Tenho trabalhado com especificações técnicas para o projeto de transformadores para aplicação em energias renováveis (eólica e solar) com valores de temperatura ambiente máxima acima de 40 °C, chegando até valores próximos a 55 °C!
Estes valores de temperatura ambiente são maiores que os máximos comumente disponibilizados para projeto de transformadores do sistema elétrico brasileiro.
Isso acontece porque os parques de geração renovável geralmente são construídos em regiões do Brasil que sofrem a maior incidência solar e que, por consequência, têm uma temperatura ambiente mais elevada. Esta condição, almejada principalmente para a instalação de parques solares, pode aumentar a exigência térmica dos transformadores, principalmente das unidades unitárias destas aplicações.
Ocorre que, muitas vezes nestas aplicações, os transformadores das unidades unitárias são instalados em cubículos fechados próximos à base das torres de geração eólica ou alocados em cabines enclausuradas próximas (ou até juntas) aos inversores no caso da energia solar (atualmente tem se utilizado as subestações do tipo Skid)
O comportamento térmico dos transformadores que operam em ambientes fechados deve ser analisado com muita atenção.
Os transformadores, quando estão operando enclausurados, tem um comportamento térmico bastante prejudicado porque sua capacidade de dissipação do calor é limitada praticamente à circulação de ar passiva destas construções. Poucas vezes são instalados sistemas ativos de refrigeração e, por isso, a temperatura ambiente interna destes ambientes fechados pode atingir valores máximos muito maiores que a temperatura ambiente externa, prejudicando e abreviando da vida útil do transformador.
Segundo o cálculo da perda de vida útil da norma IEC60076-7, um aumento da temperatura média de apenas 10 °C pode diminuir a vida útil do equipamento em vários anos (para calcular o valor exato são necessárias algumas informação adicionais do projeto do equipamento).
A temperatura ambiente que deve ser considerada para o projeto dos transformadores que operam em locais fechados é a temperatura do ar que envolve o transformador internamente ao cubículo e não do ambiente externo.
Então, listamos as principais questões que podem ajudar a esclarecer tecnicamente alguns temas relacionados à temperatura ambiente destes equipamentos operando em ambientes fechados e, com isso, servir como base para a construção e ou alteração do texto das especificações técnicas destas aplicações:
- Qual a temperatura ambiente média e máxima do local de instalação do transformador?
- O transformador vai operar em um cubículo fechado com dissipação térmica limitada?
- A temperatura ambiente considerada leva em conta a condição do transformador operando dentro de um ambiente fechado?
- A determinação da temperatura ambiente do transformador (que pode ser dentro de um ambiente fechado) considerou o aquecimento gerado pelas perdas do próprio equipamento e dos seus acessórios?
- Analisou-se o comportamento térmico completo do sistema fechado do transformador, considerando o nível de perdas total que deve ser dissipado do invólucro fechado para o ambiente externo?
No caso de ambientes fechados, embora os transformadores sejam projetados com excelente rendimento quando comparado à outros equipamentos elétricos, o elevado nível de potência envolvido e as perdas intrínsecas causam uma elevação da temperatura interna deste invólucro em relação a temperatura ambiente externa.
Citando como referência: em transformadores para unidades unitárias com potência de 5 MVA e considerando um rendimento de aproximadamente 99 %, são geradas perdas na casa de 50 kW que devem ser dissipadas deste cubículo fechado para o ambiente externo.
Agora alguns questionamentos que podem ser feitos em relação aos projetos dos cubículos de instalação destes transformadores:
- O sistema de refrigeração (ou circulação de ar) está projetado para dissipar as perdas do transformador na condição nominal de operação?
- O sistema de refrigeração (ou circulação de ar) está projetado considerando as perdas também dos acessórios e dos painéis elétricos que podem estar instalados no mesmo ambiente?
Ainda, pode-se destacar que para o caso dos transformadores aplicados em locais com alto nível de poluição (típico de locais próximos ao mar ou com grande ventilação com carregamento de poeira), pode haver um depósito de particulados sobre o equipamento e seu sistema de refrigeração, comprometendo ainda mais o seu desempenho térmico. Neste caso, as seguintes questões podem ser observadas:
- Há um programa de manutenção que verifica a limpeza dos transformadores e seus elementos de refrigeração (radiadores)?
- Existe uma proteção para a entrada de particulados nas aberturas de entrada de ar dos cubículos fechados? Essa proteção está limitando a entrada de ar? Essa condição foi considerada no cálculo térmico?
- A entrada de ar para a refrigeração interna destes cubículos está desobstruída?
- Caso haja um sistema de refrigeração ativa (ventiladores ou ar condicionado), ele tem backup de segurança ou sistema de proteção e sinalização de falha adequados?
Sabe-se que a vida útil dos transformadores depende fundamentalmente da sua temperatura de operação que, por sua vez, depende diretamente da temperatura ambiente que o equipamento está exposto (mais informações sobre vida útil foi abordada neste artigo Como identificar o grau de envelhecimento de transformadores?).
São muitos pontos que devem ser considerados para garantir que um transformador não sobreaqueça na aplicação em energia renovável, principalmente quando alocado internamento a um cubículo fechado.
Muitas soluções podem ser propostas para esta aplicação, as quais podem ir desde um projeto térmico completo que considera o comportamento do transformador em conjunto com o cubículo fechado até sistemas de monitoramento da temperatura através de sensores.
O projeto de um transformador considerando a real temperatura ambiente de instalação deste ativo vai garantir que a sua vida útil seja preservada ao longo da operação e, com isso, sejam diminuídos os desligamentos (que significa parada da geração) para a realização de tarefas de manutenção.
A utilização de sensores de temperatura, por sua vez, é uma solução relativamente simples e com os dados gerados quando cruzados com a potência passante pelo transformador pode gerar informações muito importantes para determinar se alguma condição crítica está se desenvolvendo e, com isso, por exemplo, acionar as equipes de manutenção corretiva ou ajustar a periodicidades das manutenções preventivas.
Este texto foi escrito por Odirlan Iaronka.
Engenheiro da TRINSE – Consultoria e Serviços de Engenharia em Transformadores.
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