Características Técnicas Aplicação e Padrões de Reatores Secos de Derivação de 500kV no Brasil
1 Características Técnicas e Referências de Padrões dos Reatores de Derivação Secos de 500kV
1.1 Características Técnicas
O reator de derivação seco de 500kV, um dispositivo de energia sem óleo para sistemas de transmissão de ultra-alta tensão, apresenta características fundamentais como isolamento avançado, dissipação de calor inovadora, projeto eletromagnético otimizado e estrutura modular. Essas vantagens, superiores aos reatores tradicionais imersos em óleo, também impulsionam novas demandas de padrões técnicos.
Isolamento Avançado: Utilizando resina epóxi moldada e nanocompósitos (com partículas de nano-SiO₂ que aumentam a resistência à ruptura da resina epóxi em ~40% e a tensão inicial de descarga parcial em 25%), ele melhora o isolamento e a resistência à descarga parcial. Esta inovação exige a redefinição dos níveis de isolamento e métodos de teste de descarga parcial nos padrões.
Dissipação de Calor Inovadora: Uma estrutura composta (resfriamento forçado de múltiplos canais + dissipação de calor assistida por material de mudança de fase) mantém o aumento de temperatura no ponto quente dentro de 60K (bem abaixo dos limites do IEC, verificado por análise de elementos finitos e experimentos). São necessários novos métodos/limites de teste de aumento de temperatura nos padrões.
Projeto Eletromagnético Otimizado: Enrolamentos em camadas deslocadas e isolamento gradiente otimizam a distribuição do campo elétrico, melhorando a resistência a curto-circuito. A análise de elementos finitos mostra uma redução de ~20% na tensão máxima do campo elétrico nos enrolamentos. Os padrões devem incluir métodos de avaliação para a distribuição do campo elétrico e a resistência a curto-circuito.
Estrutura Modular: Composta por unidades básicas idênticas conectadas em série, facilitando a fabricação, transporte e instalação no local. Os padrões precisam de requisitos de teste para a confiabilidade da conexão intermodular e a consistência do desempenho geral.
1.2 Referência e Formulação de Padrões Técnicos
Na aplicação da tecnologia de reatores de derivação secos de 500kV no Brasil, os padrões técnicos desempenharam um papel fundamental. A equipe de pesquisa mergulhou no padrão elétrico brasileiro ABNT NBR 5356 - 6 Transformador Parte 6: Reatores, e combinou padrões internacionais como IEC 60076 - 6 Transformadores de Potência - Parte 6: Reatores e IEEE Std C57.12.90 - 2021 Procedimentos de Teste Padrão para Transformadores Distribuidores, de Potência e Reguladores Imersos em Líquido, para desenvolver uma especificação técnica de reator de derivação seco de 500kV adequada ao contexto brasileiro.
Focos principais durante a formulação da especificação:
Nível de Isolamento: Adaptado à rede brasileira, os requisitos de isolamento foram elevados (tensão de resistência ao impulso atmosférico: 1550kV; tensão de resistência ao impulso operacional: 1175kV - superior aos padrões chineses, mas adequado à rede). Conforme NBR5356 - 6, o teste de impulso de chaveamento Tz ≥ 1000 μs e Td ≥ 200 μs.
Aumento de Temperatura e Dissipação de Calor: Para o ambiente de alta temperatura do Brasil, o limite de aumento de temperatura médio foi apertado de 60K para 50K (por meio de design de resfriamento inovador, aumentando a segurança). Adicionada análise de imagem térmica e monitoramento de temperatura de longo prazo para a estrutura de resfriamento composta.
Requisitos e Cálculo de Perdas: Projetado conforme os padrões brasileiros com um limite de perda de interferência de 0,3%. Usando o Anexo B.2 do IEEE Std C57.12.90 - 2021, foi construído um modelo de conversão de perdas de 50Hz-60Hz, garantindo cálculos de perdas precisos e comparáveis em diferentes frequências.
Adaptabilidade Ambiental: Para o clima quente e úmido do Brasil, foram adicionados requisitos de resistência à névoa salina, à poluição e aos raios UV para melhorar a confiabilidade a longo prazo. Foram formulados testes como envelhecimento acelerado e ciclos de umidade e calor.
2 Prática de Aplicação dos Reatores de Derivação Secos de 500kV no Brasil
2.1 Desafios na Introdução da Tecnologia e Adaptação de Padrões
A aplicação da tecnologia de reatores de derivação secos de 500kV no sistema de energia do Brasil apresenta vários desafios, exigindo soluções para essas questões-chave:
Diferenças de Padrões Técnicos: O ABNT NBR 5356 - 6 Transformador Parte 6: Reatores do Brasil e o GB/T 1094.6 - 2017 Transformadores de Potência - Parte 6: Reatores da China são estruturalmente similares, mas diferem em requisitos específicos e detalhes de implementação. Ambos referenciam o IEC 60076 - 6, mas são adaptados às necessidades nacionais, variando em níveis de isolamento, limites de aumento de temperatura e métodos de cálculo de perdas. Essas diferenças exigem cuidado na adaptação da tecnologia.
Adaptabilidade Climática: O clima tropical do Brasil (por exemplo, região de Silvânia: temperatura média anual >25°C, umidade relativa ≥80%) impõe maiores demandas de dissipação de calor e isolamento. Esse ambiente quente e úmido desafia severamente o isolamento e a vida útil do equipamento de energia tradicional.
Adaptação às Características da Rede: A rede de 500kV do Brasil tem flutuações de tensão ~15% maiores do que as redes de mesmo nível na China, com ambientes harmônicos diferentes. Os reatores precisam de maior adaptabilidade de tensão e desempenho anti-harmônico.
Necessidades de Operação e Manutenção (O&M) Localizadas: Para garantir a operação confiável a longo prazo, as capacidades/hábitos de O&M localizados devem ser considerados, abrangendo treinamento técnico, fornecimento de peças sobressalentes e serviços localizados.
2.2 Ajuste e Inovação de Padrões Técnicos
Para enfrentar os desafios mencionados, esta pesquisa tomou medidas inovadoras, sendo a mais crucial a ajustar os padrões técnicos e especificações pré-projeto com base no uso real e nos testes do novo reator seco. Isso resolveu problemas de adaptação técnica e forneceu uma referência importante para projetos semelhantes.
Principais modificações de padrões técnicos:
Cancelamento do Teste de Descarga Parcial: A interferência de corona externa nos reatores secos supera em muito suas descargas parciais internas. Sem métodos/critérios de teste maduros para descarga parcial de interferência, e considerando que o NBR 5356 - 11 - 2016 se aplica apenas a transformadores secos de baixa tensão (sem interferência externa) e o IEEE C57.21 isenta os reatores de derivação secos desses testes, o teste de descarga parcial para reatores secos de 500kV é cancelado.
Otimização de Isolamento e Tempo de Teste: Conforme os padrões brasileiros, a tensão de resistência ao impulso atmosférico é 1550kV e a tensão de resistência ao impulso operacional é 1175kV. Devido à impedância do reator, os parâmetros de tempo do teste de impulso de chaveamento são ajustados para Td ≥ 120 μs e Tz ≥ 500 μs.
Melhoria na Dissipação de Calor: Para o clima quente e úmido do Brasil, foi desenvolvida uma nova estrutura de dissipação de calor composta usando isolamento Classe H (180°C), aumentando a resistência ao calor em 30°C em relação aos designs tradicionais. Simulações térmicas mostram que o aumento de temperatura no ponto quente permanece dentro de 60K (abaixo dos limites de projeto).
Ajuste do Método de Cálculo de Perdas: As perdas de um reator consistem na perda de resistência DC de seus enrolamentos (Pdc) e a perda adicional dos enrolamentos (Pa). Para uma dada estrutura de reator, tanto o Pdc quanto o Pa são proporcionais ao quadrado da corrente. Usando condutores transpostos, e com apenas alguns pequenos componentes metálicos condutivos (como conectores) nos pontos de conexão (não magnéticos), a perda adicional representa uma proporção baixa da perda DC. Os resultados do teste mostram que a perda adicional do protótipo é de ~9%-12%, então a fórmula de cálculo de perdas é a seguinte:
Melhoria na Adaptabilidade de Tensão: Ao otimizar o projeto eletromagnético, a faixa de adaptação de tensão do equipamento foi expandida para lidar com as grandes flutuações de tensão na rede elétrica brasileira. Além disso, o desempenho anti-harmônico do equipamento foi melhorado, e os modos harmônicos foram reduzidos por meio de um design especial de enrolamento.
3 Avaliação dos Efeitos Práticos e dos Padrões Técnicos
3.1 Análise dos Efeitos Práticos
Através da aplicação na Subestação de Silvânia, o reator de derivação seco de 500kV demonstrou excelente desempenho. Conforme o relatório de teste CEPRI-EETC03-2022-0880 (E), os principais indicadores:
Nível de Perdas: Perdas medidas: 58.367kW @ 80°C (abaixo do limite de 60kW), verificando métodos eficazes de cálculo e controle de perdas.
Controle de Ruído: Ruído medido: 57dB(A) (bem abaixo do requisito de 80dB(A)), graças ao design focado no controle de ruído.
Desempenho de Aumento de Temperatura: Aumento de temperatura médio: 22.9K; aumento no ponto quente: 26.5K (ambos abaixo dos limites de projeto), validando o novo design de resfriamento para o clima do Brasil.
Desempenho Elétrico: Bom desempenho nos testes (impulso atmosférico e operacional). Usou parâmetros ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) para o impulso operacional, considerando a impedância do reator.
Estes resultados comprovam a aplicabilidade/superioridade do reator na rede brasileira, especialmente em termos de eficiência energética e proteção ambiental, apoiando o desenvolvimento sustentável. Os resultados também verificam as especificações técnicas científicas e visionárias.
3.2 Avaliação da Otimização dos Padrões Técnicos
Com base na prática e na operação, a equipe propõe otimizações:
Limites de Perdas: Reduzir o limite de perdas do reator de 500kV/20Mvar de 60kW @ 80°C para 58kW @ 80°C; usar 75°C como referência para o cálculo de perdas.
Padrões de Ruído: Refinar os padrões (por exemplo, 75dB(A) para subestações próximas a residências); considerar o ruído em diferentes tensões (por exemplo, 600kV).
Limites de Aumento de Temperatura: Ajustar o limite de aumento de temperatura médio de 60K para 50K; especificar isolamento Classe B (índice de temperatura 130°C, aumentos médio/ponto quente 60/90°C).
Coordenação de Isolamento: Elevar a tensão de resistência ao impulso atmosférico para 1600kV (devido à frequência de raios no Brasil); usar 140kV de resistência seca a tensão de linha para o isolamento do ponto neutro. Definir a frequência de teste (≥48Hz, 80% da nominal) e a duração (≥60s).
Adaptabilidade Ambiental: Adicionar requisitos de resistência à névoa salina (áreas costeiras); considerar o impacto de campos eletromagnéticos, definir espaçamento. Usar escudos, revestimentos anti-poluição e anti-UV no design.
Essas sugestões aumentam o desempenho e a confiabilidade do reator, orientam futuros padrões e ajudam o desenvolvimento eficiente, confiável e sustentável da rede elétrica do Brasil.
