comutador eletrônico de taps aplicado a transformadores de

Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
COMUTADOR ELETRÔNICO DE TAPS APLICADO A TRANSFORMADORES DE
DISTRIBUIÇÃO
J. O. Quevedo*
R. F. Camargo*
R. C. Beltrame*
T. B. Marchesan*
F. E. Cazakevicius*
C. J. Quadros**
L. G. N. Theodorico*
L. Schuch*
*Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
**Centrais Elétricas de Carazinho S/A – ELETROCAR
RESUMO
A aplicação de transformadores de distribuição ao longo do sistema elétrico de potência visa prover
níveis de tensão adequados aos consumidores finais. Contudo, a regulação de tensão ainda é um
problema, devido à variação do carregamento das linhas de distribuição. Com o intuito de minimizar
tal problema, empregam-se comutadores mecânicos de taps nestes transformadores, os quais não
permitem a regulação automática da tensão. É necessário então que a comutação seja realizada sem
carga, por uma equipe especializada in loco, demandando tempo e recursos, e, por consequência,
podendo prejudicar os índices de desempenho da concessionária de energia.
O uso de comutadores de taps de operação sem carga é justificado principalmente pelo custo dos
comutadores com operação sob carga para essa classe de potência. Entretanto, o desenvolvimento de
dispositivos semicondutores com elevados níveis de tensão e corrente, permite que se vislumbre a
aplicação de comutadores de taps eletrônicos à medida que a redução do custo torne-os uma solução
competitiva. Comutadores de taps eletrônicos possibilitam a redução dos custos de manutenção e
operação do sistema elétrico, melhorando os índices de desempenho da concessionária e a regulação
do nível de tensão fornecido ao consumidor.
Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica acerca do emprego de comutadores de taps
eletrônicos com operação sob carga em transformadores de distribuição. Além disso, uma topologia
de circuito é estudada e analisada, juntamente com seu sistema de controle e proteção. Por fim, são
apresentados resultados experimentais preliminares do comutador desenvolvido, aplicado a um
transformador de distribuição monofásico de 5 kVA.
PALAVRAS-CHAVE
Transformador de distribuição monofásico, comutador eletrônico de taps, regulação de tensão.
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1.
INTRODUÇÃO
A aplicação de comutadores de taps (tap changers) foi inicialmente incentivada pela generalização da
tensão alternada nas redes elétricas, permitindo assim a estabilização da tensão quando associados a
transformadores [1]. Estes dispositivos são empregados para ajustar a relação de transformação interna
de transformadores, de modo a compensar quedas de tensão ocorridas na rede devido ao comprimento
e carregamento desta.
Em transformadores de distribuição, são usualmente empregados comutadores de taps baseados em
dispositivos mecânicos de comutação, cujas principais vantagens são a robustez e custo reduzido.
Entretanto, estes comutadores apenas podem ser operados com a presença de uma equipe
especializada no local e com a rede desenergizada, prejudicando os indicadores de continuidade de
serviço a serem atendidos pela concessionária de energia elétrica. Sendo assim, tal operação somente é
realizada quando há reclamação de uma unidade consumidora, ou através da detecção, por parte da
concessionária de energia elétrica, de níveis de tensão fora dos padrões determinados pela ANEEL
(Agência Nacional de Energia Elétrica, Brasil) [2]. Devido a isso, comutadores mecânicos de taps não
podem ser empregados para melhoria da qualidade de energia elétrica através da regulação dinâmica
da tensão de atendimento.
Comutadores de taps baseados em sistemas eletromecânicos, que permitem a mudança de taps com o
sistema energizado (on load tap changer), têm sido empregados em média e alta potência com
sucesso. Porém, seu custo impede que sejam empregados em redes de distribuição urbanas e rurais.
Nestes dispositivos, a comutação é realizada sobrepondo-se dois interruptores e curto-circuitando por
um pequeno período de tempo um enrolamento interno do transformador, de forma a evitar que a
tensão de saída seja interrompida. As correntes de curto-circuito geradas neste processo são limitadas
pela inclusão de elementos passivos em série com os enrolamentos no período de comutação [3], como
mostra a Fig. 1. Tal método é caracterizado pela presença de arcos elétricos no processo de
comutação, o que eleva os custos de manutenção pelo desgaste dos contatos mecânicos, bem como a
deterioração do óleo isolante.
Na tentativa de oferecer energia de qualidade ao consumidor final, evitando, por exemplo, sub-tensões no
período diurno e sobre-tensões no período noturno, cada vez mais se tem abordado na literatura a
comutação eletrônica de taps em transformadores de distribuição. 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 serão conectadas à rede elétrica de distribuição [4].
Métodos de comutação envolvendo interruptores mecânicos associados a interruptores eletrônicos têm
sido apresentados na literatura [3,5,6] com o objetivo de se mitigar o problema do arco elétrico
existente no processo de comutação. Entretanto, as soluções propostas não eliminam por completo os
problemas relacionados ao processo de comutação.
Os comutadores de taps sem partes mecânicas, empregando apenas interruptores eletrônicos, são uma
solução recente [7]. Sua aplicação alia a robustez e tolerância a transientes dos transformadores, com a
possibilidade de se obter maior controle e velocidade nas comutações, aprimorando a qualidade da
energia entregue ao consumidor. Essa tecnologia pode ser economicamente competitiva em
comparação aos sistemas eletromecânicos por apresentar vantagens como reduzida manutenção,
prolongada vida útil, além de rápido reparo na substituição desses dispositivos. Aliado a isso, a
aplicação de técnicas de controle e de análise da qualidade da energia elétrica fornecida ao consumidor
podem diminuir, ou mesmo eliminar, a necessidade de intervenção humana no comando do comutador
de taps.
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2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão bibliográfica contempla a descrição das principais topologias de comutadores de taps
aplicados a transformadores de distribuição, englobando comutadores mecânicos associados a
interruptores eletrônicos, comutadores eletrônicos, e arranjos ótimos de números de taps.
2.1
Topologias aplicadas em comutadores de taps
A seguir são apresentadas as principais topologias de comutadores de taps com o sistema energizado
(on load tap changer) encontradas na literatura para transformadores de distribuição.
2.1.1 Comutadores mecânicos de taps assistidos por circuito eletrônico
A existência de arco elétrico no processo de comutação de taps sob carga implica no desgaste dos
contatos mecânicos e deterioração do óleo isolante. Buscando minimizar tais efeitos, diversos
trabalhos abordam a substituição dos elementos passivos por circuitos que utilizam interruptores
eletrônicos (IGBTs, GTOs, Tiristores etc.) [4], conforme mostra a Fig. 2.
Em [3] é proposto um novo método de comutação de taps, utilizando dispositivos de estado sólido
(interruptores a vácuo). Este circuito é empregado em conjunto com um comutador de taps
convencional. Ainda, um circuito auxiliar composto por um transformador, um varistor e um
interruptor de estado sólido é necessário para o bloqueio do interruptor a vácuo. Apesar do processo de
comutação demandar alguns segundos, a utilização deste sistema reduz o tempo com relação ao uso de
taps mecânicos.
Em [6] é proposto um circuito empregando chaves semicondutoras do tipo GTO ou IGBT. A função
de tal circuito é proporcionar o desvio da corrente de carga enquanto interruptores mecânicos são
comutados. Ao final do processo de comutação o circuito é desativado, quando se empregam
interruptores de by-pass.
2.1.2 Comutadores eletrônicos de taps
A disponibilidade de chaves semicondutoras de baixo custo, como tiristores e TRIACS na faixa de 40
A e 800 V, ocorrida na década de 1980, tornou viável a substituição de comutadores mecânicos de
taps por circuitos eletrônicos equivalentes em aplicações na ordem de 10 kVA [1]. Como o pico de
corrente não repetitiva suportada por essas chaves é significativamente maior que sua corrente
nominal, não há necessidade de sobredimensionamento dessas chaves devido à sobrecorrentes
resultantes do processo de comutação.
6
5
7
6
4
5
3
4
2
3
1
Ra
Rb
2
1
A
Fig. 1 – Comutador mecânico de
taps típico.
Controle e
Comando
B
(a)
(b)
Fig. 2 – Comutador de taps proposto por [4]: (a) Circuito proposto,
(b) comando das chaves bidirecionais em corrente e tensão “A” e “B”.
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Em [5] é apresentado um sistema eletrônico para comutação de taps sob carga. O circuito apresentado
não difere muito da estrutura clássica utilizada em comutadores de taps. Também é abordada a
implementação do circuito principal (com tiristores), o sistema de seleção de taps, os procedimentos
de operação e o sistema de proteção na energização e desligamento do transformador.
Na patente apresentada em [8] um comutador eletrônico de taps é aplicado ao lado de alta tensão de
um transformador trifásico, o qual é baseado em chaves semicondutoras (tiristores, GTOs ou IGBTs).
São propostos diferentes métodos de regulação de tensão, como o método de variação da relação de
transformação em cada fase (in-phase), que é representado na Fig. 3 (a), e o método de regulação por
quadratura (empregando núcleos adicionais), conforme representado na Fig. 3 (b).
A regulação de tensão em redes rurais é discutida em [9], evidenciando o problema da distância dos
grandes centros, da baixa densidade populacional e do baixo consumo de energia de comunidades
rurais, o que encarece o custo do sistema elétrico de distribuição. Devido a estas características,
geralmente são usados sistemas de distribuição monofásicos com retorno por terra (SWER – single
wire earth return). Além disso, os autores demonstram a necessidade de serem utilizados protetores de
surges (impulsos) no comutador de taps eletrônico, a Fig. 4 apresenta o sistema proposto em [9].
2.2
Configurações de enrolamentos de transformadores e arranjos de interruptores
para comutadores eletrônicos de taps
Em [7] é apresentado um estudo de configurações ótimas para aplicação em comutadores eletrônicos
de taps. Para comutadores de taps de alta tensão são necessários ao menos vinte passos no nível de
tensão, enquanto que, para transformadores de distribuição são necessários de quatro a cinco.
Para otimizar o projeto e reduzir os custos de comutadores eletrônicos, algumas considerações devem
ser feitas. Em [10] são listadas algumas dessas considerações, como por exemplo: (i) minimização do
número de chaves semicondutoras e de taps; (ii) redução dos esforços de tensão e corrente pelas
chaves semicondutoras; (iii) número mínimo de taps no transformador; e (iv) busca pelo máximo
número de passos sobre a tensão de saída. Também é apresentado um estudo que visa obter uma
configuração ótima de enrolamentos e arranjos de interruptores em transformadores de distribuição.
Em [11] é apresentado um comutador baseado em interruptores estáticos bidirecionais (tiristores)
aplicado a um transformador de distribuição (800 kVA, 20 kV/400 V). Este proporciona um grande
número de steps de tensão, empregando um reduzido número de chaves semicondutoras. É realizada
uma análise de otimização buscando identificar qual arranjo de taps reduz o número de chaves
semicondutoras para um dado número de steps de tensão. Três arranjos são obtidos da metodologia de
otimização, sendo elas: (i) com mínimo número de interruptores; (ii) com menor esforço de tensão nas
chaves semicondutoras; e (iii) com menor número de taps.
(a)
(b)
Fig. 3 – Comutadores de taps apresentados em [8]: (a) Regulação in fase,
(b) regulação em quadratura.
Fig. 4 – Comutador de taps
proposto por [9].
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3.
SISTEMA DESENVOLVIDO
O sistema desenvolvido consiste de um comutador de taps eletrônico para sistemas de distribuição
monofásicos com retorno por terra. A seguir, apresenta-se a topologia utilizada, bem como a descrição
do sistema de proteção, controle e gerenciamento. Por fim, são apresentados resultados de simulação e
experimentais do sistema em operação.
3.1
Topologia
A topologia utilizada no comutador de taps proposto busca conformidade com a norma NBR 5440
[12], que impõe a existência de, ao menos, três taps em transformadores monofásicos de distribuição.
No intuito de aumentar a faixa de regulação da tensão dentro dos níveis definidos pelo PRODIST [2],
propõe-se o emprego de uma topologia com cinco taps, a qual é apresentada na Fig. 5 (a). Destaca-se
que a topologia utilizada é semelhante às empregadas nos transformadores de distribuição no país.
O sistema desenvolvido é aplicado a um transformador monofásico de distribuição de 5 kVA, cujas
características de tensão são apresentadas na Tabela 1. Em função dos níveis de tensão e dos reduzidos
níveis de corrente no lado de alta tensão (AT) do transformador, optou-se pelo emprego de chaves
bidirecionais em corrente e tensão compostas por IGBTs em configuração anti-série (ou emissorcomum), conforme representado na Fig. 5 (b).
Tabela 1:
Características do sistema desenvolvido.
Taps
Tensão
Tensão
primária secundária
N7 – N 9
7967 V*
N7 – N11
7621 V
N5 – N11
7274 V
220 V
N5 – N13
6928 V
N3 – N13
6581 V
* Nível nominal de tensão.
Tabela 2:
Condições de ensaio.
Especificação da
carga
S = 5 kVA (nominal)
Fator de potência:
FP = 0,92
Tensão do alimentador (eficaz)
Vr = 7967 V @ t = [0; 300] ms
Vr = 7170 V @ t = [300; 500] ms
Vr = 6858 V @ t = [500; 700] ms
Vr = 6500 V @ t = [700; 900] ms
Vr = 6235 V @ t = [900; 1000] ms
O comutador eletrônico de taps desenvolvido, englobando os diagramas dos principais circuitos
auxiliares necessários à sua operação, é apresentado na Fig. 6. Verifica-se que no primário do
transformador é empregado um transformador de corrente (TC) com classe de isolação de 15 kV, o
qual é destinado à medição da corrente para realizar o sincronismo da comutação dos interruptores dos
taps com o cruzamento por zero da corrente. O emprego de um transformador de potencial (TP) no
primário tem por objetivo aumentar a confiabilidade do sistema, possibilitando alimentação do sistema
de controle independente da disponibilidade de tensão de saída.
Além disso, destaca-se na Fig. 6 a medição isolada da tensão no secundário do transformador. Essa
informação é necessária para a tomada de decisão, por parte do circuito de controle, para comutar ou
não os taps, obedecendo à lei de controle implementada em um processador digital de sinais (DSP).
Cabe destacar ainda, que a interface entre o circuito de controle e os circuitos de acionamento (gatedriver), é realizada por meio de um canal de fibra óptica, proporcionando elevados níveis de isolação e
alta imunidade a ruídos eletromagnéticos.
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(a)
(b)
Fig. 5 – Comutador eletrônico de taps proposto: (a) topologia, (b)
implementação dos interruptores.
Fig. 6 – Comutador eletrônico de taps proposto e
respectivos circuitos auxiliares.
3.2
Proteção
A Fig. 7 apresenta o circuito de proteção, tendo como propósitos: (i) 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
curto-circuito 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; 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.
3.3
Controle
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, os interruptores são
comandados de tal modo a restabelecer o nível de tensão dentro da faixa estabelecida no PRODIST
[2]. Salienta-se que as comutações são realizadas apenas no cruzamento por zero da corrente do lado
de alta tensão do transformador (Ih).
3.4
Laboratório de ensaios
Para a realização dos ensaios de forma segura, desenvolveu-se uma subestação, a qual é apresentada
na Fig. 8, onde é utilizado um transformador para emular o alimentador de uma rede de distribuição
monofásica com retorno por terra.
4.
RESULTADOS DE SIMULAÇÃO E EXPERIMENTAIS
Com o objetivo de validar a operação do comutador eletrônico de taps, foram realizadas simulações
para verificar a atuação do comutador no sentido de restaurar a tensão aos níveis adequados. Na Fig. 9
são apresentados os resultados obtidos com variação na tensão suprida pelo alimentador (alta tensão).
O transformador encontra-se com os taps N7 – N9 inicialmente conectados. Os dados referentes à
simulação encontram-se na Tabela 2. Observa-se que os taps são comutados sempre no sentido de
restaurar Vx aos níveis definidos no PRODIST.
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Fig. 7 – Proteções do comutador eletrônicos de taps.
Fig. 8 – Laboratório de ensaios.
Tensão de saída
Corrente em S1
Corrente em S2
Fig. 9 – Resultados de simulação. Superior: valor rms Fig. 10 – Comutação do interruptor S2 para S1,
da tensão no ponto de conexão e limites do PRODIST. regulação negativa de tensão.
Central: Comandos de gate. Inferior: corrente pelas
chaves semicondutoras.
Tensão de saída
Tensão de saída
Corrente em S1
Comando de S1
Comando de S2
Comando de S3
Corrente em S2
Fig. 11 – Comportamento das correntes sobre os Fig. 12 – Controle da tensão de saída através dos
interruptores S1 e S2 na comutação.
interruptores S1, S2 e S3.
Na Fig. 10 e Fig. 11 são apresentados os resultados experimentais do sistema para a comutação do tap
interno, referente às chaves semicondutoras S1 e S2 da Fig. 5 (a). O ensaio foi realizado considerando
metade da corrente nominal, com tensão primária eficaz fixa em 5430 V, tensão de saída eficaz
variando de 143,5 V para 150 V, e potência de 2060 W para 2250 W, não sendo verificadas variações
significativas da corrente na comutação devido ao pequeno período de sobreposição dos interruptores.
Na Fig. 12 foram realizadas perturbações na tensão primária, pode-se verificar a variação da tensão de
saída nos instantes da comutação dos interruptores S1, S2 e S3, isso é devido à contribuição de cada um
dos taps em relação à tensão total. A faixa de regulação da tensão eficaz de saída foi de 20 V a 25 V.
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5.
CONCLUSÃO
Com o advento 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, possivelmente não será
mais aceitável a desenergização da rede e acomutação manual entre taps do transformador.
A implementação do comutador eletrônico de taps proposto, permite que se obtenha a regulação
automática da tensão fornecida ao consumidor final, evitando a criação de arcos elétricos no processo
de comutação. Destaca-se que, devido à alta velocidade de comutação das chaves semicondutoras
utilizadas, pode-se reduzir significativamente o período de sobreposição entre elas, evitando as
correntes de curto-circuito características de comutadores de taps sob carga no instante de comutação.
Os resultados de simulação e experimentais apresentados neste trabalho validaram a viabilidade da
proposta. Destaca-se, porém, que os ensaios foram realizados sob tensão reduzida devido ao atraso no
processo de importação das chaves semicondutoras para os níveis de tensão nominais. Contudo, os
resultados obtidos até o momento comprovam o funcionamento do sistema desenvolvido, provando
que o comutador eletrônico de taps é uma alternativa viável quando se deseja aumentar a qualidade da
energia nas redes de distribuição.
BIBLIOGRAFIA
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