Enquanto realizava uma operação de mineração na Austrália Ocidental, o engenheiro elétrico teve um problema em fornecer à planta de britagem remota uma fonte de energia apropriada. O equipamento no local precisava de energia trifásica de 415 V para alimentar os motores do britador, energia monofásica de 240 V para a iluminação e comodidades, bem como um ponto neutro confiável o suficiente para o sistema de proteção contra falhas à terra. No total, três transformadores – redutor, auxiliar e de aterramento – representariam a solução em termos de desempenho elétrico, mas a área remota de operação, a limitação de espaço em um skid, bem como o alto custo de transporte e instalação de transformadores separados não permitiram o uso da solução de três transformadores. A solução estabelecida foi o uso de um transformador de design combinado que permitiu integrar as funções de transformação de tensão e fornecimento de energia auxiliar. Os transformadores de design combinado chegaram ao local em um único envio, levaram um dia para instalação e funcionaram perfeitamente por seis anos. A questão de como escolher o transformador combinado do tipo requerido representa a busca por um transformador multifuncional capaz de realizar as funções que deveriam ser cumpridas separadamente, em vez de ser capaz de entender os tipos de transformadores combinados disponíveis no mercado e suas aplicações, que devem ser levadas em consideração ao fazer a escolha.
Um transformador combinado é um transformador que realiza duas ou mais funções elétricas simultaneamente que, de outra forma, exigiriam dois transformadores. Os tipos de transformadores combinados mais comumente usados incluem o transformador de aterramento estrela-delta, o transformador de dupla bobina, o transformador de três bobinas, o transformador montado em base. .
A vantagem do uso de transformadores combinados está na redução da área ocupada pelo equipamento, o que leva à simplificação da instalação e à redução do número de interconexões e menor custo em comparação com a quantidade de transformadores. A desvantagem do transformador combinado está no fato de que, se um transformador falhar, todas as suas funções ficarão fora de operação e que será mais complicado fazer modificações e extensões no transformador combinado do que nas unidades separadas. A chave para uma especificação bem-sucedida é que todas as funções do transformador devem ser especificadas com precisão, e uma configuração certa escolhida que corresponda aos requisitos, juntamente com testes de tipo realizados por um fabricante.
O que é um Transformador Combinado — e Por Que Ele É Especificado
Um transformador combinado é um transformador que combina duas ou mais funções elétricas em uma única unidade: reprodução de tensão, aterramento, fornecimento de energia auxiliar, proteção de circuitos e medição. Não é tratado como uma categoria de produto com um conjunto padrão de especificações. É uma abordagem de design que evita a instalação de três transformadores, cada um dos quais possui seu próprio equipamento, núcleo, bucha, proteção própria e fiação. Em vez disso, os engenheiros podem ter um transformador com todas as funções não relacionadas à transformação de tensão bem adequadas. A configuração mais simples e popular dos transformadores combinados usados na indústria em aplicações de dois e utilitárias é um transformador de aterramento wye-delta com um circuito secundário adicional. O enrolamento primário conectado em estrela deste transformador possui um ponto neutro para aterramento do circuito, dependendo do tipo de aterramento. Os enrolamentos secundários conectados em delta garantem que a energia auxiliar trifásica seja fornecida às cargas de serviço da estação, por exemplo, para iluminação, e outros meios de garantir o controle do funcionamento da rede elétrica. O transformador combinado funciona agora como um transformador de aterramento e um transformador de potência auxiliar, eliminando a necessidade de usar dois transformadores adicionais. Para os engenheiros, o uso desses tipos tem a vantagem de garantir uma redução na área das subestações ou plantas de bombeamento ou compressão ou unidades remotas. Tudo isso combina para reduzir o uso de fundações e conduítes necessários, além de minimizar o número de dispositivos de segurança e tornar o esquema de proteção mais fácil, sem os aumentos significativos nos custos totais de equipamentos de até 20%–30% em contraste com a opção de adquirir dois transformadores separadamente.
Outras configurações de transformadores combinados usadas além do transformador de dupla bobina com um OLTC integral que pode ser usado se a tensão primária mudar, sendo uma boa solução para longas linhas de energia, regulando automaticamente a tensão; o transformador de três bobinas, exceto por ter um primário e dois enrolamentos secundários em diferentes níveis de tensão, fornece alimentação de dois conjuntos independentes de cargas através do transformador sem afetar um ao outro; o transformador montado em pad com equipamentos de manobra e medição integrais é usado para construir as estações de distribuição subterrâneas padrão em áreas residenciais. Para uma visão geral da gama completa de tipos e configurações de transformadores disponíveis para essas e outras aplicações, consulte o catálogo de produtos em Subian Elétrico, que inclui transformadores combinados, transformadores de aterramento, transformadores de distribuição e transformadores de potência especiais.
Como Especificar a Tensão, o kVA e os Requisitos de Aterramento para um Transformador Combinado
Especificar um transformador combinado corretamente exige que o comprador defina cada função elétrica que o transformador deve desempenhar e forneça ao fabricante os valores específicos — as tensões, as classificações de kVA, a impedância, o método de aterramento, a elevação de temperatura e a norma aplicável — para cada função. Os principais parâmetros que devem ser incluídos na especificação estão resumidos na tabela abaixo para a configuração de transformador combinado mais comum: o transformador de aterramento estrela-delta com um secundário de potência auxiliar.
| Parâmetro | O que Define | Como Especificá-lo |
|---|---|---|
| Tensão do sistema primário | A tensão linha-a-linha do sistema ao qual o enrolamento primário do transformador será conectado. Isso determina a classe de tensão do transformador, sua classificação BIL e o nível de isolamento dos enrolamentos primários e buchas. | Declare a tensão nominal do sistema e a tensão máxima do sistema. Para um sistema de 4.160 volts, especifique “4.160 V nominal, 4.800 V máximo.” O BIL deve ser especificado com base no ambiente esperado de surto de raios e comutação do sistema — tipicamente 60 kV BIL para um sistema de 4.160 volts, 95 kV BIL para um sistema de 13.800 volts. |
| kVA de aterramento e corrente neutra | A capacidade térmica do enrolamento de aterramento (estrela). Isso não é o mesmo que o kVA de potência auxiliar. A classificação de kVA de aterramento determina quanto de corrente de falha à terra o transformador pode suportar e por quanto tempo. | Especifique a corrente neutra contínua (a corrente que o neutro pode suportar continuamente em condições normais e desbalanceadas — tipicamente um valor pequeno, 5–10% da corrente de carga total do sistema) e a corrente neutra de curto prazo (a corrente que o neutro pode suportar durante a duração de uma falha à terra — tipicamente 10 segundos, 30 segundos ou 1 minuto). Por exemplo: “Corrente neutra contínua: 10 A. Corrente neutra de curto prazo: 200 A por 10 segundos.” |
| kVA de potência auxiliar e tensão | A potência que o enrolamento secundário delta fornecerá às cargas de serviço da estação. Esta é uma saída padrão trifásica, três fios. | Declare a classificação de kVA e a tensão secundária. Por exemplo: “Potência auxiliar: 150 kVA, 480 V, trifásico, três fios.” A classificação de kVA deve ser determinada por um cálculo de carga para as cargas de serviço da estação, com uma margem para crescimento futuro. |
| Impedância | A impedância do transformador determina a queda de tensão sob carga e a magnitude da corrente de falha à terra. Uma impedância mais baixa resulta em uma corrente de falha à terra mais alta e melhor regulação de tensão, mas uma maior carga de corrente de falha no equipamento a jusante. | Especifique a impedância como uma porcentagem na base de kVA de aterramento. Para um sistema com aterramento por resistência, a impedância é tipicamente 4–6%. A impedância deve ser coordenada com o resistor de aterramento e o esquema de relé de proteção. Consulte um engenheiro elétrico se o sistema incluir múltiplas fontes ou transformadores em paralelo. |
| Método de aterramento | Como o ponto neutro do enrolamento em estrela será conectado ao solo. O método de aterramento determina a magnitude da corrente de falha à terra e o tipo de relé de proteção que será utilizado. | Declare o método de aterramento e o valor do resistor ou reator de aterramento. Por exemplo: “Aterramento por resistência, resistor de aterramento de 20 ohms, limitando a corrente de falha à terra a 200 A em 4.160 V.” O resistor de aterramento é um dispositivo separado, mas o transformador combinado deve ser projetado para trabalhar com ele. |
| Norma aplicável | A norma à qual o transformador deve ser projetado e testado. Isso determina os procedimentos de teste, os critérios de aceitação e a documentação que o fabricante deve fornecer. | Especifique IEEE C57.12.01 para transformadores do tipo seco, IEEE C57.12.00 para transformadores preenchidos com óleo, ou IEC 60076 para aplicações internacionais. Se o transformador for instalado em um país específico, especifique a norma nacional que se aplica — por exemplo, CSA C9 no Canadá, AS 60076 na Austrália. |
A Regra 80% e Outras Considerações de Carga para um Transformador Combinado
A regra 80% para transformadores afirma que os transformadores não devem ser operados continuamente acima de 80% de sua classificação KVA, e isso se aplica a transformadores combinados assim como a transformadores regulares, mas deve ser aplicado separadamente para cada função individual do transformador. O enrolamento de aterramento deve ser projetado para a corrente de falha à terra contínua e de curto prazo que irá suportar em caso de falha, e a regra 80% não se aplica ao enrolamento de aterramento da mesma forma que se aplica a cargas contínuas, porque este enrolamento opera apenas em condições anormais, e a capacidade de curto prazo é mais importante do que a classificação contínua. O enrolamento auxiliar deve ser classificado em 125% da carga que está servindo, e a regra 80% significa que o transformador deve ser operado não acima de 80% de sua classificação KVA auxiliar. Assim, um transformador trabalhando com um enrolamento auxiliar de 150 KVA para cargas de 120 KVA é aceitável, mas se for usado com um enrolamento auxiliar de 150 KVA para uma carga de 150 KVA, estará subdimensionado — ficará quente, a isolação envelhecerá mais rápido e a vida útil de operação diminuirá. A norma IEEE C57.96 fornece informações sobre a carga do transformador e sua relação com a vida útil da isolação e a temperatura tanto para transformadores a óleo quanto para secos, e um comprador que seguir esses requisitos na fase de projeto obterá um transformador projetado para a carga real.
Eficiência, Perdas e o Custo Total de Propriedade
A transformador combinado tem tanto perdas sem carga (as perdas do núcleo, que estão presentes sempre que o transformador está energizado) quanto perdas de carga (as perdas do enrolamento, que variam com o quadrado da corrente). As perdas de carga do enrolamento de potência auxiliar são o componente de perda dominante quando as cargas de serviço da estação estão operando, e as perdas do enrolamento de aterramento são negligenciáveis durante a operação normal porque o enrolamento de aterramento transporta apenas a pequena corrente neutra desbalanceada. O comprador que está comparando propostas para um transformador combinado deve avaliar as perdas usando uma fórmula de capitalização de perdas que converte as perdas de energia anuais em um custo de capital em valor presente, e deve comparar o custo total avaliado — preço de compra mais o valor capitalizado das perdas — em vez do preço de compra isoladamente. A fórmula é: Custo Total Avaliado = Preço de Compra + (A × Perda Sem Carga em Watts) + (B × Perda de Carga em Watts), onde A e B são os fatores de capitalização de perdas em dólares por watt. O fator A reflete o custo da energia que é consumida continuamente, 24 horas por dia, e é tipicamente de $5 a $10 por watt para aplicações industriais e de utilidade. O fator B reflete o custo da energia que é consumida sob carga, e é tipicamente de $1 a $3 por watt. O Departamento de Energia dos EUA publica os fatores padrão de capitalização de perdas para diferentes tipos de instalações, e o comprador pode usar esses valores, ou os valores específicos de sua própria tarifa de eletricidade, para comparar propostas com base no custo total. Um transformador combinado com um preço de compra mais alto e perdas mais baixas frequentemente terá um custo total avaliado mais baixo do que um com um preço de compra mais baixo e perdas mais altas — e a diferença pode ser substancial ao longo de uma vida útil de 25 a 35 anos.
Perguntas Frequentes
Qual é a regra 80% para transformadores?
De acordo com a regra 80%, o transformador não deve ser carregado continuamente além de 80% da kVA nominal na placa de identificação; portanto, isso fornece espaço térmico para evitar que a isolação envelheça muito rapidamente, além de facilitar o crescimento da carga sem a necessidade de instalar um transformador maior e proporciona a possibilidade de acomodar sobrecargas de curto prazo sem disparar os dispositivos de proteção do transformador. A regra é deduzida do guia de carregamento IEEE C57.96 e serve como padrão da indústria para dimensionamento de transformadores.
Como sei qual transformador eu preciso?
Para descobrir qual transformador deve ser utilizado, é necessário anotar todas as demandas que o transformador pode ter que satisfazer e derivar o total de kVA conectados no final. Depois disso, escolha o transformador com base na posição — externa ou interna, bem como se o tipo de transformador precisa ser do tipo seco ou preenchido com óleo, de acordo com os requisitos do código civil. Após isso, a classificação do transformador a ser escolhido deve ser (o padrão) a superior e a carga real deve ser levada em consideração para não exceder a regra 80% referente ao trabalho contínuo do transformador. A frequência também deve ser considerada.
Como escolher o transformador de corrente correto?
Escolher o transformador de corrente (CT) correto requer que você determine a corrente primária (carga máxima que o CT deve medir), a corrente secundária (um CT geralmente tem uma corrente secundária de 5 A ou 1 A para medição e proteção), classe de precisão (define o erro do CT na corrente nominal e carga), carga (impedância de relés, medidores e fios conectados ao CT) e o tamanho físico e tipo de instalação do CT. Além disso, o CT deve ser classificado para a tensão do sistema elétrico e a corrente de curto-circuito disponível. É importante mencionar que este é um dispositivo individual que é diferente de um transformador de potência combinado.
Como posso determinar qual tamanho de transformador eu preciso?
Para calcular quão grande um transformador você precisa, é necessário descobrir o kVA de todas as cargas conectadas, aplicar os fatores de demanda relacionados a cada tipo de carga de acordo com o NEC ou códigos locais, adicionar todas as cargas contínuas como 125% da classificação do nome, e selecionar o kVA padrão mais próximo e superior do valor calculado. As informações necessárias para produzir esse cálculo corretamente são um relatório de estudo de carga, uma cópia do Artigo #220 do NEC e a tabela de classificação de kVA do fabricante.
Referências
- IEEE C57.12.01 — Padrão para Requisitos Gerais para Transformadores de Distribuição e Potência do Tipo Seco. O padrão fundamental da IEEE para design, teste e desempenho de transformadores do tipo seco, incluindo os requisitos para transformadores de função combinada.
- IEEE C57.96 — Guia para Carga de Transformadores de Distribuição e Potência do Tipo Seco. O guia da IEEE que define a relação entre a carga, a temperatura e a vida útil do isolamento, e a origem da regra de carga 80%.
- Departamento de Energia dos EUA — Fatores de Capitalização de Perdas para Avaliação de Transformadores. A agência reguladora que publica os fatores padrão de capitalização de perdas para avaliar propostas de transformadores com base no custo total de propriedade.
- NFPA 70 (NEC) — Artigo 220 (Cálculos de Carga) e Artigo 450 (Transformadores). Os requisitos do Código Elétrico Nacional para cálculo de carga e instalação de transformadores nos Estados Unidos.
Neste caso, a complicação vem com a seleção de um transformador combinado que requer a identificação de todos os papéis que o transformador precisa cumprir, incluindo conversão de tensão, aterramento, fonte de alimentação auxiliar e regulação de tensão e, em seguida, determinar as especificações de cada papel com tal detalhe que o fabricante será capaz de atender a todos eles de uma vez. Com um transformador combinado devidamente definido, você reduz a área ocupada, o custo de instalação e a manutenção do sistema elétrico em comparação a um conjunto de transformadores de função única. No entanto, se você falhar no processo de especificação, isso significa que seu kVA de aterramento, tensão auxiliar e impedância não são mencionados, e o fabricante usará seu produto padrão, assim não atendendo às suas necessidades. A Subian Electric produz transformadores combinados para o mercado global. O kVA desses transformadores, suas tensões, aterramento e a documentação de teste necessária os tornam uma oferta atraente para um comprador profissional.