O núcleo é a parte do transformador por onde vai fechar-se o circuito magnético, é constituído por um material ferromagnético, que contém em sua composição o silício, que lhe proporciona características excelentes de magnetização, ou seja, é um material com grande permeabilidade magnética e baixa relutância.
Porém, este material é condutor e estando sob a ação de um fluxo magnético alternado, dá condições de surgimento de correntes parasitas. Para minimizar este problema, o núcleo, ao invés de ser uma estrutura maciça, é construído pelo empilhamento de chapas finas, como indicado na Fig. 3.9.
Sendo o material do núcleo de grande permeabilidade magnética consequentemente as perdas do núcleo serão pequenas.
No Brasil a fábrica mais importante de chapas para núcleos de transformadores é a Cia. Aços Especiais Itabira - ACESITA.
O núcleo pode ser:
a) Aberto
Este tipo de núcleo é o mais barato, pois o primário e o secundário são enrolados sobre um núcleo cilíndrico, como mostrado na fig. 1.10. Parte do circuito magnético é constituída pelo núcleo, e outra parte pelo ar. Como o ar se opõe ao campo magnético, o acoplamento magnético é diminuído. O transformador com núcleo aberto é, portanto ineficiente e nunca é usado para transmissão de energia.
Fig. 3.9 - Transformador de núcleo aberto.
b) Envolvido
O núcleo envolvido, ver Fig. 3.11, melhora a eficiência do transformador por oferecer mais ferro e menos ar ao campo magnético, aumentando assim o acoplamento magnético.
c) Envolvente
O núcleo envolvente aumenta ainda mais o acoplamento magnético, e, portanto a eficiência do transformador, pois proporciona dois caminhos magnéticos paralelos, permitindo assim, o máximo acoplamento entre o primário e o secundário, ver Fig. 3.12.
Fig. 3.11 - Transformador de núcleo envolvente.
1.21.
BOBINASQualquer que seja o tipo de construção do transformador, os dois enrolamentos de alta tensão (A.T.) e baixa tensão (B.T.) da mesma fase são em geral colocados sobre a mesma coluna. Nos transformadores monofásicos de colunas, é possível dispor o enrolamento de A.T. sobre uma coluna e enrolamento B.T. sobre outra. Este critério, porém, não é aplicado pelo fato de dar origem a dispersões magnéticas notáveis, pois uma grande parte do fluxo gerado pelo enrolamento primário se fecha no ar sem chegar a concatenar-se com o secundário. Nos transformadores industriais há várias maneiras de se disporem as bobinas a fim de se diminuir a dispersão magnética. Conforme a posição relativa em que são dispostas as bobinas A.T. e B. T., obtem-se os tipos de enrolamentos que são: bobinas concêntricas ou tubulares e de bobinas alternadas ou de discos.
a) Enrolamentos concêntricos ou tubulares
Esta construção realiza-se dispondo sobre cada coluna os dois enrolamentos de A.T. e B.T., concêntricos, separados entre si por meio de material isolante.
Para maior segurança, perto da coluna coloca-se sempre o enrolamento de B.T. separado da mesma por meio de um tubo de material isolante. Os enrolamentos adquirem a forma indicada na Fig. 3.13.a, na qual os enrolamentos de A.T. são divididos em várias bobinas sobrepostas e devidamente distanciadas, enquanto o enrolamento de B.T. é geralmente constituído em forma de um solenóide contínuo.
Às vezes, porém, o enrolamento B.T. é subdividido em dois solenóides concêntricos, dispondo-se um deste próximo da coluna e o outro externamente ao enrolamento de A.T., como indicado na Fig. 3.13.b. Esta disposição diminui consideravelmente a dispersão.
Fig. 3.12 - Enrolamentos concêntricos
b) Enrolamentos com bobinas alternadas ou de discos
Esta construção é realizada executando-se ambos os enrolamentos de A.T. e B.T. com várias bobinas de comprimento axial pequeno (discos) e sobrepondo-se as bobinas de A.T. e B.T. alternadamente, como indicado na figura 1.14. Para tornar mais fácil o isolamento contra a cabeça do núcleo, as bobinas são divididas de maneira que as extremas pertençam ao enrolamento de B.T.. Para diminuir a dispersão, estas duas bobinas devem possuir metade da espessura das bobinas B.T.. O isolamento entre as bobinas sobrepostas é obtido com a interposição de coroas isolantes.
Fig. 3. 13 - Enrolamentos com bobinas alternadas ou de discos
Os enrolamentos de A.T. e B.T. requerem uma técnica de construção diferente. No A.T., o problema fundamental é o do isolamento, enquanto no B.T. surgem dificuldades de execução, quando é necessário empregar condutores com seção muito grande.
O enrolamento A.T. tem em geral elevado número de espiras com seção relativamente pequena, enquanto o enrolamento B.T., pelo contrário, tem poucas espiras com grande seção.
Para seções de até 10mm2 empregam-se fios redondos, para seções maiores empregam-se condutores com seção retangular. Estes condutores devem possuir isolamento próprio, proporcional à tensão induzida em cada espira. Para fios redondos usa-se em geral um isolamento de esmalte ou algodão em duas camadas. Para condutores em barra usa-se algodão em duas ou três camadas, papel ou cadarço de algodão. Os condutores de seção muito grande são enrolados geralmente nus, interpondo-se entre as espiras contíguas diafragmas de papel.
1.22.
COMUTADORPara adequar a tensão primária do transformador à tensão de alimentação e fornecimento, o enrolamento primário é dotado de derivações (taps), conforme mostrado na Fig. 3.15, que podem ser escolhidos mediante a utilização de um painel de ligações ou comutador, conforme projeto e tipo construtivo, instalados junto à parte ativa, dentro do tanque.
Este aparato, na maioria dos transformadores de baixa potência, deve ser manobrado com o transformador desconectado da rede de alimentação.
Fig. 3.14 - Comutador do tipo painel de posições
1.23.
ÓLEO ISOLANTE a) ObjetivosTodos os transformadores de potência acima de 20 kVA e tensão acima de 6 kV são construídos de maneira a trabalhar imerso em óleos isolantes, como indicado na Fig. 3.16. O óleo tem como objetivo atender duas finalidades: garantir um perfeito isolamento entre os componentes do transformador; e dissipar para o exterior o calor proveniente do efeito Joule nos enrolamentos, assim como do núcleo.
Para que o óleo possa cumprir satisfatoriamente as duas condições acima, ele deve ser testado e apresentar boas condições de trabalho.
b) Generalidades
Os óleos usados em transformadores correspondem aos minerais, que são obtidos da refinação do petróleo. Esses óleos podem ser conseguidos com uma grande gama de variação em suas propriedades físicas.
O óleo deve ser testado quanto aos seguintes aspectos:
Comportamento químico: O óleo deve ser testado em condições as mais parecidas possíveis com as de trabalho. Justifica-se esse ensaio pelo fato de o comportamento químico do óleo ser alterado por condições externas, tais como, aquecimento, oxidação, envelhecimento, etc.
Ponto de inflamação e ponto de combustão: Aquecendo-se o óleo até uma determinada temperatura, ele se inflama em presença de uma chama, este é o ponto de inflamação. Se a temperatura for elevada até outro valor determinado, o óleo se inflamará espontaneamente em contato com o ar, este é o ponto de combustão.
Viscosidade: É um teste importante, pois da viscosidade depende a capacidade de circulação do óleo, dentro do transformador, para seu resfriamento.
Perdas por evaporação: Visa determinar o quanto de óleo escapa do transformador em forma de gás, devido a seu aquecimento. A quantidade perdida deve ser nula ou a menor possível.
Rigidez dielétrica: Todos os ensaios anteriores devem ser feitos periodicamente nos transformadores em uso, mas facilmente pode-se notar que a importância e a necessidade do teste de rigidez dielétrica são bem grandes. Vale dizer que, sob o efeito de oxidação, retenção de umidade, elevadas temperaturas, etc., o óleo vai perdendo suas qualidades isolantes. Geralmente, formam-se produtos lamacentos escuros, conhecidos por lama, que alteram as propriedades do óleo. Analisador de rigidez dielétrica é o nome do aparelho utilizado para medir a rigidez dielétrica do óleo isolante.
1.24.
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃOAs perdas que se produzem no ferro e no cobre de um transformador geram calorias que provocam a elevação de temperatura das partes ativas do aparelho.
Os transformadores de grande potência requerem geralmente refrigeração adicional, porque a natural é insuficiente. O volume do transformador não aumenta linearmente com a potência, sendo que o faz em menor escala.
A superfície exterior do núcleo e enrolamentos aumenta menos ainda, por razões geométricas. Para aumentar a superfície de contato com o ar, em transformadores submersos em óleo, costuma-se dobrar as paredes do tanque, como indicado na Fig. 3.17, que em lugar de ter forma cilíndrica ou prismática regular, adquirem assim um aspecto aleteado. Consegue-se desta
maneira aumentar muito a superfície de contato com o ar exterior, com o que se melhora a transmissão por convecção e por radiação.
Fig. 3. 16 - Dobras nas paredes de um tanque. Abaixo citamos os tipos de resfriamento de um transformador: Resfriamento Natural – SN – Figs. 3.17 e 3.18;
Resfriamento com ventilação forçada – SVF;
Resfriamento por circulação natural do líquido isolante – LN – Figs. 3.17e 3.18;
Resfriamento por circulação natural do líquido isolante e ventilação forçada sobre o tanque e radiadores - LN – VF – Fig. 3.19;
Refrigeração em óleo com serpentina de água interna - LN –ACF; Refrigeração em óleo com serpentina de água externa - LCF – ACF.
Fig. 3. 18 - Sistema de refrigeração forçada.
1.25.
JUNTAS DE VEDAÇÃODevem ser feitas de elastômero resistente à do óleo aquecido à temperatura de 105 C, à ação da umidade e dos raios solares.
1.26.
BUCHASAs buchas aos que se sujeitam os terminais de conexão estão sobre a tampa do
transformador e em sua lateral (nos transformadores de distribuição), como indicado na Fig. 3.20. Seu tamanho e tipo dependem da tensão de trabalho do enrolamento, ou mais corretamente, da tensão entre bornes. O tipo de bucha difere muito em transformadores para uso em interior de locais e para intempéries. No caso de transformadores para intempéries devemos considerar os efeitos das chuvas, neves, etc.. Nestes casos se especifica a tensão que deve suportar o isolador em função da tensão de serviço em V (volts).
1.27.
TANQUESO tanque do transformador, como indicado na Fig 3.20, além de ser o recipiente que contém as partes ativas, isoladores, e óleo, é o elemento que transmite para o ar, o calor produzido pelas perdas.
O formato do tanque varia de redondo para os transformadores de distribuição de baixa potência, a oval e retangular para os transformadores de médias e grandes potências.
De acordo com a quantidade de calor que deve ser liberada, os transformadores têm o tanque liso, nervurado ou equipado com radiadores. Os radiadores podem ser tubulares ou em forma de câmara plana.
A NBR rege que:
O tanque e a respectiva tampa devem ser de chapas de aço, laminadas a quente; O tanque não deve apresentar impurezas superficiais;
As superfícies internas do tanque devem receber um tratamento que lhes confira uma proteção eficiente contra a corrosão e o material utilizado não afetar nem ser afetado pelo óleo.
1.28.
PINTURAO serviço de pintura de transformadores é uma especialidade que exige bons conhecimentos sobre: preparo da superfície a ser pintada; agressividade do meio em que se encontra o
transformador; tipos de tinta de fundo e acabamento adequados para cada situação; métodos e mão-de-obra de aplicação; e condições econômicas.
A escolha de tintas para pintar transformadores não é tarefa das mais fáceis. Ao selecionar as tintas, deve-se ter em mente:
A agressividade do meio ambiente em que está o transformador. O meio ambiente pode ser úmido, de natureza ácida ou alcalina, e conter substâncias abrasivas que são lançadas sobre o transformador pelos ventos.
A tinta de fundo deve preencher as seguintes condições: Ter boa adesão à superfície metálica;
Ter resistência química adequada;
Ser compatível com a tinta de acabamento; Resistir a uma temperatura de 90 o
C; Ter boa dureza;
Resistir a óleo isolante
A tinta de acabamento deve ter as seguintes qualidades: Resistência a água;
Resistência a ácidos, álcalis e solventes; Resistência à poluição marítima;
Resistência a temperatura de 90 o
C; Retenção de brilho e cor;
Muito boa aderência e dureza.
Tanto a tinta de fundo como a de acabamento devem resistir às variações de temperatura, pois a parte inferior do transformador em operação tem uma temperatura mais baixa que sua parte superior, e essas temperaturas são variáveis.
1.29.
PLACA DE IDENTIFICAÇÃOO transformador deve ser provido de uma placa de identificação metálica, como indicado na Fig. 3.21, à prova de tempo, em posição visível, sempre que possível do lado de baixa tensão. A placa de identificação deve conter, no mínimo, as seguintes informações:
A palavra "Transformador" ou "Autotransformador" ou "Transformador de reforço" ou "Transformador regulador", etc;
Nome do fabricante e local de fabricação; Número de série de fabricação;
Mês e ano de fabricação;
Designação e data da norma brasileira (especificação); Tipo (segundo a classificação do fabricante);
Número de fases;
Potência ou potências nominais em kVA; Designação do método de resfriamento; Tensões nominais do primário e secundário; Correntes nominais do primário e secundário;
Diagrama de ligações dos enrolamentos do primário e secundário com identificação das derivações;
Frequência nominal;
Polaridade ou diagrama fasorial;
Impedância de curto-circuito, em percentagem;
Volume total do liquido isolante em litros ou peso em kilogramas; Massa total aproximada, em quilogramas.
Fig. 3.20 - Placa de identificação
1.30.
ACESSÓRIOS Indicador externo de nível do óleo:
Deve ser colocado em local visível no transformador. Deve ter referência para os níveis de óleo mínimo, máximo e a 25C.
Válvula de drenagem do óleo:
Deve ser colocada na parte inferior da parede do tanque. Todas as válvulas de drenagem do óleo devem ser providas de bujão.
Meios de ligação para filtro:
Deve ser feita por meio de um tubo, provido de bujão, localizado na parte superior da parede do tanque ou na tampa.
Dispositivo para a retirada de amostra do óleo:
Deve ser colocado na parte inferior do tanque, para transformadores imersos em óleo. Meios de aterramento do tanque:
Devem ter na parte exterior do tanque, sempre que possível perto do fundo, um dispositivo de material não ferroso ou inoxidável que permita fácil ligação a terra.
Meios para suspensão da parte ativa:
Os transformadores devem dispor de meios (alças, olhais, ganchos, etc.) para seu levantamento completamente montado, inclusive com óleo.
Abertura para inspeção:
Os transformadores devem ter, quando necessário, uma ou mais tampas auxiliares na tampa principal, para permitir o desligamento dos terminais internos para as buchas, mudanças de derivações e inspeção.
Apoios para macacos:
Podem ser feitos sob a forma de ressaltos ou de alojamentos, devendo ser adequados tanto para a colocação como para o acionamento de macacos.
Provisão para a instalação de termômetro para óleo:
Consiste de um alojamento estanque, para a instalação de um termômetro e colocado em posição que forneça a temperatura mais elevada do óleo.
Dispositivo para alívio de pressão:
Deve operar de maneira que o valor de sobrepressão não ultrapasse o valor máximo admissível. Meios de locomoção:
Os transformadores devem dispor de meios de locomoção, como base própria para arrastamento ou rodas orientáveis.
Secador de ar de Sílica Gel:
O secador de ar de sílica gel é usado nos transformadores providos de conservador de óleo, funcionando como um desumidificador de ar do transformador.
Manômetro e Manovacuômetro:
O manômetro é um instrumento utilizado para medir a pressão interna do tanque de óleo. E o manovacuômetro, mede pressão e vácuo.
Sistema de Ventilação Forçada (Fig. 3.19):
Alguns transformadores são constituídos de radiadores mais um conjunto de ventiladores. Esses ventiladores podem ser acionados manualmente ou automaticamente por um sistema digital. Em transformadores pequenos (menor que 5 MVA) pode ser usado o termômetro de óleo.