Pode parecer fácil construir um transformador de baixa tensão, afinal de contas muitos parâmetros de projeto são simplificados quando a tensão do equipamento não ultrapassa, por exemplo, o nível de tensão típico dos sistemas de subtransmissão de energia de até 138kV. Entretanto, quando há transformadores de grande potência operando em baixos níveis de tensão, o que se torna mais desafiador e que deve ser detalhadamente analisado no projeto são os efeitos da amplitude do campo magnético disperso gerado pela respectiva corrente.
A aplicação de transformadores de elevada potência em níveis de tensão na casa de algumas dezenas de quilovolts podem ser encontradas, como por exemplo, empregados em sistemas de energia renovável, sistemas de transmissão de média tensão e transformadores que alimentam fornos elétricos de fundição e retificadores de potência. Não é raro encontrar aplicações desta natureza operando na tensão de 13,2 até 34,5kV.
Podemos definir o processo de projetar um transformador como um desafio constante de busca do ponto ótimo para a relação entre a margem de segurança de projeto e a quantidade de matéria-prima utilizada na fabricação.
Neste sentido, quando são definidas as distâncias de segurança da parte-ativa são consideradas todas as características do transformador, mas, o fator mais determinante nesta etapa acaba sendo o nível das solicitações dielétricas especificadas para ensaio e operação. Com base neste valor de tensão são determinadas as distâncias de isolamento do equipamento, como por exemplo, a distância entre as extremidades dos enrolamentos e as ferragens de parte-ativa e a própria parte-ativa em relação ao tanque do transformador.
E é nesta fase do projeto que a dificuldade se apresenta: a distância necessária para o controle da amplitude do campo elétrico (isolamento elétrico) pode não ser o suficiente para evitar os efeitos do campo magnético (perdas parasitas e consequente aquecimento) gerado pela circulação da corrente dos próprios enrolamentos ou elementos de ligação.
Um exemplo: transformador Classe 36kV e potência de 30MVA.
Neste nível de tensão, a distância de isolamento mínima de projeto acaba sendo superada pela distância necessária para atender as exigências de montagem mecânica, ou seja, são bastante reduzidas e podem apresentam valores próximo a 50mm e mesmo assim manter a margem de segurança dielétrica.
Então, com estas condições estabelecidas é muito importante verificar o comportamento das perdas parasitas geradas nos elementos metálicos de fixação da parte-ativa e no próprio tanque do equipamento. Esta verificação pode ser feita analiticamente ou com o uso de ferramentas numéricas. Não há dúvidas que utilizando a segunda opção, no caso simulação numérica baseada em elementos finitos, é atingido um nível superior de acuracidade na análise e é possível obter um projeto mais otimizado.
Importante mencionar que esta condição pode ser ainda mais crítica quando o projeto tem como característica uma impedância mais elevada, por exemplo, patamares superiores a 10%. Então, como a amplitude do campo magnético disperso depende diretamente do nível de potência do transformador e da sua característica construtiva (que também determina a impedância), um equipamento de potência mesmo operando em um nível de tensão bastante reduzido, necessita de um controle efetivo dos pontos de geração de perdas parasitas e, consequentemente, aquecimento, principalmente em relação aos elementos metálicos da parte ativa e o próprio tanque.
Para contornar esta situação, a solução mais simples é aumentar a distância entre os elementos percorridos por corrente e os materiais metálicos. Caso essa solução não seja suficiente, o que de fato é bastante possível, a próxima estratégia (por ordem de dificuldade de implementação) se trata da alteração da geometria e do material utilizado nestes elementos que são expostos ao campo magnético disperso, como por exemplo, utilizar materiais metálicos não magnéticos. E, uma estratégias mais severa e bastante eficaz, é a utilização de blindagens shield eletromagnético (material de alta condutividade elétrica para repelir o campo magnético incidente) e ou shunt magnético (material de alta permeabilidade magnética relativa para redirecionar o campo magnético incidente). Tanto a caracterização deste problema quanto a solução dele podem (e devem) ser mapeados via estudos realizados com simulações numéricas computacionais.
Texto elaborado por: Odirlan Iaronka
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