TM - Guia de utilização dos valores de GEO e Hot Spot para transformadores

Criada por Natan Andrade dos Santos, Modificado em Seg, 12 Ago na (o) 1:41 PM por Natan Andrade dos Santos

ÍNDICE

1. Fator de ponto mais quente (Hot-Spot factor)
2. Parametrização nos IEDs
3. Referências

Este guia contém orientações para interpretação dos valores de GEO e HS com informações retiradas de ensaios e Normas.

Os valores de Gradiente enrolamento/óleo - GEO e HotSpot - HS são utilizados para parametrização de IEDs que realizam a função térmica. Através da medição da temperatura do óleo e corrente de carga, calculam-se os valores de temperatura do enrolamento e em específico o Hot Spot - HS.

A seguir são apresentados alguns conceitos sobre os IEDs que monitoram temperaturas e também sobre determinação de GEO e HS.

Multigradiente: O IED possui ajuste para mais de um estágio de resfriamento.

A temperatura do enrolamento é calculada com maior precisão devido o comportamento térmico de um transformador variar de acordo com cada estágio de resfriamento. Caso o equipamento possua esta funcionalidade, permite que seja efetuada a variação dos parâmetros térmicos conforme o estágio de resfriamento ativo.

GEO - Gradiente enrolamento-óleo: Diferença de temperatura entre óleo e enrolamento. Valor calculado conforme medição da temperatura do óleo e carregamento do trafo.
Fator de HotSpot - fHS: Valor utilizado de soma ou multiplicação a partir das temperaturas do óleo e enrolamento para cálculo do HotSpot.
HotSpot - HS: Ponto mais quente no enrolamento. Alarmes e Desligamento por temperatura de enrolamentos são baseados nesse ponto.

A seguir uma figura indicando os conceitos de ponto mais quente:

1. Fator de ponto mais quente (Hot-Spot factor)

Atualmente consideramos HS+ um valor somado e HS* como um fator de multiplicação para a temperatura do enrolamento. O fator do ponto mais quente HS é específico do enrolamento e deve ser determinado caso a caso, quando necessário. O fator HS deve ser definido por meio de medição direta ou por um procedimento de cálculo baseado nos princípios fundamentais de perdas e de transferência de calor, e fundamentado por medições diretas em transformadores em processo de fabricação ou protótipo.

Nos exemplos de cálculo do Anexo E da Norma NBR5356-7, presume-se que H = 1,1 para transformadores de distribuição e H = 1,3 para transformadores de média potência e transformadores de grande porte.

Na NBR5416 considera como a elevação da temperatura do ponto mais quente do enrolamento sobre a temperatura do topo do óleo, onde é obtido a partir da elevação da temperatura média do enrolamento em relação à do topo do óleo acrescida de +10°C para transformadores de 55°C e acrescido de +15°C para classe 65°C.

2. Parametrização nos IEDs

Abaixo são mostrados os parâmetros solicitados e as opções para monitoramento da imagem térmica nos IEDs:

2.1. Tipo de fator hot-spot

Poderá ser solicitado a escolha da norma cuja metodologia será adotada para calcular a temperatura dos enrolamentos, principalmente no que se refere ao hot-spot.

ANSI IEEE C57.91/2011; ABNT NBR 5416/1997
IEC 60076-7/2018; ABNT NBR 5356-7/2017

2.2. Fator de hot-spot no enrolamento 'x'

Configure o fator de hot-spot conforme modelo adotado pelas seguintes normas.

HS+: ANSI IEEE C57.91-1995 e ABNT NBR 5416 (1997);
HS*: IEC 60076-7 e ABNT NBR 5356-7 (2017).

No primeiro caso (HS+), é a diferença entre a temperatura do ponto mais quente (hot-spot) e a temperatura média do enrolamento.

Segundo a norma IEC (HS*), é a relação entre a elevação de temperatura do ponto mais quente sobre a temperatura do topo do óleo e a elevação da temperatura média do enrolamento sobre a temperatura média do óleo. De modo prático, o valor de temperatura final do HotSpot em função do HS*: é obtido multiplicando o GEO pelo fHS* e somado à temperatura do topo do óleo, onde o GEO é obtido pelas temperaturas médias do óleo e média do enrolamento.

Temperatura final do HotSpot = Topo óleo + (GEO x fHS*)

2.3. Gradiente de temperatura do enrolamento 'x'

Configure o GEO (gradiente de temperatura enrolamento-óleo), definido da seguinte forma:

IEC 60076 / NBR 5356-7: a diferença entre a temperatura média do enrolamento e a temperatura média do óleo, após a estabilização termodinâmica do transformador em carga nominal.
NBR 5416 / IEEE C57.91-1995: a elevação da temperatura média do enrolamento em relação a temperatura do topo do óleo, após a estabilização termodinâmica do transformador em carga nominal.

Este parâmetro é geralmente obtido pelo fabricante do transformador/reator nos ensaios de aquecimento ou por cálculo.

A NBR mais recente 5356-7 segue a IEC 60076-7 com a utilização das temperaturas do óleo médio e enrolamento médio para GEO.

2.4. Expoente de elevação de temperatura do enrolamento 'x'

Expoente usado no cálculo de elevação de temperatura do enrolamento em função das perdas no cobre, definida pelo tipo de circulação de óleo do transformador.

A seleção de valor é flexível, destacando-se, porém, alguns números notáveis:

2.5. Corrente nominal do enrolamento 'x'

Corrente nominal no enrolamento do transformador, no qual está sendo determinada a temperatura. Verificar correspondência e relação do TC com o enrolamento, podem ocorrer diferenças entre eles.

2.6. Multigradiente

Quando o ensaio trouxer resultados de mais de um estágio de resfriamento e o equipamento possuir a função de multigradiente, pode-se parametrizar os gradientes de cada estágio. Caso seja fornecido somente o gradiente do último estágio, utiliza-se os valores relativos à potência nominal para o tap de maior corrente.

Caso na parametrização permita um valor de GEO e não vários, utilizar os valores da última etapa de resfriamento.

2.7. Determinação dos Parâmetros

A seguir é apresentado como determinar os valores de parâmetros de GEO, HS, Corrente CNT, CNS, Relação de Corrente e Expoente de Resfriamento. Os exemplos utilizados foram extraídos de casos reais (fotos, projetos) e utilizando fabricantes diferentes para abranger maior número de exemplos e situações.

Importante observar nas informações de projeto, placa e ensaios, em qual norma foi baseado a construção e ensaios do transformador. Essa informação é utilizada como referência para parametrização. No exemplo abaixo, foi utilizada a norma NBR 5356.

2.8. Corrente nominal do transformador - CNT

Valor de corrente do enrolamento monitorado. Na parametrização dos IEDs Treetech é recomendada a utilização da maior corrente quando o transformador possuir CDC.

Na placa do transformador são indicadas as correntes nominais de H, X e Y, devendo-se considerar na máxima potência. Em alguns casos são disponíveis TC para leitura do enrolamento, porém não são indicados os valores das correntes, devendo-se realizar o cálculo para determinação do CNT.

Exemplo 1: Verificar indicação em amperes (A), caso seja necessária indicação em kA, dividir o valor por 1000 (k = 1000).

Potência máx.ONAF = 15 MVA, Alta Tensão = 138 kV, Corrente nominal = 62,76 A ou 0,0627 kA
Potência máx.ONAF = 15 MVA, Baixa Tensão = 13,8 kV, Corrente nominal = 627,6 A ou 0,6276 kA

Exemplo 2: Exemplo para trafos com comutador (CDC). Utilizar a maior corrente entre os TAPs no parâmetro do IED.

Corrente = 66,06 A ou 0,066 kA.

Exemplo 3:

a) Trafo com enrolamento comum onde possui TC para leitura, porém o enrolamento monitorado não possui indicação do valor de corrente em placa.

Conforme figura, as correntes são compartilhadas entre os enrolamentos H1 e X1. Para determinar a corrente em H0X0, devemos subtrair as correntes H1-H0X0 e X1-H0X0, considerando a maior diferença, ou seja, menor corrente do TAP de H.

No TAP 1 de H temos a menor corrente = 1500A e em X = 1968A.

Assim temos em H0X0: 1968 – 1500 = 468A. Note que o TC8 de imagem térmica é próximo (700-2,5A) e acima do valor da corrente de H0X0.

b) No exemplo a seguir não existe TC para leitura em H0X0.

Conforme figura, as correntes são compartilhadas entre os enrolamentos H1, X1 e H0X0. Para determinar a corrente em H0X0, devemos subtrair as correntes H1-H0X0 e X1-H0X0, considerando a maior diferença para medição, ou seja, menor corrente do TAP de H.

No TAP 1 de H temos a menor corrente = 1005,5A e em X = 2409A.

Assim temos: 2409 – 1005 = 1404A.

2.9. Relação do TC de Imagem Térmica

Relação entre a corrente do primário e secundário do TC utilizado.

Relação do TC de Imagem Térmica: (364-2A), ou seja, 364A para 2A = 364/2 = 182.

2.10. Corrente secundária do TC - CNS

É a corrente lida em amperes (A) no secundário do TC do trafo. Na placa do transformador são indicadas as correntes do primário e secundário dos TCs, indicando sua relação de transformação. Após determinar a corrente do transformador - CNT, utilizar o valor obtido e dividir pela relação do TC. Verificar indicação em amperes (A).

No exemplo a seguir é utilizada a corrente máxima na máxima potência. Note que neste caso são reservados TCs para imagem térmica e seu primário é compatível com o valor de corrente a ser lida.

Corrente do trafo CNT= 367A.

Relação do TC de Imagem Térmica: (364-2A), ou seja, 364A para 2A = 364/2 = 182.

CNS = valor de CNT utilizado dividido pela relação do TC: 367A/182 = 2,01A.

⚠ Aviso

Em alguns casos os TCs poderão ter disponíveis mais de um terminal de saída. Abaixo um exemplo de trafo com TCs de relações 800/1 (term. S1-S3) e 400/1 (term. S1-S2). Verificar qual está sendo utilizado para inserir o CNS corretamente.

2.11. GEO - Gradiente enrolamento/óleo

Nos ensaios de elevações de temperatura, poderão ser apresentadas as diferenças de temperatura do enrolamento em relação à ambiente e ao óleo. O GEO utilizado para enrolamento/topo óleo quando não indicado, subentende-se que é o mesmo utilizado para enrolamento médio/óleo médio.

Cada fabricante apresenta os dados de uma forma, importante observar todas as informações antes da extração dos dados de GEO. Abordaremos alguns tipos para facilitar a compreensão.

Exemplo 1: Nota-se que foi realizado na etapa ONAN, logo deve-se observar se existem outras etapas de resfriamento ou somente essa. Caso exista(m) outra(s), elas deverão ser utilizadas. Caso na parametrização permita um valor de GEO e não vários, utilizar os valores da última etapa de resfriamento.

Este gráfico acima apresenta de forma resumida os valores de topos e médios do óleo e enrolamento, com o respectivo HotSpot. Utilizar o GEO conforme a norma adotada.

Exemplo 2: Neste caso foram apresentados os valores em uma tabela. Interpretar os GEOs correspondentes ao topo e médio.

Exemplo 3: Resultados dispostos em tabelas com valores de topo e HotSpot.

GEO óleo médio-enr. médio: Elev.Enr médio. - Elev.Óleo médio. = 46,5 – 22,2 = 24,3°C.

GEO topo óleo-topo enr.: Elev.Enr topo. - Elev.Óleo topo. = adotar mesmo GEO do médio.

GEO topo óleo-enr médio: Elev.Enr médio - Elev.Topo Óleo = 46,5 – 39,4 = 7,1°C.

Exemplo 4: Resultados do ensaio dispostos em tabelas com valores de topo e médio.

Foram fornecidos dois valores de GEO que podem ser utilizados conforme cada tipo de normas citadas para valores de GEO e HS complementares.

Topo do óleo/enr.médio (NBR5416/IEEE C57.91-1995): 10,21°C.

Óleo médio/enr. médio (NBR5356-7/IEC 60076-7): 19,71°C.

Abaixo segue o preenchimento dos parâmetros realizados pelo fabricante, considerando o topo do óleo e enrolamento médio (NBR5416/IEEE C57.91-1995).

2.12. Hotspot - fator HS+ e HS*

Após determinar os valores de GEO, encontrar o valor da temperatura em relação ao ponto mais quente do enrolamento. Mostraremos algumas formas de apresentação dos valores informados pelos fabricantes.

Exemplo 1: Aproveitando o quadro do Item “GEO Exemplo 4”, onde o cliente informa na planilha de dados o valor do HS+ (=15°C destacado em azul). Porém não é fornecido no ensaio de elevação. Trata-se de uma recomendação da norma NBR5416 utilizar 10° ou 15°C para trafos de classe 55° ou 65°C. Repare também que foi utilizada a mesma norma para determinação do GEO, ou seja, considerando o topo óleo e enrolamento médio.

Exemplo 2: Neste ensaio foi disponibilizado segundo a nota 2), valor HS*=1,37. Note que foi utilizado no GEO do enr. médio/óleo médio (NBR5356-7/IEC 60076-7):

Exemplo 3: Neste ensaio temos elevações do topo e média.

Não foi apresentado o ensaio com o valor de HS+ obtidos, o fabricante indicou somar 10°C ao GEO, obtendo-se o HS+ =10 conforme NBR5416. Porém no dado de placa indica utilização da norma NBR5356 na fabricação do trafo!Exemplo 4: Ensaios em inglês, valores diretamente da tabela.

a) Fator HS*=1,35 e GEO=18,4.

b) HS*=1,06 e GEO=18,4.

**2.13. Expoente de Resfriamento (2*M)**

No exemplo a seguir é apresentado um autotransformador com resfriamento ONAN/ONAF/ONAF.

Conforme tabela apresentada no item “Expoente de elevação de temperatura do enrolamento”, na norma IEC e NBR 5356, o valor seria 1,6 para trafos de distribuição e 1,3 para médio e grande porte.

Caso fossem utilizadas as normas NBR 5416 ou IEEE, o valor seria 1,6 para ONAF.

3. Referências

TMV - Monitor de Temperatura e Regulador de Tensão TMV – Monitor de Temperatura e Regulador de Tensão | Treetech

SDV – Smart Device para Regulação de Tensão SDV – Smart Device para Regulação de Tensão | Treetech

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5356-7: Transformadores de potência Parte 7: Guia de carregamento para transformadores imersos em líquido isolante. Rio de Janeiro. 2017.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5416: Aplicação de cargas em transformadores de potência - Procedimento. Rio de Janeiro. 1997.

INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. IEC 60076-7: Power transformers - Part 7: Loading guide for mineiral-oil-immersed power transformers. Geneva (Switzerland). 2018.

INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE C57.91: Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step-Voltage Regulators. New York (USA).  2012.