BR202015019456Y1

BR202015019456Y1 - “VEGETABLE OIL TRANSFORMER AND AMORPHIC CORE FOR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER GIVEN IN TEMPERATURE MONITORING SYSTEM”

Info

Publication number: BR202015019456Y1
Application number: BR202015019456-6U
Authority: BR
Inventors: Tiago Bandeira Marchesan; Dion Lenon Prediger Feil; Daniel Pinheiro Bernardon; Leonardo Hautrive Medeiros; Ayrton Aparecido Bardeja; Márcio Aparecido Tardivo; Alexandre Zanini
Original assignee: Universidade Federal De Santa Maria
Priority date: 2015-08-13
Filing date: 2015-08-13
Publication date: 2018-05-15
Also published as: BR202015019456U2

Abstract

transformador de distribuição e uso do mesmo em redes de distribuição de energia a presente invenção está situada no campo da engenharia elétrica e descreve um transformador de distribuição e o uso do mesmo em redes de distribuição de energia. o transformador da presente invenção apresenta como vantagens melhoria na eficiência devido à redução das perdas energéticas do núcleo quando em operação, baixo potencial poluidor, maior temperatura limite de funcionamento, sistema de arrefecimento de alta eficiência e estimativa da vida útil do mesmo.Distribution Transformer and Use of It in Power Distribution Networks The present invention is situated in the field of electrical engineering and describes a distribution transformer and its use in power distribution networks. The transformer of the present invention has the advantages of improved efficiency due to reduced core energy losses in operation, low pollutant potential, higher operating limit temperature, high efficiency cooling system and estimated lifetime of the same.

Description

(54) Título: TRANSFORMADOR A ÓLEO VEGETAL E NÚCLEO AMORFO PARA DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA DOTADO DE SISTEMA DE MONITORAMENTO DE TEMPERATURA (51) Int.CI.: H01F 27/08; H01F 27/12; H01F 27/24 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA. MUXFELDT, MARIN & CIA. LTDA. ROMAGNOLE PRODUTOS ELÉTRICOS S.A (72) Inventor(es): TIAGO BANDEIRA MARCHESAN; DION LENON PREDIGER FEIL; DANIEL PINHEIRO BERNARDON; LEONARDO HAUTRIVE MEDEIROS; AYRTON APARECIDO BARDEJA; MÁRCIO APARECIDO TARDIVO; ALEXANDRE ZANINI(54) Title: VEGETABLE OIL TRANSFORMER AND AMORFO NUCLEUS FOR ELECTRICAL ENERGY DISTRIBUTION WITH TEMPERATURE MONITORING SYSTEM (51) Int.CI .: H01F 27/08; H01F 27/12; H01F 27/24 (73) Holder (s): FEDERAL UNIVERSITY OF SANTA MARIA. MUXFELDT, MARIN & CIA. LTDA. ROMAGNOLE PRODUTOS ELÉTRICOS S.A (72) Inventor (s): TIAGO BANDEIRA MARCHESAN; DION LENON PREDIGER FEIL; DANIEL PINHEIRO BERNARDON; LEONARDO HAUTRIVE MEDEIROS; AYRTON APARECIDO BARDEJA; LATE APPEARED MÁRCIO; ALEXANDRE ZANINI

1/151/15

Relatório Descritivo de Patente de Modelo de UtilidadeUtility Model Patent Descriptive Report

T RANSFORMADOR A ÓLEO VEGETAL E NÚCLEO AMORFO PARA Distribuição de Energia Elétrica Dotado de Sistema de Monitoramento de TemperaturaT VEGETABLE OIL RANSFORMER AND AMORFO CORE FOR Electricity Distribution Equipped with Temperature Monitoring System

Campo do Invento [0001] O presente modelo de utilidade descreve um transformador de distribuição empregando núcleo amorfo, óleo vegetal isolante, sistema de comunicação com medição da temperatura de topo de óleo e sistema de refrigeração otimizado, operando com classe de tensão até 34,5 kV, frequência de 50 Hz ou 60 Hz e o uso do mesmo em redes de distribuição de energia. O presente modelo de utilidade está situado no campo da Engenharia Elétrica.Campo do Invento [0001] The present utility model describes a distribution transformer employing amorphous core, insulating vegetable oil, communication system with top oil temperature measurement and optimized cooling system, operating with voltage class up to 34.5 kV, 50 Hz or 60 Hz frequency and its use in power distribution networks. The present utility model is located in the field of Electrical Engineering.

Antecedentes do Invento [0002] Transformadores são elementos fundamentais na correção ou alteração de valores de tensão em redes de distribuição de energia, isto é, correspondem ao intermédio do ajuste do valor de tensão eficaz de um gerador (fonte) para o valor de tensão eficaz requisitado por um consumidor (carga). Transformadores de distribuição trifásicos são amplamente utilizados pelas empresas de distribuição de energia (concessionárias de energia), geralmente lidando com sistemas de alta potência, e por isso pertencem ao grupo de transformadores de potência.Background of the Invention [0002] Transformers are fundamental elements in the correction or alteration of voltage values in power distribution networks, that is, they correspond to the adjustment of the effective voltage value of a generator (source) to the effective voltage value requested by a consumer (cargo). Three-phase distribution transformers are widely used by power distribution companies (power utilities), generally dealing with high-power systems, and therefore belong to the group of power transformers.

[0003] O termo “trifásico” que pode ser agregado a esse dispositivo se deve à rede de distribuição de energia elétrica que comumente é composta por três fios de fase e por um fio neutro. Cada fio de fase corresponde a uma única corrente elétrica alternada. Sendo assim, uma rede elétrica é monofásica quando constituída por um único fio fase, bifásica quando constituída por dois fios fase e trifásica quando constituída por três correntes, com mesmo valor eficaz, que estão defasadas de 120°, e que quando fornecidas em rede são correspondidas por três tensões alternadas com as mesmas características. O[0003] The term “three-phase” that can be added to this device is due to the electricity distribution network that is commonly composed of three phase wires and a neutral wire. Each phase wire corresponds to a single alternating electrical current. Thus, an electrical network is monophasic when constituted by a single phase wire, biphasic when constituted by two phase wires and three-phase when constituted by three currents, with the same effective value, which are 120 ° out of phase, and which when supplied in network are corresponded by three alternating voltages with the same characteristics. O

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 16/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 16/39

2/15 transformador trifásico de distribuição é adequadamente projetado para correção ou redução do valor eficaz dessas tensões em redes elétricas de larga escala.2/15 three-phase distribution transformer is adequately designed to correct or reduce the effective value of these voltages in large-scale electrical networks.

[0004] Transformadores trifásicos de distribuição são tipicamente compostos por um núcleo ferromagnético com uma travessa superior e uma travessa inferior, conectadas por três colunas em um único plano que dispõem três pares de enrolamentos (bobinas). Cada coluna é contida por um par de enrolamentos: uma bobina primária para a entrada do sinal e uma bobina secundária para saída do sinal ajustado, de modo que ambas são isoladas eletricamente e normalmente são concêntricas ou intercaladas. Cada par de enrolamentos efetua a transformação da tensão de uma única fase da rede. Transformadores como o do presente modelo de utilidade também são comumente imersos em líquido isolante para prevenir o superaquecimento das bobinas por efeito Joule (esse fluido auxilia na dissipação do calor), uma vez que pelos enrolamentos são conduzidas correntes de valores nominais muito altos, o que é característico de transformadores de potência.[0004] Three-phase distribution transformers are typically composed of a ferromagnetic core with an upper and a lower beam, connected by three columns in a single plane that have three pairs of windings (coils). Each column is contained by a pair of windings: a primary coil for the input of the signal and a secondary coil for the output of the adjusted signal, so that both are electrically isolated and are usually concentric or interspersed. Each pair of windings transforms the voltage of a single phase of the network. Transformers like the one in this utility model are also commonly immersed in insulating liquid to prevent the coils from overheating due to the Joule effect (this fluid helps in the dissipation of heat), since the windings carry very high rated currents, which is characteristic of power transformers.

[0005] Os dispositivos já existentes com esse propósito são usualmente apresentados em algumas configurações distintas, das quais a mais comum é a da maioria dos transformadores comerciais; com núcleo de aço-silício e imersos em óleo mineral. As demais configurações apresentam, em sua maioria, núcleo de metal amorfo e estão imersos em óleo vegetal, características que melhoram a eficiência do dispositivo. Porém esse último tipo de configuração ainda é pouco recorrente e é desenvolvido especificamente para elevadas tensões. Também vale notar que pelo fato de estes dispositivos estarem muitas vezes imersos em fluidos isolantes (óleo mineral ou óleo vegetal), são denominados “transformadores a óleo”, ao contrário de alguns transformadores que não se apresentam imersos e são denominados “transformadores a seco”.[0005] The devices that already exist for this purpose are usually presented in some different configurations, of which the most common is that of most commercial transformers; with silicon steel core and immersed in mineral oil. Most of the other configurations have an amorphous metal core and are immersed in vegetable oil, characteristics that improve the efficiency of the device. However, the latter type of configuration is not very recurrent and is developed specifically for high voltages. It is also worth noting that because these devices are often immersed in insulating fluids (mineral oil or vegetable oil), they are called “oil transformers”, unlike some transformers that are not immersed and are called “dry transformers” .

[0006] As dificuldades que se encontra para melhorar a eficiência dos transformadores de distribuição se devem, integralmente, à falta de controle[0006] The difficulties encountered in improving the efficiency of distribution transformers are due entirely to the lack of control

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 17/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 17/39

3/15 adequado da temperatura interna do dispositivo e às perdas no núcleo ferromagnético. O funcionamento em sistemas de alta potência reduz drasticamente a vida útil do transformador, e por isso deve ser empregada uma nova configuração para transformadores de distribuição com materiais mais adequados na sua produção; tais que intensifiquem a dissipação do calor gerado internamente permitindo a operação em alta potência sem comprometer a vida útil demasiadamente, que minimizem as perdas no núcleo, em quantidade e em qualidade, durante o processo de conversão de energia, e que tragam vantagens ambientais e financeiras significativas em função do tempo de uso.3/15 adequate internal temperature of the device and losses in the ferromagnetic core. The operation in high power systems drastically reduces the life of the transformer, and therefore a new configuration must be used for distribution transformers with more suitable materials in their production; such that they intensify the heat dissipation generated internally allowing the operation in high power without compromising the useful life too much, that minimize the losses in the nucleus, in quantity and in quality, during the energy conversion process, and that bring environmental and financial advantages significant depending on the time of use.

[0007] No âmbito patentário, foram localizados alguns documentos relevantes que serão descritos a seguir:[0007] In the patent field, some relevant documents were found, which will be described below:

[0008] O documento TW201025366A relata o processo de fabricação de um transformador de distribuição imerso em óleo e com núcleo amorfo. Um núcleo de liga amorfa, um enrolamento de alta resistência à temperatura e óleo vegetal foram, principalmente, as estruturas constituídas para transformadores. De acordo com o processo de fabricação para equipamentos elétricos de alta potência, há uma nova série de vantagens para transformadores trifásicos de óleo imerso como, por exemplo: a resistência às altas temperaturas de operação, o uso de um óleo de isolação de alta biodegradabilidade, as baixas perdas energéticas no núcleo, a baixa descarga de gás CO2, a alta eficiência e a proteção ambiental. Apesar dos benefícios, a invenção descrita por esse documento não utiliza princípios de trocadores de calor para um sistema de refrigeração ainda melhor, e não inclui um sistema inteligente de monitoramento da temperatura do óleo vegetal em tempo real, o que impede a estimativa e o prolongamento da vida útil do transformador, e não fornece a temperatura nominal limite de operação do mesmo.[0008] Document TW201025366A reports the manufacturing process for a distribution transformer immersed in oil and with an amorphous core. An amorphous alloy core, a high temperature resistance winding and vegetable oil were, mainly, the structures made for transformers. According to the manufacturing process for high power electrical equipment, there are a new series of advantages for three-phase immersed oil transformers, such as: resistance to high operating temperatures, the use of a highly biodegradable insulation oil, low energy losses in the core, low CO2 gas discharge, high efficiency and environmental protection. Despite the benefits, the invention described by this document does not use principles of heat exchangers for an even better cooling system, and does not include an intelligent system for monitoring vegetable oil temperature in real time, which prevents estimation and prolongation. of the life of the transformer, and does not provide the nominal operating limit temperature of the same.

[0009] O documento CN203277034U trata de um radiador de transformador de distribuição do tipo óleo imerso. O corpo do radiador está disposto no exterior da superfície da casca do transformador. O corpo do radiador[0009] Document CN203277034U deals with an immersed oil-type distribution transformer radiator. The radiator body is arranged outside the surface of the transformer shell. The radiator body

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 18/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 18/39

4/15 compreende um tubo de entrada de água, um tubo de saída de água e os tubos de refrigeração, em que o tubo de entrada de água e o tubo de saída de água são perpendiculares à parte inferior da casca do transformador, e os tubos de refrigeração são ligados entre o tubo de entrada de água e o tubo de saída de água. O tubo de entrada de água é composto por uma vazão de entrada de água. O tubo de saída de água é composto por uma vazão de saída de água. As duas extremidades do tubo de entrada de água e as duas extremidades do tubo de saída de água estão todas dispostas de um modo selado. O tubo de entrada de água, o tubo de saída de água e os tubos de refrigeração são todos comunicados. A invenção que o documento descreve não utiliza, porém, o óleo vegetal como fluido para o sistema de arrefecimento (trocador de calor), o que melhoraria a eficiência desse sistema e teria como consequência a diminuição de custos com o transformador em longo prazo. Além disso, não é descrito um sistema inteligente de monitoramento da temperatura desse fluido em tempo real, o que impede a estimativa e o prolongamento da vida útil do transformador, e não fornece a temperatura nominal limite de operação do mesmo.4/15 comprises a water inlet tube, a water outlet tube and the cooling tubes, in which the water inlet tube and the water outlet tube are perpendicular to the bottom of the transformer shell, and the Cooling tubes are connected between the water inlet tube and the water outlet tube. The water inlet pipe consists of a water inlet flow. The water outlet pipe consists of a water outlet flow. The two ends of the water inlet pipe and the two ends of the water outlet pipe are all arranged in a sealed manner. The water inlet pipe, the water outlet pipe and the cooling pipes are all communicated. The invention described in the document does not, however, use vegetable oil as a fluid for the cooling system (heat exchanger), which would improve the efficiency of this system and result in a reduction in the costs of the transformer in the long run. In addition, an intelligent system for monitoring the temperature of this fluid in real time is not described, which prevents the estimation and extension of the life of the transformer, and does not provide the nominal operating temperature limit of the same.

[0010] O documento US2015109085A1 versa sobre um transformador de elevadas segurança e radiação, e relata a modificação da estrutura do transformador. A invenção compreende um corpo do transformador e um radiador em torno do corpo do transformador, e é estruturalmente caracterizada pelo fato de o corpo do transformador estar disposto numa caixa no meio do radiador; uma cavidade principal está disposta entre a parede interna da caixa e o corpo do transformador; uma cavidade irradiadora está disposta entre a parede externa da caixa e a parede interna do radiador; o óleo do transformador é reservado no interior da cavidade principal e a água é reservada na cavidade irradiadora. A invenção que o documento descreve não utiliza, porém, o óleo vegetal como fluido especificamente para o trocador de calor do sistema de arrefecimento, o que melhoraria a eficiência desse sistema e teria como consequência a diminuição de custos com o transformador em[0010] The document US2015109085A1 deals with a transformer of high security and radiation, and reports the modification of the structure of the transformer. The invention comprises a transformer body and a radiator around the transformer body, and is structurally characterized by the fact that the transformer body is arranged in a box in the middle of the radiator; a main cavity is arranged between the inner wall of the box and the body of the transformer; a radiating cavity is arranged between the outer wall of the box and the inner wall of the radiator; transformer oil is reserved inside the main cavity and water is reserved in the irradiating cavity. The invention described in the document does not, however, use vegetable oil as a fluid specifically for the heat exchanger of the cooling system, which would improve the efficiency of that system and result in the reduction of costs with the transformer in

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 19/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 19/39

5/15 longo prazo. Além disso, não é descrito um sistema inteligente de monitoramento da temperatura desse fluido em tempo real, o que impede a estimativa e o prolongamento da vida útil do transformador, e não fornece a temperatura nominal limite de operação do mesmo.5/15 long term. In addition, an intelligent system for monitoring the temperature of this fluid in real time is not described, which prevents the estimation and prolongation of the life of the transformer, and does not provide the nominal operating temperature limit of the same.

[0011] O documento CN202615973U refere-se a um transformador do tipo irradiador. Com este transformador, os problemas em função do calor gerado pela parte ativa do mesmo, como o fato das bobinas trabalharem sobre altas temperaturas, são resolvidos. Isso se deve a um mecanismo que compreende orifícios como os de uma persiana para dissipação de calor e um sistema de ventilação embutido na estrutura e direcionado para o transformador. Contudo, a invenção descrita por esse documento não utiliza princípios de trocadores de calor para refrigeração, isto é, se trata de um transformador a seco que utiliza um mecanismo de ventilação ao invés de um fluido eficiente na transferência de calor. Não apenas é um sistema menos eficiente que gera mais custos em longo prazo, mas também não traz vantagens ambientais significativas e não inclui um sistema inteligente de monitoramento da temperatura desse fluido em tempo real, o que impede a estimativa e o prolongamento da vida útil do transformador, e não fornece a temperatura nominal limite de operação do mesmo.[0011] The document CN202615973U refers to a transformer of the radiating type. With this transformer, problems due to the heat generated by the active part of it, such as the fact that the coils work at high temperatures, are solved. This is due to a mechanism that comprises orifices such as those of a shutter for heat dissipation and a ventilation system built into the structure and directed to the transformer. However, the invention described by that document does not use principles of heat exchangers for refrigeration, that is, it is a dry transformer that uses a ventilation mechanism instead of an efficient fluid in heat transfer. Not only is it a less efficient system that generates more costs in the long run, it also does not bring significant environmental advantages and does not include an intelligent system for monitoring the temperature of this fluid in real time, which prevents the estimation and prolongation of the service life of the fluid. transformer, and does not provide the rated operating limit temperature of the same.

[0012] O documento EP1563518A2 refere-se a um dispositivo de indução, mais particularmente, a um dispositivo indutivo que deve operar com elevada eficiência, como um transformador ou indutor em circuitos de alta potência, e que apresenta baixas perdas no núcleo do dispositivo já que ele compreende uma ou mais estruturas dos componentes magnéticos metálicos amorfos, principalmente. Contudo, a invenção descrita por esse documento não possui um sistema de refrigeração, não faz uso de um óleo isolante para controle da temperatura e não inclui um sistema inteligente de monitoramento da temperatura desse fluido em tempo real, o que impede a estimativa e o prolongamento da vida útil do transformador, e não fornece a temperatura nominal limite de operação do mesmo. Então, não apenas é um sistema cuja[0012] The document EP1563518A2 refers to an induction device, more particularly, an inductive device that must operate with high efficiency, such as a transformer or inductor in high power circuits, and which presents low losses in the core of the device already that it mainly comprises one or more structures of the amorphous metallic magnetic components. However, the invention described by this document does not have a cooling system, does not use an insulating oil for temperature control and does not include an intelligent system for monitoring the temperature of this fluid in real time, which prevents estimation and prolongation. the life of the transformer, and does not provide the nominal operating limit temperature of the same. So, it's not just a system whose

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 20/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 20/39

6/15 eficiência ainda é limitada, mas também gera mais custos em longo prazo e não traz vantagens ecológicas significativas.6/15 efficiency is still limited, but it also generates more costs in the long run and does not bring significant ecological advantages.

[0013] Assim, do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos do presente modelo de utilidade, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.[0013] Thus, from what can be inferred from the researched literature, no documents were found anticipating or suggesting the teachings of the present utility model, so that the solution proposed here has novelty and inventive activity in view of the state of the art.

[0014] As patentes acima revelam a constante dificuldade de projetar um transformador de distribuição que possua todas as seguintes características: perdas no núcleo minimizadas, potencial poluidor baixo, temperatura limite de operação garantida e um sistema de monitoramento de temperatura.[0014] The above patents reveal the constant difficulty in designing a distribution transformer that has all of the following characteristics: minimized core losses, low polluting potential, guaranteed operating limit temperature and a temperature monitoring system.

Sumário do Invento [0015] Dessa forma, o presente modelo de utilidade tem por objetivo resolver os problemas constantes no estado da técnica, melhorando a eficiência dos transformadores de distribuição, minimizando as perdas energéticas do núcleo quando em operação, conferindo um baixo potencial poluidor ao invento, garantindo uma alta temperatura limite de funcionamento e agregando um sistema para monitoramento da temperatura de operação do fluido isolante. [0016] Em um primeiro objeto, o presente modelo de utilidade apresenta um transformador a óleo vegetal e núcleo amorfo para distribuição de energia elétrica dotado de sistema de monitoramento de temperatura compreendendo pelo menos:Invention Summary [0015] Thus, the present utility model aims to solve the constant problems in the state of the art, improving the efficiency of the distribution transformers, minimizing the energy losses of the core when in operation, giving a low polluting potential to the invention, ensuring a high operating limit temperature and adding a system for monitoring the operating temperature of the insulating fluid. [0016] In a first object, the present utility model features a vegetable oil transformer and an amorphous core for the distribution of electrical energy equipped with a temperature monitoring system comprising at least:

- um núcleo ferromagnético (N) de metal amorfo imerso em óleo vegetal isolante;- a ferromagnetic core (N) of amorphous metal immersed in insulating vegetable oil;

- um sistema de arrefecimento dotado de aletas de refrigeração (A);- a cooling system with cooling fins (A);

- um sistema de monitoramento da temperatura de topo de óleo no tanque (T) do transformador com transmissão de dados em tempo real;- a system for monitoring the top oil temperature in the tank (T) of the transformer with real-time data transmission;

sendo o dito transformador definido de tal modo que:said transformer being defined in such a way that:

- o sistema de monitoramento da temperatura de topo de óleo- the top oil temperature monitoring system

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 21/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 21/39

7/15 compreendendo placa de condicionamento de sinal e aquisição de dados (1), modem GPRS (3) e antena (4) para transmissão de dados; e7/15 comprising signal conditioning and data acquisition board (1), GPRS modem (3) and antenna (4) for data transmission; and

- as aletas de refrigeração compreendendo aleta externa (AE) e aleta interna (AI), sendo as aletas internas (AI) associadas com as aletas externas (AE), e as aletas externas (AE) associadas com o tanque (T) do referido transformador.- the cooling fins comprising outer fins (AE) and inner fins (AI), the inner fins (AI) being associated with the outer fins (AE), and the outer fins (AE) associated with the tank (T) of said transformer.

[0017] Estes e outros objetos do modelo de utilidade serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e a seguir são descritos em detalhes suficientes para sua reprodução.[0017] These and other objects of the utility model will be immediately valued by those skilled in the art and by companies with interests in the segment, and are described below in sufficient detail for their reproduction.

Breve Descrição das Figuras [0018] A figura 1 mostra um transformador convencional do estado da técnica dotado de aletas (A) e um tanque (T), aqui referenciado como ‘transformador base'.Brief Description of the Figures [0018] Figure 1 shows a conventional state of the art transformer equipped with fins (A) and a tank (T), here referred to as 'base transformer'.

[0019] A figura 2a mostra uma vista frontal do transformador base.[0019] Figure 2a shows a front view of the base transformer.

[0020] A figura 2b mostra uma vista superior do transformador base.[0020] Figure 2b shows a top view of the base transformer.

[0021] A figura 3 mostra o núcleo (N) ferromagnético do transformador, sendo este do tipo trifásico, compreendendo três bobinas (B1, B2 e B3).[0021] Figure 3 shows the ferromagnetic core (N) of the transformer, which is of the three-phase type, comprising three coils (B1, B2 and B3).

[0022] A figura 4A mostra o transformador do presente modelo de utilidade em uma primeira concretização, com a entrada da aleta ortogonal ao corpo do tanque (T) do transformador.[0022] Figure 4A shows the transformer of the present utility model in a first embodiment, with the entrance of the orthogonal fin to the tank body (T) of the transformer.

[0023] A figura 4B mostra o transformador do presente modelo de utilidade em uma segunda concretização, com a entrada da aleta não-ortogonal ao corpo do tanque (T) do transformador.[0023] Figure 4B shows the transformer of the present utility model in a second embodiment, with the entrance of the non-orthogonal fin to the tank body (T) of the transformer.

[0024] A figura 4C mostra o transformador do presente modelo de utilidade em uma terceira concretização, com um conjunto de aleta interna (AI) e aleta externa (AE) associadas com o tanque (T) do transformador.[0024] Figure 4C shows the transformer of the present utility model in a third embodiment, with a set of inner fin (AI) and outer fin (AE) associated with the tank (T) of the transformer.

[0025] A figura 5 mostra variações na distância das aletas (A) com relação ao[0025] Figure 5 shows variations in the distance of the fins (A) with respect to

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8/15 tanque (T) do transformador.8/15 tank (T) of the transformer.

[0026] A figura 6 mostra variações na distância de entrada das aletas (A) com relação ao tanque (T) do transformador.[0026] Figure 6 shows variations in the distance of entry of the fins (A) in relation to the tank (T) of the transformer.

[0027] A figura 7A mostra uma vista lateral em 2D do detalhamento do formato das aletas do transformador de distribuição, objeto do presente modelo de utilidade.[0027] Figure 7A shows a 2D side view of the detailing of the shape of the distribution transformer fins, object of the present utility model.

[0028] A figura 7B mostra uma vista da aleta em corte CC’, conforme apresentada na figura 7A, sendo destacada a sua geometria elíptica da seção transversal.[0028] Figure 7B shows a view of the fin in section CC ', as shown in figure 7A, with its elliptical geometry of the cross section being highlighted.

[0029] A figura 8 mostra uma primeira concretização do meio de comunicação sem fio, sendo este dotado de um Arduíno (1), uma placa de conversão TTLRS232 (2), um modem GPRS (3) e uma antena (4).[0029] Figure 8 shows a first embodiment of the wireless communication medium, which is equipped with an Arduino (1), a TTLRS232 conversion card (2), a GPRS modem (3) and an antenna (4).

[0030] A figura 9 mostra um gráfico da temperatura de topo de fluido isolante no tanque do transformador, sendo o referido fluido óleo vegetal isolante.[0030] Figure 9 shows a graph of the top temperature of insulating fluid in the transformer tank, said fluid being insulating vegetable oil.

Descrição Detalhada do Invento [0031] O presente modelo de utilidade apresenta uma solução para a alteração de valores de tensão em redes de distribuição de energia, a qual apresenta um transformador de distribuição de energia empregando núcleo amorfo, óleo vegetal isolante, sistema de comunicação com medição da temperatura de topo de óleo e sistema de refrigeração otimizado, operando com classe de tensão até 34,5 kV, frequência de 50 Hz ou 60 Hz, e uso do mesmo em redes de distribuição de energia. A proposta apresentada compreende melhor eficiência devido à redução das perdas energéticas do núcleo quando em operação, baixo potencial poluidor, maior temperatura limite de funcionamento, sistema de arrefecimento de alta eficiência, monitoramento da temperatura do óleo isolante e estimativa da vida útil do mesmo.Detailed Description of the Invention [0031] The present utility model presents a solution for changing voltage values in power distribution networks, which features a power distribution transformer employing amorphous core, insulating vegetable oil, communication system with top oil temperature measurement and optimized cooling system, operating with voltage class up to 34.5 kV, 50 Hz or 60 Hz frequency, and use in power distribution networks. The proposed proposal comprises better efficiency due to the reduction of the energy losses of the core when in operation, low polluting potential, higher operating limit temperature, high efficiency cooling system, monitoring of the temperature of the insulating oil and estimation of its useful life.

[0032] Em um primeiro objeto, o presente modelo de utilidade apresenta um transformador a óleo vegetal e núcleo amorfo para distribuição de energia elétrica dotado de sistema de monitoramento de temperatura compreendendo[0032] In a first object, the present utility model features a vegetable oil transformer and an amorphous core for the distribution of electrical energy equipped with a temperature monitoring system comprising

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 23/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 23/39

9/15 pelo menos:At least 9/15:

- o sistema de monitoramento da temperatura de topo de óleo compreendendo placa de condicionamento de sinal e aquisição de dados (1), modem GPRS (3) e antena (4) para transmissão de dados; e- the top oil temperature monitoring system comprising signal conditioning and data acquisition board (1), GPRS modem (3) and antenna (4) for data transmission; and

[0033] O fluido isolante do transformador do presente modelo de utilidade compreende ser selecionado dentre óleo de origem mineral e óleo de origem vegetal, sendo preferencialmente óleo vegetal devido ao baixo potencial poluidor deste em relação ao óleo mineral. Além da função de isolamento, o fluido isolante do presente modelo de utilidade compreende função de arrefecimento, ou refrigeração, atuando na transferência térmica com o meio ambiente ao redor do transformador.[0033] The insulating fluid of the transformer of the present utility model comprises being selected from oil of mineral origin and oil of vegetable origin, being preferably vegetable oil due to its low polluting potential in relation to mineral oil. In addition to the insulation function, the insulating fluid of the present utility model comprises a cooling or cooling function, acting on the thermal transfer with the environment around the transformer.

[0034] O sistema de arrefecimento do presente modelo de utilidade compreende o uso de aletas (A), as quais aumentam a área para troca térmica, do fluido isolante para o ambiente. As figuras 4A, 4B, 4C, 5 e 6 apresentam variantes configuracionais para a aleta (A) do transformador do presente modelo de utilidade, sendo a mesma preferencialmente, dotada de seção transversal com geometria elíptica, conforme pode ser visto na figura 7B.[0034] The cooling system of the present utility model includes the use of fins (A), which increase the area for thermal exchange, from the insulating fluid to the environment. Figures 4A, 4B, 4C, 5 and 6 show configurational variants for the fin (A) of the transformer of the present utility model, the same being preferably provided with a cross section with elliptical geometry, as can be seen in figure 7B.

[0035] O núcleo do transformador de distribuição do presente modelo de[0035] The distribution transformer core of the present model of

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 24/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 24/39

10/15 utilidade é ferromagnético de metal amorfo (preferencialmente, (Fe78-B13-Si9)) imerso em fluido isolante (preferencialmente, óleo vegetal), e possui excelentes propriedades magnéticas e químicas quando comparada a outros materiais ferromagnéticos; redução em aproximadamente 70% das perdas no núcleo do transformador quando operando em vazio, menor elevação da temperatura do núcleo durante o funcionamento, alta durabilidade e reduzidos custos de aquisição.10/15 usefulness is amorphous metal ferromagnetic (preferably, (Fe78-B13-Si9)) immersed in insulating fluid (preferably vegetable oil), and has excellent magnetic and chemical properties when compared to other ferromagnetic materials; reduction of approximately 70% of losses in the transformer core when operating at no load, lower rise in core temperature during operation, high durability and reduced acquisition costs.

[0036] Um equipamento como o do presente modelo de utilidade, com as características descritas acima, se mostra eficiente, com redução da relação custo/potência e ambientalmente correto. Ainda pode ter a vida útil aumentada devido ao uso do óleo vegetal, do sistema de refrigeração eficiente e do sistema de monitoramento com transmissão de dados (com ou sem fio). Pode também ser utilizado em sistemas de baixa tensão, o que não é possível com dispositivos já existentes que possuam materiais semelhantes aos do presente modelo de utilidade.[0036] An equipment like the one of the present utility model, with the characteristics described above, proves to be efficient, with reduced cost / power ratio and environmentally friendly. It can also have an extended service life due to the use of vegetable oil, the efficient cooling system and the monitoring system with data transmission (wired or wireless). It can also be used in low voltage systems, which is not possible with existing devices that have materials similar to those of this utility model.

Exemplo - Realização preferencial [0037] Em uma primeira concretização, o presente invento trata de um transformador de distribuição monofásico, bifásico ou trifásico com classe de tensão 15kV, 25kV ou 34,5kV, que traz como novidade ter num mesmo dispositivo núcleo de metal amorfo, óleo vegetal isolante, um sistema de refrigeração eficiente e um sistema de monitoramento e transmissão de dados com fio ou sem fio.Example - Preferential realization [0037] In a first embodiment, the present invention deals with a single-phase, two-phase or three-phase distribution transformer with a voltage class of 15kV, 25kV or 34.5kV, which brings as a novelty having in the same amorphous metal core device , insulating vegetable oil, an efficient cooling system and a wired or wireless data transmission and monitoring system.

[0038] O transformador deste modelo de utilidade possui as características descritas abaixo:[0038] The transformer of this utility model has the characteristics described below:

A) Classe de tensão: 15 kV, 25 kV ou 34,5 kV;A) Voltage class: 15 kV, 25 kV or 34.5 kV;

B) Frequência: 50 Hz ou 60 Hz;B) Frequency: 50 Hz or 60 Hz;

C) Nível Básico de Isolamento: 95 kV;C) Basic Isolation Level: 95 kV;

D) Ligação Alta Tensão: Delta;D) High Voltage Connection: Delta;

E) Ligação Baixa Tensão: Estrela;E) Low Voltage Connection: Star;

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11/1511/15

F) Tipo de Núcleo: Envolvente;F) Type of Nucleus: Surrounding;

G) Valores Alta Tensão: 13800 V, 13200 V, 12600 V;G) High Voltage Values: 13800 V, 13200 V, 12600 V;

H) Valores Baixa Tensão: 220 V, 127 V;H) Low Voltage Values: 220 V, 127 V;

I) Enrolamentos: Alumínio;I) Windings: Aluminum;

J) Óleo isolante: Vegetal;J) Insulating oil: Vegetable;

K) Material do núcleo: Amorfo;K) Core material: Amorphous;

L) Sistema de refrigeração eficiente;L) Efficient cooling system;

M) Sistema de monitoramento da temperatura do óleo.M) Oil temperature monitoring system.

[0039] Também é empregado, na confecção do transformador de distribuição, o óleo vegetal isolante, contido em um tanque onde o dispositivo é imerso, o que possibilita o aumento da temperatura de operação do equipamento sem ocasionar danos (curtos-circuitos devido à deterioração da isolação elétrica), além de incluir características biodegradáveis que diminuem o potencial poluidor do transformador em caso de sinistro. Ele auxilia muito bem na dissipação de calor do sistema por condução e convecção em função da variação de sua densidade e de seu volume quando em contato com as partes aquecidas do transformador. Suas propriedades físicas e térmicas o tornam uma melhor opção na eficiência do controle de temperatura do que o óleo mineral, resultando também em um custo total menor.[0039] Insulating vegetable oil is also used in the manufacture of the distribution transformer, contained in a tank where the device is immersed, which makes it possible to increase the equipment's operating temperature without causing damage (short circuits due to deterioration electrical insulation), in addition to including biodegradable characteristics that reduce the polluting potential of the transformer in the event of an accident. It helps very well in the heat dissipation of the system by conduction and convection depending on the variation of its density and volume when in contact with the heated parts of the transformer. Its physical and thermal properties make it a better option in the efficiency of temperature control than mineral oil, also resulting in a lower total cost.

[0040] Além disso, o presente invento tem como objetivo melhorar o desempenho térmico para que o transformador opere em níveis mais baixos de temperatura e, consequentemente, para que ocorra um aumento de carga ou de potência, e/ou diminuição de seu volume e dos custos de materiais de fabricação para uma mesma potência de operação. Para tanto, é presente um sistema de refrigeração eficiente; esse invento traz um conceito de radiadores para transformadores de distribuição que leva em consideração as características do óleo isolante utilizado (óleo vegetal isolante), a fim de garantir a temperatura nominal de operação.[0040] In addition, the present invention aims to improve thermal performance so that the transformer operates at lower temperature levels and, consequently, for an increase in load or power, and / or a decrease in its volume and manufacturing material costs for the same operating power. For this, an efficient cooling system is present; this invention brings a concept of radiators for distribution transformers that takes into account the characteristics of the insulating oil used (vegetable insulating oil), in order to guarantee the nominal operating temperature.

[0041] Por último, com o anseio de maximizar a vida útil e a qualidade da energia fornecida é acrescido neste invento um sistema de aquisição e[0041] Finally, in order to maximize the useful life and quality of the energy supplied, a system for the acquisition and

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 26/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 26/39

12/15 transmissão de dados com fio ou sem fio, para a estimativa da vida útil e o monitoramento da temperatura de operação do equipamento em tempo real, sendo a temperatura o principal agente na degradação da vida útil do transformador assim como qualquer dispositivo elétrico. Esse sistema é basicamente composto por um Arduíno (1), uma placa de conversão TTLRS232 (2), um modem GPRS (3) e uma antena (4), como indicado na Figura 8. [0042] A presente concretização refere-se a um transformador de distribuição trifásico (mas não limitado à esta, podendo o mesmo ser monofásico ou bifásico também) de classe de tensão 15kV, 25kV ou 34,5kV, que opera em faixas de baixa tensão e alta tensão, frequência da rede de 50Hz ou 60Hz, possui núcleo do tipo envolvente (com maior quantidade de material ferromagnético), sendo que sua configuração e os materiais que o compõem o tornam mais eficiente, mais ecológico, além de conferirem melhor relação custo/potência em detrimento das outras tecnologias já existentes com o mesmo propósito. Adicionalmente, um sistema de refrigeração eficiente e um sistema de monitoramento da temperatura do óleo vegetal isolante são características diferenciais em dispositivos de conversão de energia como o do presente invento.12/15 wired or wireless data transmission, to estimate the useful life and monitor the equipment's operating temperature in real time, with temperature being the main agent in the degradation of the transformer's life as well as any electrical device. This system is basically composed of an Arduino (1), a TTLRS232 conversion card (2), a GPRS modem (3) and an antenna (4), as shown in Figure 8. [0042] The present embodiment refers to a three-phase distribution transformer (but not limited to this one, which may be single-phase or two-phase as well) of voltage class 15kV, 25kV or 34.5kV, which operates in low voltage and high voltage bands, 50Hz network frequency or 60Hz, it has an enveloping type core (with a greater amount of ferromagnetic material), and its configuration and the materials that compose it make it more efficient, more ecological, in addition to providing a better cost / power ratio to the detriment of other existing technologies with the same purpose. In addition, an efficient cooling system and an insulating vegetable oil temperature monitoring system are distinguishing features in energy conversion devices such as the present invention.

[0043] A Tabela 1 abaixo mostra os resultados encontrados para as novas configurações do sistema de refrigeração:[0043] Table 1 below shows the results found for the new cooling system configurations:

Tabela 1Table 1

Modelo Model Tipo aleta Type fin Área (mm²)Area (mm ² ) N° de aletas No. of fins Temp. média topo (°C) Temp. average top (° C) Original (base) Original (base) Elíptica Elliptic X X X X X X Circular Circular Circular Circular X - 12,29% X - 12.29% X - 6 X - 6 X + 14,46% X + 14.46% Circular curva Circular curve Circular Circular X - 11,41% X - 11.41% X - 6 X - 6 X + 13,65% X + 13.65% Circular ramo reto Circular straight branch Circular Circular X + 28,77% X + 28.77% X - 6 X - 6 X + 3,84% X + 3.84% Elíptica ramo reto Elliptical straight branch Elíptica Elliptic X + 47,09% X + 47.09% X X X - 9,39% X - 9.39% Circular ramo curvo Circular curved branch Circular Circular X + 31,06% X + 31.06% X - 6 X - 6 X + 4,19% X + 4.19%

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 27/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 27/39

13/1513/15

Circular elevação Circular elevation Circular Circular X + 11,31% X + 11.31% X - 6 X - 6 X + 5,53% X + 5.53% Elíptica elevação Elliptical lift Elíptica Elliptic X + 17,05% X + 17.05% X X X- 4,58% X- 4.58% Elípticas extras Extra ellipticals Elíptica Elliptic X + 76,06% X + 76.06% X + 22 X + 22 X - 10,22% X - 10.22% Circular espiral Spiral circular Circular Circular X + 11,79% X + 11.79% X - 8 X - 8 X + 2,03% X + 2.03%

[0044] Em seguida foram efetuadas variações na distância das aletas com relação ao tanque do transformador, partindo de um ponto mais próximo do tanque para um ponto mais distante, conforme mostra a Figura 5. Para que fossem mantidos o mesmo tipo de aleta e a mesma área de dissipação, houve a necessidade de alterar o número de aletas. A Tabela 2 abaixo mostra os resultados obtidos para esta variação:[0044] Next, variations were made in the distance of the fins in relation to the transformer tank, starting from a point closer to the tank to a more distant point, as shown in Figure 5. In order to keep the same type of fin and the same dissipation area, there was a need to change the number of fins. Table 2 below shows the results obtained for this variation:

Tabela 2Table 2

Distância tanque (mm) Tank distance (mm) Tipo aleta Type fin Área (mm²)Area (mm ² ) N° de aletas No. of fins Temp. média topo (°C) Temp. average top (° C) X X Elíptica Elliptic X X X X X X X + 26,625 X + 26,625 Elíptica Elliptic X X X - 3 X - 3 X + 0,095% X + 0.095% X + 53,25 X + 53.25 Elíptica Elliptic X X X - 5 X - 5 X - 0,1109% X - 0.1109% X + 79,875 X + 79,875 Elíptica Elliptic X X X - 7 X - 7 X + 0,1742% X + 0.1742% X + 106,5 X + 106.5 Elíptica Elliptic X X X - 8 X - 8 X - 2,44% X - 2.44% X + 124,22 X + 124.22 Elíptica Elliptic X X X - 9 X - 9 X - 3,31% X - 3.31% X +141,94 X +141.94 Elíptica Elliptic X X X - 10 X - 10 X - 2,82% X - 2.82% X +159,66 X +159.66 Elíptica Elliptic X X X - 11 X - 11 X - 3,17% X - 3.17% X +177,38 X +177.38 Elíptica Elliptic X X X - 12 X - 12 X - 1,79% X - 1.79% X +195,1 X +195.1 Elíptica Elliptic X X X - 13 X - 13 X - 1,19% X - 1.19%

[0045] Logo após foram efetuadas variações na distância de entrada das aletas com relação ao tanque do transformador, partindo de um ponto mais próximo entre as aletas para um ponto mais distante entre as mesmas, conforme mostra a Figura 6. Para que fossem mantidos o mesmo tipo de aleta[0045] Immediately afterwards, variations were made in the distance between the fins in relation to the transformer tank, starting from a closer point between the fins to a more distant point between them, as shown in Figure 6. In order to maintain the same type of fin

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 28/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 28/39

14/15 e a mesma área de dissipação, houve a necessidade de alterar o número de aletas. A Tabela 3 abaixo mostra os resultados obtidos para esta variação:14/15 and the same dissipation area, there was a need to change the number of fins. Table 3 below shows the results obtained for this variation:

Tabela 3Table 3

Distância entrada (mm) Input distance (mm) Tipo aleta Type fin Área (mm²)Area (mm ² ) N° de aletas No. of fins Temp. média topo (°C) Temp. average top (° C) X X Elíptica Elliptic X X X X X X X + 38 X + 38 Elíptica Elliptic X X X - 1 X - 1 X - 0,3700% X - 0.3700% X + 76 X + 76 Elíptica Elliptic X X X - 3 X - 3 X - 0,9252% X - 0.9252% X + 114 X + 114 Elíptica Elliptic X X X - 4 X - 4 X - 1,7270% X - 1.7270% X + 152 X + 152 Elíptica Elliptic X X X - 5 X - 5 X - 3,0069% X - 3.0069% X + 190 X + 190 Elíptica Elliptic X X X - 6 X - 6 X - 5,0424% X - 5.0424%

[0046] O presente modelo de utilidade adota, para o sistema de refrigeração, aletas (A) elípticas ou variantes desta, devido a ela apresentar uma exemplar taxa de dissipação de calor, não necessitar de muito material para sua confecção quando comparada com a configuração do modelo base, e devido à facilidade de construção das aletas, conforme pode ser comprovado pelos resultados apresentados nas tabelas 1 a 3 acima. A vista lateral em 2D e a aleta em 3D com detalhe do formato interno, do sistema de refrigeração definido, o qual consiste de uma aleta externa, com dois ramos internos, são exibidos nas Figuras 7A e 7B, respectivamente.[0046] The present utility model adopts, for the cooling system, elliptical fins (A) or variants thereof, due to the fact that it presents an exemplary rate of heat dissipation, does not require much material for its preparation when compared to the configuration the base model, and due to the ease of construction of the fins, as can be confirmed by the results presented in tables 1 to 3 above. The 2D side view and the 3D fin with details of the internal format, of the defined cooling system, which consists of an external fin, with two internal branches, are shown in Figures 7A and 7B, respectively.

[0047] Na Figura 8 é apresentado o projeto final do sistema de monitoramento da temperatura do óleo isolante. Os dados de temperatura podem ser vistos de diferentes formas; em tempo real ou o histórico do ano, mês, semana, dia ou manualmente podemos configurar o horário.[0047] Figure 8 shows the final design of the insulating oil temperature monitoring system. Temperature data can be viewed in different ways; in real time or the history of the year, month, week, day or manually we can configure the time.

[0048] Já a Figura 9 apresenta um gráfico onde é mostrada a temperatura de topo de óleo no tanque do transformador em função do tempo em horas, bem como nas aletas do sistema de refrigeração, obtida através da simulação em elementos finitos para a configuração escolhida. O monitoramento da temperatura consiste em mais um diferencial do presente invento: o fato de que[0048] Figure 9 shows a graph showing the top oil temperature in the transformer tank as a function of time in hours, as well as in the cooling system fins, obtained through finite element simulation for the chosen configuration. . Temperature monitoring is another differential of the present invention: the fact that

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 29/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 29/39

15/15 podemos estimar a vida útil do transformador por meio da aplicação de equações clássicas.15/15 we can estimate the life of the transformer by applying classic equations.

Petição 870170088832, de 17/11/2017, pág. 30/39Petition 870170088832, of 11/17/2017, p. 30/39

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Claims

Claim

1. Vegetable oil transformer and amorphous core for electric power distribution with a temperature monitoring system comprising at least:

- a ferromagnetic core (N) of amorphous metal immersed in insulating vegetable oil;

- a cooling system with cooling fins (A);

- a system for monitoring the top oil temperature in the tank (T) of the transformer with real-time data transmission;

said transformer being characterized by the fact that:

- the top oil temperature monitoring system comprising signal conditioning and data acquisition board (1), GPRS modem (3) and antenna (4) for data transmission; and

- the cooling fins comprising outer fins (AE) and inner fins (AI), the inner fins (AI) being associated with the outer fins (AE), and the outer fins (AE) associated with the tank (T) of said transformer; and

- the cross section of said cooling fins (A) comprises elliptical geometry.

Petition 870180020016, of 03/13/2018, p. 11/11

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