O transformador é um equipamento utilizado com o objetivo de realizar a adequação do nível de tensão para os setores de geração, transmissão, distribuição e consumo. Para o correto funcionamento do sistema elétrico é imprescindível a realização de uma proteção adequada no transformador verificando sua suportabilidade quanto a faltas passantes. Sendo assim, existe métodos normatizados para qualificar e quantificar a suportabilidade de um transformador para essas sobrecorrentes de alta magnitude. No artigo de hoje vamos entender um pouco mais sobre esses conceitos e o que essa norma traz de diretriz e recomendação para gente.
Suportabilidade do Transformador
Durante a operação do transformador ele é exposto a esforços de diversas naturezas devido suas características construtivas (enrolamento e núcleo). Para altas correntes passantes temos que considerar os efeitos mecânicos e térmicos que serão mais ou menos impactantes a depender da magnitude e frequência da corrente circulante. De acordo com a norma IEEE C57.109-2018 os transformadores podem ser classificados em 04 categorias, conforme a seguir:
Para as categorias I e IV, utilizando apenas uma curva consegue-se expressas os danos térmicos e mecânicos no transformador. Para as categorias II e III, duas curvas são necessárias. Ainda segunda a norma, a depender do número e magnitude das faltas ocorridas durante sua vida útil danos mecânicos podem ser desconsiderados.
Veremos a seguir que os transformadores das categorias onde apresentam duas curvas, a parte contínua representa os danos térmicos e a parte tracejada representa os danos mecânicos acumulados ao longo do tempo de operação. A medida que aumenta a relação de transformação do Trafo, aumenta-se também o efeito dessa curva no transformador.
Para baixos valores de corrente, até cinco vezes a corrente nominal, essas curvas não se aplicam devendo ser consultadas normas para sobrecarga de transformadores como a IEEE C57.91 e C57.92.
Os valores de correntes mostrados nos gráficos são referentes a corrente simétrica passante em regime permanente, desconsiderando o X/R do sistema conforme veremos a seguir.
Categoria l
O tempo recomendado para limite da duração da sobrecorrente é dado pela curva abaixo:
Para essa categoria tanto o efeito térmico quanto o mecânico, são representados pela curva mostrada devendo ser utilizada para coordenação com as proteções de sobrecorrente (51/50) para faltas frequentes e infrequentes.
A extensão tracejada da curva cobre variações da corrente de curto-circuito segundo os limites da norma IEEE C57.12.00.
Categoria ll
Os limites suportáveis para um transformador de categoria ll depende do tipo de falta avaliada. Faltas frequentes ser refere a uma falta com magnitude acima de 70% da máxima corrente possível.
Faltas Frequentes
Considerando apenas faltas frequentes, a figura abaixo reflete tanto a suportabilidade térmica quanto mecânica do transformador. Pode-se dizer que esse tipo de falta ocorre tipicamente pelo menos 10 vezes ao longo da vida útil do equipamento.
Parte da curva mostrada acima depende da impedância de curto-circuito do transformador. Para correntes que vão da máxima corrente até 70% desse valor, segue-se a curva inclinada tracejada, e para correntes abaixo de 70% segue-se novamente a curva contínua. Note que o ponto de partida das curvas é obtido pela relação da impedância, através da fórmula 100/Z%, essa informação será útil mais a frente.
Faltas Infrequentes
A figura a seguir refere somente a uma parte da vista anterior, e, portanto, se refere apenas a suportabilidade térmica. Ela não depende da impedância do transformador e pode ser considerada para faltas que ocorrem tipicamente não mais que 10 vezes(infrequente) ao longo da vida útil do equipamento.
Categorias lll e IV
Para essas categorias além de considerar a impedância do transformador pode ser considerado a impedância equivalente de curto-circuito no ponto de instalação, somando esses dois valores, de acordo com a norma IEEE C57.12.00. Conforme retratado na norma C57.109, não considerar a impedância de falta nos cálculos para as curvas de suportabilidade dos transformadores dessa categoria, não traz alterações significativas no resultado. Porém, é retratado que em caso dos níveis de curto-circuito estarem próximo a 5% do limite da curva, incluir essa impedância deve ser considerado, e já passa a ser interessante.
Categoria lll
Faltas Frequentes
Para os transformadores dessa categoria é considerado um determinado número de faltas com magnitude acima de 50% da máxima permitida como faltas frequentes.
A figura abaixo reflete tanto a suportabilidade térmica quanto mecânica para faltas frequentes (tipicamente que acontecem mais que 05 vezes na vida útil do transformador).
Para correntes de 50 a 100% da máxima permitida, a curva a ser seguida é a tracejada e depende do valor de impedância do transformador. O restante da curva para correntes abaixo de 50% segue a curva contínua e retrata os efeitos térmicos no transformador.
Faltas Infrequentes
A parte contínua da curva mostrada anteriormente, reflete a principio a suportabilidade térmica e não depende da impedância do transformador. A principio essa curva pode ser utilizada para faltas infrequentes (que ocorre tipicamente menos que 05 vezes) durante a vida útil do transformador.
Categoria IV
Para transformadores da categoria IV utiliza-se uma única curva que reflete os danos mecânicos e térmicos considerando todos os tipos de falta, frequentes e infrequentes. Isso se deve pelo fato de que com o aumento da potência dos transformadores, há uma necessidade maior de proteção do equipamento para estresses de ordem mecânica sendo adotado o pior cenário que seria para faltas frequentes.
CURVA DE DANO VS PONTO ANSI
É muito comum a gente ver nas normas de fornecimento de tensão primária das concessionárias o conceito de ponto ANSI. De forma geral, o ponto ANSI é dito como a máxima corrente que pode circular pelo transformador por um determinado tempo sem que haja a queima do equipamento. Pela NBR5356 podemos encontrar esse valor de corrente aplicando-se a seguinte fórmula:
A gente viu que a suportabilidade do transformador está associada com uma curva. Existem alguma relação do ponto ANSI com a curva vista anteriormente? E a resposta é sim. Perceba que ao avaliar qualquer uma das curvas mostradas anteriormente, o ponto de partida do gráfico é o ponto ANSI. Perceba que o tempo para a corrente ANSI na curva abaixo é sempre referente a 2s.
É comum a gente ver nas normas das concessionárias que a depender da impedância ela aumenta o tempo dito máximo que aquela corrente pode circular pelo transformador.
Pela norma IEEE C57.109 vemos que essa informação está divergente, conforme visto nas imagens anteriores para cada uma das categorias.
PONTO NANSI VS CURVA DE DANO DESLOCADA
Agora que já entendemos o ponto ANSI, entender o ponto NANSI não tem muito segredo. Como vimos, basicamente para obter o ponto ANSI a gente calcula o curto-circuito franco no secundário do trafo. Para obter o ponto NANSI basta multiplicar por um valor de 0,58 o valor encontrado para a corrente ANSI. Mas de onde vem esse 0,58? Considere um curto-circuito fase-terra indicado no ponto abaixo:
Como a ligação do trafo é Dyn1, as correntes de sequência zero não circulam pela linha ficando confinadas no delta, sendo assim temos que a corrente que circula de fato no enrolamento do transformador será vezes menor que a que circula no secundário.
O mesmo se aplica a curva de dano mostrada seguindo a norma IEEE C57.109? Bom, a norma não traz essa observação, porém é comumente plotado nos diagramas de coordenação a curva de dano deslocada, onde se multiplica por 0,58, deslocando a curva para a esquerda.
CONCLUSÃO
Os transformadores de potência podem ser classificados em 04 categorias como mostra a norma IEEE C57.109. Para realizar a correta proteção desse equipamento deve-se plotar a sua curva de suportabilidade térmica e/ou mecânica para altas correntes passantes, e garantir que a curva do dispositivo de proteção adotado está abaixo dessa curva, com uma certa margem de segurança. A aplicação dos conceitos e recomendações contidas na norma é muito importante para preservar a vida útil do equipamento ao longo do seu tempo de operação.
Um abraço e até a próxima,
Equipe Mesh Engenharia
⚠ Esta é sua última chance de se inscrever ainda nesta turma, para nossos treinamentos fechados! ⚠
Não perca tempo! Clique aqui e garanta sua vaga.
⚡ Materiais Gratuitos! Aqui você encontrará os melhores materiais sobre Projetos de Subestação e Estudos de Proteção para otimizar seu tempo. Clique aqui para fazer o download.
