BR112015014196A2 - disposição de transformador para mitigar oscilações de tensão transientes - Google Patents

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resumo patente de invenção: "disposição de transformador para mitigar oscilações de tensão transientes". a presente invenção refere-se à disposição de transformador para mitigar oscilações de tensão transientes. a disposição de transformador compreende um transformador. o transformador compreende um núcleo de transformador que compreende pelo menos uma perna de núcleo. um enrolamento é enrolado em torno de pelo menos uma perna de núcleo. o enrolamento se estende a partir de um primeiro terminal de enrolamento para um segundo terminal de enrolamento e compreende uma primeira seção de enrolamento ao longo de um primeiro condutor que se estende a partir do primeiro terminal de enrolamento para um primeiro ponto de extremidade intermediária e uma segunda seção de enrolamento ao longo de um segundo condutor que se estende a partir de um segundo ponto de extremidade intermediária para o segundo terminal de enrolamento. a disposição de transformador compreende adicionalmente um componente elétrico passivo externo conectado entre o primeiro ponto de extremidade intermediária e ou o segundo ponto de extremidade intermediária ou o segundo terminal de enrolamento disposto para diminuir uma diferença efetiva entre as distribuições de tensão capacitiva e indutiva entre os pontos de extremidade intermediária, de modo que as oscilações de tensão transientes no enrolamento sejam mitigadas.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para DISPOSIÇÃO DE TRANSFORMADOR PARA MITIGAR OSCILAÇÕES DE TENSÃO TRANSIENTES.
CAMPO DA TÉCNICA [001 ] As modalidades apresentadas no presente documento referem-se a uma disposição de transformador e, em particular, a uma disposição de transformador para mitigar oscilações de tensão transientes.
ANTECEDENTES [002] Em termos gerais, um transformador é um conversor de energia que transfere energia elétrica de corrente alternada (CA) através do acoplamento indutivo entre os circuitos dos enrolamentos de transformadores.
[003] Os transformadores do tipo seco são tipicamente usados para tensões até 36 kV. Os mesmos são na maior parte equipados com comutadores de derivação sem carga que permitem a programação de cinco taxas de tensão diferentes e um alcance de +/- 5%. Os comutadores de derivação com carga raramente são usados com transformadores do tipo seco. Atualmente o alcance de aplicação de um projeto de transformador de tipo seco que é estendido, o que envolve um aumento significante classificação de tensão dos mesmos. Nesse nível de tensão a maior parte das aplicações exige o uso de um comutador de derivação com carga (OLTC) com um alcance de regulação muito maior (+/- 20%) e diversas etapas, assim como um enrolamento de regulação estendido que corresponde.
[004] Na indústria de óleo e gás, motores elétricos são utilizados para acionar bombas submersíveis que estão localizadas dentro de um poço de óleo ou gás. Tal motor é tipicamente energizado através de um transformador conectado ao local de poço para uma rede de distribuição de energia convencional.
2/21 [005] Os transformadores do tipo seco têm sido operados a níveis de baixa tensão e com um alcance de regulação pequeno; nesse caso as tensões relacionadas às oscilações transientes podem ser gerenciadas facilmente e exige distâncias dielétricas relativamente pequenas. Contudo, com o aumento de tensão e de alcance de regulação, as distâncias de isolamento crescem e dimensões cada vez maiores são exigidas também pelo OLTC. Particularmente, durante testes de impulso, as oscilações transientes são excitadas em um enrolamento de regulação de transformadores de tipo seco, que levam a altos estresses elétricos no OLTC. Esses estresses são particularmente acentuados por um simples conceito de comutador de derivação e quando o OLTC está na posição mínima, para que todo o enrolamento de regulação esteja aberto (isto é, conectado ao enrolamento principal em uma extremidade somente).
[006] Consequentemente, existe ainda uma necessidade por uma disposição de transformador melhorada para mitigar oscilações de tensão transientes.
SUMÁRIO [007] Um objetivo das modalidades no presente documento é fornecer uma disposição de transformador melhorada para mitigar oscilações de tensão transientes.
[008] De acordo com um primeiro aspecto é apresentada uma disposição de transformador para mitigar oscilações de tensão transientes, que compreende: um transformador, em que o transformador compreende: um núcleo de transformador que compreende pelo menos uma perna de núcleo; e um enrolamento enrolado em tomo de pelo menos uma perna de núcleo, o enrolamento se estende a partir de um primeiro terminal de enrolamento para um segundo terminal de enrolamento e compreende uma primeira seção de enrolamento ao longo de um primeiro condutor que se estende a partir do primeiro terminal
3/21 de enrolamento para um primeiro ponto de extremidade intermediária e uma segunda seção de enrolamento ao longo de um segundo condutor que se estende a partir de um segundo ponto de extremidade intermediária para o segundo terminal de enrolamento. A disposição de transformador compreende adicionalmente um componente elétrico passivo externo conectado entre o primeiro ponto de extremidade intermediária e ou o segundo ponto de extremidade intermediária ou o segundo terminal de enrolamento disposto para diminuir uma diferença efetiva entre as distribuições de tensão capacitiva e indutiva entre os pontos de extremidade intermediária, de modo que as oscilações de tensão translentes no enrolamento sejam mitigadas.
[009] Favoravelmente, o comportamento do transformador sobre condições de operação normal não é afetado pelo componente elétrico passivo externo conectado.
[0010] Favoravelmente, de acordo com algumas modalidades a disposição funciona igualmente bem para impulsos aplicados em ambos os terminais de enrolamento.
[0011] O documento n° U.S. 5 005 100 A revela um transformador que compreende um enrolamento primário e um enrolamento secundário e que também inclui um capacitor conectado através de pelo menos uma porção do enrolamento secundário dentro de um alojamento do transformador, de modo que os transientes de tensão magneticamente acoplados sejam filtrados para evitar que tais transientes danifiquem uma carga conectada ao enrolamento secundário. Uma blindagem eletrostática também está incluída no transformador para proteger contra transientes de tensão capacitivamente acopladas. Também considera-se que o capacitor aprimore o fato de potência.
[0012] O documento n- EP 0 078 985 A1 se refere uma proteção contra tensão transients e graduação de tensão interna para
4/21 enrolamentos de transformador de potência. Uma série de conjuntos de elementos plurais de varistor de óxido de zinco é eletricamente conectada através de cada enrolamento de um transformador de potência, com derivações de enrolamento de interior eletricamente conectadas às junções entre os elementos de varistor. Cada conjunto de varistores, disposto dentro do estojo de transformador, protege os seus enrolamentos associados dos surtos de tensão da mesma maneira que os supressores de raios montados externamente, fornece gradação de voltagem altamente eficaz e suprime oscilações transientes de tensão danosas entre as derivações de enrolamento. [0013] O documento η2 EP 0 187 983 A1 se refere a um circuito de filtro que inclui supressores de sobretensão de ZnO. Um circuito de filtro com desviadores de surto de óxido de zinco para a proteção contra interferências e surtos transientes é conectado em uma rede de tensão alternante.
[0014] Favoravelmente, de acordo com algumas modalidades a capacitância de surto do transformador como um todo não é afetada de modo significativo.
[0015] De acordo com uma modalidade o componente elétrico passivo externo é um capacitor externo CexU conectado ao enrolamento entre o primeiro ponto de extremidade intermediária e o segundo ponto de extremidade intermediária. Favoravelmente, tal disposição funciona igualmente bem para impulsos aplicados em ambos os terminais de enrolamento. Favoravelmente, a classificação de tensão necessária dos capacitores é menor de modo significativo que a magnitude de impulso (por um fator de 0,20 a 0,3). Através do mesmo uma série de conexões de capacitores pode ser evitada.
[0016] De acordo com uma modalidade o componente elétrico passivo externo é um capacitor externo Cext,2 conectado ao enrolamento entre o primeiro ponto de extremidade intermediária e o segundo
5/21 terminal de enrolamento. Favoravelmente, a classificação de tensão necessária dos capacitores é menor de modo significativo que a magnitude de impulso (por um fator de 0,20 a 0,3). Através do mesmo uma série de conexões de capacitores pode ser evitada.
[0017] De acordo com uma modalidade o componente elétrico passivo externo é um varistor externo conectado ao enrolamento entre o primeiro ponto de extremidade intermediária e o segundo ponto de extremidade intermediária. Favoravelmente, tal disposição de transformador funciona igualmente bem para impulsos aplicados em ambos os terminais de enrolamento.
[0018] De acordo com uma modalidade a disposição de transformador compreende adicionalmente uma pluralidade de contatos de comutador de derivação fornecidos ao longo do primeiro condutor. Favoravelmente, que conecta um componente elétrico passivo externo que não apresenta problemas práticos em tal disposição de transformador visto que todos os contatos de comutador de derivação são facilmente acessíveis a partir do lado de fora do transformador.
[0019] De acordo com um segundo aspecto é apresentada uma disposição de transformador para mitigar oscilações de tensão transientes, que compreende: um transformador, em que o transformador compreende: um núcleo de transformador que compreende pelo menos uma perna de núcleo; e um enrolamento enrolado em tomo de pelo menos uma perna de núcleo, o enrolamento se estende a partir de um primeiro terminal de enrolamento para um segundo terminal de enrolamento e compreende uma primeira seção de enrolamento ao longo de um primeiro condutor que se estende a partir do primeiro terminal de enrolamento para um primeiro ponto de extremidade intermediária e uma segunda seção de enrolamento ao longo de um segundo condutor que se estende a partir de um segundo ponto de extremidade intermediária para o segundo terminal de enrolamento. A disposição
6/21 de transformador compreende adicionalmente um capacitor externo Cext.i conectado ao enrolamento entre o primeiro ponto de extremidade intermediária e o segundo ponto de extremidade intermediária; ou um capacitor externo Cext,2 conectado ao enrolamento entre o primeiro ponto de extremidade intermediária e o segundo terminal de enrolamento; ou um varistor externo conectado ao enrolamento entre o primeiro ponto de extremidade intermediária e o segundo ponto de extremidade intermediária.
[0020] Favoravelmente, o comportamento do transformador sobre condições de operação normal não é afetado pelos um ou mais conectados capacitores ou varistores externos.
[0021] Favoravelmente, a classificação de tensão necessária dos capacitores é menor de modo significativo que a magnitude de impulso (por um fator de 0,20 a 0,3). Através do mesmo uma série de conexões de capacitores pode ser evitada.
[0022] De acordo com uma modalidade o transformador do primeiro aspecto e/ou o segundo aspecto é um transformador seco.
[0023] Deve ser observado que qualquer recurso do primeiro e do segundo aspectos podem ser aplicados para qualquer outro aspecto, onde quer que seja adequado. Do mesmo modo, qualquer vantagem do primeiro aspecto pode ser aplicada igualmente ao segundo aspecto, respectivamente, e vice versa. Outros objetivos, recursos e vantagens das modalidades anexas se tornarão aparentes a partir das revelações detalhadas a seguir, a partir das reivindicações dependentes anexadas, assim como, a partir dos desenhos.
[0024] De modo geral, todos os termos utilizados nas reivindicações devem ser interpretados de acordo com o significado comum dos mesmos no campo da técnica, a menos que definidas explicitamente de outro modo no presente documento. Todas as referências a uma/uma/o/a elemento, aparelho, componente, meio, etapa, etc. são
7/21 interpretadas abertamente em referência a pelo menos uma instância do elemento, aparelho, componente, meio, etapa, etc., a menos que seja expresso explicitamente de outro modo. As etapas de qualquer método revelado no presente documento não precisam ser executadas na ordem exata em que foram reveladas, a menos que seja explicitamente expressado.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0025] A invenção será agora descrita, por meio de exemplos, em referência aos desenhos que acompanham, nos quais:
[0026] A Figura 1 é uma ilustração esquemática (parcialmente como uma vista em corte transversal) de uma disposição de transformador de acordo com as modalidades;
[0027] A Figura 2 ilustra esquematicamente as distribuições de tensão de impulso finais indutivas e as iniciais capacitivas ao longo do enrolamento HV de acordo com uma modalidade;
[0028] A Figura 3 ilustra esquematicamente a tensão como uma função de tempo;
[0029] A Figura 4 mostra a razão da sobretensão máxima sobre a extremidade de abertura para diferentes valores de capacitância na Figura 2;
[0030] A Figura 5 ilustra esquematicamente as distribuições de tensão de impulso finais indutivas e as iniciais capacitivas ao longo do enrolamento HV de acordo com uma modalidade;
[0031] A Figura 6 ilustra esquematicamente a tensão como uma função do tempo para a modalidade na Figura 5;
[0032] A Figura 7 ilustra esquematicamente as distribuições de tensão de impulso finais indutivas e as iniciais capacitivas ao longo do enrolamento HV de acordo com uma modalidade;
[0033] A Figura 8 ilustra esquematicamente as distribuições de tensão de impulso finais indutivas e as iniciais capacitivas ao longo
8/21 do enrolamento HV de acordo com uma modalidade;
[0034] A Figura 9 ilustra esquematicamente as distribuições de tensão de impulso finais indutivas e as iniciais capacitivas ao longo do enrolamento HV de acordo com uma modalidade; e [0035] A Figura 10 ilustra esquematicamente a tensão e a corrente de supressor como uma função do tempo para a modalidade na Figura
9.
DESCRIÇÃO DETALHADA [0036] Os conceitos inventivos serão agora descritos mais por completo doravante, com referências aos desenhos que acompanham, nos quais certas modalidades são mostradas. Os conceitos inventivos podem, contudo, ser incorporados de muitas formas diferentes e não devem ser construídos como limitados pelas modalidades apresentadas no presente documento; ao invés disso, essas modalidades são fornecidas por meio de exemplos de modo que essa revelação será minuciosa e completa e expressarão por completo o escopo dos conceitos inventivos para aqueles versados na técnica. Assim como números se referem a elementos similares ao longo da descrição.
[0037] Os conceitos inventivos apresentam diferentes modos para mitigar estresses transitórios em transformadores pela conexão de um elemento externo aos enrolamentos de um transformador como descrito em mais detalhes com referências as modalidades reveladas abaixo. Como um resultado das mesmas, a diferença de tensão entre as (aberta previamente) extremidades de enrolamento é reduzida.
[0038] A Figura 1 ilustra esquematicamente uma possível geometria de enrolamento de uma disposição de transformador 1 de acordo com as modalidades. A disposição de transformador 1 compreende um transformador. O transformador compreende um núcleo de transformador 2. O núcleo de transformador 2 compreende pelo menos uma perna de núcleo. De acordo com a modalidade ilustrada na Figura
9/21 o núcleo de transformador 2 compreende três pernas de núcleo 3a, 3b, 3c. Como a pessoa versada na técnica entende que as modalidades reveladas não se limitam a qualquer número particular de pernas de núcleo. Um enrolamento 4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c é enrolado em torno de cada uma das pernas de núcleo 3a, 3b, 3c.
[0039] O enrolamento se estende a partir de um primeiro terminal de enrolamento A para um segundo terminal de enrolamento B. O enrolamento compreende uma primeira seção de enrolamento. A primeira seção de enrolamento é fornecida como um conjunto de discos de enrolamento 6. O enrolamento compreende adicionalmente uma segunda seção de enrolamento. A segunda seção de enrolamento é fornecida como um conjunto de discos de enrolamento 6. Como a pessoa versada na técnica entende, o total de números de discos de enrolamento 6 ou seções e de derivações de regulagem de enrolamento podem variar dependendo da real implantação e ambiente da disposição de transformador 1.
[0040] O enrolamento pode ser denotado como um primeiro enrolamento. De acordo com algumas modalidades a disposição de transformador compreende adicionalmente um segundo enrolamento. De acordo com as modalidades o segundo enrolamento é enrolado entre o primeiro enrolamento e a perna de núcleo. O primeiro enrolamento pode representar uma alta tensão primária, HV, enrolamento e o segundo enrolamento representa uma baixa tensão secundária, LV, enrolamento. Consequentemente, de acordo com uma modalidade um enrolamento de baixa tensão (LV) secundária 4a, 4b, 4c é enrolado em torno de cada uma das pernas de núcleo 3a, 3b, 3c e um enrolamento de alta tensão (HV) primária 5a, 5b, 5c é enrolado em torno de cada enrolamento LW 4a, 4b, 4c. Contudo, de acordo com algumas modalidades o primeiro enrolamento também representa um enrolamento LV. Tal exemplo é uma disposição de transformador que compreende um
10/21 enrolamento LV conectado em Δ e um enrolamento LV conectado em Y. De acordo com as modalidades o segundo enrolamento é enrolado ao longo de uma circunferência do primeiro enrolamento. Adicionalmente, como a pessoa versada na técnica entende, a disposição de transformador pode compreender ainda mais enrolamentos (LV assim como HV); a disposição de transformador revelada não é limitada a qualquer tipo ou número de enrolamentos nesse aspecto.
[0041] Como revelado adicionalmente abaixo, por exemplo, com referências as Figuras 2, 5 e 9, a primeira seção de enrolamento é fornecida ao longo de um primeiro condutor 7 e a segunda seção de enrolamento é fornecida ao longo de um segundo condutor 8. O primeiro condutor se estende a partir do primeiro terminal de enrolamento A para um primeiro ponto de extremidade Intermediária C. O segundo condutor se estende a partir de um segundo ponto de extremidade intermediária D para o segundo terminal de enrolamento B.
[0042] A disposição de transformador 1 compreende adicionalmente uma pluralidade de contatos de comutador de derivação 9. Os contatos de comutador de derivação 9 são fornecidos ao longo do primeiro condutor 7. Em termos gerais, um contato de comutador de derivação 9 é um ponto de conexão ao longo de um enrolamento de transformador que permite várias voltas (enrolamentos) para ser selecionado. Isso fornece um transformador com uma razão de voltas variáveis, através do mesmo permitindo a regulação de tensão da saída. A seleção de derivação é feita através de um comutador de derivação
10.
[0043] Durante a operação da disposição de transformador 1 a distribuição de tensão capacitiva inicial em pelo menos ao longo dos enrolamentos 5a, 5b, 5c, determinada somente pelas suas capacitâncias de fuga, é diferente da indutiva”, a distribuição quase estacionária em um momento seguinte, determinada pela indutância de fuga. Essa di
11/21 ferença leva a oscilações de tensão durante a transição dinâmica entre as duas. A disposição de transformador 1 é disposta para mitigar tais oscilações de tensão transientes. Para que isso seja feito a disposição de transformador 1 compreende um componente elétrico passivo externo. O componente elétrico passivo externo é dimensionado para diminuir uma diferença efetiva entre as distribuições de tensão capacitiva e indutiva entre os pontos de extremidade intermediária para que oscilações de tensão transientes no enrolamento sejam mitigadas. Como revelado adicionalmente abaixo, por exemplo, com referências as Figuras 2 e 9, o componente elétrico passivo externo pode ser conectado entre o primeiro ponto de extremidade intermediária C e o segundo ponto de extremidade intermediária D. Como revelado adicionalmente abaixo, por exemplo, com referência a Figura 5, o componente elétrico passivo externo pode ser conectado entre o primeiro ponto de extremidade intermediária Ceo segundo terminal de enrolamento B.
[0044] De acordo com modalidades exemplificativas tanto um capacitor externo é conectado sobre a parte aberta do enrolamento de regulação quanto um capacitor externo é conectado entre a extremidade de abertura do enrolamento de regulação e o terminal B no qual o impulso é aplicado ou um varistor externo é conectado sobre a parte aberta do enrolamento de regulação. Essas modalidades por sua vez serão agora descritas. A extremidade de abertura é definida no presente documento como a parte de menor condução que se estende entre o primeiro condutor e o segundo condutor, isto é, entre o primeiro ponto de extremidade intermediária Ceo segundo ponto de extremidade intermediária D.
PRIMEIRA MODALIDADE EXEMPLIFICATIVA:
[0045] De acordo com uma modalidade o componente elétrico passivo externo é um capacitor externo CexU conectado ao enrolamen
12/21 to 5a, 5b, 5c entre o primeiro ponto de extremidade intermediária Ceo segundo ponto de extremidade intermediária D. Isso é ilustrado na Figura 2.
[0046] De modo a conectar um capacitor externo sobre a parte aberta do enroiamento de regulação aumenta o período de oscilação (isto é, reduz a frequência de oscilação) até um ponto em que o impulso decai antes que a oscilação aicance seu primeiro máximo, através do mesmo diminuindo a diferença efetiva entre as distribuições de tensão capacitiva e indutiva. Isso é ilustrado na Figura 3, vide abaixo.
[0047] A parte superior (a) da Figura 2 mostra as distribuições de tensão de impulso finais indutivas e as iniciais capacitivas ao longo do enroiamento para uma amplitude de impulso de unidade, obtida com um modelo de simulação para um enroiamento de disco achatado de um transformador de 10 MVA de tipo VCC para um impulso aplicado no terminal de enroiamento B. A parte inferior (b) da Figura 2 ilustra esquematicamente um primeiro condutor do enroiamento que se estende a partir de um primeiro terminal de enroiamento A para um primeiro ponto de extremidade intermediária C e um segundo condutor do enroiamento que se estende a partir de um segundo ponto de extremidade intermediária D para um segundo terminal de enroiamento B. Na parte inferior (b) da Figura 2, as seções de enroiamento ou discos 6 da Figura 1 sâo representados por retângulos. Nas conexões entre os discos subsequentes repousam os nós do modelo, indicados por pontos, que são os pontos ao longo do enroiamento em que a tensão foi calculada com o modelo de simulação para o resultado mostrado na parte superior (a) da Figura 2. Na parte inferior (b) da Figura 2 um capacitor externo CexU é conectado ao enroiamento entre os nós 23 e 24.
[0048] A Figura 3 ilustra esquematicamente a diferença de tensão entre os nós 23 e 24 como uma função do tempo (com impulsos de
13/21 unidade de 1,2 a 50 no terminal de enrolamento B), para três valores diferentes da capacitância externa Cext>i. Em mais detalhes, a Figura 3 mostra o efeito que a adição de diferentes quantidades de capacitância externa (CexU) tem no tempo dependente da diferença de tensão sobre a extremidade de abertura entre o nó 23 no primeiro ponto de extremidade intermediária C (isto é, a extremidade de abertura do enrolamento de regulação) e o nó 24 no segundo ponto de extremidade intermediária D (isto é, a contato seletor de derivação), calculado com o mesmo modelo como utilizado para os resultados de simulação mostrados na Figura 2.
[0049] De acordo com uma modalidade do valor de capacitância está no alcance de CexU ··· 5-100 nF. Preferivelmente Cext,i ” 5-10 nF. Não é esperado que a potência e as classificações de tensão do transformador terão um grande impacto nesses valores; em contraste, a classificação de tensão do capacitor externo Οβχυ irá aumentar com o transformador.
[0050] A Figura 4 mostra a razão da sobretensão máxima sobre a extremidade de abertura para diferentes valores de capacitância. A Figura 4 mostra resultados a partir das medidas em um transformador menor (24 kV / 900 kVA) do mesmo tipo de projeto (VCC) como acima. Para essas medidas, uma disposição de enrolamento com uma extremidade de abertura similar a uma mostrada na Figura 3 é fornecida em um dos enrolamentos. Para observar sobretensões transientes sobre o intervalo, 33% do número total de voltas do enrolamento foram contornadas por um comutador de derivação galvânico. Primeiro as tensões transientes sobre a extremidade de abertura foram medidas e seu máximo foi gravado como o valor de referência (o ponto de dados rotulado 0 nF na Figura 3). Então, os capacitares externos, Cext.i, com valores de capacitância diferentes foram conectados sobre a extremidade de abertura e as tensões transientes sobre o intervalo foum ram medidas em cada caso. A Figura 4 mostra a razão da tensão máxima para cada valor de capacitância externa para a referência sem capacitância externa (0 nF). Como pode ser visto, com um valor de capacitância alto o suficiente uma redução significante da sobretensão máxima foi alcançada. Esses resultados são consistentes com as simulações no projeto 10 MVA mostrado na Figura 3.
SEGUNDA MODALIDADE EXEMPLIFICATIVA:
[0051] De acordo com uma modalidade o componente elétrico passivo externo é um capacitor externo Cexii2 conectado ao enrolamento entre o primeiro ponto de extremidade intermediária Ceo segundo terminal de enrolamento B. Isso é ilustrado na Figura 5. De acordo com uma segunda modalidade um capacitor externo é desse modo conectado entre a extremidade de abertura do enrolamento de regulação e o segundo terminal de enrolamento B no qual o impulso é aplicado.
[0052] O valor de capacitância, C^, é determinado tal que o desvio de tensão entre as distribuições capacitivas e indutivas é minimizado.
[0053] A parte superior (a) da Figura 5 mostra as distribuições de tensão de impulso finais indutivas e as iniciais capacitivas ao longo do enrolamento para uma amplitude de impulso de unidade, obtida com um modelo de simulação para um enrolamento de disco achatado de um transformador de 10 MVA de tipo VCC para um impulso aplicado no terminal de enrolamento B, para dois valores de capacitância Cext,2 ·· 0,5 nF e Cext,2 “ 0.6 nF determinados para serem próximos de ótimo. A parte inferior (b) da Figura 5 ilustra esquematicamente um primeiro condutor do enrolamento que se estende a partir de um primeiro terminal de enrolamento A para um primeiro ponto de extremidade intermediária C e um segundo condutor do enrolamento que se estende a partir de um segundo ponto de extremidade intermediária D para um segundo terminal de enrolamento B. Na parte inferior (b) da
15/21
Figura 5, as seções de enrolamento ou discos são representados por retângulos. Nas conexões entre os discos subsequentes repousam os nós do modelo, indicados por pontos, que são os pontos ao longo do enrolamento em que a tensão foi calculada com o modelo de simulação para o resultado mostrado na parte superior (a) da Figura 5. Na parte inferior (b) da Figura 5 um capacitor externo Cexlj2 é conectado ao enrolamento entre os nós 23 e 34.
[0054] A Figura 6 ilustra esquematicamente a diferença de tensão entre os nós 23 e 34 como uma função do tempo (com um impulso de unidade de 1,2 a 50 no terminal de enrolamento B), para três valores diferentes da capacitância externa Cexi,2. Em mais detalhes, a Figura 6 mostra o efeito das capacitâncias externas no tempo dependente da diferença de tensão a extremidade de abertura entre o nó 23 no primeiro ponto de extremidade intermediária C (isto é, a extremidade de abertura do enrolamento de regulação) e o nó 34 no segundo ponto de extremidade intermediária D (isto é, o contato seletor de derivação), calculado com o mesmo modelo.
[0055] O valor de capacitância deve ser bem ajustado para o projeto de enrolamento em particular (isto é, o mesmo não deve ser nem muito pequeno e nem muito grande) a fim de alcançar o benefício máximo. De acordo com uma modalidade o valor de capacitância está no alcance Cexí.2 ~ 0,1-2,0 nF, preferivelmente Cextj2 = 0,1-1,0 nF, mais preferivelmente Cexíi2 = 0,5-0,6 nF. Não é esperado que a potência e as classificações de tensão tenham um grande impacto nesses valores; em contraste, a classificação de tensão do capacitor aumentará com o transformador.
[0056] O valor de capacitância necessário é bastante baixo, contudo a classificação de tensão do capacitor está geralmente na mesma ordem que a magnitude de impulso, para que na prática uma série de conexões de capacitores possa ser utilizada. De acordo com uma mo
16/21 dalídade desse modo é fornecida uma série de capacitores CeXí,2 conectados ao enrolamento entre o primeiro ponto de extremidade intermediária Ceo segundo terminal de enrolamento B. A classificação de tensão necessária do capacitor (ou capacitores em série) pode ser reduzida movendo-se o enrolamento de regulação em relação ao enrolamento principal, para que o mesmo repouse eletricamente perto do terminal de enrolamento B.
[0057] A presente configuração pode somente funcionar quando o impulso atingir os enrolamentos a partir do terminal de enrolamento B e não o terminal de enrolamento A. Portanto, a presente configuração pode não ser adequada nessa forma para conectar em Δ enrolamentos de fase; contudo pode ser adequado para conectar em Y os enrolamentos com o neutro no terminal A.
[0058] Para conectar em Δ os enrolamentos de fase da presente configuração podem ser modificados pregando-se o potencial do contato seletor de derivação em algum lugar no meio entre as duas tensões de terminal através de um divisor de tensão capacitiva. De acordo com uma modalidade a disposição de transformador desse modo compreende adicionalmente um divisor de tensão capacitiva externo conectado ao primeiro terminal de enrolamento A, o segundo ponto de extremidade intermediária D e o segundo terminal de enrolamento B. Isso é ilustrado nas partes inferiores (b) da Figuras 7 e 8.
[0059] Desse modo, o divisor de tensão capacitiva externo pode compreender um capacitor Cexti3 conectado ao enrolamento entre o primeiro terminal de enrolamento A e o segundo ponto de extremidade intermediária D e um capacitor Cext,4 conectado ao enrolamento entre o segundo ponto de extremidade intermediária D e o segundo terminal de enrolamento B. Essa modalidade exige adicionalmente três capacitores com classificação de tensão de impulso total. Além disso, a capacitância de surto do enrolamento pode ser aumentada significante
17/21 mente (capacitância 500 pF ao invés de 120 pF sem capacitores no presente exemplo), que pode ser desejável em algumas aplicações e indesejável em outras.
[0060] A parte superior (a) da Figura 7 mostra as distribuições de tensão de impulso finais indutivas e as iniciais capacitivas ao longo dos enrolamentos para uma amplitude de impulso de unidade, obtida com um modelo de simulação para um enrolamento de disco achatado de um transformador de 10 MVA de tipo VCC para um impulso aplicado no terminal de enrolamento B, com e sem os capacitores externos Cext,2, Cext,3 θ Cexí,4· A parte inferior (b) da Figura 7 ilustra esquematicamente um primeiro condutor do enrolamento que se estende a partir de um primeiro terminal de enrolamento A para um primeiro ponto de extremidade intermediária C e um segundo condutor do enrolamento que se estende a partir de um segundo ponto de extremidade intermediária D para um segundo terminal de enrolamento B. Na parte inferior (b) da Figura 7, as seções de enrolamento ou discos são representados por retângulos. Nas conexões entre os discos subsequentes repousam os nós do modelo, indicados por pontos, que são os pontos ao longo do enrolamento em que a tensão foi calculada com o modelo de simulação para o resultado mostrado na parte superior (a) da Figura 7. Na parte inferior (b) da Figura 7 um capacitor externo Cexí,2 é conectado ao enrolamento entre os nós 23 e 34, um capacitor externo Cext,3 é conectado aos enrolamentos entre os nós 1 e 24 e um capacitor externo Cexlj4 é conectado aos enrolamentos entre os nós 24 e 34.
[0061] A parte superior (a) da Figura 8 mostra as distribuições de tensão de impulso finais indutivas e as iniciais capacitivas ao longo dos enrolamentos para uma amplitude de impulso de unidade, obtida com um modelo de simulação para um enrolamento de disco achatado de um transformador de 10 MVA de tipo VCC para um impulso aplicado no terminal de enrolamento A, com e sem os capacitores externos
18/21
Cext,2, Cext,3 θ Cext,4. A parte inferior (b) da Figura 8 ilustra esquematicamente um primeiro condutor do enrolamento que se estende a partir de um primeiro terminal de enrolamento A para um primeiro ponto de extremidade intermediária C e um segundo condutor do enrolamento que se estende a partir de um segundo ponto de extremidade intermediária D para um segundo terminal de enrolamento B. Na parte inferior (b) da Figura 8, as seções de enrolamento ou discos são representados por retângulos. Nas conexões entre os discos subsequentes repousam os nós do modelo, indicados por pontos, que são os pontos ao longo do enrolamento em que a tensão foi calculada com o modelo de simulação para o resultado mostrado na parte superior (a) da Figura 8. Na parte inferior (b) da Figura 8 um capacitor externo Cexí,2 é conectado ao enrolamento entre os nós 23 e 34, um capacitor externo Cext,3 é conectado aos enrolamentos entre os nós 1 e 24 e um capacitor externo Cexlj4 é conectado aos enrolamentos entre os nós 24 e 34. [0062] O valor de capacitância para enrolamentos de fase conectados em Δ está preferivelmente no alcance de 0,1 a 2,0 nF. Isso é, de acordo com as modalidades Cexíi3 - 0,1-2,0 nF e Cexíj4 ™ 0,1-2,0 nF e preferivelmente Οθχΐι3 = Cext,4 1,0 nF. Como mostrado acima, a potência e as classificações de tensão não são esperadas que tenham um grande impacto nesses valores, enquanto a classificação de tensão do capacitor aumentará com o transformador.
TERCEIRA MODALIDADE EXEMPLIFICATIVA:
[0063] De acordo com uma modalidade o componente eletrônico é um varistor externo 11 conectado ao enrolamento entre o primeiro ponto de extremidade intermediária Ceo segundo ponto de extremidade intermediária D. Isso é ilustrado na Figura 9. Conecta-se o varistor externo 11 sobre a parte aberta dos enrolamentos de regulação limita efetivamente a amplitude de oscilação para o nível de proteção de varistor.
19/21 [0064] A parte superior da Figura 9 mostra a distribuição indutiva final e a distribuição capacitiva final para uma amplitude de impulso de unidade, obtida com um modelo de simulação para o enrolamento de disco achatado de uma unidade 10 MVA de tipo VCC.
[0065] A parte superior (a) da Figura 9 mostra as distribuições de tensão de impulso finais indutivas e as iniciais capacitivas ao longo do enrolamento para uma amplitude de impulso de unidade, obtida com um modelo de simulação para um enrolamento de disco achatado de um transformador de 10 MVA de tipo VCC para um impulso aplicado no terminal de enrolamento B, com um varistor externo 11 e um fusível externo 12. A parte inferior (b) da Figura 9 ilustra esquematicamente um primeiro condutor do enrolamento que se estende a partir de um primeiro terminal de enrolamento A para um primeiro ponto de extremidade intermediária C e um segundo condutor do enrolamento que se estende a partir de um segundo ponto de extremidade intermediária D para um segundo terminal de enrolamento B. Na parte inferior (b) da Figura 9, as seções de enrolamento ou discos são representados por retângulos. Nas conexões entre os discos subsequentes repousam os nós do modelo, indicados por pontos, que são os pontos ao longo do enrolamento em que a tensão foi calculada com o modelo de simulação para o resultado mostrado na parte superior (a) da Figura 9. Na parte inferior (b) da Figura 5 um varistor externo e um fusível externo opcional são conectados em série no enrolamento entre os nós 23 e 34.
[0066] A Figura 10 ilustra esquematicamente a diferença de tensão entre os nós 23 e 24 como uma função do tempo (com um impulso de unidade de 1,2 a 50 no terminal de enrolamento B), para dois valores diferentes do varistor externo 11. Em mais detalhes, a Figura 10 mostra o efeito que a adição de um varistor externo tem no tempo dependente da diferença de tensão sobre a extremidade de abertura
20/21 entre o nó 23 no primeiro ponto de extremidade intermediária C (isto é, a extremidade de abertura do enrolamento de regulação) e o nó 24 no segundo ponto de extremidade intermediária D (isto é, o contato seletor de derivação), calculado com o mesmo modelo como utilizado para os resultados de simulação mostrados na Figura 9.
[0067] O nível de proteção de varistor pode ser ajustado, por exemplo, para as exigências do comutador de derivação. De acordo com uma modalidade o varistor externo 11 tem um nível de proteção de 5 a 30% do nível de isolamento básico de transformador, BIL.
[0068] A energia Warr despejada dentro do varistor é tipicamente da ordem de alguns Joules para 100 kV de magnitude de impulso. Por exemplo, para o modelo de transformador 10 MVA tipo VCC utilizado acima o seguinte é obtido:
Warr = (5,9 J)(Uimp/100 kV)2 para nível de proteção de varistor ·· 0,1 Uimp, e
Warr = (1,7 J)(Uimp/100 kV)2 para nível de proteção de varistor = 0,2Uimp, em que Ujmp é o máximo de tensão de impulso.
[0069] De acordo com as modalidades um fusível externo 12 é conectado em série com o varistor externo 11. Um fusível 12 conectado em série com o varistor 11 pode proteger o transformador no caso do varistor falhar. Suas dimensões são determinadas baseadas na expectativa normal corrente de varistor sob condições de impulso que são baixas (abaixo de 10 A por 100 kV de magnitude de impulso no presente exemplo, vide Figura 10). A corrente de varistor durante o impulso está na ordem de alguns Amperes, isto é, muito menor que um curto circuito de corrente.
[0070] A invenção foi descrita principalmente acima com referência a algumas modalidades. Contudo, como é prontamente apreciado por uma pessoa versada na técnica, outras modalidades que as reveladas
21/21 acima são igualmente possíveis dentro do escopo da invenção, como definido pelas reivindicações de patente anexas. Por exemplo, as modalidades são particularmente adequadas para transformadores secos. De acordo com as modalidades o transformador revelado é um transformador seco. Transformadores de distribuição seca podem ser utilizados para diminuir três fases de tensão média para tensão baixa para distribuição de potência. Tais transformadores são utilizados primariamente em áreas metropolitanas (construções públicas, escritórios, subestações de distribuição) e também são utilizados em aplicações industriais. Os transformadores de tipo seco são uma solução ideal para aplicações em que os transformadores têm que ser instalados próximo ao local de uso dos mesmos. As instalações próximas economizam no gasto de instalação de cabeamento ao mesmo tempo em que reduz perdas em cabos e terminais no lado de tensão baixa. Os transformadores de tipo seco são seguros para o meio-ambiente e adequados para aplicações internas e externas. As mesmas fornecem mecânicas excelentes e força contra curto circuito, não tem vazamento de líquidos e não apresentam risco de pegar fogo ou explodir. Os transformadores podem ou não podem ser fornecidos com invólucros para proteção extra adicional contra ambientes duros externos ou internos. Os mesmo podem ser utilizados em todos os tipos de aplicações que incluem unidades de substituição montadas no solo, primárias e secundárias.
[0071] Contudo, as modalidades apresentadas no presente documento não são nem especificas aos transformadores do tipo seco nem a um simples conceito de comutador de derivação. As modalidades apresentadas no presente documento também são aplicáveis para transformadores cheios de óleo e conceitos de comutador de derivação mais complexos.

Claims (13)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Disposição de transformador (1) para mitigar oscilações de tensão transientes, caracterizada pelo fato de que compreende:
    um transformador, em que o transformador compreende:
    um núcleo de transformador (2) que compreende pelo menos uma perna de núcleo (3a, 3b, 3c); e um enrolamento (4a, 4b, 4c, 5a, 5c, 5d) enrolado em torno de pelo menos cada uma dentre a pelo menos uma perna de núcleo, em que o enrolamento se estende a partir de um primeiro terminal de enrolamento (A) para um segundo terminal de enrolamento (B) e compreende uma primeira seção de enrolamento ao longo de um primeiro condutor (7) que se estende a partir do dito primeiro terminal de enrolamento (A) para um primeiro ponto de extremidade intermediária (C) e uma segunda seção de enrolamento ao longo de um segundo condutor (8) que se estende a partir de um segundo ponto de extremidade intermediária (D) para o dito terminal de enrolamento (B); e, em que o dito primeiro ponto de extremidade intermediário (C) e o dito segundo ponto de extremidade intermediário (D) são separados um do outro;
    um componente elétrico passivo externo (CexU, Οθχΐ,ζ, 11) conectado entre o primeiro ponto de extremidade intermediária (C) e tanto o segundo ponto de extremidade intermediária (D) como o dito segundo terminal de enrolamento (B) e disposto para diminuir uma diferença efetiva entre distribuições de tensão capacitiva e indutiva entre os pontos de extremidade intermediária, de modo que as oscilações de tensão transientes no enrolamento sejam mitigadas.
    uma pluralidade de contatos comutadores de derivação (9) fornecidos ao longo do dito primeiro condutor; e um comutador de derivação (10) conectável aos enrolamentos no dito segundo ponto de extremidade intermediário (D) e um ponto (E) ao longo do dito primeiro condutor na dita pluralidade de
  2. 2/3 contatos comutadores de derivação.
    2. Disposição de transformador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o componente elétrico passivo externo é um capacitor externo Cext,i conectado ao enrolamento entre o dito primeiro ponto de extremidade intermediária (C) e o dito segundo ponto de extremidade intermediária (D).
  3. 3. Disposição de transformador, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que Cext,i “ 5-100 nF, preferivelmente Cext,i - 5-10 nF.
  4. 4. Disposição de transformador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o componente elétrico passivo externo é um capacitor externo CexEi2 conectado ao enrolamento entre o dito primeiro ponto de extremidade intermediária (C) e o dito segundo terminal de enrolamento (B).
  5. 5. A disposição de transformador, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que Cexí,2 ™ 0,1-2,0 nF.
  6. 6. Disposição de transformador, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente:
    um divisor de tensão capacitiva externo conectado ao dito primeiro terminal de enrolamento (A), ao dito segundo ponto de extremidade intermediária (D) e ao dito segundo terminal de enrolamento (B).
  7. 7. Disposição de transformador, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o dito divisor de tensão capacitiva externo compreende:
    um capacitor Cext,3 conectado ao enrolamento entre o dito primeiro terminal de enrolamento (A) e o dito segundo ponto de extre midade intermediária (D); e um capacitor Cext,4 conectado ao enrolamento entre o dito
    3/3 segundo ponto de extremidade intermediária (D) e o dito segundo terminal de enrolamento (B).
  8. 8. Disposição de transformador, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que Ce>di3 0,1-2,0 nF e CeXi,4 = 0,1-2,0 nF e sendo que preferivelmente Cext,3 ~ Cextr4 = 1,0 nF.
  9. 9. Disposição de transformador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o componente elétrico passivo externo é um varistor externo (11) conectado ao enrolamento entre o dito primeiro ponto de extremidade intermediária (C) e o dito segundo ponto de extremidade intermediária (D).
  10. 10. Disposição de transformador, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o varistor externo tem um nível de proteção de 5 a 30% do nível de isolamento básico de transformador, BIL.
  11. 11. Disposição de transformador, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente:
    um fusível externo (12) conectado em série com o varistor externo.
  12. 12. Disposição de transformador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o dito enrolamento é denotado como um primeiro enrolamento, em que a disposição de transformador compreende adicionalmente:
    um segundo enrolamento enrolado tanto entre o dito primeiro enrolamento e a dita uma perna de núcleo como ao longo de uma circunferência do dito primeiro enrolamento.
  13. 13. Disposição de transformador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o transformador é um transformador seco.
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