Aula 03 - Equipamentos - Transformadores

PROFESSOR: RONIMACK TRAJANO DE SOUZA

TRANSFORMADORES DE POTÊNCIATRANSFORMADORES DE POTÊNCIA

TEMA DA AULA

TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA

Transformadores são máquinas de operação estática que transferemenergia elétrica de um circuito para outro (circuito primário, para umou mais circuitos denominados, respectivamente secundário eterciário) por meio do princípio da indução eletromagnética.

Transformadores são destinados a rebaixar ou elevar a tensão e,consequentemente, elevar ou reduzir a corrente de um circuito, comfrequência constante, ou ainda modificar os valores das impedânciasde um circuito elétrico, ajustando a impedância do estágio seguinte àimpedância do anterior (casamento de impedância).

O casamento de impedância pode ser realizado visando à maximização da potênciaativa fornecida para a carga ou a minimização da potência reativa fornecida.

TRANSFORMADOR IDEAL

Um transformador ideal é aquele em que não se tem perdas deacoplamento, o que implica que o fluxo magnético Φ no primário éconcatenado integralmente pelo circuito secundário.

Neste caso, a permeabilidade magnética do núcleo ferromagnéticoseria infinita, com o circuito magnético fechado.

Resumindo, no transformador ideal:

A permeabilidade magnética do núcleo é infinita. Todo o fluxo é confinado no núcleo e, portanto, envolve todas as

voltas dos dois enrolamentos. As perdas no núcleo e na resistência dos enrolamentos são nulas.

TRANSFORMADOR REAL

A transferência de energia é efetuada com baixa perda de potência. Afração de potência que não é transmitida do primário para osecundário deve-se as perdas (cobre e ferro) que dependembasicamente da construção do transformador, do seu regime defuncionamento e da manutenção nele efetuada.

As perdas no ferro são determinadas pelo fluxo estabelecido e asperdas no cobre, por efeito joule, dependem da corrente quecirculam nos enrolamentos e na carga.

Importante salientar que os circuitos não são ligados fisicamente, ouseja, não há conexão condutiva entre eles.

TRANSFORMADOR – CIRCUITO MAGNÉTICO

(a) Transformador até 300kVA (b) Transformador até 1000kVA(c) Transformador acima de 1000kVA

(a) (b) (c)

TIPOS DE TRANSFORMADORES

TRANSFORMADOR – PARTES CONSTITUINTES

Um transformador é formado basicamente de:

Enrolamentos são formados de várias bobinas, que em geral sãoproduzidas com cobre eletrolítico e recebem uma camada deverniz sintético como isolante.

Núcleo produzidos a partir de material ferromagnético, sendo oresponsável por confinar o fluxo magnético, de modo que o fluxoque envolve um dos enrolamentos envolva também o outro e,assim, possibilita a máxima transferência de potência doenrolamento primário ao secundário.

Acessórios (radiador, buchas isolantes, terminais de conexãoelétrica, chave comutadora de tap, placa de identificação, et.)

TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS PADRÃO

1. Válvula de alívio sem contato (≥750kVA)2. Secador de ar sílica-gel *3. Tubo de enchimento do conservador de óleo;4. Conservador de óleo;5. Bolsa para termômetro;6. Olhal para suspensão do conservador de óleo;7. Visor de nível do óleo;8. Radiadores;9. Caixa de blocos Terminais;10. Placa de identificação;11. Válvula de drenagem e retirada de amostra de óleo;12. Apoio para macaco13. Rodas bidirecionais (E.E.);

TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS PADRÃO

14. Dispositivo de aterramento (cabo de 6 a 70mm²)15. Bucha de baixa tensão16. Janela de inspeção17. Acionamento externo do comutador18. Bucha de alta tensão19. Olhal para suspensão20. Válvula para conexão de filtro Øn1" Gás21. Caixa com flange22. Indicador nível de óleo23. Indicador de temperatura24. Relé de gás tipo Buchholz

Termômetro de óleo (ITO) e de imagem térmica (ITE)O termômetro é utilizado para indicação da temperatura do óleo e doenrolamento. Existem dois tipos: o termômetro com haste rígida e otermômetro com capilar.

TRANSFORMADORES - ACESSÓRIOS E COMPONENTES

Controladores microprocessados detemperaturaEste equipamento recebe o valor da resistênciade um sensor, geralmente PT100, e o transforma,através de um transdutor incorporado emtemperatura equivalente, a qual é vista nomonitor de temperatura, com painel frontaldigital.

Desempenham diversas funções de controle eacionamento de contatos, sendo que através doteclado frontal podemos configurar osparâmetros de sua atuação e ler os valoresmedidos e configurados.


Dispositivo de alívio de pressãoOs dispositivos de alívio de pressão são instalados emtransformadores imersos em líquido isolante com a finalidade deprotegê-los contra possíveis deformações ou ruptura do tanque, emcasos de defeito interno, com aparecimento de pressão elevada.Possuem ou não contatos elétricos a fim de acionar o desligamentodo circuito.


Conservador de óleoO conservador de óleo é um acessório destinado a compensar asvariações de volume de óleo decorrentes das oscilações detemperatura e da pressão.Tem a forma cilíndrica, com o seu eixo disposto na horizontal.


Secador de arO secador de ar é composto de umrecipiente metálico, no qual estácontido o agente secador (sílica-gel), euma câmara para óleo, colocada após orecipiente (que contém o agente)isolando-o da atmosfera.


Secador de arDurante o funcionamento normal do transformador, o óleo aquece edilata, expulsando o ar do conservador através do secador.

A diminuição da temperatura do óleo, provoca a redução do volume.Forma-se, então, uma depressão de ar no conservador e o arambiente é aspirado através da câmara e do agente secador, o qualabsorve a umidade contida no ar, que entrará em contato com o óleo.


Relé de gás (tipo Buchholz)Tem por finalidade proteger aparelhoselétricos que trabalham imersos emlíquido isolante. É instalado emtransformadores justamente para, emtempo hábil, indicar por meio de alarmeou através do desligamento dotransformador, defeitos como: perda deóleo, descargas internas, isolaçãodefeituosa dos enrolamentos, do ferroou mesmo contra a terra.


As análises físico-químicas e cromatográficas (Análise de GásDissolvido) permitem diagnosticar o estado de operação do trafo.

Indicador de nível de óleoTêm por finalidade indicar o nível do líquido isolante e, ainda, quandoprovidos de contatos para alarme ou desligamento, servirem comodispositivos de proteção do transformador.

O mostrador possui três indicações, conforme abaixo:• MIN, (nível mínimo); • 25ºC, (à temperatura ambiente de referência(25ºC); • MAX, que corresponde ao nível máximo..



As perdas são traduzidas em “escoamentos de potência”, que fazemcom que a potência de saída do transformador seja diferente dapotência de entrada.

A potência absorvida pelo transformador é dissipada, em forma decalor, pelos enrolamentos e pelo núcleo de ferro.

Basicamente, existem quatro tipos de perdas importantes nostransformadores de potência:

Perda no cobre Correntes de Foucault Perda por histerese Fluxo de dispersão

TRANSFORMADORES - PERDAS

Perdas no cobre são decorrentes da resistência ôhmica das bobinas,provocando pelo efeito Joule que ocorre nos condutores dosenrolamentos do transformador ao serem percorridos pela correnteelétrico.

Estas perdas são desprezíveis quando o transformador opera em vazio(sem carga) e são máximas quando o transformador opera em cargamáxima.

Em vazio, as perdas no cobre correspondem à corrente demagnetização que percorre o enrolamento primário dotransformador, e sob carga corresponde à corrente absorvida pelacarga ligada aos seus terminais secundários.


Correntes de Foucault: são também conhecidas como correntesparasitas. Estas correntes circulam no interior do núcleo dotransformador quando este é submetido a um fluxo variante notempo, provocando perdas por efeito Joule.

Esta perda é proporcional ao quadrado da tensão aplicada notransformador, e pode ser reduzida laminando-se o núcleo dotransformador.


TRANSFORMADORES - PERDAS CORRENTE DE FOUCAULT

Sendo:Pcf - perdas por correntes de Foucault em W/kg de núcleo ;Bm - indução (valor máximo) no núcleo em gauss;F - frequência em Hz;E - Espessura da chapa em mm;K - coeficiente de Steimmetz (depende do material) ;

Quando um corpo metálico é submetido a uma variação de fluxomagnético, gera-se uma força eletromotriz que produz a circulação decorrentes elétricas no seu interior, provocando perda de potência.

As perdas por correntes de Foucault, de forma simplificada, referida a1 kg de lâmina de ferro-silício são dadas por:

Perda por histerese: está associada à reorganização dos momentosmagnéticos atômicos do material ferromagnético que compõe onúcleo do transformador. Cada vez que o ciclo de histerese épercorrido, uma parcela de energia é gasta para que estes momentosmagnéticos sejam realinhados.

TRANSFORMADORES - PERDAS POR HISTERESE

TRANSFORMADORES - PERDAS POR HISTERESE

Considerando que o fluxo magnético na condição de carga ou à vazioé praticamente o mesmo, as perdas por histerese são dadas por:

Sendo:Phm - perdas por histerese em Watt por quilograma de núcleo;K - coeficiente de Steimmetz (depende do material) ;Bm - indução (valor máximo) no núcleo em gauss;F - freqüência em Hz.

Fluxo de dispersão: os fluxos magnéticos que concatenam comapenas um enrolamento e cujas trajetórias são definidasmajoritariamente através do ar são denominados fluxo de dispersão.

Estes fluxos traduzem-se em uma indutância própria para ambas asbobinas, e seus efeitos são representados pela adição de umareatância indutiva de dispersão em série com cada um dosenrolamentos.


TRANSFORMADORES - PERDAS EM CARGA

Sendo:Pcu - perdas no cobre em W/kg;D - densidade de corrente em A/mm², tomada como média dasdensidades de corrente dos enrolamentos primário e secundário.

Corresponde a potência ativa absorvida na frequência e correntesnominais, estando os terminais secundários em curto-circuito.

As perdas em cargas são causadas pela resistência ôhmica dasbobinas, denominadas perdas no cobre. Elas são desprezíveis para otransformador em vazio e máxima para o transformador em carga,sendo assim expressas para 1 kg de fio de cobre:

TRANSFORMADORES - PERDAS TOTAIS

As perdas totais do transformador em qualquer regime de carga podeser expresso por:

Sendo:Pt – perdas totais no transformador, em W;Fc - fator de cargaPfe - perdas totais no ferro, em W, dado por:

Sendo:Pcfn - perdas por correntes de Foucault em W;Phmm - perdas por histerese em Watt;

TRANSFORMADORES - RENDIMENTO

O rendimento de um equipamento pode ser definido como a relaçãoentre as potências de saída e entrada. No caso de transformadores, orendimento é a relação entre a potência elétrica fornecida pelosecundário e a potência absorvida pelo primário.

Sendo:Psaida=potencia transferida do primário para o secundárioPperdas= perdas no ferro e perdas no cobre

Sendo:Snt - potência saída do transformador.

TRANSFORMADORES - RENDIMENTO

O rendimento do transformador é máximo quando as perdas nocobre são iguais às perdas no ferro e que o valor da corrente paraesse rendimento é menor que o valor da corrente nominal.

É evidente que em circuito aberto (em vazio) e em curto-circuito orendimento é nulo, visto que em ambos os casos não há carga ligadaao secundário do transformador.

Em circuito aberto não há potência útil porque não há corrente, e emcurto-circuito não há potência útil, tendo em vista que a carga éapenas o núcleo e os enrolamento dos transformador.

TRANSFORMADORES - CURVAS DE RENDIMENTO

TRANSFORMADORES - REGULAÇÃO DA TENSÃO

A regulação de tensão de um transformador é a variação na tensãoterminal do secundário, entre circuito aberto e em plena carga,considerando a tensão do primário constante, sendo usualmenteexpressa como percentagem do valor da tensão em plena carga.

TRANSFORMADORES - IMPEDÂNCIA PERCENTUAL

Conhecida também como tensão nominal de curto-circuito,representa numericamente a fração da tensão nominal no primário,com relação a tensão nominal do primário, capaz de provocar acirculação da corrente nominal no secundário do transformador, noensaio de curto-circuito.

Sendo:VPcc – Tensão nominal de curto-circuito, aplicada no primário;VPn – Tensão nominal do primário;Z – impedância percentual ou tensão nominal de curto-circuito ;

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∙ 100%

Todos que trabalham em instalações elétricas, seja na montagem,operação ou manutenção, deverão ser permanentemente informadose atualizados sobre as normas e prescrições de segurança que regemo serviço, e aconselhados a segui-las.

É fundamental que estes serviços sejam efetuados por pessoalqualificado.

TRANSFORMADORES - INSTRUÇÕES GERAIS

Os transformadores são projetados e construídos rigorosamentesegundo normas ABNT ou outras especificações brasileiras ouinternacionais solicitadas pelo cliente.

As normas aplicáveis transformadores são:

NBR 7037 - Recebimento, instalação e manutenção detransformadores de potência em óleo isolante mineral -Procedimento.

NBR 5416 - Aplicação de cargas em transformadores de potência –Procedimento.

TRANSFORMADORES - NORMAS APLICÁVEIS

NBR 5380 - Transformador de Potência - Método de ensaio;

NBR 5356 - Transformador de Potência – Especificação;

NBR 5440 - Transformador de Distribuição – Requisitos;

NBR 7277 - Medição de Nível de Ruído de Transformadores eReatores - Método de Ensaio;

NBR 7570 Guia para Ensaios de Tensão Suportável Nominal deImpulso atmosférico e de Manobra para Transformadores eReatores - Procedimento;

TRANSFORMADORES - NORMAS APLICÁVEIS

1. Resistência elétrica dos enrolamentosFinalidade: verificar se não há irregularidades nos enrolamentos,contatos, soldas, etc.

2. Relação de tensõesFinalidade: verificar se não há irregularidades nos enrolamentosquanto ao número de espiras.

3. Resistência de isolamentoFinalidade: verificar a isolação entre enrolamentos e terra paraatestar a secagem da parte ativa.

4. PolaridadeFinalidade: verificar se o sentido dos enrolamentos está correto.

ENSAIOS E RECEBIMENTO - ENSAIOS DE ROTINA

5. Deslocamento angular e sequência de faseFinalidade: verificar se a conexão dos enrolamentos está correta deacordo com o diagrama fasorial.

6. Perdas em vazio e corrente de excitaçãoFinalidade: verificar perdas no ferro e corrente de magnetização donúcleo.

7. Perdas em carga e Impedância de curto circuitoFinalidade: verificar perdas nos enrolamentos e o valor daimpedância de curto circuito.


8. Tensão aplicada (75% para transformadores usados e reparados)Finalidade: verificar se as isolações entre enrolamentos e terrasuportam as tensões especificadas de testes de acordo com o nível deisolamento dos enrolamentos.

9. Tensão induzida (75% para transformadores usados ou reparados)Finalidade: verificar as isolações entre espiras do próprioenrolamento.Valor = 2 x tensão nominal do enrolamento (durante 7.200 cliclos)

10. Determinação do fator de potência (FP)Finalidade: verificar a qualidade do processo de secagem da parteativa. Não se trata de ensaio de rotina, mas em transformadores comtensão igual ou superior a 36,2 kV, é recomendado fazê-lo.


Ensaios dielétricos Tensão suportável nominal de impulso de manobra; Tensão suportável nominal de impulso atmosférico; Tensão induzida de longa duração; Tensão suportável nominal à freqüência industrial;

Estanqueidade e resistência á temperatura ambiente;

Verificação do funcionamento dos acessórios.


Fator de potência de isolamento;

Elevação de temperatura;

Nível de ruído;

Nível de tensão de radiointerferência;

ENSAIOS E RECEBIMENTO - ENSAIOS DE TIPO

Ensaio de curto-circuito;

Medição da impedância de seqüência zero;

Medição dos harmônicos na corrente de excitação;

Análise cromatográfica dos gases dissolvidos no óleo isolante;

Teste de rigidez dielétrica do óleo isolante

ENSAIOS E RECEBIMENTO - ENSAIOS ESPECIAIS

Os transformadores, antes de expedidos, são testados na fábrica,garantindo, assim, o seu perfeito funcionamento.

Dependendo do tamanho do transformador ou das condições detransporte, ele pode ser expedido completamente montado oudesmontado.

Sempre que possível, o transformador deve ser descarregadodiretamente sobre sua base definitiva, verificando se o terrenooferece plenas condições de segurança e distribuição de esforço.

TRANSFORMADORES - RECEBIMENTO

Antes do descarregamento, deve ser feita, por pessoal especializado,uma inspeção preliminar no transformador.

A inspeção visa identificar eventuais danos provocados durante otransporte, na qual devem ser verificadas as suas condições externas(deformações, vazamentos de óleo e estado da pintura) e avarias e/oufalta de acessórios e componentes.

TRANSFORMADORES - INSPEÇÃO DE CHEGADA

Para transformador transportado sem óleo, preferencialmentemontá-lo e enchê-lo com líquido isolante em seu local de operaçãotão logo seja recebido.

Quando não instalados imediatamente, devem ser armazenadospreferencialmente em lugar abrigado, seco, isento de poeiras e gasescorrosivos, colocando-os sempre em posição normal e afastados deárea com muito movimento ou sujeita a colisões.

TRANSFORMADORES - ARMAZENAGEM

TRANSFORMADORES - ARMAZENAGEM

As conexões elétricas do transformador devem ser realizadas deacordo com o diagrama de ligações de sua placa de identificação.

As ligações das buchas deverão ser apertadas adequadamente,cuidando para que nenhum esforço seja transmitido aos terminais, oque pode vir a ocasionar afrouxamento das ligações, mau contato eposteriores vazamentos por sobreaquecimento no sistema devedação.

As terminações devem ser suficientemente flexíveis a fim de evitaresforços mecânicos causados pela expansão e contração, o que podevir a quebrar a porcelana dos isoladores.

TRANSFORMADORES - CONEXÕES ELÉTRICAS

O tanque deverá ser efetiva e permanentemente aterrado através doseu conector de aterramento.

Uma malha de terra permanente de baixa resistência é essencial parauma proteção adequada.

No tanque está previsto um ou dois conectores para aterramento. Amalha de terra deverá ser ligada a um desses conectores por meio deum cabo de cobre nu com seção adequada.

TRANSFORMADORES - ATERRAMENTO DO TANQUE

Os transformadores devem ser protegidos contra sobrecargas, curto-circuito e surtos de tensão, instalados tão próximos quanto possíveldos transformadores.

Normalmente usam-se chaves fusíveis, disjuntores, seccionadores,para-raios, relés de proteção, etc., adequadamente dimensionados.

Os elos utilizados nas chaves-fusíveis devem estar de acordo com ademanda e potência do transformador.

TRANSFORMADORES - PROTEÇÃO E MANOBRA

Os transformadores são projetados e construídos rigorosamentesegundo normas ABNT ou outras especificações brasileiras ouinternacionais solicitadas pelo cliente.

A programação da correta operação e manutenção dos equipamentoselétricos visa proporcionar um bom desempenho do equipamento,além de prolongar a sua vida útil.

TRANSFORMADORES - MANUTENÇÃO

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