Uma visão global do presente e do futuro da tecnologia de transformadores de potência

Autor: Dr. Diego Robalino

A energia elétrica, um componente fundamental da vida humana atual, ainda não está disponível para todas as sociedades. A necessidade de crescimento tecnológico para garantir o fornecimento seguro e confiável de energia é tema de discussões em todo o mundo, mas também há grandes preocupações com as mudanças climáticas e o efeito do aquecimento global. Certamente, é quase impossível prever um equilíbrio perfeito entre o crescimento tecnológico e a proteção ambiental, mas todos os envolvidos na geração, transmissão, distribuição e consumo de energia têm um papel ativo a desempenhar para tornar a vida o mais sustentável possível. O efeito líquido da eletrificação depende principalmente dos avanços futuros no custo e na eficiência das tecnologias de uso final de energia elétrica e de seu impacto social.

A confiabilidade dos sistemas de energia é outra preocupação global. A Corporação Norte-Americana de Confiabilidade Elétrica (NERC) define um sistema de energia a granel confiável como aquele que é "capaz de atender às necessidades de eletricidade dos clientes finais mesmo quando falhas inesperadas de equipamentos ou outros fatores reduzem a quantidade de eletricidade disponível". A NERC se baseia em um conjunto de políticas criadas para dar suporte à operação adequada da rede para manter um equilíbrio constante entre a oferta e a demanda, bem como a segurança para responder e resistir a distúrbios repentinos e inesperados ou à perda imprevista de elementos do sistema devido a causas naturais, bem como a distúrbios causados por ataques físicos ou cibernéticos provocados pelo homem.

A rede elétrica não deve ser apenas confiável, mas também segura e eficiente. A rede está evoluindo para oferecer um futuro energético mais resiliente e mais limpo, no qual os métodos de geração e distribuição de energia mudam e, portanto, o projeto e a fabricação de ativos elétricos evoluem para atender à demanda tecnológica atual, reduzindo assim as perdas e melhorando o desempenho. A pesquisa e o desenvolvimento, os testes e a cooperação global são necessários para incentivar a avaliação e a adoção de novos projetos, tecnologias e abordagens que apoiem essa evolução contínua.

Tecnologia de transformadores de potência e distribuição

Nos Estados Unidos da América, o Office of Electricity gerencia o programa Transformer Resilience and Advanced Components (TRAC) para acelerar a modernização da rede, enfrentando desafios com grandes transformadores de energia e outros equipamentos essenciais da rede. Os leitores interessados devem acessar o site do Office of Electricity para obter mais informações.

O programa TRAC cuida de esforços coordenados para aumentar a eficiência energética, melhorar as operações, aprimorar a utilização e o gerenciamento de ativos, aumentar a resiliência do sistema e apoiar o aumento da fabricação nacional.

O TRAC prevê que os transformadores de potência sejam flexíveis e adaptáveis para aplicações avançadas na futura rede elétrica. Os objetivos incluem, mas não estão limitados a:

• Custo comparável ao das unidades convencionais
• Eficiência > 99% em todos os níveis de carga
• 25 % de redução de tamanho/peso
• Faixa de impedância controlável de 5 a 21%

Um transformador flexível pode se adaptar a uma variedade de relações de tensão e níveis de impedância, o que reduz os tempos e os custos de fabricação em comparação com os transformadores atuais. Um benefício importante é que os transformadores flexíveis estarão disponíveis para substituir transformadores danificados em dias, em vez de meses, como acontece atualmente.

O Departamento de Energia dos EUA (DOE) regulamenta o nível de eficiência energética dos transformadores de distribuição de baixa tensão do tipo seco desde 2007 e emitiu uma nova norma sobre os níveis de eficiência dos transformadores de distribuição de baixa tensão do tipo seco. Os novos níveis de eficiência, que entraram em vigor em 1º de janeiro de 2016, são comumente chamados de níveis de eficiência DOE 2016. Devido às novas regulamentações, os fabricantes tiveram que reprojetar seus produtos para aumentar a eficiência.

Em 14 de setembro de 2021, um novo Registro Federal foi publicado pelo DOE: 10 CFR Parte 431 "Programa de conservação de energia: procedimento de teste para transformadores de distribuição”. Esse registro relata as análises técnicas e os resultados que apoiam a avaliação das normas de conservação de energia para transformadores de distribuição. As alterações nos procedimentos de teste estão alinhadas com as alterações nos padrões IEEE atualizados, incluindo C57.12.00-2015; C57.12.01-2020; C57.12.90-2015; C57.12.91-2020.
 

População sem acesso à eletricidade (fonte: IEA [1])

A eficiência do transformador não é apenas um tópico atual na região da América do Norte. Em julho de 2015, o padrão mínimo de desempenho energético produzido pelo CENELEC (Comitê Europeu de Normalização Eletrotécnica) especificou as perdas máximas tanto para o núcleo quanto para os enrolamentos dos transformadores de distribuição e a eficiência mínima de pico para os transformadores de potência.

Os aumentos na eficiência do transformador de distribuição baseiam-se em uma redução das perdas, que são de dois tipos principais: perdas sem carga e perdas sob carga. As perdas sem carga ocorrem principalmente no núcleo do transformador e, por esse motivo, os termos "perda sem carga" e "perda no núcleo" às vezes são trocados. A "perda sob carga" ocorre principalmente nos enrolamentos. As medidas tomadas para reduzir um tipo de perda geralmente aumentam o outro tipo. Alguns exemplos de opções para melhorar a eficiência incluem: aços de núcleo elétrico de grau superior, diferentes tipos e materiais de condutores e ajustes nas configurações de núcleo e bobina.

As mudanças no projeto e na construção não são fáceis de implementar. Por exemplo, o uso de aço amorfo apresenta uma série de desafios. Primeiro, há poucos fornecedores: apenas um nos EUA, com produção internacional na China, Japão, Alemanha e Coreia do Sul. Em segundo lugar, o custo por libra de aço elétrico amorfo é aproximadamente 1,5 vez maior do que o de um aço elétrico típico de grão orientado M3. Como resultado, os núcleos amorfos têm uma penetração muito pequena no mercado atual, com o aço de grão orientado predominando na fabricação de transformadores de distribuição.

A aplicação dos transformadores de distribuição varia significativamente de acordo com o tipo – imerso em líquido ou seco – e a propriedade. As concessionárias de energia elétrica possuem aproximadamente 95% dos transformadores de distribuição imersos em líquido, enquanto as entidades comerciais/industriais usam principalmente transformadores secos.
 

O mercado de energia renovável

O National Renewable Energy Laboratory (NREL) fornece uma análise das oportunidades de integração da rede, dos desafios e das implicações da geração de eletricidade renovável para o sistema elétrico dos EUA. Os relatórios do NREL apontam para os principais fatores nas previsões de consumo de energia, que incluem: 

• A eletrificação de veículos domina o crescimento incremental na demanda anual de eletricidade, com o veículo elétrico médio sendo dirigido por 12 a 14 mil milhas por ano
• Adição de energia solar fotovoltaica, fornecendo energia para edifícios comerciais e residenciais, bem como para sistemas de transporte
• As mudanças no clima global tendem a aumentar o uso de ar-condicionado e aquecimento de ambientes

Conforme relatado no World Energy Outlook 2021 publicado pela Agência Internacional de Energia (IEA [1]), uma nova economia de energia está surgindo. Não está muito claro como o processo emergente vai evoluir, mas ele será diferente em muitos aspectos. As vendas de veículos elétricos e fotovoltaicos atingiram novos recordes em 2020. Alguns dos estudos apresentados no Comitê de Transformadores do IEEE mostram que o carregamento provavelmente aumentará entre 10 e 40%. Portanto, é importante considerar um cenário em que a carga equivalente média esteja próxima de 50% da capacidade da placa de identificação do transformador, mas a carga de pico pode exceder 100% dessa capacidade. Uma maneira de lidar com esse possível aumento de carga é adotar um sistema de isolamento aprimorado que consiste em fluidos ésteres naturais ou sintéticos usados em conjunto com papel kraft termicamente aprimorado.

Para essa evolução da rede elétrica e a integração de fontes renováveis, geração distribuída e microrredes, os desenvolvimentos na eletrônica de potência estão criando a possibilidade de transformadores de estado sólido (SSTs). Eles prometem gerenciar o fluxo altamente variável e bidirecional de eletricidade entre, por exemplo, uma microrrede e a rede principal. Os SSTs podem ser significativamente menores do que um transformador convencional equivalente, com cerca de metade do peso e um terço do volume, mas há limitações relacionadas ao custo e aos níveis de tensão. Pode-se esperar que pesquisas futuras revelem mais sobre os SSTs.

Tecnologias aprimoradas de teste e diagnóstico

De tempos em tempos, surge uma nova terminologia que pode parecer bastante assustadora. Por exemplo, transformadores de potência digitalizados. Nesse contexto, a digitalização implica que os sensores são incorporados ao transformador de potência para monitorar continuamente seu desempenho ou condição. Os sensores podem suportar a análise de gás dissolvido (DGA), a medição de temperatura e umidade, o controle de resfriamento do perfil de carga e muito mais. Os objetivos são facilitar o gerenciamento preditivo de ativos, minimizar perdas e aumentar a eficiência.

A vida útil de um transformador de potência é, na realidade, a vida útil de seu sistema de isolamento. Devido ao seu preço acessível e às suas propriedades benéficas, os materiais à base de celulose são, de longe, o tipo mais comum de isolamento sólido usado em transformadores de potência, muitas vezes usado em conjunto com fluidos isolantes. Feitos de celulose pura, esses materiais têm excelentes características elétricas e de impregnação de óleo, além de boas propriedades mecânicas.

Em relação aos materiais de isolamento, os objetivos de pesquisa estabelecidos por grupos como o TRAC incluem:

• Resistência dielétrica > 300 V/mil
• Ângulo de perda dielétrica (tan delta) < 0,05% a 60 Hz
• Propriedades aprimoradas do material que permanecem estáveis durante a vida útil dos ativos (20 a 40 anos)
• Resistência à temperatura > 130 ºC em operação contínua

Os testes são fundamentais. Mais materiais estão agora no pipeline de pesquisa e desenvolvimento e seu comportamento deve ser bem compreendido, não apenas pelos pesquisadores, mas também pelos usuários finais. Nas últimas duas décadas, ouvimos falar mais sobre o uso de fluidos ésteres em transformadores de potência e distribuição. Os transformadores com isolamento sólido imerso em óleo mineral representam o maior risco de segurança contra incêndios em subestações elétricas. No entanto, os líquidos ésteres apresentam menos risco de incêndio do que os óleos minerais, pois não só têm pontos de fulgor e de incêndio mais altos, mas também um valor calorífico líquido mais baixo. Ao usar um fluido menos inflamável do que o óleo tradicional como refrigerante e isolante dielétrico, os riscos associados a possíveis incêndios em transformadores são significativamente reduzidos.

Além disso, os fluidos de ésteres sintéticos e naturais são facilmente biodegradáveis, apresentam toxicidade oral muito baixa e não são classificados como tóxicos para a vida aquática. Esses fatores podem permitir o uso mais fácil em instalações em ambientes sensíveis, como áreas de captação de água e parques eólicos offshore.

Com relação ao isolamento sólido, os transformadores de alta temperatura já são bastante comuns em todo o mundo. O isolamento de alta temperatura, incluindo esmalte e envoltório de fita para condutores, espaçadores de enrolamento e materiais de suporte mecânico, é comumente usado em transformadores móveis, de locomotivas e retificadores. Essas aplicações se beneficiam do peso mais leve, da maior confiabilidade e da vida útil mais longa oferecida pelo uso de materiais de alta temperatura. Por muitos anos, esses materiais também permitiram que os fabricantes fornecessem soluções para aplicações de reparo e transformadores móveis.

Os transformadores de alta temperatura para aplicações de tração são produzidos há muitos anos, mas, mais recentemente, essa tecnologia tem se tornado cada vez mais comum em transformadores de distribuição do tipo poste e transformadores de turbinas eólicas. Recomenda-se que os interessados no uso de materiais isolantes de alta temperatura em transformadores de potência leiam a IEC 60076-14.

Resumo

A demanda nas economias emergentes e em desenvolvimento permanece na trajetória de crescimento que foi retomada no segundo semestre de 2020, e é provável que a forte recuperação econômica projetada para a China e a Índia acelere ainda mais essa trajetória. Isso significa que a confiabilidade do fornecimento e a acessibilidade da eletricidade devem se tornar ainda mais críticas em todos os aspectos da vida das pessoas.

A energia solar fotovoltaica (PV) e a energia eólica já representam fontes de geração de eletricidade novas e em rápida evolução. O mercado de energia renovável, se seguir o plano para o cenário de emissões líquidas zero (NZE) de 2050, será muito maior do que o atual setor de petróleo.

A digitalização, o monitoramento e o controle do desempenho do transformador estão se tornando mais disponíveis e acessíveis. A manutenção preditiva baseada em algoritmos avançados de processamento de dados está progredindo com entusiasmo e a principal preocupação não é mais como lidar com o volume de dados envolvidos, mas como ter confiança na qualidade dos dados.

A introdução de novos tipos de fluidos isolantes ajudará no desenvolvimento de transformadores para atender aos requisitos futuros, mas também pode ser um desafio para o setor de transformadores quando o comportamento dos novos fluidos não é totalmente compreendido. O desempenho de um fluido isolante é altamente dependente de sua química e os fluidos isolantes alternativos, como os ésteres, comportam-se de forma diferente do conhecido óleo mineral.

Quaisquer que sejam os desafios, no entanto, e independentemente da evolução da rede elétrica, uma coisa é certa: os transformadores de potência continuarão a desempenhar um papel crucial na transmissão e distribuição nos próximos anos. Como vimos, embora os transformadores estejam conosco há quase um século e meio, o progresso em seu projeto e construção continua acelerado, o que significa que o futuro certamente trará desenvolvimentos interessantes e empolgantes.
 

Referências

[1] IEA, Population without access to electricity in the Stated Policies and Net Zero by 2050 scenarios, 2000-2030, IEA, Paris https://www. iea.org/data-and-statistics/charts/population-without-access-to-electricity-in-the-stated-policies-and-net-zero-by-2050-scenarios-2000-2030