Dt-11 Especificação de Transformadores

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DT-11

CARACTERÍSTICAS E

ESPECIFICAÇÕES DE

TRANSFORMADORES DE

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Informações Técnicas DT-11

Transformador 200MVA - 550kV Usina Capivara – Taciba - SP

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PREFÁCIO

O curso em questão refere -se a transformadores trifásicos, imersos em líquido isolante, previstos para instalação interna ou externa, com classes de tensão até 550kV, em freqüência de 60Hz ou 50Hz. Também são abordados aspectos específicos relacionados a transformadores a seco, encapsulados em resina epóxi, classe de tensão até 36,2kV.

Este trabalho destina-se a dar subsídios e esclarecimentos necessários para uma boa especificação de transformadores. Aliás, uma correta seleção implica diretamente na redução do custo do equipamento e nos prazos de recebimento e instalação.

Os transformadores WEG são projetados e construídos segundo normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), em suas últimas edições, assim como normas internacionais, sempre que especificado.

Recomendamos, para aqueles que desejarem se aprofundarem no estudo de transformadores, que tenham a disposição as seguintes normas:

§ NBR 5356 - Transformador de Potência: Especificação

§ NBR 5440 - Transformadores para Redes Aéreas de Distri buição: Padronização

§ NBR 5380 - Transformador de Potência: Método de Ensaio

§ NBR 5416 - Aplicação de Cargas em Transformadores de Potência: Procedimento

§ NBR 5458 - Transformador de Potência: Terminologia § NBR 10295 - Transformadores de Potência Secos § IEC 76 – Transformador de Puissance

É muito importante, também, que o interessado tenh a em mãos as publicações específicas para transformadores, emitidas pela concessionária de energia da região onde será instalado o equipamento.

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ÍNDICE

PREFÁCIO... 3

HISTÓRICO... 13

1. NOÇÕES FUNDAMENTAIS... 14

1.1. TRANSFORMADORES E SUAS APLICAÇÕES ... 14

1.2. TIPOS DE TRANSFORMADORES... 16

1.2.1. Divisão dos Transformadores quanto à Finalidade... 16

1.2.2. Divisão dos Transformadores quanto aos Enrolamentos... 16

1.2.3. Divisão dos Transformadores quanto aos Tipos Construtivos... 16

1.3. COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR... 17

1.4. SISTEMAS ELÉTRICOS ... 20

1.4.1. Sistemas de Corrente Alternada Monofásica ... 20

1.4.1.1. Generalidades... 20

1.4.1.2. Tipos de ligação... 20

1.4.2. Sistemas de Corrente Alternada Trifásica... 21

1.4.2.1. Tipos de ligação... 22

1.4.2.2. Autotransformador ... 27

1.5. POTÊNCIAS ... 29

1.5.1. Potência Ativa ou Útil ... 29

1.5.2. Potência Reativa... 30

1.5.3. Potência Aparente ... 30

2. DEFINIÇÕES IMPORTANT ES E NORMALIZAÇÃO ...34

2.1. POTÊNCIA NOMINAL... 34

2.1.1. Transformadores Trifásicos... 34

2.1.2. Transformadores Monofásicos... 34

2.1.3. Potências Nominais Normalizadas ... 34

2.2. TENSÕES... 35

2.2.1. Definições... 35

2.2.2. Escolha da Tensão Nominal... 37

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Informações Técnicas DT-11 2.2.2.2. Transformador de distribuição a ser instalado no domínio de uma

concessionária. ... 38

2.2.2.3. Transformador para uso industrial... 38

2.3. DERIVAÇÕES ... 39

2.3.1. Definições... 40

2.4. CORRENTES... 42

2.4.1. Corrente Nominal ... 42

2.4.2. Corrente de Excitação... 42

2.4.3. Corrente de Curto -Circuito... 43

2.4.3.1. Corrente de curto-circuito pe rmanente... 43

2.4.3.2. Corrente de curto-circuito de pico ... 44

2.4.4. Corrente de Partida ou Inrush ... 44

2.5. FREQUÊNCIA NOMINAL... 45

2.6. NÍVEL DE ISOLAEMENTO ... 45

2.7. DESLOCAMENTO ANGULAR... 46

2.8. IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS... 50

3. SELEÇÃO DOS TRANSFORMADORES...55

3.1. DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA DO TRANSFORMADOR... 55

3.2. FATOR DE DEMANDA (D)... 55

3.2.1. Determinação da Demanda Máxima de um Grupo de Motores... 56

3.2.2. Determinação da Demanda Máxima da Instalação... 59

3.3. CONSIDERAÇÕES SOBRE O USO DAS TABELAS ... 59

3.4. CRITÉRIOS DE ESCOLHA DOS TRANSFORMADORES COM BASE NO VALOR OBTIDO NA DEMANDA ... 60

3.4.1. Eventuais Aumentos da Potência Instalada... 65

3.4.2. Conveniência da Subdivisão em mais Unidades ... 65

3.4.3. Po tência Nominal Normalizada ... 66

3.5. DADOS NECESSÁRIOS PARA IDENTIFICAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR... 66

3.6. SOFTWARE PARA CÁLCULO DE DIMENSIONAMENTO DE TRANSFORMADORES ... 67

3.6.1. Processo 1 ... 67

3.6.2. Processo 2 ... 70

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4.1. INSTALAÇÃO... 73

4.2. PERDAS... 75

4.2.1. Perdas no Material dos Enrolamentos (Perdas em Carga ou Perdas no Cobre). 76 4.2.2. Perdas no Ferro do Núcleo Magnético (Perdas em Vazio)... 76

4.3. RENDIMENTO ... 78

4.4. REGULAÇÃO... 81

4.5. CAPACIDADE DE SOBRECARGA ... 83

5. CARACTERÍSTICAS DA INSTALAÇÃO ... 88

5.1. OPERAÇÃO EM CONDIÇÕES NORMAIS E ESPECIAIS DE FUNCIONAMENTO... 88

5.2. CONDIÇÕES NORMAIS DE TRANSPORTE E INSTALAÇÃO ... 88

5.3. OPERAÇÃO EM PARALELO ... 90

5.3.1. Diagramas Vetoriais com mesmo Deslocamento Angular ... 90

5.3.2. Relações de T ransformação Idênticas inclusive Derivações... 90

5.3.3. Impedância ... 91

5.4. OPERAÇÃO EM PARALELO ... 94

6. CARACTERÍSTICAS CONS TRUTIVAS ...96

6.1. CARACTERÍSTICAS INTERNA... 96

6.1.1. Núcleo... 96

6.1.2. Enrolamento... 98

6.1.3. Dispositivos de Prensagem, Calços e Isolamento... 104

6.1.4. Comutador de Derivações ... 105

6.1.4.1. Tipo painel ... 106

6.1.4.2. Comutador acionado à vazio... 107

6.1.4.3. Comutador sob carga... 109

6.1.5. Parte Ativa... 110

6.2. CARACTERÍSTICAS EXTERNAS ... 111

6.2.1. Buchas ... 111

6.2.2. Tanque ... 115

6.2.2.1. Transformadores se lados... 115

6.2.2.2. Transformadores com conservador de óleo ... 116

6.2.2.3. Tranformadores flangeados ... 117

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6.3. LÍQUIDO DE ISOLAÇÃO E REFRIGERAÇÃO ... 119

6.4. PLACAS DE IDENTIFICAÇÃO E DIAGRAMÁTICA... 123

6.5. ACESSÓRIOS... 128

6.5.1. Indicador de Nível do Óleo... 129

6.5.2. Termômetros do Óleo ... 130

6.5.3. Transformador de Corrente (TC)... 131

6.5.4. Termômetro do Enrolamento com Imagem Térmica ... 132

6.5.5. Controladores Microprocessados de Temperatura... 133

6.5.6. Válvula de Alívio de Pressão ... 135

6.5.7. Relê Detetor de Gás Tipo Buchholz ... 136

6.5.8. Secador de Ar de Sílica Gel ... 137

6.5.9. Bolsa de Borracha em Conservadores de Óleo ... 138

6.5.10. Relê de Ruptura de Membrana/Bolsa ... 139

6.5.11. Relê de Pressão Súbita... 140

6.5.12. Manômetro e Manovacuômetro... 141

6.5.13. Indicador de Fluxo de Óleo ... 142

6.5.14. Relê Regulador de Tensão... 143

6.5.15. Paralelismo entre Transformadores ... 143

6.5.16. Monitoramento de Buchas ... 145

6.5.17. Pressurização do Transformador... 147

6.5.18. Monitor de Gás e Umidade ... 148

6.5.19. Sistema de Ventilação Forçada... 150

6.5.20. Sistema de Óleo Forçado... 150

6.5.20.1. Sistema OFWF... 151

6.5.20.2. Sistema OFAF com trocador de calor óleo-ar (aerotermo) ... 152

6.5.20.3. Sistema ONAN/OFAN/ONAF/OFAF ... 153

7. TRANSFORMADORES A SECO...155

7.1. HISTÓRIA DO TRANSFORMADOR ... 155

7.1.1. Retrospecto... 155

7.1.2. A Situação Hoje ... 158

7.2. TRANSFORMADORES ENCAPSULADOS A VÁCUO WEG... 158

7.3. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS ... 159

7.3.1. Núcleo e Ferragens ... 159

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7.3.3. Bobinas de Alta Tensão... 160

7.3.4. Acessórios ... 162

7.3.4.1. Comutador de tensão sem carga ... 162

7.3.4.2. Sistema de monitoramento térmico ... 162

7.3.4.3. Sistema de ventilação forçada... 163

7.3.4.4. Cubículo de proteção... 164

7.4. GARANTIA DE QUALIDADE E TESTES ... 166

7.5. VANTAGENS... 168

7.5.1. Minimizada Manutenção ... 168

7.5.2. Fácil Instalação ... 168

7.5.2.1. Ambiente de instalação ... 169

7.5.3. Baixíssimos Níveis de Descargas Parciais ... 172

7.5.4. Alta Suportabilidade a Sobretensões ... 173

7.5.5. Alta Capacidade de Sobrecarga ... 173

7.5.6. Insensíveis ao Meio ... 174

7.5.7. Auto Extinguível... 175

7.5.8. Resistente a Curto -Circuito... 178

7.5.9. Nível de Ruído ... 179

7.5.10. Assistência Técnica WEG... 179

7.5.11. Compatíveis com o Meio A mbiente... 180

7.6. APLICAÇÕES ... 180

7.7. ESPECIFICAÇÕES ... 181

7.7.1. Normas ... 181

7.7.2. Potências... 182

7.7.3. Classes de Tensão ... 182

7.7.4. Tensão Nominal e Derivações ... 182

7.7.5. Freqüência e Ligações ... 183

7.7.6. Temperaturas... 183

7.7.7. Perdas, Corrente de Excitação e Imp edância... 183

7.7.8. Dimensões ... 184

8. ENSAIOS ...185

8.1. ENSAIOS DE ROTINA ... 186

8.1.1. Resistência Elétrica dos Enrolamentos... 187

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8.1.2.1. Polaridade... 193

8.1.2.2. Deslocamento angular e seqüência de fases ... 193

8.1.3. Perdas em Carga e Impedância de Curto -Circuito... 196

8.1.4. Perdas em Vazio e Corrente de Excitação... 199

8.1.5. Resistência do Isolamento... 204

8.1.6. Ensaios Dielétricos de Rotina ... 207

8.1.6.1. Tensão suportável à freqüência industrial... 207

8.1.6.2. Tensão induzida ... 210

8.1.6.3. Tensão induzida com medição de descargas parciais ... 212

8.1.6.4. Impulso... 219

8.1.6.4.1. Introdução... 219

8.1.6.4.2. Circuito de ensaio ... 222

8.1.6.4.3. Forma de onda de impulso... 226

8.1.6.4.4. Procedimento de ensaio para impulso atmosférico ... 228

8.1.6.4.5. Procedimento de ensaio para impulso de manobra ... 232

8.1.7. Ensaios de Comutador de Derivações em Carga ... 233

8.1.8. Estanqueidade e Resistência à Pressão... 235

8.1.9. Verificação do Funcionamento dos Acessórios ... 235

8.1.10. Verificação da Espessura e Aderência da Pintura... 238

8.2. ENSAIOS DE TIPO... 239

8.2.1. Elevação de Temperatura ... 239

8.2.2. Nível de Ruído ... 244

8.3. ENSAIOS ESPECIAIS... 248

8.3.1. Fator de Potência do Isolamento... 248

8.3.2. Impedância Seqüência Zero em T ransformadores Trifásicos... 251

8.3.3. Tensão de Radiointerferência (RIV)... 255

8.3.4. Medição de Harmônicos na Corrente de Excitação... 257

8.3.5. Ensaio Suportabilidade a Curto -Circuito ... 259

8.3.6. Medição da Resposta em Freqüência e Impedância Terminal... 261

8.3.7. Umidade Relativa Superficial Interna (URSI) ... 264

8.3.8. Vácuo Interno... 267

8.4. ENSAIOS NO ÓLEO ISOLANTE... 267

8.4.1. Rigidez Dielétrica ... 269

8.4.2. Teor de Água... 269

(11)

8.4.4. Tensão Interfacial ... 270

8.4.5. Índice de Neutralização (Acidez)... 271

8.4.6. Ponto de Fulgor... 271

8.4.7. Densidade... 272

8.4.8. Fator de Dissipação (Fator de Potência)... 272

8.4.9. Análise Cromatográfica... 273

8.5. ENSAIOS NO PAPEL... 276

8.5.1. Grau de Polimerização ... 276

9. INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO ...277

9.1. TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO (POTÊNCIA ATÉ 300 KVA)... 277

9.1.1. Recebimento... 277 9.1.2. Manuseio... 278 9.1.3. Armazenagem ... 278 9.1.4. Instalação... 278 9.1.5. Manutenção... 278 9.1.6. Inspeção Periódica ... 279 9.1.7. Revisão Completa ... 279

9.2. TRANSFORMADORES INDUSTRIAIS A ÓLEO (POTÊNCIA ATÉ 5.000KVA) ... 280

9.2.1. Recebimento... 281

9.2.2. Descarga e Manuseio... 281

9.2.3. Armazenagem ... 282

9.2.4. Instalação... 282

9.2.5. Ensaios Elétricos de Campo... 282

9.2.6. Energização do Transformador... 283 9.2.7. Manutenção... 283 9.2.8. Inspeção Periódica ... 284 9.2.9. Ensaios Elétricos ... 284 9.3. TRANSFORMADORES A SECO ... 285 9.3.1. Itens de Manutenção ... 285 9.3.2. Inspeções Periódicas ... 286 9.3.2.1. Registros operacionais... 286 9.3.2.2. Inspeção termográfica ... 286 9.3.2.3. Inspeções visuais... 286

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9.3.2.4. Limpeza... 288

9.4. TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA (ACIMA DE 5MVA)... 289

9.4.1. Objetivo... 289

9.4.2. Etapas em Fábrica ... 290

9.4.2.1. Pressurização para Retirada do Óleo... 290

9.4.2.2. Drenagem do Óleo... 290

9.4.2.3. Desmontagem das Buchas ... 290

9.4.2.4. Desmontagem dos Radiadores ... 291

9.4.2.5. Desmontagem do Conservador... 292

9.4.2.6. Desmontagem das Tubulações e Acessó rios... 293

9.4.2.7. Pressurização para Transporte ... 294

9.4.2.8. Instalação de Instrumentos de Monitoramento de Transporte... 296

9.4.2.9. Carregamento... 297

9.4.3. Transporte de Transformadores... 297

9.4.4. Tipos de Equ ipamentos de Transporte... 298

9.4.5. Recebimento... 300

9.4.6. Descarga e Manuseio... 301

9.4.7. Tipos de Descarga... 302

9.4.8. Análise dos Registros de Transporte... 303

9.4.8.1. Equipamento tipo registrador de impacto eletrônico ... 303

9.4.8.2. Equipamento tipo indicador de impacto ... 303

9.4.9. Armazenagem ... 304

9.4.9.1. Transformadores... 304

9.4.9.2. Componentes e acessórios ... 304

9.4.10. Montagem do Transformador ... 304

9.4.10.1. Equipamentos necessários... 305

9.4.10.2. Limpeza do tanque do transformador... 305

9.4.10.3. Montagem dos radiadores ... 306

9.4.10.4. Montagem do conservador... 307

9.4.10.5. Montagem do relê de gás ... 309

9.4.10.6. Montagem de buchas secas de porcelana... 310

9.4.10.7. Montagem de buchas de porcelana capacitiva... 311

9.4.10.8. Inspeção interna ... 312

9.4.10.9. Processo de vácuo ... 313

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9.4.11.1. Óleo transportado em tambores ... 315

9.4.11.2. Óleo transportado caminhão tanque... 316

9.4.12. Tratamento do Óleo Isolante ... 316

9.4.13. Processo de Enchimento... 317

9.4.14. Aferição do Nível do Óleo ... 318

9.4.15. Ensaio de Estanqueidade ... 319

9.4.16. Ajuste da Bolsa ... 320

9.4.17. Instalação do Secador de Ar... 321

9.4.18. Comissionamento do Transformador... 322

9.4.18.1. Relação de Instrumentos para Ensaios Elétricos ... 322

9.4.18.2. Relação dos Ensaios Elétricos ... 323

9.4.19. Energização do Transformador... 323 9.4.20. Registros Operacionais... 324 9.4.21. Manutenção... 324 ANEXO I ...328 ANEXO II ...331 ANEXO III...335

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HISTÓRICO

A invenção do transformador de potência, que remonta o fim do século dezenove, tornou-se possível o desenvolvimento do moderno sistema de alimentação em corrente alternada, com subestações de potência freqüentemente localizadas a muitos quilômetros dos centros de consumo (carga). Antes disto, nos primórdios do suprimento de eletricidade pública, estes eram sistemas de corrente contínua, com a fonte de geração, por necessidade, localizados próximo do local de consumo.

Indústrias pioneiras no fornecimento de eletricidade foram rápidas em reconhecer os benefícios de uma ferramenta a qual poderia dispor alta corrente, normalmente obtida a baixa tensão de saída de um gerador elétrico, e transformá -lo para um determinado nível de tensão possível de transmiti -la em condutores de dimensões práticos a consumidores que, naquele tempo, poderiam estar afastados a um quilômetro ou mais e poderiam fazer isto com uma eficiência e que, para os padrões da época, era nada menos que fenomenal.

Atualmente, sistemas de transmissão e distribuição de energia são, é claro, vastamente mais extensos e totalmente dependentes de transformadores os quais, por si só, são muito mais eficientes que aqueles de um século atrás; dos enormes transformadores elevadores, transformando, por exemplo, 23,5kV (19.000A) em 400kV, assim reduzindo a corrente a valores práticos de transmissão de 1.200A, ou então, aos milhares de pequenos transformadores de distribuição, as quais operam quase continuamente, dia-a-dia, com menor ou maior grau de importância, provendo suprimento para consumidores industriais ou domésticos.

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1. NOÇÕES FUNDAMENTAIS

1.1. TRANSFORMADORES E SUAS APLICAÇÕES

A energia elétrica, até chegar ao ponto de consumo, passa pelas seguintes etapas:

a) geração: onde a energia hidráulica dos rios, a energia do vapor superaquecido, energia dos ventos ou fóssil com bustível é convertida em energia elétrica nos chamados geradores;

b) transmissão: os pontos de geração normalmente encontram -se longe dos centros de consumo; torna-se necessário elevar a tensão no ponto de geração, para que os condutores possam ser de seção reduzida, por fatores econômicos e mecânicos, e diminuir a tensão próxima do centro de consumo, por motivos de segurança; o transporte de energia é feito em linhas de transmissão, que atingem até centenas de milhares de volts e que percorrem milha res de quilômetros;

c) distribuição: a tensão é diminuída próximo ao ponto de consumo, por motivos de segurança; porém, o nível de tensão desta primeira transformação não é, ainda, o de utilização, uma vez que é mais econômico distribuí-la em média tensão; então, junto ao ponto de consumo, é realizada uma segunda transformação, a um nível compatível com o sistema final de consumo (baixa tensão).

A seguir, apresentamos, esquematicamente, um sistema de potência, incluindo geração, transmissão e distribuição de energia elét rica.

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Informações Técnicas DT-11 1.2. TIPOS DE TRANSFORMADORES

Sendo um equipamento que transfere energia de um circuito elétrico a outro, o transformador toma parte nos sistemas de potência para ajustar a tens ão de saída de um estágio do sistema à tensão da entrada do seguinte. O transformador, nos sistemas elétricos e eletromecânicos, poderá assumir outras funções tais como isolar eletricamente os circuitos entre si, ajustar a impedância do estágio seguinte a do anterior, ou, simplesmente, todas estas finalidades citadas.

A transformação da tensão (e da corrente) é obtida graças a um fenômeno chamado “indução eletromagnética”, o qual será detalhado mais adiante.

1.2.1. Divisão dos Transformadores quanto à Finalidade

a) Transformadores de corrente b) Transformadores de potencial c) Transformadores de distribuição d) Transformadores de força

1.2.2. Divisão dos Transformadores quanto aos Enrolamentos

a) Transformadores de dois ou mais enrolamentos b) Autotransformadores

1.2.3. Divisão dos Transformadores quanto aos Tipos Construtivos a) Quanto ao material do núcleo:

o com núcleo ferromagnético; o com núcleo de ar.

b) Quanto a forma do núcleo: o Shell;

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§ Enrolado: é o mais utilizado no mundo na fabricação de transformadores de pequeno porte (distribuição), alguns fabricant es chegam a fazer transformadores até de meia-força (10MVA):

o Envolvido; o Envolvente. § Empilhado:

o Envolvido; o Envolvente. c) Quanto ao número de fases:

o monofásico;

o polifásico (principalmente o trifásico). d) Quanto à maneira de dissipação de calor:

o parte ativa imersa em líquido isolante (transformador imerso); o parte ativa envolta pelo ar ambiente (transformador a seco).

(a) Tipo Shell (b) Tipo Core Envolvido (c) Tipo Core: Cinco Colunas Envolvente

Figura 1.2

1.3. COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR

O fenômeno da transformação é baseado no efeito da indução mútua. Veja a Figura 1.3, onde tem os um núcleo constituído de lâminas de aço prensadas e onde foram construídos dois enrolamentos.

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Figura 1.3

onde:

U1 = tensão aplicada na entrada (primária)

N1 = número de espiras do primário

N2 = número de espiras do secundário

U2 = tensão de saída (secundário)

Se aplicarmos uma tensão U1 alternada ao primário, circulará por este enrolamento

uma corrente I₁ alternada que por sua vez dará condições ao surgimento de um fluxo magnético também alternado.

A maior parte deste fluxo ficará confinada ao núcleo, uma vez que é este o caminho de menor relutância. Este fluxo originará uma força eletromotriz (f.e.m.) E1 no primário

e E2 no secundário, proporcionais ao número de espiras dos respectivos

enrolamentos, s egundo a relação:

a N N E E = = 2 1 2 1 _1.1 onde:

a = razão de transformação ou relação entre espiras.

As tensões de entrada e saída U1 e U2 diferem muito pouco das f.e.m. induzidas E1 e

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Informações Técnicas DT-11 a N N U U = = 2 1 2 1 _1.2

Podemos também provar que as correntes obedecem à seguinte relação:

a N N I I ou N I N I = = ⋅ = ⋅ 2 1 1 2 2 2 1 1 onde: l1 = corrente no primário l2= corrente no s ecundário

Quando a tensão do primário U1 é superior a do secundário U2, temos um

transformador abaixador (step down). Caso contrário, terá um transformador elevador de tensão (step up).

Para o transformador abaixador, a > 1 e para o elevador de tensão, a < 1.

Cabe ainda fazer notar que sendo o fluxo magnético proveniente de corrente alternada, este também será alternado, tornando-se um fenômeno reversível, ou seja, podemos aplicar uma tensão em qualquer um dos enrolamentos que teremos a f.e.m. no outro.

Baseando-se neste princípio, qualquer dos enrolamentos poderá ser o primário ou secundário. Chama-se de primário o enrolamento que recebe a energia e secundário o enrolamento que alimenta a carga.

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Informações Técnicas DT-11 1.4. SISTEMAS ELÉTRICOS

Faremos uma rápida revisão de conceitos e fórmulas de cálculo, envolvidos nos sistemas elétricos com o objetivo de reativar a memória e retirar da extensa teoria aquilo que realmente interessa para a compreensão do funcionamento e para o dimensionamento do transformador.

1.4.1. Sistemas de Corrente Alternada Monofásica

1.4.1.1. Generalidades

A corrente alternada se caracteriza pelo fato de que a tensão, em vez de permanecer fixa, como entre os pólos de uma bateria, varia senoidalmente com o tempo, mudando de sentido alternadamente, donde o seu nome. O número de vezes por segundo que a tensão muda de sentido e volta à condição inicial é a freqüência do sistema, expressa em “ciclos por segundo” ou “hertz”, sim bolizada por “Hz”.

No sistema monofásico, uma tensão alternada U (Volt) é gerada e aplicada entre dois fios, aos quais se liga a carga, que absorve uma corrente I (Ampère), conforme Figura 1.4.

Figura 1.4

1.4.1.2. Tipos de ligação

Se ligarmos duas cargas iguais a um sistema monofásico, esta ligação poderá ser feita de dois modos:

(22)

§ ligação em série (Figura 1.5): na qual duas cargas são atravessadas pela corrente total ou de circuito; neste caso, a tensão em cada carga será a metade da tensão do circuito;

§ ligação em paralelo (Figura 1.6): na qual é aplicada as duas cargas, a tensão do circuito; neste caso, a corrente em cada carga será a metade da corrente total do circuito.

Figura 1.5

Figura 1.6

1.4.2. Sistemas de Corrent e Alternada Trifásica

O sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos de tensões, U1, U2 e U3 tais que a defasagem entre elas seja 120° e os “atrasos” de U2 e

U1 em relação a U3 sejam iguais a 120°, considerando um ciclo complet o 360°. (Figura

1.7)

Ligando entre si os três sistemas monofásicos e eliminando os fios desnecessários, teremos um sistema trifásico de tensões defasadas de 120° e aplicadas entre os três

(23)

Informações Técnicas DT-11 fios do sistema.

Figura 1.7

1.4.2.1. Tipos de ligação

a) Ligação triângulo

Chamamos “tensões e correntes de fase” as tensões e correntes de cada um dos três sistemas monofásicos considerados, indicados por Uf e If.

Se ligarmos os três sistemas monofásicos entre si, como indica a Figura 1.8, podemos eliminar três fios, deixando apenas um em cada ponto de ligação, e o sistema trifásico ficará reduzido a três fios U, V e W.

(24)

A tensão em qualquer destes três fios chama-se “t ensão de linha”, UL, que é a tensão

nominal do sistema trifásico. A corrente em qualquer um dos fios chama -se “corrente de linha”, I_L.

Examinando o esquema da Figura 1.9, vê-se que:

§ a carga é aplicada a tensão de linha UL que é a própria tensão do sistema

monofásico componente, ou seja, UL = Uf;

§ a corrente em cada fio de linha, ou corrente de linha IL é a soma das correntes

das duas fases ligadas a este fio, ou seja, I = If1 + If2.

Figura 1.9

Como as correntes estão defasadas entre si, a soma deverá ser feita graficamente, como mostra a Figura 1.10. Pode-se verificar que: I_L = I_f × 3=1,732×I_f

Figura 1.10

Exemplo: Em um sistema trifásico equilibrado de tensão nominal 220V, a corrente de linha medida é de 10A. Ligando a este sistema uma carga trifásica composta de três

(25)

cargas iguais ligadas em triângulo, qual a tensão e a corrente ligada em cada uma das cargas?

Temos:

V U

U_f = _L = 220 , em cada uma das fases

A I

I I

I_L =1,732× _f∴ _f =0,577 × _L =0,577 ×10 =5,77 , em cada uma das cargas

b) Ligação estrela

Ligando um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum aos três restantes, forma-se um sistema trifásico em estrela (Figura 1.11). Às vezes o s istema trifásico em estrela é a “quatro fios” ou “com neutro”.

O quarto fio é ligado ao ponto comum às três fases. A tensão de linha, ou a tensão nominal do sistema trifásico, e a corrente de linha são definidas do mesmo modo que na ligação triângulo. U V W I1 I2 I3 Uf1 Uf2 Uf3 If1 If2 If3 Figura 1.11

Examinando o esquema da Figura 1.12 vê -se que:

§ a corrente em cada fio da linha, ou corrente da linha IL = If;

§ a tensão entre dois fios quaisquer do sistema tri fásico é a soma gráfica (Figura 1.13) das tensões de duas fases as quais estão ligados os fios considerados, ou seja: U_L =U_f × 3=1,732×U_f .

(26)

Figura 1.12

Figura 1.13

Exemplo: Em uma carga trifásica composta de três cargas iguais, cada carga é feita para ser ligada a uma tensão de 220V, absorvendo 5,77A. Qual a tensão nominal do sistema trifásico que alimenta esta carga em suas c ondições normais (220V e 5,77A) e qual a corrente de linha?

Temos:

V

Uf =200 , em cada uma das cargas V UL =1,732×220 =380 A I IL = f = 5,77 c) Ligação zig-zag

(27)

Cada fase do secundário, compõe -se de duas bobinas dispostas cada uma sobre colunas diferentes, ligadas em série, assim a corrente de cada fase do secundário afeta sempre por igual as duas fases do primário.

Na Figura 1.14 temos um diagrama mostrando as ligações e os sentidos das correntes em cada enrolamento. Na Figura 1.15 temos o diagrama fasorial da ligação zig-zag.

Figura 1.14

Figura 1.15

O transformador torna-se mais caro, principalmente pelo aumento de 15,5% no volume de c obre e pela complexidade de sua montagem.

(28)

Supondo tensões de linha para V1 = 220/127V. (Figura 1.16)

Figura 1.16 o o ZZ V V V = 1∠60 + 1∠0 onde o V V2 = 1∠0 017 , 127 60 017 , 127 ∠ + = o ZZ V 110 527 , 190 j VZZ = + o ZZ V =220∠30 (tensão de fase) V VZZ(L) =220 × 3=380

Desta maneira com dois enrolamentos em ligação zig-zag, conseguimos 380/220V.

Para obtermos 220/127V ligamos em paralelo às duas bobinas de uma mesma coluna e para 440/254V ligamos as bobinas em série.

1.4.2.2. Autotransformador

Possui estrutura magnética semelhante aos transformadores normais, diferenciando-se apenas na parte elétrica, isto é, os enrolamentos do primário e diferenciando-secundário possuem certo número de espiras em comum, Figura 1.17.

(29)

Informações Técnicas DT-11 Figura 1.17 1 1 V P I = 2 2 V P I = 1 2 I I I = −

A relação entre a tensão superior e a tensão inferior não deve ser superior a 3. É reversível, pode ser abaixador ou elevador. Quando tiver várias tensões, é dotado de painel de religação, comutador de derivações ou as diversas saídas podem ser conectadas diretamente nas buchas.

O autotransformador trifásico é realizado com agrupamento das fases em estrela.

Vantagens:

§ Deslocamento angular AT e BT são sempre nulos;

§ Possibilidade de ligação do centro a terra, a fim de eliminar o perigo de sobretensões com respeito a terra linha BT.

§ Quanto menor a relação entre a tensão superior e a tensão inferior, maior a vantagem econômica entre autotransformador e transformador.

(30)

Informações Técnicas DT-11 1.5. POTÊNCIAS

Em um sistema elétrico, temos três tipos de potências: potência aparente, ativa e reativa.

Estas potências estão intimamente ligadas de tal forma que constituem um triângulo, o chamado “triângulo das potências” (Figura 1.18).

Figura 1.18

onde:

S = potência aparente, expressa em VA (Volts -Ampère) P = potência ativa ou útil, expressa em W (Watt)

Q = potência reativa, expressa em VAr (Volt Ampère reativa) Ø = ângulo que determina o fator de potência.

1.5.1. Potência Ativa ou Útil

É a componente da potência aparente (S) que realmente é utilizada em um equipamento na conversão da energia elétrica em outra forma de energia.

Em um sistema monofásico: Ø I U P= ⋅ ⋅cos [W] 1.3 Em um sistema trifásico: Ø I U P= 3⋅ f ⋅ f ⋅cos [W] 1.4

(31)

Informações Técnicas DT-11 ou Ø I U P= 3⋅ L⋅ L⋅cos [W] 1.5 1.5.2. Potência Reativa

É a componente da potência aparente (Q) que não contribui na conversão de energia.

Em um sistema monofásico: Ø I U Q = ⋅ ⋅sen [VAr] 1.6 Em um sistema trifásico: Ø I U Q =3⋅ f ⋅ f ⋅sen [VAr] 1.7 ou Ø I U Q = 3⋅ _L ⋅ _L⋅sen [VAr] 1.8 1.5.3. Potência Aparente

É a soma vetorial da potência útil e a reativa, e define o dimensionamento dos condutores, transformadores, equipamentos de proteção e de manobra. É uma grandeza que, para ser definida, precisa de módulo e ângulo, características do vetor.

Módulo: 2 2 Q P S = + 1.9 Ângulo: _      = P Q arctg Ø 1.10

Aqui podemos notar a importância do fator de potência. É definido como:

S P Ø

(32)

Um transformador é dimensionado pela potência aparente (S) e por aí se nota a importância da manutenção de um fator de potência elevado numa instalação. O baixo fator de potência causa sérios problemas às instalações elétricas, entre as quais podem ser destacados: sobrecargas nos cabos e trans formadores, crescimento da queda de tensão, redução do nível de luminosidade, aumento das perdas no sistema de alimentação.

Além disto, as concessionárias de energia cobram pesadas multas sobre a tarifa de energia para aqueles que apresentarem fator de potência inferior a 0,92, tanto indutivo quanto capacitivo.

Em um sistema monofásico: I U S = ⋅ [VA] 1.12 Em um sistema trifásico: f f I U S =3⋅ ⋅ [VA] 1.13 ou L L I U S = 3⋅ ⋅ [VA] 1.14

Outras relações importantes:

Ø P S cos = [VA] 1.15 Ø Q S sen = [VA] 1.16

A seguir, introduzimos uma tabela prática (Tabela 1.1), para det erminação dos valores de tensão, corrente, potência e fator de potência de transformadores em função do tipo de ligação.

(33)

Informações Técnicas DT-11 Tabela 1.1

Determinação Estrel a Triângulo Zig -Zag

Tensão de Linha UL UL UL Tensão no Enrolamento ₃ L U UL 3 L U Corrente de Linha IL IL IL Corrente de Enrolamento IL ₃ L I _I L

Liga ções dos Enrolamentos

Esquemas

Potência Aparente kVA S =3⋅U _f ⋅I_f = 3⋅U_L ⋅I_L Potência Ativa kW _P= ₃⋅_U_f ⋅_I_f ⋅_cos_Ø = ₃⋅_U_L⋅_I_L ⋅_cos_Ø Potência Reativa kVAr _Q =₃⋅_U_f ⋅_I_f ⋅_sen_Ø = ₃⋅_U_L⋅_I_L ⋅_sen_Ø Fator de Potência do

Primário cosØ1 = cosØ2 ⋅

(

100 −eu

)

−er (*) Fator de Potência do

Secundário Do projeto de instalação (cosØ2) (*) ey = Tensão de curto -circuito

(34)

Exemplo: Cálculo da potência aparente requerida por dois equipamentos com fator de potência (cosØ) APARELHO 1 APARELHO 2 S P Ø Ø W P = = = cos 5 , 0 cos 1000 S P Ø Ø W P = = = cos 92 , 0 cos 1000 APARELHO 1 : S 2000VA 5 , 0 1000 = = APARELHO 2 : _S ₁₀₈₇_VA 92 , 0 1000 = = CONCLUSÃO:

Verificamos que o equipamento 2 que possui o maior fator de potência requer apenas 1.087VA, enquanto que o equipamento 1 requer 2.000VA de potência aparente.

Um transformador é dimensionado pela potência aparente (S), e por aí nota -se a importânci a da manutenção de um fator de potência elevado em uma instalação.

(35)

2. DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃO

2.1. POTÊNCIA NOMINAL

Entende-se por potência nominal de um transformador, o valor convencional de potência aparente. Serve de base ao projeto, aos ensaios e às garantias do fabricante e det ermina o valor da corrente nominal que circula, sob tensão nominal, nas condições especificadas na respectiva norma.

2.1.1. Transformadores Trifásicos

A potência nominal de um transformador trifásico é a potência aparente definida pela expressão:

Potência nom inal =

1000 3 ⋅ ⋅ n n I U [kVA] 2.1 2.1.2. Transformadores Monofásicos

A potência nominal de um transformador monofásico é a potência aparente definida pela expressão: Potência nominal = 1000 n n I U ⋅ [kVA] 2.2

2.1.3. Potências Nominais Normalizadas

As potências nominais em kVA, normalizadas pela ABNT (NBR 5440), dos transformadores de distribuição para instalação em postes e plataformas, são as seguintes:

a) transformadores monofásicos para instalação em postes: 5, 10, 15, 25, 37.5, 50, 75 e 100kVA;

(36)

b) transformadores trifásicos para instalação em postes 15, 30, 45, 75, 112.5 e 150kVA;

c) transformadores trifásicos para instalação em postes ou plataformas: 225 e 300kVA.

As potências nominais em kVA, normalizadas pela ABNT (NBR 12454 e NBR 9369), para transformadores de potência, são as seguintes: 225, 300, 500, 750, 1.000, 1.500, 2.000, 2.500, 3.000, 3.750, 5.000, 7.500, 10.000, 15.000, 25.000, 30.000.

Quando de transformadores providos de um ou mais estágios de resfriamento forçado, entende-se como potência nominal o último estágio.

Recomenda-se a escolha de um destes valores, pois os fabricantes já possuem projetos prontos para os mesmos, o que reduz os custos e o tempo de entrega dos referidos transformadores.

Os transformadores com potências superiores a 40MVA não são normalizados, e dependem da solicitação do cliente.

2.2. TENSÕES

2.2.1. Definições

Tensão Nominal (Un): É a tensão para a qual o enrolamento foi projetado.

Tensão a Vazio (Uo): É a tensão entre os bornes do secundário do transformador

energizado, porém sem carga.

Tensão sob Carga: (Uc): É a tensão entre os bornes do secundário do transformador,

estando o mesmo sob carga, correspondente a sua corrente nominal. Esta tensão é influenciada pelo fator de potência (cosØ)

(37)

Regulação: É a variação entre a tensão a vazio e sob carga e sob determinado fator de potência.

Tensão Superior (TS): É a tensão correspondente à tensão mais alta em um transformador. Pode ser tanto referida ao primário ou secundário, conforme o transformador seja abaixador ou elevador.

Tensão Inferior (TI): É a tensão correspondente à tensão mais baixa em um transformador. Pode ser também referida ao primário ou secundário, con forme o transformador seja elevador ou abaixador.

Tensão de Curto-circuito (Ucc): Comumente chamada de impedância, é a tensão

expressa, usualmente, em porcentagem (referida a 75°C) em relação a uma determinada tensão, que deve ser ligada aos terminais de um enrolamento para obter a corrente nominal no outro enrolamento, cujos terminais estão curto- circuitados.

A tensão de curto-circuito medida deve manter -se dentro de ± 7,5% de tolerância, em relação ao valor declarado pelo fabricante.

Nas Tabelas 4.2 e 4.3 encontraremos os valores de impedância (coluna 5) para os transformadores que trata este manual.

Impedância de Seqüência Zero (Z0): É a impedância, por fase e sob freqüência

nominal, entre os terminais de linha de um enrolamento polifásico em estrela ou zig-zag, interligados e o terminal de neutro. Seu valor depende do tipo de ligação.

É necessário conhecer a impedância de seqüência zero para o estudo de circuitos polifásicos desequilibrados (curto-circuito) e é somente levada em consideração em transformadores delta-estrela (zig-zag) aterrado ou estrela -estrela (zig-zag) duplamente aterrado.

(38)

Informações Técnicas DT-11 2.2.2. Escolha da Tensão Nominal

2.2.2.1. Transformadores de distribuição

Tabela 2.1 - Transformadores sem derivações

Tensão [V] Primário Secundário Tensão máxima do equipamento kVeficaz Trifásico e monofásico (FF) Monofásico (FN) Trifásico Monofásico 15 13800 13200 7967 7621 24,2 23100 22000 13337 12702 36,2 34500 33000 19919 19053 380/220 ou 220/127 Dois terminais: 220 ou 127 Três terminais: 440/220, 254/127, 240/120 ou 230/115

NOTA: FF = tensão entre fases

FN = tensão entre fase e neutro

Tabela 2.2 - Derivações e relações de tensões

Tensão [V] Primário Secundário Tensão máxima do equipamento kVeficaz Derivação no Trifásico e monofásico (FF) Monofásico (FN) Trifásico Monofásico 15 1 2 3 13800 13200 12600 7967 7621 7275 24,2 1 2 3 23100 22000 20900 13337 12702 12067 36,2 1 2 3 34500 33000 31500 19919 19043 18187 380/220 ou 220/127 Dois terminais: 220 ou 127 Três termin ais: 440/220,254/1 27, 240/120 ou 230/115

NOTA: FF = tensão entre fases FN = tensão entre fase e neutro

(39)

Informações Técnicas DT-11 2.2.2.2. Transformador de distribuição a ser instalado no domínio de uma concessionária.

A concessionária de energia elétrica possui norma própria. As tensões serão, portanto, definidas pela mesma.

Exemplo: AMPLA: AT: 13.800 – 13.200 – 12.600 – 12.000 – 11.400 – 10.800V BT: 220/127V RGE: AT: 13.800 – 13.200 – 12.600V ou 23.100 – 22.000 – 20.900V BT: 380/220V ou 220/127V

Existem concessionárias que quando do fornecimento de transformadores ao mercado particular exigem que estes sejam construídos e ensaiados em atendimento integral as suas normas. Recomenda-se verificar esta pa rticularidade com a concessionária local antes da aquisição dos transformadores.

2.2.2.3. Transformador para uso industrial.

Em uma indústria poderemos ter três ou até quatro níveis de tensão:

§ Subestações de entrada:

o Primário - 72,5kV - 138kV ou 230kV; o Secundário - 36,2kV - 24,2kV ou 13,8kV.

§ Subestações de dist ribuição:

o Primário - 36,2kV - 24,2kV ou 13,8kV;

(40)

Quando a potência dos transformadores for superior a 3MVA não se recomenda baixar a tensão diretamente para t ensão de uso, pois os mesmos tornam-se muito caros devido às altas correntes. Recomenda-se baixar para uma média tensão, ou seja, 6,9kV, 4,16kV ou 2,4kV e, próximo aos centros de c arga rebaixar novamente para as tensões de uso.

Ainda um caso particular de nível de tensão primária deve ser comentado. Existem algumas regiões onde o nível de tensão de distribuição está sendo alterado. Neste caso, a concessionária avisa o interessado, que a tensão atual passará a outro nível dentro de um determinado período de tempo; logo, o transformador a ser instalado deverá ser capaz de operar em duas tensões primárias, para evitar a necessidade de aquisição de novo equipamento quando da alteração. Estes transformadores especiais são chamados de religáveis.

A escolha da tensão do secundário depende de vários fatores. Dentre eles destacamos:

a) econômicos, a tensão de 380/220V requer seções menores dos condutores para uma mesma potência;

b) segurança, a tensão de 220/127V é mais segura com relação a contatos acidentais.

De uma forma geral, podemos dizer que para instalações onde equipamentos como motores, bombas, máquinas de solda e outras máquinas constituem a maioria da carga, deve -se usar 380/220V e para instalações de iluminação e força de residências deve-se adotar 220/127V. Na NBR 5440 da ABNT encontramos a padronização das tensões primárias e secundárias.

2.3. DERIVAÇÕES

Para adequar a tensão primária do transformador à tensão de alimentação, o enrolamento primário, normalmente o de TS, é dotado de derivações (taps), que podem ser escolhidos mediante a utilização de um painel de ligações ou comutador,

(41)

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.

Em geral o valor da tensão primária, indicada pela concessionária constitui o valor médio entre aqueles que efetivamente serão fornecidos durante o exercício.

2.3.1. Definições

Derivação principal: Derivação a qual é referida a característica nominal do enrolamento, salvo indicação diferente à derivação principal é:

a) no caso de número ímpar de derivações, a derivação central;

b) no caso de número par de derivações, aquela das duas derivações centrais que se acha associada ao maior número de espiras efetivas do enrolamento; c) caso a derivação determinada segundo ”a” ou “b” não seja de plena potência, a

mais próxima derivação de plena potência.

(42)

Informações Técnicas DT-11 Derivação su perior: Derivação cujo fator de derivação é maior do que 1.

Derivação inferior: Derivação cujo fator de derivação é menor do que 1.

Degrau de derivação: Diferença entre os fatores de derivação, expressos em percentagem, de duas derivações adjacentes.

Faixa de derivações: Faixa de derivação do fator de derivação, expresso em percentag em e referido ao valor 100. A faixa de derivações é expressa como segue:

a) se houver derivações superiores ou inferiores: + a %, - b % ou + a % (quando a = b);

b) se houver somente derivações superiores: + a %;

c) se houver somente derivações inferiores: - b %.

A Figura 2.1 é a representação esquemática de um enrolamento trifásico com três derivações e a forma de suas conexões.

Tabela 2.3

Posições do comutador 1 2 3

Comutador conecta os pontos

10-7 11-8 12-9 7-13 8-14 9-15 13-4 14-5 15-6 Tensão em cada derivação UN + a% UN UN - b%

Percentual de variação por degrau a

b Tabela 2.4 Classe Derivação Superior Derivação Principal Derivação Inferior Degrau de Derivação 15 13800 13200 12600 + 4,5 24,2 23100 22000 20900 + 5% 36,2 34500 33000 31500 + 4,5

(43)

Informações Técnicas DT-11 2.4. CORRENTES

2.4.1. Corrente Nominal

A corrente nominal (In) é a corrente para a qual o enrolamento foi dimensionado, e

cujo valor é obtido dividindo-se, a potência nominal do enrolamento pela sua tensão nominal e pelo fator de fase aplicável (1 para transformadores monofásicos e 3 para transformadores trifásicos).

2.4.2. Corrente de Excitação

A corrente de excitação ou a vazio (Io) é a corrente de linha que surge quando em um

dos enrolamentos do transformador é ligada a sua tensão nominal e freqüência nominal, enquanto os terminais do outro enrol amento (secundário) sem carga, apresentam a tensão nominal.

A corrente de excitação é variável conforme o projeto e tamanho do transformador, atingindo valores percentuais mais altos quanto menor for a potência do mesmo.

A corrente de excitação, conforme Figura 2.2 apresenta as suas componentes ativa e reativa, que se determinam pelas seguintes expressões:

Figura 2.2 0 0 sen cos Ø I I Ø I I o q o p ⋅ = ⋅ = 2.3

(44)

Informações Técnicas DT-11 sendo: o o I V P Ø ⋅ = cos 2.4

A componente reativa originada pela magnetização representa mais que 95% da corrente total, de forma que uma igualdade de Iq com lo leva somente a um pequeno

erro.

Em transformadores trifásicos normais, Io não é idêntico nas três fases, em virtude do

caminho mais longo no ferro, relativo às fases externas. Por isso Io referente a fase

central é menor que das outras.

Devido ao fato acima, o valor de Io fornecido pelo fabricante, representa a média da s

três fases e é expresso em porcentagem da corrente nominal.

2.4.3. Corrente de Curto-Circuito

Em um curto -circuito no transformador, é preciso distinguir a c orrente permanente (valor efetivo) e a corrente de pico (valor de crista).

2.4.3.1. Corrente de curto -circuito permanente

Quando o transformador, alimentado no primário pela sua tensão e freqüência nominal e o secundário estiver curto-circuitado nas três fases, haverá uma corrente de curto-circuito permanente, que se calcula pela seguinte expressão:

100 (%) ) ( = ⋅ Z N CA cc E I I 2.5 onde: IN = corrente nominal Ez = impedância a 75°C (%)

(45)

A intensidade e a duração máxima da corrente de curto, que deve suportar o transformador, são normalizadas.

A duração da corrente de curto -circuito simétrica, a ser utilizada no cálculo da capacidade térmica de suportar curto -circuitos, é 2s, salvo especificação diferente.

Para autotransformadores e transformadores com correntes de curto-circuito superior a 25 vezes a corrente nominal, pode ser adotada uma duração de corrente de curto-circuito inferior a 2s, mediante acordo entre fabricante e comprador.

2.4.3.2. Corrente de curto -circuito de pico

Entende-se como corrente de curto-circuito de pico, o valor máximo instantâneo da onda de corrente, após a ocorrência do curto-circuito.

Esta corrente provoca esforços mecânicos elevados e é necessário que os enrolamentos estejam muito bem ancorados por cuidadosa disposição de cabos e amarrações para tornar o conjunto rígido.

Enquanto a corrente de pico afeta o transformador em sua estrutura mecânica, a corrente permanente afeta de forma térmica.

Os esforços mecânicos advindos da corrente de curto são mais acentuados em transformadores de ligação zig-zag, porque somente a metade de cada enrolamento de fase é percorrido pela corrente induzida de outra fase.

2.4.4. Corrente de Partida ou Inrush

É o valor máximo da corrente de excitação (Io) no momento em que o transformador é

conectado à linha (energizado). Ela depende das c aracterísticas construtivas do mesmo.

(46)

A corrente de partida é maior quanto maior for a indução usada no núcleo e maior quanto menor for o transformador. O valor máximo varia em média de 4 a 20 vezes a corrente nominal.

O fabricante deverá ser consultado para se saber o seu valor. Costuma-se admitir seu tempo de duração em torno de 0,1s (após a qual a mesma já desapareceu).

2.5. FREQUÊNCIA NOMINAL

Freqüência nominal é a freqüência da rede elétrica de alimentação para a qual o transformador foi projetado.

No Brasil todas as redes apresent am a freqüência de 60Hz, de forma que os equipamentos elétricos são projetados para esta mesma freqüência. Existem muitos países onde a freqüência nominal padrão é 50HZ, como Argentina, Uruguai, Paraguai, etc.

2.6. NÍVEL DE ISOLAEMENTO

O nível de isolamento dos enrolamentos deve ser escolhido entre os valores indicad os na Tabela 2.5 (NBR 5356).

A escolha entre as tensões suportáveis nominais, ligadas à dada tensão máxima do equipamento da tabela acima, depende da severidade das condições de sobretensão esperadas no sistema e da importância da instalação.

Na NBR 6939, os valores escolhidos devem ser claramente indicados na especificação ou solicitação de oferta.

(47)

Tabela 2.5 - Níveis de isolamento para tensão máxima igual ou inferior a 242kV

Tensão máxima do equipamento

kV ( eficaz)

Tensão suportável nominal de impulso atmosférico Pleno

kV ( crista)

Cortado kV ( crista)

Tensão suportável nominal à freqüência industral, durante 1 min. e tensão induzi da

kV ( eficaz) 1 0,6 1,2 7,2 15 24,2 36,2 72,5 92,4 145 242 2 40 60 95 110 125 150 150 170 200 350 380 450 450 550 650 750 850 950 3 44 66 105 121 138 165 165 187 220 385 418 495 495 605 715 825 935 1045 4 4 10 20 34 50 70 140 150 185 185 230 275 325 360 395 2.7. DESLOCAMENTO ANGULAR

Em transformadores trifásicos, os enrolamentos de cada fase são construídos trazendo intrinsecamente o conceito de polaridade, isto é, isolando-se eletricamente cada uma das fases, podemos realizar o teste de polaridade do mesmo modo que para os transformadores monofásicos. No entanto tal procedimento torna -se pouco prático, além do mais, não nos informa a maneira como estão interligados os enrolamentos.

Assim uma nova grandeza foi introduzida, o “deslocamento angular” que é o ângulo que define a posição recíproca entre o triângulo das tensões concatenadas primárias e o triângulo das tensões concatenadas secundárias e será medido entre fases.

(48)

De uma maneira prática: seja o tr ansformador ligado na configuração mostrada na Figura 2.3.

Figura 2.3

Traçamos os diagramas vetoriais de tensão do transformador, Figura 2.4. Tomando o fasor de AT como origem, determinamos o deslocamento angular através dos ponteiros de um relógio cujo ponteiro grande (minutos ) se acha parado em 12 coincide com o fasor da tensão entre o ponto neutro (real ou imaginário) e um terminal de linha do enrolamento de alta tensão e cujo ponteiro pequeno (horas) coincide com o fasor da tensão entre o ponto neutro (real ou imaginário e o terminal de linha correspondente do enrolamento considerado).

H1 H3 H2 X1 X2 X3 Figura 2.4

Para os transformadores de que tratamos nesta especificação, o mais comum é a utilização da ligação triângulo na alta t ensão e estrela na baixa (designado por Dy).

(49)

Quando ao deslocamento angular, o normal é de 30° para mais ou menos (avanço ou atraso), cujas designações são Dy11 e Dy1.

As demais ligações e deslocamentos angulares não requerem nenhum cuidado especial e podem ser facilmente fornecidas.

A Tabela 2.6 mostra designação de ligações de transformadores trifásicos de uso generalizado, e o correspondente deslocamento angular.

Os diagramas de ligação pressupõem igual sentido de bobinagem para tod os os enrolamentos.

A Figura 2.5 mostra o defasamento do exemplo, usando indicação horária de fasores, o deslocamento no caso é Dy5, ou seja, 150°.

(50)

Informações Técnicas DT-11 Tabela 2.6 – Deslocamento angular

(51)

Informações Técnicas DT-11 Tabela 2.6 – Deslocamento angular (continuação)

2.8. IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS

Junto aos terminais (buchas) encontramos uma identificação, pintada, ou marcada em baixo relevo na chapa do tanque, constituída de uma letra e um algarismo. As letras

(52)

poderão ser duas, H ou X. Os terminais marcados em H são os de alta tensão e os marcados com X são de baixa tensão. Os algarismos poderão ser 0, 1, 2 e 3 correspondendo, respectivamente, ao terminal de neutro e ao das fases, 1, 2 e 3. Portanto, as combi nações possíveis são H0, H1, H2, H3 e X0, X1, X2 X3.

A disposição dos terminais no tanque é normalizada, de tal forma, que se olharmos o transformador pelo lado de baixa tensão, encontraremos mais a esquerda um terminal X acompanhado de menor algarismo daqueles que identificam este enrolamento (por exemplo: X0 ou X1). Consequentemente, ao olharmos o transformador pelo lado da alta tensão, encontraremos o terminal H1 mais a direita.

Para uma melhor compreensão, observe as Figuras 2.6 a 2.10. Nestas figuras encontramos também o esquema de ligação dos transformadores à rede de alimentação e à carga.

Na Figura 2.11 encontramos a título de ilustração, t ransformadores monofásicos ligados em banco, de modo a formar um equivalente trifásico. Este tipo de ligação apresenta a vantagem da manutenção e operação, quando danificar uma fase, basta trocar um dos transformadores por um de reserva, com menor tempo de parada, caso existir o de reserva à disposição. Porém, a des vantagem está no capital inicial empregado em 3 ou 4 transformadores monofásicos ao invés de 2 transformadores trifásicos de potência equivalente a custo menor.

X1 X2

H1

Figura 2.6 – Transformador monofásico FN (1 Bucha de AT e 2 Buchas de BT)

(53)

H1

X1

X2 X3

Figura 2.7 – Transformador monofásico FN (1 Bucha de AT e 3 Buchas de BT)

H1

X1 X2

H2

Figura 2.8 – Transformador monofásico FF (2 Buchas de AT e 2 Buchas de BT)

(54)

Informações Técnicas DT-11 H1 X1 H2 X2 X3

Figura 2.9 – Tra nsformador monofásico FF (2 Buchas de AT e 3 Buchas de BT)

Figura 2.10 – Transformador trifásico FF (3 Buchas de AT e 4 Buchas de BT)

(55)

(56)

3. SELEÇÃO DOS TRANSFORMADORES

3.1. DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA DO TRANSFORMADOR

No projeto de uma instalação elétrica, os crit érios de dimensionamento dos equipamentos e condutores assumem uma importância vital, uma vez que envolvem os dois principais fatores que estão na base do projeto, ou seja, a funcionalidade e o custo.

É evidente que um projeto superdimensionado pode também ser funcional, uma vez que não venha superar certos limites, além dos quais podem sobrevir efeitos negativos, porém o custo resultante não pode ser justificado.

Portanto, é necessário chegar a estabelecer um ponto de interseção entre funcionalidade e custo, de tal modo que satisfaça a parte técnica e a econômica, tendo presente que um bom técnico, é aquele que consegue projetar ou construir uma instalação completamente funcional de maneira econômica.

No que diz respeito aos transformadores, onde se quer chegar a um valor de potência, de um ou mais deles, a serem instalados, se faz necessário que o projetista tenha em mente claramente o conceito de fator de demanda, de modo que, partindo dos valores de potência dos equipamentos alimentados pelo transformador, possa chegar a estabelecer, com conhecimento de causa, o valor de demanda máxima (ou da potência de alimentação) absorvível pela planta, e, portanto, definir de modo econômico, o dimensionamento dos transformadores.

3.2. FATOR DE DEMANDA (d)

Entende-se por fator de demanda ( d) como a razão da demanda máxima total (Dmt) da

instalação para a respectiva potência instalada ( Pt) e é definido para um ponto de

(57)

Informações Técnicas DT-11 T MT P D d = 3.1

Podemos determinar qual a potência do transformador através de Dmt, sendo

conhecida a potência instalada.

3.2.1. Determin ação da Demanda Máxima de um Grupo de Motores

Dado um grupo de n motores (com n maior ou igual a 10) de diversas potências. Procedemos da seguinte maneira:

a) Determina-se a pot ência nominal de cada motor em kVA

1000 3 I V Pnom ⋅ ⋅ = [kVA] 3.2 sendo:

Pnom = pot ência nominal de cada motor

I = corrente absorvida pelo motor em A (retirada pelo catálogo do fabricante) V = tensã o de alimentação dos motores

b) Determina-se a potência instalada: a potência instalada (Pinst) será o somatório

das potências nominais de cada motor.

c) Determina-se o número de motores n’ cujas potências nominais, calculadas pelo item 1 sejam maiores ou iguais que a metade da potência nominal do maior motor. d) Calculam-se as relações: n n N ' = 3.3 inst inst P P P ' = 3.4

(58)

sendo:

n’ = so matória dos motores n = número total de motores

Pinst = potência instalada dos n’ motores

e) Com N e P iremos a Tabela 3.4 obtendo o fator de demanda (G) para a instalação.

f) Calcula-se a demanda máxima por:

inst P G

DM = ⋅ 3.5

Obs.: Este critério apresentado é empírico, pois dependendo da instalação todos os motores operarão juntos, o que nos dará um G = 1.

Considera-se sempre como 100% a demanda do maior motor, ou dependendo dos maiores motores.

Exemplo: Determinar a demanda máxima do grupo de motores indicados na Tabela 3.1:

Tabela 3.1

I II III

No. cv kVA Pinst [kVA]

2 75 72,40 144,8 5 30 28,58 142,9 8 15 16,39 131,1 20 5 5,72 114,4 30 1,5 2,13 64,0 65 597,2 Na tabela obtemos: n = 65 Pinst = 597,2

(59)

Consideramos o maior motor com demanda de 100% (kVA), sendo o valor dividido por dois. Para determinar n’ o número de motores cujas as potências, sejam maiores ou iguais que a metade da potênc ia nominal do maior motor.

kVA 2 , 36 2 40 , 72 = Será: n’ = 8+5 = 13

Aos quais corresponde uma potência instalada:

P’inst = 142,9 + 131,1 = 274kVA Calculamos as relações: 2 , 0 65 13 ' = = = n n N 458 , 0 2 , 597 274 ' = = inst inst P P P

Na Tabela 3.4 com N = 0,2 e P = 0,50 obteremos:

G = 0,64

A demanda máxima será:

(

)

[

]

kVA DM DM 3 , 434 8 , 144 8 , 144 2 , 597 64 , 0 = + − × =

(60)

Informações Técnicas DT-11 3.2.2. Determinação da Demanda Máxima da Instalação

Com o auxílio das tabelas 3.2, 3.3, 3.4, 3.8 e da fórmula a seguir, pode-se calcular a demanda máxima da instalação, que por sua vez definirá a potência do transformador:

Dmt = A + B + C + D + E

sendo:

A = manda da potência para iluminação e tomadas, conforme Tabela 3.7. B = emanda de todos os aparelhos de aquecimento (chuveiros, aquecedores, fornos, fogões, etc.) calculada conforme Tabela 3.8 onde se deve diversificar a demanda por tipo de aparelho.

C = demanda de aparelhos de ar condicionado calculado conforme Tabela 3.2. D = demanda dos motores elétricos conforme item 3. 2.1.

E = demanda individual das máquinas de solda a t ransformador, calculada conforme Tabela 3.3.

Em todos os casos, no cálculo da demanda, o fator de potência e o rendimento devem ser considerados.

3.3. CONSIDERAÇÕES SOB RE O USO DAS TABELAS

Os valores encontrados nas tabelas devem ser compreendidos como referidos aos casos mais freqüentes e devem ser usados quando na falta de algum dado informativo.

É natural que o técnico, antes de recorrer às tabelas, se informe sobre os ciclos usuais de funcionamento e faça quanto mais possível, com que se aproximem os valores dos fatores com a realidade do caso que deve resolver.

(61)

3.4. CRITÉRIOS DE ESCOLHA DOS TRANSFORMADORES COM BASE NO VALOR OBTIDO NA DEMANDA

Uma vez descoberto o valor da demanda absorvida pela instalação, devemos escolher o transformador ou os transformadores a serem instalados. Os principais critérios de escolha são:

a) eventuais aumentos de potência instalada; b) conveniência da subdivisão em mais unidades; c) potência nominal normalizada.

Tabela 3.2 - Fatores de demanda de condicionadores de ar

Número de Aparelhos Fator de Demanda [%]

1 a 10 100 11 a 20 86 21 a 30 80 31 a 40 78 41 a 50 75 51 a 75 70 76 a 100 65 Acima de 100 60

Tabela 3.3 - Demanda individual das máquinas de solda a transformador

Solda a Arco

Número de Aparelhos Fator de Demanda [%]

1º e 2º maior aparelho 100

3º aparelho 85

4º aparelho 70

soma dos demais aparelhos 60 solda à resistênci a

maior aparelho 100

(62)

Informações Técnicas DT-11 Tabela de motores IP54, IP(W) 55 e químico - divisão II

* Vide catálogo de motores trifásicos.

Tabela 3.4 - Fatores de demanda de grupos de motores

P N 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 0,005 0,34 0,18 0,11 0,073 0,051 0,039 0,030 0,024 0,019 0,016 0,013 0,011 0,010 0,009 0,007 0,007 0,006 0,005 0,005 0,01 0,52 0,32 0,20 0,14 0,10 0,076 0,059 0,047 0,037 0,031 0,026 0,023 0,019 0,017 0,015 0,013 0,012 0,011 0,009 0,02 0,71 0,51 0,36 0,26 0,19 0,14 ,011 0,09 0,07 0,06 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03 0,02 0,02 0,02 0,03 0,81 0,64 0,48 0,36 0,27 0,21 0,16 0,13 0,11 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,04 0,04 0,03 0,03 0,04 0,86 0,72 0,57 0,44 0,34 0,27 0,22 0,18 0,15 0,12 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,05 0,04 0,04 0,05 0,90 0,79 0,64 0,51 0,41 0,33 0,26 0,22 0,18 0,15 0,13 0,11 0,10 0,08 0,07 0,07 0,06 0,05 0,05 0,06 0,92 0,83 0,70 0,58 ,047 ,038 ,031 0,26 0,21 0,18 0,15 0,13 0,12 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,06 0,08 0,94 0,89 0,79 0,68 0,57 0,48 0,40 0,33 0,28 0,24 0,20 0,17 0,15 0,13 0,12 0,11 0,09 0,08 0,08 0,10 0,95 0,92 0,85 0,76 0,66 0,56 0,47 0,40 0,34 0,29 0,25 0,22 0,19 0,17 0,15 0,13 0,12 0,10 0,09 0,15 0,95 0,93 0,88 0,86 0,72 0,67 0,56 0,48 0,42 0,37 0,32 0,28 0,25 0,23 0,20 0,17 0,16 0,14 0,20 0,95 0,93 0,89 0,83 0,76 0,69 0,64 0,54 0,47 0,42 0,37 0,33 0,29 0,26 0,23 0,21 0,19 0,25 0,95 0,93 0,90 0,85 0,78 0,71 0,64 0,57 0,51 0,45 0,41 0,36 0,32 0,29 0,26 0,24 0,30 0,95 0,94 0,90 0,86 0,80 0,73 0,66 0,60 0,53 0,48 0,43 0,39 0,35 0,32 0,29 0,35 0,95 0,94 0,91 0,86 0,81 0,74 0,68 0,62 0,56 0,50 0,45 0,41 0,37 0,33 0,40 0,95 0,93 0,91 0,86 0,81 0,75 0,69 0,63 0,57 0,52 0,47 0,42 0,38 0,45 0,95 0,93 0,91 0,87 0,81 0,76 0,70 0,64 0,58 0,52 0,47 0,43 0,50 0,95 0,94 0,91 0,87 0,82 0,76 0,70 0,64 0,58 0,53 0,48 0,55 0,95 0,94 0,91 0,87 0,82 0,75 0,69 0,63 0,57 0,52 0,60 0,95 0,94 0,91 0,87 0,81 0,75 0,69 0,63 0,57 0,65 0,95 0,94 0,91 0,86 0,81 0,74 0,68 0,62 0,70 0,95 0,94 0,90 0,86 0,80 0,73 0,66 0,75 0,95 0,93 0,90 0,83 0,78 0,71 0,80 0,95 0,94 0,89 0,83 0,76 0,85 0,95 0,93 0,88 0,80 0,90 0,95 0,92 0,85 1,0 0,95

(63)

Informações Técnicas DT-11 Tabela 3.5 - Valores nominais típicos de aparelhos elétricos

(Tensão Nominal 220V)

APARELHO POTÊNCIAS NORMAIS TÍPICAS

Aquecedor de água central (Boiler)

- de 50 a 100 litros 1.000W

- de 150 a 200 litros 1250W

- 250 litros 1.500W

- de 300 a 350 litros 2.000W

- 400 litros 2.500W

Aquecedor de água local 4.000 a 8.000W

Aquecedor portátil de ambiente 700 a 1.300W

Aspirador de pó 250 a 800W Barbeador 8 a 12 W Batedeira 70 a 250W Cafeteira 1.000W Chuveiro 3.000 a 5.300W Cobertor 150 a 200W Condicionad or de ar - 3/4cv 1.200VA - 1 1/2cv 2.400VA

- central (residenci al) 5.000VA

Congel ador (freezer) 350 a 500VA

Copiadora (tipo xerox) 1.500 a 6.500VA

Exaustor de ar (para cozinha) 300 a 500VA

Ferro de passar roupa 400 a 1650W

Fogão residencial 4.000 a 12.000W

Forno residencial 4.500W

Forno de microondas (residen cial) 1.200W

Geladei ra (residen cial) 150 a 400VA

Lavadora de pratos (residencial) 1.200 a 2.800VA Lavadora de roupas (residencia l) 750 a 1.200VA