Ao selecionar um transformador de potência, o isolamento é muitas vezes discutido como se fosse um único parâmetro. Na realidade, o projeto de isolamento do transformador envolvedois aspectos fundamentalmente diferentes: desempenho de isolamento térmico e resistência de isolamento dielétrico.

O lado térmico determina como o sistema de isolamento suporta a temperatura de funcionamento, aumento da temperatura, temperatura do ponto quente e envelhecimento térmico. O lado dielétrico determina se o transformador pode suportar tensão de potência-frequência, impulso de relâmpago e outras sobretensões transitórias.

Portanto,classe térmica e nível de isolamento dielétrico devem ser selecionados separadamenteConfundir esses dois conceitos pode levar a especificações do transformador incorretas, custos desnecessários ou coordenação de isolamento inadequada.

1. O que é a classe de isolamento do transformador?

Os termosClasses A, E, B, F e Hsão comumente usados para descrever a classificação térmica de sistemas de isolamento elétrico ou materiais isolantes.

IEC 60085 estabelece critérios para avaliar a resistência térmica de materiais isolantes elétricos e sistemas de isolamento elétrico e atribuir classes térmicas. Importante, a norma distingue entre a classificação térmica de materiais de isolamento e a de sistemas de isolamento completos. ([IEC Webstore][1])

As classes térmicas de referência típicas incluem:

Essas temperaturas devemnãoser interpretado como limites de ponto quente de enrolamento universal do transformador.

Um fabricante de transformadores deve avaliar o sistema de isolamento completo, o projeto de aumento de temperatura, a disposição de refrigeração, as condições de carga e o padrão aplicável do transformador antes de determinar a temperatura de funcionamento permitida.

Classe térmica não iguala aumento de temperatura

Essa distinção é essencial.

Por exemplo:

Classe F Aumentoda temperatura de 100 K

e

Classe H Aumentoda temperatura de 125 K

A classe térmica descreve a resistência térmica do sistema de isolamento ou do material. Os limites de aumento da temperatura do transformador são especificados separadamente de acordo com o projeto do transformador, a norma aplicável e as condições de funcionamento.

Para transformadores imersos em líquido, o IEC 60076-2 aborda especificamente os requisitos de aumento de temperatura e os testes de aumento de temperatura. ([IEC Webstore][2])

2. Classe térmica vs nível de isolamento dielétrico

Este é o conceito mais importante na seleção de isolamento do transformador.

Por conseguinte:

A classe térmica determina a resistência térmica do sistema de isolamento, enquanto o nível de isolamento dielétrico determina a capacidade do isolamento do transformador de suportar tensões elétricas.

Aumentar a tensão nominal do transformador não significa automaticamente que a classe térmica deve ser aumentada.

Por exemplo, um transformador de potência imerso em óleo de alta tensão pode usar um sistema de isolamento convencional baseado em celulose, enquanto tem um nível de isolamento dielétrico muito maior do que um transformador de tipo seco de baixa tensão.

São duas dimensões de design independentes.

3. Como selecionar a classe térmica do transformador

A seleção correta de classe térmica deve começar com as condições reais de funcionamento em vez de simplesmente escolher uma classe superior.

Um processo de seleção prática pode ser dividido em cinco etapas.

Passo 1: Identifique o tipo de transformador e o sistema de isolamento

Primeiro, determine se o transformador é:

• Imerso em óleo mineral

• Ester-preenchido

• Tipo seco de resina fundida

• Tipo seco isolado ao ar

• Outro design especializado

O sistema de isolamento deve então ser avaliado como um sistema completo em vez do nome de um material isolante.

Transformadores imersos em óleo

Os transformadores convencionais imersos em óleo mineral geralmente usam sistemas de isolamento à base de celulose. Papel térmicamente atualizado e outras tecnologias de isolamento de alta temperatura também podem ser usadas quando o projeto requer um melhor desempenho térmico.

Para transformadores que usam materiais de isolamento de alta temperatura, o IEC 60076-14 aborda especificamente considerações de projeto, teste e carga. ([IEC Webstore][2])

Portanto, é melhor especificar osistema de isolamento completo e seu desempenho térmicoEm vez de simplesmente dizer que um transformador de óleo é “Classe A”.

Transformadores de tipo seco

Os sistemas de isolamento Classe F e Classe H são amplamente utilizados em transformadores modernos de tipo seco.

A escolha adequada depende de:

• Temperatura ambiente

• Carregar perfil

• Condições de refrigeração

• Aumento de temperatura necessário

• Requisitos de sobrecarga

• Construção de sistemas de isolamento

• Ambiente de instalação

As normas IEEE também distinguem os requisitos de transformador de tipo seco e testes dos requisitos de transformador imerso em líquido. ([IEEE Xplore][3])

4. Considere a temperatura ambiente e o perfil de carga

A temperatura ambiente é um dos fatores mais importantes na seleção do transformador térmico.

Um transformador que funciona continuamente a temperatura ambiente de 45°C tem consideravelmente menos margem térmica do que um que funciona a 25°C, mesmo que ambos tenham a mesma potência nominal.

As seguintes condições devem ser identificadas durante a especificação:

As cargas armônicas merecem atenção especial. Retificadores, acionadores de frequência variável, inversores fotovoltaicos e outras cargas eletrônicas de potência podem produzir correntes não sinusoidais e perdas adicionais de transformadores.

O IEEE C57.110 fornece métodos para avaliar a capacidade do transformador ao fornecer correntes de carga não sinusoidais e aplica-se tanto a transformadores imersos em líquido quanto a transformadores de tipo seco dentro do seu âmbito. ([IEEE Xplore][4])

5. Como avaliar a temperatura do ponto quente de enrolamento

Otemperatura do ponto quente de enrolamentoé mais importante para o envelhecimento térmico do que a temperatura média de enrolamento.

Um conceito de engenharia simplificado é:

Temperatura do ponto quente = temperatura ambiente + componentes relevantes do aumento da temperatura + permissão do ponto quente

No entanto, isso devenãoser tratado como um cálculo universal utilizando um gradiente de ponto quente fixo.

A temperatura real do ponto quente depende de:

• Construção de transformadores

• Geometria de enrolamento

• Distribuição das perdas

• Método de refrigeração

• Nível de carga

• Circulação de óleo ou ar

• Características térmicas do sistema de isolamento

O IEEE tem orientação dedicada para determinar a temperatura do ponto mais quente em aplicações de transformadores de tipo líquido e seco. Por exemplo, o IEEE C57.134 aborda metodologias para determinar a temperatura do ponto mais quente de enrolamento em estado estável em transformadores de tipo seco. ([IEEE Xplore][5])

Para os transformadores imersos em líquido, o projeto de aumento de temperatura deve ser avaliado de acordo com os requisitos aplicáveis e os métodos de ensaio de IEC 60076-2 ou os requisitos IEEE correspondentes.

Uma abordagem de engenharia melhor

Em vez de dizer:

45°C + 115 K + 8 K = 168°C → A Classe H é necessária

A abordagem correta de engenharia é:

Temperatura ambiente máxima → perfil de carga → modelo térmico do transformador → aumento da temperatura de enrolamento → temperatura do ponto quente → capacidade térmica do sistema de isolamento → vida útil necessária

Se a temperatura do ponto quente calculada ou testada for excessiva, as soluções possíveis incluem:

• Aumento da capacidade do transformador

• Redução da carga contínua

• Melhoria do resfriamento

• Redução das perdas

• Otimizar o design de enrolamento

• Escolha de um sistema de isolamento adequado

• Usando tecnologia de isolamento de alta temperatura quando justificado

Portanto,A atualização da Classe F para a Classe H é apenas uma solução possível, não uma exigência automática.

6. Considere envelhecimento térmico e vida útil

O isolamento do transformador se deteriora gradualmente sob tensões térmicas, elétricas e ambientais.

Para muitos sistemas de isolamento convencionais, um aumento de 10°C na temperatura de isolamento é frequentemente usado como umregra do polegarpara ilustrar o envelhecimento térmico acelerado. No entanto, o envelhecimento real do isolamento depende do sistema de isolamento completo e fatores como:

• temperatura

• Umidade

• oxigênio

• Material de isolamento

• Condição do óleo

• Carregar perfil

• Duração de funcionamento

Portanto, o comumente citado “Regra 10°C” deve ser tratada como uma aproximação de engenharia em vez de uma equação universal de vida útil.

Para aplicações que exigem uma longa vida útil, a especificação do transformador deve definir o perfil de carga esperado e as condições de funcionamento em vez de simplesmente exigir uma classe térmica superior.

7. Quando você deve considerar uma classe térmica superior?

Uma classe térmica superior pode ser apropriada quando o transformador está exposto a condições térmicas exigentes.

Os fatores típicos incluem:

Alta temperatura ambiente

Exemplos incluem:

• Instalações no deserto

• Ambientes tropicais

• Salas elétricas mal ventiladas

• Subestações fechadas

• Subestações em contêineres

Sobrecarga frequente

Se for esperado que o transformador opere acima da carga nominal por períodos significativos, o projeto térmico deve ser avaliado de acordo com o perfil de carga real.

Cargas harmônicas

As unidades industriais, retificadores, centros de dados, conversores de energia renovável e outras cargas não lineares podem aumentar as perdas de transformadores e o aquecimento.

Refrigeração limitada

Para transformadores de tipo seco, a ventilação inadequada da sala pode afetar significativamente a temperatura de funcionamento real.

Requisitos operacionais especiais

Mineração, metalurgia, trânsito ferroviário, energia renovável e outras aplicações podem exigir projetos térmicos e de isolamento personalizados.

No entanto, essas condições não significam automaticamente que a Classe H deve ser selecionada. O fabricante deve avaliar primeiro o projeto térmico completo.

8. As condições ambientais não devem ser resolvidas apenas pela classe térmica

Outro erro comum é assumir:

Ambiente duro → Isolamento Classe H

Isso não é necessariamente correto.

Diferentes problemas ambientais exigem medidas de engenharia diferentes.

Por exemplo, a alta umidade pode exigir proteção contra a umidade apropriada e seleção do sistema de isolamento, mas simplesmente mudar da Classe F para a Classe H não resolve automaticamente o problema.

Da mesma forma, a alta altitude afeta tanto o design térmico quanto o dielétrico, por isso deve ser considerado separadamente em vez de ser tratado como uma questão de classe térmica sozinha.

9. Selecione o nível de isolamento dielétrico separadamente

Após o projeto térmico ter sido estabelecido, o nível de isolamento dielétrico do transformador deve ser selecionado separadamente.

O processo básico é:

Tensão do sistema → Tensão mais alta para equipamento (Um) → Coordenação de isolamento → AC resistir → Impulso relâmpago → Impulso de comutação quando aplicável

Para transformadores de média e alta tensão, parâmetros dielétricos importantes podem incluir:

• Tensão de resistência de potência-frequência

• Tensão de resistência ao impulso de relâmpago (LI ou LIWV)

• Tensão de resistência ao impulso de comutação (SI ou SIWV), se aplicável

• Coordenação de isolamento interno

• Autorizações externas

• Distâncias de rastreamento

IEC 60076-3 cobre especificamente níveis de isolamento de transformadores, testes dielétricos e clearances externas relacionadas. Portanto, é uma referência muito mais precisa para esta parte da especificação do transformador do que simplesmente citar a série geral IEC 60076.

Considerações típicas de aplicação

Conexão overhead-line

A coordenação do isolamento por impulso de raio é particularmente importante devido à exposição a sobretensões atmosféricas.

Transformador conectado por cabo

O ambiente de sobretensão é diferente de uma conexão aérea e deve ser avaliado com base na configuração real da rede.

Transformador ligado ao GIS

Fenômenos transitórios rápidos e a interface GIS-transformador real podem exigir consideração adicional.

O ponto importante é:

A classe térmica do transformador não deve ser usada como um substituto para a coordenação do isolamento dielétrico.

10. O projeto térmico e o projeto dielétrico devem ser verificados separadamente

Uma especificação de transformador bem concebida deve, portanto, conter duas seções independentes.

Esta separação torna a especificação técnica muito mais clara e reduz o risco de escolher um sistema de isolamento baseado apenas na classe de tensão ou temperatura.

11. Testes de isolamento do transformador e verificação

O programa de teste também deve ser dividido em verificação térmica e dielétrica.

Verificação térmica

Dependendo do tipo de transformador e da norma aplicável, isso pode incluir:

• Ensaio de aumento da temperatura

• Verificação do aumento da temperatura do enrolamento

• Avaliação da temperatura do ponto quente

• Avaliação da capacidade de carga

Para transformadores imersos em líquido, IEC 60076-2 fornece a estrutura de aumento de temperatura relevante e métodos de teste. ([IEC Webstore][2])

Verificação dielétrica

Dependendo do projeto e da especificação do transformador, os testes podem incluir:

• Teste de tensão aplicado

• Teste de tensão induzida

• Teste de impulso de relâmpago

• Medição de descarga parcial, quando aplicável

• Medições da resistência ao isolamento conforme especificado

Estes testes verificam o desempenho dielétrico e não devem ser confundidos com a verificação de classe térmica.

Para transformadores de tipo seco, o IEEE C57.12.91 fornece métodos de teste para testes especificados pelos padrões aplicáveis de transformadores de tipo seco e especificações do usuário. ([IEEE Xplore][6])

12. Exemplos práticos de seleção de isolamento do transformador

Em vez de usar uma regra simples como “alta temperatura = classe H”, considere a aplicação completa.

Exemplo 1: Transformador de distribuição convencional imerso em óleo

Condições:

• 10/0.4 kV

• Temperatura ambiente dentro das condições padrão especificadas

• Carga estável

• Baixo conteúdo harmônico

• Aplicação de distribuição convencional

Um sistema de isolamento convencional à base de celulose pode ser apropriado. Os limites reais de aumento de temperatura e carga devem ser estabelecidos de acordo com a norma aplicável do transformador e o projeto do fabricante.

Exemplo 2: Transformador de resina fundida interior

Condições:

• 10/0.4 kV

• Edifício comercial

• Temperatura ambiente normal

• Variação moderada da carga

Um sistema de isolamento de classe F pode ser adequado se o projeto térmico completo atender aos requisitos de aumento de temperatura e vida útil necessários.

Exemplo 3: Transformador de tipo seco em uma sala elétrica de alta temperatura

Condições:

• Alta temperatura ambiente

• Ventilação restrita

• Variação significativa da carga

• Equipamento de produção de harmonia

O fabricante deve primeiro calcular o desempenho térmico real. Dependendo da temperatura do ponto quente resultante e da vida útil necessária, a solução pode envolver maior capacidade, refrigeração melhorada, aumento reduzido da temperatura ou um sistema de isolamento de temperatura superior.

Exemplo 4: Transformador de potência de alta tensão

Um transformador de alta tensãonãorequerem automaticamente uma classe térmica superior simplesmente porque sua tensão é maior.

Seu nível de isolamento dielétrico deve ser selecionado de acordo com a tensão do sistema e a coordenação do isolamento, enquanto seu projeto térmico deve ser determinado de forma independente.

Este é um dos princípios mais importantes na seleção de isolamento de transformadores.

13. Erros comuns de seleção do isolamento do transformador

Erro 1: maior tensão significa maior classe térmica

Incorreto.

A tensão afeta principalmente a coordenação do isolamento dielétrico, enquanto a classe térmica se refere à resistência térmica.

Erro 2: Classe H é sempre melhor do que Classe F

Não necessariamente.

Uma classe térmica superior pode ser desnecessária se o transformador já atender aos requisitos de aumento de temperatura, ponto quente e vida útil necessários.

A abordagem correta é selecionar o sistema de isolamento de acordo com as condições reais de funcionamento.

Erro 3: Classe térmica determina diretamente o aumento da temperatura

Incorreto.

A classe térmica e os limites de aumento da temperatura do transformador estão relacionados, mas não são intercambiáveis.

Erro 4: A temperatura média do enrolamento é a mesma que a temperatura do ponto quente

Incorreto.

O ponto quente de enrolamento pode ser significativamente superior à temperatura média de enrolamento, e a temperatura do ponto quente é importante para avaliar o envelhecimento térmico.

Erro 5: Uma classe térmica superior resolve todas as condições ambientais difíceis

Incorreto.

Umidade, poeira, névoa salina, contaminação química e altitude exigem suas próprias considerações de design.

Erro 6: Classe térmica de isolamento determina BIL

Incorreto.

O nível de isolamento de impulso de relâmpago faz parte do projeto de isolamento dielétrico e deve ser selecionado de acordo com a coordenação de isolamento aplicável e o padrão do transformador.

14. Lista de verificação da seleção do isolamento do transformador

Antes de finalizar uma especificação do transformador, verifique o seguinte:

15. Quais padrões devem ser considerados?

Os padrões exatos dependem do tipo de transformador e do mercado-alvo, mas as seguintes são referências importantes ao desenvolver uma especificação internacional de transformador:

IEC 60085 — Avaliação térmica e designação do isolamento elétrico. Estabelece critérios para avaliar a resistência térmica de materiais isolantes elétricos e sistemas de isolamento. ([IEC Webstore][1])

IEC 60076-2Transformadores de potência, Parte 2: Aumento da temperatura para transformadores imersos em líquido. ([IEC Webstore][2])

IEC 60076-3Transformadores de potência, Parte 3: Níveis de isolamento, ensaios dielétricos e margens externas.

IEC 60076-14Transformadores de potência imersos em líquido usando materiais de isolamento de alta temperatura. ([IEC Webstore][2])

Para projetos norte-americanos, as normas IEEE/ANSI aplicáveis devem ser selecionadas de acordo com o tipo de transformador e os requisitos do projeto. Por exemplo, o IEEE C57.12.01 cobre requisitos gerais para distribuição de tipo seco e transformadores de potência, enquanto o IEEE C57.110 aborda a capacidade do transformador com correntes de carga não sinusoidais. ([IEEE Xplore][3])

Conclusão

A seleção precisa do isolamento do transformador nunca deve ser reduzida a simplesmente escolherClasse A, B, F ou H.

Um processo de seleção confiável deve separar duas questões de design independentes:

Projeto térmico

Temperatura ambiente → Load → Refrigeração → Aumento da temperatura → Temperatura do ponto quente → Envelhecimento térmico → Vida útil

e

Projeto dielétrico

Tensão do sistema → Um → Coordenação de isolamento → AC resistir → LI / BIL → SI, quando aplicável

A classe térmica descreve a resistência térmica do sistema de isolamento, enquanto o nível de isolamento dielétrico determina sua capacidade de suportar tensões elétricas. IEC 60085, IEC 60076-2, IEC 60076-3 e IEC 60076-14 abordam diferentes partes deste processo de projeto em vez de fornecer um único "grau de isolamento do transformador" para cada aplicação. ([IEC Webstore][1])

Para os compradores e engenheiros de transformadores, a melhor abordagem não é, portanto, escolher a classe de isolamento mais alta, mas especificar o sistema de isolamento, o desempenho térmico e o nível de isolamento dielétrico de acordo com a tensão real, a carga, o ambiente e as condições de serviço.