Ensaios de desenvolvimento realizados pelo INRI, em transformadores

Os transformadores de potencial são dispositivos utilizados com o objetivo de controlar a corrente e a tensão para transmitir potência a alguma localidade consumidora; portanto, devem ser seguros, passando pelos ensaios necessários. Nesse âmbito, os ensaios de desenvolvimento realizados pelo INRI, em transformadores, nesse momento, buscam ajudar no desenvolvimento de produto.

Qual é a função desempenhada pelo transformador no sistema elétrico de potência?

Primeiramente, antes de falar dos ensaios, é necessário entender que em se tratando do objetivo de transmitir ou distribuir potência para consumidores, o transformador atua elevando a tensão (até 50 kV para casos de distribuição e, normalmente, entre 130 e 750 kV para transmissão). Isso porque, para uma mesma potência fixa, quanto maior a tensão, menor a corrente e, consequentemente, menores perdas e fios mais finos.

Ademais, uma vez que essa potência chega próxima ao ponto de consumo, tem-se outro transformador que abaixa essa tensão para os valores de consumo residencial (normalmente 380/220 V ou 220/127V). Assim, é possível entender a importância do transformador no mundo industrializado, atualmente, visto que os eletrônicos que utilizamos necessitam de energia elétrica para funcionar.

Onde o Programa Brasileiro de Etiquetagem entra nesse contexto?

Nesse contexto, o PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem, responsável por garantir ao consumidor que o transformador está em perfeito funcionamento, através da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia, determina que sejam realizados os seguintes ensaios: 

• Resistência dos enrolamentos
• Perdas em vazio, corrente de excitação e distorções harmônicas
• Perdas em carga e impedância de curto circuito
• Relação de transformação
• Deslocamento angular
• Polaridade
• Sequência de fases
• Elevação de temperatura
• Suportabilidade de Impulso Atmosférico

INRI setor Média Tensão – Instituto de Redes Inteligentes

Qual a função que o Instituto de Redes Inteligentes desempenha, atualmente, nos transformadores?

Uma vez entendidos os seguintes tópicos:

• A importância do transformador e seu funcionamento básico geral
• O Instituto de Redes Inteligentes está atuando nos ensaios de desenvolvimento dos produtos, pois está em processo de acreditação junto ao INMETRO.

Segue a descrição, nas palavras do Prof. Rafael Concatto Beltrame, Gerente Técnico do laboratório INRI setor média tensão,dos ensaios de desenvolvimento realizados pelo INRI, em transformadores:

• Resistência de Enrolamentos
  • Medição da resistência CC dos enrolamentos de alta e baixa tensão do transformador (em cobre ou alumínio).
  • Nessa medição, emprega-se uma ponte Kelvin, também conhecida por miliohmimetro (JMAN Monitek 9930, que mede resistências de 0,001 a 1000 Ohms)
  • Esse ensaio não reprova o transformador, mas seus dados são empregados para a estimativa das perdas Joule nos enrolamentos.

• Relação de Transformação
  • Medição da relação de espiras entre as bobinas de alta e baixa tensão do transformador.
  • Emprega-se um TTR — Transformer Turn-Ratio (JMAN Monitek 9610, que mede relações de 30 a 300).
  • Esse ensaio pode reprovar o transformador caso a relação apresente um erro superior à 0,5% com relação à norma.

• Impedância de Curto-Circuito e Perdas em Carga
  • Também conhecido como ensaio de curto-circuito, já que o transformador é alimentado pela alta tensão com a baixa em curto (não confundir com o ensaio de capacidade de curto-circuito, que é destrutivo e poucos laboratórios realizam).
  • Emprega-se um wattímetro/termômetro (JMAN Monitek 9451).
  • Aplica-se a corrente nominal do transformador e se mede simultaneamente as perdas Joule nos enrolamentos de alta e baixa tensão.
  • Já que o transformador está em curto e se conhece a tensão aplicada no ensaio, também é possível determinar a impedância de curto-circuito (normalmente fornecida em pu. ou valor percentual).
  • Isoladamente, esse ensaio não reprova o transformador. As perdas totais (soma das perdas em carga e das perdas em vazio) podem reprovar o transformador.

• Perdas em Vazio e Corrente de Excitação
  • Também conhecido como ensaio de circuito-aberto, já que o transformador é alimentado pela baixa tensão com a alta em aberto.
  • Emprega-se um wattímetro/termômetro (JMAN Monitek 9451).  
  • Aplica-se a tensão nominal do transformador e se mede as perdas no núcleo (devido às correntes parasitas, histerese e adicionais).
  • Já que o transformador está em vazio e se conhece a corrente consumida, também é possível determinar a corrente de excitação.
  • Esse ensaio pode reprovar o transformador.

• Elevação de Temperatura
  • Também conhecido como ensaio de aquecimento. Sua duração varia de 8 a 24h, dependendo da potência do transformador. 
  • Emprega-se um wattímetro/termômetro (JMAN Monitek 9451).
  • Sua configuração elétrica é equivalente à do ensaio de perdas em carga, porém controla-se a potência dissipada pelo transformador.
  • Mede-se a temperatura ambiente (3 sensores) e a temperatura no topo do óleo (1 sensor).
  • Esse ensaio pode reprovar o transformador caso a elevação de temperatura (Tóleo – Tambiente) exceda o limite definido na norma (50, 60 ou 70ºC).
  • Além disso, durante esse ensaio também realiza-se a medição da resistência ôhmica dos enrolamentos para determinar, de modo indireto, a temperatura média de operação dos condutores.  Esse ensaio também pode reprovar o transformador caso a elevação de temperatura (Tcondutores – Tambiente) exceda o limite definido na norma (55, 65 ou 75ºC).  

• Tensão Suportável à Frequência Industrial
  • Também conhecido como ensaio de tensão aplicada.
  • Usa-se um transformador de potencial (TP) auxiliar para aplicar uma diferença de potencial simultaneamente entre os três enrolamentos de alta e os três enrolamentos de baixa tensão do transformador. Normalmente, se trabalha com o dobro da tensão nominal por 1 min.
  • Esse ensaio pode reprovar o transformador caso romper-se o isolamento interno (ensaio destrutivo).

• Tensão Induzida de Curta Duração
  • Sua configuração elétrica é equivalente à do ensaio de perdas em vazio (com alimentação pela baixa tensão), porém usualmente se aplica o dobro da tensão nominal do transformador por 1 min — na verdade, quanto maior a tensão, menor o tempo requerido, ao limite mínimo de 15 s. Devido à alimentação ocorrer com o dobro da tensão, também se dobra a frequência (120 Hz) para evitar a saturação do núcleo magnético.
  • Esse ensaio pode reprovar o transformador caso romper-se o isolamento interno (ensaio destrutivo).

• Tensão Suportável de Impulso Atmosférico
  • Emprega-se um gerador de impulso (GI) (HVEX, que aplica impulsos de até 800 kV e 40 kJ), que basicamente é um grande banco de capacitores que é carregado com a tensão de impulso (NBI ou nível básico de impulso), que varia de acordo com a classe de tensão do transformador ensaiado.
  • Aplica-se o impulso a uma bucha do transformador com todas as demais buchas aterradas. Por exemplo, em um transformador trifásico, uma fase da AT é alimentada pelo GI e as demais 7 buchas (2 fases restantes da AT, 3 fases da BT, 1 Neutro e 1 Terra) são aterrados. Repete-se esse procedimento para as 6 fases do transformador (3 da AT e 3 da BT). Mede-se simultaneamente a tensão aplicada (forma de onda impulsiva) e a corrente.
  • Esse ensaio pode reprovar o transformador caso romper-se o isolamento interno (ensaio destrutivo). Essa informação é obtida a partir da comparação das formas de onda com impulso reduzido (por exemplo, metade do NBI) e pleno (no NBI).

No momento, o ensaio de suportabilidade a impulso atmosférico não está sendo realizado devido a problemas no Gerador de Impulso. No entanto o mesmo já está em manutenção e logo será implementado novamente aos ensaios de desenvolvimento realizados pelo INRI, em transformadores.

Em resumo, ensaios realizados no PBE buscam determinar os parâmetros do transformador, como relação de transformação, suportabilidade a vários níveis de tensão e frequência, bem como elevação de temperatura e suportabilidade de dielétrico. Se o transformador é aprovado nesses ensaios, ele está apto para receber a ENCE e quem o compra tem a garantia de qualidade do produto. 

Ademais, os ensaios ensaios de desenvolvimento realizados pelo INRI, em transformadores, buscam auxiliar o desenvolvimento do produto, visto que o Instituto de Redes Inteligentes está em acreditação junto ao INMETRO.

Siglas: 

• PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem.
• ENCE – Etiqueta Nacional de Conservação de Energia.
• INRI – Instituto de Redes Inteligentes UFSM.
• AT – Alta Tensão.
• BT – Baixa Tensão.
• GI – Gerador de Impulso.
• TP – Transformador de Potência.
• INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia.

OBS: Todas as informações contidas nesse texto estão presentes na ABNT NBR 5356-11-2016 Versão corrigida 2016.