BR112019004789B1 - Cobertura para cobrir um transformador de distribuição - Google Patents

Abstract

O objeto da invenção é uma cobertura para transformador de distribuição (1) enchido com um líquido dielétrico (4), equipado com dispositivo eletrônico (11) integrado com a cobertura, que é aplicada para transmissão e distribuição de energia elétrica. A cobertura se caracteriza por o dispositivo eletrônico (11) estar imerso no líquido dielétrico (4) que preenche um compartimento de resfriamento (5) fixado na cobertura (2); o compartimento de resfriamento (5) possui paredes laterais (7), uma parede de topo (8) e uma parede de fundo (6), tal parede de fundo (6) coincidindo com uma janela (2a) formada na cobertura (2); a parede de fundo (6) forma uma barreira térmica entre o interior do dispositivo de potência elétrica (1) e o interior do compartimento de resfriamento (5), com os dois interiores do compartimento de resfriamento (5) e do dispositivo de potência elétrica (1) ficando hermeticamente fechados juntos.

Description

[001] O objeto da invenção é uma cobertura para um transfor mador de distribuição enchido com um líquido dielétrico, equipado com meios eletrônicos integrados com a cobertura, a qual é aplicada para transmissão e distribuição de energia elétrica.

[002] Dentro dos equipamentos para transmissão e distribuição de energia elétrica, muitas vezes são utilizados líquidos para isolamento elétrico, bem como para propósitos de resfriamento. Nos transformadores de potência, de distribuição, e para instrumentos, geralmente é aplicado óleo mineral, mas também são usados óleos de ésteres biodegradáveis e pouco inflamáveis, naturais ou sintéticos. Devido às perdas elétricas em materiais magnéticos, indução de correntes parasitas em peças de aço, e perdas ôhmicas nos condutores, esses líquidos podem atingir temperaturas em operação a plena carga de 100°C ou até mais, por exemplo, na região superior do transformador (chamada de temperatura do óleo no topo). Quando componentes sensíveis à temperatura estão integrados ao aparelho, como por exemplo componentes eletrônicos, sensores ou dispositivos de comunicação, essas temperaturas podem diminuir bastante sua vida útil. Portanto, é desejável integrar tais elementos de modo a que temperaturas consideravelmente mais baixas estejam presentes na região de tais componentes. A solução desse problema é resolvida pela cobertura de acordo com a invenção.

[003] A partir do pedido de patente WO 2015 / 010753 é conhecida uma cobertura tendo um conector passante para um terminal elétrico, para conectar um condutor de média tensão (MT) ou de alta tensão (AT) com uma carga colocada em um tanque contendo um líquido dielétrico ou um gás dielétrico. Um conector passante para um terminal elétrico compreende um membro de bucha de encaixe feito de material isolante, onde uma bobina de filtragem em série está embutida. A bobina de filtragem possui um primeiro terminal que é eletricamente conectado a uma linha externa de alta ou média tensão, e um segundo terminal que é conectado a uma carga colocada dentro do tanque. O conector passante para o terminal é adicionalmente provido com um membro de bucha adicional que fica mecanicamente conectado com o membro de bucha de encaixe através de uma base isolante comum. O membro de bucha adicional está equipado com um condutor localizado dentro do membro de bucha, onde o condutor fica diretamente conectado com o segundo terminal da bobina de filtragem e com um componente de proteção externo contra surtos elétricos. Essa solução nada diz sobre o equipamento eletrônico situado fora do tanque e tendo conexões elétricas com a carga colocada dentro do tanque. Existe a necessidade de prover uma solução técnica para o transformador de distribuição imerso em óleo ou algum outro produto de potência imerso em óleo conectado com dispositivos eletrônicos, onde tais dispositivos eletrônicos que estão imersos no óleo apresentam um menor nível crítico de temperatura de trabalho do que a temperatura do óleo dentro do tanque do transformador.

[004] A partir da patente US 3235823 é conhecido um transfor mador trifásico de alta tensão tendo uma cobertura à qual está conectado um dispositivo mecânico comutador de derivação, sob a superfície externa da cobertura. O comutador de derivação fica imerso no óleo que preenche o tanque do transformador, e possui uma conexão elétrica com uma parte ativa do transformador. O comutador está colocado na parte superior do transformador, sob a cobertura. A cobertura está dividida em três coberturas integralmente unidas, com cada cobertura tendo geralmente formato de caixa e possuindo aberturas na extremidade inferior. O espaço interno sob a cobertura pode ser considerado como um compartimento de resfriamento superior. Na citada patente US 3235823 não há informação sobre uma barreira térmica entre o compartimento superior e inferior do transformador. A patente menciona uma separação do tanque do transformador de alta tensão em compartimentos menores que podem ser selados para propósitos de transporte. Não há informações sobre a existência de um compartimento com barreira térmica para obter uma temperatura mais baixa do fluido dentro do compartimento superior. Na patente US 3235823 o compartimento superior é preenchido com óleo, no entanto, não há informações sobre o gradiente de temperatura dos óleos em compartimentos separados (superior e inferior), que é a principal característica do compartimento de resfriamento descrito na invenção proposta.

[005] A partir da patente US 8648587 é conhecida uma combinação de um comutador de derivação em um transformador de regulação. O transformador de regulação é um transformador de rede elétrica local ou um transformador de distribuição próximo ao consumidor. O transformador de regulação compreende um recipiente enchido com óleo no qual pelo menos uma estrutura de suporte e enrolamentos do transformador de regulação estão dispostos. O comutador de derivação compreende um sistema de contato mecânico para seleção de uma derivação do enrolamento de regulação do transformador de regulação, bem como uma chave comutadora de carga para comutação real sob carga. O sistema de contato mecânico do comutador de derivação fica no recipiente abaixo da cobertura do transformador e acima da estrutura de suporte. A chave comutadora de carga fica fora do recipiente, acima da cobertura do transformador, e compreende tiristores ou IGBTs {Insulated Gate Bipolar Transistors - Transistores Bipolares de Porta Isolada). A chave comutadora de carga e o sistema de contato mecânico do comutador de derivação ficam separados um do outro por uma placa horizontal de isolação. Assim, os componentes eletrônicos podem ser operados sob ar e o sistema de contato mecânico pode ser operado em óleo. Essa solução apresenta o equipamento eletrônico situado fora do tanque e tendo as conexões elétricas com a carga colocadas dentro do tanque, mas a solução nada diz sobre os dispositivos eletrônicos que estão imersos no óleo junto com os sistemas mecânicos. Essa solução não menciona nada sobre o resfriamento dos dispositivos eletrônicos no óleo, tendo menor nível crítico de temperatura de trabalho do que a temperatura do óleo dentro do tanque do transformador. Portanto, existe uma necessidade de que seja provida uma solução técnica para o transformador de distribuição imerso em óleo ou algum outro produto de potência imerso em óleo conectado com dispositivos eletrônicos, especialmente os dispositivos eletrônicos pertencentes a um comutador de derivação, onde os dispositivos eletrônicos ficam imersos no óleo, tendo menor nível crítico de temperatura de trabalho do que a temperatura do óleo dentro do tanque do transformador.

[006] A essência de uma cobertura para cobrir um transformador de distribuição, em que o transformador de distribuição é enchido com um líquido dielétrico, com a parte ativa do transformador de distribuição sendo colocada e a cobertura possuindo um compartimento de resfriamento localizado em sua parte superior, tal compartimento de resfriamento tendo paredes laterais e uma parede de topo, é que a cobertura é equipada com uma janela na qual uma parede de fundo do compartimento de resfriamento é inserida de modo a coincidir com um chanfro disposto em todo o perímetro circunferencial da parede de fundo. A parede de fundo forma uma barreira térmica entre o interior de um tanque principal do transformador de distribuição e o interior do compartimento de resfriamento. Ambos os interiores do compartimento de resfriamento e do tanque principal do transformador de distribuição ficam hermeticamente fechados, juntos, quando são enchidos com o líquido dielétrico. Pelo menos um dispositivo eletrônico é colocado no líquido dielétrico que preenche o compartimento de resfriamento, tendo uma conexão elétrica com a parte ativa do transformador de distribuição.

[007] De preferência, a barreira térmica é feita de um material com alta resistência térmica tendo um coeficiente de condutividade térmica não superior a 0,24 W/(m*K).

[008] De preferência, a parede de fundo do compartimento de resfriamento é provida com pelo menos um orifício passante para a inserção de um condutor para conexão elétrica do dispositivo eletrônico com a parte ativa do transformador de distribuição.

[009] De preferência, o compartimento de resfriamento está conectado a um tubo de enchimento de óleo do tanque principal do transformador de distribuição através de um tubo flexível, e um dispositivo de proteção está instalado no tubo de enchimento para medir o nível do líquido dielétrico no interior do compartimento de resfriamento.

[010] De preferência, pelo menos, uma parede lateral do compartimento de resfriamento está equipada com aletas externas.

[011] De preferência, a parede de topo do compartimento de resfriamento também está equipada com aletas externas.

[012] Uma cobertura de acordo com a invenção se caracteriza pelo fato do dispositivo eletrônico ser um comutador de derivação colocado no compartimento de resfriamento.

[013] De preferência, o dispositivo comutador de derivação está conectado com a parte ativa do transformador de distribuição através do condutor colocado no orifício formado na parede de fundo do compartimento de resfriamento.

[014] A cobertura de acordo com a invenção permite integrar dispositivos sensíveis ao calor, tais como dispositivos elétricos ou eletrônicos de potência, com produtos de potência imersos em óleo, tais como transformadores de distribuição, sem necessidade de isolar hermeticamente compartimentos separados com líquidos dielétricos. Tal arranjo de compartimentos com volumes de óleo separados é menos dispendioso e menos difícil de ser aplicado ao dispositivo de energia elétrica do que a conexão dispendiosa de dois volumes de fluido totalmente separados e vedados, conectados pelas caras buchas e cabos de energia de MT. A invenção elimina os problemas de vedação dos compartimentos e os problemas com o isolamento das pontas dos condutores que conectam os dispositivos eletrônicos com a parte ativa do produto de potência, tal como o transformador. Na solução proposta, os demorados processos de fazer o isolamento especial das pontas dos condutores e das juntas de bucha podem ser omitidos. Usar a barreira térmica como uma parte comum da cobertura e do compartimento de resfriamento permite uma diferenciação da temperatura dos líquidos dielétricos que preenchem o tanque principal do transformador e o compartimento de resfriamento. Além disso, as aletas externas providas no compartimento de resfriamento possibilitam uma melhoria das condições de resfriamento.

[015] Formas de incorporação exemplificativas da presente invenção estão ilustradas nos desenhos anexos, em que: - A fig. 1 mostra um transformador de distribuição em uma primeira forma de incorporação da invenção, tendo uma cobertura equipada com dispositivos eletrônicos encerrados no compartimento de resfriamento, em uma vista axonométrica em corte transversal do transformador; - A fig. 2 mostra um transformador de distribuição em uma segunda forma de incorporação da invenção, tendo uma cobertura equipada com dispositivos eletrônicos encerrados no compartimento de resfriamento, em uma vista plana em corte transversal; - A fig. 3 mostra uma parte do transformador da fig. 1, relativa à barreira térmica de um compartimento de resfriamento, que está fixada à cobertura do transformador, em uma vista plana em corte transversal.

[016] Um dispositivo de potência elétrica na forma de um transformador de distribuição 1 apresenta uma cobertura 2 conectada ao tanque principal 3 enchido com óleo 4. O óleo 4 pode ser um óleo mineral, um óleo sintético, um óleo de éster, ou outro líquido dielétrico. O óleo está indicado mas não é mostrado no desenho por meio de alguma representação especial. Apenas o índice "4" indica onde o óleo é colocado. A cobertura 2 está equipada com uma janela 2a (fig. 3) na qual um compartimento de resfriamento externo 5 é inserido através de uma parede de fundo 6 do compartimento 5. Para coincidir com a parede de fundo 6 na janela 2a da cobertura 2, a parede de fundo 6 está equipada com um chanfro 6a (fig. 3) disposto no perímetro circunferencial inteiro da parede de fundo 6. O compartimento de resfriamento 5 está equipado com quatro paredes laterais 7 e uma parede de topo 8, formando um recipiente retangular fixado à cobertura 2. Uma parte ativa 9 do transformador está colocada dentro do tanque principal 3, tendo enrolamentos eletricamente conectados com buchas de MT e com a conexão elétrica dos terminais de BT (baixa tensão). A parte ativa 9 também está conectada, por condutores flexíveis 10, com dispositivos eletrônicos 11 colocados no interior do compartimento de resfriamento 5. Os dispositivos eletrônicos estão representados esquematicamente no desenho por meio de um oval (elipse). Para conectar os condutores 10 com a parte ativa 9 do transformador, alguns orifícios 12 são formados na parede de fundo 6 do compartimento 5. O compartimento de resfriamento 5 é enchido com óleo 4 ou outro líquido dielétrico útil para transformadores, que também preenche o tanque principal 3, de modo que o tanque 3 do transformador fica hermeticamente conectado com o compartimento de resfriamento 5. O dispositivo 11 imerso em fluido no compartimento de resfriamento pode ser um comutador de derivação eletrônico de potência ou quaisquer outros dispositivos eletrônicos conectados à parte ativa do transformador de distribuição. A parede de fundo 6 do compartimento de resfriamento 5 está fixada à cobertura 2, de maneira que o óleo 4 pode fluir através dos orifícios 12 para o compartimento de resfriamento, vindo do tanque principal 3, e vice-versa. Os orifícios 12 são concebidos de modo a que cada um dos orifícios tenha uma dimensão que permita a inserção do condutor flexível 10 sem utilizar nenhuma vedação nos orifícios 12. Tal arranjo deixa o interior do compartimento de resfriamento 5 aberto para o óleo 4 do tanque 3, e não há necessidade de isolamento hermético. O nível do óleo 4 no compartimento de resfriamento 5 é indicado por um dispositivo de proteção padrão 13 para medir o nível e a pressão do líquido dielétrico 4 dentro do compartimento de resfriamento 5, como por exemplo um detector de segurança integrado (RIS - Rilevatore Integrato di Sicurezzà), conectado com o óleo 4 localizado no tubo de enchimento de óleo 14 e, através de um tubo flexível 15, fixado na parede de topo 8 do compartimento de resfriamento 5. Quando o nível de óleo no compartimento de resfriamento 5 cai abaixo de um limiar, o dispositivo de proteção 13 dispara e o dispositivo de potência elétrica 1 é desconectado da rede elétrica para evitar danos ao transformador. A parede de fundo 6 do compartimento de resfriamento 5 forma uma barreira térmica entre o interior do tanque principal 3 e o interior do compartimento de resfriamento 5, onde os dispositivos eletrônicos de potência 11 juntamente com os sistemas mecânicos, não representados no desenho, estão colocados. Para formar uma barreira térmica entre o tanque principal 3 e o compartimento de resfriamento externo 5, a parede de fundo 6 é feita de um material de alta resistência térmica tendo um coeficiente de condutividade térmica não superior a 0,24 W/(m*K). Nas formas de incorporação exemplificativas da invenção, a parede de fundo 6 é feita de poliéster termoplástico semi-cristalino tendo as propriedades térmicas e elétricas apresentadas na tabela 1. TABELA 1

[017] O compartimento de resfriamento 5, com a parede de fundo 6 como uma barreira térmica entre o interior do tanque principal 3 e o interior do compartimento de resfriamento 5, também está equipado com aletas adicionais 16 adaptadas para a dissipação do calor do óleo, apresentadas nas primeira e segunda formas de incorporação da invenção.

[018] Na primeira forma de incorporação da invenção, pelo menos uma das paredes laterais 7 do compartimento 5 está equipada com aletas externas 16. As aletas apresentam um formato longitudinal 6A que está representado no desenho para as duas paredes laterais 7 do compartimento de resfriamento 5. Outros formatos de aletas 16 são possíveis, e muitos deles são conhecidos no estado da técnica anterior. As paredes laterais 7 do compartimento de resfriamento 5 são feitas de um material tendo uma alta capacidade de dissipação de calor, como por exemplo de alumínio ou alumínio anodizado preto. As aletas 16A podem ser formadas integralmente com as paredes 7, ou podem ser fixadas às paredes como partes separadas. As aletas são feitas do mesmo material que as paredes do compartimento, ou de outro material tendo maior capacidade de dissipar calor do que as paredes. As paredes laterais 7 também podem ser formadas como paredes corrugadas, porém isto não está representado nos desenhos.

[019] Na segunda forma de incorporação da invenção, a parede de topo 8 do compartimento de resfriamento 5 também está equipada com aletas externas 16. As aletas na parede de topo 8 têm a forma cilíndrica 16B e são deslocadas na parede em quaisquer disposições arbitrárias. As outras formas das aletas são possíveis e muitas delas são conhecidas na técnica anterior. A parede de topo 8 do compartimento de resfriamento 5 é feita de material com uma elevada capacidade para abandonar o calor, por exemplo de alumínio ou de alumínio anodizado preto. As aletas 16B podem ser formadas integralmente com a parede 8, ou podem ser fixadas à parede como partes separadas. As aletas 16B são feitas do mesmo material que a parede de topo 8 do compartimento 5, ou de outro material tendo a maior capacidade de dissipar calor do que a parede de topo.

[020] Em ambas as formas de incorporação da invenção, a cobertura 2 possui outras aberturas para a inserção de buchas com condutores, colocadas do lado de fora da parede de fundo 6 do compartimento de resfriamento 5, porém isto não está representado nos desenhos. Para evitar a movimentação da barreira térmica no interior da janela 2a, tirantes e porcas adicionais feitos de fibra de vidro são fixados à cobertura 2, porém isto não está representado nos desenhos. Entre a cobertura 2 do transformador e o compartimento de resfriamento 5 uma vedação plana de borracha 17 é inserida para vedar o compartimento de resfriamento a partir do lado de fora da cobertura 2.

[021] Na condição de uso da invenção, a cobertura 2, com a barreira térmica na forma da parede de fundo 6 do compartimento de resfriamento 5, funciona como explicado abaixo. Os dispositivos eletrônicos 11 estão colocados no interior do compartimento de resfriamento 5. Os dispositivos eletrônicos podem ser, por exemplo, placas de circuitos eletrônicos contendo tiristores, IGBTs ou quaisquer outros controladores eletrônicos de potência de estado sólido. Tais dispositivos eletrônicos não devem ter uma temperatura de operação máxima superior a +75°C, a fim de garantir uma confiabilidade suficiente durante um tempo de operação de 20 anos. O óleo aquecido 4 no tanque principal 3 pode atingir temperaturas de até 100°C sob condições de plena carga. O ar ambiente fora do transformador pode atingir até +40°C. Em consequência, a temperatura no interior do compartimento de resfriamento 5 pode ser estabelecida em um nível entre esses dois valores. No entanto, as placas de circuitos eletrônicos geram perdas de carga adicionais principalmente devido ao trabalho dos tiristores. Os fluxos de calor dependem fortemente do dimensionamento das aletas de resfriamento 16A, 16B e da dimensão da parede de fundo 6 que forma a barreira térmica. A barreira permite isolar o óleo quente no topo do tanque principal 3 em um compartimento separado, onde o óleo apresenta uma temperatura mais baixa. Um gradiente de alta temperatura é provido ao longo da seção transversal da barreira térmica. Geralmente, a área com os orifícios 12 formados na parede de fundo 6 do compartimento 5 deve ser tão baixa quanto possível, para limitar a mistura do óleo quente no topo do tanque principal 3 com o óleo frio do compartimento de resfriamento 5, enquanto a área entre o compartimento de resfriamento 5 e o ar ambiente deve ser a maior possível. É possível limitar a temperatura do óleo no interior do compartimento de resfriamento 5 para cerca de 72 °C nas condições apresentadas. A dissipação de calor pelas paredes 7 e 8 do compartimento de resfriamento 5 tendo as aletas 16 é muito mais significativa do que a transferência de calor do óleo quente no topo através da barreira térmica. Como resultado, a temperatura do óleo no interior do compartimento de resfriamento 5 é muito inferior à temperatura máxima do óleo no tanque principal 3.

Claims (8)

1. Cobertura (2), para cobrir um transformador de distribuição (1) com um tanque de combustível (3) enchido com um líquido dielétrico (4) no qual uma parte ativa (9) do transformador de distribuição (1) é colocada; a cobertura (2) possui um compartimento de resfriamento (5) para ser enchido com líquido dielétrico (4) localizado em uma parte superior da cobertura (2) e pelo menos um dispositivo eletrônico (11) para conexão elétrica com a parte ativa (9) do transformador de distribuição (1), em que o compartimento de resfriamento (5) possui uma parede de fundo (6), paredes laterais (7) e uma parede de topo (8), o dito dispositivo eletrônico (11) é colocado dentro do compartimento de resfriamento (5), a dita parede de fundo (6) é adaptada para formar uma barreira térmica entre o interior do tanque principal (3) do transformador de distribuição (1) e adaptada de modo que o interior do compartimento de resfriamento (5) e os dois interiores do compartimento de resfriamento (5) e do tanque principal (3) ficam hermeticamente fechados juntos quando enchidos com o líquido dielétrico (4), caracterizada pelo fato de que a cobertura (2) é equipada com uma janela (2a), na qual a parede de fundo (6) do compartimento de resfriamento (5) está inserida e coincidindo com um chanfro (6a) disposto no perímetro circunferencial inteiro da parede de fundo (6).

2. Cobertura, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a barreira térmica é feita de um material de alta resistência térmica tendo um coeficiente de condutividade térmica não superior a 0,24 W/(m*K).

3. Cobertura, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a parede de fundo (6) do dispositivo de resfriamento (5) é provida com pelo menos um orifício passante (12) para inserção de um condutor (10), para conexão elétrica do dispositivo eletrônico (11) com a parte ativa (9) do transformador de distribuição (1).

4. Cobertura, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que cobertura (2) compreende um tubo de enchimento de óleo (14) e um dispositivo de proteção (13) para medir um nível do líquido dielétrico (4) dentro do compartimento de resfriamento (5), em que o dispositivo de proteção (13) é conectado com o tubo de enchimento de óleo (14) e com o compartimento de resfriamento (5) via um tubo flexível (15).

5. Cobertura, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma parede lateral (7) do compartimento de resfriamento (5) está equipada com aletas externas (16A).

6. Cobertura, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a parede de topo (8) do compartimento de resfriamento (5) está equipada com aletas externas (16B).

7. Cobertura, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o dispositivo eletrônico (11) é um dispositivo comutador de derivação colocado no compartimento de resfriamento (5).

8. Cobertura, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o dispositivo eletrônico (11) está conectado com pelo menos um condutor (10) para conexão elétrica do dispositivo eletrônico (11) com a parte ativa (9) do transformador de distribuição (1), o pelo menos um condutor (10) sendo inserido em pelo menos um orifício passante (12) formado na parede de fundo (6) do compartimento de resfriamento (5).