Quando você pergunta a cinco engenheiros a distinção entre um transformador de potência e um transformador de distribuição, você obtém cinco respostas diferentes. Em um projeto, por exemplo, um transformador montado em base de 2.500 kVA será chamado de transformador de distribuição, enquanto em outro projeto, esse mesmo equipamento pertencerá à categoria de pequenos transformadores de potência. Este artigo examinará as definições nas normas, as implicações práticas dessas definições e como identificar a categoria à qual um determinado transformador pertence com base em sua placa de identificação, classe de resfriamento ou uma imagem da instalação em questão.
Em resumo: Um transformador de potência transmite corrente de alta capacidade do nível de transmissão para o nível de subtransmissão; seus níveis de tensão padrão começam em 33 kV e superiores, com um nível de potência de 500 kVA a centenas de MVA, e sua construção opera em capacidade máxima passando 90-100% de carga. Por outro lado, um transformador de distribuição converte tensão de média para baixa na faixa de 35 kVA a 500 kVA, com tensão primária de 11 kV a 35 kV e tensão secundária do transformador em torno de 230-480 V, e sua operação é baseada em níveis de carga de 50% a 75%, pois a carga não é constante. A empresa Subian produz transformadores imersos em óleo da classe de distribuição e transformadores do tipo seco, portanto, sua linha de produtos consiste principalmente em transformadores da classe de distribuição.
A maneira mais clara de diferenciá-los: posição na cadeia
Esqueça a placa de identificação por um segundo e concentre-se na localização da unidade. A unidade de geração sobe para o nível de tensão de transmissão na instalação de geração. A unidade de transmissão transporta essa tensão por todo o país. Em seguida, a subtransmissão e a distribuição primária a reduzem gradualmente. O transformador responsável pela última diminuição – aquele que alimenta um prédio ou uma rua – é um transformador de distribuição, independentemente de seu kVA.
Tudo antes da última diminuição, começando pela unidade de aumento de gerador até a subestação de interligação, é um transformador de potência. Ele não tem uma ligação direta com nenhum consumidor. A luz não diminui para uma única pessoa quando um transformador de potência é ligado; no entanto, para toda uma região, diminui. Este único fato sobre sua conexão com os usuários finais explica quase toda variação de design, desde o ciclo de trabalho até a importância dada ao tamanho da unidade.
Tensão e capacidade: onde a indústria traça a linha
IEEE 141 descreve a divisão tradicional de capacidade. De acordo com ela, a capacidade para o tipo de distribuição varia entre 3 e 500 kVA, enquanto o tipo de potência cobre todas as capacidades a partir de 500 kVA. Da mesma forma, a norma IEEE C57.12.00, que estabelece os requisitos gerais para transformadores imersos em líquido, tem o mesmo valor demarcador para o tipo de transformadores. Isso significa que este permanece o padrão aceito, mas há pequenas variações entre os fabricantes e as empresas que realizam o trabalho efetivo em campo.
| Parâmetro | Transformador de potência | Transformador de distribuição |
|---|---|---|
| Tensão primária | 33 kV a 765 kV | 11-35 kV (classes dos EUA 15 / 25 / 35 kV) |
| Tensão secundária | 33 kV a 220 kV em nós de transmissão | 230-480 V (480/277 V, 208/120 V, 400/230 V) |
| Capacidade nominal | Acima de 500 kVA; comumente 5-500 MVA | 3-500 kVA conforme IEEE 141; até 2.500 kVA na prática |
| Classe de tensão | HV e EHV | MV primário, LV secundário |
| Onde vive | Estações geradoras, subestações de transmissão, interconexões | Postes, bases, cofres, salas elétricas internas |
| Quem atende | Redes e concessionárias | Usuários finais, edifícios, indústria leve |
Neste domínio, a categoria de tensão é vista como a ferramenta de identificação mais confiável. Se a tensão secundária utilizada estiver dentro das faixas de tensão de utilização, estamos lidando com um transformador de distribuição. Por outro lado, se ambas as bobinas estiverem operando no nível de transmissão, estamos lidando com um transformador de potência, mesmo que os desenhos possam indicar que ele é muito pequeno em tamanho.
Ciclo de trabalho e eficiência: a diferença que realmente custa dinheiro
As pessoas subestimam quase completamente a importância das perdas de ferro e cobre. As perdas de ferro (sem carga) ocorrem continuamente 24 horas por dia, e as perdas de cobre (sob carga) dependem do quadrado da corrente instantaneamente. Transformadores de potência operam muito próximos às suas classificações de placa continuamente, é por isso que o projetista iguala as perdas de cobre e ferro na carga máxima e torna a densidade de fluxo alta o suficiente para diminuir o núcleo. Transformadores de distribuição operam continuamente, mas fornecem energia apenas durante as horas de pico, é por isso que o projetista trabalha para minimizar as perdas de ferro e aceita o fato de que as perdas de cobre prevalecerão na carga máxima. A eficiência do transformador de distribuição fica em torno de 50%-75%.
Como resultado, a eficiência ordinária calculada por meio da carga total está totalmente errada para o dispositivo de distribuição. A eficiência ao longo do dia, calculada como a energia total saída por 24 horas dividida pela energia total entrada do transformador, é a melhor opção para esta situação. O transformador de 100kVA que tem 300W de perdas de ferro e 1.200W de perdas de cobre na carga total pode demonstrar 98.7% de eficiência ao longo do dia durante o ciclo de carga realista, apesar da eficiência instantânea flutuante.
É por isso que a potência e seu dimensionamento correto são de extrema importância no lado da distribuição do que normalmente se espera. Se a unidade estiver superdimensionada, as perdas de ferro operam na unidade que nunca funciona. Se o transformador estiver subdimensionado, as perdas de cobre trazem penalidades a cada pico. O perfil de carga, não apenas a demanda de pico, é o que deve direcionar a seleção de kVA, e um cálculo de carga adequado geralmente resultará em uma unidade menor do que a carga conectada sugere.
Diferenças de design que você pode ver e medir
Ao se aproximar de um transformador, pode-se ver os muitos elementos de design. Transformadores de potência são grandes recipientes preenchidos com óleo, equipados com conservadores, radiadores, respiradouros e, às vezes, múltiplos métodos de resfriamento, começando com resfriamento natural conhecido como ONAN, e passando para ONAF, OFAF ou OFWF, dependendo da carga e da temperatura ambiente. Qual dessas duas famílias você acaba escolhendo é frequentemente decidido pela localização da unidade, em vez da carga, porque transformadores imersos em óleo e transformadores do tipo seco têm obrigações completamente diferentes de separação de fogo e manutenção.
| Aspecto de design | Transformador de potência | Transformador de distribuição |
|---|---|---|
| Classe de resfriamento | ONAN / ONAF / OFAF / OFWF, às vezes água | ONAN ou tipo seco (AN/AF) |
| Densidade de fluxo | Mais alta, operando perto do joelho da curva B-H | Mais baixa, trocada por eficiência ao longo do dia |
| Comutador de derivação | Mudança de tomada sob carga (OLTC) comum, frequentemente ±8 etapas ou mais | Mudança de tomada fora de circuito (OCTC), tipicamente ±2 × 2.5% |
| Impedância (%Z) | Selecionado para coordenação de falhas e estabilidade da rede, frequentemente 8-20% | Selecionado para limitar a corrente de falha e controlar a queda de tensão, comumente 2.5-7.5% |
| Proteção | Proteção diferencial, relé Buchholz, DGA, integração SCADA | Fusíveis HV, para-raios, medidor de temperatura, sensoriamento remoto ocasional |
| Massa | Dezenas a centenas de toneladas em fundações permanentes | Montável em poste ou base, ocasionalmente abaixo de 100 kg do tipo seco |
| Vida útil típica | 25-40 anos | 15-25 anos |
A primeira dessas linhas trata da mudança de tomada: um OLTC significa que o transformador pode controlar a tensão enquanto energizado, o que é útil se uma unidade precisar controlar o perfil de tensão em toda a região. Para o transformador de distribuição, será definido na comissionamento e depois esquecido, já que ninguém gostaria de desconectar um bairro apenas para ajustar a tomada durante a carga de pico. A próxima linha discute a impedância. Seu valor é escolhido para que a corrente de falha que atinge o equipamento de serviço do cliente seja limitada. Esta também é a razão pela qual %Z para unidades de 500 kVA é tipicamente menor do que para o transformador de potência do mesmo tamanho.
Tipos e subcategorias de cada lado
Nenhuma categoria é monolítica, e as subcategorias dizem o que a unidade é antes de você ler uma única classificação. Montado em pad e tipo seco transformador de distribuição As configurações representam a grande maioria das consultas industriais e comerciais, então essas são as duas linhas que vale a pena conhecer bem.
| Classe | Tipos comuns | Uso típico |
|---|---|---|
| Potência | Aumento de tensão do gerador (GSU) | Aumenta a saída do gerador para a tensão de transmissão |
| Autotransformador de transmissão | Interconecta dois níveis de tensão de transmissão | |
| Transformador de interligação de subestação / sistema | Reduz a transmissão para subtransmissão | |
| Distribuição | Montado em poste (aéreo) | Áreas residenciais com linhas aéreas; IEEE C57.12.20 |
| Montado em base | Distribuição subterrânea suburbana e comercial; IEEE C57.12.34 | |
| Submersível / poço | Subterrâneo urbano, sujeito a inundações | |
| Tipo seco | Uso interno — hospitais, centros de dados, salas elétricas em edifícios altos |
A linha de tipo seco também é importante. Não há óleo para inflamar inicialmente e não é necessário contenção, tornando os transformadores de distribuição tipo seco os melhores candidatos para uso interno onde um transformador preenchido com líquido teria que cumprir regras de separação contra incêndio. O lado negativo, no entanto, é o nível de ruído e o fato de que os transformadores tipo seco são principalmente destinados a classificações mais baixas na mesma área. Portanto, geralmente é o código de construção e não o engenheiro que decide colocar um transformador tipo seco em vez de um preenchido com líquido.
Normas e testes: o que muda com a classe
As classes têm as mesmas origens, embora seus conteúdos diferem entre si. IEEE C57.12.00 trata dos requisitos básicos para transformadores líquidos. IEEE C57.12.10 é destinado a transformadores de potência, enquanto IEEE C57.12.20 é destinado a transformadores aéreos e IEEE C57.12.34 é destinado a transformadores montados em pad. Internacionalmente, o papel desses documentos é assumido pela IEC 60076 e as normas ANSI/IEEE são referidas em caso de envolvimento de utilidades americanas.
Existem duas ações regulatórias que podem ser tomadas em relação a um equipamento de distribuição que raramente são abordadas no caso de especificação de transformador de potência. A primeira é a regulamentação de eficiência energética; nos EUA, as regulamentações de eficiência energética do DOE se aplicam a equipamentos de distribuição e a razão é que é necessário indicar perdas em vazio e em carga testadas com as tolerâncias relevantes. Essa redação transforma uma ficha de especificação de transformador em um documento contratual em vez de um folheto, e os números de perda garantidos são o que o teste de fábrica é medido. Outro benefício é que a produção das unidades de distribuição é realizada em massa, de modo que estão sujeitas à mesma conformidade para todos os usos, ao contrário de ter que passar por diferentes verificações no local. Isso leva ao fato de que é muito mais importante obter o certificado de testes do que receber um folheto de marketing.
Qualquer que seja o tipo que você esteja adquirindo, você precisa solicitar a lista de testes de rotina de acordo com as especificações: parâmetros de relação de transformação e fase, impedância de curto-circuito (medição de impedância), perdas em vazio, perdas em carga e valores de resistência de isolamento. Peça o certificado de teste de rotina real que corresponde ao número de série, em vez de um relatório de teste de tipo emitido para a família de produtos.
Onde a fronteira realmente se confunde
Aqui estão três pontos que tornam a linha de 500 kVA confusa para as pessoas envolvidas na assistência à produção.
Primeiro, grande distribuição. As concessionárias realmente solicitam transformadores montados em pad de 1.000, 1.500 ou 2.500 kVA em qualquer alimentador de distribuição. Pela definição da IEEE 141, essas unidades são classificadas como transformadores de potência, mas suas capacidades funcionais, instaladas e intenções de design devem sugerir que pertencem à categoria de transformadores de distribuição. De maneira geral, pode-se dizer que a prática nos EUA é mais focada na funcionalidade do que na classificação.
Segundo, transformadores elevadores em instalações geradoras. Por exemplo, um transformador de 1.500 kVA que eleva a tensão de 480V para 13,8 kV em uma instalação solar pode ser tanto um transformador de potência quanto um transformador de distribuição. Tudo depende da especificação feita pelo cliente em relação às características operacionais exigidas da unidade, incluindo classe de resfriamento, presença de chave de derivação, nível de impedância, etc.
Terceiro, grupos vetoriais e interconexão. Uma vez que você está paralelizando transformadores, a compatibilidade do grupo vetorial se torna a restrição governante, independentemente da classe, então duas unidades de classificação semelhante de classes diferentes podem ser eletricamente incompatíveis, enquanto duas unidades de décadas diferentes funcionam felizes em paralelo. Se você errar o grupo vetorial, a corrente circulante o encontrará, então esta é uma questão de configuração, não uma questão de classe.
Qual você realmente precisa?
Comece com os requisitos da carga. Se a tensão secundária corresponder àquela utilizada pelo equipamento, você precisará usar um transformador de distribuição, o que significa que o processo de seleção será um cálculo simples baseado no perfil de carga, onde através do kVA, pode-se avaliar a carga de pico, o crescimento futuro da carga e escolher o sistema de resfriamento e a solução de montagem. Se em ambos os lados do transformador a tensão for a tensão atual, então o transformador é considerado um transformador de potência, pois o principal propósito da unidade é conectar os sistemas, em vez de cumprir sua função de acordo com a carga. Isso significa que o processo de especificação dependerá do nível de falha e da impedância.
Existem dois erros principais que geralmente são cometidos ao comprar um transformador: o primeiro é comprar um transformador subdimensionado que não consegue atender às cargas de pico, e o segundo é comprar uma unidade com especificações de transformador de potência, quando na verdade é possível comprar um transformador de distribuição, que também cobrirá a carga.
O problema pode ser evitado realizando um estudo aprofundado antes de tomar qualquer decisão de compra.
A Subian produz uma gama de produtos no segmento de equipamentos de distribuição, como transformadores de distribuição, transformadores de instrumentação e sistemas de aterramento neutro. A empresa não possui transformadores de potência em estoque e informaremos os clientes sobre isso em caso de um projeto que necessite de um. Caso haja a necessidade de criar um perfil de carga, atenderemos a essa exigência juntamente com os resultados dos testes necessários.
Perguntas Frequentes
Quais são os quatro principais tipos de transformadores?
Existem quatro categorias bem conhecidas de transformadores com base em seu princípio de funcionamento. A classificação mais útil para os compradores segmenta os transformadores em transformador de potência, transformador de distribuição, transformador de instrumentação (corrente e tensão) e transformador seco. Na maioria dos casos, projetos industriais envolvem o uso não de transformadores de potência, mas dos últimos três tipos de transformadores.
Qual é a finalidade de um transformador de distribuição?
Esta etapa realiza a última fase de redução de tensão antes que a eletricidade chegue ao usuário final, pois reduz a tensão média do distribuidor para uma tensão de utilização como 480/277 V, 208/120 V ou 400/230 V. Como se conecta diretamente com as cargas aqui, é projetado para ser eficiente em qualquer ponto da curva de carga que varia de alguns por cento a plena capacidade todos os dias.
Qual é a diferença entre um transformador e uma fonte de alimentação?
Um transformador altera a tensão de corrente alternada (CA) confiando apenas na indução eletromagnética; não faz nada mais, uma vez que os transformadores não fornecem saída regulada ou eletricidade retificada, que apenas traz tensão de CA alterada. Uma fonte de alimentação emprega um transformador ou uma etapa de comutação juntamente com componentes responsáveis pelos processos de retificação, filtragem e regulação; assim, é capaz de gerar eletricidade da qualidade necessária para garantir que a eletrônica possa receber um sinal de entrada constante.
Quais são os diferentes tipos de transformadores de distribuição?
Unidades aéreas são projetadas para serem montadas em postes, tipos montados em base são usados em distribuições subterrâneas, tipos de vault ou submersíveis podem ser empregados para esses fins, e tipos secos podem ser usados em ambientes internos. Outro aspecto é que todas essas categorias têm tipos monofásicos e trifásicos. O tipo de montagem preferido é frequentemente decidido pela localidade, pelas especificações e requisitos para a unidade, bem como pelas práticas da concessionária local.
Um transformador de distribuição pode ser usado como um transformador de potência?
Não de forma segura ao operar em modo reverso. Uma unidade de distribuição não é construída para as tensões, correntes de curto-circuito e aplicação de carga contínua de instalações de transmissão. Uma falha no projeto levará a uma emergência quando um for usado aqui, pois as impedâncias e configurações de proteção dos outros elementos não serão válidas.
Um transformador de potência sempre tem um OLTC?
Geralmente, no entanto nem sempre. A mudança de tap em carga é prevalente, pois transformadores de potência frequentemente regulam o estado de tensão de toda a rede. Algumas unidades de interconexão e de elevação de gerador usam trocadores de tap fora de circuito ou razões fixas combinadas com regulação adicional, tornando as especificações do OEM a única fonte de referência firme.
Referências
- IEEE — C57.12.00 Requisitos Gerais para Transformadores de Distribuição, Potência e Regulação Imersos em Líquido
- IEEE — C57.12.20 Transformadores de Distribuição do Tipo Aéreo
- IEEE — C57.12.34 Transformadores de Distribuição do Tipo Compartimentado Montados em Base
- IEEE — IEEE 141 Prática Recomendada para Distribuição de Energia Elétrica para Plantas Industriais
- IEC — Série de Transformadores de Potência IEC 60076
- Departamento de Energia dos EUA — Padrões de conservação de energia para transformadores de distribuição
- UL Solutions — Referência de listagem e certificação de transformadores
Conclusão
A interpretação simplificada indica que um: Transformador de transmissão conecta sistemas em tensões de transmissão e é adaptado para uso contínuo em plena capacidade; Transformador de distribuição completa a redução final da tensão antes da distribuição e é projetado para uso variado; Embora o tamanho forneça um guia razoável em um nível de 500kVA, na prática, é realmente a categoria de tensão e os ciclos de trabalho que se mostram as melhores referências.
Na maioria dos casos, no entanto, o trabalho real dos usuários ocorre no lado da distribuição, onde as questões relacionadas ao ajuste do transformador ao perfil de carga, resfriamento e configuração de montagem, bem como a verificação das perdas em relação aos requisitos de eficiência estabelecidos, são realizadas. Se você estiver lidando com um projeto de 1.000-2.500 kVA que ultrapassa a linha entre as duas categorias, certifique-se de que a especificação seja redigida de acordo com uma função em vez de tipo e exija um certificado de teste de rotina antes de liberar o equipamento da fábrica.