Mitigação dos distúrbios no sistema elétrico causados por correntes geomagnéticas induzidas em transformadores de potência – Parte I

*por Wilerson Calil e Adriana Venceslau Calil

Introdução

Transformadores de potência são equipamentos de maior custo, tempo de substituição e dificuldade de transporte em uma subestação. Por este motivo, durante o processo de especificação deste tipo de máquina é importante que todos os parâmetros estejam extremamente bem definidos e detalhados para evitar perda de vida de útil, aquecimento e desligamentos não programados. Investimento neste tipo de equipamento requer um estudo técnico e financeiro bem apurado para que seja encontrado o ponto ótimo, afinal trata-se de um bem de capital de alto valor agregado.

Nestes equipamentos, durante a operação em regime permanente ou transitório, solicitações elétricas, magnéticas, térmicas e mecânicas são estabelecidas com efeitos combinados e cumulativos nos seus componentes e materiais. Assim, técnicas modernas   e avançadas de projetos de engenharia, incluindo aplicação extensiva de modelagem bidimensional 2D ou tri-dimensional 3D e simulação numérica são relevantes para a garantia do alto desempenho e maior confiabilidade operacional desses equipamentos [1].

Este artigo irá apresentar um fenômeno conhecido como GIC (Geomagnetic Induced Current), correntes induzidas geomagneticamente, que ocorrem devido às tempestades solares e devem ser previstas durante a fase de especificação a fim de evitar problemas futuros, como por exemplo falha e interrupção de fornecimento de energia elétrica.

Efeitos adversos que ocorrem em transformadores devido ao GIC são: correntes de magnetização muito assimétricas, aumento das perdas e aparecimento de pontos quentes no núcleo, nos enrolamentos e nas partes estruturais metálicas. Além disso, o aumento   da demanda de energia reativa o mau funcionamento dos relés de proteção e ameaça       a estabilidade da rede de energia. Danos em grandes transformadores de potência e blackouts em redes foram relatados devido a esse fenômeno. Assim, estudos sobre esse assunto chamaram a atenção de pesquisadores nas últimas décadas.

Estado da arte e motivação

Estudos de correntes magnéticas em transformadores de potência e sistemas elétricos têm sido feitos há decadas em várias partes do mundo [2], [3]. FinGrid fez um experimento back-to-back em dois transformadores de 400 kV na rede elétrica. Em uma das unidades foram instalados vários sensores internos de temperatura [4] para verificar os pontos críticos de aquecimento durante o GIC. Algumas experiências em laboratórios de testes de fabricantes com corrente contínua no neutro já foram relatadas, porém, a limitação principal é a fonte alimentação que deve suportar altas quantidades de harmônicas e que precisa fornecer muita potência reativa, o que distorce a tensão.

O teste de rotina com CC não é viável, no entanto, algumas simulações numéricas encontradas na literatura fornecem informações suficientes, porém deverão ser verificadas por alguns experimentos práticos bem documentados.

Em 2012, nos EUA, a Federal Energy Regulatory Commission (FERC) emitiu uma decisão final ao Conselho Norte-Americano de Confiabilidade Elétrica (NERC) para  desenvolver  padrões  de confiabilidade que abordem o impacto dos distúrbios geomagnéticos para garantir a operação confiável e contínua  do sistema de alimentação em massa do país. Esses padrões exigirão que os proprietários e operadores de transformadores realizem avaliações iniciais e contínuas dos efeitos potenciais nos equipamentos, especialmente, em transformadores de ultra-alta tensão. Este mesmo Conselho solicita que os transformadores com enrolamento conectados em estrela e superior a 200 kV sejam dimensionados e avaliados para a suscetibilidade de correntes geomagneticamente induzidas. Este artigo irá apresentar simulações de indução em núcleos de transformadores que causam distorções não esperadas na corrente de magnetização e que poderão causar interrupções e redução da qualidade de energia para a rede. Além disso, será relatado um caso típico de um transformador monofásico submetido a duas condições diferentes.

Fenômeno

Grandes tempestades solares, chamadas  de  ejeções  de massa coronal (CME), causam significativas alterações no campo magnético terrestre. A Figura 1 apresenta os dados obtidos pelo site da NASA para o número de atividades solares desde 1610 até 2010. A partir desses dados, observa-se que as tempestades CME têm duração de 11 em 11 anos, mas podem ocorrer variações, sendo o mínimo de tempo registrado 8 anos e o máximo 14 anos.

O distúrbio geomagnético, conhecido como GMD, tem maior incidência nos polos do planeta. Na Figura 2, é possível observar a ilustração de uma tempestade solar e sua massa sendo expelida. A Magnetosfera e a Ionosfera interagem com essa massa solar. Devido a essa interação, o campo magnético da terra é afetado.

Correntes induzidas geomagneticamente causam correntes contínuas, ou quase estáticas, indesejadas aos sistemas de potência, saturando o núcleo de transformadores. Esse fenômeno resulta uma tensão induzida que gera uma corrente contínua  de baixa intensidade que passa pelo neutro do transformador. Além da proximidade com os polos do planeta, outros fatores que influenciam na magnitude do efeito de GIC em circuitos de transmissão são a magnitude e orientação do GMD, a proximidade com grandes corpos de água, a resistência do solo e a direção, altura, tensão e comprimento das linhas de transmissão. Atualmente, visando redução de perdas, as linhas de transmissão estão cada vez maiores, mais longas e com tensões elevadas, ocasionando assim, maior ocorrência de GIC.

Confirmou-se o conceito de que o fenômeno tem escala global. Comparações com dados da Finlândia mostraram que as correntes medidas no Brasil em uma subestação de Furnas foi de aproximadamente 15A, sendo 5A/fase, cerca de 10 vezes menos intensas que as observadas em latitudes Aurorais. O grupo de pesquisa Furnas/INPE conseguiu realizar a primeira medição de GIC na América do Sul [7].

A operação segura e livre de falhas, visando a confiabilidade dos sistemas elétricos, demanda que os equipamentos a ele conectados estejam devidamente dimensionados para suportar as diversas condições de operação por toda a vida útil.

Wilerson Calil é engenheiro eletricista e, atualmente, é expert engineer da Hitachi Abb Power Grids.

Adriana Venceslau Calil é Project Manager Internship da Schneider Electric.