Por que usar blindagem eletrostática entre enrolamentos?

Koeeng
Por que usar
enrolamentos?
blindagem
eletrostática
entre
Esta pergunta apareceu sob diferentes formas no Linkedin e com respostas
algumas vezes contraditórias. Nelas estão as indicações de quando usar
uma blindagem eletrostática, e também de quando ela é erroneamente
empregada.
Dentro de um transformador é possível encontrar vários tipos de blindagens
eletrostáticas. As mais comuns são as usadas para uniformizar o campo
reduzindo gradientes de tensão (exemplo: no pé de uma bucha, sobre os
cantos dos degraus do núcleo, etc.). No caso o foco está naquelas instaladas
entre enrolamentos e aterradas, como as das figuras abaixo.
Normalmente a blindagem é feita com uma lâmina fina de alumínio ou
cobre1 com a mesma altura dos enrolamentos enrolada formando uma
espira aberta. Atenção deve ser tomada ao completar a espira para que o
isolamento entre o início e o fim da blindagem fique adequado à pressão
exercida pelo enrolamento sobre ela. Também é crítico assegurar que as
bordas do material da blindagem estejam livres de rebarbas. Para tanto
algumas empresas laminam as bordas do material e colocam isolamento
adicional com fita. Outro fenômeno importante a considerar são as
correntes parasitas que poderão aquecer excessivamente a blindagem,
1
Espessuras típicas das lâminas são 0,006 “ para alumínio e 0,003” para cobre.
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Juarez Koehler (09 jun 2015)
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portanto cuidados especiais devem ser tomados quando houver algum fluxo
transversal significativo.
O conhecido livro Tansformerboard II2 da Weidmann tem um capítulo
onde é detalhado este assunto, e com modelos construtivos conforme figura
abaixo.
Os debates sobre blindagens eletrostáticas entre enrolamentos originaramse das seguintes dúvidas com relação sua utilidade:
• Reduz correntes harmônicas?
• Melhora a distribuição do impulso dentro da bobina de AT?
• Elimina a transferência de tensão entre enrolamentos?
• Reduzem o ruído em transformadores para conversores estáticos?
Reduz correntes harmônicas?
Normalmente as principais componentes harmônicas (3ª, 5ª e 7ª) em
transformadores são de baixa amplitude e baixa frequência e para estas a
blindagem eletrostática é inútil. Para reduzir harmônicas deste tipo existem
outros métodos tais como usar filtros ativos e passivos.
Melhora a distribuição do impulso dentro da bobina de AT?
Teoricamente podem melhorar, mas na prática isto não ocorre. Blindagens
internas eram utilizadas até os anos 50 com o objetivo de reduzir a
capacitância da AT contra a terra, ou seja, o valor de α na conhecida
fórmula abaixo, o que significa melhorar a distribuição de impulso ao
longo do enrolamento.
2
O autor dos livros Transformerboard e Transformerboard II é H. P. Moser, com vários co-autores.
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α=
Cg
CS
onde,
Cg = Capacitância contra a terra
Cs = Capacitância série
Atualmente o que se faz é aumentar a capacitância série dos enrolamentos
por meio de espiras entrelaçadas ou colocando uma blindagem entre
algumas espiras em bobinas tipo disco, o que é na prática mais viável do
que tentar aumentar a capacitância contra a terra3.
Elimina a transferência de surtos de tensão entre enrolamentos?
Sim. Estas blindagens são frequentemente utilizadas para evitar que
transientes na bobina de alta tensão sejam transferidos para a bobina de
baixa tensão através da capacitância entre os enrolamentos.
As figuras4 abaixo mostram um dos casos clássicos em que um surto de
tensão na AT aparece na BT como uma tensão transferida, que pode
colocar em risco o isolamento deste enrolamento. Uma blindagem
eletrostática entre as bobinas impede que isto ocorra.
Sendo,
u = distribuição de impulso na AT [pu]
v = tensão transferida para a BT [pu]
h = altura dos enrolamentos [%]
3
Um enrolamento baixo e “gordo” tende a ter uma capacitância contra a terra menor do que a de um
enrolamento alto e “delgado”. O primeiro suportará em princípio melhor o impulso, contudo existem
tantas outras condições a atender que raramente os calculistas conseguem usar isto na prática para
obter a suportabilidade requerida ao impulso.
4
O capítulo 5.2.7 do livro Large Power Transformers de K. Karsai e outros aborda em detalhe o cálculo
das tensões transferidas.
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Reduzem o ruído em transformadores para conversores estáticos?
Sim, mas não todos os tipos de ruídos. O tempo de chaveamento dos
dispositivos semicondutores de potência (tiristores, GTO, MOSFET, etc.)
é muito pequeno (na ordem de microssegundos), o que gera variações
muito rápidas de potencial e carga nos enrolamentos de baixa tensão, ou
seja, ruídos. Alguns destes ruídos possuem amplitude e frequência
elevadas, podendo então ser transferidos para o enrolamento de alta tensão
através do acoplamento capacitivo entre os enrolamentos. Esta é uma das
razões pelas quais é comum o emprego de blindagens eletrostáticas
aterradas em transformadores deste tipo.
Outro motivo é que geralmente o enrolamento conectado ao circuito
retificador não é aterrado. Sem a presença da blindagem eletrostática
aterrada, transientes que ocorram na AT serão transferidos para a BT,
podendo chegar a valores altos o bastante para gerar uma falha na BT, ou
no circuito retificador.
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