Segunda edição 17.1 2.2007 Válida a partir de 17.01.2008
Transformadores de potência
Parte
2:
Aquecimento
Power transformers Part 2: Tempera fure risePalavras-chave: Transformador. Temperatura. Aquecimento.
Descriptors: Transformer. Temperature. Rise.
ICS 29.1 80
Número de referência ABNT NBR 5356-2:2007 23 páginas
O ABNT 2007
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Sumário
Página Prefácio...
i vI Escopo
...
12 Referências normativas
...
1...
3 Classificação dos métodos de resfriamento 2 4 Limites de elevação de temperatura...
34.1 Geral
...
34.2 Limites normais de elevação de temperatura a potência nominal em regime permanente
...
3...
4.3 Requisitos especiais devido a condições de serviços anormais 5 4.3.1 Transformadores imersos em óleo e resfriados a ar...
54.3.2 Transformadores imersos em óleo e resfriados a água
...
6...
4.4 Elevação de temperatura durante u m ciclo de carga especifico 6 Ensaio de elevação de temperatura...
6Geral
...
6Temperatura d o ar de resfriamento
...
7Temperatura da água de resfriamento
...
7Métodos de ensaio para a determinação das elevações de temperatura
...
7Geral
...
7...
Ensaio de elevação de temperatura para regime permanente pelo método de curto-circuito 7 Modificações n o ensaio para transformadores com mais de dois enrolamentos...
9Determinação das temperaturas do óleo
...
9Topo d o óleo
...
9Óleo n o fundo d o tanque e óleo médio
...
10Determinação da temperatura média dos enrolamentos
...
10...
Determinação da temperatura d o enrolamento antes d o desligamento da alimentação I I Correções...
1Anexo A (informativo) Nota sobre a temperatura d o óleo em transformadores com circulação forçada de óleo
...
12Anexo B (informativo) Carga transitória
.
Modelo matemático e ensaios...
14B.l Generalidades
...
14B.2 Modelo matemático de distribuição de temperatura em u m enrolamento de transformador imerso em óleo
.
Conceito de ponto mais quente...
14B.3 Carga o u resfriamento variável . Constantes de tempo térmicas
...
15...
B.4 Recomendações para ensaio de elevação de temperatura com carregamento transitório 16 Anexo C (informativo) Técnicas utilizadas para ensaio de elevação de temperatura de transformadores imersos em óleo isolante...
17C.1 Interrupção de u m ensaio em regime permanente
...
1 7...
C.2 Procedimento de medição da resistência do enrolamento depois do desligamento 20 C.3 Extrapolação da temperatura do enrolamento no instante d o desligamento...
20Prefácio
A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) é o Foro Nacional de Normalização. As Normas Brasileiras,
cujo conteúdo é de responsabilidade dos Comitês Brasileiros (ABNTICB), dos Organismos de Normalização
Setorial (ABNTIONS) e das Comissões de Estudo Especiais Temporárias (ABNTICEET), são elaboradas por Comissões de Estudo (CE), formadas por representantes dos setores envolvidos, delas fazendo parte: produtores, consumidores e neutros (universidades, laboratórios e outros).
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A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) chama atenção para a possibilidade de que alguns dos elementos deste documento podem ser objeto de direito de patente. A ABNT não deve ser considerada responsável pela identificação de quaisquer direitos de patentes.
A ABNT NBR 5356-2 foi elaborada no Comitê Brasileiro de Eletricidade (ABNTICB-03), pela Comissão de Estudo
de Transformadores de Potência (CE-03:014.01). O seu I V r o j e t o circulou em Consulta Nacional conforme Edital n"6, de 01.06.2006, com o número de Projeto ABNT NBR 5356-2. O seu 2 V r o j e t o circulou em
Consulta Nacional conforme Edital n-7, de 23.06.2007 a 23.07.2007, com o número de
2Vrojeto ABNT NBR 5356-2.
Esta Norma é baseada na IEC 60076-2:2000.
A ABNT NBR 5356, sob o título geral "Transformadores de potência", tem previsão de conter as seguintes partes:
- Parte I : Generalidades;
- Parte 2: Aquecimento;
- Parte 3: Níveis de isolamento, ensaios dielétricos e espaçamentos externos em ar;
- Parte 4: Guia para ensaios de impulso atmosférico e de manobra para transformadores e reatores;
- Parte 5: Capacidade de resistir a curtos-circuitos;
- Parte 6: Reatores;
- Parte 7: Carregamento de transformadores;
- Parte 8: Guia de aplicação.
Esta primeira edição da ABNT NBR 5356-2 cancela e substitui a primeira edição da ABNT NBR 5356:1993, a qual foi tecnicamente revisada e desmembrada em partes.
Transformadores de potência
Parte 2: Aquecimento
1 Escopo
Esta parte da ABNT NBR 5356 classifica os transformadores em função de seus métodos de resfriamento, define os limites de elevação de temperatura e apresenta em detalhes os métodos de ensaios para a medição da elevação de temperatura.
Esta parte da ABNT NBR 5356 aplica-se aos transformadores definidos na ABNT NBR 5356-1.
2
Referências normativas
Os documentos relacionados a seguir são indispensáveis a aplicação deste documento. Para referências datadas, aplicam-se somente as edições citadas. Para referências não datadas, aplicam-se as edições mais recentes do referido documento (incluindo emendas).
ABNT NBR 5356-1 :2007, Transformadores de potência - Parte
7:
GeneralidadesABNT NBR 541 6:1997, Aplicação de cargas em transformadores de potência
-
Procedimento ABNT NBR 7034:1981, Materiais isolantes elétricos - Classificação térmicaABNT NBR 7070:2005, Guia para amostragem de gases e óleo em transformadores e análise de gases livres e dissolvidos - Procedimento
ABNT NBR 7274:1982, Interpretação da análise dos gases de transformadores em serviço ABNT NBR 102%: 1988, Transformadores de potência secos - Especificação
ABNT NBR 11 341 :2004, Determinação dos pontos de fulgor e de combustão em vaso aberto Cleveland
IEC 60279:1969, Measurement of the winding resistance of an a.C. machine during operation at alternating voltage IEEE Std 1276:1997, Trial-use guide for the application of high-temperature insulation materiais in liquid-immersed po wer transformers
3
Classificação dos métodos de resfriamento
0 s transformadores devem ser designados de acordo com o método de resfriamento utilizado.
Para os transformadores imersos em óleo isolante, esta designação é realizada por meio de um código de quatro
letras, definido abaixo. 0 s códigos correspondentes para os transformadores do tipo seco são dados na ABNT NBR 10295.
- Primeira letra: Natureza do meio de resfriamento interno em contato com os enrolamentos:
O = Óleo mineral ou liquido isolante sintético de ponto de combustão1) 5 300 "C;
K = Líquido isolante com ponto de combustão > 300 "C;
L = Líquido isolante com ponto de combustão não mensurável.
- Segunda letra: Natureza da circulação do meio de resfriamento interno:
N = Circulação natural por convecção através do sistema de resfriamento e dos enrolamentos;
F = Circulação forçada através do sistema de resfriamento, circulação por convecção dentro dos enrolamentos;
D = Circulação forçada através do sistema de resfriamento e dirigida do sistema de resfriamento pelo menos até os enrolamentos principais.
- Terceira letra: Meio de resfriamento externo:
A = Ar;
W = Água.
- Quarta letra: Natureza da circulação do meio de resfriarnento externo:
N = Convecção natural;
F = Circulação forçada (ventiladores, bombas).
NOTA Para um transformador designado como tendo circulação de óleo forçada e dirigida (segunda letra de código D), a vazão de óleo através dos enrolamentos principais é determinada pelas bombas e não, em princípio, pelo carregamento. Uma pequena parte do fluxo de óleo proveniente do sistema de resfriamento pode ser dirigida em derivação controlada para assegurar o resfriamento do circuito magnético e dos outros elementos exteriores aos enrolamentos principais. Os enrolamentos de regulação elou outros enrolamentos que possuam uma potência relativamente baixa podem também possuir uma circulação não dirigida de óleo. O método de verificação do fluxo de óleo forçado dirigido constitui objeto de acordo entre fabricante e comprador, normalmente por ocasião da proposta.
Por outro lado, para um transformador com resfriamento forçado não dirigido (segunda letra de código F), o fluxo de óleo através de todos os enrolamentos é variável com o carregamento e não diretamente relacionado ao fluxo através da bomba do equipamento de resfriamento.
Um transformador pode ser especificado com diferentes métodos de resfriamento. A especificação e a placa de identificação devem conter as informações sobre os valores de potência que o transformador deve atender para cada método de resfriamento utilizado (ver 8.1-m) da ABNT NBR 5356-1. A potência nominal do transformador ou de um enrolamento individual, no caso de um transformador com enrolamentos múltiplos (ver 5.1 da ABNT NBR 5356-1:2007), é o valor correspondente a alternativa de maior capacidade de resfriamento. As alternativas são convencionalmente listadas por ordem crescente da capacidade de resfriamento.
EXEMPLO 1 ONANIONAF
-
O transformador possui um jogo de ventiladores que podem ser colocados em serviço, em função do carregamento. A circulação de óleo é realizada por convecção natural em ambosOS casos.
EXEMPLO2 ONANIOFAF - O transformador possui um sistema de resfriamento composto por bombas e ventiladores, sendo também especificado para potência reduzida em resfriamento natural (por exemplo, no caso de falta de potência auxiliar).
EXEMPLO 3 ONANIONAFIONAF - O transformador possui dois estágios de sistema de resfriamento composto por ventiladores, sendo também especificado para potência reduzida em resfriamento natural (por exemplo, no caso de falta de potência auxiliar).
EXEMPLO 4 ONANIONAFIOFAF - O transformador possui dois estágios de sistema de resfriamento composto por bombas e ventiladores, sendo também especificado para potência reduzida em resfriamento natural (por exemplo, no caso de falta de potência auxiliar).
4
Limites
de
elevação de temperatura
4.1 Geral
Os limites de elevação de temperatura para transformadores são especificados de acordo com diferentes opções:
- um conjunto de requisitos se aplica a potência nominal em regime permanente. Estes requisitos estão descritos em 4.2;
- quando especificado um ciclo de carga particular, um conjunto adicional de requisitos torna-se necessário. Este procedimento é descrito em 4.4. Isto se aplica essencialmente a transformadores de grande potência para os quais as possibilidades de carregamento em condições de emergência merecem uma atenção especial, e não deve ser normalmente utilizado para transformadores padronizados de pequena e média potência.
Considera-se nesta Norma que as temperaturas de serviço das diferentes partes do transformador podem cada uma ser definida como a soma da temperatura do meio de resfriamento (ar ambiente ou água de resfriamento) com a da elevação de temperatura desta parte do transformador.
A temperatura do meio de resfriamento e a altitude (com respeito a densidade do ar de resfriamento) são características do local de instalação. Quando as condições normais de serviço nestes aspectos predominam (ver 4.1 da ABNT NBR 5356-1:2007), então os valores normais de elevação de temperatura do transformador determinam as temperaturas admissíveis em serviço.
Os valores de elevação de temperatura são características do transformador sujeitas a garantias e a ensaios, sob as condições especificadas. Os limites de elevação de temperatura normais se aplicam, a menos que a especificação e o contrato indiquem "condições especiais de operação". Nesses casos os limites de elevação de temperatura devem ser modificados como indicado em 4.3.
Nenhuma tolerância positiva é permitida sobre os limites de elevação de temperatura.
4.2 Limites normais de elevação de temperatura a potência nominal em regime permanente
Quando um transformador possui um enrolamento com derivação de regulação, então os limites de elevação de temperatura devem se aplicar para cada derivação a potência, tensão e corrente da derivação (ver 6.6
da ABNT NBR 5356-1:2007). As perdas em carga são diferentes para derivações diferentes e algumas vezes também as perdas em vazio, como no caso da faixa de regulação onde o fluxo variável é especificado.
Se um ensaio de elevação de temperatura for especificado, ele é feito sobre "a derivação de maior corrente", salvo especificação em contrário (ver 6.3 da ABNT NBR 5356-1 :2007).
NOTA Em um transformador com enrolamentos separados, a derivação com a corrente mais elevada é normalmente a derivação em que as perdas em carga são as mais elevadas. Em um autotransformador com derivações, a escolha da derivação para o ensaio de elevação de temperatura depende da maneira que as derivações são dispostas.
Para um transformador de mais de dois enrolamentos, os requisitos de elevação de temperatura se aplicam as potências nominais em todos os enrolamentos simultaneamente, se a potência nominal de um enrolamento
for igual a soma das potências nominais dos outros enrolamentos. Se não for o caso, uma ou mais combinações
particulares de carga devem ser escolhidas e especificadas para o ensaio de elevação de temperatura (ver 5.2.3).
Em um transformador com disposição concêntrica dos enrolamentos, dois ou mais enrolamentos distintos podem ser dispostos uns em cima de outros axialmente. Nesse caso a temperatura limite do enrolamento deve se aplicar
a média das medidas dos enrolamentos superpostos, se eles forem da mesma dimensão e de mesma potência.
Caso contrário, o modo de avaliação deve ser objeto de acordo.
Os limites de elevação de temperatura dados a seguir são válidos para transformadores de isolação sólida
definida como "Classe A , de acordo com a ABNT NBR 7034, e imersos em óleo mineral ou em líquido sintético
com ponto de combustão não superior a 300 OC (primeira letra código: 0).
Os limites de elevação de temperatura dos transformadores que possuem um sistema de isolação mais resistente
a temperatura elou que são imersos em um Iíquido menos inflamável (letra do código K ou L) devem ser objeto
de acordo.
Os limites de elevação de temperatura para os transformadores do tipo seco com diversos tipos de isolação são dados na ABNT NBR 10295.
As elevações de temperatura dos enrolamentos, do Óleo, das partes metálicas e de outras partes de
transformadores, projetados para funcionamento nas condições normais, previstas em 4.1 da ABNT NBR 5356-1,
não devem exceder os limites especificados na Tabela 1, quando ensaiados de acordo com esta parte da
ABNT NBR 5356.
Tabela 1
-
Limites de elevação de temperaturaSistema de preservação de
óleo
Sem conservador e sem gás inerte sob
pressão
Com conservador ou com gás inerte
sob pressão
Limites de elevação de temperatura
DOS enrolamentos
I
Média, por medição da variação de resistência
Das partes metálicas
Circulatão do óleo natural ou forçada sem fluxo de óleo dirigido Em contato com a isolação sólida ou adjacente a elas
Não devem atingir temperaturas superiores a classe térmica do material da isolação-adjacente ou em contato com estas Circulaç.o forçada de óleo com fluxo dirigido f Não em contato com a isolação sólida e não adjacente a elas A temperatura não deve atingir-valores que venham a danificar componentes ou materiais adjacentes DO ponto mais quente e
a Os materiais isolantes devem ser adequados, de acordo com a ABNT NBR 7034, ao limite de elevação de temperatura em que o
transformador é enquadrado. Medida próxima a superfície do óleo.
c Medida próxima a parte superior do tanque, quando tiver conservador, e próxima a superfície do óleo, no caso de gás inerte. Para esse limite de temperatura, quando é utilizada isolaçáo de papel, este deve ser termoestabilizado.
% verificação de temperatura do ponto mais quente é feita mediante acordo entre o fabricante e o comprador.
'
O método de verificação do fluxo de óleo forçado dirigido constitui objeto de acordo entre o fabricante e o comprador.Estes limites de elevação de temperatura são aplicáveis, desde que acordado entre fabricante e comprador. Neste caso, deve ser utilizado o sistema híbrido de isolação composto por isolantes sólidos a base de aramida ou similares (Classe C), apenas onde necessário (adjacentes aos condutores dos enrolamentos), e isolantes sólidos a base de celulose onde a temperatura máxima não ultrapasse os 120 "C, imersos em óleo mineral isolante, com base na IEEE Std. 1276:1997.
DO topo do óleo
4.3 Requisitos especiais devido a condições de serviços anormais
Se as condições de serviço no local de instalação estiverem em desacordo com os limites estabelecidos nas condições normais de serviço, então os limites de elevação de temperatura do transformador devem ser modificados conforme 4.3.1 e 4.3.2.
0 s requisitos especiais para os transformadores secos são dados em 4.2 da ABNT NBR 1 O295:1988.
4.3.1 Transformadores imersos em óleo e resfriados a ar
Os limites normais de temperatura ambiente são
-
25 "C a + 40"C
para transformadores de potência e são dados em 4.1 da ABNT NBR 5356-1:2007. No que concerne ao resfriamento de transformadores resfriados a ar,a temperatura do ar de resfriamento não deve ser superior a 40 "C e a temperatura média, em qualquer período de 24 h, não deve ser superior a 30 "C.
0 s limites de elevação de temperatura dos enrolamentos, do óleo e das partes metálicas de transformadores projetados para funcionamento em local onde a temperatura do ar de resfriamento exceder qualquer dos valores indicados acima, em não mais do que 10 "C, devem ser reduzidos como indicado a seguir. Quando a potência nominal for superior a 10 MVA, a redução deve corresponder ao excesso de temperatura. Para potências nominais inferiores a 10 MVA, as reduções devem ser as seguintes:
- 5 "C, se o excesso de temperatura for igual ou inferior a 5 "C;
- 10 "C, se o excesso de temperatura for superior a 5 "C e igual ou inferior a 10 "C.
Quando o excesso de temperatura do ar for superior a 10 "C, os limites de elevação de temperatura estão sujeitos a acordos entre fabricante e comprador. Quaisquer condições do local que possam causar restrições ao ar de resfriamento ou produzir temperaturas ambientes elevadas devem ser especificadas pelo comprador.
Se o local de instalação estiver situado a mais de I 000 m sobre o nível do mar, mas a fábrica não, então o limite permitido de elevação de temperatura durante o ensaio na fábrica deve ser reduzido da seguinte forma:
- para um transformador resfriado naturalmente (... AN), os limites de elevação de temperatura devem ser reduzidos de 1 "C para cada intervalo de 400 m de altitude do local de instalação que ultrapasse os 1 000 m;
- para um transformador com resfriamento forçado (... AF), a redução deve ser de I 'C para cada 250 m. Para intervalos de altitude intermediários estes devem ser interpolados.
A correspondente correção inversa pode ser aplicada nos casos onde a altitude da fábrica é superior a I 000 m e a altitude do local de instalação é inferior a I 000 m.
Quando os limites de elevação de temperatura especificados de um transformador são reduzidos, seja por causa de uma temperatura elevada do meio de resfriamento exterior, seja por causa da altitude elevada da instalação, isto deve ser indicado na placa de identificação (ver 8.2-c da ABNT NBR 5356-1 :2007).
As elevações de temperatura dos transformadores projetados para altitudes até 1 000 m, quando funcionando em altitudes superiores a 1 000 m, não devem exceder os limites de elevação de temperatura da Tabela 1, quando a sua potência for reduzida de acordo com a seguinte equação:
Onde:
P,, é a potência nominal, expressa em quilovolt-ampères (kVA);
H é a altitude, expressa em metros (m), arredondada para a centena seguinte;
k = 0,004 (transformadores ONAN) e 0,005 (transformadores ONAF, OFAF).
4.3.2 Transformadores imersos em óleo e resfriados a água
A temperatura média da água de resfriamento, conforme 4.1-b da ABNT NBR 5356-1 :2OOi, não deve ultrapassar
+
25 "C. Se a água de resfriamento ultrapassar este limite, a limitação de elevação de temperatura especificada para este transformador deve ser reduzida do mesmo valor excedente. Os valores devem ser arredondados ao número de graus mais próximo.A influência de uma temperatura ambiente ou da altitude diferente sobre o meio de resfriamento do tanque
é desprezada.
4.4 Elevação de temperatura durante um ciclo de carga específico
Para garantias elou ensaio especial relativo a um ciclo de carga especificado, os parâmetros seguintes devem ser considerados:
- a condição inicial de temperatura do transformador, isto é, a temperatura ambiente ou com elevação
de temperatura em regime permanente correspondente a uma fração especificada de corrente nominal (carga preliminar);
- o valor (constante) da corrente de ensaio expresso em múltiplo da corrente nominal e sua duração;
- o valor máximo admissivel da elevação de temperatura para o topo do óleo e para os enrolamentos (média,
por medição de resistência) ao fim do ensaio. Esta especificação é opcional. O ensaio pode ser realizado somente para informação, sem que nenhum limite seja acordado previamente;
- todas as observações ou medições especiais a realizar, por exemplo as medições diretas da temperatura do ponto quente, imagem térmica de elevação de temperatura da parede do tanque e as limitações possíveis em relação a elas.
Para recomendações e discussão complementares quanto ao estudo dos ciclos de carga, em particular medições e avaliações, ver 8.4.
5
Ensaio de elevação de temperatura
5.1 GeralEsta seção descreve os procedimentos para a determinação dos valores de temperatura e elevação de temperatura durante os ensaios na fábrica e também os métodos para substituição de um regime de carga em serviço para os procedimentos dos ensaios equivalentes.
Os requisitos são válidos para os ensaios dos transformadores imersos em óleo e transformadores do tipo seco, quando aplicável.
Durante o ensaio de elevação de temperatura, o transformador deve ser equipado com seus dispositivos de proteção (por exemplo, o relé detector de gás tipo Buchholz, para um transformador imerso em óleo). Toda indicação durante o ensaio deve ser anotada.
5.1.1 Temperatura do ar de resfriamento
É conveniente tomar as precauções para reduzir ao mínimo as variações de temperatura do ar de resfriamento, em particular durante a última parte do ensaio quando se aproxima a estabilização. Variações rápidas das leituras devido as turbulências devem ser evitadas por meios adequados como utilização de poços térmicos de adequada constante de tempo para os sensores de temperatura. Ao menos três sensores devem ser utilizados. A média dessas leituras deve ser utilizada como o valor do ensaio. As leituras são feitas a intervalos regulares ou um registrador automático continuo pode ser utilizado.
Os sensores devem ser dispostos ao redor do tanque, afastados entre 1 m e 2 m do tanque ou da superfície de resfriamento, e devem também ser protegidos de radiação térmica direta. Os sensores devem ser colocados a meia altura da superfície de resfriamento ao redor de um transformador com resfriamento natural.
Para um transformador com resfriamento por ventilação forçada, os sensores devem ser colocados de modo a registrar a verdadeira temperatura do ar pego pelos ventiladores. Atenção especial deve ser dada a uma possível recirculação de ar quente. É conveniente colocar o objeto sob ensaio de modo a minimizar os obstáculos a circulação do ar e de modo a fornecer condições ambientes estáveis.
5.1.2 Temperatura da água de resfriamento
É necessário tomar precauções para minimizar as variações de temperatura da água de resfriamento durante
o período de ensaio. A temperatura é medida na entrada do trocador de calor. As leituras de temperatura e da vazão da água devem ser feitas a intervalos regulares ou um registrador automático pode ser utilizado.
5.2 Métodos de ensaio para a determinação das elevações de temperatura 5.2.1 Geral
Por razões práticas, o método normalizado da determinação, na fábrica, da elevação de temperatura em regime permanente de transformadores imersos em óleo é o método de curto-circuito de acordo com 5.2.2.
Alternativamente, pode ser acordado em casos especiais de se executar o ensaio com aproximadamente a tensão e a corrente nominal, pela conexão de uma carga adequada. Isto é, sobretudo, aplicável aos transformadores de pequena potência nominal.
O método de oposição também pode ser acordado. Neste método, dois transformadores, no qual um é o transformador sob ensaio, são conectados em paralelo e alimentados com tensão nominal do transformador em ensaio. Por meio de relação de tensões diferentes, ou de uma tensão aplicada, faz-se circular a corrente nominal do transformador sob ensaio.
Os procedimentos aplicáveis ao tipo seco são tratados na ABNT NBR 10295.
5.2.2 Ensaio de elevação de temperatura para regime permanente pelo método de curto-circuito
Durante este ensaio o transformador não é submetido a tensão nominal e a corrente nominal simultaneamente,
mas as perdas totais calculadas, previamente obtidas pela determinação das perdas em carga a temperatura de referência e das perdas em vazio (ver 11.4 e 11.5 da ABNT NBR 5356-1).
O objetivo do ensaio é duplo:
- estabelecer a elevação de temperatura do topo do óleo em regime permanente com dissipação das perdas totais;
- estabelecer a elevação de temperatura média dos enrolamentos a corrente nominal com a elevação de temperatura do topo do óleo determinada acima.
Isto é realizado em duas etapas:
a) aplicação das perdas totais máximas: com o objetivo de estabelecer a elevação de temperatura do óleo sobre o meio de resfriamento.
Em primeiro lugar, as elevações de temperatura do topo do óleo e do óleo médio são determinadas quando o transformador é submetido a uma tensão de ensaio tal que a potência ativa medida seja igual as perdas totais do transformador (ver 3.6, 11.4 e 11.5 da ABNT NBR 5356-1). A corrente de ensaio excede a corrente nominal do valor necessário para produzir um excedente de perdas igual as perdas em vazio e a elevação
de temperatura dos enrolamentos é acrescida do valor correspondente.
As perdas totais a serem aplicadas durante esta primeira parte do ensaio devem ser iguais ao maior valor das
perdas totais encontradas em qualquer derivação. Esta derivação é muitas vezes, mas não sempre,
a derivação de corrente máxima. Esta parte do ensaio determina a elevação de temperatura máxima do topo do óleo e do óleo médio.
As temperaturas do óleo e do meio de resfriamento são monitoradas e os ensaios continuados até que uma elevação de temperatura do óleo em regime estável seja atingida.
O ensaio pode ser encerrado assim que a taxa de variação da elevação de temperatura do topo do óleo for menor do que 1 "C durante um período de 3 h. Se as leituras discretas forem obtidas em intervalos regulares, o valor médio destas leituras durante a Última hora é tomado como resultado de ensaio. Se um
registrador automático contínuo for utilizado, o valor médio durante a última hora é tomado como resultado;
NOTA Se a constante de tempo da elevação de temperatura do óleo for inferior a 3 h, o erro de interrupção deste procedimento é desprezível. Outras regras alternativas de interrupção são discutidas no Anexo C.
b) aplicação de corrente nominal: com o objetivo de estabelecer a elevação de temperatura média dos enrolamentos sobre o óleo, a corrente nominal.
Quando a elevação de temperatura do topo de óleo tiver sido determinada, o ensaio deve continuar imediatamente com uma corrente de ensaio reduzida ao valor nominal para a combinação de enrolamentos
utilizada (para um transformador de enrolamentos múltiplos, ver 5.2.3). Esta condição de ensaio é mantida
durante I h com observação continua das temperaturas do óleo e do meio de resfriamento.
Ao fim deste período de I h, as resistências dos enrolamentos são medidas, seja após uma desconexão rápida da alimentação e do curto-circuito (ver 5.5, C.2 e C.3), seja sem o corte de alimentação através do método de superposição.
Para a determinação da elevação de temperatura dos enrolamentos na derivação de máxima corrente, o valor da elevação de temperatura do óleo a ser utilizado deve corresponder as perdas totais desta derivação.
O valor extraído da primeira parte dos ensaios deve ser recalculado se ele foi obtido com outros dados (derivação diferente).
Os valores da temperatura média dos dois enrolamentos são determinados a partir das resistências conforme 5.4.
Durante esta I h sob corrente nominal, a temperatura do óleo decresce. Os valores medidos da temperatura
dos enrolamentos devem então ser aumentados do mesmo valor da queda da temperatura do óleo médio,
a partir do valor exato determinado de acordo com o procedimento da alínea a. O valor corrigido
de temperatura do enrolamento, diminuído da temperatura do meio de resfriamento externo ao fim do período
de aplicação das perdas totais, é igual ao valor da elevação de temperatura média do enrolamento.
NOTA 1 O método de superposição consiste na utilização da corrente contínua superposta para a medida de resistência do enrolamento e descrita na IEC 60279.
NOTA 2 No que se refere ao cálculo das temperaturas em carga variável, é oportuno considerar a elevação de temperatura dos enrolamentos como a soma de dois termos: a elevação de temperatura média do óleo (acima da temperatura do meio de resfriamento) mais a diferença entre a temperatura média dos enrolamentos e a temperatura média do óleo (ver 5.6, B.2 e B.3).
Por acordo mútuo, as duas etapas do ensaio podem ser combinadas em uma só aplicação de potência correspondente a um valor entre as perdas em carga e as perdas totais. Os valores de elevação de temperatura
para o topo do óleo e para os enrolamentos devem então ser determinados usando as regras de correção de 5.6.
A potência aplicada durante o ensaio deve ser, entretanto, pelo menos 80 % do valor correspondente as perdas
totais.
5.2.3 Modificações no ensaio para transformadores com mais de dois enrolamentos
Para a primeira parte do ensaio, as perdas totais aplicadas devem corresponder a potência nominal (ou potência
de derivação) em todos os enrolamentos, se a potência nominal de um enrolamento for igual a soma
das potências nominais dos outros enrolamentos.
Se não for este o caso, existem os regimes de carga especificados com as combinações diferentes de carga em cada enrolamento individual. O caso que corresponde as perdas totais mais elevadas determina a potência de ensaio para a determinação da elevação de temperatura do óleo.
Os valores de elevação de temperatura de cada enrolamento individual acima do óleo devem ser obtidos com a corrente nominal de cada enrolamento para a derivação aplicada.
Na determinação da elevação de temperatura dos enrolamentos acima da temperatura ambiente, a elevação de temperatura do óleo para os casos de carga considerados deve ser corrigida para o valor correspondente as
perdas totais de acordo com 5.6, do mesmo modo que a correção da elevação de temperatura de cada
enrolamento acima do óleo, se aplicável.
Um guia para o recálculo das perdas em transformadores com mais de dois enrolamentos é dado no Anexo E
da ABNT NBR 5356-1 :2007.
A aplicação das perdas totais para a determinação da elevação de temperatura do óleo pode ser realizada:
- de maneira tão próxima quanto possível da carga real, aplicando uma corrente correspondente as perdas
totais máximas em um enrolamento, com os outros estando simultaneamente curto-circuitados ou ligados a uma impedância; ou
- de maneira aproximada, sem curto-circuitar ou sem fechar certos enrolamentos; por exemplo, se um dos
enrolamentos tiver uma potência relativamente baixa e uma baixa contribuição as perdas totais do transformador, pode-se aceitar deixá-lo em aberto e aumentar a corrente nos outros enrolamentos até que as perdas totais máximas corretas sejam obtidas.
Se nenhum dos métodos acima puder ser aplicado, pode ser acordado realizar os ensaios com perdas reduzidas até 80 % das perdas totais máximas. O valor de temperatura medida deve então ser corrigido conforme 5.6.
Os detalhes para o ensaio de elevação de temperatura de um transformador com mais de dois enrolamentos devem ser apresentados e acordados durante a análise das propostas.
5.3 Determinação das temperaturas do óleo 5.3.1 Topo do óleo
A temperatura do óleo na parte superior é determinada por um ou mais sensores imersos no óleo na tampa do tanque, dentro dos poços para instalação dos termossensores ou dentro das tubulações superiores que ligam o tanque aos radiadores ou trocadores de calor. O emprego de sensores múltiplos é particularmente importante
para os transformadores de grande potência, e a média das leituras deve ser o valor representativo da
temperatura.
NOTA A temperatura do óleo pode ser diferente em diversos lugares na tampa do tanque, dependendo de seu projeto. As medições que utilizam os poços para instalação de termossensores na parte superior do tanque podem ser perturbadas por elevação de temperatura da tampa devido as correntes parasitas. Para transformador com circulação forçada de óleo através do equipamento de resfriamento, existe uma mistura do óleo proveniente dos enrolamentos com óleo que circunda o enrolamento, dentro do tanque, o que pode não ser uniforme entre as diversas partes do tanque ou entre as diversas tubulações do circuito de resfriamento. Sobre o significado da temperatura do topo do óleo de transformadores de circulação forçada, ver o Anexo A.
5.3.2 Óleo n o fundo d o tanque e óleo médio
"Óleo no fundo do tanque" é o termo que significa a temperatura do óleo que circula de fato pela parte inferior
dos enrolamentos. Por razões práticas, esta temperatura é considerada idêntica a temperatura do óleo que retorna
ao tanque pelos circuitos de resfriamento. "O óleo médio" é um conceito utilizado para a correção de certos resultados do ensaio de elevação de temperatura (ver 5.2.2 e 5.6). Ele é também utilizado para o modelo
matemático de previsão das temperaturas em serviço com cargas específicas, constante ou variável (ver Anexo B).
A temperatura do óleo no fundo do tanque é determinada pelos sensores montados na tubulação de retorno dos
trocadores de calor ou radiadores. Se várias baterias de radiadores forem montadas, é conveniente utilizar vários
sensores.
NOTA O fluxo de óleo de uma tubulação de retorno pode ser turbulento se ele for forçado por uma bomba, ou principalmente laminar, se houver circulação natural através dos radiadores. Isto é importante para a determinação representativa da temperatura do óleo dentro da tubulação principal.
A temperatura do óleo médio deve, em princípio, ser a temperatura média do óleo de resfriamento dentro dos
enrolamentos. Dentro do objetivo de avaliação dos ensaios ela é convencionalmente tomada como a média entre
a temperatura do óleo no topo e a no fundo do tanque, determinadas conforme indicado acima.
NOTA1 Para transformador ONAN até 2 500 kVA, com tanques lisos ou corrugados, ou com tubos individuais de resfriamento montados diretamente sobre o tanque, a elevação de temperatura média do óleo acima da temperatura do ar ambiente pode ser tomada igual a 80 % da elevação de temperatura do topo do óleo.
NOTA 2 Para outros objetivos, que não sejam uma avaliação dos ensaios, a temperatura média do óleo pode ser determinada diferentemente (ver o Anexo A).
5.4 Determinação da temperatura média dos enrolamentos
A temperatura média dos enrolamentos é determinada por medição da resistência dos enrolamentos. Para um
transformador trifásico, é conveniente efetuar a medida de preferência sobre a coluna central. A relação entre o valor de resistência R2 a uma temperatura O2 ('C) e R, a O,, é dada por:
235
+
O2 Cobre: -=- RI 235+e1 225+
62 R2 =- Alumínio: - RI 225+e1Uma medida de referência (R1, 8,) das resistências de todos os enrolamentos é feita, quando o transformador está
na temperatura ambiente, em regime estável (ver 11.2.3 da ABNT NBR 5356-1:2007). Quando a resistência R2
a uma temperatura diferente é medida, o valor de temperatura é dado por:
R2
Alumínio: 8, = -(225
+
8,)- 225 R1A temperatura do meio de resfriamento externo no instante do corte da alimentação é 8,.
A elevação de temperatura do enrolamento ( A & ) é então:
Quando a resistência do enrolamento é medida após o desligamento da alimentação e da conexão de curto-circuito, o valor da resistência R*, imediatamente antes do desligamento, deve ser determinado conforme 5.5.
5.5 Determinação da temperatura do enrolamento antes do desligamento da alimentação
O ensaio de elevação de temperatura (ver 5.2.2) pede que a temperatura média do enrolamento no instante imediatamente antes do corte da alimentação seja determinada. O método normalizado é o descrito o seguir: Imediatamente após o corte da fonte de alimentação e da desconexão do curto-circuito, um circuito de medida em corrente continua é ligado aos terminais de cada enrolamento a medir. Os enrolamentos têm uma constante de tempo elétrica, LIR, elevada. E por isso que leituras precisas só são obtidas após um certo intervalo de tempo. A resistência do enrolamento varia com o tempo, pois o enrolamento se resfria. Ela deve ser medida durante um tempo suficiente para permitir a extrapolação para o instante do corte.
O Anexo C dá os detalhes de execução das medidas e dos métodos alternativos que podem ser utilizados nos casos particulares.
Com o objetivo de obter os resultados mais corretos possíveis, é conveniente que as condições de resfriamento sejam perturbadas ao mínimo quando as medidas de resistência forem efetuadas. Este problema, em relação aos transformadores imersos em óleo e com resfriamento forçado, é examinado com mais detalhes no Anexo A.
5.6 Correções
Se os valores especificados de potência, ou de corrente, não puderem ser obtidos durante o ensaio, os resultados dos ensaios devem ser corrigidos segundo as relações seguintes. Elas são válidas dentro da faixa de
+
20 % do valor visado de potência, e de+
10 % do valor visado de corrente. Por acordo, eles podem ser aplicados a uma faixa mais larga (ver B.2).A elevação de temperatura do óleo acima de temperatura ambiente obtida durante o ensaio é multiplicada por:
perdas totais
perdas do ensaio
r
X
=
0,8 para transformador com potência nominal máxima de 2 500 kVA resfriados por circulação natural de óleo ON ...;X = 0,9 para transformadores com potência nominal acima de 2 500 kVA resfriados por circulação natural de óleo ON ...;
X = 1
,O
para transformadores resfriados por circulação forçada ou dirigida de óleo OF...
ou OD.A elevação de temperatura média dos enrolamentos acima da temperatura média do óleo durante o ensaio é multiplicada por:
corrente nom inal corrente do ensaio
1'
Y = I ,6 para transformadores resfriados por circulação natural ou forçada de óleo ON ... ou OF ...;
Anexo
A
(informativo)
Nota sobre a temperatura do óleo em transformadores
com circulação forçada de óleo
Para os transformadores ON ..., a vazão de óleo através dos enrolamentos em regime permanente é, em princípio, igual a vazão através dos radiadores. Em geral, o mesmo resultado é obtido para um transformador OD ...,
onde somente um pequeno volume de fuga, controlado ou não, passa por fora dos enrolamentos. Por outro lado, as condições são diferentes para os transformadores OF ... que possuem um fluxo de óleo não dirigido através dos enrolamentos.
Para os transformadores OF
...,
a capacidade total da bomba deve ser suficiente para assegurar a vazão necessária através dos enrolamentos, mesmo quando em sobrecarga admissivel. É por isso que, sob carga nominal ou carga parcial, há uma vazão considerável de óleo proveniente dos trocadores que passa pelo exterior dos enrolamentos. Este óleo sobe lentamente, com a temperatura constante, até o nível onde o óleo quente vindo do topo dos enrolamentos é ejetado.Este óleo aquecido proveniente dos enrolamentos mistura-se de forma turbulenta com o óleo frio que passou por fora dos enrolamentos. Todo o volume entre o topo dos enrolamentos e a tampa do tanque tem uma temperatura relativamente homogênea, menor do que a temperatura do óleo que sai do topo do enrolamento.
A medição convencional de temperatura do topo do óleo indica a temperatura desta mistura. Caso a medição seja utilizada para determinar a temperatura média do Óleo no enrolamento ou a diferença de temperatura entre o enrolamento e o óleo, os resultados são irreais e podem ser a causa de erros, se eles forem utilizados para os cálculos de temperatura de pontos quentes e estudos de carregamento.
Um método utilizado para a determinação da temperatura do óleo dentro de um enrolamento é algumas vezes chamado de "óleo médio extrapolado".
Segundo este método, a monitoração da temperatura média do enrolamento por medida de resistência após o desligamento é prolongada por um tempo adicional. A taxa de variação de resistência decresce durante um período de 5 min a 20 min. Como não existem mais perdas dissipadas nos enrolamentos, sua temperatura tende a temperatura do óleo envolvente.
Pode-se então supor tacitamente que a temperatura média do óleo permanece constante (ou decaindo lentamente com a temperatura do volume inteiro do óleo dentro do transformador). Esta suposição não é justificada. Para certos projetos, o método apresenta resultados completamente irreais. Não existe então nenhum método confiável e universal para determinar a "temperatura do óleo envolvente" de um transformador OF
...
, baseado unicamente em medições exteriores ao enrolamento.Em 5.5 é evidenciado que as condições de resfriamento devem sofrer o mínimo de perturbações possíveis durante as medidas da temperatura do enrolamento, após desligamento. Antes do desligamento, o volume livre de óleo ao redor dos enrolamentos tem a mesma temperatura do óleo do fundo do tanque. O enrolamento toma o óleo a esta temperatura. 0 s trocadores de calor retiram o óleo, que é uma mistura entre o óleo do topo do enrolamento e o óleo que o circunda. Após o desligamento, a circulação do óleo pode continuar das seguintes maneiras:
- se a circulação por bomba e a ventilação forçada forem mantidas, os trocadores de calor continuam a receber a mistura de óleo quente e a devolver óleo a temperatura do fundo do tanque. Sucessivamente, a temperatura da mistura do óleo começa a decrescer e a temperatura do fundo tem o mesmo comportamento;
- se a circulação por bomba for mantida, mas a ventilação forçada for desligada, os trocadores de calor introduzem óleo no fundo do tanque quase a temperatura da parte superior de onde ele o retira. Este óleo sobe e se mistura com o Óleo livre ao redor dos enrolamentos;
- se bombas e ventiladores forem desligados, o enrolamento continua a fornecer óleo quente ao topo do tanque. O nível de encontro entre o óleo do topo e o óleo do fundo começa a descer abaixo do nível de saída de óleo dos enrolamentos. Isto modifica sucessivamente a pressão de circulação do óleo por efeito térmico ao redor dos enrolamentos e, conseqüentemente, o fluxo de óleo ascendente no interior dos enrolamentos.
Em geral é preferível manter ao mesmo tempo bombas e ventiladores em funcionamento, mas as diferenças dos resultados de ensaios entre as diversas possibilidades não são importantes se comparadas a grande indeterminação da distribuição das temperaturas do óleo no enrolamento, tal como descrito anteriormente.
Anexo
B
(informativo)
Carga transitória
-
Modelo matemático e ensaios
6.1
Generalidades
O resultado de um ensaio de elevação de temperatura em regime permanente, conforme 5.2, pode ser utilizado para estimar a elevação de temperatura em regime permanente para diferentes cargas e também para estimar a elevação de temperatura em regime transitório (caso as constantes de tempo térmicas do transformador sejam conhecidas).
Para transformadores pequenos e médios, estas estimativas são realizadas conforme um modelo matemático convencional, descrito em B.2 e B.3.
A validade deste modelo para transformadores de grande porte não é, entretanto, tão confiável quanto para transformadores de pequena potência. Quando um estudo de carregamento for realizado, por exemplo, em condições de emergência acima da potência nominal, é aconselhável obter os dados reais do transformador. Uma maneira é realizar um ensaio especial com carga transitória acima da potência nominal. As recomendações para o método de ensaio, com as medições e observações associadas, são expostas em 6.4.
B.2
Modelo matemático de distribuição de temperatura em um enrolamento de
transformador imerso em óleo
-
Conceito de ponto mais quente
O óleo que entra pela parte inferior dos enrolamentos está a "temperatura do fundo do tanque". Ele circula através dos enrolamentos e assume-se que sua temperatura se eleva linearmente com a altura. As perdas dos enrolamentos são transferidas em toda a sua extensão para o óleo ao longo do enrolamento. Esta transferência de calor requer uma diferença de temperatura entre o óleo e o enrolamento que se assume ser constante ao longo de sua altura. Na representação gráfica (ver Figura B.1), a temperatura do enrolamento e a temperatura do Óleo aparecem então como duas linhas paralelas.
P o n t o niciis ouente
61eo superi7
,,,,,,</'
/
Enrcicimentc superior
Médio da bcbino superior
M2d;o do Clco Aewo 1
4 - 4 -
Mgdio d o e n r o l o m e n t oE n r c l u n i e n t o - E l e v a ~ 5 c dci t e m p e r c t u r o i n f s r i g r ( 4 1 ~
inffr;,;r
A temperatura máxima que ocorre em qualquer parte da isolação do enrolamento é chamada de "temperatura do ponto mais quente". Este parâmetro representa a limitação térmica para o carregamento do transformador. Como regra geral, as outras partes do transformador como, por exemplo, buchas, transformadores de corrente ou comutadores, devem ser dimensionadas de forma a não imporem uma limitação maior que esta ao carregamento do transformador, conforme 5.2 da ABNT NBR 5356-1 :2007.
Na extremidade superior dos enrolamentos existe normalmente uma concentração de perdas por correntes de Foucault e os enrolamentos podem ter uma isolação elétrica reforçada, o que aumenta sua isolação térmica. A diferença real de temperatura nesta região entre condutor e óleo é, portanto, assumida como sendo aumentada pelo "fator do ponto mais quente". Considera-se esse fator variando entre 1,l para os transformadores de distribuição até 1,3 para os transformadores de médio porte. Em transformadores de grande porte existem variações consideráveis em função do projeto e é necessário consultar o fabricante para informações, a menos que medições reais sejam feitas, por exemplo, como em B.4.
A diferença de temperatura em regime permanente entre os enrolamentos e o óleo, valor médio ao longo do enrolamento, é tomada como sendo a diferença entre a temperatura média dos enrolamentos medida pelo método da variação da resistência e a temperatura média do óleo, conforme 5.4 e 5.3, respectivamente.
Em regime permanente, a elevação de temperatura do ponto mais quente sobre o ambiente (ar ou água) é a soma da elevação de temperatura do topo do óleo sobre o ambiente e fator do ponto mais quente, multiplicada pela diferença entre a temperatura média do enrolamento e a temperatura média do óleo.
Em transformadores com circulação forçada e não dirigida de óleo (código OF ...), os conceitos de temperatura do topo do óleo e de temperatura média do óleo são ambíguos, por serem baseados somente nas medições conforme 5.3 e 5.4 (ver Anexo A).
Os valores medidos da elevação de temperatura em regime permanente para uma dada carga são utilizados para calcular as elevações de temperatura correspondentes a uma outra carga por meio dos expoentes dados em 5.6. Estes são valores típicos, sujeitos a variação, dependendo do projeto e válidos com uma certa precisão somente dentro de uma faixa limitada de variação de carga. Em 5.6 são impostos limites bastante estreitos quando avaliados os resultados de ensaio sujeitos a garantias. Para estimativas que requeiram apenas uma precisão moderada, os expoentes podem fornecer resultados úteis para faixas mais largas.
8.3
Carga ou resfriamento variável
-
Constantes de tempo térmicas
Quando a carga varia, ou quando muda o estágio de resfriamento forçado, as temperaturas dos enrolamentos e do óleo também variam, mas com um certo retardo. Isto é, convencionalmente, representado por duas constantes de tempo. Uma delas representa a capacidade calorífica do transformador completo (onde a capacidade calorífica da massa de óleo desempenha um papel predominante). Ela é geralmente da ordem de I h a 5 h, com valores menores para transformadores grandes, compactos, dotados de resfriamento forçado e valores maiores para transformadores resfriados naturalmente. A outra constante de tempo é mais curta, da ordem de 5 min a 20 min, e representa a variação do gradiente de temperatura entre o enrolamento e o óleo, em resposta a variação das perdas dissipadas.
Em condições variáveis, a elevação de temperatura do enrolamento acima da temperatura do ar ou da água de resfriamento é expressa como a soma da elevação de temperatura do óleo, sujeita a uma maior constante de tempo, com a elevação de temperatura do enrolamento sobre a do óleo, sujeita a uma pequena constante de tempo. As expressões matemáticas da variação transitória da temperatura em função do tempo são apresentadas na ABNT NBR 541 6.
B.4
Recomendações para ensaio de elevação de temperatura com carregamento
transitório
Como indicado em 4.4, pode ser acordado realizar o ensaio de elevação de temperatura com uma carga acima da corrente nominal por um tempo limitado. Tal ensaio pode, por exemplo, ser previsto para simular um pico de carga durante uma emergência.
O diagrama de carga recomendado para o ensaio consiste em uma corrente constante, expressa em valores por unidade da corrente nominal, com uma duração especificada depois da qual a corrente de ensaio é desligada. O ensaio é realizado pelo método de curto-circuito da mesma forma que o ensaio em regime permanente com carga nominal. O valor da corrente de carga especificada pode ser escolhido para incluir uma expectativa para as perdas em vazio.
Os cálculos com vistas a ciclos de carga reais podem ser feitos, por exemplo, conforme o método descrito a ABNT NBR 5416, a fim de verificar a equivalência aproximada do ciclo de carga simplificado do ensaio em termos de temperaturas máximas. Deve ser especificado se o ensaio deve começar com o transformador a temperatura ambiente do local de ensaio ou a uma temperatura em regime correspondente a uma corrente de carga inicial, também convenientemente expressa como uma fração da corrente nominal.
Sensores de temperatura devem ser instalados da mesma maneira que para o ensaio de elevação de temperatura em regime permanente. As temperaturas do óleo e dos enrolamentos (valor médio, por variação de resistência) são determinadas através dos métodos normalizados conforme 5.3 e 5.4.
Sensores de temperatura adicionais, no interior do tanque do transformador, podem ser utilizados, caso acordado. Em caso de serem instalados sensores dentro dos enrolamentos, a fim de se registrar a temperatura do ponto mais quente, é aconselhável a utilização de vários sensores simultaneamente, uma vez que a exata localização do ponto mais quente não é previamente conhecida. As temperaturas locais podem variar de um ponto para outro e até mesmo em função do tempo, dependendo de variações erráticas da vazão de óleo. Deve-se reconhecer também que as temperaturas locais, efetivamente medidas em um transformador de grande potência, podem diferir consideravelmente dos valores estimados conforme os modelos matemáticos convencionados descritos em B.2 e em 5.7 da ABNT NBR 5416:1997. A menos que estejam disponíveis medições anteriores em projetos análogos, os estudos devem ser considerados investigações exploratórias. Recomenda-se então grande prudência quanto a especificação prévia dos limites de temperatura.
O monitoramento das temperaturas superficiais do tanque e das conexões elétricas através de uma câmara infravermelha pode ser realizado para reduzir o risco de danos durante o ensaio. O monitoramento da temperatura das partes metálicas estruturais internas, por meio de sensores instalados temporariamente, pode servir ao mesmo propósito. A análise cromatográfica dos gases dissolvidos no óleo antes e após o ensaio de elevação de temperatura é um método de diagnóstico de sobreaquecimentos ocultos (ver C.4).
Anexo C
(informativo)
Técnicas utilizadas para ensaio de elevação de temperatura de
transformadores imersos em óleo isolante
C.1 Interrupção de um ensaio em regime permanente
Lista de símbolos:
6 = Temperatura em graus Celsius ("C);
B(t) = Temperatura do óleo, variando em função do tempo (topo do óleo ou óleo médio);
6, = Temperatura do meio de resfriamento externo (ar ambiente ou água), suposta constante;
A O = Elevação de temperatura do óleo sobre 6,;
O,, A@, = Valores finais em regime permanente;
r(t) = Desvio residual em relação ao valor em regime permanente
4;
To = Constante de tempo para variação exponencial da elevação de temperatura da massa de óleo;
h = Intervalo de tempo entre leituras;
6, ,
&
, Bj = Três leituras sucessivas de temperatura com intervalo de tempo h entre elas.Em princípio, o ensaio deve continuar até o momento que se tenha certeza de ter-se atingido a estabilização
da elevação de temperatura do óleo. A temperatura do ar ambiente, ou a temperatura da água de resfriamento,
deve ser mantida a mais constante possível. Assume-se que a temperatura do óleo 8(t) tende ao valor final 0,
segundo uma função exponencial de constante de tempo To. A temperatura ambiente é 6,. A elevação final
de temperatura do óleo é A%.
...( I)
O desvio residual a partir do regime permanente é então:
-t
-
Os valores de E tomados a intervalos de tempos iguais formam uma série geométrica. Este fato permite o uso do
Figura C.l
-
Extrapolação gráfica para a elevação de temperatura finalPara cada par de pontos consecutivos sobre a curva, separados por um intervalo de tempo de h horas:
A qualquer instante seguinte ( t + t l ) :
O critério convencionado para a interrupção do ensaio é observar quando a taxa de variação da temperatura se
torna inferior a 1 OC por hora, por exemplo:
Da equação (4a):
O ensaio deve continuar durante 3 h e então pode ser interrompido. A elevação de temperatura média durante
a última hora é tomada como resultado do ensaio. Com To = 3 h, conduz-se teoricamente a um erro de interrupção
da ordem de I "C. Se a constante de tempo for mais curta, o erro é menor e vice-versa.
A fórmula seguinte é baseada em informações disponíveis na placa de identificação do transformador:
.
. .
(6) 5 x (massa total)+
15 x (massa de óleo)T = X- horas
o (perdas totais) 60
Onde:
massa, expressa em toneladas (t) e perdas, expressa em quilowatts (kW); AOu é a elevação de temperatura final estimada do topo do óleo.
É conveniente que a massa de óleo do conservador seja subtraída da massa total de 1
nas variações de temperatura.
óleo. Ela não interfere
Uma estimativa experimental da constante de tempo no decorrer do ensaio pode ser feita a partir das leituras sucessivas de temperatura em intervalos de tempo iguais h.
Sejam três leituras sucessivas AO,, A & e A&. Se a função exponencial da equação (2) for uma boa aproximação da curva de temperatura, então os incrementos de temperatura devem seguir a relação abaixo:
AO,
-AO,
In
A63 -
AO2
As leituras permitem também uma estimativa da elevação de temperatura final:
Estimativas sucessivas devem ser feitas e elas devem convergir. Com o objetivo de evitar grandes erros numéricos aleatórios, o intervalo de tempo deve ser aproximadamente To e A031A0u não deve ser inferior a 0,95.
Um valor mais preciso da elevação de temperatura em regime permanente é obtido por extrapolação, pelo método dos mínimos quadrados de todos os pontos medidos acima, aproximadamente de 60 % de A0u (A0u estimado pelo método dos três pontos).
C.2 Procedimento de medição da resistência do enrolamento depois do desligamento
Em 5.5 é indicado que a temperatura do enrolamento ao fim do ensaio em regime permanente é determinada pela
medição da resistência do enrolamento. A medição inicia-se após o desligamento da potência de ensaio
e a conexão dos enrolamentos ao circuito de medição de corrente contínua.
A temperatura do enrolamento e a sua resistência variam com o tempo; o problema é a extrapolação para o instante do desligamento. O procedimento de extrapolação é discutido em C.3.
A medição da resistência começa imediatamente após a conexão do enrolamento ao circuito de medição.
No começo as leituras são falsas por causa da queda de tensão indutiva no enrolamento, antes da corrente
contínua do ensaio se estabilizar. O tempo necessário para a estabilização é reduzido por:
- saturar o núcleo de forma que a indutância efetiva caia do valor em vazio para um valor de mesma ordem
que da indutância de curto-circuito;
- usar uma fonte de corrente constante: uma fonte estabilizada eletronicamente ou um banco de baterias
de grande potência e uma resistência de alto valor em série;
Saturar o núcleo significa induzir um certo valor de fluxo (tensão x tempo). O uso de alto valor de força eletromotriz reduz o tempo de estabilização (na prática da ordem de uns poucos segundos).
Os dois enrolamentos do par sob ensaio podem estar conectados a dois circuitos de corrente contínua separados
ou ligados em série ao mesmo circuito. Em ambos os casos, os sentidos das correntes devem ser tais que contribuam para a saturação do núcleo.
A constante de tempo elétrica do circuito de corrente continua, após ser atingida a saturação, pode ser reduzida
a uns poucos segundos, mesmo em casos difíceis. Uma diferença de temperatura de I "C corresponde a uma diferença relativa da resistência da ordem de 11300, a qual, para uma queda exponencial do erro, corresponde
a um atraso de 5 a 6 vezes o valor da constante de tempo. Isto significa que as medições devem ser feitas até 1
min após a obtenção de uma efetiva saturação.
Existem outros métodos para casos especiais. Um deles é tomar a componente indutiva da tensão em um outro
enrolamento em aberto, que não faça parte do circuito de corrente contínua, e usar esta tensão para correção da tensão através do enrolamento submetido a medição de resistência.
Quando o enrolamento consistir em duas metades paralelas, bem equilibradas, é possível fazer circular corrente contínua em uma metade e retornar pela outra. Isto permite medir a resistência, em principio sem efeito indutivo, mesmo quando potência a.C. for fornecida ao transformador.
C.3
Extrapolação da temperatura do enrolamento no instante do desligamento
Em C.2 é abordado o circuito de corrente contínua para a medição da resistência e o retardo antes do efeito indutivo terminar.
Os instrumentos usados para a medição podem ser de leitura manual ou de registro automático, digital
ou analógico. Um número considerável de leituras é feito por um período de, por exemplo, 20 min, sendo que as
três primeiras medidas devem ser efetuadas preferencialmente dentro de 4 min, e isto deve ser considerado na extrapolação para o instante do desligamento.
A representação gráfica das leituras deve ser como mostrada na Figura C.2. Isto indica que a temperatura do enrolamento varia rapidamente por um período de uns poucos minutos e então se horizontaliza.
Em um transformador cuja variação de temperatura do óleo possui uma constante de tempo elevada, pode-se
supor que a assíntota tenha um valor constante. Isto se aplica principalmente para transformadores do tipo ON ...,
Em outros casos, particularmente quando grandes transformadores com resfriamento forçado forem ensaiados, e o equipamento de resfriamento for mantido em funcionamento após o desligamento da potência de ensaio (ver Anexo A), pode ser necessário admitir uma assíntota decrescente, superposta a uma variação inicial muito rápida.
a) = Parte inicial do registro, com rápido decaimento da temperatura;
b) c) d) = Modelos matemáticos alternativos, para o período subsequente, de lento decaimento.
Figura c.2
-
Avaliação da resistência do enrolamento após o desligamentoA avaliação é adequadamente executada usando um procedimento computacional numérico, o qual compreende
uma função analitica do conjunto de leituras. A discussão a seguir apenas ilustra os princípios gerais.
A variação da resistência R com o tempo é interpretada como uma combinação de uma componente A fixa
ou lentamente variável com outro termo que apresenta um decaimento exponencial a partir de um valor B com
uma constante de tempo T.
Para o primeiro termo, pode-se utilizar uma constante ou um decaimento linear ou um decaimento exponencial:
As medições são feitas por períodos de tempo tal que o segundo termo praticamente se anule. 0 s parâmetros Ao,
ou Ao e k, ou A, e To podem ser estimados razoavelmente da ultima parte do registro.
t
--
R1(t)= R(t)- ~ ( t ) =
B x e
...( 12)Para o conjunto de valores ( R i , ti ), os parâmetros B e T são determinados por qualquer método numérico de
regressão.
O resultado da estimativa é:
De onde a temperatura do enrolamento é calculada de acordo com 5.4.
Um procedimento por extrapolação gráfica convencional requer uma interpolação manual. Os pontos de interseção são obtidos a intervalos de tempo iguais, começando no instante do desligamento. As variações da resistência formam então uma série geométrica, se o decaimento da curva for exponencial. Uma reta inclinada é então traçada no gráfico, como mostrado na Figura C.3. A interseção desta reta corresponde ao parâmetro A, (Figura C.3) e, na outra extremidade, permite também estimar graficamente o valor de Ro.
R e s i s t ê n c i a
C.4
Análise dos gases dissolvidos no óleo isolante
A análise cromatográfica dos gases dissolvidos no óleo pode ser usada com vantagens para detectar possíveis sobreaquecimentos localizados, que não resultariam em uma elevação anormal da temperatura durante o ensaio. Tal análise é geralmente capaz de indicar leves sobreaquecimentos dos enrolamentos ou das partes estruturais, da ordem de 170 "C a 200 "C, ou altas temperaturas entre 300 "C e 400 "C, por exemplo, causadas por contatos involuntários que conduzam a circulação de correntes parasitas.
Análise dos gases dissolvidos no óleo é particularmente recomendada para grandes transformadores, onde o fluxo de dispersão é um fator de risco.
NOTA A técnica da análise está descrita com detalhes no relatório do grupo de trabalho do CIGRÈ, publicado na revista ELECTRA 1-1-82 de maio de 1982, páginas 33 a 40.
A análise de gases no óleo para detecção de falhas incipientes é também tratada nas ABNT NBR 7070 e
