AULA 18 - SLIDE 7- Transformadores de Potência Parte I

Prévia do material em texto

TRANSFORMADOR DE FORÇA (POTÊNCIA)
Prof. Gênova – Maio-2021
PARTE I
2
30º
Ynd1
x1
H1’
Dados de 
placa: 
Ligação Yn no 
primário e ∆ 
no 
secundário:
230kV/69kV
A tensão no 
enrolamento em 
delta está 30°
atrasada em 
relação ao 
enrolamento em 
estrela.
30º
H2 x2
ou
Transformador de força da Subestação Cauípe-
230/69kV-CHESF
3
4
1. DEFINIÇÕES:
1.1. Transformador: 
É um equipamento elétrico sem partes móveis, que 
através do fenômeno da indução eletromagnética, 
transfere energia do lado da fonte para o lado da carga, 
na mesma freqüência, com tensões e correntes elétricas 
diferentes.
5
Na maioria das aplicações industriais ou de concessionárias 
distribuidoras de energia elétrica, os transformadores 
instalados na indústria ou na rede aérea de distribuição, 
transferem energia do circuito primário para o circuito 
secundário, baixando a tensão a valores adequados para as 
diversas aplicações residencial, comercial ou industrial, sendo, 
portanto considerado um transformador 
abaixador.(Ex.13,8kV/380/220V).
De forma semelhante das subestações distribuidoras das 
concessionárias o transformador de força ou de potência 
transfere energia do circuito de AT para o circuito de MT, 
sendo também considerado, um transformador abaixador. (Ex. 
69kV/13,8KV)
6
No caso particular das usinas eólicas, a energia é gerada em 
400V, sendo elevada para 13,8KV num transformador de 
distribuição montado próximo ao pé da torre do aerogerador 
(transformador elevador) e logo em seguida é novamente 
elevada para 69kV num transformador de potência 
(transformador elevador) na subestação distribuidora da usina 
geradora, quando então é injetada numa linha de transmissão 
para conexão com os barramentos de AT de uma subestação 
distribuidora da região.
7
Transformador elevador da Usina Eólica do Beberibe 13,8/69kV
8
Conexão da SE elevadora com a LT
9
Com certeza o transformador é o componente unitário de 
maior custo numa subestação. Veja a tabela abaixo: Custos 
(%) estimados para um de 20MVA-69/13,8kV:
Item Componentes da subestação Custo
1 Obras civis 20%
2 Transformador de potência 19%
3 Disjuntor 7%
4 Seccionador 4%
5 Equipamentos de medição (TPs, TCs...) 5%
6 Pára-raios 2%
7 Demais equipamentos eletromecânicos 17%
Subtotal 74%
8 Custos indiretos 17%
9 Custos eventuais (outros custos) 9%
10 TOTAL 100%
Fonte: Encontro Regional sobre transformadores de potência e reatores derivação
10
• Valor do transformador de potência:
• S = 10/12,5/15 MVA
• Valor da obra:
• NOV/2009: R$ 5.610.000,00
• Valor do transformador: 20%
• R$ 1.122.000,00
• Valor de um transformador de potência de 
20/26.6MVA com CDC: R$ 1.600.000,00;
• Consulta na internet.
11
12
1.2. Potência nominal ( S ):
É o valor convencional de potência aparente em MVA, que 
serve de base ao projeto, aos ensaios e as garantias do 
fabricante, e que determina o valor da corrente nominal que 
circula, sob tensão nominal, nas condições especificadas.
Valores padronizados de potência nominal:
A padronização da potência nominal dos transformadores 
veio proporcionar redução de custos para a indústria e 
facilidade para o mantenedor, com a aplicação de peças de 
reposição e acessórios que permitem a intercanbialidade de 
componentes para os diversos fabricantes e modelos, 
surgindo então os seguintes valores preferenciais:
)(..3 MVAIVSn =
13
Tabela de valores padronizados de transformador
Relação entre 
tensão nominal 
entre AT-MT
Potência nominal padronizada
Valores preferenciais
69/13,8kV
ONAN ONAF
2,5 MVA -
3,0 MVA -
5,0 MVA 6,25 MVA
7,5 MVA 9,375 MVA
10 MVA 12,5 MVA
15 MVA 20 MVA
20 MVA 26,6 MVA
20 MVA 26,6/33,2 MVA
Natureza do meio resfriamento
Natureza da circulação
14
15
Letra Código Natureza do resfriamento
O Óleo
L Líquido isolante sintético não inflamável
G Gás
W Água
A Ar
Letra Código Natureza da circulação
N Natural
F Forçada (No caso de fluxo não dirigido) 
D Forçada com fluxo de óleo dirigido 
Os sistemas de resfriamento dos transformadores são 
padronizados pela “natureza do meio de resfriamento” e 
pela “natureza da circulação” conforme tabelas abaixo:
16
COMPOSIÇÃO DO CÓDIGO: O CÓDIGO É FORMADO 
POR 4 LETRAS: XXXX
1ª Letra 2ª Letra 3ª Letra 4ª Letra
Natureza do 
meio de 
resfriamento
Natureza da 
circulação
Natureza do 
meio de 
resfriamento
Natureza da 
circulação
Indicativo do meio de 
resfriamento em contato com 
os enrolamentos
Indicativo do meio de 
resfriamento em contato com 
o sistema de resfriamento 
externo
17
Exemplos de 
aplicação:
-Transformador imerso 
em óleo com sistema 
de refrigeração 
constituído somente 
por radiadores = 
ONAN (óleo, natural, 
ar, natural);
18
- Transformador 
imerso em óleo com 
sistema de 
refrigeração 
constituído por 
radiadores e moto-
ventiladores = ONAN 
(óleo, natural,ar, 
natural;
- ONAF (óleo, natural, 
ar, forçado)
19
-Transformador imerso em óleo com sistema de refrigeração 
constituído por radiadores, bombas e moto-ventiladores = 
ONAN/ONAF/OFAF;(óleo,forçado,ar,forçado estágio 2° e 
estágio 3°);
-Transformador imerso em óleo com sistema de refrigeração 
constituído por radiadores, moto-bombas e moto-ventiladores 
= ODAF;
- Transformador imerso em óleo com sistema de refrigeração 
constituído por trocadores de calor óleo-água: OFWF 
(óleo,forçado,água,forçada);
Transformador de potência: ODAF
20Parede corta-fogo e sistema de tubulação (vermelha) e sprinkers contra incêndio
21
Transformador monofásico da UHE de Xingó - ODAF
22
23
1.3. Corrente nominal ( In )
Corrente nominal é a corrente para a qual o enrolamento foi 
dimensionado. Ela é dimensionada em função da potência 
nominal do transformador em MVA, e da tensão do 
enrolamento considerado. IN= S /√3.U
1.4. Níveis de Isolamento (NI):
É o máximo valor de tensão que a isolação de um 
equipamento ou componente pode suportar sob condições 
específicas de ensaio ou que são submetidos.
24
Para transformadores de AT/MT com classe de tensão 
de 72,5 KV, o NI é o seguinte:
Tensão 
máxima do 
equipamento
Tensão suportável 
nominal de impulso 
atmosférico
Tensão suportável 
nominal à 
freqüência industrial 
durante 1 minuto e 
tensão induzida 
72,5 kV Pleno kV 
(Crista)
Cortado 
kV 
(Crista)
kV eficaz
350 185 140
25
1.5. Frequência nominal:
É a frequência da rede elétrica de alimentação para o qual 
o transformador foi projetado. 
No Brasil a frequência é padronizada em 60 Hz.
1.6. Ligações e deslocamento angular:
Os transformadores de força padronizados pela 
concessionária local devem ser fornecidos com o seguinte 
tipo de ligação:
Triângulo no lado da AT e estrela, com neutro acessível, no 
lado da MT. 
Grupo Dyn1: Significa que a tensão do enrolamento no lado 
em estrela (MT), está 30° atrasada em relação a tensão do 
enrolamento do lado do triângulo (AT).
26
DIAGRAMA FASORIAL
Primário
Ligação DELTA (D)
Secundário
Ligação Estrela (y)
H2
H1 H3
1 x2
x1 x0
x3
120o
27
1.7. Faixas de derivação:
Comutador de derivação sem tensão:
Deve ter 5 (cinco) posições e ser instalado no enrolamento 
de alta tensão.
A faixa de derivação do enrolamento de alta tensão é dada 
péla seguinte expressão: 
Un = +/- 2 x 2,5%, onde Un é a tensão nominal do 
enrolamento de alta tensão.
A tensão secundária normalmente é fixa e corresponde a 
tensão nominal em Média Tensão. A relação de 
transformação calculada vai variar conforme o tape que o 
transformador esteja ajustado, de forma que sempre a 
tensão secundária seja a nominal (13.800V) 
28
Comutador de tape sem tensão:
A comutação só deve ser realizada com o transformador desligado
Posição Tensão 
primária 
(Volts)
Tensão 
secundária 
(Volts)
Relação calculada
(H1H3 / x1x3)
1 69.300
13.800
5,02
2 67.650 4,90
3 66.000 4,78
4 64.350 4,66
5 62.700 4,54
29
Obs. Quando o transformador de potênciativer seus 
enrolamentos primários conectados em triângulo e os 
secundários conectados em estrela, o ensaio de relações de 
tensões é realizado entre buchas primárias fase-fase e buchas 
secundárias fase e neutro: 
H1H3 –X0X1, H2H1-X0X2 e H3H2-X0X3;
Portanto a relação calculada é a seguinte:
Posição Tensão 
primária (V)
Tensão 
secundária (V)
Relação calculada
(H1H3 / x0x1 )
1 69.300
13.800/√3
8,697
2 67.650
8,490
3 66.000
8,283
4 64.350
8,076
5 62.700
7,869
Transformador ∆-Y: Ensaio de relação de tensões
30
Comutador de 
tapes manual por 
alavanca
31
Visor que indica o 
número do tape = 5
32
Comutador de derivação em carga:
A faixa de derivação é de 16 x 1,25% de Un, quando 
instalado no enrolamento de alta tensão, e 32 x 0,625% de 
Un ou 16 x 1,25% de Un, quando instalado no enrolamento 
de média tensão. A tensão aplicada ao enrolamento primário 
do transformador não pode ultrapassar a tensão máxima do 
equipamento, que no caso, é de 72,5 KV. (vide figura nos 
acessórios).
Na prática a maioria dos transformadores possui o 
comutador em carga no lado primário, permanecendo o lado 
secundário somente com um tape com a tensão nominal de 
13.800V.
33
Posição Tensão primária 
(Volts)
Tensão secundária 
F-N (Volts)
Relação Calculada: H1H3-X0X1 ou 
H2H1-X0X2 ou H3H2-X0X3 
1 71.775
13.800/√3
9,008
2 70.950 8,905
3 70.125 8,801
4 69.300 8,698
5 68.475 8,594
6 67.650 8,490
7 66.825 8,387
8 66.000 8,283
9 65.175 8,180
10 64.350 8,076
11 63.525 7,973
12 62.700 7,869
13 61.875 7,766
14 61.050 7,662
15 60.225 7,559
16 59.400 7,455
17 58.575 7,351
34
Caixa do 
comutador 
automático 
de tapes
35
1.8. Tensão de curto circuito (u%) 
Impedâncias de curto-circuito (Z%) a 75° C:
É a tensão medida nos bornes do enrolamento de AT, 
quando o enrolamento de MT está curtocircuitado e 
percorrido por uma corrente de intensidade igual a 
intensidade nominal correspondente. É expressa em 
porcentagem da tensão nominal, que equivale a 
impedância de curto circuito percentual e deve estar 
normalizada para diferentes potências e tensões.
O valor da tensão de curto circuito varia entre 3,5% e 
5% para os transformadores de pequena potência e de 8 
a 12 % para unidades de grandes potências. 
36
De acordo com a seguinte expressão tem-se a relação 
entre a tensão de curto circuito, a corrente nominal e a 
corrente de curto circuito de um transformador: Portanto 
para saber qual o valor da corrente de curto circuito que o 
transformador suporta, deve-se utilizar esta expressão:
In ucc In In
ucc = x 100 , logo: = ➔ ucc % = 
Icc 100 Icc Icc
1 
Então: Icc = . In e Icc = . In
ucc % u em %
Ex. Um transformador com ucc = zcc =3,5%
Icc = In x 100 / 3,5 = 28,57 . In ( em kA)
100
• Esta expressão representa o ponto ANSI dos 
transformadores:
• Ponto ANSI : é o máximo valor de corrente que um 
transformador pode suportar durante um período 
definido de tempo sem se danificar.
• Normalmente este tempo varia de 2 a 5 seg. 
• Z% Ponto ANSI (A) tempo máximo duração
• 4% 25 x In 2 s
• 5% 20 x In 3 s
• 6% 16,6 In 4 s
• 7% 14,3 In 5 s.
• IANSI = [100/Z%] x In. ;Para faltas fase-terra em trafo ∆-Y : 
IANSI =[100/Z% / √3]xIn = 0,58x100/Z% 
37
• Para transformador ∆-Y aterrado, onde Z% é a 
impedância percentual de cada transformador.
• Portanto para saber o ponto ANSI basta utilizar a 
expressão IANSI = (100 / Z%)xIn .Por exemplo para Z=5% 
, IANSI = 20 x Inominal por 3 segundos.
• Quando do ajuste das proteções de sobrecorrente do 
transformador, este ponto ANSI (American National 
Standards Institute) deverá estar acima das curvas de 
atuação dos relés.
38
39
Exemplo de SE contendo 3 transformadores: 1X750KVA e 2x500KVA
Nesta proteção está sendo usado relé IEC 51/51N curva 
extremamente inversa;
40
Ponto ANSI 
750kVA
Ponto ANSI 
500kVA
41
Para os transformadores de distribuição os valores da tensão 
ou impedância de curto-circuito estão na tabela abaixo:
POTÊNCIA 
NOMINAL(KVA)
TENSÃO DE CURTO 
CIRCUITO (u%) ou (Z%)
PERDAS NO 
COBRE(W)
15 3,5 340
30 3,5 570
45 3,5 780
75 3,5 1140
112,5 3,5 1500
150 3,5 1910
225 4,5 2700
300 4,5 3360 
500 5,0 6800 
750 5,0 12650
1000 5,0 14550
42
Os valores médios da tensão ou impedância de curto circuito são referidos a 
potência ONAN , a 60Hz e 75ºC conforme tabela abaixo:
Tabela – Valores de tensão ou impedância de curto circuito
Potência Nominal Transformador com relação de 
Tensão de 69/13,8KV 
(MVA) Tensão de curto circuito % ou 
Impedância de curto-circuito (%) 
2,5 5%
3,0 5%
5/6,25 7%
7,5/9,375 8%
10/12,5 8%
15/20,0 9% (*12%)
20/26,6 10% (*13%)
20/26,6/33,2 11% (*15%)
* Valor elevado preferencial
43
44
1.9. Paralelismo de transformadores
É muito comum utilizar nas subestações 
distribuidoras ou mesmo em UCs do grupo A ou em UCs 
atendidas em 69KV, transformadores com conexão em 
paralelo, tendo em vista que no caso de desligamento ou 
defeito em uma das unidade, a instalação conta ainda 
com outra unidade que pode trabalhar em sobrecarga, por 
um período definido, ou com carga reduzida, até que a 
outra unidade retorne a operação.
Isto torna a instalação com maior flexibilidade 
operativa proporcionando maior confiabilidade a 
subestação. 
A seguir são relacionados alguns parâmetros que 
devem ser atendidos, para paralelar transformadores:
Exercício 01) 
Admita que você está projetando uma subestação distribuidora e quer 
saber quais as condições para realizar o paralelismo entre 
transformadores:
Então como um bom profissional da área que se garante, para 
relembrar os critérios, foi consultar nos seus arquivos pessoais essas 
condições. 
Condições adequadas para paralelar: 
1- Igual relação de transformação em vazio;
2- Mesma frequência;
3- Transformadores com o mesmo grupo de ligação (defasamento
angular entre primário e secundário sejam iguais);
4- Mesma sequência de fases de alimentação;
5- Possuam a mesma polaridade subtrativa;
6-Possuam a mesma impedância percentual equivalente de curto-
circuito. Admite-se no máximo uma diferença de +/-10% nesta Z%;
7- A relação entre as potências nominais não deve ultrapassar 3:1.
45
Exemplos de paralelismo:
Ex-02) Admitindo que você disponha de 2 transformadores de 
distribuição de 300 KVA que possuam todas as condições de 
paralelismo adequadas no entanto possuam impedâncias percentuais 
diferentes e deseja mesmo assim conectá-los em paralelo.
Dados:
Transformador A: 300 kVA, z% = 3,12%, Dyn1
Transformador B: 300 kVA, z% = 3,43%, Dyn1
a) O critério da máxima diferença de impedância percentual está sendo 
atendido? 
b) Como ficará o carregamento destes transformadores se o 
carregamento do de menor impedância percentual atingir 100%?
c) Qual a potência total disponibilizada sem que haja sobrecarga?
d) Considerando que necessitamos aplicar 600 KVA na instalação como 
ficará o carregamento destes transformadores?
46
47
SE abrigada 
com 2 (dois) 
transformadores 
em paralelo 
montados em 
cubículos
Exemplos de paralelismo:
Ex.03. Admitindo agora que você dispõe de 3 transformadores de 
distribuição e deseja que nenhum deles trabalhe com sobrecarga, no 
entanto precisa conectá-los em paralelo mas possuem impedâncias 
equivalente de curto-circuito percentuais diferentes.
Dados:
Transformador A: 112,5 KVA, z% = 2,750%, Dyn1
Transformador B: 150 KVA, z% = 3,000%, Dyn1
Transformador C: 225 KVA, z% = 3,025%, Dyn1
a) Verificar e calcular se os critérios da relação entre as potência nominais e 
da máxima diferença de impedância percentual estão deacordo;
b) Qual o carregamento máximo otimizado de cada transformador para que 
todos trabalhem sem sobrecarga?
c) Qual a potência total disponibilizada sem sobrecarga?
d) Qual o carregamento de cada transformador considerando a utilização da 
potência nominal total?
48
Verificação que não é adequado o paralelismo entre transformadores com 
potências muito diferentes:
Ex.04. Considere agora que você dispõe de 2 transformadores sendo um de 
112,5kVA e outro de 1000kVA. Demonstre que não é vantagem o paralelismo 
entre estes equipamentos (proporção > 3:1), além da diferença entre 
impedâncias percentuais:
Dados:Transformador A: 112,5 KVA, z% = 4,5%
Transformador B: 1000 KVA, z% = 5,5%
a) Verificar se os critérios da diferença entre impedâncias percentuais e da 
proporção estão atendidos;
b) Verificação do paralelismo sem que haja sobrecarga;
c) Cálculo do carregamento para o paralelismo fornecer a potência nominal 
total;
49
Ex-05. (Caso real) Considere que uma indústria de beneficiamento de aço, 
está sendo construída e de acordo com a sua potência instalada e a 
demanda máxima, vai ser alimentada em 69KV. A demanda máxima 
presumível é de 10,12MVA onde então foi dimensionada uma subestação 
de 12,5MVA, em pátio aberto com dois transformadores de força sendo 
um de 5,0 MVA e outro de 7,5 MVA. A industria dispõe dos seguintes 
equipamentos, com as suas respectivas características, para serem 
aproveitados nesta subestação: 
Dados: TR01 = 5,0 MVA, zTr1%=6,85%, no tape 3 (67650V), Dyn1;
TR02 = 7,5 MVA, zTr2%=6,77%, no tape 1 (70950V), Dyn1. 
Pergunta-se:
50
51
5202T1
5302T2
a) Calcular a impedância percentual ZTR1 % e ZTR2 % em todos os 
tapes e considerar para estudo na posição no tape 1 (70950V);
ONAN=óleo natural e ar natural
ONAF=óleo natural e ar forçado por motoventiladores;
Dados de placa dos transformadores:
54
Tape Transformador 1 Transformador 2
Potência 5/6,25MVA 7,5/9,375MVA
Posição Tensão ZTR1 % Tensão ZTR2 %
1 70950V 70950V 6,77
2 69300V 69300V
3 67650V 6,85 67650V
4 66000V 66000V
5 64350V 64380V
Para calcular a impedância percentual em outro tape mantendo a potência constante e 
fazendo a troca de base da tensão, teremos:
Para aumentar o 
tape
Para abaixar o 
tape
c) É possível utilizá-los sem que nenhum deles opere sem sofrer 
sobrecarga?
d) Admitindo que o proprietário deseja que os equipamentos 
forneçam os 100% da potência total nominal, como ficam os 
carregamentos dos transformadores nesta situação?
55
Diferença entre Z2 e Z1 >10%? Qual?
[(Z2 – Z1) /Z2 ]x100%=? Qual?
Grupo de ligação? Qual?
Alimentação na mesma sequência de 
fases? Qual?
Polaridade aditiva ou subtrativa?
Tensão nominal dos transformadores: 
69kV/13,8kV – 60Hz
b) Verificar se estão sendo atendidas as recomendações para realizar o 
paralelismo;
e) Calcular as impedâncias percentuais quando da troca de 
base da potência:
Neste caso é preciso utilizar a seguinte relação:
56