Comutador Eletrônico de TAPs Aplicado a um Transformador de

1
Comutador Eletrônico de TAPs Aplicado a um
Transformador de Distribuição Monofásico
L. Schuch, R.C. Beltrame, F.E. Cazakevicius, R.C. Figueiredo, L. Michels, C. Rech, T.B. Marchesan, C.J. Quadros*
Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
Av. Roraima nº 1000 - Cidade Universitária - Camobi - Santa Maria - RS - CEP 97105-900
* Centrais Elétricas de Carazinho S/A – ELETROCAR
Av. Pátria, nº 1351 - Sommer - Carazinho - RS - CEP 99500-000

Abstract — Distribution transformers are applied along to the
power system in order to provide adequate voltage levels to the
final users. However, the voltage regulation is still be a problem
due to the no load tap changer commonly employed to
distribution transformers. The use of no load tap changer is
mainly justified by on load tap changers costs in this power class.
Based on that, this paper presents the review of some electronic
alternatives, studied in the literature, to employ on load
electronic tap changer to distribution transformers. Besides, one
circuit topology is studied and analyzed together with its control
and protection features in order to electronic regulate the voltage
in a single-phase distribution transformer.
Index Terms — Distribution Transformer, electronic tap
changer, voltage regulation,
C
I. INTRODUÇÃO
omutadores de taps (também denominados tap changers)
em transformadores de distribuição são amplamente
empregados nas redes de distribuição. Estes comutadores são
empregados para ajustar a relação de transformação destes
transformadores de modo que os consumidores finais sejam
atendidos com uma tensão de fornecimento adequada às
normas estabelecidas pela ANEEL (Agência Nacional de
Energia Elétrica, Brasil) [1]. Este ajuste, que é realizado pelas
concessionárias de energia, se faz necessário devido as
diferentes características de cada rede, tais como os diferentes
comprimentos de cada alimentador e o nível de carregamento
dos transformadores.
Os comutadores de taps convencionais empregados em
transformadores de distribuição empregam dispositivos
mecânicos de comutação, cujas principais vantagens são a
robustez e custo reduzido. Contudo, estes comutadores apenas
podem ser comutados por uma equipe especializada in loco
com o equipamento desenergizado, o que torna o
procedimento dispendioso financeiramente, além de elevar as
taxas de DEC e FEC a serem atendidas pela concessionária.
Devido a estas características dos comutadores mecânicos,
o procedimento de comutação do tap nestes equipamentos é
raramente realizado. Tal operação somente é realizada quando
há reclamação de uma unidade consumidora ou através da
detecção, pela concessionária de energia elétrica, de níveis de
tensão fora dos padrões determinados pela ANEEL.
Por estes motivos, os comutadores mecânicos de taps não
Este trabalho é financiado pela Centrais Elétricas de Carazinho S/A –
ELETROCAR.
podem ser empregados para melhoria da qualidade de energia
através da regulação dinâmica da tensão de atendimento.
Comutadores de taps que possibilitam a mudança de taps com
o sistema energizado (on load tap changer) baseados em
sistemas eletromecânicos têm sido empregados em média e
alta potência, por exemplo, em transformadores de
subestações. Contudo, devido ao seu elevado custo, estes
sistemas não são empregados em redes de distribuição urbanas
e rurais.
No intuito de prover ao consumidor final uma energia de
qualidade, evitando sub-tensões durante o dia e sobre-tensões
no período noturno, a comutação eletrônica de taps para
transformadores de distribuição tem sido cada vez mais
abordada em diversos trabalhos na literatura [3, 12, 21].
Destaca-se que o problema da regulação de tensão deve
tornar-se cada vez mais crítico, em especial com o advento da
geração distribuída, quando novas fontes geradoras de energia
são conectadas à rede elétrica de distribuição [2].
Comutadores sem partes mecânicas, empregando apenas
chaves eletrônicas, são uma solução recente [5]. Essa
tecnologia pode ser economicamente competitiva com relação
aos sistemas eletromecânicos por apresentar vantagens como a
reduzida manutenção, prolongada vida útil e rápido reparo e
substituição de dispositivos. Além da robustez e tolerância a
transientes, características de um transformador clássico, é
possível obter maior controle e velocidade nas comutações,
melhorando a qualidade da energia entregue à carga. Aliado a
isso, técnicas de controle e de análise da qualidade da energia
elétrica fornecida ao consumidor podem minimizar, ou mesmo
eliminar, a necessidade de intervenção humana no comando
do comutador de taps, reduzindo os custos de operação.
II. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
As principais topologias de comutadores de taps com o
sistema energizado (on load tap changer) encontradas na
literatura para transformadores de distribuição são
apresentadas a seguir:
A. Topologias empregadas em comutadores de taps
1) Comutadores mecânicos assistidos por circuito eletrônico
Buscando minimizar os efeitos do arco elétrico na
comutação dos taps de transformadores, que compromete os
contatos das chaves mecânicas bem como a qualidade de
refrigeração do óleo do transformado, diversos trabalhos
sugerem a substituição dos elementos passivos (resistores e/ou
2
(a)
(b)
Fig. 2 – Comutador de taps proposto [13]. (a) Circuito de desvio. (b) Circuito
auxiliar.
(a)
(b)
Fig. 1 – Comutador de taps proposto por [11]. (a) Circuito proposto. (b)
Comando das chaves bidirecionais em corrente e tensão “A” e “B”.
indutores) empregados nos comutadores mecânicos de taps
por circuitos que contemplam chaves semicondutoras
controladas (IGBTs, GTOs, etc) ou semicontroladas
(Tiristores) [11] conforme Fig. 1. Um comutador de taps
baseado em chaves estáticas deve apresentar alta
confiabilidade, vida-útil equivalente ao comutador mecânico,
fácil manutenção e possibilidade de controle remoto. Além
disso, deve operar com temperatura de 70ºC (temperatura do
transformador) e não apresentar partes móveis [1].
O circuito de assistência baseado em tiristores é conhecido
por circuito de desvio (diverter). Os objetivos são minimizar
as perdas de condução, bem como o arco elétrico observado
no instante da abertura de um tap.
Assim, os tiristores são projetados para conduzir por um
curto período de tempo, apenas durante a comutação do
seletor de taps. Após a conclusão da comutação de um tap
para o seguinte, realizada através dos tiristores, o comutador
assume a corrente de carga, quando os tiristores podem ser
bloqueados na passagem por zero da corrente. Salienta-se que
todo o processo de acionamento/bloqueio dos tiristores deve
ser sincronizado com a comutação do seletor. Um detalhe
acerca da implementação das chaves bidirecionais em corrente
e tensão, bem como do circuito de comando, é representado na
Fig. 1 (b).
De modo semelhante, em [13] é proposto um novo método
para mudança de taps sob carga usando dispositivos de estado
sólido (interruptores a vácuo) e chaves a vácuo, conforme Fig.
2 (a). Este circuito é empregado em conjunto com um
comutador de taps convencional. Ainda, um circuito auxiliar
composto por um transformador, um varistor e uma chave de
estado sólido, conforme representado na Fig. 2 (b), é
necessário para o bloqueio da chave a vácuo VA. Apesar do
processo de comutação demandar alguns segundos, a
utilização deste sistema reduz o tempo com relação ao uso de
taps mecânicos.
Em [4] propõe-se o circuito representado na Fig. 3 onde
são empregados GTOs ou IGBTs, a função de tal circuito é
proporcionar o desvio da corrente de carga enquanto que as
chaves mecânicas (C1 a C3), responsáveis pela seleção dos
taps aplicado a um transformador n taps. Ao final do processo
de comutação, o circuito é desativado, quando se emprega as
chaves mecânicas de by-pass C4 ou C5.
2) Comutadores eletrônicos
Na década de 1980, a disponibilidade de chaves
semicondutoras de baixo custo para aplicações da ordem 40 A
e 800 V, como tiristores e triacs, tornou possível a substituição
dos comutadores mecânicos de taps por circuitos eletrônicos
equivalentes em aplicações de baixas potências (na ordem de
até 10 kVA) [10]. Uma vez que o pico de corrente nãorepetitiva proporcionada por essas chaves semicondutoras é
muito superior (na ordem de 10 vezes, por exemplo) a sua
capacidade de corrente repetitiva, a necessidade de
sobredimensionamento dos semicondutores em função das
sobrecorrentes no momento da comutação dos taps pode ser
eliminada.
Buscando a otimização do projeto de comutadores
eletrônicos de taps segundo critérios definidos a priori (como
redução no número de chaves e custo), em [5] é realizada uma
comparação de diferentes configurações de comutadores
eletrônicos. Sendo necessários 20 degraus de tensão,
proporcionados pela comutação dos taps do transformador,
para altas tensões, ao passo que apenas 4 ou 5 são
demandados para transformadores de distribuição.
A Fig. 4 (a) apresenta a configuração de comutador de taps
mais empregada em transformadores de potência na Europa
[5]. Cabe observar que a bobina principal é seccionada no
centro e cada metade pode ser conectada em série com outros
dois taps através de chaves semicondutoras bidirecionais,
proporcionando um total de 5 degraus de tensão. A
configuração apresentada na Fig. 4 (b) resulta na possibilidade
de obtenção de 4 degraus de tensão sem alterar os
enrolamentos principais ou auxiliares do transformador.
Um comutador baseado em chaves estáticas bidirecionais
(tiristores) aplicado a um transformador de distribuição (800
kVA, 20 kV/400 V), que proporciona um grande número de
Fig. 3 – Comutador de taps proposto por [4].
3
(a)
(b)
Fig. 4 – Configurações de comutadores de taps analisadas em [5]. (a) Configuração
convencional em transformadores de média e baixa tensão na Europa. (b)
Configuração proposta para a obtenção de nove degraus de tensão.
steps de tensão empregando um reduzido número de chaves
semicondutoras, é proposto por [3]. Uma análise de
otimização buscando identificar qual arranjo de taps reduz o
número de chaves semicondutoras para um dado número de
steps de tensão. Inicialmente, são propostos três arranjos de
tiristores e diodos para a implementação de chaves
bidirecionais em corrente e tensão, ver Fig. 7.
Três estruturas obtidas pela metodologia de otimização
proposta são apresentadas neste artigo:
 Com número mínimo de interruptores (Fig. 6 (a));
 Com menores esforços de tensão sobre as chaves
semicondutoras (Fig. 6 (b));
 Com menor número de taps (Fig. 6 (c)). Cabe ressaltar
que as estruturas são assimétricas, ou seja, a tensão
entre os taps não é idêntica. Uma análise semelhante é
desenvolvida em [15].
Por outro lado, o trabalho desenvolvido por [12] e [18] não
propõe configurações novas, mas, sim, foca na implementação
de um comutador eletrônico de taps em configuração clássica
empregando IGBTs.
A patente [19] apresenta um comutador de taps baseado em
tiristores, GTOs ou IGBTs aplicado ao lado de alta tensão de
um transformador trifásico. Diferentes métodos de regulação
de tensão são propostos, como o método clássico de variação
da relação de transformação em cada fase (in-phase),
representado na Fig. 7, bem como o método de regulação por
quadratura (empregando núcleos adicionais), adicionais o que
(a)
(b)
Fig. 5 – Comutador de taps convencional (regulação in phase) [19].
pode não ser vantajoso sob o ponto de vista dos custos finais
do produto e/ou da complexidade de implementação do
transformador, conforme representado na Fig. 8.
Outro sistema eletrônico para comutação de taps de
transformadores sob carga é proposto em [20] ver Fig. 9.
Conforme se observa, o circuito não difere muito da estrutura
clássica de comutadores de taps. Adicionalmente, é abordado,
sem muitos detalhes, a implementação do circuito principal
(com tiristores), o sistema de detecção e seleção de taps, os
procedimento de operação e o sistema de proteção na
energização e desligamento do transformador.
O problema da regulação de tensão em redes rurais é
discutido em [21]. No caso específico, o problema reside na
distância das comunidades rurais dos grandes centros, visto
que, as comunidade rurais apresentam baixa densidade
populacional e baixo consumo de energia, o custo de
instalação do sistema elétrico eleva-se. Devido ao elevado
comprimento do ramal de média tensão sua impedância causa
quedas de tensão, onde esta determina o comprimento da linha
em especial do condutor.
Nessas aplicações, os transformadores utilizados são
monofásicos isolados com retorno pelo terra (SWER – singlephase lines earth return). Nesse caso, protetores de surges
(impulsos) devem ser usados para proteger o sistema de taps
eletrônicos. O circuito proposto por [21] é apresentado na
Fig. 9.
III. SISTEMA DE REGULAÇÃO PROPOSTO
A. Topologia
A topologia empregada no comutador eletrônico de taps
proposto é a que melhor adapta-se ao projeto usualmente
empregado nos transformadores no país. Salienta-se que,
como determinação, a norma NBR 5440 [2] impõe a
existência de, ao menos, três taps em transformadores
monofásicos de distribuição. Nesse sentido, buscando
maximizar a capacidade de regulação da tensão fornecida ao
usuário dentro dos níveis “adequados” definidos pelo
PRODIST [9], propõe-se o emprego de uma topologia com
(c)
Fig. 6 – Arranjos ótimos de comutadores de taps propostos em [3]. (a) Considerando
o menor número de chaves. (b) Considerando o menor esforço de tensão nas
chaves. (c) Considerando o menor número de taps.
Fig. 7 – Possíveis arranjos para a implementação de chaves bidirecionais em
corrente e tensão [3].
4
Fig. 10 – Comutador de taps que emprega o método de regulação por
quadratura (combinação entre fases, empregando núcleos adicionais) [19].
cinco taps, a qual é apresentada na Fig. 11. Essa topologia
possui a configuração de taps definida conforme a Tabela I.
Em função dos níveis de tensão e dos baixos níveis de
corrente no lado de alta tensão (AT) do transformador, optouse pelo emprego de IGBTs em configuração anti-série [23].
Assim, a estrutura de potência do comutador eletrônico de
taps é representada na Fig. 11 (a) e as chaves semicondutoras
bidirecionais empregadas na Fig. 11(b).
TABELA I
DERIVAÇÕES E RELAÇÕES DE TENSÃO PARA O TRANSFORMADOR EMPREGADO
Tensão secundária (Vx)
Taps
Tensão primária (VH)
N7 – N9
7967 V*
N7 – N11
7621 V
220 V
N5 – N11
7274 V
N5 – N13
6928 V
N3 – N13
6581 V
* Nível nominal de tensão.
O comutador eletrônicos de taps proposto, englobando os
diagramas dos principais circuitos auxiliares necessários à sua
operação, é apresentado na Fig. 12.
Conforme pode-se observar na Fig. 12, no primário do
(a)
(b)
Fig. 11 – Comutador eletrônico de taps proposto. (a) Circuito e conexões ao
transformador. (b) Implementação das chaves semicondutoras bidirecionais.
transformador emprega-se um transformador de corrente (TC)
com classe de isolação de 15 kV. O TC é empregado para
realizar a medição da corrente no primário de modo a
sincronizar a comutação das chaves semicondutoras dos taps
no cruzamento da corrente por zero. O emprego de um TP no
primário tem por objetivo aumentar a confiabilidade do
sistema, uma vez que, caso a alimentação dos circuitos
supracitados fosse derivada do secundário do transformador,
um evento de falha no circuito de potência do comutador
eletrônico de taps poderia comprometer a disponibilidade de
tensão no secundário do transformador, e, por consequência,
deixar o circuito de controle sem alimentação.
Além disso, destaca-se na Fig. 12 a medição isolada da
tensão no secundário do transformador.
Essa informação é necessária para a tomada de decisão,
por parte do circuito de controle, por comutar ou não os taps,
obedecendo à lei de controle implementada em um
processador digital de sinais (DSP). Finalmente, cabe
destacar, que a interface entre o circuito de controle e os
circuitos de acionamento (gate-driver), responsáveis pelo
comando das chaves semicondutoras é realizada por meio de
um canal de fibra óptica, proporcionando elevados níveis de
isolação e alta imunidade a ruídos eletromagnéticos.
B. Proteção
O circuito de proteção é apresentado na Fig. 13, sendo que
esse constitui uma parte fundamental do desenvolvimento de
um comutador eletrônico de taps, tendo como propósitos: (i)
Fig. 8 – Comutador de taps convencional proposto por [20].
Fig. 9 – Comutador de taps proposto por [21] aplicado a um sistema
monofilar de retorno por terra (áreas rurais).
Fig. 12 – Comutador eletrônico de taps proposto e respectivos circuitos
auxiliares.
5
Vx_rms
Vo_max
Vo_min
240
230
220
210
200
190
GTh5
GTh4+1.2
GTh3+2.4
GTh2+3.6
GTh1+4.8
6
5
4
3
2
1
0
ITh1
ITh2
ITh3
ITh4
ITh5
1.5
1
Fig. 13 – Esquemático das proteções do comutador eletrônicos de taps.
0.5
0
-0.5
-1
garantir o funcionamento do comutador eletrônico de taps
quando da energização do transformador; (ii) proteger as
chaves semicondutoras do comutador eletrônicos de taps
contra sobrecorrentes quando da ocorrência de um de curtocircuito no secundário do transformador; (iii) proteger as
chaves semicondutoras do comutador eletrônicos de taps
contra sobretensões devido ao bloqueio sob corrente (spikes
de tensão), sobretensões provenientes da rede de alimentação
e sobretensões por operação inadequada do comutador
eletrônicos de taps; e (iv) proteger os circuitos de potência e
controle do comutador eletrônico de taps contra sobretensões
ocasionadas por descargas atmosféricas ocorridas no lado de
alta e/ou baixa tensão do transformador.
C. Controle e Gerenciamento
O sistema de controle implementado baseia-se em um
controlador por histerese. Nesse caso, são estabelecidos um
limite inferior (Vx_min) e um limite superior (Vx_max) para o
nível de tensão medido no secundário do transformador (Vx).
Quando esses limites são ultrapassados, as chaves
semicondutoras são comandadas de tal modo a restabelecer o
nível de tensão dentro da faixa “adequada”.
Salienta-se que as comutações são realizadas apenas no
cruzamento por zero da corrente do lado de alta tensão do
transformador (Ih) – que coincide com a corrente pelas chaves
semicondutoras do comutador eletrônico de taps.
D. Resultados
Com o objetivo validar a operação do comutador eletrônico
de taps, na Fig. 14 é apresentado os resultados obtidos do
ensaio realizado com variação na tensão suprida pelo
alimentador (alta tensão). Tal ensaio foi efetivado para
verificar a atuação do comutador no sentido de restaurar a
tensão aos níveis “adequados”. Salienta-se que o
transformador opera com carga nominal e na Tabela II são
definidas as condições do ensaio. O transformador encontra-se
com os taps N7 – N9 inicialmente conectados.
Conforme se observa na Fig. 14, a cada variação no nível
de tensão do alimentador que reflete em um nível de tensão no
ponto de conexão fora dos limites “adequados”, o comutador
eletrônico de taps atua no sentido de modificar a relação de
transformação para restabelecer o nível de tensão dentro da
faixa estabelecida como adequada. Nessa também é possível
observar a corrente através das chaves semicondutoras, as
quais são acionadas sempre no cruzamento por zero da
corrente no lado de AT.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Time (s)
Fig. 14 – Resultados de simulação. Superior: valor eficaz da tensão no ponto
de conexão e limites “adequados” do PRODIST [9]. Central: Comando de
gate dos tiristores. Inferior: corrente pelos tiristores.
TABELA II
CONDIÇÕES DO ENSAIO
Especificação da carga
Tensão do alimentador (eficaz)
Vr = 7967 V @ t = [0; 300] ms
Vr = 7170 V @ t = [300; 500] ms
S = 5 kVA (nominal)
Vr = 6858 V @ t = [500; 700] ms
Fator de potência: FP = 0,92
Vr = 6500 V @ t = [700; 900] ms
Vr = 6235 V @ t = [900; 1000] ms
CONCLUSÃO
A utilização de comutadores sob carga em transformadores
de potência é uma realidade em subestações para
transformadores de grande porte, tendo por objetivo a
regulação da tensão de saída do ramal de média tensão,
possibilitando a redução das perdas no fornecimento de
energia elétrica e a garantia da qualidade da energia fornecida
aos consumidores.
Contudo, com a crescente utilização da geração distribuída,
das redes inteligentes (smart grids) e da maior exigência das
agências reguladoras, o problema da regulação da tensão não
ficará restrito apenas às subestações, mas passará às redes de
distribuição de energia urbanas e rurais. Nesse cenário, não
será mais aceitável o desligamento da carga para a realização
da comutação manual entre taps do transformador, cujos
principais problemas são: (i) o tempo de deslocamento da
equipe, o custo homem/hora, e o custo por quilômetro rodado;
(ii) o tempo de interrupção no fornecimento de energia do
transformador e o impacto nos indicadores de qualidade do
serviço, como a duração individual por consumidor (DIC) e a
frequência individual por consumidor (FIC); (iii) o risco
envolvido na tarefa, uma vez que o eletricista trabalha em uma
zona controlada (Norma Regulamentadora nº 10, NR10, do
Ministério do trabalho); e (iv) a insatisfação do usuário. Além
disso, depois da comutação executada, o nível de tensão
fornecido ao consumidor pode sofrer variações momentâneas
devido à variações de carga no sistema.
Nesse sentido, esse trabalho propõe a utilização de um
comutador eletrônico de taps que possa ser utilizado nos
transformadores comumente empregados em redes de
distribuição urbanas e rurais, os quais apresentam entre três e
cinco taps (com seccionamento entre os taps centrais). Desse
6
modo, o custo da implantação desse sistema é reduzido e a
qualidade da energia fornecida aos consumidores é aumentada.
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