(*) Rua Pedro Zimmermmann, n˚ 6751 – Departamento Técnico – CEP 89.068-001 Blumenau, SC, – Brasil Tel: (+55 47) 3337-1000 – Fax: (+55 47) 3337-1090 – Email: marchesan@weg.net

XXI SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

23 a 26 de Outubro de 2011Florianópolis - SC

GRUPO -XIII

GRUPO DE ESTUDO DE TRANSFORMADORES, REATORES, MATERIAIS E TECNOLOGIAS EMERGENTES - GTM

TRANSFORMAFORES DE POTÊNCIA EM ÓLEO VEGETAL ISOLANTE: PERSPECTIVAS DE PROJETO E FABRICAÇÃO

Tiago Bandeira Marchesan(*) Álvaro Portillo Alexandre João Fanchin WEG T&D WEG T&D WEG T&D

RESUMO O emprego do óleo vegetal isolante em transformadores de potência tem se fundamentado como uma realidade nos últimos anos. Neste âmbito, as diferentes características físico-químicas deste fluído, em relação ao óleo mineral, influenciam no comportamento elétrico do equipamento. A diferença observada na permissividade elétrica do óleo vegetal em relação ao óleo mineral resulta em uma resposta em alta freqüência diferente da resposta de um mesmo equipamento quando do emprego do óleo mineral isolante. Diversos fatores devem ser considerados no projeto de equipamentos em óleo vegetal, sendo que este artigo apresentará alguns resultados obtidos de um extenso estudo realizado para emprego do óleo vegetal isolante em transformadores de potência. São elucidadas as principais diferenças na impregnação do isolamento sólido do equipamento e a resposta em alta freqüência em relação ao tipo de fluído empregado. PALAVRAS-CHAVE Forma de onda de impulso, Óleo vegetal isolante, Resposta em alta freqüência, Tensões transferidas.

1.0 - INTRODUÇÃO A utilização do óleo vegetal isolante em transformadores de potência vem demonstrando uma taxa de crescimento elevada em todo o Brasil. As vantagens de rápida biodegradabilidade, quando em contato com o meio ambiente, maior durabilidade da isolação sólida do equipamento e elevado ponto de combustão (> 300 oC) são fatores preponderantes que aumentam o interesse do mercado pela utilização do óleo vegetal como meio isolante e refrigerante de transformadores de potência. Vale ressaltar, no entanto, que toda nova tecnologia deve ser estudada, testada e aprovada para emprego e utilização, principalmente em equipamentos de maior classe de tensão (> 138 kV) e potência (> 20 MVA), onde as características do fluído são fatores fundamentais na garantia de confiabilidade do equipamento. A evolução recente nas pesquisas possibilitou o projeto e fabricação de transformadores de potência em óleo vegetal isolante em maiores classes de tensão e potência, conforme apresenta a figura 1, para um equipamento 230 kV / 100 MVA. Porém, tais evoluções devem ser realizadas de maneira criteriosa a fim de se conhecer todas as modificações necessárias para o emprego do óleo vegetal isolante, desde o ponto de vista químico até o comportamento elétrico do equipamento. Neste trabalho citam-se algumas importantes considerações durante o projeto e fabricação do equipamento, principalmente no que tange as diferenças na resposta em alta freqüência quando da utilização do óleo vegetal isolante.

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FIGURA 1 – Transformador Trifásico 230 kV / 100 MVA fabricado pela WEG T&D

2.0 - IMPREGNAÇÃO DO ISOLAMENTO SÓLIDO EM ÓLEO VEGETAL ISOLANTE A viscosidade do óleo vegetal isolante a temperatura de 20 oC é aproximadamente três vezes maior que a viscosidade do óleo mineral a mesma temperatura. Este fato prolonga o tempo requerido para impregnação do isolamento sólido do equipamento, aumentando o lead time do processo produtivo. Fato este, economicamente indesejado pelo fabricante do equipamento. Uma das formas de se aumentar a velocidade de impregnação é a redução da viscosidade do fluído através do aumento da temperatura de impregnação. A figura 2 apresenta a relação entre a distância impregnada do isolamento sólido em relação ao tempo de impregnação para diferentes temperaturas em óleo vegetal e óleo mineral, considerando a pressão criada pelo efeito capilaridade, a viscosidade do fluído e o raio médio do capilar da celulose conforme apresentado em (1). O tempo de impregnação calculado é aproximadamente três vezes maior para óleo vegetal em relação ao óleo mineral, considerando as temperaturas de impregnação de 50 ºC para o óleo mineral isolante e 60 oC para o óleo vegetal.

FIGURA 2 – Impregnação do isolamento sólido em função do tempo para diferentes temperaturas em óleo mineral e vegetal isolante

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3.0 - INFLUÊNCIA DO FLUÍDO NO MODELO ELÉTRICO DE ALTA FREQUÊNCIA DO EQUIPAMENTO Na análise do transformador em baixas freqüências (frequência industrial), o comportamento dos fenômenos dielétricos vinculados pode ser facilmente verificado, analiticamente, através de funções matemáticas simplificadas. Porém, na análise em alta freqüência (por exemplo, aplicação de formas de onda de impulso), o transformador torna-se um complexo circuito de indutâncias próprias e mútuas, capacitâncias e resistências e, portanto, deve ser modelado de forma a contemplar todos estes elementos. (2)-(7) No âmbito das indutâncias empregadas no modelo de alta frequência, não há alteração pelo emprego de diferentes fluídos como dielétrico. Porém, as permissividades de cada fluído são capazes de alterar o valor das capacitâncias do modelo de alta frequência, e, por conseguinte, os gradientes de tensão em determinados pontos do equipamento, principalmente, quando da aplicação de forma de onda de impulso atmosférico. A tabela 1 apresenta os valores de permissividade do óleo vegetal e mineral isolante para a temperatura de 25 oC. Observa-se na tabela 1 que embora o isolamento sólido empregado seja o mesmo, há uma mudança na permissividade deste, dependendo do fluído utilizado na impregnação.

Tabela 1 – Permissividade dos fluídos isolantes (Temperatura = 25 oC)

Óleo Mineral Óleo VegetalFluído 2,2 3,3

Papel Kraft 3,4 4,0Pressboard 4,5 4,6

A figura 3 apresenta as capitâncias calculadas para o modelo em alta frequência de um autotransformador trifásico de 245 kV e 80 MVA. As permissividades empregadas no cálculo são as apresentadas na tabela 1.

Óleo Mineral Óleo Vegetal

FIGURA 3 – Capacitâncias do modelo de alta freqüência do transformador para emprego de óleo vegetal e óleo mineral isolante

4.0 - DISTRIBUIÇÃO INICIAL DE TENSÃO NO ENROLAMENTO DO TRANSFORMADOR DURANTE O ENSAIO DE IMPULSO ATMOSFÉRICO

Quando da aplicação de forma de onda de impulso atmosférico em um dos enrolamentos de um transformador (autotransformador), a distribuição inicial das tensões ao longo do enrolamento é resultado das capacitâncias envolvidas no sistema. Desta forma, devido as diferenças na permissividade do óleo mineral e vegetal empregados como meio dielétrico, serão observadas diferenças nas capacitâncias que regem a distribuição de potencial ao longo do enrolamento. Considerando um degrau de tensão aplicado a um dos enrolamentos do transformador, a equação (1) representa a distribuição inicial das tensões ao longo deste enrolamento, com base na capacitância série (Cs) e a capacitância em relação ao potencial de terra (Cg).

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2hV h( )d

d

2 CgCs

V h( )⋅− 0 (1)

De acordo com as equações apresentadas em (4) e (5), as capacitâncias Cs e Cg podem ser calculadas baseadas nas constantes dielétricas definidas na tabela 1. (8) A distribuição da tensão de impulso em enrolamento do tipo disco contínuo (EDC) e entrelaçado (EDE), em óleo vegetal e mineral isolante, é apresentada, como exemplo, na figura 4 para o enrolamento série (AT) do autotransformador supracitado. Observa-se que a distribuição de impulso em ambos os casos (EDC e EDE), de acordo com a distribuição inicial, é pior para óleo vegetal isolante uma vez que quanto mais abrupta é a queda de tensão nos primeiros discos do enrolamento, maior será a tensão entre discos. Desta forma, resolve-se extender a análise para um modelo mais completo do equipamento, incluindo ao circuito, as indutâncias próprias e mútuas, bem como as resitências.

FIGURA 4 – Distribuição de impulso atmosférico no enrolamento tipo disco (contínuo e entrelaçado) em óleo vegetal e mineral isolante.

5.0 - ANÁLISE DAS TENSÕES INTERNAS DO TRANSFORMADOR CONSIDERANDO O MODELO COMPLETO A figura 5 apresenta um desenho esquemático do modelo completo para simulação das tensões internas do equipamento em análise. Cada numeral (1,2,3...) corresponde a um circuito RLC empregados na definição do modelo completo. Os resultados de simulação do modelo implementado, são apresentados na figura 6, para três diferentes situações. A figura 6.a contempla a análise da tensão no primeiro ramo empregado para modelagem do enrolamento comum (primeiros discos), quando da aplicação de forma de onda de impulso atmosférico no mesmo enrolamento. Observa-se uma diferença na tensão de pico inicial e nas oscilações observadas para ambos os fluídos isolantes. Nas figuras 6.b e 6.c são apresentadas, respectivamente, as formas de onda para os primeiros discos da bobina Série e a tensão transferida ao enrolamento Comum quando da aplicação de impulso atmosférico no terminal de alta tensão. Uma análise genérica, através do modelo completo, resulta em um aumento do gradiente de tensão entre discos, para óleo vegetal em relação aos valores obtidos para óleo mineral. Ainda, observa-se através das formas de onda da figura 6 pequena diferença nas oscilações características da resposta do sistema em alta frequência, característica esta dependente das frequências de ressonância do circuto em análise.

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FIGURA 5 – Circuitos RLC modelados para o transformador (Total de 126 circuitos RLC empregados)

a. Tensão nos primeiros discos do enrolamento Comum quando da aplicação de impulso

atmosférico

b. Tensão nos primeiros discos do enrolamento Série quando da aplicação de impulso

atmosférico

c. Tensão transferida ao enrolamento comum quando da aplicação de impulso atmosférico no enrolamento de Alta Tensão (forma de onda aplicada V102)

FIGURA 6 – Resposta temporal à forma de onda de impulso atmosférico para óleo mineral (OM) e óleo vegetal

(OV)

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6.0 - ANÁLISE DAS FREQUÊNCIAS DE RESSONÂNCIA O modelo matemático de um transformador, como abordado anteriormente, é um circuito elétrico formado por uma grande quantidade de indutâncias próprias e mútuas, capacitâncias e resitências. É natural, que circuitos de elevada ordem possuam, no domínio da frequência, um grande número de frequências naturais ou frequências de ressonâncias, que governam a resposta transitória do mesmo. Ao se aplicar a um nó do circuito elétrico uma tensão de impulso atmosférico, se obtém, a tensão em qualquer nó do circuito como uma combinação linear da resposta do circuito a cada uma das frequências constantes no espéctro da forma de onda aplicada (análise nodal). (5)-(7) Comparando-se, para o autotransformador em análise, as frequências de ressonância para óleo mineral e óleo vegetal isolante obtêm-se que as frequências de ressonância para óleo vegetal são menores, porém muito similares as frequencias de ressonancia quando da utilização do óleo mineral. Se considerarmos as primeiras 61 frequências de ressonância obteremos que, na média, as frequências de ressonância para o óleo vegetal são 3 % menores que para o óleo mineral. Baseando-se no conceito de análise modal de transitórios, se não existe grande diferença nas frequências próprias não são esperadas grande diferenças na resposta temporal para os dois fluidos isolantes em análise. No entanto, com base nas formas de onda da figura 6 observa-se que a tensão nos primeiros discos dos enrolamentos série e comum possuem valores de tensão superiores entre 5-10% quando da aplicação do óleo vegetal isolante.

7.0 - SIMULAÇÃO DOS GRADIENTES DE TENSÃO EM ELEMENTOS FINITOS PARA OS PRIMEIROS DISCOS DO ENROLAMENTO

O fato explanado, anteriormente, em primeira análise demandaria um possível redimensionamento das distâncias entre discos do enrolamento do autotransformador quando do emprego do óleo vegetal isolante como meio dielétrico. A figura 7 apresenta a simulação da distribuição de impulso para os seis primeiros discos do EDC para gradiente de tensão entre discos 10% acima para a condição de emprego do óleo vegetal. Observa-se que nas figuras 7(b) e 7(d) embora os gradientes entre discos para o óleo vegetal sejam maiores, os gradientes máximos no óleo (ponto crítico do projeto) possuem uma diferença de apenas 2%, isto é, embora a distribuição de impulso seja pior para o óleo vegetal isolante a diferença entre as permissividades do isolamento sólido e líquido, acarreta em um maior gradiente de tensão no papel isolante e não no óleo vegetal.

8.0 - CONCLUSÃO Diferenças nas características dielétricas do óleo vegetal foram observadas em relação ao óleo mineral para campos elétricos não uniformes e grandes gaps de isolamento.(9) Este artigo aborda as diferenças na distribuição das tensões nos enrolamentos tipo disco contínuo e entrelaçado para óleo vegetal e mineral isolante, bem como os impactos destas diferenças no projeto do equipamento. Ainda, são apresentadas as diferenças no tempo de impregnação do isolamento sólido do transformador. A consideração do modelo completo do equipamento permite uma análise criteriosa das frequências de ressonância e dos gradientes de tensão internos, obtidos através de análise modal. As fomas de onda de tensão internas no equipamento quando da realização do ensaio de impulso atmosférico são bastante similares para ambos os fluídos. Porém, as frequências de ressonância são ligeiramente menores quando do emprego do óleo vegetal, e, ainda, observa-se uma tensão entre discos 5-10% superior em comparação ao óleo mineral. Em um âmbito de análise mais apurado, através da simulação em elementos finitos, mostra-se que o acréscimo de tensão entre discos obtido no caso do óleo vegetal isolante, está presente no papel de isolamento dos condutores e não no óleo isolante. Este fato deve-se as permissividades comparativas entre o isolamento sólido e líquido para ambos os fluídos. Tal fato demonstra a grande importância de uma análise global do projeto para transformadores de potência em óleo vegetal isolante.

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(a) Seis primeiros discos do EDC (b) Detalhe dos gradientes de tensão nos dois primeiros discos do enrolamento

Óleo Mineral

(c) Seis primeiros discos do EDC (d) Detalhe dos gradientes de tensão nos dois primeiros discos do enrolamento

Óleo Vegetal FIGURA 7 - Distribuição das tensões durante o ensaio de impulso atmosférico em enrolamento tipo disco contínuo.

9.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) DAI, J. and WANG, Z. D., “A Comparison of the impregnation of Cellulose Insulation by Ester and Mineral Oil”.

IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, p. 374-381, 2008. (2) DEL VECCHIO, et al., “TRANSFORMER DESIGN PRINCIPLES: With Applications to Core-Form Power

Transformers”. CRC Press, United States, cap. 7, pp. 237-284, 2002. (3) KULKARNI S. V. and KHAPARDE S. A., “Transformer Engineering: Design and Practice”. Marcel Dekker, cap.

7, pp. 277-325, 2004. (4) A.MIKI, T.HOSOYA, K.OKUYAMA: “A Calculation Method for Impulse Voltage Distribution and Transferred

Voltage in Transformer Windings”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-97, no. 3, May/June 1978, pp 930-939

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(5) D.J.WILCOX. “Theory of transformer modelling using modal análisis”, IEE Proceedings, Vol. 138, Nº2, march 1991, pp 121-128

(6) D.J.WILCOX, T.P.MCHALE. “Modified theory of modal analysis for the modeling of multiwinding transformers”,

IEE Proceedings, Vol. 139, Nº6, NOVEMBER 1992, pp 505-512. (7) D.J.WILCOX, et al. “Application of modified modal theory in the modelling of practical transformers”, IEE

Proceedings, Vol. 139, Nº6, NOVEMBER 1992, pp 513-520 (8) PREVOST T. A., “Dielectric properties of Natural Esters and their influence on transformer insulation system

design and performance”. IEEE PES Transmission and Distribution Conference, p. 30-34, 2006. (9) MARCHESAN, T. B. and FANCHIN A. J., “Natural Ester Fluid: The Transformer Design Perspective”. IEEE/PES

2010 T&D Latin America Conference and Exposition. November 2010, São Paulo, Brasil.

10.0 - DADOS BIOGRÁFICOS Tiago Bandeira Marchesan possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (2003) e doutorado em Engenharia Elétrica (2007) pela mesma Universidade. Realizou seu doutorado com estágio na Universidad de Oviedo, España. Atualmente é pesquisador do Grupo WEG (Weg Equipamentos Elétricos S.A.) e professor do curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS). Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, tendo atuado como professor e pesquisador na Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Universidade do Noroeste do Estado do RS (UNIJUI) e Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS). Atuou, principalmente nas seguintes áreas: Projeto e modelagem de reatores eletrônicos para lâmpadas de descarga em alta e baixa pressão, fontes chaveadas, métodos de correção do fator de potência, controle de intensidade luminosa, e , atualmente,como pesquisador no Grupo WEG T&D em inovações na área de transformadores de potência. Álvaro Portillo: Se graduó como Ingeniero Industrial, Opción Eléctrica, en la Facultad e Ingeniería de la Universidad de la República en Montevideo, Uruguay en el año 1979. Entre 1977 y 1999 fue docente en la Facultad e Ingeniería de Montevideo en el Instituto de Matemáticas y en el Instituto de Ingeniería Eléctrica. Desde 1979 a 1985 trabaja en UTE, concesionaria eléctrica del Uruguay, en la instalación y mantenimiento de transformadores. Desde 1985 comienza a trabajar exclusivamente con fabricantes de transformadores en el área de desarrollo de softwares de cálculo para proyecto (cálculo óptimo de transformadores secos y en aceite, cálculo de cortocircuito, cálculo de impulso, cálculo térmico de transformadores secos y en aceite, etc.) prestando servicios en MAK de Uruguay entre 1985-1999, en TRAFO de Brasil entre 2000 y 2007 y en WEG de Brasil desde 2007 a la fecha. Alexandre João Fanchin possui graduação em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUC-RS) em 1984 e pós-graduação em Qualidade e Produtividade empresarial pela Universidade de São Paulo (USP) em 2004. Possui mais de vinte anos de experiência na área de transformadores de potência, participando no desenvolvimento de diversos acessórios para transformadores de potência. Atualmente, trabalha no setor de pesquisa e desenvolvimento da WEG Transmissão e Distribuição. Suas áreas de interesse são: Sistemas de monitoramento e proteção para transformadores de potência, novos fluídos isolantes e novas tecnologias de materiais isolantes.