Devido à importância dos transformadores dentro da rede elétrica, esses dispositivos precisam ser adequadamente redimensionados, pois o tamanho do transformador influência de forma significativa a eficiência da operação e as perdas elétricas.
As informações coletadas pelos medidores ajudam na melhor seleção da capacidade dos transformadores de distribuição. Esta seleção deve envolver critérios técnicos e econômicos.
Algumas desvantagens do dimensionamento de acordo com as metodologias tradicionais, sem a adoção de medições, são:
1. A capacidade do transformador é superdimensionada; 2. Não considera os custos de investimento;
3. Não leva em conta o custo de operação ao longo da vida útil (custos de perdas) e; 4. Não envolve o cálculo da vida útil do transformador.
5.2.1 Abordagem Técnica e Econômica
Na seleção da capacidade de um transformador, do ponto de vista técnico o dimensionamento do transformador considera a operação no ponto de maior eficiência, o que ocorre quando as perdas em carga e em vazio são iguais àquelas obtidas quando o transformador opera no meio de sua capacidade nominal. No entanto, pode não ser economicamente favorável.
Na abordagem técnica e econômica considera-se a eficiência do transformador, a capitalização de perdas e o preço de aquisição do transformador para o dimensionamento mais adequado, como é apresentado em (García Gómez, Navas, & Rivas Trujillo, 2016). O processo do dimensionamento é mostrado esquematicamente na Figura 5.1.
A análise multivariável de dados é feita para todos os transformadores monitorados para a determinação dos curvas médias de cada um, seguidamente é feito uma análise técnico para identificação do ponto mais eficiente do transformador para determinar a vida estimada do transformador, em seguida é feito uma análise econômica mediante o procedimento do TOC, que avalia a aquisição do transformador considerando a capitalização das perdas ao longo da vida útil do transformador, finalmente é escolhido um transformador que produz menor perda elétrica e econômica ao longo da vida útil do transformador.
Figura 5.1: Esquema da metodologia do dimensionamento de transformador.
Curva de permanência de carga
A curva de permanência de carga mostra as características de permanência de demanda do transformador a cada 15 minutos versus a porcentagem de tempo em que o transformador opera ao longo do dia (PROCOBRE_eficiência, 2014). Por exemplo, a Figura 5.2 mostra a curva de permanência que indica que o transformador apresenta uma demanda de 15 kVA em 7% do tempo, ou seja, 1:45 horas. Para este caso, de acordo com a curva de permanência pode se adquirir um transformador de 15kVA que é capaz de suportar esse tempo de sobrecarga sem prejudicar o tempo de vida do transformador.
Figura 5.2: Curva de permanência do transformador. Fonte (PROCOBRE_eficiência, 2014)
Curva de transformador Agrupamento de dados Coleta de informação Análise de técnico Análise de econômico Vida do transformador TOC
A Figura 5.3 mostra o histograma com a frequência da demanda de diferentes transformadores monitorados no campus. Note que a maior frequência de operação ocorre para fatores de carga baixos, o que sugere a necessidade de redimensionar estes transformadores para aumentar a faixa de operação.
Figura 5.3: Histogramas de operação dos transformadores de distribuição.
Análise da vida do transformador
Refere-se à análise térmica que determina a vida do material isolante do transformador e consequentemente sua vida. De acordo com o equacionamento do Capítulo 2, para esta análise é necessário conhecer o carregamento do transformador e a temperatura de meio ambiente para estimar a temperatura no ponto mais quente e, consequentemente, determinar a perda de vida útil do transformador (IEEE Std C57.100™, 2011).
A Figura 5.4 mostra o comportamento típico da temperatura ambiente (𝑇𝑎), a temperatura do ponto mais quente (𝑇ℎ𝑠), e o carregamento (𝐾) dos transformadores de 300 kVA e 225 kVA do campus. As medições de temperatura do ambiente foram obtidas do CEPAGRI/UNICAMP (Centro de Pesquisas Meteorológicas e Climáticas Aplicadas à Agricultura – Universidade de Campinas). Com os dados de carregamento e a temperatura foi possível obter a temperatura no ponto mais quente do transformador, sendo que as temperaturas no ponto mais quente não superam a temperatura nominal de 110 °C (IEEE Std C57.100™, 2011).
Tabela 5.1 mostra a perda de vida de dois transformadores monitorados. A partir destes cálculos foi determinado que um transformador possui perda vida de 1,07 horas e outro 7,24 horas para cada mês de operação. Estes valores pequenos são devido ao baixo carregamento dos transformadores.
Assumindo que o transformador opera com um perfil de carregamento similar ao longo de todo o ano, a perda de vida equivalente anual para um transformador de 300 kVA seria de apenas 13 horas e para um transformador de 225 kVA seria de apenas 87 horas. Estes valores são considerados baixos em comparação à perda de vida útil permitida para um transformador em condições nominais que é de até 8760 horas (24h x 365) em um ano.
Tabela 5.1: Perda de vida do transformador mensal.
Transformador 300 kVA 225 kVA
Perda de vida [h] 1,07 7,24
(a)
(b)
Figura 5.4: Temperatura ambiente (𝑻𝒂), temperatura do ponto mais quente (Ɵ𝑯) e o carregamento típico do
Seleção com abordagem técnica e econômica
Após determinar a curva de consumo do transformador, seleciona-se aquela que possui condições de atender seu carregamento médio considerando que não haja deterioração da vida útil. Em seguida, determina-se a vida útil do transformador garantindo estes em valores nominais de acordo com o modelo do IEEE para a determinação de envelhecimento do transformador, de acordo com o exposto no Capítulo 2, e uma abordagem econômica permite a escolha do transformador com o menor Valor Presente Líquido (VPL), sendo provável que o ponto de operação do transformador escolhido não opere na faixa mais eficiente de acordo cálculo técnico.
Em (García Gómez, Navas, & Rivas Trujillo, 2016) o dimensionamento do transformador de distribuição está baseado em abordagem técnica e econômica, que contemplam etapas de determinação de curva do transformador, avaliação da vida do transformador, determinação da faixa máxima eficiência de operação e a seleção do transformador de acordo com o critério técnico.