Relatório de Mercado Global do Transformador de Estado Sólido (SST) de Média Tensão – Cobertura Completa da Tensão Primária

1. Contexto e Escopo

Este relatório fornece uma revisão sistemática dos requisitos de tensão do lado primário (lado da rede) para Transformadores de Estado Sólido (SSTs) — também referidos como Transformadores Eletrônicos de Potência (PETs) — em mercados globais fora da China.

Definições Principais:

• Tensão Primária / do Lado da Rede: O nível de distribuição de média tensão ao qual o SST está conectado. Esta é a base fundamental para o projeto de isolamento, número de módulos de potência conectados em série, seleção de para-raios, conformidade com EMC e certificação de conexão à rede.

• Tensão Nominal (U): A tensão nominal do sistema (por exemplo, 11 kV, 13,8 kV).

• Tensão Máxima para Equipamentos (Um): A tensão de referência para o projeto de isolamento, tipicamente 10%–20% acima da tensão nominal.

• Nível Básico de Impulso Atmosférico (BIL): A capacidade de suportabilidade do isolamento contra sobretensões atmosféricas.

• Tensão de Suportabilidade à Frequência Industrial: A tensão de suportabilidade de curta duração na frequência industrial, aplicada através do isolamento e através dos contatos abertos.

Definição Padrão de Média Tensão:

• Sistema IEC (IEC 60038 / IEC 60076 / IEC 62271): A média tensão é definida como 1 kV a 35 kV. A IEC 60038 Edição 7.1 (2009 + AMD1:2021), Tabela 3, divide os sistemas trifásicos de 1 kV–35 kV na Série I (uso geral, 50/60 Hz) e Série II (norte-americana, específica para 60 Hz). Os valores entre parênteses (por exemplo, 15 kV, 17,5 kV) são designados como "não preferenciais" e não são recomendados para novos sistemas.

• Sistema IEEE/ANSI (ANSI C84.1 / IEEE C57 / IEEE C37): A média tensão é geralmente definida como >1 kV e <100 kV, com tensões de distribuição tipicamente variando de 2,4 kV a 34,5 kV. Os equipamentos são classificados por Classe de Tensão em vez de tensão nominal para fins de isolamento.

Panorama da Frequência da Rede:

• Aproximadamente 70% dos países/regiões utilizam 50 Hz (dominado pela IEC).

• Aproximadamente 30% utilizam 60 Hz (dominado pela IEEE, incluindo América do Norte, América Latina e partes da Ásia).

• Alguns poucos países possuem operação dual 50/60 Hz (Japão, algumas nações do Caribe).

Série RW Transformadores de Estado Sólido

2. Panorama Global da Tensão Primária – Cobertura Completa dos 13 Níveis

Combinando os padrões IEC 60038 e ANSI C84.1/IEEE, as tensões primárias de média tensão globais podem ser resumidas nos seguintes 13 níveis principais. Para que os SSTs alcancem a "cobertura global total", cada plataforma de isolamento deve ser tratada individualmente.

Nível 1: 3,3 kV / 3,6 kV (Faixa Inferior da IEC)

• Um = 3,6 kV, BIL ≈ 20–40 kV.

• Aplicações: Redes de distribuição industrial em alguns países, mineração, grandes plantas industriais. Classificado na IEC 60038 como "não recomendado para novos sistemas de distribuição pública".

• Regiões: Instalações históricas na Áustria, Bélgica e outros países europeus; partes da Europa Oriental e sistemas de influência russa. A demanda por SST é pequena; pode ser absorvida pela plataforma de 7,2 kV através de compatibilidade descendente.

Nível 2: 6,6 kV / 7,2 kV (Classe 7,2 kV da IEC)

• Um = 7,2 kV, BIL = 60 kV, Suportabilidade à frequência industrial = 20 kV.

• Frequência: Coexistência de 50/60 Hz.

• Regiões: Japão (Japão Oriental primário), Coreia do Sul (industrial), Austrália, Nova Zelândia, partes da Europa Oriental (6 kV russo), África do Sul (histórico).

• Nota: Na IEC 60038, 6,6 kV corresponde a Um = 7,2 kV e é um nível de "uso geral".

Nível 3: 10 kV / 11 kV (Classe 12 kV da IEC)

• Um = 12 kV, BIL = 75 kV, Suportabilidade à frequência industrial = 28 kV.

• Frequência: Principalmente 50 Hz.

• Regiões: Núcleo do Reino Unido e dos antigos sistemas da Commonwealth Britânica/colonial; um dos níveis mais amplamente utilizados globalmente — Índia, Austrália, Nova Zelândia, África do Sul, Egito, Quênia, Nigéria, Emirados Árabes Unidos (DEWA/ADDC), Catar, Kuwait, Omã, Bangladesh, Nepal, Malásia, Sri Lanka, etc.

• Nota: A IEC 60038 lista tanto 10 kV (sistema europeu continental mais antigo) quanto 11 kV (sistema britânico). Os equipamentos são uniformemente projetados para a plataforma Um = 12 kV / BIL = 75 kV.

Nível 4: 12,47 kV / 13,2 kV / 13,8 kV (Classe IEEE 15 kV)

• Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (110 kV opcional em alguns casos), Suporte à frequência de potência ≈ 36 kV.

• Frequência: 60 Hz.

• Regiões: Coluna vertebral absoluta da América do Norte (EUA, Canadá), cobrindo >60% da carga de média tensão dos EUA; América Latina (Brasil, México, Argentina, Chile); Filipinas.

• Nota: 12,47 / 13,2 / 13,8 kV pertencem todos à mesma "Classe de Isolamento 15 kV" sob a ANSI C84.1. O isolamento, os para-raios e os cabos são selecionados por Classe, não pela tensão nominal. Esta é uma regra universal na distribuição norte-americana.

Nível 5: 15 kV (Sistema IEC, Valor Não Preferencial) – [Adição Principal]

• Um = 17,5 kV, BIL = 95 kV, Suporte à frequência de potência = 38 kV (classificação do cabo: 8,7/15 kV).

• Frequência: 50 Hz.

• Referência Padrão: Na Série I da IEC 60038, (17,5) — (15) é mostrado entre parênteses como um valor "não preferencial", mas continua sendo uma tensão reconhecida.

• Regiões Principais de Aplicação – África Oriental (Chifre da África):

  • Etiópia: A coluna vertebral da distribuição de média tensão consiste em níveis duplos de 15 kV e 33 kV. A rede de distribuição é alimentada por transformadores abaixadores de 132/33 kV, 132/15 kV e 45/15 kV. A Ethiopian Electric Power (EEP) iniciou a substituição em massa de quadros de manobra de 15 kV e 33 kV em múltiplas subestações (por exemplo, Haramaya II, Chellenko II, Woliso, etc., em 132/33/15 kV). A maioria das linhas alimentadoras em Adis Abeba opera a 15 kV.

  • Quênia: As redes históricas incluem 15 kV ao lado de sistemas de 11/33 kV.

  • Tanzânia, Uganda e outros membros da Comunidade da África Oriental: Existem algumas aplicações de 15 kV devido à coordenação regional da rede.

  • Turquia: A média tensão inclui 15 kV (ao lado de 6,3 / 11 / 20 / 34,5 kV).

  • Norte da África / Oriente Médio: Alguns sistemas legados mais antigos em países individuais operam a 15 kV.

• ⚠️ Aviso Crítico de Projeto (Erro Comum para Exportadores de SST):

  • A IEC 15 kV tem Um = 17,5 kV, enquanto a "Classe 15 kV" da IEEE 13,8 kV tem Um ≈ 15 kV. Embora ambas tenham BIL = 95 kV, a tensão máxima para os equipamentos difere.

  • A tensão residual do para-raios, as distâncias de fuga, o equilíbrio de tensão do módulo de potência e o isolamento do cabo devem ser calculados para 17,5 kV.

  • Não utilize a plataforma de hardware IEEE 15 kV para aplicações IEC 15 kV — a margem de isolamento será insuficiente, levando a riscos de ruptura a longo prazo. Por outro lado, usar a plataforma IEC 17,5 kV na América do Norte resulta em custos excessivos.

  • Portanto, a IEC 15 kV (Um = 17,5 kV) e a Classe IEEE 15 kV (Um ≈ 15 kV) devem ser tratadas como duas plataformas de isolamento completamente independentes.

Nível 6: 20 kV / 24 kV (Classe IEC 24 kV)

• Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Suporte à frequência de potência = 50 kV.

• Frequência: Principalmente 50 Hz.

• Regiões: Distribuição padrão da Europa Continental — Alemanha, França, Países Baixos, Bélgica, Áustria, Suíça, Dinamarca, Noruega, Suécia, Finlândia, Espanha, Portugal, Itália; também partes da América Latina (o Brasil possui distribuição mista de 20 kV).

• Nota: A IEC 60038 lista tanto 20 kV quanto 24 kV (20 kV como nominal, 24 kV como Um). Os equipamentos são uniformemente projetados para Um = 24 kV / BIL = 125 kV. A França utiliza tanto 20 kV quanto 33 kV.

Nível 7: 22 kV (Padrão De Facto Regional)

• Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Suporte à frequência de potência = 50 kV.

• Frequência: 50 Hz.

• Regiões: Indonésia, Tailândia, Vietnã (países do sistema IEC do Sudeste Asiático); a Coreia do Sul também inclui 22 kV (a tensão de distribuição padrão da KEPCO é 22.900 V, ou seja, 22,9 kV, 60 Hz); o Japão Ocidental utiliza 22 kV.

• ⚠️ Lembrete Crítico: 22 kV não está na sequência preferencial da IEC 60038; é uma tensão de desvio operacional regional. No entanto, os equipamentos devem ser projetados para Um = 24 kV, BIL = 125 kV. A incompatibilidade causará falhas nos testes de raio/impulso no local no Sudeste Asiático. A IEC 60038 observa que 22,9 kV (com Um = 24,2 ou 25,8 kV) é usado em "alguns países" — referindo-se especificamente à Coreia do Sul.

Série RW Transformador de Estado Sólido Híbrido CA-CC

Nível 8: 24,94 kV / 26,4 kV (Classe IEEE 25 kV)

• Um = 27 kV, BIL = 125 kV (150 kV opcional), Suporte à frequência industrial ≈ 50 kV.

• Frequência: 60 Hz.

• Regiões: América do Norte (subúrbios dos EUA, alimentadores longos rurais de carga leve, correspondendo a 24,94 kV GrdY/14,4 kV); partes da América Latina.

• Nota: Classificado como "Classe 25 kV" sob a ANSI C84.1. Os níveis de isolamento são próximos aos da IEC 24 kV, mas as tolerâncias de tensão do sistema diferem.

Nível 9: 30 kV / 33 kV (Classe IEC 36 kV)

• Um = 36 kV, BIL = 170 kV, Suporte à frequência industrial = 70 kV.

• Frequência: 50 Hz.

• Regiões: Reino Unido continental (distribuição primária de 33 kV), Índia (33 kV AT), África do Sul (Eskom), Egito, Quênia, Nigéria e outras nações africanas, Austrália, Nova Zelândia (33 kV), Golfo do Oriente Médio (EAU, Arábia Saudita, Catar, etc.), Etiópia (33 kV junto com 15 kV como espinha dorsal).

• Nota: A IEC 60038 lista 30 kV e 33 kV em paralelo; ambos são projetados para Um = 36 kV / BIL = 170 kV. Alguns países africanos classificam 33 kV como "alta tensão" para fins tarifários.

Nível 10: 34,5 kV (Classe IEEE 35 kV)

• Um = 38 kV (ou classe 36 kV), BIL = 200 kV (150 kV opcional), Suporte à frequência industrial = 80 kV.

• Frequência: 60 Hz.

• Regiões: América do Norte (EUA, Canadá – alimentadores longos rurais, interconexão de energia renovável), Brasil, México, outros latino-americanos (distribuição secundária/subtransmissão), Filipinas (34,5 kV).

• Nota: Classificado como "Classe 35 kV" sob a ANSI C84.1. Esta é a tensão predominante para interconexão de usinas de energia renovável na América do Norte.

Nível 11: 35 kV (IEC, Alguns Países)

• Um = 40,5 kV, BIL = 200 kV (145 kV de nível inferior em alguns casos).

• Frequência: 50 Hz.

• Regiões: França, partes do Norte da Europa, Europa Oriental, sistemas de influência russa, Vietnã (35 kV), partes da América do Sul.

• Nota: Esta é a extremidade superior da Série I da IEC 60038. Embora numericamente próxima de 34,5 kV da IEEE, o isolamento (Um = 40,5 vs. 38 kV) e a frequência (50 vs. 60 Hz) diferem. Os SSTs devem ser adaptados separadamente.

Nível 12: 45 kV / 66 kV (Transição Distribuição–Transmissão)

• Um = 52 kV / 72,5 kV, BIL ≈ 250 kV / 325 kV respectivamente.

• Regiões: Etiópia (45 kV, 66 kV subtransmissão), Reino Unido (66 kV), África do Sul (66 kV), Nova Zelândia (66 kV), América do Norte (69 kV).

• Nota: Estes se aproximam do limite MT/AT. Se SSTs forem aplicados aqui, o projeto deve seguir a classe de 72,5 kV. Este relatório foca principalmente em tensões de até 38 kV.

Nível 13: Retorno por Terra com Fio Único (SWER) – Caso Especial

• Tabela 7 da IEC 60038: Um = 24 kV corresponde a tensões do sistema de 13,9 kV / nominal 12,7 kV; Um = 36 kV corresponde a 20,8 kV / 19,1 kV. Usado principalmente em áreas remotas da Austrália e Nova Zelândia (12,7 kV / 19,1 kV SWER).

• As aplicações de SST são limitadas, mas o isolamento ainda se ancora nas classes de 24 kV / 36 kV.

3. Detalhamento por Sistema Padrão

3.1 Sistema Padrão IEC (Série I, Predominantemente 50 Hz)

Sequência de tensão nominal preferencial da Série I da IEC 60038 (1–35 kV):

3.3 — 6.6 — 11 — (15) — 22 — 33 — (35) kV

Sequência Um correspondente:

3.6 — 7.2 — 12 — (17.5) — 24 — 36 — (40.5) kV

Agrupamentos Regionais:

• Europa Continental (sistema de 20/24 kV): Alemanha, França, Países Baixos, países nórdicos, etc. Isolamento: Um = 24 kV / BIL = 125 kV.

• Sistema do Reino Unido e da Commonwealth (sequência de 11/33 kV): Reino Unido, Índia, Austrália/Nova Zelândia, África do Sul, Oriente Médio, maior parte do Sudeste Asiático. Corresponde a Um = 12 kV (BIL 75) e Um = 36 kV (BIL 170).

• Sudeste Asiático 22 kV Misto: Indonésia, Tailândia, Vietnã – ancorados na plataforma Um = 24 kV.

• Sistema de 15 kV da África Oriental (Foco Principal): Etiópia (backbone de 15+33 kV), Quênia, Tanzânia, etc. O 15 kV opera como uma plataforma independente em Um = 17,5 kV / BIL = 95 kV. Esta é a aplicação no mundo real mais significativa do valor não preferencial de 15 kV da IEC globalmente.

Série RW Transformador de Estado Sólido SST de 40,5kV

3.2 Sistema Padrão IEEE/ANSI (Série II / C84.1, 60 Hz)

As tensões norte-americanas derivam da progressão de 120 V × √3 (2,4 → 4,16 → 12,47 → 13,8 → 24,94 → 34,5 kV), fundamentalmente diferente da base europeia de 220 V (3,3/6,6/11 kV).

Classe de Isolamento (Classe de Tensão) conforme ANSI C84.1 + IEEE C57.12.00:

• Classe 5 kV: Cobre 4,16 kV, Um ≈ 4,76 kV, BIL = 60 kV.

• Classe 15 kV: Cobre 12,47 / 13,2 / 13,8 kV, Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (110 kV opcional).

• Classe 25 kV: Cobre 24,94 kV, Um = 27 kV, BIL = 125 kV (150 kV opcional).

• Classe 35 kV: Cobre 34,5 kV, Um = 38 kV, BIL = 200 kV (150 kV opcional).

Principais Regiões:

• Núcleo da América do Norte (13,8 kV + 34,5 kV): EUA, Canadá.

• América Latina (13,8/34,5 kV): Brasil, México, Argentina, Chile, etc.

• Ásia-Pacífico 60 Hz (Sistema IEEE): Filipinas (13,8/23/34,5 kV), Coreia do Sul (22,9/34,5 kV, 60 Hz), Arábia Saudita (partes em 13,8 kV, 60 Hz para petróleo/gás/municipal).

⚠️ Aviso Crítico: A "Classe 15 kV" norte-americana é um conceito de classe de isolamento, onde 12,47/13,2/13,8 kV compartilham a mesma plataforma de isolamento. Isso não deve ser confundido com o IEC 15 kV (Um = 17,5 kV).

3.3 Casos Mistos e Especiais

• Japão (Coexistência de 50/60 Hz – a única divisão de frequência Leste-Oeste do mundo):

  • Japão Oriental (Tóquio, Hokkaido, etc., 50 Hz): primário de 6,6 kV, com 22 kV no centro de Tóquio e para grandes usuários (SST requer plataforma de 22 kV).

  • Japão Ocidental (Kansai, Kyushu, etc., 60 Hz): primário de 22 kV.

  • Faixa de média tensão: 6,6 kV a 66 kV; backbone de distribuição aprox. 740.000 km. Interconectado por meio de 4 estações conversoras de frequência HVDC.

  • Estratégia SST: Requer plataformas de 7,2 kV e 24 kV + comutação de firmware de dupla frequência de 50/60 Hz.

• Coreia do Sul (60 Hz, Tensão IEC + Frequência IEEE Híbrida):

  • Tensão de distribuição padrão: 22.900 V (22,9 kV); também possui 6,6 kV e 34,5 kV.

  • 22,9 kV é classificado sob a IEC como próximo à classe de 24 kV (Um = 24,2/25,8 kV), BIL = 125 kV.

  • Estratégia SST: Plataforma de 24 kV + 60 Hz; deve cumprir as especificações técnicas de conexão à rede da KEPCO (especialmente anti-ilhamento, harmônicos, injeção de CC <0,5%, fator de potência >90%).

• África do Sul, Austrália: Nominalmente IEC, mas possuem múltiplas tensões coexistentes (11/22/33 kV), e a Austrália possui 12,7/19,1 kV SWER.

4. Isolamento Primário SST e Mapeamento de Parâmetros Chave

Os SSTs utilizam conversão eletrônica de potência (CA-CC-CA + transformador de isolamento de alta frequência). A coordenação de isolamento primária deve atender a ambos: (a) padrões de tensão suportável do lado da rede, e (b) sobretensão de desligamento e balanceamento de tensão dos módulos internos de IGBT/MOSFET/SiC.

Mapeamento Principal de Isolamento: