Mudança de tensão e hábitos ( Radiografia de Transformadores )

abr, 2009

Edição 38, Março de 2009

Por Hanny Guimarães

Mudança de tensão e de hábitos

A possibilidade de ter energia em nossos lares era excitante. A invenção da lâmpada elétrica, uma sacada brilhante. Satisfeitos? Como sempre, não. Era preciso mais. Era preciso fazer essa eletricidade chegar aos mais longínquos destinos. Para a difícil tarefa, uma complexa ferramenta, o transformador. E é este elemento essencial às alterações de potência – e do homem – que vamos dissecar nas próximas páginas.

Entre as muitas inovações tecnológicas, não é exercício árduo listar as de real impacto na sociedade. Energia elétrica e internet certamente fariam parte da relação. Uma de ontem que permite a de hoje. Entre ambas, um vazio que pode ser preenchido por uma ferramenta não menos importante na cadeia de projetos científicos que revolucionaram o comportamento humano: o transformador. O excesso com as palavras faz jus à grandiosidade deste equipamento que reina no processo de transmissão e distribuição de eletricidade.

Na tarefa de distribuição, “o transformador é a forma de isolar e reduzir elevadas tensões a níveis seguros (110 V a 220 V) para usos residencial, comercial ou industrial”, conforme explica o professor e mestre em engenharia elétrica, Francisco Antônio Marino Salotti, chefe da seção técnica de ensaios em máquinas da Universidade de São Paulo (USP).

Existem, entretanto, diversos tipos de transformadores como pode ser observado na tabela de classificação a seguir, elaborada por Salotti. Podemos destacar aqui os Transformadores de Potência (de distribuição e de transmissão), também chamados de “trafos”, e os Transformadores de Instrumento (de corrente e de potencial). O professor e doutor em Engenharia Elétrica, Clever Pereira, da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), conta que os primeiros são projetados e construídos para operar com níveis elevados de potência passando por eles, já os últimos são projetados e construídos para alimentar equipamentos de medição e de proteção.

FORMAS DE CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSFORMADORES

O isolamento dos transformadores de potência pode ser a seco e a óleo. Os tranformadores a óleo devem ser colocados em tanques com líquido isolante para prover o isolamento entre as bobinas e entre as bobinas e a terra. O líquido isolante também é bom condutor de calor, servindo para o resfriamento do transformador e seus componentes. Já os transformadores a seco são construídos com material isolante sólido, e não necessita ser imerso em óleo, por isso a designação, “a seco”.

As perdas em vazio do transformador de distribuição são praticamente desprezíveis; os grandes transformadores de força têm comutação de taps sob carga, ventilação forçada, acessórios de monitoração das condições de funcionamento (indicador de temperatura, TCs, relés de curto-circuito, entre outros); o transformador de distribuição é bem mais simples construtivamente podendo ter como único acessório o comutador da taps a vazio, com o equipamento “desenergizado”; a tensão máxima do primário é de 22 kV e secundário até 380 V.

Salotti alerta que “o transformador a seco (ou em massa), embora seja ligado a uma rede de distribuição, não deve ser considerado como transformador de distribuição”. Segundo o engenheiro, ele é instalado na entrada de consumidores finais (fábricas, centros comerciais, consumidores de médio porte) que recebem energia elétrica em média tensão. O regime de carga destes consumidores é praticamente constante ao longo do dia e são instalados em locais isolados e exclusivos, como cabines primárias. São transformadores da classe 15 kV ou 25 kV no primário e, devido ao alto nível de tensão, este enrolamento é encapsulado e moldado com massa isolante e o secundário por ser de baixa tensão tem acabamento feito por impregnação de verniz isolante.

No caso do transformador de distribuição do tipo em líquido isolante – geralmente óleo mineral – é instalado na rede de distribuição de energia elétrica para servir diversos consumidores de pequeno porte ou consumidores isolados – rural. A rede de distribuição pode ser aérea ou subterrânea e sempre de responsabilidade de uma operadora. Estes transformadores são projetados para trabalhar em um regime de carga extremamente variado, desde a operação em vazio até 150% da sua capacidade nominal nos horários de pico de consumo. Como particularidade, Salotti destaca que estes transformadores são projetados para suportar curtos-circuitos e impulso de tensão atmosférica (raios), isso porque no local da instalação, sempre longe do consumidor e do centro de distribuição, ficam sujeitos a receber descargas atmosféricas ou haver toque entre fases em algum ponto da linha, provocado por galhos de árvores, são protegidos por uma chave seccionadora com fusíveis e para-raios no lado da alta tensão.

Os transformadores de distribuição são aqueles cuja alta tensão é da ordem das tensões normalmente utilizadas na distribuição de eletricidade, podendo ser trifásicos ou monofásicos. Normalmente estas tensões do lado de alta são de 13,8 Kv até 69 Kv. Algumas companhias, de acordo com Clever Pereira, admitem valores de 138 kV como tensão de distribuição. “Normalmente, são ligados em triângulos do lado de alta e estrela solidamente aterrada em lado de baixa, ao contrário dos trafos de transmissão, cujos enrolamentos são ligados em estrela-estrela com um terciário em delta. As tensões de baixa dos trafos de distribuição podem ser normalmente de 220 V / 127 V (regiões sul e sudeste do Brasil) ou de 380 V / 220 V (regiões norte e nordeste) e, também, podem ser de baixa de alguns kV para alimentação de motores de elevada potência”, detalha o professor.

É certo que as especificações técnicas de um transformador dependem de estudos e de conhecimento da carga, do sistema no qual será instalado e do local de instalação, além da experiência do profissional e das informações que o consumidor irá fornecer. Entretanto, algumas descrições são comuns e possíveis de ser exibidas.

Basicamente, um transformador é formado pelo núcleo magnético, a parte ativa (enrolamentos) e o sistema de isolamento. O núcleo é utilizado como circuito magnético para a circulação do fluxo criado nas bobinas primárias. É composto por chapas de aço-silício laminado com espessuras variáveis, sendo estas agrupadas de tal modo que resultem em pernas e culatras (jugo). Essas chapas são isoladas entre si por verniz isolante. Os enrolamentos são responsáveis pela condução da corrente elétrica do sistema elétrico e pela geração do fluxo magnético. As bobinas são montadas sobre tubos isolantes de papel baquelitizado ou envernizados. Existem diversos tipos de enrolamentos que podem ser utilizados em transformadores, porém pertencem a três grandes grupos básicos, ou seja, helicoidais, discoidais e camadas. O sistema de isolamento é feito, basicamente, entre camadas de espiras, bobinas, enrolamentos e em relação ao tanque (massa) e o núcleo. Conforme descrito anteriormente, além de óleo isolante, o isolamento pode conter papel, madeira impregnada (madeirite), camadas de presspan ou baquelite. Os condutores ainda podem ser esmaltados.

Segundo Pereira, também fazem parte do trafo as buchas de alta e de baixa, bem como toda a ferragem necessária para a sua montagem. Os enrolamentos são feitos, n
ormalmente, de cobre, mas pode ser utilizado também o alumínio. O núcleo é feito de chapas de aço silício ou alguma chapa similar. O tanque é produzido com aço comum servindo apenas para comportar o núcleo e os enrolamentos, bem como o óleo.

Séculos depois de sua invenção, os transformadores sofreram o bem de seu conceito. Passaram por reformulações e foram repensados para os dias e as necessidades de hoje. O professor Francisco Salotti acredita que a evolução tecnológica verificada desde os primórdios está relacionada principalmente aos materiais empregados na construção do transformador. Ferramentas de cálculo mais aprimoradas com a ajuda da informática também contribuíram nesse sentido.

A busca por equipamentos mais eficientes que possam evitar desperdícios é tema constante em qualquer discussão. “Trata-se de uma necessidade global e a área técnica tem que buscar produtos mais duráveis e que sua influência no meio ambiente não seja agressiva”, salienta Salotti. Para o engenheiro, materiais como o cobre, alumínio, ferro, celulose, derivados de minerais e compostos químicos são aperfeiçoados com o objetivo de melhorar o desempenho do transformador. “Os avanços do cobre, alumínio e ferro utilizados na fabricação dos transformadores estão no sentido de obter ligas mais adaptadas à sua função, por exemplo, ligas de cobre mais macias e resistentes a esforços mecânicos, ligas de ferro para confecção do núcleo com menos perdas magnéticas. A celulose, os derivados minerais e compostos químicos são os materiais que evoluíram mais significativamente, permitindo a redução do tamanho físico e a construção de equipamentos de maior potencia e tensão de funcionamento”, explica.

De acordo com Salotti, até a década de 1970 não se fazia transformador de força a seco para tensões superiores a 1 kV porque não havia verniz, massa isolante e laminados isolantes que suportassem elevados campos elétricos quando aquecidos. Atualmente, os transformadores secos são produzidos para níveis de tensões de até 50 kV. “A história conta que nem toda evolução é boa, como foi o caso do ascarel, líquido isolante de altíssima resistência dielétrica, que se tornou um pesadelo ao descobrir sua agressividade à natureza por ser altamente tóxico e não biodegradável”, completa.

O transformador a seco apresenta algumas desvantagens em relação ao transformador em líquido isolante, mas, obviamente, dependerá sempre de seu uso. O primeiro requer mais cuidados preventivos com maior frequência que o segundo; não suporta trabalhar com cargas muito variáveis e, segundo Salotti, é recomendado que a carga seja praticamente constante ao longo do tempo; também está sujeito a ter falha de funcionamento devido o acúmulo de poeira ou umidade; está sujeito a ter falha de isolação por envelhecimento do material e que não é facilmente detectado por testes normais em campo. Ao contrário, o transformador em líquido isolante mostra poucos pontos negativos, porém, alarmantes. A grande desvantagem deste, detalha Salotti, “está no fato de usar óleo mineral que é agressivo ao meio ambiente e é inflamável a uma temperatura de 170 ºC, o que faz com que o usuário adote normas de segurança para sua instalação que o tornam inviável para instalações de pequeno porte”.

Pesquisas recentes permitem a utilização de óleos vegetais, derivados de milho ou girassol, por exemplo. Esses óleos vegetais são fortemente dependentes do teor de água do sistema isolante (óleo e papel) e de oxigênio, apresentando propriedades distintas do óleo mineral como maior ponto de combustão, fulgor, viscosidade, teor de água, densidade, fator de perdas dielétricas e índice de neutralização. Outra importante diferença é o caráter polar do óleo vegetal enquanto que o mineral é apolar. Isto não significa que um óleo é melhor que outro, mas sim que cada um apresenta suas vantagens e desvantagens, que devem ser levadas em consideração para cada aplicação. Os experimentos e pesquisas em andamento definirão a utilização mais adequada para cada caso.

Os transformadores são máquinas que não necessitam de nenhum outro acessório para funcionar, a não ser todo o sistema de cabos e de proteção que existe para que o sistema como um todo funcione. Entretanto, para um bom funcionamento, o professor Salotti explica que é necessário que sua instalação esteja correta, com aterramento da carcaça, conexão adequada do neutro dos enrolamentos, utilização de proteções para a instalação, mas salienta que cada transformador tem sua característica peculiar e somente uma análise mais detalhada poderá definir o tipo de proteção necessária.

Comumente, podemos ver os transformadores de distribuição instalados em postes, mas eles também podem ser abrigados, como no caso de grandes construções que podem possuir seu próprio transformador de distribuição. “Você pode ver isto quando, em um passeio, passa ao lado de algum grande prédio e sente aquele ar quente saindo pelas gretas das grades da instalação subterrânea do trafo”, exemplifica o engenheiro Clever Pereira.

Confira algumas recomendações para escolher um transformador de distribuição de qualidade*

• Para determinar os valores nominais de potência e tensão é necessário conhecer a estabilidade da fonte de alimentação e os limites máximo e mínimo da tensão na carga para definir quantas derivações (taps) serão necessários.


• Para cargas sensíveis a variações de tensão a impedância do transformador é um item importante a ser considerado, pois vai determinar a regulação da tensão de saída.


• Conhecer o local da instalação, saber os comprimentos das linhas de alimentação e de distribuição, se aérea, embutida ou subterrânea vai determinar qual o nível de isolação requerido (NBI) associado à escolha de dispositivos de proteção contra surtos (para-raios ou similar).


• Conhecer a condição ambiental local para solicitar proteções adicionais.


• Conhecer o tipo de carga é muito importante, porque algumas cargas podem influir no desempenho do transformador.


• É preciso fazer um estudo para os limites de temperatura, campos magnéticos e ruído no local da instalação.


* “Os transformadores de distribuição são padronizados e cada concessionária de distribuição tem requisitos próprios. Os detalhes de especificação de compra são diversos para detalhamento sucinto. Estas são apenas algumas notas” – Francisco Antônio Marino Salotti, chefe de seção técnica de ensaios em máquinas da Universidade de São Paulo (USP)


História dos transformadores

A história do desenvolvimento tecnológico pode ser descrito com a frase de Sir Isaac Newton: “Se fui capaz de ver mais longe foi apenas porque eu estava apoiado sobre ombro de gigantes.”

No campo da eletricidade e eletromagnetismo, os primeiros passos para o desenvolvimento de uma tecnologia aplicada foram dados no início do século XIX, quando o físico Hans Christian Örsted observou que um fio de corrente elétrica age sobre a agulha de uma bússola. Com isso, percebe-se que há uma ligação entre magnetismo e eletricidade. Seguem-se as contribuições, dentre outros, de Michael Faraday; Alessandro Volta com a descoberta da pilha voltaica;
André-Marie Ampère e Joseph Henry que descobriram que a corrente elétrica é induzida por mudanças no campo magnético.

As aplicações práticas do eletromagnetismo começaram a aparecer durante o século XIX, quando Morse constrói o seu primeiro aparelho (1843), Bell realiza a primeira experiência de transmissão a distância da voz humana (1876) e Baudot apresenta o telégrafo impressor (1878). O transporte de energia à distância, realizado pele primeira vez em 1873, sofre um enorme desenvolvimento a partir de 1884 com a invenção do transformador. As cargas dos sistemas de distribuição aumentam quando Ferraris estuda as correntes polifásicas e Tesla concebe o motor de campo girante ou de indução (1885). No fim deste século, inicia-se a construção das primeiras centrais hidrelétricas, necessárias depois da invenção da lâmpada incandescente com filamento de carvão (Edison, 1882), mais tarde substituído pelo tungstênio (1904).

Por volta de 1876, não se sabia como transmitir a energia elétrica gerada. A evolução dos conceitos sobre sistemas de potência foram definidos pela conhecida Guerra das Correntes travada por Thomas Edison e George Westinghouse Jr. A história dos transformadores segue na mesma linha – e época – dos eventos aqui descritos.

Em 1880, Thomas Alva Edson apresenta sua lâmpada incandescente (em corrente contínua), a mais eficiente de então. Nessa época, na Europa, havia avanços na utilização de corrente alternada. Em 1882, Edison coloca em funcionamento um sistema de corrente contínua em Nova York e funda a empresa Edison Electric Company. Em 1885, George Westinghouse Jr. compra os direitos da patente de Goulard-Gibbs para construir transformadores de corrente alternada e encarrega William Stanley dessa tarefa. Stanley desenvolveu o primeiro modelo comercial do que, naquele momento, nomeou-se de transformador.

Fonte: Wikipedia®

O transformador possibilitava a elevação das tensões, o que sua corrente permitia, ao contrário da contínua de Edison, diminuindo as perdas na transmissão de energia elétrica. Um desenvolvimento fundamental para a definição das aplicações de energia elétrica se dá quando Nikola Tesla mostra a possibilidade de um motor de corrente alternada. Westinghouse compra a patente de Tesla e contrata seus serviços para desenvolver o motor, que só ficaria pronto em 1892, ano em que entra em funcionamento o primeiro motor de indução de Tesla. A comissão responsável pela concorrência pública para a licitação das obras de Niagara Falls, importante obra que definiria as bases do sistema elétrico de potência, decide que o sistema será em corrente alternada. Enquanto isso, na Alemanha, é colocado em funcionamento um sistema de 100 HP (74,6 kW) com transmissão de 160 km, em corrente alternada, 30.000 V. A empresa de Edison, a Edson General Electric Company, junta-se à Thomson-Houston, formando a General Electric que passa a produzir em larga escala transformadores e alternadores. Dali em diante, as transformações não estariam somente no âmbito técnico, mas também influenciariam o comportamento social.

Uma fotografia histórica do Adams Power Station Niagara Falls New York.

Crédito: American Memories Collection

Bobina de indução usada para demonstrar o fenômeno de indução magnética, na época de Faraday.

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