Aplicação de cargas em transformadores de potência - Procedimento - PDF
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Pedro Lucas Macedo Coimbra
1 JUL 1997 NBR 5416 Aplicação de cargas em transformadores de potência - Procedimento ABNT- Associação Brasileira de Normas Técnicas Sede: Rio de Janeiro Av. Treze de Maio,13/28 o andar CEP Caixa Postal 1680 Rio de Janeiro - RJ Tel.: PABX (021) telex: (021)) ABNT-BR Endereço Telegráfico: NORMA TÉCNICA CB Comitê Brasileiro de Eletricidade CE - 03: Comissão de Estudo de Aplicação de Cargas em Transformadores de Potência NBR Load application on power transformer - Procedure Descriptors: Loading, transformer, power transformer Esta Norma substitui a NBR 5416/1981 Copyright 1997 ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas Printed in Brazil / Impresso no Brasil Todos os direitos reservados Palavras-chave: carregamento, transformador, transformador de potência 91 páginas SUMÁRIO Prefácio 1 Objetivo 2 Referências normativas 3 Definições 4 Bases desta Norma 5 Procedimento 1 - Usuários que não dispõem de controle das condições operacionais 6 Procedimento 2 - Usuários que dispõem de controle das condições operacionais 7 Transformadores elevadores de usina
2 2 NBR 5416/197 ANEXOS A - Tabelas de características dos transformadores B - Tabelas de carregamento e exemplos de utilização C - Exemplo de cálculo da temperatura para transformadores de 2 enrolamentos (Seção 5) D - Exemplo de cálculo da temperatura para transformadores (Seção 6) E - Formação de bolhas nos transformadores em operação F - Bibliografia
3 NBR 5416/ Prefácio A ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas - é o Fórum Nacional de Normalização. As Normas Brasileiras, cujo conteúdo é de responsabilidade dos Comitês Brasileiros (CB) e Organismos de Normalização Setorial (ONS), são elaborados por Comissões de Estudo (CE), formadas por representantes dos setores envolvidos, delas fazendo parte: produtores, consumidores e neutros (universidades, laboratórios e outros). Os Projetos de Norma Brasileira, elaborados no âmbito dos CB e ONS, circulam para Votação Nacional entre os associados da ABNT e demais interessados. Esta revisão da Norma NBR 5416/81 foi elaborada pela CE - 03: Comissão de Estudo de Aplicação de Cargas em Transformadores de Potência, do CB Comitê Brasileiro de Eletricidade. Incorpora o Procedimento 2, descrito na seção 6, que não tem limitação de potência na sua aplicação, enquanto que a edição anterior da Norma abrangia somente transformadores com potência até 100 MVA. O Procedimento 1 corresponde basicamente ao estabelecido na edição anterior (1981) da Norma, com alterações nos limites de temperatura e de cargas máximas. Os anexos A,B,C,D e E (normativos) são parte integrante desta Norma. O anexo F é informativo. 1 Objetivo 1.1 Esta Norma fornece os procedimentos para a aplicação de cargas em transformadores e autotransformadores de potência, fabricados e ensaiados de acordo com a NBR 5356, e imersos em líquido isolante, com dois ou mais enrolamentos, trifásicos ou bancos com unidades monofásicas. Os procedimentos a serem seguidos dependem do controle, disponível ao usuário, das condições operacionais e se baseiam no envelhecimento da isolação dos enrolamentos. Para isto, a Norma estabelece dois procedimentos. Caso não sejam disponíveis dados de manutenção e operativos, deve-se utilizar o Procedimento 1, descrito na seção 5 desta Norma, que contempla transformadores com potência até 100 MVA. Caso estes dados sejam disponíveis, deve-se utilizar o Procedimento 2,descrito na seção 6, que não tem limitação de potência. 1.2 Esta Norma se aplica a transformadores e autotransformadores de: a) classe 55 o C: são aqueles cuja elevação da temperatura média dos enrolamentos, acima da ambiente, não excede 55 o C e cuja elevação de temperatura do ponto mais quente do enrolamento, acima da ambiente, não excede 65 o C; b) classe 65 o C: são aqueles cuja elevação da temperatura média dos enrolamentos, acima da ambiente, não excede 65 o C e cuja elevação de temperatura do ponto mais quente do enrolamento, acima da ambiente, não excede 80 o C. 1.3 Esta Norma não se aplica a transformadores de distribuição nem a transformadores subterrâneos. 1.4 Para transformadores e autotransformadores fabricados antes da vigência desta Norma, com até 100 MVA de potência trifásica, devem-se estabelecer limites específicos de cargas máximas admissíveis, compatíveis com o Procedimento 1 desta Norma. 2 Referências normativas As normas relacionadas a seguir contêm disposições que, ao serem citadas neste texto, constituem prescrições para esta Norma Brasileira. As edições indicadas estavam em vigor no momento desta publicação. Como toda norma está sujeita a revisão, recomenda-se àqueles que realizam acordos com base nesta que verifiquem a conveniência de se usarem as edições mais recentes das normas citadas a seguir. A ABNT possui a informação das Normas Nacionais em vigor em um dado momento. NBR 5356/ Transformadores de potência - Especificação NBR 5456/ Eletricidade geral - Terminologia
4 4 NBR 5416/197 NBR 5458/ Transformadores-Terminologia NBR 5460/ Sistemas elétricos de potência - Terminologia ASTM D 974/ Standard test method for acid and base number by color-indicator titration ASTM D 1348/ Standard test methods for moisture in cellulose 3 Definições Para os efeitos desta Norma, aplicam-se as definições de 3.1 a 3.4, complementadas pelas contidas nas NBR 5356, NBR 5456, NBR 5458 e NBR Carga: Corrente fornecida pelo transformador através do enrolamento considerado. 3.2 Carga nominal: Corrente nominal do enrolamento considerado. 3.3 Carregamento admissível: Capacidade de corrente admissível do transformador, em amperes, podendo ser, inclusive, superior à corrente nominal, desde que respeitados os limites estabelecidos nesta Norma. 3.4 Sobrecarga: Carregamento no qual são excedidos os limites estabelecidos nesta Norma.
5 4 Bases desta Norma 4.1 Expectativa de vida O sistema papel isolante é submetido a um processo contínuo de degradação por ação da água, oxigênio e ácidos presentes no óleo isolante. Mantendo-se sob controle a ação desses contaminantes, o envelhecimento da celulose é predominantemente térmico e cumulativo. Para os objetivos desta Norma, o envelhecimento está baseado na vida esperada do transformador, sob efeito da temperatura de operação da isolação ao longo do tempo A deterioração da isolação em função do tempo e da temperatura é fundamentada na teoria de Arrhenius, que estabelece que o logaritmo da vida da isolação é uma função do inverso da temperatura absoluta (ver Figura 1): onde: Log Vida (horas) = A + B/T (equação 1) T = temperatura absoluta em graus Kelvin (θe o C) θe = temperatura do ponto mais quente dos enrolamentos em o C A e B = constantes da curva de expectativa de vida Não há um critério único para a avaliação do fim da vida do transformador. Entretanto, é possível fazer-se uma avaliação da velocidade do envelhecimento adicional a que está sendo submetido o equipamento, comparando a perda de vida com uma taxa de perda de vida média de referência. Calcula-se a perda de vida, ao longo de um período de tempo Δt (horas), em que a temperatura do ponto mais quente do enrolamento (θe) permanece constante, pela equação: B θ PV%= 10 e + A. 100Δ t (equação 2) onde: A = -14,133 (transformador de 55 o C) A = -13,391 (transformador de 65 o C) B = 6 972,15 O valor obtido representa a taxa de envelhecimento global a que é submetida a isolação sólida, no intervalo de tempo Δt.
6 2 NBR 5416/197 Figura 1 - Curva de expectativa de vida
7 NBR 5416/ Temperatura ambiente A temperatura ambiente é um fator importante para a determinação da capacidade de carga do transformador, uma vez que a elevação de temperatura para qualquer carga deve ser acrescida à ambiente para se obter a temperatura de operação. Preferencialmente, utiliza-se a medição da temperatura ambiente real para se determinar a temperatura do ponto mais quente do enrolamento e a capacidade de carga do transformador. Entretanto, quando a temperatura real não estiver disponível, utiliza-se o histórico da temperatura ambiente, para determinado mês, obtido dos relatórios do serviço de meteorologia do Ministério da Agricultura, os quais fornecem a temperatura média mensal e a média das máximas temperaturas diárias para as várias regiões do país: a) temperatura média: usa-se a média, para o mês em questão, das temperaturas médias mensais obtidas no decorrer de vários anos; b) média das temperaturas máximas diárias: usa-se a média, para o mês em questão, das médias mensais das temperaturas máximas diárias obtidas no decorrer de vários anos. Esses resultados devem ser usados como segue: - para análise de carregamento em condição normal de operação, qualquer que seja o horizonte de análise, deve-se utilizar a alínea (a) como temperatura ambiente para o mês em questão; - para análise de carregamento em outras condições de operação, deve-se utilizar a alínea (b) como temperatura ambiente para o mês em questão. Para a determinação da temperatura provável (futura), onde as temperaturas média e/ou máxima possam ser superiores às definidas em (a) e (b), essas temperaturas devem ser acrescidas de 5 o C, uma vez que o envelhecimento em temperaturas mais altas que a média nem sempre é compensado pelo menor envelhecimento em temperaturas mais baixas que a média. Com essa margem, a temperatura obtida poderá ser excedida apenas em uns poucos dias por mês e, quando for excedida, a perda de vida adicional não será significativa. 4.3 Curto-circuito O fator determinante no envelhecimento térmico do transformador é a corrente de carga, não se levando em consideração as correntes de curto-circuito, às quais o transformador pode ser submetido. 4.4 Tensão Para os efeitos desta Norma, a tensão nos terminais do transformador não afeta os cálculos de elevação de temperatura nem os de expectativa de vida do equipamento, desde que respeitados os limites estabelecidos pela NBR Ciclo de carga Os transformadores, usualmente, operam em um ciclo de carga que se repete a cada 24 horas. Este ciclo de carga pode ser constante ou pode ter um ou mais picos durante o período de 24 horas. O ciclo de carga real pode ser convertido para um ciclo de carga equivalente, de formato retangular, pelo método dado em 5.6, para usuários do Procedimento 1, ou manter-se inalterado, para usuários do Procedimento Elevações de temperaturas do topo do óleo e do ponto mais quente do enrolamento Quando aplicado um ciclo de carga ao transformador, as temperaturas do topo do óleo e do ponto mais quente do enrolamento crescem e decrescem exponencialmente, conforme mostrado na Figura Limitações ao carregamento Nesta Norma, são admitidas cargas limites para as quais não devem existir quaisquer outras limitações, além das capacidades térmicas dos enrolamentos e do sistema de resfriamento.
8 4 NBR 5416/197 (a) ciclo genérico com dois níveis de carga; (b) elevação de temperatura do ponto mais quente do enrolamento sobre o ambiente; (c) elevação de temperatura do ponto mais quente do enrolamento sobre a temperatura do topo do óleo; (d) elevação de temperatura do topo do óleo sobre a temperatura ambiente Figura 2 - Ciclo genérico com dois níveis de carga e temperaturas resultantes
9 NBR 5416/ Procedimento 1 - Usuários que não dispõem de controle das condições operacionais 5.1 Objetivo Fornecer, aos usuários com mínimas informações operacionais sobre o transformador, as condições para aplicação de cargas em transformadores com 2 ou mais enrolamentos e com potências nominais trifásicas de até 100 MVA. Para os casos de transformadores com mais de dois enrolamentos, o usuário deve utilizar a mesma formulação dos transformadores de 2 enrolamentos. Entretanto, deve ser considerada, como potência nominal, aquela do enrolamento que estiver submetido ao maior percentual de carga, considerando-se os demais a vazio. 5.2 Características dos transformadores Com as características constantes do anexo A, determina-se a carga admissível para as condições do usuário, levando-se em conta a temperatura ambiente, a carga inicial e a duração da ponta de carga. Estas características foram utilizadas no cálculo dos carregamentos indicados nas tabelas do anexo B, resultando em carregamentos admissíveis conservadores. Se as características específicas de um transformador são conhecidas e se for desejável maior precisão nos resultados, o usuário pode utilizar as equações de 5.7, conforme exemplo no anexo C. 5.3 Temperaturas limites Tabela 1 - Temperaturas limites Transformador 55 o C 65 o C Máxima temperatura do topo do óleo 95 o C 105 o C Máxima temperatura do ponto mais quente 105 o C 120 o C NOTA - Cumpre notar que aplicações de carga superiores às de operação contínua do ponto mais quente a 95 o C, no caso de transformador de 55 o C e 110 o C, no caso de transformador de 65 o C, causam envelhecimento acelerado da celulose. 5.4 Cargas limites Tabela 2 - Cargas limites Carregamento nos transformadores 55 o C 65 o C Em condições normais de operação 150% 150% Em emergência 150% 150% NOTA - Como nesta Norma não são consideradas variações nas tensões, os valores percentuais das cargas são iguais aos valores percentuais das correntes nos enrolamentos considerados. 5.5 Condições especiais Operação com parte ou todo sistema de resfriamento fora de serviço Em transformadores providos de equipamentos auxiliares no sistema de resfriamento, tais como bombas, ventiladores ou ambos, pode ser necessário operá-los por algum tempo com esses equipamentos fora de serviço. O procedimento para aplicação de carga nesses casos é dado nas subseções a seguir, utilizando-se a simbologia dos tipos de resfriamento da NBR 5356.
10 6 NBR 5416/ Transformadores com sistema de resfriamento ONAN/ONAF Nestes casos, quando os ventiladores estiverem inoperantes, tomam-se os dados indicados na placa de identificação para o sistema de resfriamento ONAN e aplicam-se cargas como se o transformador tivesse somente este sistema de resfriamento Transformadores com sistema de resfriamento ONAN/ONAF/OFAF Dependendo de serem as bombas, ou os ventiladores, ou ambos, que estiverem fora de serviço, tomam-se, na placa de identificação, os dados correspondentes ao sistema de resfriamento que permanece em funcionamento e aplicam-se cargas como se o transformador tivesse somente este sistema de resfriamento Transformadores com sistema de resfriamento com trocador de calor OFAF ou OFWF Considerando-se que, nestes casos, a operação do transformador com todas as bombas ou todos os ventiladores, ou ambos, fora de serviço, raramente acontece, se essa operação for necessária, as seguintes condições devem ser observadas, a fim de se evitar danos ao transformador: a) a carga nominal pode ser mantida durante, aproximadamente, meia hora após operação contínua com carga nominal, sob uma temperatura ambiente de 30 o C, e com todos os equipamentos do sistema de resfriamento em serviço; b) a carga nominal pode ser aplicada durante aproximadamente uma hora e meia, se a operação for iniciada com os enrolamentos e o óleo sob a temperatura de 30 o C; c) a tensão nominal pode ser mantida durante 6 horas, em vazio, após operação contínua com carga nominal, sob uma temperatura ambiente de 30 o C, e com todos os equipamentos do sistema de resfriamento em serviço; d) a tensão nominal pode ser mantida durante 12 horas, em vazio, se a operação for iniciada com os enrolamentos e o óleo sob a temperatura de 30 o C. Estando somente parte do sistema de resfriamento em funcionamento, as seguintes cargas são permissíveis, produzindo aproximadamente a mesma elevação de temperatura que o funcionamento sob carga nominal, com todo o sistema de resfriamento em serviço: Tabela 3 - Carga permitida em percentagem da carga nominal x percentagem do sistema de resfriamento em serviço Percentagem do sistema de resfriamento em serviço Carga permitida em percentagem da carga nominal Método de conversão do ciclo de carga real para o ciclo de carga equivalente O carregamento admissível, obtido das Tabelas 11 a 50 (anexo B), é uma função da carga inicial, da ponta de carga e de sua duração. Cada combinação de cargas nas tabelas deve ser considerada como um ciclo retangular de carga inicial, essencialmente constante, de 50, 70, 90 ou 100% da capacidade nominal, seguida por uma ponta de carga retangular de grandeza e duração dadas nas tabelas. O carregamento considerado para os cálculos das tabelas é ilustrado na Figura 3.
11 NBR 5416/ Normalmente, o ciclo de carga real diário é irregular, conforme mostrado pela linha contínua da Figura 4, existindo, geralmente, um período em que a carga alcança um valor consideravelmente maior do que qualquer outro no resto do dia. Na maioria das vezes, a carga se aproxima e se afasta do valor máximo, ou ponta de carga, gradualmente e não bruscamente Para se usarem as recomendações de carregamento, o ciclo de carga real precisa ser convertido para um ciclo de carga retangular simples, termicamente equivalente, tal como é representado pela linha pontilhada da Figura 4. Um transformador alimentando uma carga variável sofre uma perda variável, cujo efeito é aproximadamente o mesmo que o de uma carga intermediária mantida constante pelo mesmo período de tempo. Tal fato deve-se às características de armazenamento de calor dos materiais do transformador. Uma carga, que gera as mesmas perdas que as causadas pela carga variável, é uma carga equivalente do ponto de vista de temperatura. A carga equivalente para qualquer parte de um ciclo de carga diário pode ser expressa pela equação: Carga equivalente ou valor médio quadrático = S 1. t + S t S t S t n. t + t + t t n 2 n (equação 3) onde: S 1, S 2, S 3, etc = vários degraus de carga em porcentagem, p.u., kva ou corrente real; t 1, t 2, t 3, etc = durações respectivas dessas cargas.
12 8 NBR 5416/ A carga básica equivalente é o valor médio quadrático de carga, obtido pela equação 3, ao longo dos períodos anterior e posterior ao pico de carga. Embora para fins de cálculo de perda de vida, considerem-se períodos de 24 horas, com início no instante do início do pico de carga, recomenda-se que o cálculo da carga básica equivalente inclua o período de carga básica compreendido entre as 12 horas anteriores e as 12 horas posteriores ao ponto médio do pico de carga (ponto M da Figura 2). Sugerem-se intervalos de uma hora, para a aplicação da equação A carga equivalente da ponta, para um ciclo de carga, é o valor médio quadrático obtido pela equação 3, para o período limitado sobre o qual a maior parte da ponta irregular real parece existir. A duração estimada da ponta de carga tem considerável influência sobre o cálculo da carga equivalente. Se a duração for superestimada, o valor médio quadrático de ponta poderá ficar consideravelmente abaixo da ponta de demanda máxima. Como precaução contra superaquecimento devido a carregamentos acima do nominal, de curta duração e de grande magnitude, durante o período de ponta, o valor médio quadrático não deve ser menor do que 90% da demanda máxima integrada no período de 1/2 hora Este método pode ser usado para converter um ciclo de carga irregular como o mostrado na Figura 4, para um ciclo de carga retangular. Neste caso, a carga básica é de 70% e a da ponta, de 140% da potência nominal A Tabela 12 (anexo B) mostra que a carga admissível, após um carregamento contínuo de 70%, com a temperatura ambiente a 30 o C, é de 136% durante uma hora, sem que sejam ultrapassados os valores limites de temperatura prescritos nesta Norma. 5.7 Cálculo da temperatura de transformadores sob a aplicação de cargas Geral As tabelas de carregamento desta Norma são baseadas em características médias de uma larga faixa de transformadores. As Tabelas 9 e 10 (anexo A) dão as características utilizadas no cálculo dos carregamentos das Tabelas 11 a 50 (anexo B). Quando as características de um transformador determinado variarem apreciavelmente em relação àquelas das tabelas, ou quando capacidades de carga mais precisas forem desejadas, podem ser utilizadas as equações básicas deste capítulo.
13 NBR 5416/ Lista de símbolos Salvo indicação diferente, todas as temperaturas são em graus Celsius e todos os tempos expressos em horas. a = temperatura ambiente 0 = temperatura do topo do óleo e = temperatura do ponto mais quente do enrolamento e = elevação de temperatura do ponto mais quente sobre a temperatura do topo do óleo ea = er = en = e durante o aquecimento e durante o resfriamento elevação da temperatura do ponto mais quente do enrolamento, sob carga nominal, sobre a temperatura do topo do óleo, obtida a partir da elevação da temperatura média do enrolamento sob carga nominal, em relação à do topo do óleo acrescida de 10 o C (15 o C) para transformadores de 55 o C (65 o C) 0 = elevação de temperatura do topo do óleo sobre a temperatura ambiente oa = or = on = o durante o aquecimento o durante o resfriamento elevação de temperatura do topo do óleo sobre a temperatura ambiente sob carga nominal oi = elevação inicial de temperatura do topo do óleo sobre a temperatura ambiente, para t = 0 of = elevação final de temperatura do topo do óleo sobre a temperatura ambiente para a carga de ponta Sp ei = elevação inicial do ponto mais quente sobre o topo do óleo para t = 0 ef = elevação final do ponto mais quente sobre o topo do oleo para a carga de ponta S p om = em = máxima elevação do topo do oleo sobre o ambiente durante o carregamento máxima elevação do ponto mais quente sobre o topo do óleo durante o carregamento K i = razão entre a carga inicial S i e a carga nominal S n K p = razão entre a carga de ponta S p e a carga nominal S n S i = carga inicial ou carga básica S n = carga nominal S p = carga da ponta R = relação entre as perdas em carga sob carga nominal e a perda em vazio e = 2,71828 (base do logaritmo natural) t = tempo t p = tempo de duração da ponta t = intervalo de tempo genérico
14 10 NBR 5416/197 P n = perda total sob carga nominal P = variação da perda total devido à variação da carga T o = constante de tempo térmica do transformador, para qualquer carga e para qualquer diferença de temperatura, entre a elevação final e a inicial do topo do óleo: T = Δθof Δθoi 0 C ΔP T e = constante de tempo térmica do ponto mais quente T n = constante de tempo térmica para a carga nominal, começando com a elevação inicial do topo do óleo de 0 o C sobre o ambiente PV = perda de vida C = capacidade térmica do transformador (watt-horas por graus Celsius) n = expoente usado no cálculo da elevação de temperatura do topo do óleo, que depende do método de resfriamento em funcionamento (ver Tabelas 9 e 10 - anexo A) m = expoente usado no cálculo da elevação de temperatura do ponto mais quente, que depende do método de resfriamento em funcionamento (vide Tabelas 9 e 10 - ANEXO A) Método de cálculo As considerações e formulário, a seguir, pressupõem a existência de um ciclo simples, formado por uma carga básica e um pico de carga, constantes ao longo de sua duração. Geralmente, o ciclo de carga diário não é tão simples, e os cálculos devem ser precedidos pela determinação de um ciclo equivalente, o que pode ser feito pelo processo apresentado em 5.6. Ciclos de operação, que não possam ser adequadamente representados por dois únicos níveis de carga, também são passíveis de estudo por processo semelhante ao que será visto a seguir, exigindo apenas algumas adaptações. O método exige a divisão do período em exame (24 horas a contar do início do pico de carga) em intervalos de pequena duração e o cálculo da temperatura do ponto mais quente, ao fim de cada um desses intervalos. A temperatura do ponto mais quente do enrolamento é suposta constante, ao longo de cada intervalo, e igual ao seu valor final. Quanto maior for o número de intervalos em que o ciclo de carga for dividido, mais preciso será o cálculo da temperatura do ponto mais quente. Intervalos mais longos acarretam, normalmente, resultados mais conservadores Transformadores de 2 enrolamentos e autotransformadores sem terciário Equações para determinação da temperatura - Elevação de temperatura durante o aquecimento: t óleo = T Δθ oa Δθ of Δθ oi 1 e o + Δθ oi (equação 4)
15 NBR 5416/ enrolamento Δθ = ea Δθ ef t T Δθ ei 1 e e + Δθ ei (equação 5) - Elevação de temperatura durante o resfriamento: óleo = ( ) t Δθ Δθ Δθ + Δθ or om oi e T o oi, (equação 6) t, enrolamento Δθ = Δθ Δθ + Δθ er em ei e T ( ) e ei (equação 7) onde: t' = t - tp Δθ of Δθ ef n k 2 p R + 1 = Δθ on R + 1 Δθ en k m = 2 p (equação 8) (equação 9) Δθ oi n k 2 Δθ i R + 1 = on R + 1 (equação 10) Δθ ei Δθ en k m = 2 i (equação 11) Δθ om Δθ em = para t = t p (equação 12) Δθ oa = para t = t p (equação 13) Δθ ea k p S p = (equação 14) S n k i S i = (equação 15) S n
16 12 NBR 5416/197 e, a menos das correções definidas em : T o = T n onde: T n Δθ = C on P n (equação 16) e, para transformadores com fluxo de óleo não dirigido: C = 0,132 (massa do núcleo e das bobinas, em kg) + 0,088 (massa do tanque e dos acessórios, em kg) + 0,351 (litros de óleo); e para transformadores com fluxo de óleo dirigido: C = 0,132 (massa do núcleo e das bobinas, em kg) + 0,132 (massa do tanque e dos acessórios, em kg) + 0,510 (litros de óleo). As temperaturas do topo do óleo e do ponto mais quente são calculadas, respectivamente, por: θo = Δ θo+ θa θ = Δ θ + θ e e o Correção das equações Teoricamente, diversas correções poderiam ser feitas quando são usadas as equações acima para o cálculo das elevações de temperatura, tais como as correções para as variações: a) da constante de tempo térmica do transformador, para cargas acima da nominal; b) do valor da resistência elétrica do condutor; c) da viscosidade do óleo; Para fins práticos, entretanto, se essas correções forem omitidas, serão obtidos resultados suficientemente precisos. Com a elevação da temperatura, a resistência elétrica do condutor, para as condições de carregamento acima da nominal, é maior do que para a condição nominal. Poder-se-ia, assim, aplicar um fator de correção no cálculo das perdas, se tal refinamento fosse justificável. Contudo, com esse acréscimo de temperatura, há uma diminuição da viscosidade do óleo que, permitindo uma maior circulação deste, melhora a dissipação do calor. Dessa forma, este efeito tende a compensar o efeito do aumento da resistência. 5.8 Utilização das tabelas de capacidade de carga As Tabelas 11 a 50 (anexo B), que indicam a ponta de carga a ser imposta a um transformador de potência, para uma determinada duração, foram obtidas com a utilização das equações de Aplicações de cargas que causam envelhecimento acelerado do transformador aparecem indicadas nas tabelas. O fluxograma adotado para os cálculos é mostrado na Figura Dados necessários Para a utilização das tabelas, o usuário deve dispor dos seguintes dados: a) temperatura. ambiente. ( a ); b) carga contínua inicial (S i );
17 NBR 5416/ Figura 5 - Fluxograma
18 14 NBR 5416/197 c) duração da. ponta. de carga (t p ); d) método de resfriamento (ONAN, ONAF, etc ); e) limite de elevação da temperatura média dos enrolamentos (55 C ou 65 C). 6 Procedimento 2 - Usuários que dispõem de controle das condições operacionais 6.1 Objetivo Fornecer, aos usuários que dispõem de controle das condições operacionais das unidades transformadoras, procedimentos na aplicação de cargas em transformadores, com 2 ou mais enrolamentos e sem limitação de potência. Tais controles permitirão otimizar a utilização destes equipamentos quanto à forma de carregamento. 6.2 Controle das condições operacionais Ensaios por gás - cromatografia Devem ser levados em consideração, como limitantes nos procedimentos de carregamento, os casos em que existem suspeitas de falhas incipientes, detetadas a partir dos diagnósticos de gás-cromatografia e que, apesar disso, o transformador é mantido em operação. Nestas condições, não se deve exceder a corrente nominal. A quantidade de oxigênio não limita o carregamento. No entanto, no sentido de se atender à expectativa de vida (ver 6.4), no que diz respeito à aceleração do processo de envelhecimento da celulose, sua concentração no óleo isolante não deve ultrapassar o valor de 3000 p.p.m Ensaios físico-químicos Para a aplicação, de maneira confiável, dos níveis de carregamento desta seção da Norma, é necessário que os valores de teor de água e índice de neutralização do óleo isolante do transformador estejam conforme a Tabela 4. Todavia, no sentido de garantir que o envelhecimento da isolação seja predominantemente térmico, deve ser observado o estabelecido em 6.4. Tabela 4 - Valores físico-químicos limites do óleo isolante Ensaio Norma de ensaio Óleo em operação Óleo em operação < 242 kv 242 kv Teor de água (ppm) a 60 o C NBR Indice de neutralização (mg KOH/g) ASTM-D974 <0,20 < 0,15 NOTAS 1 Os valores da tabela foram obtidos da recomendação SCM-019/ELETROBRÁS. 2 Caso o óleo esteja a uma temperatura diferente de 60 o C, o teor de água deve ser relacionado de acordo com a Figura Características do transformador Os transformadores possuem características que determinam a capacidade de seu carregamento Características básicas - Classe do transformador (55 o C ou 65 o C), - corrente nominal, - tensão nominal, - peso da parte ativa,
19 NBR 5416/ peso do tanque e acessórios, - volume do óleo, - perdas em carga (perdas binárias para transformadores com mais de 2 enrolamentos), - perdas em vazio, - elevação da temperatura no topo do óleo sob carga nominal em relação à ambiente, - elevação da temperatura média do enrolamento sob carga nominal em relação à do topo do óleo, - constante de tempo térmica do transformador, - método de resfriamento, - tipo do sistema de preservação do óleo Características específicas Para que o usuário possa aplicar carga com confiabilidade em seu transformador, deve-se ter conhecimento do histórico do equipamento com registros das manutenções, ocorrências que influenciam na confiabilidade e/ou desgaste prematuro, acessórios etc Influência das características Transformadores do mesmo tipo/tensão/potência, e submetidos a ciclos de carga semelhantes, podem apresentar diferentes envelhecimentos devido às suas características. As principais características que mais influenciam no cálculo da perda de vida do equipamento por envelhecimento térmico são, por ordem de prioridade, as seguintes: en = elevação da temperatura do ponto mais quente do enrolamento, sob carga nominal, sobre a temperatura do topo do óleo, obtida a partir da elevação da temperatura média do enrolamento, sob carga nominal em relação à do topo do óleo, acrescida de 10 o C (15 o C) para transformadores de 55 o C (65 o C) NOTA - As temperaturas de acréscimo podem ser menores, dependendo do projeto do transformador on = elevação da temperatura no topo do óleo sob carga nominal em relação à ambiente T o = constante de tempo térmica do transformador, para qualquer carga e para qualquer diferença de temperatura entre a elevação final e a inicial do topo do óleo R = relação entre as perdas em carga, sob carga nominal, e a perda em vazio n = expoente usado no cálculo da elevação de temperatura do topo do óleo, que depende do método de resfriamento em funcionamento (vide Tabelas 9 e 10 do anexo A) m = expoente usado no cálculo da elevação de temperatura do ponto mais quente, que depende do método de resfriamento em funcionamento (vide Tabelas 9 e 10 do anexo A) T e = constante de tempo térmica do ponto mais quente Determinação das curvas de carga e de temperatura ambiente Os dados de corrente e temperatura ambiente, a serem utilizados nos cálculos de carregamento, devem ser coletados ao longo do mês, pelo menos uma vez por semana, no dia mais representativo. Estes dados devem ser coletados em intervalos de tempo regulares de, no máximo, uma hora.
20 16 NBR 5416/197 Deve-se adotar o seguinte procedimento: - a curva de carga a ser utilizada será dada pela média dos valores medidos; - para transformadores de dois enrolamentos, a curva de carga média, em ampères, deve ser medida, preferencialmente, no lado secundário; - para transformadores de três enrolamentos, deve-se considerar a curva de carga média, em ampères, do enrolamento secundário e do terciário (se houver carga); - nos sistemas de aquisição de dados automatizados, os dados recebem pré-tratamento de validação e posterior armazenamento; neste caso, o cálculo do carregamento admissível do transformador será feito a qualquer instante, e de acordo com o grau de precisão desejado Teor de água nos enrolamentos A umidade, além de reduzir a resistência de isolamento, é um fator limitante ao carregamento devido à possibilidade de formação de bolhas no transformador. Tabela 5 - Limites de teor de água no papel isolante (% em massa) Norma de Ensaio < 242 kv 242 kv ASTM D ,5 O teor de água deve ser verificado através de amostras de papelão, retiradas da parte ativa, usando métodos de laboratório, como o da ASTM D Nesse procedimento, é necessário o desligamento do transformador e a drenagem do óleo. Na impossibilidade de se desligar o transformador, devem ser utilizadas curvas, como as da Figura 6, que fornecem um valor orientativo do teor de água nos enrolamentos, a partir da umidade do óleo Formação de bolhas Temperaturas elevadas do enrolamento, ou variações abruptas da carga ou da pressão atmosférica, combinadas com valores superiores aos limites estabelecidos nesta Norma, podem ocasionar a formação de bolhas, aumentando o risco de falha no equipamento (ver anexo E). 6.3 Tipos de carregamentos admissíveis Os carregamentos de transformadores são considerados em termos de ciclo de carga, com duração de 24 horas cada ciclo. Os ciclos de carga podem ser classificados como de carregamento em condição normal de operação, em condição de emergência de longa duração e em condição de emergência de curta duração, conforme os limites de Ciclo de carregamento em condição normal de operação É aquele no qual, em nenhum momento, é excedida a temperatura do topo do óleo ou a do ponto mais quente do enrolamento para a condição normal, mesmo que, em parte do ciclo, seja ultrapassada a potência nominal Ciclo de carregamento em condição de emergência de longa duração Tal carregamento permite que sejam ultrapassados os limites de temperatura do ciclo de carregamento em condição normal de operação, uma vez que são consideradas saídas prolongadas de unidades transformadoras, por desligamento de algum elemento de sistema. NOTA - O carregamento das unidades transformadoras se situa acima dos valores nominais, porém decorre de desligamentos prolongados de um elemento do sistema. Uma vez ocorrida a contingência, o carregamento pode se repetir periodicamente, até o restabelecimento das condições anteriores ao desligamento.