O Sistema de Isolamento de um Transformador de Potência [Parte 2]

O ISOLAMENTO SÓLIDO

O papel Kraft é utilizado na forma de finas camadas envolvendo os enrolamentos ou na forma de espaçadores e tubos de alta densidade para promover o isolamento elétrico entre níveis de tensão e entre fases. Dependendo da tensão, da solicitação térmica ou mecânica, da característica de cada tipo de equipamento ou de suas partes, pode-se também utilizar papel impregnado com óleo ou com resina; materiais cerâmicos ou poliméricos; madeira laminada e vernizes compatíveis com o óleo.

Papel Kraft

Mesmo sendo, o papel Kraft, o mais utilizado no isolamento elétrico de transformadores de potência; quando se deseja resistência a altas temperaturas, emprega-se papel termo-estabilizado, que é um papel cuja celulose sofre um tratamento térmico especial. O Papel Nomex (poliamida) também pode ser utilizado como espaçador de bobinas, isolante de terminais, dentre outras aplicações, suportando temperaturas na ordem de 180 ºC a 200 ºC [Du Pont, 2002].

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O isolamento sólido mais utilizado é, portanto, um papel formado por longas fibras, cujos principais constituintes são as moléculas da celulose e a hemicelulose, embora ainda se encontre, em pequenas quantidades, a lignina. As ligninas são polímeros aromáticos complexos e as hemiceluloses são polissacarídeos ligados à celulose através de ligações de hidrogênio.

Isolamento sólido em transformadores

A madeira é constituída principalmente de fibras celulósicas aderidas umas às outras através da lignina. Para separar estas fibras, durante a fabricação do papel, a celulose é quimicamente tratada para reduzir ou remover a lignina e as pentoses (hemiceluloses) a ela associadas, convertendo a madeira em polpa.

Para a obtenção da polpa, há três processos: 

• Processo Mecânico – gera a polpa termo-mecânica (por prensagem da madeira presença de água e vapor d’água) e polpa termoquimimecânica (quando envolve o tratamento com reagentes químicos para a separação entre as fibras celulósicas e a lignina). Polpas mecânicas podem ser usadas, por exemplo, para a fabricação de papel jornal.
• Processo Químico – gera a polpa química (normalmente chamado de processo Kraft, do alemão: "forte"). Neste processo, os cavacos de madeira são processados em digestores por aquecimento na presença de substâncias químicas a alta pressão. A polpa química gera um papel muito resistente que pode ser usado, por exemplo, na fabricação de bolsas de supermercado.
• Processo por Reciclagem – gera a polpa reciclada por trituração da mistura e aparas de papel e água, em “pulpers” (grandes liquidificadores). A polpa reciclada é usada freqüentemente na fabricação de papel cartão, papel jornal como também outros tipos de papel para uso industrial e residencial como: papel higiênico, toalhas, lenços e guardanapos [celuloseonline 228, 2004].

Na fabricação de papel isolante é utilizado o processo Kraft, no qual a madeira é tratada com uma mistura de hidróxido de sódio e sulfato de sódio. Depois do tratamento, a composição química do papel é cerca de 89% celulose, 7 a 8% de pentoses e 3 a 4% de lignina.

O papel Kraft impregnado com óleo isolante, limpo e seco, é um dos melhores sistemas de isolamento conhecidos pelos fabricantes de transformadores, sendo empregado para dar rigidez mecânica e elétrica.

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Esses materiais têm elevada resistência de isolamento quando secos (0,5% a 1% de umidade) e são altamente higroscópicos.

O papel Kraft é muito poroso, estimando-se que contenha de 80% a 95% de ar. Ele absorve cerca de 10% do volume de óleo colocado no tanque do transformador.

No próximo artigo vamos discutir sobre os processos de envelhecimento do isolamento líquido e sólido em um transformador. Fique ligado! 

O Sistema de Isolamento de um Transformador de Potência [Parte 1]

Esta será uma série de 5 artigos, aonde iremos apresentar as características do isolamento óleo/papel em transformadores de potência. Os artigos serão divididos da seguinte forma:

1- Introdução / O Óleo Isolante

2- O Isolamento Sólido

3- Os processos de envelhecimento do isolamento – Parte 1

4- Os processos de envelhecimento do isolamento – Parte 2

5- Equipamentos para Secagem de Transformadores e Óleo Isolante

INTRODUÇÃO

Os transformadores de potência são um dos elementos mais importantes dentro de um sistema elétrico de potência. A saída de operação de um transformador pode provocar a paralisação de uma boa parte do sistema, acarretando prejuízos de grande monta à sociedade.

Os transformadores de potência são constituídos basicamente de um núcleo com bobinas de cobre isoladas por papéis especiais e preenchidos com óleo isolante.

O sistema de isolamento elétrico de um transformador consiste em um isolante líquido e um isolante sólido. O líquido geralmente é o óleo mineral isolante e o sólido é o papel isolante do tipo Kraft (papel Kraft, papelão Kraft, papel manilha e papelão com fibra de algodão).

Esse sistema de isolamento de transformadores que associa o óleo mineral isolante e o papel isolante é o conjunto utilizado em 95% da quantidade total de equipamentos. Apesar dos recentes avanços na área de materiais sintéticos que, à primeira vista, deveriam (ou poderiam) substituir o conjunto papel-óleo, que vem sendo utilizados desde 1890, a permanência de sua utilização deve-se às excelentes características deste conjunto, face às solicitações elétricas, mecânicas e térmicas no transformador de potência.

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No sistema de isolamento elétrico de um transformador de potência, o óleo flui através do transformador, podendo ser facilmente acessado, substituído ou recondicionado, de forma a manter valores de umidade o mais baixo possível. 

O ÓLEO ISOLANTE

O óleo isolante mineral é um hidrocarboneto obtido do refino do petróleo a uma fração de 300 °C a 400 °C, composto por cadeias com 19 a 23 átomos de carbono, podendo ser predominantemente naftênico, tipo A (estrutura em anéis), ou parafínico, tipo B (estrutura linear). Este óleo é utilizado como isolante elétrico e refrigerante térmico (troca de calor por convecção) dentro de equipamentos elétricos de potência. Os transformadores existentes nas redes elétricas aéreas de todo o Brasil, bem como outros equipamentos existentes dentro das subestações de energia utilizam este tipo de substância. Calcula-se que 95% dos equipamentos presentes na planta das empresas distribuidoras de energia elétrica no Brasil utilizam óleo isolante mineral. 

Os hidrocarbonetos, que constituem a maior parte do óleo, podem ser divididos em três grupos:

1. hidrocarbonetos parafínicos: compostos por hidrocarbonetos saturados de cadeia aberta, linear ou ramificada;
2. hidrocarbonetos naftênicos: compostos por hidrocarbonetos saturados de cadeia fechada, contendo de um a seis anéis, sendo que estes podem possuir uma ou mais cadeias laterais lineares ou ramificadas;
3. hidrocarbonetos aromáticos: compostos por hidrocarbonetos contendo um ou mais anéis aromáticos, podendo ou não apresentar cadeias laterais [Lipstein, 1970].

Estes óleos devem ser altamente estáveis, ter baixa viscosidade, pois, além de sua função dielétrica de impregnação, devem também transmitir o calor. Este é um dos problemas típicos do transformador, onde o óleo transfere para as paredes do tanque o calor gerado nos enrolamentos. O ponto de chama varia de 130 ºC a 145 ºC. Ao lado do fator de perdas, também a rigidez dielétrica ou a tensão de ruptura são fatores importantes.

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Os hidrocarbonetos que constituem o óleo isolante são pouco ativos quimicamente. Isto se faz necessário para que o óleo não ataque os demais materiais dos equipamentos eletro-mecânicos que entram em contato com o mesmo. Como, entretanto, os hidrocarbonetos saturados apresentam pouca resistência à degradação em presença de oxigênio e calor, uma parcela de hidrocarbonetos não saturados, da família dos aromáticos, é também constituinte do óleo isolante, conferindo-lhe maior estabilidade, ou seja, maior vida útil e melhor desempenho nos equipamentos.

O óleo possui também compostos orgânicos de enxofre termicamente estáveis que são inibidores naturais do processo de oxidação e, conseqüentemente, do envelhecimento.

A função do óleo mineral isolante em um transformador é propiciar isolamento elétrico entre as diversas partes do circuito e permitir a transferência de calor (refrigeração) entre suas partes componentes (bobinas e núcleo). 

Como isolante elétrico, o mesmo substitui o ar entre as partes ativas, preenchendo todos os espaços vazios, oferecendo alta rigidez dielétrica com baixa condutividade.

Próximo artigo: O Isolamento Sólido

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A História da Eletricidade - BBC - Legendado HD

Gostaríamos de trazer a todos o nossos leitores esse excelente documentário da BBC. É obrigatório para os amantes da eletricidade!

Legenda: Para adicionar legenda clique no ícone legendas na barra de opções do vídeo, selecione "ativo", após selecione traduzir legenda e encontre o idioma "Português".

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Documentário da BBC onde o professor Jim Al-Khalili conta a eletrizante história de nossa busca para dominar a força mais misteriosa da natureza -- a eletricidade. Até relativamente pouco tempo atrás, a eletricidade era vista como mágica, mas hoje é a alma do mundo moderno e alicerça todos os nossos avanços tecnológicos. Este primeiro episódio conta a história dos primeiros "filósofos naturais" que começaram a revelar os mistérios da eletricidade. Eles estudaram sua misteriosa ligação com a vida, criaram instrumentos poderosos e estranhos para criá-la e até dominaram o próprio raio. Foram esses homens que estabeleceram as bases do mundo moderno.

Episódio 01 - Faísca:
Este primeiro episódio conta a história dos primeiros "filósofos naturais" que começaram a revelar os mistérios da eletricidade. Eles estudaram sua misteriosa ligação com a vida, criaram instrumentos poderosos e estranhos para criá-la e até dominaram o próprio raio. Foram esses homens que estabeleceram as bases do mundo moderno.

Episódio 02 - A Era da Invenção:

Há menos de 200 anos, os cientistas descobriram algo profundo, que a eletricidade está ligada a outra das forças mais fundamentais da natureza -- o magnetismo. No segundo episódio, Jim descobre como o domínio do elo entre o magnetismo e a eletricidade mudaria completamente o mundo, nos possibilitando gerar uma quantidade aparentemente ilimitada de energia elétrica que podíamos usar para impulsionar máquinas, comunicar-se através dos continentes e iluminar nossas casas. Esta é a história de como cientistas e engenheiros desvendaram a natureza da eletricidade em um século extraordinário de inovação e invenção.

Episódio 03 -- Revelações e Revoluções:

A eletricidade não é apenas algo que produz calor e luz, ela conecta o mundo através de redes e radiodifusão. Após séculos de experiências com a eletricidade, o último episódio conta a história de como uma nova era de conhecimento surgiu -- como descobrimos os campos elétricos e as ondas eletromagnéticas. Hoje, não conseguimos imaginar o mundo sem eletricidade -- ela define nossa era. À medida que nosso conhecimento sobre ela aumentou, igualmente cresceu nossa dependência dela, e hoje estamos prestes a fazer um novo avanço, pois se pudermos entender o segredo da supercondutividade, poderemos, mais uma vez, transformar o mundo.

Requisitos para Instalação e Ventilação de Transformadores à Seco

Transformadores do tipo seco devem ser instalados sobre bases devidamente niveladas e capazes de suportar o seu peso.

Quando o transformador for equipado com rodas, certifique-se que o equipamento será apoiado igualmente em seus pontos-base, a fim de assegurar sua estabilidade e evitar qualquer deformação.

Ao instalar o transformador, os seguintes fatores devem ser cuidadosamente levados em conta:

1. Deve haver um espaçamento mínimo de 0,5 m entre um transformador e outro, e entre o transformador e toda a parede adjacente, a fim de facilitar o acesso para inspeção e ventilação, dependendo, no entanto, das dimensões de projeto e das tensões envolvidas;
2. A sala onde o transformador será instalado deve ser bem ventilada, assegurando uma ventilação natural adequada, uma vez que este é um parâmetro essencial para o bom desempenho do transformador a seco.

É importante que as entradas de ar estejam localizadas na parte frontal do transformador, perto da parte inferior, e as saídas de ar na parte de trás do transformador, com aberturas suficientemente grandes para permitir uma circulação de aprox. 2,5 metros cúbicos de ar por minuto / kW de perda . (Veja o exemplo de cálculo abaixo).

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Uma ventilação adequada na sala de transformador irá lhe conceder a vida útil esperada, seja em operação de regime contínuo ou com sobrecargas momentâneas.

Fig. 1 - Exemplo de ventilação natural

Como muitas vezes a ventilação natural não é suficiente, os ventiladores podem ser instalados para aumentar o fluxo de ar na sala de acordo com a Figura 2, ou, de preferência, adotar a refrigeração com AC na sala onde o transformador irá operar.

Exaustor Industrial Axial - Ex: 315 m³/h

Atenção!  Se a sala tiver ar-condicionado, certifique-se que não irá incidir diretamente sobre o transformador, caso contrário, poderá ocorrer condensação de água sobre ele podendo resultar na queima do transformador.

Fig. 2 - Sala com ventilação forçada

Para calcular o tamanho aproximado das aberturas, ou o fluxo de ar necessário, a seguinte expressão para  a sala pode ser utilizada, considerando-se uma diferença de 15°C entre o ar de entrada e saída.

onde:

Pt = perdas totais do transformador a 115°C [kW] 

S = superfície inferior abertura [m²] 

S' = superfície abertura superior [m²] 

H = distância medida entre o meio da altura do transformador e o meio da a abertura superior para a saída de ar [m] 

V = volume de ar de arrefecimento [m³/min]

Tabela de perdas típicas de Trafos a óleo e a secos

Exemplo: Instalação de dois transformadores do tipo seco 2.000 kVA

Perdas Totais Típicas para trafos de 2MVA à 115ºC = aprox. 27kW

Distância H entre o meio da altura do transformador e o meio da abertura de saída superior do ar: 1,5 m

A partir da área calculada, sabemos que a instalação de ventilação forçada na sala será necessária, pois desta forma as aberturas deverão ser muito grandes.

A vazão mínima dos  ventiladores será:

Aviso!  Se o transformador está equipado carenagem de proteção, não a substitua por outra, pois a ventilação poderá não ser adequada.

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Fonte:

http://electrical-engineering-portal.com

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Comparação de Tarifas de Energia Elétrica (Cenário Internacional)

A ABRADEE (Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica) realiza de forma periódica estudos para comparação internacional de tarifas do mundo todo. Através destes estudos é avaliado os principais fatores que influenciam na diferenciação de tarifas entre regiões e países, analisando os efeitos sobre os consumidores.

O estudo realizado pela ABRADEE apresentado aqui é referente as informações de preços de energia elétrica do final de 2012.

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Conforme cita a ABRADEE, o fornecimento de energia elétrica é um dos serviços públicos mais bem avaliados pela população e deve manter a tendência de melhoria contínua, mesmo com os desafios da universalização do acesso à energia e da modicidade tarifária.

Na Tabela abaixo podemos verificar o panorama do setor de distribuição de energia elétrica do Brasil, sendo 63 Concessionárias e 72,1 milhões de consumidores.

Dados 2012/2013

Cartilha ABRADEE – Edição 2013

Já para o gráfico abaixo é indicado a destinação dos recursos recolhidos na conta de luz, do total pago pelos consumidores 21% é destinado para a Distribuição, 43% para a geração e a Transmissão e 36% para pagar os Tributos e Encargos Setoriais. 

Cartilha ABRADEE – Edição 2013

Um gráfico interessante é o de variação de preços no Plano Real, de 1994 a 2012. Dentre todos os itens apresentados a Energia Elétrica é um dos itens que sofreu menos variação se comparado com o salário mínimo, transporte público ou até plano de saúde, 443,85%.

Cartilha ABRADEE – Edição 2013

Deslocamentos Angulares - Transformadores [Case]

Nesta semana tivemos a oportunidade de desvendar um pequeno problema que uma instaladora estava tendo durante a tentativa de alimentação de uma chave estática trifásica.

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O propósito da Chave Estática de Transferência em corrente Alternada (AC) é manter a carga crítica alimentada a partir de duas redes de alimentação, selecionando uma das redes como “prioritária” e transferindo a alimentação da carga crítica para a outra rede em caso falha ou variações de tensão da rede prioritária SEM INTERRUPÇÃO.

Diagrama Chave Estática

Esta chave estática precisa receber tensões sincronizadas entre as duas fontes de energia, para ela possa operar corretamente. Os requisitos das fontes devem atender basicamente os necessários para realizar o paralelo de transformadores. Níveis de tensões, sentido de rotação de fases e deslocamentos angulares  diferentes são suficientes para a chave estática não aceitar a sincronização.

O problema encontrado era que a chave estática, alimentada de cada lado por um transformador de baixa tensão delta-estrela, não aceitava a sincronização das fontes. A instaladora já havia checado os níveis de tensão e rotação de fases, e estava tudo aparentemente correto. Tentaram realizar diversas medições entre os terminais de mesma fase dos transformadores e sempre aparecia um valor considerável de tensão. Caso os transformadores estivessem corretamente preparados para o sincronismo, estas tensões deveriam dar muito próximas de zero.

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Já suspeitando que o grupo de ligação dos transformadores fossem diferentes, já que não eram do mesmo fabricante, verificamos o fechamento do delta e do estrela de ambos os trafos e descobrimos que um deles era deslocamento Dyn-1 e o outro Dyn-11, apesar de ambos estarem marcando nas suas respectivas placas Dyn-1. 

Esta defasagem angular entre os transformadores impede a sincronização da chave estática. Se estes transformadores fossem ligados em paralelo, teríamos um curto entre ambos.

Além da comprovação visual dos grupos de ligação diferentes, realizamos ainda uma medição com analisador de energia, comparando o defasamento angular entre a tensão de entrada e saída dos transformadores. Foi verificado que, apesar de ambos serem subtrativos, um possuía um deslocamento de +30º e outro de -30º (ou 330º).

Trafo Subtrativo - Dyn-1

Trafo Subtrativo - Dyn-11

Mas o que afinal é polaridade e grupo de ligação de um transformador trifásico? Vamos à teoria....