Sumário

• Sumário
• Introdução
• Processos de transferência de calor
• Comportamento térmico durante o resfriamento forçado
• Tipos de resfriamento
• Referências

Introdução

Os transformadores em operação geram internamente uma grande quantidade de calor que necessita ser levado ao meio externo, a fim de não prejudicar a qualidade da isolação dos enrolamentos. Além do óleo que tem a função de transferir o calor para ambiente externo é utilizado o sistema de resfriamento que pode ser composta por bombas e/ou ventiladores para acelerar de maneira forçada a dissipação de calor.

Fonte: Comikap Tecnologia comercial

Processos de transferência de calor

O calor que é gerado no transformador quando em operação é resultado das perdas ôhmicas nos fios dos enrolamentos (efeito jaule), das perdas por histerese e perdas por correntes parasita (Foucault). O calor assim gerado é transferido ao meio de resfriamento interno, que é o óleo isolante, que em contato com as paredes do tanque ou por meio dos radiadores é conduzido ao meio ambiente. Os processos de transferência de calor, tanto interna como externamente, são realizados através das seguintes formas:

• Condução: propagação através de contato físico entre sólidos;
• Radiação: propagação por meio de ondas eletromagnéticas;
• Convecção: propagação por meio de correntes convectivas em fluidos (liquido ou gasoso).

Fonte: UFPR Física

As transferências de calor por condução e radiação não contribuem significativamente e podem ser desprezadas para fins práticos. O processo de convecção é basicamente responsável tanto pela transferência de calor do núcleo para o óleo como do tanque para o meio ambiente. No entanto, a transferência de calor do óleo à carcaça do transformador é feito por condução. O processo de transferência de calor por convecção pode ser feito por duas formas diferentes:

Convecção natural

Como sugere o nome, esse processo resfria o transformador naturalmente. Quando a massa de óleo quente atinge a parte superior do transformador, o óleo inicia o caminho de retorno através dos radiadores, cedendo calor ao meio externo, essa massa de ar aquecida pelo transformador movimenta-se para cima sendo substituída por uma massa de ar mais frio que, ao ser aquecida, circula como a anterior, num processo lento e contínuo.

Convecção forçada

• Por ventilação: esse processo utiliza motores acoplados a ventiladores que aceleram a movimentação das massas de ar quente, que são substituídas por massas de ar frio, em um processo rápido e continuo. A convecção forçada é muito usada em transformadores de potência, principalmente em transformadores com tensão nominal de 69 kV e acima;
• Por bomba de óleo na configuração OF: o processo em óleo forçado (OF) utiliza bombas hidráulicas instalada entre o tanque e o radiador do transformador para acelerar a circulação de calor. O óleo que sai da bomba circula paralelamente por dentro e por fora do enrolamento, mas a maior circulação de óleo ocorre por fora do enrolamento, de forma que dentro deles a refrigeração ocorra apenas por convecção natural, apresentando temperaturas mais elevadas. Com tudo, no topo do transformador ocorre uma mistura do óleo quente que vem de dentro dos enrolamentos e do óleo frio que vem da bomba e circula por fora deles;
• Por bomba de óleo na configuração OD: no processo em óleo dirigido (OD), além de utilizar bombas hidráulicas esse processo é acompanhado de estruturas internas que direcionam o óleo bombeado diretamente para dentro dos enrolamentos evitando que ele se disperse por outras regiões dentro do tanque. Esse processo garante que todo calor do enrolamento esteja constantemente sendo absorvido e transferido para o óleo. Apesar de apresentar grande eficiência sua desvantagem está em seu custo de fabricação, a complexidade de montagem da estrutura interna que faz o direcionamento do óleo e o risco de falha da mesma, já que é feita em papel e pode sofrer deformações ao longo da operação.

Observação: se a bomba de óleo tanto na configuração OD quanto na OF falhar, a circulação de óleo pelos radiadores será interrompida, e o transformador não será capaz de perder calor rapidamente mesmo por convecção natural.

Comportamento térmico durante o resfriamento forçado

O gráfico a seguir apresentada valores da atividade térmica de um transformador durante um período de 4 dias (do dia 23 até 27/02/2023).

Fonte: Autoria própria

Legenda:

• RF: resfriamento forçado
• ER: Estágio de resfriamento
• Enr: Enrolamento

Ao observar os valores registrados do dia 23 até o dia 25 do gráfico é possível notar que o sistema de resfriamento não permitiu que a temperatura do enrolamento se elevasse após atingir 65 °C (Valor de acionamento dos ventiladores) fazendo que a temperatura se estabeleça e retorne para um valor de 60 °C.

Tipos de resfriamento

Na placa de identificação de transformadores é possível consultar o tipo de resfriamento que o equipamento possui. Essa informação é dada através das siglas de quatro letras com os seguintes significados:

ONAN (Óleo Natural, Ar Natural) - Circulação natural do óleo e resfriamento natural do ar.

Fonte: Autoria própria

OFAN (Óleo Forçado, Ar Natural) - Circulação forçada do óleo e resfriamento natural do ar.

Fonte: Autoria própria

ODAN (Óleo Dirigido, Ar Natural) - Circulação dirigida do óleo e resfriamento natural do ar.

Fonte: Autoria própria

ONAF (Óleo Natural, Ar Forçado) - Circulação natural do óleo e ventilação forçada.

Fonte: Autoria própria

OFAF (Óleo Forçado, Ar Forçado) - Óleo com circulação forçada e ventilação forçada.

Fonte: Autoria própria

OFWF (Óleo Forçado, Água (Water) Forçada) - Óleo com circulação forçada e resfriamento a água forçada. 

Fonte: Autoria própria

ODWF (Óleo Dirigido, Água (Water) Forçada) - Circulação dirigida do óleo  e resfriamento a água forçada.

Fonte: Autoria própria

Referências

Filho, João M. Manual de Equipamentos Elétricos. Disponível em: Minha Biblioteca, (5ª edição). Grupo GEN, 2019. Acessado em: 29/08/23

Ventilação Forçada para Transformadores a óleo. Comikap Tecnologia Comercial. Disponível em:< https://www.comkap.net/produtos/c/8/16/ventilacao-forcada-para-transformadores-a-oleo > Acessado em 31/08/2023

Mecanismo de transferência de calor. UFPR Física. Disponível em: < https://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2/cap2-9.html > Acessado em: 29/08/2023

L.H. Medeiros, M.M. Oliveira, A.M. Kaminski Jr., P. O Bacin, RC Beltrame, C.E.G. Falcão, V.C. Bender, TB Marchesan, J.B. Ferreira Neto, S.M. Guilherme, L.P. endro. Análise do Comportamento Térmico de um Transformador de Potência Através do Uso de Sensoriamento por Fibras Ópticas, Sociedade brasileira de Automática (SBA) IX Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos - SBSE 2022, v. 2, p. 167-173, nov. 2022. Disponível em: < https://www.sba.org.br/open_journal_systems/index.php/sbse/article/view/2900 > Acessado em: 31/08/2023