BRPI0903695A2 - transformador de distribuição seco submersìvel - Google Patents

Abstract

TRANSFORMADOR DE DISTRIBUIçãO SECO SUBMERSìVEL.Descreve-se um transformador elétrico de distribuição trifásico ou monofásico de isolação sólida, para uso em instalação aérea, em poste, em plataforma ou em pedestal, ou instalação em rede de distribuição subterrânea para operação em ambiente de ar, semi-submersa ou submersa. O objetivo da presente invenção é um transformador seco apropriado para uso também submerso ou em ambiente com pó condutor pelo fato de possuir uma isolação sólida que evita a formação de espira ao redor do núcleo pela água de imersão ou poeira condutora. A utilização deste transformador seco nas redes de distribuição subterrânea nas cidades proporciona maior segurança para a população porque o transformador seco não explode, também elimina o risco de contaminação ambiental pelo vazamento de óleo dos transformadores em óleo. Pelo fato do transformador seco da invenção não explodir, as câmaras de instalação subterrânea podem ser mais simples e económicas porque não precisam a ser a prova de explosão.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TRANSFOR-MADOR DE DISTRIBUIÇÃO SECO SUBMERSÍVEL".

A presente invenção refere se a um transformador elétrico dedistribuição trifásico ou monofásico de isolação sólida, para uso em instala-ção de distribuição subterrânea, ou submersa, ou instalação interna ou ex-terna.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

Conforme conhecido da técnica, na distribuição de energia elé-trica são usados transformadores para possibilitar a transformação da ener-gia elétrica para tensões e correntes adequadas para o transporte desde oslocais de geração até as regiões de consumo. Para a transmissão de ener-gia elétrica ao longo de grandes distancias, que podem ser dezenas, cente-nas ou milhares de quilômetros, é pratica usual elevar a tensão por meio detransformadores para reduzir as perdas de potência que ocorrem pela resis-tência elétrica dos cabos condutores. A transmissão de energia elétrica éfeita em alta tensão, até próximo aos locais de consumo onde, também pormeio de transformadores, é reduzida até os valores adequados aos equipa-mentos dos usuários. Tal redução do nível de tensão á realizada em variasetapas, utilizando se de transformadores que ficam localizados próximos aoscentros de consumo de energia. A instalação física destes transformadorespode ser aérea, fixados em poste, ou no chão em instalação interna ou insta-lação externa, ou instalação subterrânea.

Nas cidades é pratica usual efetuar a distribuição de energia elé-trica por meio de uma rede de distribuição subterrânea. Na distribuição deenergia elétrica por meio de rede subterrânea os transformadores são insta-lados em câmaras subterrâneas. Os transformadores de distribuição pararedes subterrâneas têm suas características próprias, que por exemplo noBrasil estão definidas pela Norma da ABNT NBR 9369 Transformadoressubterrâneos Características elétricas e mecânicas -Padronização. Outrasnormas internacionais para os transformadores de distribuição para redesubterrânea são, por exemplo, "ANSI C57.12.24-2000, Standard for Trans-former-Underground-Type Three-Phase Distribution Transformers, 2500 kVAand Smaller; High Voltage1 34 500 GrdY/19 920 Volts and Below; Low Volta-ge, 480 Volts and Below-Requirements". Os transformadores instalados narede subterrânea devem ser submersíveis.

Os transformadores são classificados pelo tipo construtivo emtransformadores secos e transformadores imersos em liquido isolante. Ostransformadores submersíveis são majoritariamente do tipo imerso em liqui-do isolante, liquido que denominaremos óleo seja qual for a sua composiçãoquímica. Os transformadores submersíveis abrangido pela norma no Brasilsão de uma faixa de potência da ordem de 200 kVA a 2500 kVA.

Um transformador é basicamente constituído de enrolamentosde alta tensão, enrolamentos de baixa tensão, núcleo de ferro para circula-ção do fluxo magnético, ligações entre os enrolamentos e terminais de cone-xão, todos estes componentes alojados dentro de um tanque metálico esubmersos em óleo. Para fazer a ligação a traves do tanque dos componen-tes internos aos terminais de conexão externos são usadas buchas.

Pelas leis da física a relação de transformação do transformadorestá dada pela relação de espiras entre os enrolamentos. A espira é formadapor material condutor ao redor do núcleo, abraçando na sua circunferência.

Nos transformadores com líquido isolante os materiais que formam espira aoredor do núcleo são os condutores dos enrolamentos, os materiais isolantesdos enrolamentos e o óleo isolante.

Os transformadores em liquido isolante, possuem pois o tanque,que contem a parte ativa do transformador e o óleo isolante. O óleo tem afunção de elemento isolante elétrico entre as partes sob tensão do transfor-mador e o tanque juntamente com os outros materiais que ficam impregna-dos pelo óleo. O óleo tem também a função de elemento de refrigeraçãotransmitindo e transportando o calor produzido nos enrolamento e o núcleo,para as superfícies de refrigeração do tanque e dos radiadores.

Para se obter a requerida isolação entre as partes sob tensãosão usados materiais isolantes com os espaçamentos, espessuras e forma-tos adequados e processo de fabricação condizente. A forma de execução etipo de materiais usados nas partes sob tensão dependem da intensidade docampo elétrico previsto nos tais pontos que devem ser isolados.

Estes transformadores em óleo, embora amplamente utilizadosem todo o mundo, apresentam os problemas descritos a seguir.

O óleo isolante utilizado, pela sua condição química e emboraexistam de vários tipos disponíveis, é poluente, em maior ou menor grau edeve ser tratado adequadamente para que não penetre no solo nem polua olenço freático.

Por estar a parte ativa do transformador contida dentro de umtanque e este cheio com óleo pode ocorre a elevação da pressão interna dotanque como conseqüência de defeito interno, sobrecarga ou ainda por umdefeito externo. O aumento da pressão interna pode ocasionar a explosãodo tanque precedida ou não de incêndio, com risco de danos materiais ehumanos. Para reduzir os riscos, os transformadores em óleo têm que serdotados de dispositivos de segurança, conforme as normas, que podem di-minuir os riscos, porem não os eliminam.

Este tipo de transformador necessita de manutenção constanteexigindo a inspeção periódica, para verificação do nível do óleo e estado emque se encontra. Assim, durante as verificações a constatação da reduçãodo nível do óleo pode evidenciar a ocorrência de vazamento. Tal redução donível do óleo além dos níveis permissíveis pode comprometer a isolação elé-trica e consequentemente a isolação do transformador. Uma alteração nascaracterísticas do óleo além das previstas pode indicar degradação do óleo,contaminação, entrada de umidade ou desvio de operação do transformadore comprometer o seu funcionamento.

Os transformadores submersíveis em óleo devem ser instaladosem câmaras subterrâneas de execução especial, de elevado custo e com-plexo processo de construção, a prova de explosão do transformador e comsistema de contenção do óleo do transformador.

Os transformadores secos, pelo fato de não ter o óleo confinadodentro do tanque, não apresentam este risco de explosão, nem o risco decontaminação ambiental pelo óleo do transformador em caso de vazamentoou explosão.Os transformadores de distribuição secos, descritos por exemplopela Norma Brasileira "NBR 10295 Transformadores de Potência Secos" oupor normas internacionais como por exemplo "IEC 600076 Power Transfor-mers - Part 11 Dry-type" ou "IEEE C57.12.01 Standard for General Require-ments for Dry-Type Distribution and Power Transformers1 Including Thosewith Solid-Cast and/or Resin Encapsulated Windings" tratam de transforma-dores secos para ser instados abrigados.

Estes transformadores devem ser protegidos contra a ação dire-ta das inclemências do tempo como da chuva e neve porque tem um limitede suportabilidade da isolação eletrica à umidade. O nível de suportabilidadeà umidade nos transformadores secos está definido por exemplo na antesmencionada Norma IEC1 classificadas nesta norma nas "Classes" C1, C2 eC3. A instalação deve ser interna, dentro de edifícios ou cubículos.

A suportabilidade do transformador à umidade e poluição do arao redor é obtida pelo modelo construtivo do transformador, materiais utili-zados, processo de fabricação e afastamentos elétricos, que conferem aotransformador suas características de isolação eletrica, em ambientes úmi-dos ou poluídos.

A isolação dos enrolamentos é formada por isolação sólida e ar.Assim as características do ar participam na determinação do nível isolantedo transformador. O ar pode conter umidade e partículas sólidas em sus-pensão. Tanto a umidade como as partículas sólidas em suspensão que po-dem ser metálicas ou não alteram as características isolantes.

Conforme as características do local de instalação, nível de umi-dade e partículas sólidas em suspensão pode-se escolher a classe que otransformador seco deve atender, considerando aos períodos de manuten-ção e limpeza previstos.

Os transformadores de potência secos atuais devem ser instala-dos em local abrigado. Usualmente têm os enrolamentos de alta tensão, osenrolamentos de baixa tensão e o núcleo separados entre si. Esta separa-ção entre os enrolamentos e também entre enrolamentos e núcleo tem afunção de isolação entre as partes e a função de refrigeração. Denominare-mos canais de refrigeração aos espaçamentos entre enrolamentos ou entreenrolamentos e núcleo. A refrigeração é necessária para dissipar as perdasgeradas nos enrolamentos e núcleo e limitar a temperatura à estabelecidano projeto e normas conforme a classe térmica dos materiais isolantes utili-zados. A circulação de ar pelos canais de refrigeração e superfície dos enro-lamentos e núcleo possibilita a dissipação das perdas das partes para o arenvolvente. A capacidade de dissipar as perdas dentro de um nível de tem-peratura determina um limite da potência do transformador.

Nos transformadores de potência secos os materiais que formamespira ao redor do núcleo, envolvendo-o na sua circunferência, são os condu-tores dos enrolamentos, os materiais isolantes dos enrolamentos, o ar ambi-ente e os materiais depositados na superfície dos enrolamentos. Em caso decondensação e de poluição elevada como, por exemplo, poeira de minério ouambiente salino, o conjunto de materiais depositados na superfície dos enro-lamentos ou suspensos no ar, podem ficar eletricamente condutores e haverformação de espira, provocando circulação de correntes e perdas.

Adicionalmente, a função isolante do ar fica comprometida com apresença de umidade e partículas sólidas. Por este motivo os transformadoresde potência secos atualmente disponíveis devem ser instalados em local abri-gado e os limites de suportabilidade a ambientes úmidos ou poluídos estabe-lecidos em classes, por exemplo, conforme a Norma IEC 60076 -11.

Nos transformadores de potência secos atuais o ar que envolveos enrolamentos também tem uma função de isolação porque a superfícieexterna dos enrolamentos estão a um determinado potencial em relação aterra. Os enrolamentos são parte viva e por este motivo devem-se instalaratendendo às distancias elétricas conforme normas e indicação do fabricantee não podem ser tocados quando estão energizados.

Para instalação externa existem transformadores secos de me-dição de tensão ou de corrente completamente encapsulados com isolaçãoé sólida. O ar externo pode participar na isolação ou não, dependendo seutiliza um terminal tipo bucha ou tipo conectável a cabo "plug-in". Os enrola-mentos podem ter blindagem externa aterrada ou não. A dissipação térmicadestes transformadores é feita pela própria superfície externa.

Existem transformadores secos de potência para uso enterradoou submersível, completamente encapsulados, para pequenas potênciasindividuais na ordem de até 50 kVA monofásicos ou 100 kVA trifásicos. Adissipação térmica destes transformadores é feita pela própria superfícieexterna, o que limita a potência o transformador.

Estes transformadores de medição ou de potência por ser com-pletamente encapsulados em resina tem limitações de dissipação de calordas perdas geradas nos enrolamentos e no núcleo sendo por este motivofabricados somente para pequenas potências. Podem ter blindagem externaaterrada o que permite eventualmente a sua instalação em ambiente externoou submerso, porem a sua potência está limitada à ordem de 100 kVA.

OBJETIVOS E BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

O objetivo da presente invenção consiste em prover um trans-formador de potência seco para instalação em redes de distribuição subter-râneas e submersível. O transformador seco da invenção tem um sistema deisolação elétrica independente do ambiente arredor do transformador, aomesmo tempo que o sistema de refrigeração térmica possibilita a fabricaçãodo transformador seco de potência da invenção de potência de até algumasdezenas de milhares de KVA.

A vantagem do transformador seco da invenção em relação aosoutros transformadores secos existentes é que o transformador da invençãopode operar submerso em água e ter potência elevada, por exemplo 2 MVA,sem necessidade de cubículo protetor.

A vantagem do transformador seco submersível da invenção emrelação aos transformadores submersíveis em óleo atualmente usados é queo transformador seco submersível da invenção não explode e é auto-extinguível em caso de incêndio o que possibilita a instalação em câmarassubterrâneas de execução mais simples e econômica, ao mesmo tempo queminimiza os riscos pessoais e custos materiais.

Adicionalmente, outra vantagem do transformador seco submer-sível da invenção em relação aos transformadores submersíveis em óleoatualmente usados é que o transformador seco submersível da invenção éisento de óleos isolantes que poderiam contaminar o meio ambiente, como olençol freático em caso de vazamento durante transporte ou durante a ope-ração do transformador. As câmaras subterrâneas de instalação dos trans-formadores submersíveis podem ser de execução mais simples e econômi-cas usando transformadores secos porque não requerem do sistema de con-tenção do óleo do transformador em caso de vazamento de óleo ou explo-são do transformador.

O transformador seco submersível da invenção tem os enrola-mentos de alta tensão, os enrolamentos de baixa tensão e o núcleo separa-dos entre si. Esta separação entre os enrolamentos e núcleo possibilita arefrigeração dos enrolamentos e núcleo. A refrigeração de enrolamentos enúcleo permite fabricar o transformador submersível seco da invenção compotência de 20.000 kVA ou mais.

Tal objetivo é alcançado através de um transformador de distri-buição compreendendo enrolamentos de alta tensão, enrolamentos de baixatensão, montados num núcleo, o transformador tendo os enrolamentos comisolação eletrica sólida contra terra, a montagem dos enrolamentos no nú-cleo providos de canais de refrigeração ou espaçamentos entre eles e dota-dos de um sistema de interrupção de espira arredor do núcleo pela água deimersão.

O objetivo da invenção é um transformador seco que é submer-sível porque está provido de um sistema isolante que efetua a interrupção daespira ao redor do núcleo formada pela água de imersão.

Adicionalmente o transformador está provido de enrolamentoscom isolação sólida podendo ter blindagem aterrada. O núcleo e partes me-tálicas expostas estão protegidos contra corrosão por um sistema dé pinturaadequado.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descri-ta com base em figuras:

Figura 1 - Vista lateral de transformador seco submersível trifási-co, provido de um sistema isolante que efetua a interrupção de espira deágua ao redor do núcleo. Vista lateral secionada da metade mostrando nú-cleo, enrolamentos de alta tensão, enrolamentos de baixa tensão e sistemade interrupção de espira de água ao redor do núcleo;

Figura 2 - Vista de planta de transformador seco submersíveltrifásico, provido de um sistema isolante que efetua a interrupção de espirade água ao redor do núcleo. Detalhe do sistema de interrupção de espira deágua ao redor do núcleo;

Figura 3 - Núcleo trifásico e figuras descritivas de fenômeno ele-tromagnético de espira ao redor do núcleo; e

Figura 4 - Sistema isolante que efetua a interrupção de espira deágua ao redor do núcleo no transformador seco submersível.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS E DA INVENÇÃO

A figura A mostra de forma simplificada o transformador trifásicoda invenção formado pelo núcleo trifásico, enrolamentos e sistema isolantede espira ao redor do núcleo.

O núcleo é formado pelos jugos 1.1 superior e inferior, pela co-luna central 1.2 e duas colunas laterais 1.3. montados concentricamente aonúcleo está o enrolamento interno 2, usualmente denominado de baixa ten-são, e o enrolamento externo 3, usualmente denominado de alta tensão.

O sistema de isolação de espira 4 ao redor do núcleo é formadopor um material sólido isolante elétrico que abrange o espaço da janela donúcleo que não está ocupado pelas bobinas.

Denominamos janela do núcleo ao espaço formado pela pernacentral do núcleo 1.2 e as perna laterais do núcleo 1.3 na altura das pernasdo núcleo 1.2 e 1.3.

Em cada perna do núcleo 1.2 e 1.3 estão montados um conjuntode bobinas, formado este conjunto pelas bobinas interiores 2 e exteriores 3.

O sistema de isolação de espira de água 4 ao redor do núcleoabrange o espaço, desde a perna central do núcleo 1.2 e as pernas lateraisdo núcleo 1.3 na altura das pernas do núcleo, que não está ocupado pelasbobinas internas 2 e externas 3. O sistema de isolação de espira de águapreenche todo o espaço da janela do núcleo que não está ocupado pelasbobinas internas 2 ou externas 3.

As bobinas interiores 2 tem terminais de ligação, não represen-tados na figura. A posição 5 mostra por exemplo a posição dos terminais doenrolamento externo.

O objeto da invenção é o sistema de isolação 4 de espira de á-gua ao redor do núcleo. Este sistema isolante é necessário para evitar a cir-culação de correntes elétricas 7 ao redor do núcleo.

Pelos princípios da física e teoria de transformadores sabemosque ao se conectar um enrolamento do transformador à fonte de alimenta-ção de corrente alternada é gerado um fluxo magnético 6 no núcleo do trans-formador. O fluxo magnético 6 circulando no núcleo do transformador 1.1/1.2/1.3 induz uma tensão elétrica nas espiras ao redor do núcleo.

Para a formação de espira é necessária a presença de um mate-rial condutor elétrico ao redor do núcleo. A água suja e com resíduos é con-dutora elétrica. O sistema de isolação de espira de água ao redor do núcleointerrompe a espira formada pela água que está ao redor do núcleo.

O sistema de isolação 4 de espira de água ao redor do núcleo1.1/1.2 /1.3 é imprescindível para evitar a formação de espira pela água ecom a interrupção da espira se evita a circulação de correntes parasitas 7 aoredor do núcleo 1.1/1.2/1.3 e se evitam as perdas de energia elétrica.

<table>table see original document page 10</column></row><table>Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de-ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí-veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a-pensas, onde são incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (2)

1. Transformador de distribuição seco compreendendo pelo me-nos um enrolamento de alta tensão (3), um enrolamento de baixa tensão (2)montados em um núcleo (1.1, 1.2 , 1.3), a isolação dos enrolamentos sendosólida e sendo montados com espaços para permitir a refrigeração dos enro-lamentos (2, 3) entre si e entre os enrolamentos (2, 3) e o núcleo (1.1, 1.2, 1.3), caracterizado pelo fato de compreender uma isolação sólida (4) emuma janela do núcleo que preenche os espaços entre bobinas (2, 3) e o nú-cleo (1.1, 1.2, 1.3) para evitar que em caso de imersão do transformador emum líquido, se forme uma espira condutora ao redor do núcleo (1.1, 1.2, 1.3).

2. Transformador de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que é monofásico ou trifásico.