Transformadores a Seco São Preenchidos Com Óleo Para Reduzir o Superaquecimento — Verdade ou Falso?

Os autores questionam suas próprias afirmações. Suas opiniões sobre transformadores secos não podem ser justificadas. Como esses tipos de transformadores não contêm líquido, o transformador consiste em enrolamentos e núcleo suportados pelo ar ambiente. Os materiais isolantes utilizados no caso de transformadores secos são sólidos, significando materiais impregnados com epóxi, resina ou enrolamentos impregnados a vácuo. Há a presença de líquidos nos transformadores imersos em óleo e, portanto, os requisitos de projeto para transformadores secos não podem se aplicar a tipos de transformadores imersos em óleo. Como resultado, a principal afirmação do artigo é que o processo utilizado no artigo não é adequado para o tipo de equipamento onde é aplicado.

Em conclusão, o resultado é desfavorável. Portanto, com a inclusão de um sistema de resfriamento à base de óleo, um transformador do tipo seco é transformado em um preenchido com líquido. O resfriamento é realizado pelo ar, seja natural (ou seja, atmosférico) ou mecânico (ou seja, forçado). De acordo com a IEC 60076-11, existem diferentes tipos de isolamento térmico (Classe A (105 °C), Classe E (120 °C), Classe B (130 °C), Classe F (155 °C), Classe H (180 °C), Classe N (200 °C) e Classe C (220 °C)) com seus limites dependendo das características ambientais da classe.

A Alegação, e Por Que Está Errada

A palavra “seco” não tem nada a ver com frases de marketing, mas diz respeito a transformadores com elementos de resfriamento e isolamento que não são líquidos. A IEC emitiu a IEC 60076 -11 relacionada a transformadores secos e afirmando as unidades capazes de trabalhar com potência de 2500 kVA e tensão de 36 kV. O termo “seco” usado aqui implica que não há líquido.

A confusão nesta questão surge porque ambos os tipos de transformadores podem ser observados como iguais em termos de sua aparência, localização em subestações e compartilham os mesmos fabricantes. Ambos os tipos de transformadores são capazes de converter a energia elétrica de uma forma para outra através do núcleo feito de metal e das bobinas de cobre. O que distingue os dois é o fato de que os transformadores de potência utilizam óleo, enquanto o transformador seco usa apenas ar como meio de isolamento e resfriamento.

As duas famílias são geralmente comparadas exatamente nos critérios que esse mito inverte, e onde transformadores do tipo seco e imersos em óleo realmente diferem se resume ao meio de resfriamento, carga de incêndio, espaço ocupado, regime de manutenção e onde a unidade pode ser instalada — não a qual deles contém óleo.

O Que Realmente Resfria um Transformador do Tipo Seco

O ar é principalmente responsável por tornar os tipos secos inferiores em termos de aumento máximo de temperatura quando comparados a unidades preenchidas com óleo com classificações de capacidade idênticas.

• Desempenho térmico. A condutividade térmica do ar é estimada em aproximadamente 0,026 W/m·K. Por outro lado, a condutividade térmica do óleo de transformador é cerca de 0,12 W/m·K, o que significa que o óleo tem um desempenho térmico quatro ou cinco vezes maior do que o ar. Este único valor esclarece as diferenças entre os grupos de espécies.
• Métodos de resfriamento. O ar natural (AN) realiza o resfriamento apenas por convecção, enquanto o ar forçado (AF) requer a instalação de ventiladores que produzem um desempenho de resfriamento de curto prazo aumentado. Outra alternativa, que é um tipo híbrido, é conhecida como ANAF, que significa resfriamento natural do ar em carga normal e realizando resfriamento através do uso de ventiladores em carga total. Note que a instalação de conjuntos de ventiladores torna esse tipo mais barulhento e aumenta a manutenção, o que deve ser destacado quando alguém afirma que está visando apenas o AF devido às suas supostas vantagens.
• Despejo e circulação de ar. A maioria dos fabricantes recomenda garantir pelo menos 300 mm de espaço livre das paredes para resfriamento natural do ar ou reduzir o espaço livre mínimo para cerca de 150 mm ao usar resfriamento forçado de ar. O valor acima deve ser considerado ao planejar a instalação de equipamentos, pois as recomendações de fabricação formulam limitações claras.
• A limpeza é crucial para a eficácia do resfriamento, pois a presença de poeira nas bobinas e nos canais de resfriamento pode levar a perdas de eficácia que chegam a 15-30%. É por isso que os programas de manutenção periódica de tipo seco preveem limpeza regular, enquanto os equivalentes preenchidos com óleo não fornecem recomendações ou requisitos.
• A altitude e os parâmetros ambientais têm efeitos adversos no funcionamento do resfriamento.

O método de resfriamento também se torna a convenção de nomenclatura na ficha técnica, e as unidades de tipo úmido usam as mesmas letras de forma diferente — a comparação da tecnologia de resfriamento entre os tipos de transformadores, incluindo variantes forçadas por óleo, é apresentada nesta visão geral de métodos de resfriamento de transformadores, que é uma referência útil quando uma especificação cita ONAN, ONAF ou OFAF e você precisa saber a que as letras comprometem o fornecedor.

Classes de Isolamento e Limites de Aumento de Temperatura

É aqui que a classificação de um transformador de tipo seco se torna relevante, portanto, a precisão é crucial. Não há óleo que ajude a dissipar o calor, então o sistema de isolamento sólido deve suportar as temperaturas para as quais foi projetado; a IEC 60076-11 descreve tanto a classe de isolamento quanto o aumento máximo de temperatura permitido em relação à temperatura ambiente.

• Classe A (105 °C) — aumento de temperatura da bobina de 60 K. Equipamento mais antigo.
• Classe E (120 °C) — 75 K. Isso não é muito comum hoje em dia.
• Classe B (130 °C) — 80 K. Frequentemente usado em aplicações gerais.
• Classe F (155 °C) — 100 K. Isso é o que normalmente é usado para aplicações de distribuição.
• Classe H (180 °C) — 125 K. Usado em condições operacionais mais exigentes com cargas mais altas.
• Classe N (200 °C) — 135 K. Esta classe é usada em aplicações especiais.
• Classe C (220 °C) — 150 K. Amplamente utilizada na América do Norte em instalações VPI de tipo seco; a 150 K de temperatura, a temperatura do ponto quente na carga nominal excede 210 °C.

Em comparação, um transformador imerso em óleo que atende aos padrões IEC 60076-2 e ANSI com um aumento máximo de temperatura de 65 K e um aumento médio no óleo superior acreditado de não mais que 55 K mantém uma temperatura de ponto quente de 78 °C acima do nível ambiente. O óleo não está lá para resfriar o transformador, mas sim para alcançar uma eficiência alta o suficiente no processo de remoção de calor e fornecer isolamento dielétrico entre as espiras principais e as bobinas subsequentes.

Isso é importante para os negócios no contexto do envelhecimento térmico. A equação de Arrhenius afirma que a vida útil do isolamento é reduzida pela metade a cada aumento de 10 °C na temperatura mantida. Portanto, um transformador de tipo seco que excede o ponto quente em 20 °C perderia não apenas uma fração de sua vida útil, mas a maior parte dela, com sua falha se manifestando na falha do isolamento muito depois da falha, em vez de dar qualquer indicação antes. É também por isso que a construção da bobina e o sistema de isolamento, e não a embalagem, decidem o que um transformador de tipo seco pode realmente suportar, e o detalhe em nível de componente por trás disso é explorado em o que está dentro de um transformador de tipo seco e por que cada parte é importante.

Três Construções, Três Produtos Diferentes

Com “tipo seco” não sendo uma distinção independente, mas mais um conceito abrangente, podemos ver que as três principais variedades se comportam de forma diferente o suficiente para não serem usadas de forma intercambiável.

• Resina de fundição. Em termos básicos, encapsulamos as bobinas em resina sob vácuo, formando um corpo sólido de isolamento, com boas propriedades mecânicas e uma grande resistência à água, poeira e agressão química. A descarga parcial se torna um grande problema aqui, uma vez que a falha geralmente começa em sólidos devido a vazios, e essa é a razão pela qual a organização IEC 60076-11 torna o teste de descarga parcial obrigatório. Isso é típico para redes de distribuição internas.
• Método de resina encapsulada e VPI. Nesta técnica, em vez de fazer uma bobina usando o método de fundição, primeiro a impregnamos com resina em uma câmara de vácuo de alta pressão, obtendo um sistema de isolamento robusto de classe H ou classe C com boa tolerância a sobrecargas. Este método se tornou bastante comum nos EUA, especialmente em trabalhos de retrofit.
• Tipo aberto ou ventilado. Aqui, a bobina é apenas envolvida em uma cobertura enquanto depende do fluxo de ar e geralmente de uma classe de isolamento mais alta em geral. Este método geralmente não é tão caro e os níveis de proteção alcançam IP20 ou IP23.

A classificação da embalagem não depende das preferências dos proprietários, mas do tipo de ambiente em que a unidade é utilizada: por exemplo, a classificação IP00 seria usada no caso de bobinas abertas sendo colocadas em uma sala especialmente designada, IP20 seria no caso de ser instalada dentro de uma sala fechada. Um produto representativo neste espaço é o Transformador de distribuição seco do tipo resina fundida da série SCB para sistemas de 6–10 kV, onde o enrolamento encapsulado em epóxi, a classe de isolamento especificada e o núcleo de baixa perda são os parâmetros que decidem a adequação, em vez do valor de kVA sozinho.

Onde os Tipos Secos São Usados e Por Que o Mito Persiste

A razão pela qual transformadores secos são usados é a segurança. A ausência de líquido implica que não haverá vazamentos de óleo, nenhuma contenção em bunded, nenhuma vala de contenção de óleo, nenhuma carga de incêndio de centenas de litros de líquido em chamas dentro do edifício e nenhuma exigência de testes periódicos de óleo. Isso torna possível usá-los em ambientes internos, próximos às áreas de trabalho, em túneis, em plataformas offshore, bem como dentro de centros de dados.

Os exemplos de aplicação incluem:

• Centros de dados e instalações de TI, incluindo salas de média tensão, isoladores de UPS e reduções de PDU, lugares onde não há chance de recuperação de um incidente de vazamento de óleo.
• Hospitais, aeroportos, shoppings, edifícios altos, etc., onde, devido a restrições na estratégia de incêndio, não há possibilidade de uso de transformadores preenchidos com óleo perto de pessoas.
• Indústria de energia renovável, onde as aplicações de nacelle, torre ou inversor podem ser justificadas devido ao acesso caro para manutenção e volume de envoltório limitado.
• Fábricas industriais e utilitários onde as consequências de vazamentos de óleo podem ser vistas como perigosas e onde medidas de segurança seriam necessárias.
• Subestações urbanas e subterrâneas onde a área ocupada e o risco de incêndio são questões essenciais e transformadores do tipo seco podem ser usados onde um do tipo óleo precisaria de uma sala de proteção contra incêndio especificamente equipada com classificação de incêndio.

Projetos reais nesse espaço geralmente são especificados com a mesma lógica, e uma instalação entregue dá uma melhor noção disso do que uma ficha técnica — por exemplo, os transformadores secos fornecidos para um projeto de fornecimento de energia dupla no Paquistão mostram o padrão: fornecimentos duplos, instalação interna, sem contenção de óleo e um esquema de proteção construído em torno do transformador em vez de em torno do risco do próprio transformador.

O mito se origina de três fontes.

• Produtos sinônimos. Quase todos os fabricantes comercializam ambos os tipos, e os produtos resfriados a óleo frequentemente ocupam o primeiro lugar no catálogo, pois se mostram menos caros em utilização. Assim, a pessoa que folheia o catálogo veria o termo óleo nele e assumiria que todos os produtos apresentados junto com ele são resfriados a óleo.
• Confusão de termos verdadeiros. Palavras como ONAN e ONAF descrevem tipos de resfriamento, e as mesmas letras estão presentes em transformadores do tipo seco com um significado diferente. Por exemplo, “AN” significa ar natural no caso de transformadores do tipo seco.
• A confusão é funcional e não cosmética. Transformadores resfriados a óleo realmente apresentam melhor desempenho em termos de prevenção de superaquecimento, o que torna a frase “óleo previne superaquecimento” verdadeira se aplicada à outra família de transformadores. O erro aqui é o fato de que essa afirmação é atribuída ao tipo errado de transformador.

O que Verificar Antes de Comprar

Cinco fatores contribuem significativamente e todos devem estar presentes na ficha técnica em vez de serem discutidos em detalhes durante as conversas de vendas.

• Classificação de isolamento e aumento de temperatura. Classe F com 100 K e Classe H com 125 K resultam em dois produtos diferentes, embora possuam a mesma kVA. Certifique-se da existência tanto da classe quanto do nível de aumento de temperatura, e garanta as condições de temperatura ambiente.
• Condições de resfriamento e presença de ventiladores. AN, AF ou ANAF estão incluídos, assim como o nível de ruído para um dispositivo localizado próximo à área ocupada.
• Classificação IP da caixa e seu efeito na classificação contínua nas instalações do local.
• Perdas e classificação de eficiência. As perdas em vazio e as perdas em carga formam o custo operacional durante todo o tempo de sua operação. Elas estão sujeitas a regulamentações em certos países, como por exemplo, a GB/T 10228-2023 que prevê as definições de classes de eficiência na China, enquanto as regulamentações ErP Tier 2 controlam a qualidade do produto no mercado europeu.
• Requisitos de certificação. A IEC 60076-11 é uma norma internacionalmente aceita e a UL 1562 é uma norma para transformadores de tipo seco de uso geral e transformadores de potência utilizados na América do Norte.

Uma palavra importante sobre preço: transformadores de tipo seco são geralmente mais caros do que transformadores a óleo do mesmo tipo e a razão para isso. Não se deve à melhor performance dessas unidades, mas sim ao fato de que não utilizam óleo. Geralmente, são muito mais baratos durante todo o período de instalação e mais caros na fase inicial.

Perguntas Frequentes

Transformadores de tipo seco são preenchidos com óleo?

Não. Não há meios líquidos em transformadores de tipo seco para fins de resfriamento ou isolamento. Em vez disso, os transformadores de tipo seco dependem do ar para resfriamento, seja através de resfriamento natural, como nos transformadores do tipo AN, ou artificial, como nos transformadores do tipo AF. Eles também utilizam materiais de isolamento sólido, como isolamento de resina epóxi fundida ou enrolamentos impregnados com resina. A norma IEC 60076-11 trata de transformadores de tipo seco, que é válida para transformadores com potência nominal de 2500 kVA e tensão nominal de 36 kV.

Por que os transformadores de tipo seco têm limites de aumento de temperatura mais baixos do que os imersos em óleo?

Sabe-se que o ar é um condutor de calor muito pior em comparação com o óleo. Com a condutividade térmica sendo 0,026 W/m·K para o ar em comparação com cerca de 0,12 W/m·K para o óleo isolante, o transformador seco não consegue dissipar rapidamente o excesso de calor das bobinas. Para que o isolamento permaneça bom o suficiente durante todo o período de 30 anos de uso, é necessário que a temperatura das bobinas não aumente muito rapidamente—60 K no caso do isolamento classe A e 150 K do isolamento classe C, que estão especificados na IEC 60076-11. Com o transformador a óleo, foi observado que a temperatura das bobinas aumentou para 65 K enquanto a temperatura do óleo subiu 55 K.

Como um transformador de tipo seco se resfria sem óleo?

A transferência de energia ocorre através de três formas. A transmissão da bobina para a isolação sólida pode ocorrer através da condução, do invólucro para o ar ambiente através da convecção, e através da radiação do invólucro. A convecção natural (AN) é suficiente para quase todas as aplicações onde há espaço suficiente para que esse processo ocorra a cerca de 300 mm de qualquer parede ou 150 mm quando o resfriamento for forçado. Para atender aos requisitos de capacidade aumentada mantendo o mesmo tamanho básico da unidade, ventiladores são ou instalados (AF) ou instalados sob a condição de seu funcionamento apenas quando necessário (ANAF). Em termos de cuidado, a cobertura de poeira das bobinas e dos canais de resfriamento diminuiria a eficiência dos sistemas em 15-30%.

Qual é melhor, um transformador do tipo seco ou um transformador imerso em óleo?

Nenhum dos tipos de transformadores é geralmente preferido; em vez disso, eles são feitos para diferentes aplicações. Se a segurança contra incêndios, a instalação em ambientes internos, a proximidade com pessoas, a segurança ecológica e a manutenção difícil impedirem seu uso (como em centros de dados, hospitais, edifícios altos, túneis, subestações offshore e urbanas), o transformador do tipo seco deve ser utilizado. O transformador preenchido com óleo deve ser selecionado se o baixo custo por kVA, operação em alta temperatura, instalação externa em área contenida, ou facilidade de manutenção do óleo forem necessários, o que geralmente é exigido para grandes distribuições e transmissões externas. Os tipos de transformadores não são mutuamente exclusivos; de fato, é comum que um local utilize transformadores a óleo nas subestações de entrada e transformadores do tipo seco em suas estações de distribuição.

Referências

1. Comissão Eletrotécnica Internacional — IEC 60076-11, transformadores de potência do tipo seco
2. UL Standards & Engagement — UL 1562, Transformadores, Distribuição, Tipo Seco
3. NFPA 70, Código Elétrico Nacional — Artigo 450, transformadores e cofres de transformadores
4. Schneider Electric — documentação de aplicação e seleção de transformadores do tipo seco
5. Siemens — material de referência sobre tecnologia de transformadores e métodos de resfriamento

Conclusão

Transformadores do tipo seco têm princípios de construção diferentes dos transformadores tradicionais porque operam sem óleo como isolante. Apesar do fato de que os transformadores do tipo seco perdem alguma resistência térmica e não utilizam fluidos combustíveis como materiais isolantes, esses transformadores podem ser instalados em locais como centros de dados, hospitais, túneis e porões sem necessidade de gerenciamento de derramamentos, serviços de combate a incêndios ou monitoramento de óleo. O problema com a compreensão do transformador do tipo seco deve-se ao princípio de operação semelhante tanto para transformadores preenchidos com óleo quanto para transformadores do tipo seco e à existência do mesmo vocabulário entre ambos. As instruções relacionadas a este tipo de transformador fornecem informações suficientes sobre o sistema de isolamento, aumento de temperatura e vários métodos de resfriamento.