Análise de Perdas Eletromagnéticas em um Transformador de Distribuição a Seco sob Desequilíbrio via Modelagem por Elementos Finitos

Por: Ábner Cézar Peres Pacheco - Arnaldo José Pereira Rosentino Junior - Ivan Nunes Santos

O presente trabalho encontra-se inserido no contexto de um projeto de pesquisa e desenvolvimento de um novo conceito de subestação (SE) subterrânea. Tal modelo de subestação enfrenta algumas limitações em termos de espaço disponível para os equipamentos internos, refrigeração e operação sob condições não ideais. Dentre os equipamentos internos da SE, o transformador é a principal fonte de calor [1]. Sendo assim, é de vital importância analisar o seu comportamento elétrico e térmico sob diversas condições de operação, a fim de garantir o seu correto funcionamento. A Figura 1 ilustra a SE sob estudo.

Figura 1 – Ilustração da subestação subterrânea.

Um dos distúrbios mais comuns de qualidade da energia ao qual os equipamentos de um sistema elétrico estão submetidos é o desequilíbrio de tensão e/ou corrente que pode ser gerado por uma carga desequilibrada ou ter origem no próprio sistema elétrico. Os efeitos esperados no transformador devido à presença destes desequilíbrios são a circulação de corrente acima da nominal em algum enrolamento, queda de tensão em níveis além do esperado e sobreaquecimento [2].Assim, avaliou-se o desempenho do transformador quando submetido a desequilíbrios de tensão. Trata-se de um transformador a seco de 1 MVA, 13,8 kV – 0,380 kV, ∆-Y. Neste trabalho foram aplicados diferentes níveis de desequilíbrio alterando os defasamentos entre as tensões de alimentação. Para tal, optou-se pela simulação do equipamento em software baseado no método dos elementos finitos, o qual permite a modelagem e resolução de fenômenos eletromagnéticos e térmicos a partir dos parâmetros construtivos do equipamento. A Tabela 1 apresenta um resumo dos resultados de perdas no núcleo e enrolamentos. Nota-se uma redução tanto nas perdas no núcleo como nas perdas nos enrolamentos, ainda que esta última seja menos acentuada, à medida que o nível de desequilíbrio aumenta.

Tabela 1 – Resumo dos resultados de perdas obtidos.

À primeira vista, diante destes resultados, pode-se concluir que as perdas totais no transformador devido aos desequilíbrios aplicados são reduzidas, ou, no mínimo, permanecem constantes. Todavia, a modelagem por elementos finitos permite não somente a análise das perdas totais, como também a verificação da distribuição de perdas ao longo de toda a estrutura do equipamento.

 A Figura 2 destaca resultados para o núcleo e enrolamento de baixa tensão a partir de um comparativo entre as distribuições de perdas nominais e as distribuições equivalentes para o caso de desequilíbrio de 10% proveniente do sistema. Nota-se uma concentração das perdas na coluna central do transformador, a qual pode ser explicada pela combinação fasorial aplicada para gerar o desequilíbrio e que resultou em uma tensão superior à nominal em uma das fases, enquanto as demais apresentam uma redução de seus valores de referência. Como consequência, verificou-se uma elevação das perdas magnéticas na coluna central do núcleo e das perdas joulicas no enrolamento central que apresenta uma maior circulação de corrente. Resultado similar foi identificado para o enrolamento de alta tensão.

Em resumo, para os desequilíbrios advindos do sistema elétrico, muito embora os valores das perdas totais tenham diminuído conforme o distúrbio se intensificava, a concentração de perdas na coluna central do transformador pode impactar gravemente sua vida útil. Portanto, conclui-se que a análise do transformador operando sob desequilíbrio se mostra de grande valia a fim de preservar a vida útil do equipamento e permitir o dimensionamento correto do sistema de refrigeração da subestação considerando as eventuais condições não ideais às quais o equipamento estará submetido.



(a)(b)


(c)(d)
Figura 2 – Resultados de distribuição de perdas: (a) Núcleo – Caso nominal. (b) Núcleo – Caso 10% desequilíbrio. (b) Enrolamento BT – Caso nominal. (c) Enrolamento BT – Caso 10% desequilíbrio.
Referências bibliográficas 

[1] J. P. G. Ferreira, “Air flow and thermal analysis of an electrical transformers’ substation,” Universidade do Porto, 2014.

[2] Santoso, Surya, Mark F. McGranaghan, Roger C. Dugan, and H. Wayne Beaty. 2012. Electrical Power Systems Quality. 3rd ed.

 Biografias

Ábner Cézar Peres Pacheco, Msc., possui graduação e mestrado pela Universidade Federal de Uberlândia. Atualmente é doutorando na Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia. Sua principal área de interesse é qualidade da energia elétrica, fontes renováveis e otimização de equipamentos eletromagnéticos.

Arnaldo José Pereira Rosentino Junior, Dr., possui graduação, mestrado e doutorado pela Universidade Federal de Uberlândia, com graduação sanduíche no Institut National des Sciences Appliquées de Lyon e doutorado sanduíche na University of Alberta, Electrical and Computer Engineering. Atualmente é professor na Universidade Federal do Triângulo Mineiro, Instituto de Ciências Tecnológicas e Exatas, Departamento de Engenharia Elétrica. Atua nas áreas de qualidade da energia, subestações, energias renováveis e análise de dados.

Ivan Nunes Santos, Dr., possui graduação em Engenharia Elétrica, Mestre e Doutor em Ciências Exatas pela UFU e pós-doutorado pela Eindhoven University of Technology. Professor e pesquisador da Faculdade de Engenharia Elétrica da UFU. Atua nas áreas de qualidade da energia elétrica, harmônicos em sistemas de potência, integração de parques eólicos e fazendas fotovoltaicas no SIN e redes elétricas inteligentes. 

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