Verão mais econômico: GetNinjas compartilha 10 dicas para reduzir o consumo de energia
23/12/2024
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*por Wilerson Calil e Adriana Venceslau Calil
Os distúrbios geomagnéticos, que resultam distorções no campo magnético terrestre, podem causar problemas severos nas redes elétricas como: confiabilidade, blackout e danos a equipamentos críticos ou vulneráveis. Este artigo, cuja primeira parte foi publicada na edição anterior, apresenta os efeitos causados pelas correntes induzidas geomagneticamente em transformadores de potência que estão conectados às redes elétricas de alta tensão, bem como as necessidades de se projetar um equipamento confiável para tais situações, para que não ocorram alterações significativas afetando assim, a qualidade de energia na transmissão. Simulações computacionais utilizando o método de elementos finitos foram aplicadas em duas condições, sendo uma delas com efeitos de correntes geomagnéticas induzidas e a outra em condição normal de operação. Os efeitos dessas correntes e qualidade de energia são correlacionados neste artigo. Confira a segunda e última parte do artigo a seguir.
As correntes geomagnéticas induzidas são resultados de interações entre as ejeções solares e o campo magnético terrestre. O fluxo magnético gerado pelas tempestades solares geram um campo magnético quasi-estático. Quando esse fluxo encontrar uma espira, irá gerar uma tensão induzida, de acordo com a Lei de Faraday.
A Figura 3 apresenta um modelo esquemático na qual um sistema elétrico de potência é afetado transversalmente por um fluxo magnético proveniente de tempestades solares. A espira é formada pelo seguinte circuito: transformador elevador com seu enrolamento conectado em estrela aterrado, linha de transmissão, transformador abaixador aterrado e o planeta terra. Portanto, fica evidente que linhas de transmissão mais longas criam um loop maior e concatenam mais fluxo, levando a uma tensão induzida mais alta. Esta tensão, de acordo com o tipo e a intensidade do fenômeno, pode gerar de 1 a 100 V/km [6].
Conforme a Figura 3, aparecerá uma fonte de tensão induzida que irá gerar uma fonte de corrente contínua ou quase-estática. Esta corrente irá circular por este loop, passando pelos transformadores com grupo de ligação em estrela com neutro aterrado. A corrente contínua gerada pelo fenômeno é chamada de Corrente Induzida Geomagneticamente (GIC) e causa influências indesejadas como saturação em núcleos de transformadores de potência e distorção da corrente, prejudicando a qualidade de energia ou podendo ocasionar falhas em equipamentos do sistema de transmissão de energia.
Outros efeitos adversos que podem ocorrer nos transformadores são as correntes de magnetização assimétricas, que aumentam as perdas e criação de pontos de quentes no núcleo, nos enrolamentos e nas partes da estrutura metálica. Além disso, o aumento da demanda de energia reativa e a falta de operação de relés de proteção ameaçam a rede de energia e a qualidade da mesma. Danos em grandes transformadores de potência e blackouts em redes ocorreram devido ao GIC e foram publicados em artigos anteriores nos quais são referenciados neste artigo.
O GIC, embora quasi-estático, em alguns casos possui naturezas transitórias que podem ser importantes, tanto do ponto de vista dos próprios transformadores, quanto da proteção da rede de energia. Esses transitórios são geralmente de baixa frequência em sistemas de energia que podem levar alguns segundos até horas. Na Figura 4, a tendência da corrente GIC durante uma tempestade solar é apresentada, em relação ao tempo (em minutos).
Tal fenômeno possui uma duração média de 60 minutos, podendo chegar a uma corrente de 100A por fase, o que resultaria uma saturação muito significativa do núcleo do transformador, distorcendo a forma de onda da corrente e atuando as proteções.
Como apresentado na literatura, a corrente contínua no neutro do transformador leva a um deslocamento no fluxo magnético saturando o núcleo. Um diagrama apresentado na Figura 5 mostra o fenômeno que ocorre na indução do transformador.
A Figura 5 apresenta dois tipos de indução senoidal encontrados no núcleo, sendo a curva azul em operação nominal e a curva laranja com a influência da componente DC do GIC de 30A por fase. Com o aumento significativo no fluxo magnético, o núcleo do transformador irá trabalhar próximo ou acima do joelho da curva.
A Figura 6 apresenta uma informação mais detalhada do que ocorre na corrente de magnetização quando houver uma sobre- indução, ou seja, é possível observar que a corrente de magnetização distorce devido a operação ter passado pelo joelho da curva.
Essa distorção gerada pelo fenômeno descrito pode causar aumento das perdas e geração de gases no óleo do transformador devido às temperaturas elevadas, resultando na diminuição da vida útil do equipamento.
O processo de simulação numérica por elementos finitos acoplado a circuitos elétricos por método computacional envolve algumas etapas como: modelagem da estrutura de interesse; pré-processamento, onde serão definidas as propriedades dos materiais, fontes externas e condições de contorno; geração de malha de cálculo; simulação numérica e pós processamento onde serão analisados os resultados e conclusões. Neste projeto foi utilizado um software de elementos finitos de simulações de campos eletromagnéticos tridimensional acoplado ao circuito elétrico imposto.
Para o cálculo da indução no núcleo foi utilizada a chapa de aço silício de grão orientado M5 e de baixas perdas com 0.30mm de espessura, tipicamente utilizada em transformadores deste porte.
A simulação computacional foi realizada no modo transitório considerando o material do núcleo não linear conforme apresentado na Figura 7 a fim de encontrar a densidade de fluxo para duas situações distintas, operação padrão e com corrente contínua pelo neutro.
A curva B x H do material possui uma natureza extremamente não linear, o que dificulta a simulação computacional e tempo de processamento.
Os transformadores possuem um circuito magnético que é formado pelo núcleo e os enrolamentos, que combinados formam a parte ativa. O circuito magnético é regido pela curva B x H, intrínseca ao material utilizado para construção. Os transformadores utilizam placas de grão orientado para diminuir perdas magnéticas e melhorar a eficiência do equipamento tanto para perdas em vazio quando para corrente de excitação.
A Figura 8 ilustra os resultados obtidos pelas simulações numéricas em um transformador monofásico com uma coluna principal e duas colunas de retorno de potência monofásica de 100 MVA com a baixa tensão conectada em delta e a alta tensão conectada à rede elétrica em estrela aterrada.
A Figura 8A apresenta o mapa de cores onde representa densidade de fluxo magnético de um núcleo operando conforme especificado, em condições normais. A Figura 8B apresenta o mesmo equipamento, porém com 30A de corrente contínua injetada no neutro do enrolamento conectado à terra.
Como o transformador é um elemento passivo para o sistema elétrico, caso algum fenômeno ocorra, como sobretensão, afundamento de frequência e até mesmo o GIC, pode levar o equipamento à saturação, caso este não tenha sido projetado para atender tais requisitos.
O equipamento pode entrar em saturação de meio ciclo e produzir harmônicos para a forma de onda de corrente alternada gerando transmissão de energia ineficiente e possível falha de operação das proteções envolvidas.
A qualidade de energia distribuída por uma rede afetada pelo efeito do GIC pode ser comprometida. Os medidores de qualidade de energia poderá sofrer alterações com interrupções, como a DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) que indica o número de horas em média que um consumidor fica sem energia elétrica durante um período.
Um transformador de potência, como já foi abordado neste artigo é um equipamento de difícil substituição, logo, deverá ser projetado para tal situação, além disso, a FEC (Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) indica a quantidade de vezes que ocorreu interrupção na unidade consumidora e, caso o sistema elétrico de alta tensão seja submetido ao GIC, poderá ocorrer desligamento não programado devido à atuação de relés de proteção dos transformadores, prejudicando o FEC.
Elevados níveis de correntes geomagnéticas induzidas podem causar saturação parcial do núcleo. Isso resulta em um pulso de pico de corrente de magnetização de curta duração. Devido à natureza de curta duração do efeito estudado, sobreaquecimento nas partes metálicas estruturais internas do transformador não prejudiciais ao equipamento não foram relatadas na maioria das vezes [6]. Durante a tempestade solar que ocorreu no ano de 1989, alguns transformadores apresentaram superaquecimento em partes metálicas, os quais foram relatados na literatura.
Altas temperaturas em transformadores geram gases no óleo devido à decomposição do material isolante sólido e do óleo. Esta geração de gás poderá alarmar ou retirar o transformador de operação do sistema elétrico, indisponibilizando o equipamento e prejudicando os fatores de qualidade de energia.
Foi observada a importância de uma especificação técnica de alta qualidade que informe pontos importantes no momento da aquisição do equipamento, para evitar qualquer tipo de falhas futuras por fenômenos como o GIC.
Os fabricantes de transformadores devem apresentar durante o processo de revisão de projeto os cálculos obtidos e validados por normas técnicas atuais [9].
Wilerson Calil é engenheiro eletricista e, atualmente, é expert engineer da Hitachi Abb Power Grids.
Adriana Venceslau Calil é Project Manager Internship da Schneider Electric.
