Avaliação de perdas em um transformador a seco instalado em subestação subterrânea utilizando o método dos elementos finitos

*por Arnaldo José Pereira Rosentino Junior, Ivan Nunes Santos, Fernanda Hein Costa, Guilherme Daher da Cunha Oliveira e Luiz Fernando Soares de Souza

A análise do comportamento térmico de uma subestação antes da mesma entrar em operação, incluindo variação de fatores externos e condições de carga é essencial [1]. Neste sentido, esta pesquisa encontra-se pautada na análise de perdas provocadas por transformador a seco de 1 MVA, 60 Hz, 13,8 kV – 0,380 kV, D – Y, a ser instalado no interior de uma subestação (SE) de distribuição subterrânea. Sabe-se que elevadas temperaturas identificadas nos enrolamentos do transformador levam à sua redução de vida útil [2]. Um incremento de 10 °C acima da máxima temperatura de ponto mais quente para as isolações em resina encapsulada significa uma redução da vida útil pela metade. Para se ter uma referência, a expectativa de vida normal de um transformador operando de forma contínua com temperatura nominal de ponto mais quente é de 180.000 horas (aproximadamente 20 anos) [3].

Neste contexto, este trabalho destaca os resultados de perdas no transformador e as perdas induzidas na SE por meio de simulações computacionais, utilizando o programa Ansys Maxwell 3D, o qual se baseia na técnica de elementos finitos. Duas condições de operação foram avaliadas: condição nominal e em situação de sobrecarga de 50%. Tais sobrecargas podem ser, entre outros motivos, devido a distorções harmônicas causadas por cargas não lineares conectadas ao sistema, as quais impactam na elevação de corrente através dos enrolamentos do transformador. Nesse caso, uma das formas de lidar com esse cenário é a aplicação de derating, especialmente em transformadores que alimentam grande volume deste tipo carregamento. Nestes termos, derating é a redução intencional da potência do transformador para compensar as elevações de corrente causadas pelas distorções harmônicas [4]. À luz dessas ilustrações, foram avaliadas as perdas no núcleo, perdas nos enrolamentos, perdas induzidas nas armaduras do transformador e perdas induzidas nas paredes do invólucro da subestação, o qual é considerado com paredes metálicas. Nesse sentido, uma vez que se pretende apresentar as perdas induzidas nas paredes do invólucro da SE, a Figura 1 ilustra a distribuição dos equipamentos no interior de tal ativo.

Após aplicar as principais etapas de modelagem utilizando a técnica dos elementos finitos (pré-processamento, processamento e pós-processamento), foram avaliados os resultados de perdas, os quais seguem destacados pela Tabela 1.

A título de ilustração, a Figura 2 apresenta as perdas induzidas nas paredes do invólucro em ambas as situações: condição nominal de operação e em situação de sobrecarga.

Muito embora o total de perdas induzidas nas paredes apresenta valor pequeno, e pode não ser preocupantes, destaca-se que é possível ocorrer pontos quentes em algumas regiões específicas. Essa análise é extremamente importante, pois além de possibilitar  o dimensionamento, de forma adequada,  do  trocador  de  calor  no interior da subestação, pode-se identificar o melhor ponto de instalação desse dispositivo de transformação. Complementarmente, a simples alteração de posicionamento deste transformador, no interior da subestação, poderá mitigar esta questão.

Estas análises prévias de variação de carga  e suas influências no projeto só se fizeram possíveis por meio de simulações como as apresentas neste documento. Assim procedendo, viabiliza-se, por exemplo, redução de retrabalhos, avaliação de diferentes cenários de operação, e desenvolvimento de projeto de forma otimizada e segura. Os autores expressam seus agradecimentos ao projeto de P&D UFU/TCE-CEB (PD-05160-1803/2018) pelo suporte financeiro concedido, à Trael Transformadores Elétricos e ao Instituto ESSS pelo apoio técnico dado à pesquisa em questão.

Referências

• Loucaides, Y. Ioannides, V. Efthymiou, and G. E. Georghiou, “Thermal modeling of power substations using the finite element method,” in 7th Mediterranean Conference and Exhibition on Power Generation, Transmission, Distribution and Energy Conversion (MedPower 2010), 2010, pp. 1–5, doi: 10.1049/cp.2010.0916.
• S. and V. M. L. L. R. Torin, “Thermal Study for Temperature Estimate of Dry Type Power Transformers Using the Finite Element Method,” in The 12th Latin-American Congress on Electricity Generation and Transmission – CLAGTEE, 2017, pp. 1–6.
• IEEE, “Std 96 – IEEE Guide for Loading Dry Type Distribution and Power Transformers.” IEEE Power and Energy Society, 2013.
• Cazacu, L. Petrescu, and V. Ionita, “Derating of power distribution transformers serving nonlinear industrial loads,” in 2017 International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM) & 2017 Intl Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics (ACEMP), 2017, pp. 90–95, doi: 10.1109/OPTIM.2017.7974953.

Arnaldo José Pereira Rosentino Junior possui graduação, mestrado e doutorado pela Universidade Federal de Uberlândia, com graduação sanduíche no Institut National des Sciences Appliquées de Lyon e doutorado sanduíche na University of Alberta, Electrical and Computer Engineering. Atualmente é professor na Universidade Federal do Triângulo Mineiro, Instituto de Ciências Tecnológicas e Exatas, Departamento de Engenharia Elétrica.

Ivan Nunes Santos possui graduação em engenharia elétrica, mestrado e doutorado em Ciências Exatas pela UFU e pós-doutorado pela Eindhoven University of Technology. Atualmente, é professor e pesquisador da Faculdade de Engenharia Elétrica da UFU.

Fernanda Hein Costa possui bacharelado em engenharia elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (2006) e mestrado pela mesma universidade na área de qualidade da energia elétrica. Atualmente é professora do IFG – Itumbiara, atuando nos cursos técnicos de Eletrotécnica e nos cursos superiores de Engenharia Elétrica e Controle e Automação.

Guilherme Daher da Cunha Oliveira é aluno de graduação em engenharia elétrica pela Universidade Federal do Triângulo Mineiro. Atualmente trabalha com simulações de elementos finitos em transformadores.

Luiz Fernando Soares de Souza é graduando em engenharia elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (2016). Atualmente, trabalha com simulações de elementos finitos em máquinas elétricas.