ANÁLISE COMPARATIVA DE PERDAS EM TRANSFORMADORES

DE DISTRIBUIÇÃO DE NÚCLEO EMPILHADO E ENROLADO

Marcos M. de Mattos, Marcelo W. Fuhrmann, Moisés M. Santos, Tafarel F. Milke,

Sandro A. Bock, Moisés M. Santos

Departamento de Tecnologia – Curso de Engenharia Elétrica – Universidade Regional do

Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ

Caixa Postal 560 – 98700-000 – Ijuí – RS

marcos, marcelo, tafarel@demei.com.br; sandro.bock, moises.santos@unijui.edu.br

Resumo. As perdas nos sistemas de

distribuição de energia elétrica têm sido

tema de grande relevância e uma

preocupação constante da comunidade

científica, empresas e órgãos

governamentais. Diversas alternativas vêm

sendo propostas visando reduzir o custo

final da energia para os consumidores e

conduzir à utilização mais eficiente dos

recursos energéticos. Especificamente no

âmbito das perdas técnicas, os estudos de

estratificação têm demonstrado que os

transformadores de distribuição estão entre

os fatores preponderantes na composição

das perdas totais da distribuição,

sinalizando um grande potencial de

eficientização energética. Nesse sentido,

propõe-se no presente artigo um estudo

comparativo das perdas em transformadores

de distribuição, frente a diferentes arranjos

de núcleo. A metodologia proposta baseia-

se na realização de experimentos

computacionais, ensaios a campo e

avaliação econômica das perdas.

Palavras-chave:Perdas de energia elétrica,

transformador de distribuição e núcleo

empilhado e enrolado.

1. INTRODUÇÃO

Com o crescimento progressivo da

demanda, existe a preocupação das

distribuidoras em otimizar o montante dos

investimentos na ampliação dos sistemas de

distribuição. Para tanto, além da

racionalização do consumo prevista pelos

programas de eficiência energética do

governo federal, uma importante alternativa

para reduzir investimentos e tornar o sistema

mais eficiente é o tratamento das perdas na

distribuição. O atual arcabouço regulatório

prevê o investimento de parte da receita

operacional das distribuidoras em programas

de redução de perdas de energia [1].

De acordo com [2], dados divulgados

pelo PROCEL (Programa Nacional de

Conservação de Energia Elétrica da

Eletrobrás) mostram estimativas de que 14%

de toda a energia gerada no Brasil é

desperdiçada pelas perdas globais (geração-

transmissão-distribuição), e que 30% dessas

perdas técnicas estão concentradas nos

núcleos dos transformadores.

Os dados demonstram a importância

do estudo de alternativas para a redução das

perdas técnicas nos transformadores de

distribuição, em razão de que a maior parte

das perdas no segmento de distribuição está

concentrada nesses equipamentos. Nesse

contexto, o objetivo do presente trabalho

consiste em avaliar as perdas em

transformadores com núcleos do tipo

enrolado e empilhado. Fundamentalmente,

propõem-se uma metodologia baseada na

realização de experimentos computacionais,

ensaios a campo e na utilização de métodos

para determinação das perdas e do custo

associados às mesmas.

2. DESENVOLVIMENTO

Objetivando o estudo das perdas em

transformadores de núcleo empilhado e

enrolado, analisaram-se transformadores da

classe 25 kV e potências de 45 kVA e 75

kVA.

Inicialmente, realizaram-se

experimentos computacionais que

contemplam a modelagem matemática do

transformador e a simulação do mesmo em

ambiente Matlab®.

No que se refere aos ensaios a campo,

executaram-se testes a vazio e em curto-

circuito em transformadores com

características nominais idênticas, diferindo

apenas arranjo construtivo de núcleo,

empilhado e enrolado. Os resultados desses

ensaios foram utilizados na rotina

desenvolvida no Matlab®, a fim de se obter

os parâmetros do circuito equivalente, para

posterior análise de desempenho dos

transformadores.

Por fim, visando realizar análise

técnica-econômica associada às perdas,

aplicou-se a metodologia ANEEL para

determinação das perdas de demanda e

energia, considerando uma amostra de 209 e

22 transformadores de 75kVA e 45 kVA,

respectivamente. Do ponto de vista

econômico, aplicou-se o método do custo

evitado de demanda e energia, proposto pelo

CODI/ABRADEE 19.34, para determinação

do custo das perdas no processo de aquisição

de transformadores de núcleo empilhado e

enrolado [3].

2.1 Experimentos Computacionais

Inicialmente, utilizou-se uma rotina

para determinação dos parâmetros do

circuito equivalente, a partir dos dados de

ensaios a vazio e de curto-circuito de vários

fabricantes de transformadores. Tais

informações foram utilizadas a fim de se ter

uma análise da variação média dos

parâmetros dos transformadores, para cada

arranjo nuclear.

Na tabela 1, são apresentados os

parâmetros do circuito equivalente de dois

transformadores de 45 kVA, sendo um de

núcleo enrolado e outro empilhado.

Tabela 1. Parâmetros do circuito equivalente

Parâmetros Núcleo

Enrolado Empilhado

R1 632,97 Ω 650,51 Ω

X1 456,17 Ω 520,22 Ω

R2 0,17 Ω 0,17 Ω

X2 0,12 Ω 0,14 Ω

Rp* 697,58 Ω 656,36 Ω

Xm* 512,55 Ω 258,48 Ω

Observa-se da tabela 1, que os

parâmetros mais afetados pela mudança de

arranjo do núcleo envolvem basicamente o

ramo de magnetização (Rp e Xm). Para o

arranjo de núcleo enrolado, considerando o

sensível incremento em Xm, em comparação

ao valor obtido para o arranjo de núcleo

empilhado, verifica-se uma redução

importante na corrente de excitação. O

impacto dessa variação de parâmetros no

rendimento pode ser vista da figura 1.

5 10 15 20 25 3095

95.2

95.4

95.6

95.8

96

96.2

96.4

96.6

96.8 Rendimento do Transformador, Fator de Potência = 0.9

Potência de Saída, kW

Rendim

ento

Perc

entu

al

Trafo com Núcleo Enrolado envolvido

Trafo com Núcleo Empilhado envolvido

Figura 1. Rendimento transformador de

45kVA1

Em função disso, nota-se que o

transformador com núcleo enrolado

apresenta rendimento superior ao núcleo

1 Curva de rendimento foi obtida considerando um

fator de potência de 0,9 indutivo.

empilhado, independente do carregamento.

Tal comportamento se deve principalmente a

redução das perdas a vazio.

2.2 Ensaios a campo

Os estudos de simulação foram

validados mediante os ensaios realizados na

empresa TSM, na cidade de São Miguel do

Oeste - SC. Na figura 2, apresenta-se o

registro fotográfico do ensaio em vazio no

transformador de núcleo enrolado.

Figura 2. Ensaio a vazio em

transformador de núcleo enrolado. Fonte:

TSM, 2009.

O trabalho a campo objetivou a

realização dos ensaios a vazio e em curto-

circuito, em transformadores novos

fabricados pela própria empresa. Os ensaios

foram realizados no laboratório da empresa

TSM Transformadores. Foram ensaiados

transformadores de distribuição de 25 kV e

potência de 45 kVA.

Neste ensaio verificou-se que as perdas

em vazio nos transformadores de núcleo

enrolado são aproximadamente 6,28%

menores que as perdas em vazio dos

transformadores de núcleo empilhado de

mesma potência.

Tabela 2. Perdas em transformadores

Perdas Enrolado Empilhado

Em Vazio 207 W 220 W

Em Carga 794 W 816 W

Total 1001 W 1036 W

Um aspecto importante a destacar é que

o projeto de reforma de transformadores de

distribuição, em geral, visa à colocação dos

parâmetros a vazio e em carga muito

próximos do limite máximo previsto na

norma NBR 5440. Desta forma, as empresas

conseguem otimizar os custos de

manutenção, principalmente relacionados ao

cobre aplicado nos enrolamentos, em

detrimento da possibilidade de produzir

equipamentos com melhores características

elétricas, que poderiam contribuir no

processo de redução das perdas técnicas da

distribuição.

2.3 Avaliação Econômica das Perdas

Para a análise das perdas de demanda e

energia do agrupamento de transformadores,

considerou-se a amostra apresentada na

tabela 3.

Tabela 3. Detalhes do agrupamento de

transformadores do estudo

Potência do

transformador

(kVA)

Número de

Transformadores

Potência

Total

(kVA)

45 22 990

75 209 15.675

A partir desses dados, realizaram-se

rotinas de cálculos das perdas de demanda

no ferro e cobre para ambos os tipos de

enrolamentos.

Tabela 4. Custo unitário dos equipamentos

TD

(kVA)

Investimento (R$)

Empilhado Enrolado

45 4.512,00 3.357,00

75 5.790,00 4.132,00

Na tabela 5, são apresentados os

valores de perdas totais, para cada horizonte

de planejamento, com base no somatório das

perdas no ferro e perdas no cobre, para

carregamento nominal [3].

Tabela 5. Investimento nos transformadores

considerando as perdas em 10 anos

TD kVA 45 75

Investimento

(R$)

EMP 4.512,00 5.790,00

ENR 3.357,00 4.132,00

Perdas totais

N=10anos

(R$)

EMP 2.949,34 4.295,26

ENR 2.831,93 3.920,33

Custo Total

(R$)

EMP 7.461,34 10.085,26

ENR 6.188,93 8.052,33

Perdas Totais

N=25 anos

(R$)

EMP 7.534,79 10.980,63

ENR 7.271,18 10.073,91

Custo Total

(R$)

EMP 12.046,79 16.770,63

ENR 10.628,18 14.205,91

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Através dos trabalhos experimentais

pode-se observar que a mudança da estrutura

do núcleo impactou preponderantemente nos

parâmetros do ramo magnetizante, mais

especificamente a reatância de

magnetização.

Os ensaios a campo confirmaram os

resultados das simulações, sendo que para os

casos analisados, as perdas a vazio dos

transformadores de núcleo enrolado ficaram

em média 6,28% menores em relação ao

núcleo empilhado.

Na análise econômica, objetivou-se

chegar a uma estimativa dos custos unitários

das perdas que ocorrem tanto nos

enrolamentos como no ferro do

transformador. A metodologia foi aplicada à

amostra de transformadores considerando os

níveis de perdas previstos na NBR 5440,

para os transformadores convencionais. Para

os transformadores de núcleo enrolado, os

dados de perdas foram obtidos junto à

empresa Pólo Electro, fabricante de

transformadores da cidade de Santa Maria -

RS.

Realizou-se um estudo comparativo da

representatividade dos custos dessas perdas,

considerando-se um horizonte de

planejamento de um, três, cinco, dez e vinte

e cinco anos, este último correspondendo ao

tempo de vida útil de um transformador de

distribuição.

Resultados iniciais sinalizam que o uso

de transformadores de núcleo enrolado, em

substituição aos de núcleo empilhado, pode

ser uma alternativa interessante para a

redução de perdas técnicas, tendo em vista a

representatividade dos transformadores na

composição das perdas globais do sistema de

distribuição.

Em trabalhos futuros, pretende-se dar

continuidade ao tema proposto, com o

objetivo de analisar o uso de

transformadores com núcleo amorfo no

sistema de distribuição de energia elétrica.

REFERÊNCIAS

[1] M.T. STRAUCH, Desenvolvimento de

Metodologia para Cálculo de Perdas

Elétricas em Redes de Distribuição de

Baixa Tensão, Universidade de Salvador,

Salvador-BA, 2002.

[2] M. L. B. CAMPOS, Estudo de

Aplicação Experimental e Viabilidade

de Utilização de Transformadores de

Distribuição com Núcleo Amorfo,

Universidade de São Paulo, São Paulo-

SP, 2006.

[3] CODI – COMITÊ DE DISTRIBUIÇÃO.

Método para determinação, análise e

otimização das perdas técnicas em

sistemas de distribuição. Documento

Técnico CODI- 3.2.19.34.0, agosto de

1996.