................................................................................................. 100 5.3.1 . Selados ............................................................................................................................. 101 5.3.2. Com Conservador de Óleo .............................................................................................. 102 5.3.3. Transformadores Flangeados ......................................................................................... 102 5.4. RADIADORES ..................................................................................................................... 103 5.5. TRATAMENTO SUP ERFICIAL E PINTURA .................................................................... 104 5.6. LÍQUIDO DE ISOLAÇÃO E REFRIGERAÇÃO ................................................................ 104 5.7. PLACAS DE IDENTIFICAÇÃO E DIAGRAMÁ TICA ........................................................ 108 5.8. ACESSÓRIOS ..................................................................................................................... 112 5.8.1. Indicador de Nível do Óleo .............................................................................................. 114 5.8.2. Termômetros .................................................................................................................... 114 5.8.3. Termômetro do Enrolamento com Imagem Térmica .................................................... 116 5.8.4. Controladores Microprocessados de Temperatura ....................................................... 118 5.8.5. Válvula de Alívio de Pressão (VAP) ............................................................................... 119 5.8.6. Relê Detetor de Gás Tipo Buchholz ............................................................................... 120 5.8.7. Secador de Ar de Sílica Gel ............................................................................................ 121 5.8.8. Relê de Pressão Súbita ................................................................................................... 123 5.8.9. Manômetro e Manovacuômetro ...................................................................................... 124 5.8.10. Regulador de Tensão .................................................................................................... 124 5.8.11. Paralelismo de Transformadores com Comutadores em Carga ............................... 124 5.8.12. Sistema de Ventilação Forçada .................................................................................... 125 5.8.13. Sistema de Óleo Forçado .............................................................................................. 126 5.8.13.1. Sistema OFWF ............................................................................................................ 127 5.8.13.2. SistemaOFAF com trocador de calor óleo-ar (aerotermo) ..................................... 127 5.8.13.3. Sistema ONAN/OFA N/ONAF/OFAF ......................................................................... 128 6. TRANSFORMADORES A SECO ......................................................................................... 130 6.1. HISTÓRIA DO TRANSFO RMADOR .................................................................................130 6.1.1. Retrospecto ...................................................................................................................... 130 6.1.2. A Situação Hoje ................................................................................................................ 133 Informações Técnicas DT-11 8 6.2. TRANSFORMADORES ENCAPSULADOS A VÁCUO WEG ......................................... 133 6.3. CARACTERÍSTICA S CONSTRUTIVAS ...........................................................................134 6.3.1. Núcleo e Ferragens ......................................................................................................... 134 6.3.2. Bobinas de Baixa Tensão ............................................................................................... 134 6.3.3. Bobinas de Alta Tensão .................................................................................................. 135 6.3.4. Acessórios ........................................................................................................................ 137 6.3.4.1. Comutador de tensão sem carga ................................................................................ 137 6.3.4.2. Sistema de monitoramento térmico ............................................................................. 137 6.3.4.3. Sistema de ventilação forçada ..................................................................................... 138 6.3.4.4. Cubículo de proteção.................................................................................................... 139 6.4. GARA NTIA DE QUALIDADE E TESTES ..........................................................................141 6.5. VANTAGENS....................................................................................................................... 143 6.5.1. Minimizada Manutenção .................................................................................................. 143 6.5.2. Fácil Instalação ................................................................................................................ 143 6.5.2.1 Ambiente de instalação ................................................................................................. 144 6.5.3. Baixíssimos Níveis de Descargas Parciais .................................................................... 147 6.5.4. Alta Suportabilidade a Sobretensões ............................................................................. 148 6.5.5. Alta Capacidade de Sobrecarga ..................................................................................... 149 6.5.6. Insensíveis ao Meio ......................................................................................................... 149 6.5.7. Alto Extinguível................................................................................................................. 151 6.5.8. Resistente a Curto-Circuito ............................................................................................. 153 6.5.9. Baixo Nível de Ruído ....................................................................................................... 154 6.5.10. Assistência Técnica WEG ............................................................................................. 155 6.5.11. Compatíveis com o Meio Ambiente .............................................................................. 155 6.6. APLICAÇÕES ...................................................................................................................... 156 6.7. ESPECIFICAÇÕES .............................................................................................................157 6.7.1 Normas ............................................................................................................................... 157 6.7.2. Potências .......................................................................................................................... 157 6.7.3. Classes de Tensão .......................................................................................................... 157 6.7.4. Tensão Nominais e Derivações ...................................................................................... 158 6.7.5. Freqüência e Ligações .................................................................................................... 158 6.7.6. Temperaturas ................................................................................................................... 158 6.7.7. Perdas, Corrente de Excitação e Impedância ............................................................... 159 6.7.8. Dimensões ........................................................................................................................ 159 6.8. NORMA BRASILEIRA PARA ESPECIFICAÇÃ O DE SECOS ........................................ 160 7. ENSAIOS .............................................................................................................................169 Informações Técnicas DT-11 9 7.1. ENSAIOS DE ROT INA ....................................................................................................... 169 7.1.1. Relação de Tensões ........................................................................................................ 170 7.1.2. Polaridade ......................................................................................................................... 171 7.1.3. Deslocamento Angular e Sequência de Fases ............................................................. 171 7.1.4. Resistência do Isolamento .............................................................................................. 172 7.1.5. Resistência Elétrica dos Enrolamentos .......................................................................... 174 7.1.6 Tensão aplicada ................................................................................................................ 174 7.1.7. Tensão induzida ................................................................................................................ 176 7.1.8 . Perdas em Vazio e Corrente de Excitação ..................................................................... 176 7.1.9 Perdas em Carga .............................................................................................................. 177 7.2. ENSAIOS DE TIPO E ESPECIAIS ................................................................................... 178 7.2.1. Descargas Parciais .......................................................................................................... 178 7.2.2. Ensaio de Fator de Potência do Isolamento .................................................................. 179 7.2.3. Impulso Atmosférico ........................................................................................................ 181 7.2.4. Elevação de Temperatura ............................................................................................... 181 7.3. ENSAIO EM OL EO ISOLANTE .......................................................................................183 7.3.1. Tipo de Oleo Mineral Isolante .......................................................................................... 184 7.3.2. Características do Oleo .................................................................................................... 184 7.3.3. Ensaios Físico-Químicos realizados na WEG ................................................................ 185 8. CARACTERÍSTICAS DA INSTALAÇÃO ............................................................................186 8.1. OPERAÇÃO EM CO NDIÇÕES NORMAIS E ES PECIAIS DE FUNCIONAM ENTO....186 8.2. CONDIÇÕES NORMAIS DE TRANSPORTE E INSTALAÇÃO.......... ................. .........187 8.3. OPERAÇÃO EM PA RALELO........... ................. ........ .............. ...... ................ ........... ....189 8.3.1. Diagramas Vetoriais com mesmo Deslocamento Angular..................................... ...190 8.3.2. Relações de Transformação Idênticas inclusive Deriv ações..... ...................... .........190 8.3.3. Impedância. ................. ................ ................. ................ ................. ................ ............19 0 8.4. OPERAÇÃO EM PARALELO...................... ...........................................................................193 9. INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO ........................................................................................ 195 9.1. TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO ................................................................... 195 9.1.1. Recebimento..................................................................................................................... 195 9.1.2. Manuseio .......................................................................................................................... 196 9.1.3. Armazenagem .................................................................................................................. 196 9.1.4. Instalação .......................................................................................................................... 196 9.1.5. Manutenção ...................................................................................................................... 197 9.1.6. Inspeção Periódica ........................................................................................................... 197 9.1.7. Revisão Completa ............................................................................................................ 198 Informações Técnicas DT-11 10 9.2. TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA (FORÇA) .......................................................... 198 9.2.1. Recebimento..................................................................................................................... 198 9.2.2. Descarregamento e Manuseio ........................................................................................ 199 9.2.3. Verificações e Ensaios de Recebimento ........................................................................ 199 9.2.4. Armazenamento ............................................................................................................... 200 9.2.5. Instalação .......................................................................................................................... 200 9.2.6. Montagem do Transformador .......................................................................................... 201 9.2.7. Cuidados Recomendados durante e após a Montagem .............................................. 201 9.3. ENSAIOS ............................................................................................................................. 202 9.4. ENERGIZAÇÃO .................................................................................................................. 203 9.5. MANUTENÇÃO ................................................................................................................... 203 ANEXO I - FOLHA DE D ADOS:TRANSFORMADOR D E DISTRIBUIÇÃO ......................... 207 ANEXO II - FOLHA DE DADOS:TRANSFORMADOR DE FORÇA ...................................... 210 ANEXO III - FOLHA DE DADOS: TRANSFORMADO R A SECO ......................................... 214 Informações Técnicas DT-11 11 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 12 Informações Técnicas DT-11 13 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 energia hidráulica dos rios, a energia do vapor superaquecido, ou a energia dos ventos é convertida em energia elétrica 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 próx ima 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 14 Figura 1.1 Informações Técnicas DT-11 15 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 16 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 COLUNA S 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 aço prensadas e onde foram construídos dois enrolamentos. Informações Técnicas DT-11 17 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 U 1 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 E 2 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 U 2 diferem muito pouco das f.e.m. induzidas E1 e E2 e para fins práticos podemos considerar: Informações Técnicas DT-11 18 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 U 1 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 19 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 “h ertz”, 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 20 - 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 t rês sistemas monofásicos de tensões, U1, U2 e U 3 tais que a defasagem entre elas seja 120° e os “atrasos” de U2 e U 1 em relação a U3 sejam iguais a 120°, considerando um ciclo completo 360°. (Figura 1.7) Informações Técnicas DT-11 21 Ligando entre si os t rês 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 dostrês sistemas monofásicos considerados, indicados por U f e I f. 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. Figura 1.8 Informações Técnicas DT-11 22 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 = U f; - 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 + I f2. 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 Figura 1.10 Informações Técnicas DT-11 23 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 trifásic o 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. U V W I1 I2 I 3 U f1 U f2 U f3 If1 I f3I 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; Informações Técnicas DT-11 24 - 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 1.12 Figura 1.13 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== Informações Técnicas DT-11 25 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 Figura 1.15 Informações Técnicas DT-11 26 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 V 1 = 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)( =´= 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 Informações Técnicas DT-11 27 possuem um certo número de espiras em comum, Figura 1.17. Figura 1.17 1 1 V P I = 2 2 V P I = 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. Quando tiver várias tensões, é dotado de painel de religação, comutador de derivações ou as diversas saídas podem ser conectadas diretamente nas buchas. O autotransformador trifásico é realizado com agrupamento das fases em estrela. Vantagens: - deslocamento angular entre AT e BT é sempre nulo; - possibilidad e de ligação do centro à terra, a fim de eliminar o perigo de sobretensões com respeito à terra linha BT. - Quanto menor a relação entre a tensão superior e a tensão inferior, maior a vantagem econômica entre autotransformador e transformador. Informações Técnicas DT-11 28 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: ØIUP cos××= [W] Informações Técnicas DT-11 29 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, e define o dimensionamento dos condutores, transformadores, equipamentos de proteção e de manobra. 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 Q arctgØ Aqui podemos notar a importância do fator de potência. É definido como:S P Øfp == cos Informações Técnicas DT-11 30 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 P S cos = [VA] Ø Q S sen = [VA] Informações Técnicas DT-11 31 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 Liga ções 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 kVA S P = Fator de Potência do Primário ( ) ru eeØØ --×= 100coscos 21 (*) Fator de Potência do Secundário Do projeto de instalação (cosØ2) (*) ey = Tensão de curto -circuito er = componente da tensão de curto-circuito Informações Técnicas DT-11 32 Exemplo: Cálculo da potência aparente requerida por dois equipamentos com fator de potência (cosØ) APARELHO 1 APARELHO 2 S P Ø Ø WP = = = cos 5,0cos 1000 S P Ø 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 dimensionado pela potência aparente (S), e por aí nota-se a importânci a da manutenção de um fator de potência elevado em uma instalação. Informações Técnicas DT-11 33 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 34 b) transformadores trifásicos para instal ação em postes 15, 30, 45, 75, 112.5 e 150kVA; c) transformadores trifásicos para instalação em postes ou 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) Informações Técnicas DT-11 35 Regulação: É a variação entre a tensão a vazio e sob carga e sob determinado fator de potência. 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 Informações Técnicas DT-1136 2.2.2.1. Transformadores de distribuição 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 fases FN = tensão entre fase e neutro Tabela 2.2 - Derivações e Relações de Tensões Tensão [V] Primário Secundário Tensão máxima do equipamento kVeficaz Derivação n o 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 termin ais: 440/220,254/ 127, 240/120 ou 230/115 NOTA: FF = tensão entre fases FN = tensão entre fase e neutro Informações Técnicas DT-11 37 2.2.2.2. Transformador de distri buição a ser instalado no domínio de uma concessionária. A concessionária de energia elétrica possui norma próp ria. As tensões serão, portanto, definidas pela mesma. Exemplo: AMPLA: AT: 13800 - 13200 - 12600 - 12000 - 11400 - 10800V BT: 220/127V RGE: AT: 13800 - 13200 - 12600V ou 23100 - 22000 - 20900V BT: 380/220V ou 220/127V Existem concessionárias que quando do fornecimento de transformadores ao mercado particular exigem que estes sejam construídos e ensaiados em atendimento integral as suas normas, recomenda-se verificar esta particularidade com a concessionária local antes da aquisição dos transformadores. 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 dist ribuição: · Primário - 36, 2kV - 24,2kV ou 13,8kV; · Secundário - 440/254V, 380/220V ou 220/127V. Informações Técnicas DT-11 38 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 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 distribuição está 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, Informações Técnicas DT-11 39 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. 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 cas o de número para de derivações, aque la 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 40 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 percentag em 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 41 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 42 sendo: o o IV P Ø × =cos A componente reativa originada pela magnetização representa mais que 95% da corrente total, de forma que uma igualdade de Iq com l o 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 c orrente 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 I I onde: IN = corrente nominal Ez = impedância a 75oC (%) Informações Técnicas DT-11 43 A intensidade e a duração máxima da corrente de curto, que deve suportar o transformador, são normalizadas. A duração da corrente de curto-circuito simétrica, a ser utilizada no cálculo da capacidade térmica de suportar curto-circuitos, é 2 s, salvo especificação diferente. Para autotransformadores e transformadores com correntes de curto-circuito superior a 25 vezes a corrente nominal, pode ser adotada uma duração de corrente de curto-circuito inferior a 2 s, mediante acordo entre fabricante e comprador. 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 conectado à linha (energizado) ela depende das características construtivas do mesmo. Informações Técnicas DT-11 44 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. 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 indicad os 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 45 Tabela 2.5 - Níveis de Isolamento para Tensão Máxima Igual 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 induzi da 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. 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. Informações Técnicas DT-11 46 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. H1 H3 H2 X1 X2 X3 Figura 2.4 Informações Técnicas DT-11 47 Para os transformadores de que tratamos nesta especificação, o mais comum é a utilização da ligação triângulo na alta t ensão 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 transformadorestrifásicos de uso generaliza do, 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, - 30 º. Informações Técnicas DT-11 48 Tabela 2.6 – Deslocamento Angular Informações Técnicas DT-11 49 . 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 ilustraç ão, transformadores monofásicos ligados em banco, de modo a formar um equivalente tr ifásico. Este tipo de ligação apresenta a vantagem da manutenção e operação, quando danificar uma fase, basta Informações Técnicas DT-11 50 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 c apital inicial empregado em 3 ou 4 transformadores monofásicos ao invés de 2 transformadores trifásicos de potência equivalente a custo menor. Figura 2.6 – Transformador M onofásico 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 51 Figura 2.8 – Transformador M onofásico 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 52 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 53 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 30 oC. Para estas condições, os limites de elevação de temperatura previstos em normas são: - média dos enrolamentos: 55oC ou 65 (com conservador); - do ponto mais quente dos enrolamentos: 65oC ou 80ºC (com conservador); - do óleo (próximo à superfície): 50oC (selados), 55 oC ou 65ºC (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 Informações Técnicas DT-11 54 magnética (B) e o campo magnético (H); o fenômeno da histerese é análogo ao da inércia mecânica; 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. Transformadores com características elétricas idênticas podem ser construídos com diferentes valores de perdas desde que respeitado os limites de elevação de temperatura. Para isto é necessário a adequação da quantidade de radiadores, o que influi diretamente nas dimensões externas do transformador. Reproduzimos a seguir as tabelas da ABNT encontradas na NBR 5440, onde consta o valor das perdas acima descritas. Informações Técnicas DT-11 55 Tabela 3.1 – Valores Garantidos de Perdas, Correntes de Excitação e Tensões de Curto-Circuito em Transformadores Trifásicos de Tensão Máxima do Equipamento de 15 kV Potência [kVA] Corrente de excitação máxima [%] Perdas em vazio máxima [W] Perdas totais máxima [W] Tensão de curto - circuito a 75 oC [%] 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 24,2 kV e 36,2 kV Potência [kVA] Corrente
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