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Engenharia Elétrica ·
Conversão Eletromecânica de Energia
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Texto de pré-visualização
CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Reconhecer as principais normas de transformadores Descrever os ensaios de rotina aplicados aos transformadores Explicar o ensaio de impulso atmosférico em transformadores Introdução Os transformadores de potência são equipamentos eletromecânicos geralmente utilizados nas etapas de geração transmissão e distribuição de energia elétrica O transformador é um dos equipamentos essenciais para o transporte e a distribuição de energia elétrica em corrente alternada Os transformadores apresentam reduzidas perdas por efeito Joule e um custo relativo baixo em relação às linhas de transmissão de energia o que viabiliza a instalação de usinas geradoras de energia a longas distâncias dos centros de consumo Os transformadores de potência são utilizados principalmente em grandes indústrias ou centros de geração e distribuição onde a demanda de energia é elevada Como os transformadores são equipamentos muito importantes as ativida des de verificação e comissionamento são essenciais para garantir o seu bom funcionamento Essas atividades incluem a supervisão dos transformadores em relação aos seus acessórios a proteção dos transformadores e a veri ficação das condições de instalação e funcionamento desses equipamentos Os procedimentos relativos a essas atividades são estabelecidos por normas Normas de transformadores Anselmo Rafael Cukla Neste capítulo você vai estudar as principais normas e legislações nacionais e internacionais aplicadas aos transformadores de potência Você também vai conhecer os procedimentos de rotina realizados nos transformadores em funcionamento Além disso vai ver como são realizados os ensaios de impulso atmosférico aplicados a transformadores de potência Principais normas de transformadores Um transformador é um equipamento elétrico que funciona mediante a indu ção eletromagnética por meio da utilização de dois ou mais enrolamentos Sua finalidade é transformar a tensão e a corrente da entrada e da saída mantendo praticamente a mesma potência e não alterando a frequência de trabalho Essa definição consta na norma ABNT NBR 535612007 Por sua vez a IEC 6007612011 da International Electrotechnical Com mission IEC define um transformador de potência como um equipamento estático com dois ou mais enrolamentos dedicados à conversão da tensão e da corrente de um sistema de corrente alternada Geralmente os valores de saída de tensão e corrente diferem daqueles do sistema original mas a frequência de trabalho é sempre a mesma Esses equipamentos visam a transmitir uma mesma quantidade de potência elétrica de um sistema de potência para outro Os transformadores fabricados e comercializados hoje em dia no âmbito nacional devem necessariamente estar submetidos à ABNT NBR 535612007 Todavia se o equipamento for comercializado fora do País deve atender ainda às normas internacionais e às exigidas pelo cliente As normativas vigentes atualmente permitem a padronização dos equipa mentos disponíveis no mercado Além disso elas facilitam a troca de informa ções entre os compradores e os vendedores A legislação ou as normativas para a fabricação e a inspeção dos transformadores possibilitam ainda atender a requisitos técnicos mínimos que garantam a segurança e a confiabilidade desses equipamentos assim como a ausência de riscos ao meio ambiente No Quadro 1 veja algumas das principais normativas vigentes e utilizadas pelos fabricantes e empresas que comercializam transformadores atualmente Normas de transformadores 2 Quadro 1 Principais normativas vigentes aplicadas aos transformadores de potência Nome e ano da norma Descrição da norma ABNT NBR 535612007 Transformadores de potência Parte 1 generalidades ABNT NBR 535622007 Transformadores de potência Parte 2 aquecimento ABNT NBR 535632007 Transformadores de potência Parte 3 níveis de isolamento ensaios dielétricos e espaçamentos externos em ar ABNT NBR 535642007 Transformadores de potência Parte 4 guia de ensaio impulsivo atmosférico e de manobra para transformadores e reatores ABNT NBR 535652015 Transformadores de potência Parte 5 capacidade de resistir a curtoscircuitos ABNT NBR 535662012 Transformadores de potência Parte 6 reatores ABNT NBR 535672017 Transformadores de potência Parte 7 guia de carregamento para transformadores imersos em líquido isolante ABNT NBR 535682017 Transformadores de potência Parte 8 guia de aplicação ABNT NBR 535692016 Transformadores de potência Parte 9 recebimento armazenagem instalação e manutenção de transformadores e reatores de potência imersos em líquido isolante ABNT NBR 5356112016 Transformadores de potência Parte 11 transformadores do tipo seco especificação ABNT NBR 5356162018 Transformadores de potência Parte 16 transformadores para aplicação em geradores eólicos ABNT NBR 124541990 Transformadores de potência de tensões máximas até 362 kV e potência de 225 kVA até 3750 kVA padronização IEC 6007612011 Transformadores de potência Parte 1 geral Continua Normas de transformadores 3 Nome e ano da norma Descrição da norma IEEE C5712002015 Requisitos gerais para distribuição imersa em líquido potência e transformadores reguladores ABNT NBR 54582010 Transformador de potência terminologia ABNT NBR 70361990 Recebimento instalação e manutenção de transformadores de potência para distribuição imersos em líquidos isolantes ABNT NBR 93682011 Transformadores de potência de tensões máximas até 145 kV características elétricas e mecânicas Tenha em mente que as normas podem ser atualizadas Um exemplo disso é a ABNT NBR 102951988 que foi substituída pela ABNT NBR 102952011 que por sua vez foi substituída pela ABNT NBR 5356112016 Esta norma trata dos transformadores de potência secos É muito importante que você atente às normativas vigentes Elas devem ser consideradas para as corretas instalação e utilização de transformadores de potência Os profissionais que trabalham com fabricação venda distribuição instalação e manutenção de transformadores podem eventualmente precisar de outras normas além das mencionadas no Quadro 1 Isso depende do local de instalação do transformador assim como das exigências do cliente Nesta seção você conheceu as principais normas vigentes que devem ser consideradas pelos profissionais que trabalham de forma direta ou indireta com projeto comercialização ou manutenção de transformadores de potência A seguir você vai ler sobre os ensaios de rotina aplicados a transformadores de potência Sempre verifique se uma norma está vigente antes de aplicála Para consultar a vigência das normas da ABNT e também de outras normas inclusive internacionais acesse o site ABNT Catálogo Continuação Normas de transformadores 4 Ensaios de rotina aplicados aos transformadores Os ensaios são um conjunto de medições que devem ser realizadas em trans formadores de potência Eles ocorrem na fábrica de transformadores Já os testes consistem em ensaios realizados em campo quando o transformador já está em operação MILASCH 1984 Os ensaios devem seguir estritamente as especificações da ABNT NBR 5356 12007 Caso o transformador tenha sido fabricado no exterior é importante verificar que normas foram utilizadas na sua fabricação Os ensaios podem ser de rotina ou especiais dependendo das exigências do cliente Nesta seção você vai estudar brevemente os ensaios de rotina sugeridos pela ABNT NBR 535612007 Para obter mais detalhes você pode consultar o texto completo dessa norma Os fabricantes de transformadores de potência devem seguir as especifi cações de ensaios de rotina sugeridas pela ABNT NBR 535612007 atendendo inicialmente às condições de temperatura do ambiente e do óleo especificadas na norma A seguir veja os procedimentos que compõem os ensaios de rotina a medição da resistência dos enrolamentos b medição da relação de transformação e da polaridade e verificação do deslocamento angular e da sequência de fases c medição da impedância de curtocircuito e das perdas em carga d medição das perdas em vazio e da corrente de excitação e ensaios dielétricos de rotina f ensaios de comutador de derivações em carga quando aplicáveis g medição da resistência de isolamento h ensaios de estanqueidade e resistência à pressão i verificação do funcionamento dos acessórios j ensaio de óleo isolante para transformadores de tensão nominal 725 kV ou potência 5 MVA k verificação da espessura e da aderência da pintura da parte externa de transformadores com Um 242 kV Normas de transformadores 5 Medição da resistência dos enrolamentos De acordo com a ABNT NBR 535612007 devese registrar a resistência exis tente entre os terminais de cada enrolamento do transformador assim como a temperatura na qual elas foram medidas Ademais a medição deve ser em corrente contínua e a medição da resistência elétrica deve ser efetuada na derivação que corresponde à tensão mais elevada É importante tomar os cuidados necessários para reduzir ao mínimo os efeitos de autoindutância Para transformadores a seco as medições da temperatura e da resistência devem ser realizadas simultaneamente Já em transformadores a óleo é necessário determinar a temperatura média do óleo dessa forma considerase que a temperatura do enrolamento é igual à temperatura média do óleo Medição da relação de transformação e da polaridade e verificação do deslocamento angular e da sequência de fases A norma exige que sejam realizadas medições da relação de transformação em cada derivação do transformador É importante verificar sempre a polaridade e os esquemas de ligação quando estão em jogo transformadores monofásicos Medição da impedância de curtocircuito e das perdas em carga As perdas em carga e a impedância de um par de enrolamentos de um trans formador de potência devem ser medidas à frequência nominal de trabalho A tensão aplicada nos terminais de um dos enrolamentos deve ser do tipo senoidal enquanto o outro enrolamento deve permanecer curtocircuitado Caso o transformador possua mais enrolamentos eles devem permanecer em circuito aberto A corrente de alimentação deve ser igual ou superior a 50 da corrente nominal do transformador de forma que as medições sejam realizadas rapidamente evitando aquecimento e erros nas medidas Na Figura 1 veja um esquema de conexão do ensaio Normas de transformadores 6 Figura 1 Ligação típica para ensaio de transformador em curtocircuito Note que na Figura 1 o i1 representa o valor da corrente de entrada da fonte de alimentação aplicado ao enrolamento 1 cuja corrente é o valor nominal O v1 é a tensão da fonte de alimentação tensão menor do que a tensão nominal Por sua vez N1 é o número de espiras do enrolamento 1 enquanto N2 é o número de espiras do enrolamento 2 e i2 é a corrente de curto circuito sobre o enrolamento 2 Ainda é apresentada a medição da potência fornecida pela fonte de alimentação com o enrolamento do secundário N2 em curtocircuito Pcc A partir dessas medidas das variáveis você pode calcular a resistência a impedância e a reatância do transformador em curtocircuito Para isso utilize as Equações 1 2 e 3 R1 PCCi2 1 1 Z1 v1i1 2 XCC 3 Observe que os valores de i1 v1 e Pcc podem ser medidos diretamente Já o valor da impedância deve ser calculado No entanto se o ensaio é realizado quando o lado de baixa tensão do transformador está curtocircuitado a tensão de alimentação necessária para gerar valores de correntes nominais é muito inferior ao correspondente valor nominal podendo alcançar valores próximos a 10 da tensão nominal Nessas condições as perdas por histerese e correntes parasitas no núcleo do transformador são praticamente nulas Assumese assim que a potência Pcc medida corresponde apenas às perdas nos enrolamentos do transformador Normas de transformadores 7 Para saber o que fazer quando o transformador possui mais de dois enrolamentos e para conferir considerações sobre os fatores de temperatura do dispositivo você pode verificar o texto da norma Medição das perdas em vazio e da corrente de excitação Assim como no caso anterior as perdas em vazio e a corrente de excitação devem ser medidas em um dos enrolamentos à frequência nominal e com a aplicação da tensão nominal do transformador quando for realizado o ensaio na derivação principal Os enrolamentos restantes devem estar em circuito aberto Na Figura 2 veja um circuito de ensaio de medição em vazio de um transformador Figura 2 Ligação típica para ensaio de transformador em vazio Na Figura 2 v2 é a tensão sobre o enrolamento N2 enquanto N2 está em circuito aberto Nesse ensaio é possível medir a potência a vazio Po do trans formador e a corrente de excitação i1 de forma direta A tensão v1 corresponde à tensão nominal que alimenta o transformador Esse ensaio normalmente se realiza com a alimentação do lado de baixa tensão do transformador e o lado de alta tensão fica em aberto É possível verificar que no ensaio de transformador em vazio da Figura 2 o valor da tensão v1 do transformador corresponde ao valor de tensão nominal de alimentação mantendo assim N2 em aberto Dessa forma i1 é bem pequena Normas de transformadores 8 então é possível desprezar as perdas no cobre produzidas por essa corrente Assim o valor de Po representa as perdas do núcleo do transformador isto é perdas por histerese e correntes parasitas Essas perdas são constantes independentes da carga sempre que o valor de v1 é constante A ABNT NBR 535612007 admite um valor máximo de 10 de variação das perdas em vazio para qualquer tipo de transformador com base nos dados fornecidos pelo fabricante A norma ainda permite uma variação máxima de 3 da tensão de alimentação É recomendado verificar a norma ABNT NBR 535612007 quando existir uma variação no valor eficaz da tensão de alimentação Ensaios dielétricos de rotina De acordo com a ABNT NBR 535612007 os ensaios listados a seguir devem ser realizados em sequência 1 Impulso de manobra para terminal de linha verifica a suportabilidade a impulso de manobra dos terminais da linha dos terminais dos enro lamentos e de outros terminais que possam estar conectados à terra ou a outros enrolamentos 2 Impulso atmosférico nos terminais de linha verifica a capacidade de suportar impulsos atmosféricos do transformador quando dado impulso é aplicado aos terminais de linha 3 Impulso atmosférico no terminal de neutro verifica a capacidade do neutro e dos enrolamentos que nele se encontram conectados sejam eles a terra ou outros enrolamentos de suportar o valor de tensão de impulso atmosférico no terminal 4 Ensaio de tensão de trabalho à frequência industrial verifica a capaci dade de suportar as tensões alternadas para a terra e para os demais enrolamentos conectados 5 Tensão induzida de curta duração verifica se o transformador suporta as tensões alternadas induzidas seja para a terra ou para os outros enrolamentos conectados ao dispositivo 6 Tensão induzida de longa duração objetiva o controle de qualidade são verificadas as sobretensões temporárias e as solicitações con Normas de transformadores 9 tínuas durante o serviço Esse ensaio garante que o transformador não apresente descargas parciais durante as condições de operação Ensaios de comutador de derivações em carga De acordo com a ABNT NBR 535612007 esse tipo de ensaio deve ser rea lizado quando o comutador de derivações estiver devidamente montado no transformador Assim as seguintes sequências de operações devem ser realizadas sem anomalias 1 oito ciclos completos de funcionamento com o transformador desenergizado 2 um ciclo completo de funcionamento com o transformador desener gizado e com 85 da tensão nominal de alimentação dos auxiliares 3 um ciclo completo de funcionamento com o transformador energizado em vazio com tensão e frequência nominais 4 um ciclo completo de funcionamento com um enrolamento em curto circuito e com a corrente próxima da corrente nominal no enrolamento com derivações e 10 operações de mudança de derivações entre dois degraus de cada lado da posição onde o seletor de reversão de deri vações está operando Medição da resistência de isolamento De acordo com as especificações da ABNT NBR 535612007 a medição da resistência de isolamento do transformador deve ser realizada antes dos ensaios dielétricos embora o resultado desse ensaio não constitua critério para aprovar ou rejeitar o transformador de potência Ensaios de estanqueidade e resistência à pressão As medições dos ensaios devem ser realizadas após a finalização dos ensaios dielétricos ou antes do início desses ensaios O ensaio de estanqueidade verifica possíveis vazamentos de óleo Já os testes de resistência à pressão são ensaios que verificam se os transformadores suportam pressões mano métricas de ensaio específicas durante um tempo determinado No Quadro 2 veja esses valores de acordo com a ABNT NBR 535612007 Normas de transformadores 10 Quadro 2 Valores de ensaios de estanqueidade e resistência à pressão Tipo de transformador Pressão manométrica Mpa Tempo de aplicação h Selado com colchão de gás 007 1 Selado de enchimento integral 001 1 Não selado com tensão máxima de equipamento superior a 725 kV ou potência nominal superior a 10 MVA 005 24 Não selado com tensão máxima de equipamento superior a 725 kV ou potência nominal inferior a 10 MVA 003 24 Fonte Adaptado de Associação Brasileira de Normas Técnicas 2007 Para se informar sobre a resistência à pressão a quente de transfor madores subterrâneos consulte a ABNT NBR 535612007 Verificação do funcionamento dos acessórios A ABNT NBR 535612007 recomenda a verificação dos seguintes acessórios de um transformador de potência medidor externo de nível do óleo medidor de temperatura do óleo relé detector de gás medidores de temperatura do enrolamento comutador sem tensão ventilador bomba de óleo indicador de circulação de óleo e dispositivo para alívio de pressão Quando se trata de transformadores de potência secos a norma estabelece que devem ser verificados os seguintes acessórios comutador de derivações sem tensão sistema de proteção térmica e ventilador Ademais podem ser necessários outros ensaios de verificação em acessórios que o transformador eventualmente possua Normas de transformadores 11 Ensaio de óleo isolante para transformadores de tensão nominal 725 kV ou potência 5 MVA Esse ensaio permite a verificação dos seguintes parâmetros rigidez dielétrica teor da água fator de perdas dielétricas ou fator de dissipação e tensão interfacial Os critérios de validação do óleo isolante após contato com o equipamento são apresentados no Quadro 3 Quadro 3 Características do óleo mineral isolante após contato com o equipamento Características Método de ensaio Unidade Valores garantidos Mínimo Máximo Tensão superficial a 25 ºC ABNT NBR 6234 mNm 40 Teor de água Um 725 kV ABNT NBR 5755 Um 725 kV Rigidez dielétrica Um 725 kV ABNT NBR 6869 kV 30 Um 725 kV ABNT NBR IEC 60156 50 Um 725 kV 70 Fator de perdas dielétricas ou fator de dissipação A 100 ºC Um 725 kV ASTM D924 09 Um 725 kV 06 A 90 ºC Um 725 kV IEC 60247 07 Um 725 kV 05 Fonte Adaptado de Associação Brasileira de Normas Técnicas 2007 Normas de transformadores 12 Verificação da espessura e da aderência da pintura da parte externa de transformadores com Um 242 kV Para essa verificação a ABNT NBR 535612007 menciona o uso da ABNT NBR 113881990 Dessa forma para transformadores com Um 242 kV a espessura da pintura deve ser medida em pelo menos três pontos do tanque principal e um ponto da tampa do transformador Já a aderência da pintura deve ser verificada pelo método do corte em grade ou pelo método do corte em X considerando a NBR 11003 Caso sejam utilizadas pinturas especiais devese utilizar o método de corte em X No caso de transformadores que possuem Um 242 kV os ensaios devem ser realizados por amostragem Nesta seção você conheceu os ensaios de rotina necessários para a vali dação e a aprovação de transformadores de potência Tais ensaios devem ser adotados pelos fabricantes dessas máquinas Eles são descritos em maiores detalhes na ABNT NBR 535612007 Ensaio de impulso atmosférico em transformadores Os transformadores de potência devem ser robustos o suficiente para suportar qualquer dano que não deve ultrapassar determinado tempo de um valor de sobretensão compatível com a sua classe de tensão Esse ensaio também é conhecido como ensaio de impulso De acordo com Oliveira Cogo e Abreu 2018 e com a ABNT NBR 535612007 esse ensaio verifica o nível de isola mento de um transformador de potência quando submetido a descargas ou sobretensões de origem atmosférica Nesse tipo de ensaio os enrolamentos do transformador são submetidos a picos de sobretensões A finalidade disso é detectar problemas de fabricação do transformador ou de outras origens que possam comprometer a efetividade do isolamento Um valor de tensão elevado pode ocasionar o rompimento do isolamento entre espiras de uma bobina ou mesmo entre bobinas diferentes ou ainda entre espiras dos lados de alta e de baixa tensão Tal rompimento entre espiras pode acontecer caso dois enrolamentos estejam montados sobre um mesmo núcleo de um transformador De acordo com Oliveira Cogo e Abreu 2018 e com a ABNT NBR 535612007 para o ensaio experimental é necessário gerar uma onda de descarga similar à apresentada na Figura 3 Normas de transformadores 13 Figura 3 Forma de onda normalizada para ensaios de impulsos em transformadores Fonte Oliveira Cogo e Abreu 2018 p 105 Como você pode ver na Figura 3 existem três parâmetros importantes a serem considerados na forma de onda o valor de tempo de subida T1 o valor máximo da crista e o valor de tempo de descida T2 Essa forma de onda é padronizada pela ABNT ela pode ser uma onda de valores positivos ou negativos em relação aos eixos de referência A seguir na Figura 4 veja uma descarga atmosférica incidindo em uma linha elétrica Figura 4 Sentido de propagação de uma onda impulsiva em transformadores Fonte Oliveira Cogo e Abreu 2018 p 105 Normas de transformadores 14 Veja que na Figura 4 a descarga atmosférica que incide na linha é dividida em duas partes dando origem a duas frentes de ondas que se propagam em sentidos opostos O que o ensaio impulsivo tenta reproduzir é o sentido da onda sobre o transformador de potência Valor da crista O valor máximo da onda para o ensaio impulsivo já é um valor padronizado e os valores máximos para a classe de tensão de isolamento dos transforma dores podem ser visualizados na segunda e na quarta colunas do Quadro 4 eles dependem de a crista ser plena ou cortada Quadro 4 Valores de ensaios dielétricos em transformadores de potência que possuem líquido isolante Classe de tensão de isolamento nominal kV Ensaios de impulso valor de crista Com onda cortada Com plena onda kV Tempo mínimo de corte µs kV 06 12 5 87 36 69 88 1 15 16 30 60 75 15B 15 110 130 18 2 95 110 25 345 46 69 175 230 200 400 3 3 3 3 150 200 250 350 92 138B 138 520 630 750 3 3 3 450 550 650 161B 161 750 865 3 3 650 750 230B2 230B1 230 950 1035 1210 3 3 3 825 900 1050 Continua Normas de transformadores 15 Classe de tensão de isolamento nominal kV Ensaios de impulso valor de crista Com onda cortada Com plena onda kV Tempo mínimo de corte µs kV 345B2 345B1 345 1350 1500 1600 3 3 3 1175 1300 1425 440B2 440B1 440 1640 1785 1925 3 3 3 1425 1550 1675 Fonte Adaptado de Oliveira Cogo e Abreu 2018 Repare que os valores de tensão para cristas cortadas são maiores do que aqueles para a onda plena Isso ocorre porque o tempo de atuação de uma onda cortada é menor como mostra a terceira coluna do Quadro 4 Além disso na primeira coluna a letra B especifica um nível de isolamento baixo em transformadores de potência aplicado a determinadas especificações de transformadores Tempo de subida Esse valor é calculado a partir da Figura 3 mediante a interseção de 30 e 90 do valor da onda gerando uma reta segmento AB O ponto A é a inter seção dessa reta com a abscissa tempo e o ponto B é calculado mediante uma paralela ao eixo horizontal do tempo que intercepta o valor máximo da crista e o segmento da reta AB Dessa forma o valor de tempo de subida T1 é o valor de tempo do segmento AC Tempo de descida De acordo com Oliveira Cogo e Abreu 2018 o tempo de descida é calculado mediante uma linha horizontal que intercepta o valor de 50 da tensão má xima da crista já na descida da onda Esse valor de tempo corresponde ao valor de descida T2 que por sua vez corresponde ao segmento AD da Figura 3 Continuação Normas de transformadores 16 Os valores de T1 e T2 definidos anteriormente são padronizados OLIVEIRA COGO ABREU 2018 Esses valores são 12 µs e 50 µs respectivamente com um erro admissível de até 30 Tais valores de tempo também são comumente apresentados como uma relação Veja 4 Nesta seção você conheceu as características das ondas impulsivas a serem ensaiadas em transformadores de potência A finalidade dessas on das é simular descargas atmosféricas do tipo impulsivas Para conferir uma abordagem mais profunda sobre os procedimentos de circuitos e métodos de medição consulte a ABNT NBR 535612007 Ao longo deste capítulo você estudou as normas vigentes aplicadas a transformadores de potência Você também verificou quais são os ensaios de rotina exigidos pela ABNT NBR 535612007 Por fim você leu sobre as ondas impulsivas utilizadas para a realização de ensaios de impulso em transformadores de potência Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 113881990 Sistemas de pintura para equipamentos e instalações de subestações elétricas Especificação Rio de Janeiro ABNT 1990 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 535612007 Transformadores de Potência Parte 1 Generalidade Rio de Janeiro ABNT 2007 INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION IEC 6007612011 Power Transformers Part 1 General S l IEC 2011 MILASCH M Manutenção de transformadores em líquido isolante São Paulo Edgard Blucher 1984 OLIVEIRA J C COGO J R ABREU J P G Transformadores teoria e ensaios 2 ed São Paulo Blucher 2018 Leituras recomendadas DEL TORO V Fundamentos de máquinas elétricas Rio de Janeiro LTC 1994 UMANS S D Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley 7 ed Porto Alegre AMGH 2014 Normas de transformadores 17
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verificação e comissionamento são essenciais para garantir o seu bom funcionamento Essas atividades incluem a supervisão dos transformadores em relação aos seus acessórios a proteção dos transformadores e a veri ficação das condições de instalação e funcionamento desses equipamentos Os procedimentos relativos a essas atividades são estabelecidos por normas Normas de transformadores Anselmo Rafael Cukla Neste capítulo você vai estudar as principais normas e legislações nacionais e internacionais aplicadas aos transformadores de potência Você também vai conhecer os procedimentos de rotina realizados nos transformadores em funcionamento Além disso vai ver como são realizados os ensaios de impulso atmosférico aplicados a transformadores de potência Principais normas de transformadores Um transformador é um equipamento elétrico que funciona mediante a indu ção eletromagnética por meio da utilização de dois ou mais enrolamentos Sua finalidade é transformar a tensão e a corrente da entrada e da saída mantendo praticamente a mesma potência e não alterando a frequência de trabalho Essa definição consta na norma ABNT NBR 535612007 Por sua vez a IEC 6007612011 da International Electrotechnical Com mission IEC define um transformador de potência como um equipamento estático com dois ou mais enrolamentos dedicados à conversão da tensão e da corrente de um sistema de corrente alternada Geralmente os valores de saída de tensão e corrente diferem daqueles do sistema original mas a frequência de trabalho é sempre a mesma Esses equipamentos visam a transmitir uma mesma quantidade de potência elétrica de um sistema de potência para outro Os transformadores fabricados e comercializados hoje em dia no âmbito nacional devem necessariamente estar submetidos à ABNT NBR 535612007 Todavia se o equipamento for comercializado fora do País deve atender ainda às normas internacionais e às exigidas pelo cliente As normativas vigentes atualmente permitem a padronização dos equipa mentos disponíveis no mercado Além disso elas facilitam a troca de informa ções entre os compradores e os vendedores A legislação ou as normativas para a fabricação e a inspeção dos transformadores possibilitam ainda atender a requisitos técnicos mínimos que garantam a segurança e a confiabilidade desses equipamentos assim como a ausência de riscos ao meio ambiente No Quadro 1 veja algumas das principais normativas vigentes e utilizadas pelos fabricantes e empresas que comercializam transformadores atualmente Normas de transformadores 2 Quadro 1 Principais normativas vigentes aplicadas aos transformadores de potência Nome e ano da norma Descrição da norma ABNT NBR 535612007 Transformadores de potência Parte 1 generalidades ABNT NBR 535622007 Transformadores de potência Parte 2 aquecimento ABNT NBR 535632007 Transformadores de potência Parte 3 níveis de isolamento ensaios dielétricos e espaçamentos externos em ar ABNT NBR 535642007 Transformadores de potência Parte 4 guia de ensaio impulsivo atmosférico e de manobra para transformadores e reatores ABNT NBR 535652015 Transformadores de potência Parte 5 capacidade de resistir a curtoscircuitos ABNT NBR 535662012 Transformadores de potência Parte 6 reatores ABNT NBR 535672017 Transformadores de potência Parte 7 guia de carregamento para transformadores imersos em líquido isolante ABNT NBR 535682017 Transformadores de potência Parte 8 guia de aplicação ABNT NBR 535692016 Transformadores de potência Parte 9 recebimento armazenagem instalação e manutenção de transformadores e reatores de potência imersos em líquido isolante ABNT NBR 5356112016 Transformadores de potência Parte 11 transformadores do tipo seco especificação ABNT NBR 5356162018 Transformadores de potência Parte 16 transformadores para aplicação em geradores eólicos ABNT NBR 124541990 Transformadores de potência de tensões máximas até 362 kV e potência de 225 kVA até 3750 kVA padronização IEC 6007612011 Transformadores de potência Parte 1 geral Continua Normas de transformadores 3 Nome e ano da norma Descrição da norma IEEE C5712002015 Requisitos gerais para distribuição imersa em líquido potência e transformadores reguladores ABNT NBR 54582010 Transformador de potência terminologia ABNT NBR 70361990 Recebimento instalação e manutenção de transformadores de potência para distribuição imersos em líquidos isolantes ABNT NBR 93682011 Transformadores de potência de tensões máximas até 145 kV características elétricas e mecânicas Tenha em mente que as normas podem ser atualizadas Um exemplo disso é a ABNT NBR 102951988 que foi substituída pela ABNT NBR 102952011 que por sua vez foi substituída pela ABNT NBR 5356112016 Esta norma trata dos transformadores de potência secos É muito importante que você atente às normativas vigentes Elas devem ser consideradas para as corretas instalação e utilização de transformadores de potência Os profissionais que trabalham com fabricação venda distribuição instalação e manutenção de transformadores podem eventualmente precisar de outras normas além das mencionadas no Quadro 1 Isso depende do local de instalação do transformador assim como das exigências do cliente Nesta seção você conheceu as principais normas vigentes que devem ser consideradas pelos profissionais que trabalham de forma direta ou indireta com projeto comercialização ou manutenção de transformadores de potência A seguir você vai ler sobre os ensaios de rotina aplicados a transformadores de potência Sempre verifique se uma norma está vigente antes de aplicála Para consultar a vigência das normas da ABNT e também de outras normas inclusive internacionais acesse o site ABNT Catálogo Continuação Normas de transformadores 4 Ensaios de rotina aplicados aos transformadores Os ensaios são um conjunto de medições que devem ser realizadas em trans formadores de potência Eles ocorrem na fábrica de transformadores Já os testes consistem em ensaios realizados em campo quando o transformador já está em operação MILASCH 1984 Os ensaios devem seguir estritamente as especificações da ABNT NBR 5356 12007 Caso o transformador tenha sido fabricado no exterior é importante verificar que normas foram utilizadas na sua fabricação Os ensaios podem ser de rotina ou especiais dependendo das exigências do cliente Nesta seção você vai estudar brevemente os ensaios de rotina sugeridos pela ABNT NBR 535612007 Para obter mais detalhes você pode consultar o texto completo dessa norma Os fabricantes de transformadores de potência devem seguir as especifi cações de ensaios de rotina sugeridas pela ABNT NBR 535612007 atendendo inicialmente às condições de temperatura do ambiente e do óleo especificadas na norma A seguir veja os procedimentos que compõem os ensaios de rotina a medição da resistência dos enrolamentos b medição da relação de transformação e da polaridade e verificação do deslocamento angular e da sequência de fases c medição da impedância de curtocircuito e das perdas em carga d medição das perdas em vazio e da corrente de excitação e ensaios dielétricos de rotina f ensaios de comutador de derivações em carga quando aplicáveis g medição da resistência de isolamento h ensaios de estanqueidade e resistência à pressão i verificação do funcionamento dos acessórios j ensaio de óleo isolante para transformadores de tensão nominal 725 kV ou potência 5 MVA k verificação da espessura e da aderência da pintura da parte externa de transformadores com Um 242 kV Normas de transformadores 5 Medição da resistência dos enrolamentos De acordo com a ABNT NBR 535612007 devese registrar a resistência exis tente entre os terminais de cada enrolamento do transformador assim como a temperatura na qual elas foram medidas Ademais a medição deve ser em corrente contínua e a medição da resistência elétrica deve ser efetuada na derivação que corresponde à tensão mais elevada É importante tomar os cuidados necessários para reduzir ao mínimo os efeitos de autoindutância Para transformadores a seco as medições da temperatura e da resistência devem ser realizadas simultaneamente Já em transformadores a óleo é necessário determinar a temperatura média do óleo dessa forma considerase que a temperatura do enrolamento é igual à temperatura média do óleo Medição da relação de transformação e da polaridade e verificação do deslocamento angular e da sequência de fases A norma exige que sejam realizadas medições da relação de transformação em cada derivação do transformador É importante verificar sempre a polaridade e os esquemas de ligação quando estão em jogo transformadores monofásicos Medição da impedância de curtocircuito e das perdas em carga As perdas em carga e a impedância de um par de enrolamentos de um trans formador de potência devem ser medidas à frequência nominal de trabalho A tensão aplicada nos terminais de um dos enrolamentos deve ser do tipo senoidal enquanto o outro enrolamento deve permanecer curtocircuitado Caso o transformador possua mais enrolamentos eles devem permanecer em circuito aberto A corrente de alimentação deve ser igual ou superior a 50 da corrente nominal do transformador de forma que as medições sejam realizadas rapidamente evitando aquecimento e erros nas medidas Na Figura 1 veja um esquema de conexão do ensaio Normas de transformadores 6 Figura 1 Ligação típica para ensaio de transformador em curtocircuito Note que na Figura 1 o i1 representa o valor da corrente de entrada da fonte de alimentação aplicado ao enrolamento 1 cuja corrente é o valor nominal O v1 é a tensão da fonte de alimentação tensão menor do que a tensão nominal Por sua vez N1 é o número de espiras do enrolamento 1 enquanto N2 é o número de espiras do enrolamento 2 e i2 é a corrente de curto circuito sobre o enrolamento 2 Ainda é apresentada a medição da potência fornecida pela fonte de alimentação com o enrolamento do secundário N2 em curtocircuito Pcc A partir dessas medidas das variáveis você pode calcular a resistência a impedância e a reatância do transformador em curtocircuito Para isso utilize as Equações 1 2 e 3 R1 PCCi2 1 1 Z1 v1i1 2 XCC 3 Observe que os valores de i1 v1 e Pcc podem ser medidos diretamente Já o valor da impedância deve ser calculado No entanto se o ensaio é realizado quando o lado de baixa tensão do transformador está curtocircuitado a tensão de alimentação necessária para gerar valores de correntes nominais é muito inferior ao correspondente valor nominal podendo alcançar valores próximos a 10 da tensão nominal Nessas condições as perdas por histerese e correntes parasitas no núcleo do transformador são praticamente nulas Assumese assim que a potência Pcc medida corresponde apenas às perdas nos enrolamentos do transformador Normas de transformadores 7 Para saber o que fazer quando o transformador possui mais de dois enrolamentos e para conferir considerações sobre os fatores de temperatura do dispositivo você pode verificar o texto da norma Medição das perdas em vazio e da corrente de excitação Assim como no caso anterior as perdas em vazio e a corrente de excitação devem ser medidas em um dos enrolamentos à frequência nominal e com a aplicação da tensão nominal do transformador quando for realizado o ensaio na derivação principal Os enrolamentos restantes devem estar em circuito aberto Na Figura 2 veja um circuito de ensaio de medição em vazio de um transformador Figura 2 Ligação típica para ensaio de transformador em vazio Na Figura 2 v2 é a tensão sobre o enrolamento N2 enquanto N2 está em circuito aberto Nesse ensaio é possível medir a potência a vazio Po do trans formador e a corrente de excitação i1 de forma direta A tensão v1 corresponde à tensão nominal que alimenta o transformador Esse ensaio normalmente se realiza com a alimentação do lado de baixa tensão do transformador e o lado de alta tensão fica em aberto É possível verificar que no ensaio de transformador em vazio da Figura 2 o valor da tensão v1 do transformador corresponde ao valor de tensão nominal de alimentação mantendo assim N2 em aberto Dessa forma i1 é bem pequena Normas de transformadores 8 então é possível desprezar as perdas no cobre produzidas por essa corrente Assim o valor de Po representa as perdas do núcleo do transformador isto é perdas por histerese e correntes parasitas Essas perdas são constantes independentes da carga sempre que o valor de v1 é constante A ABNT NBR 535612007 admite um valor máximo de 10 de variação das perdas em vazio para qualquer tipo de transformador com base nos dados fornecidos pelo fabricante A norma ainda permite uma variação máxima de 3 da tensão de alimentação É recomendado verificar a norma ABNT NBR 535612007 quando existir uma variação no valor eficaz da tensão de alimentação Ensaios dielétricos de rotina De acordo com a ABNT NBR 535612007 os ensaios listados a seguir devem ser realizados em sequência 1 Impulso de manobra para terminal de linha verifica a suportabilidade a impulso de manobra dos terminais da linha dos terminais dos enro lamentos e de outros terminais que possam estar conectados à terra ou a outros enrolamentos 2 Impulso atmosférico nos terminais de linha verifica a capacidade de suportar impulsos atmosféricos do transformador quando dado impulso é aplicado aos terminais de linha 3 Impulso atmosférico no terminal de neutro verifica a capacidade do neutro e dos enrolamentos que nele se encontram conectados sejam eles a terra ou outros enrolamentos de suportar o valor de tensão de impulso atmosférico no terminal 4 Ensaio de tensão de trabalho à frequência industrial verifica a capaci dade de suportar as tensões alternadas para a terra e para os demais enrolamentos conectados 5 Tensão induzida de curta duração verifica se o transformador suporta as tensões alternadas induzidas seja para a terra ou para os outros enrolamentos conectados ao dispositivo 6 Tensão induzida de longa duração objetiva o controle de qualidade são verificadas as sobretensões temporárias e as solicitações con Normas de transformadores 9 tínuas durante o serviço Esse ensaio garante que o transformador não apresente descargas parciais durante as condições de operação Ensaios de comutador de derivações em carga De acordo com a ABNT NBR 535612007 esse tipo de ensaio deve ser rea lizado quando o comutador de derivações estiver devidamente montado no transformador Assim as seguintes sequências de operações devem ser realizadas sem anomalias 1 oito ciclos completos de funcionamento com o transformador desenergizado 2 um ciclo completo de funcionamento com o transformador desener gizado e com 85 da tensão nominal de alimentação dos auxiliares 3 um ciclo completo de funcionamento com o transformador energizado em vazio com tensão e frequência nominais 4 um ciclo completo de funcionamento com um enrolamento em curto circuito e com a corrente próxima da corrente nominal no enrolamento com derivações e 10 operações de mudança de derivações entre dois degraus de cada lado da posição onde o seletor de reversão de deri vações está operando Medição da resistência de isolamento De acordo com as especificações da ABNT NBR 535612007 a medição da resistência de isolamento do transformador deve ser realizada antes dos ensaios dielétricos embora o resultado desse ensaio não constitua critério para aprovar ou rejeitar o transformador de potência Ensaios de estanqueidade e resistência à pressão As medições dos ensaios devem ser realizadas após a finalização dos ensaios dielétricos ou antes do início desses ensaios O ensaio de estanqueidade verifica possíveis vazamentos de óleo Já os testes de resistência à pressão são ensaios que verificam se os transformadores suportam pressões mano métricas de ensaio específicas durante um tempo determinado No Quadro 2 veja esses valores de acordo com a ABNT NBR 535612007 Normas de transformadores 10 Quadro 2 Valores de ensaios de estanqueidade e resistência à pressão Tipo de transformador Pressão manométrica Mpa Tempo de aplicação h Selado com colchão de gás 007 1 Selado de enchimento integral 001 1 Não selado com tensão máxima de equipamento superior a 725 kV ou potência nominal superior a 10 MVA 005 24 Não selado com tensão máxima de equipamento superior a 725 kV ou potência nominal inferior a 10 MVA 003 24 Fonte Adaptado de Associação Brasileira de Normas Técnicas 2007 Para se informar sobre a resistência à pressão a quente de transfor madores subterrâneos consulte a ABNT NBR 535612007 Verificação do funcionamento dos acessórios A ABNT NBR 535612007 recomenda a verificação dos seguintes acessórios de um transformador de potência medidor externo de nível do óleo medidor de temperatura do óleo relé detector de gás medidores de temperatura do enrolamento comutador sem tensão ventilador bomba de óleo indicador de circulação de óleo e dispositivo para alívio de pressão Quando se trata de transformadores de potência secos a norma estabelece que devem ser verificados os seguintes acessórios comutador de derivações sem tensão sistema de proteção térmica e ventilador Ademais podem ser necessários outros ensaios de verificação em acessórios que o transformador eventualmente possua Normas de transformadores 11 Ensaio de óleo isolante para transformadores de tensão nominal 725 kV ou potência 5 MVA Esse ensaio permite a verificação dos seguintes parâmetros rigidez dielétrica teor da água fator de perdas dielétricas ou fator de dissipação e tensão interfacial Os critérios de validação do óleo isolante após contato com o equipamento são apresentados no Quadro 3 Quadro 3 Características do óleo mineral isolante após contato com o equipamento Características Método de ensaio Unidade Valores garantidos Mínimo Máximo Tensão superficial a 25 ºC ABNT NBR 6234 mNm 40 Teor de água Um 725 kV ABNT NBR 5755 Um 725 kV Rigidez dielétrica Um 725 kV ABNT NBR 6869 kV 30 Um 725 kV ABNT NBR IEC 60156 50 Um 725 kV 70 Fator de perdas dielétricas ou fator de dissipação A 100 ºC Um 725 kV ASTM D924 09 Um 725 kV 06 A 90 ºC Um 725 kV IEC 60247 07 Um 725 kV 05 Fonte Adaptado de Associação Brasileira de Normas Técnicas 2007 Normas de transformadores 12 Verificação da espessura e da aderência da pintura da parte externa de transformadores com Um 242 kV Para essa verificação a ABNT NBR 535612007 menciona o uso da ABNT NBR 113881990 Dessa forma para transformadores com Um 242 kV a espessura da pintura deve ser medida em pelo menos três pontos do tanque principal e um ponto da tampa do transformador Já a aderência da pintura deve ser verificada pelo método do corte em grade ou pelo método do corte em X considerando a NBR 11003 Caso sejam utilizadas pinturas especiais devese utilizar o método de corte em X No caso de transformadores que possuem Um 242 kV os ensaios devem ser realizados por amostragem Nesta seção você conheceu os ensaios de rotina necessários para a vali dação e a aprovação de transformadores de potência Tais ensaios devem ser adotados pelos fabricantes dessas máquinas Eles são descritos em maiores detalhes na ABNT NBR 535612007 Ensaio de impulso atmosférico em transformadores Os transformadores de potência devem ser robustos o suficiente para suportar qualquer dano que não deve ultrapassar determinado tempo de um valor de sobretensão compatível com a sua classe de tensão Esse ensaio também é conhecido como ensaio de impulso De acordo com Oliveira Cogo e Abreu 2018 e com a ABNT NBR 535612007 esse ensaio verifica o nível de isola mento de um transformador de potência quando submetido a descargas ou sobretensões de origem atmosférica Nesse tipo de ensaio os enrolamentos do transformador são submetidos a picos de sobretensões A finalidade disso é detectar problemas de fabricação do transformador ou de outras origens que possam comprometer a efetividade do isolamento Um valor de tensão elevado pode ocasionar o rompimento do isolamento entre espiras de uma bobina ou mesmo entre bobinas diferentes ou ainda entre espiras dos lados de alta e de baixa tensão Tal rompimento entre espiras pode acontecer caso dois enrolamentos estejam montados sobre um mesmo núcleo de um transformador De acordo com Oliveira Cogo e Abreu 2018 e com a ABNT NBR 535612007 para o ensaio experimental é necessário gerar uma onda de descarga similar à apresentada na Figura 3 Normas de transformadores 13 Figura 3 Forma de onda normalizada para ensaios de impulsos em transformadores Fonte Oliveira Cogo e Abreu 2018 p 105 Como você pode ver na Figura 3 existem três parâmetros importantes a serem considerados na forma de onda o valor de tempo de subida T1 o valor máximo da crista e o valor de tempo de descida T2 Essa forma de onda é padronizada pela ABNT ela pode ser uma onda de valores positivos ou negativos em relação aos eixos de referência A seguir na Figura 4 veja uma descarga atmosférica incidindo em uma linha elétrica Figura 4 Sentido de propagação de uma onda impulsiva em transformadores Fonte Oliveira Cogo e Abreu 2018 p 105 Normas de transformadores 14 Veja que na Figura 4 a descarga atmosférica que incide na linha é dividida em duas partes dando origem a duas frentes de ondas que se propagam em sentidos opostos O que o ensaio impulsivo tenta reproduzir é o sentido da onda sobre o transformador de potência Valor da crista O valor máximo da onda para o ensaio impulsivo já é um valor padronizado e os valores máximos para a classe de tensão de isolamento dos transforma dores podem ser visualizados na segunda e na quarta colunas do Quadro 4 eles dependem de a crista ser plena ou cortada Quadro 4 Valores de ensaios dielétricos em transformadores de potência que possuem líquido isolante Classe de tensão de isolamento nominal kV Ensaios de impulso valor de crista Com onda cortada Com plena onda kV Tempo mínimo de corte µs kV 06 12 5 87 36 69 88 1 15 16 30 60 75 15B 15 110 130 18 2 95 110 25 345 46 69 175 230 200 400 3 3 3 3 150 200 250 350 92 138B 138 520 630 750 3 3 3 450 550 650 161B 161 750 865 3 3 650 750 230B2 230B1 230 950 1035 1210 3 3 3 825 900 1050 Continua Normas de transformadores 15 Classe de tensão de isolamento nominal kV Ensaios de impulso valor de crista Com onda cortada Com plena onda kV Tempo mínimo de corte µs kV 345B2 345B1 345 1350 1500 1600 3 3 3 1175 1300 1425 440B2 440B1 440 1640 1785 1925 3 3 3 1425 1550 1675 Fonte Adaptado de Oliveira Cogo e Abreu 2018 Repare que os valores de tensão para cristas cortadas são maiores do que aqueles para a onda plena Isso ocorre porque o tempo de atuação de uma onda cortada é menor como mostra a terceira coluna do Quadro 4 Além disso na primeira coluna a letra B especifica um nível de isolamento baixo em transformadores de potência aplicado a determinadas especificações de transformadores Tempo de subida Esse valor é calculado a partir da Figura 3 mediante a interseção de 30 e 90 do valor da onda gerando uma reta segmento AB O ponto A é a inter seção dessa reta com a abscissa tempo e o ponto B é calculado mediante uma paralela ao eixo horizontal do tempo que intercepta o valor máximo da crista e o segmento da reta AB Dessa forma o valor de tempo de subida T1 é o valor de tempo do segmento AC Tempo de descida De acordo com Oliveira Cogo e Abreu 2018 o tempo de descida é calculado mediante uma linha horizontal que intercepta o valor de 50 da tensão má xima da crista já na descida da onda Esse valor de tempo corresponde ao valor de descida T2 que por sua vez corresponde ao segmento AD da Figura 3 Continuação Normas de transformadores 16 Os valores de T1 e T2 definidos anteriormente são padronizados OLIVEIRA COGO ABREU 2018 Esses valores são 12 µs e 50 µs respectivamente com um erro admissível de até 30 Tais valores de tempo também são comumente apresentados como uma relação Veja 4 Nesta seção você conheceu as características das ondas impulsivas a serem ensaiadas em transformadores de potência A finalidade dessas on das é simular descargas atmosféricas do tipo impulsivas Para conferir uma abordagem mais profunda sobre os procedimentos de circuitos e métodos de medição consulte a ABNT NBR 535612007 Ao longo deste capítulo você estudou as normas vigentes aplicadas a transformadores de potência Você também verificou quais são os ensaios de rotina exigidos pela ABNT NBR 535612007 Por fim você leu sobre as ondas impulsivas utilizadas para a realização de ensaios de impulso em transformadores de potência Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 113881990 Sistemas de pintura para equipamentos e instalações de subestações elétricas Especificação Rio de Janeiro ABNT 1990 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 535612007 Transformadores de Potência Parte 1 Generalidade Rio de Janeiro ABNT 2007 INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION IEC 6007612011 Power Transformers Part 1 General S l IEC 2011 MILASCH M Manutenção de transformadores em líquido isolante São Paulo Edgard Blucher 1984 OLIVEIRA J C COGO J R ABREU J P G Transformadores teoria e ensaios 2 ed São Paulo Blucher 2018 Leituras recomendadas DEL TORO V Fundamentos de máquinas elétricas Rio de Janeiro LTC 1994 UMANS S D Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley 7 ed Porto Alegre AMGH 2014 Normas de transformadores 17