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Transformadores
Transformadores
Treinamento Operacional – Diretoria de RH Rua dos Lavapés, 463 – Cambuci
01519-000 - São Paulo - SP
Gerência de Treinamento Operacional Sergio Fesneda
Administração Denis Germino
Elisaldo de Melo
Patrícia Saline
Valdir Lopes
Elaboração técnica Ana Rita Ramos
Angela Chagas
Joana Costa
Samuel Braz
Projeto gráfico e editoração Michel de Oliveira
Rodolfo Justino
São Paulo, junho de 2007.
R:\Treinamento Tecnico\SEGMENTOS\AÉREO\CONSTRUÇÃO E MANUTENÇÃO DA REDE
DE DISTRIBUIÇÃO AÉREA (CMRDA)\APOSTILAS\MANUAL DE TRANSFORMADORES.doc
"Ninguém educa ninguém,
ninguém se educa sozinho,
os homens se educam em comunhão."
Paulo Freire
Sumário
1 Introdução___________________________________________ 1
2 Princípios de transformação _____________________________ 2
2.1 Eletromagetismo........................................................................................................ 2 2.1.1 Definição........................................................................................................... 2 2.1.2 Campo magnético num condutor ..................................................................... 2
2.2 Importância do núcleo do ferro ................................................................................ 3 2.3 Indução eletromagnética........................................................................................... 4
2.3.1 Definição........................................................................................................... 4 2.4 Indutância mútua ....................................................................................................... 5
3 Transformadores ______________________________________ 7
3.1 Componentes internos (parte ativa)......................................................................... 8 3.1.1 Núcleo de ferro ................................................................................................. 8 3.1.2 Óleo isolante..................................................................................................... 8 3.1.3 Painel de ligação (tap’s) ................................................................................... 8 3.1.4 Enrolamentos (bobinas) ................................................................................... 8 3.1.5 Bobina de alta tensão....................................................................................... 9 3.1.6 Bobina primária ................................................................................................ 9 3.1.7 Bobina secundária............................................................................................ 9
3.2 Componentes externos (parte passiva)................................................................. 10 3.2.1 Carcaça .......................................................................................................... 10 3.2.2 Placa de identificação..................................................................................... 10 3.2.3 Buchas primárias............................................................................................ 10 3.2.4 Buchas secundárias ....................................................................................... 10
4 Tipos de transformadores ______________________________ 11
4.1 Transformadores monofásicos .............................................................................. 11 4.1.1 Componentes do transformador monofásico ................................................. 12 4.1.2 Transformador aditivo..................................................................................... 13 4.1.3 Transformador subtrativo ............................................................................... 13
4.2 Transformadores trifásicos..................................................................................... 14 4.2.1 Componentes do transformador trifásico ....................................................... 15
5 Relação de transformação______________________________ 16
5.1 Triângulo das espiras .............................................................................................. 17
6 Ligação de bobinas ___________________________________ 19
6.1 Série .......................................................................................................................... 19 6.2 Paralelo ..................................................................................................................... 19 6.3 Delta ou triângulo (δ) ............................................................................................... 19 6.4 Estrela ou ipisilon (y)............................................................................................... 20
7 Ligações dos transformadores___________________________ 21
7.1 Ligação de ET de luz................................................................................................ 22 7.2 Ligação de ET de luz com 2 transformadores em paralelo.................................. 23 7.3 Ligação de ET delta aberto com 1 transformador de luz e 1 de força ................ 24 7.4 Ligação de ET delta fechado com 1 transformador de luz 2 de força ................ 25 7.5 Ligação de ET de força delta aberto (no primário e secundário) ........................ 26 7.6 Ligação de et de força elta fechado (no primário e secundário)......................... 27 7.7 Ligação do transformador trifásico........................................................................ 28
8 Trafo J _____________________________________________ 29
8.1 Introdução................................................................................................................. 29 8.2 Objetivo..................................................................................................................... 29 8.3 Critério de Utilização ............................................................................................... 29 8.4 Definições ................................................................................................................. 30 8.5 Condições gerais ..................................................................................................... 34
8.5.1 Condições gerais de serviço .......................................................................... 34 8.6 Características construtivas ................................................................................... 34
8.7 Identificação do transformador .............................................................................. 34 8.8 Esquema de ligação................................................................................................. 36 8.9 Precauções ............................................................................................................... 36 8.10 Recomendações para segurança operacional...................................................... 37
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1 Introdução Esta apostila foi desenvolvida pela para ser utilizada em cursos específicos para profissionais da Eletropaulo que realizam serviços de construção e manutenção de Estações Transformadoras de Distribuição.
Salienta-se que é imprescindível que os profissionais que realizam serviços em Estações Transformadoras, estejam equipados adequadamente os equipamentos de proteção individual e coletiva (EPI’s e EPC’s), bem como atentem as normas e procedimentos de segurança pertinentes às atividades.
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2 Princípios de transformação
2.1 Eletromagetismo
2.1.1 Definição Definimos Eletromagnetismo como sendo a propriedade que a corrente elétrica tem de produzir campo magnético ao redor de um condutor, quando da sua passagem através deste.
Podemos observar na figura ao lado, que a limalha de ferro é atraída pela bobina da mesma forma que seria atraída por um imã.
A experiência demonstra que a bobina se tornou magnetizada, em virtude da passagem da corrente elétrica pela mesma, e induzir esse magnetismo no prego (indução magnética).
O campo magnético acaba ao se interromper a corrente do circuito.
2.1.2 Campo magnético num condutor Para observar como é a disposição do campo magnético num condutor, realizamos a montagem ao lado.
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Podemos observar que as linhas de fora do campo magnético nem condutor, são circulares e ainda que vão “ enfraquecendo “ à medida em que se distanciam do mesmo.
Como a força de atração é maior junto ao condutor, neste local haverá sempre maior concentração de linhas.
2.2 Importância do núcleo do ferro Quando um pedaço de ferro doce é colocado num campo magnético, ele torna-se imantado por indução. Dessa forma, ele passa a se comportar exatamente como um imã, aumentando consideravelmente a intensidade do fluxo magnético do eletro-imã.
Acrescentando-se mais espiras a uma bobina que conduz corrente elétrica, aumentando-se o número de linhas de força e ele passa agir como eletro-imã mais forte.
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Na verdade, o núcleo de ferro terá a propriedade de concentrar melhorar as linhas de forças já que oferece menor relutância
(resistência) às linhas de força do que o próprio ar.O seu emprego aumenta enormemente a densidade do fluxo. (concentração).
Um aumento de corrente elétrica também aumenta o campo magnético e assim, os eletroímãs potentes são compostos de bobinas de muitas aspiras, que conduzem correntes relativamente elevadas.
2.3 Indução eletromagnética
2.3.1 Definição Indução Eletromagnética é o fenômeno pelo qual um campo magnético induz tensão elétrica num condutor. Para tanto, é necessário haver movimento relativo entre ambos, ou seja: campo variável e condutor fixo; ou campo fixo e condutor em movimento.
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Uma observação atenta do amperímetro, no momento em que o imã é colocado ou retirado da sua posição dentro da bobina, mostra que aparece uma corrente elétrica.
A corrente elétrica que aparece em conseqüência do movimento da bobina no campo magnético é chamada Corrente Induzida.
O fio condutor possui elétrons livres em seu interior e esses elétrons são facilmente deslocáveis.
Quando o fio se desloca no campo magnético, os elétrons acompanham o fio no seu movimento; portanto, ficam sujeitos a uma força na direção do eixo do condutor.
A intensidade da corrente induzida depende dos seguintes fatores; Características do condutor, velocidade de deslocamento do condutor e intensidade do campo magnético.
2.4 Indutância mútua Deve-se entender que o campo magnético da bobina existe não apenas através do centro da bobina, mas também em volta da mesma. Dessa forma, podemos definir indutância mútua, ou indução mútua, como sendo a propriedade de uma bobina induz campo magnético numa outra bobina.
Um campo magnético alternado induz uma tensão sobre a bobina.
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Dessa forma, podemos dizer que quando uma corrente alternada flui nos enrolamentos primários e secundários há uma indução mútua.
Lembre-se, entretanto que somente haverá indutância mútua ou indução mútua, quando se tratar de corrente alternada.
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3 Transformadores São máquinas elétricas que tem propriedade de elevar ou abaixar valores de tensão ou correntes, num circuito elétrico.
São constituídos basicamente de dois enrolamentos (bobinas), eletricamente isolados ou envolvidos por um núcleo de ferro comum.
O funcionamento dos transformadores é baseado no princípio de que a energia elétrica pode ser transferida eficientemente pela indução mútua de um enrolamento a outro.
A corrente elétrica alternada ao circular no enrolamento primário (Corrente de Magnetização, ou Excitação) cria, ao redor deste, um fluxo magnético alternado. Esse fluxo estabelecido no núcleo de ferro corta as espiras tanto do enrolamento primário, quanto ao secundário, induzindo neste último uma força eletromotriz, ou tensão
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induzida. A passagem do fluxo magnético do enrolamento primário para o secundário é feita através do núcleo de ferro.
3.1 Componentes internos (parte ativa)
3.1.1 Núcleo de ferro È uma peça composta por várias lâminas de um ferro especial (aço sílico), justaposta umas sobre as outras e isoladas entre si, cujo objetivo é transportar o fluxo magnético do enrolamento primário para o secundário.
O silico reduz por histerese e também aumenta a resistência elétrica do ferro, reduzindo as correntes parasitas.
As correntes parasitas que aparecem no núcleo laminado são de intensidade bem menores do que as correntes parasitas que aparecem no núcleo maciço. Portanto, o efeito do de aquecimento será bem, menor permitindo um maior rendimento do transformador.
3.1.2 Óleo isolante É responsável pela isolação elétrica dos componentes internos, bem como pelo resfriamento dos mesmos.
3.1.3 Painel de ligação (tap’s) Local que se concta as ligações das bobinas primárias do transformador.
3.1.4 Enrolamentos (bobinas) São condutores elétricos enrolados ordenadamente em forma de bobina no núcleo de ferro. Tem a propriedade de armazenar a energia elétrica sob a forma de campo magnético.
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3.1.5 Bobina de alta tensão O condutor que compõe o enrolamento, ou bobina, necessita de uma camada isolante ao seu redor (verniz), a fim de que a corrente elétrica que o percorre não provoque um curto-circuito entre as espiras.
O enrolamento primário é sempre o que está conectado à fonte de energia e o enrolamento secundário é sempre conectado à carga.
Na prática, as relações de tensão e corrente dependem quase que exclusivamente do número de apiras que compõe o enrolamento.
O enrolamento é chamado primário (N1) quando recebe alimentação de uma fonte (V1). È chamdo secundário (N2) quando alimenta uma carga, ou simplesmente, quando em seus terminais aparece uma tensão (V2).
3.1.6 Bobina primária È a bobina do transformador ligado do lado da fonte.
3.1.7 Bobina secundária È a bobina do transformador ligado do lado da carga.
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3.2 Componentes externos (parte passiva)
3.2.1 Carcaça protege os componentes internos do transformador contra agentes esternos (poeira, umidade e outros)
3.2.2 Placa de identificação contém as principais características do transformador. Mostrando inclusive como deve ser modificado o painel de ligação para as diferentes tensões primárias.
3.2.3 Buchas primárias os terminais da bobina primária são ligados às buchas primárias e são marcados com a letra H acompanhadas de um número, sendo que o número menor é o começo e o maior o fim da bobina.
3.2.4 Buchas secundárias os terminais da bobina secundárias são ligados às buchas secundárias e são mercados com as letras X acompanhadas de um número, sendo que o número menor é o começo e o maior o fim da bobina.
OBS: Nos transformadores trifásicos o X é o de aterramento das bobinas.
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4 Tipos de transformadores
4.1 Transformadores monofásicos Os transformadores monofásicos são aqueles que tem dois enrolamentos eletricamente isolados um do outro (um primário e o outro secundário)
OBS: Os transformadores monofásicos são alimentados por uma única fase.
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4.1.1 Componentes do transformador monofásico
Tabela de grupos de transformadores monofásicos
Classe de tensão (kv) CLASSE DE TENSÃO
Grupo NOME ANTIGO NOME NOVO Potência
15
B
AB
-
G
H
S
25 - I
34,5 F J
10-25-50-100
(Em todos os grupos)
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4.1.2 Transformador aditivo O transformador aditivo possui a bucha secundária X3 embaixo ou ao lado da bucha primária H1.
4.1.3 Transformador subtrativo O transformador subtrativo possui a bucha secundária X1 embaixo ou ao lado da bucha primária H1.
OBS: O sentido do enrolamento secundário do transformador subtrativo é inverso ao do aditivo.
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4.2 Transformadores trifásicos Os transformadores trifásicos são aqueles que tem três enrolamentos eletricamente conectados.
Os transformadores trifásicos são alimentados por três fases.
TABELA DE GRUPOS DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICO
Classe de tensão (kv) CLASSE DE TENSÃO
Grupo NOME ANTIGO NOME NOVO Potência
5 C1 L
15
Q3
C
-
M
N
M/L
25 R O
15-30-75-150-225-300
(Em todos os grupos)
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4.2.1 Componentes do transformador trifásico
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5 Relação de transformação Numa transformação, o nº de vezes que a tensão aumenta ou diminui (no secundário) é a relação de transformação (RT). Esse mesmo para a corrente e o número de aspiras.
A relação que existe entre as tensões,correntes e números de aspiras é escrito, matematicamente, das sguintes formas:
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5.1 Triângulo das espiras
OBS: As duas bobinas anteriores simbolizam um transformador, sendo que a primária (a de entrada) possui o símbolo de tensão acompanhado do n 1, e a secundária (a de saída) possui o símbolo de tensão acompanhados do nº 2.
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O valor calculado significa (169/1) que para cada 160 v, que entra no primário, sai 1 v no secundário.
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6 Ligação de bobinas
6.1 Série
6.2 Paralelo
6.3 Delta ou triângulo (δ)
20
6.4 Estrela ou ipisilon (y)
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7 Ligações dos transformadores Para efeito de nomenclatura dos circuitos secundários apresentados a seguir, usamos a denominação fase, simplesmente (conforme PD4.1), pois estes esquemas são válidos tanto para circuitos verticais quanto para horizontais, montados em cruzeta. Normalmente usa-se a denominação fase de cima e fase de baixo para circuitos verticais e fase de dentro e fase de rua para circuitos horizontais, embora essa nomenclatura não seja padronizada.
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7.1 Ligação de ET de luz
23
7.2 Ligação de ET de luz com 2 transformadores em paralelo
24
7.3 Ligação de ET delta aberto com 1 transformador de luz e 1 de força
25
7.4 Ligação de ET delta fechado com 1 transformador de luz 2 de força
26
7.5 Ligação de ET de força delta aberto (no primário e secundário)
27
7.6 Ligação de et de força elta fechado (no primário e secundário)
28
7.7 Ligação do transformador trifásico
29
8 Trafo J
8.1 Introdução Em 1999 se constatou que existia aproximadamente 3.000 transformadores de Distribuição Aérea de 25 kVA para manutenção e a tendência é o aumento do estoque para manutenção deste tipo de transformador, em virtude do aumento de potência instalada. Foram apresentadas varias propostas sendo a mais viável a transformação do transformador fase/neutro em fase/fase, desenvolvido pelo corpo técnico da Eletropaulo, surgindo então o transformador do grupo “J”.
Na época foram realizadas várias baterias de ensaios, em laboratório próprio, para verificação da qualidade do projeto com:
Verificação das grandezas elétricas Distúrbios (harmônicos) Estabilidade do conjunto.
Após estas baterias de ensaios, o conjunto foi considerado com desempenho satisfatório.
Nota: Após o projeto ter sido aprovado foi contemplada outra potência (37,5 e 50 kVA).
8.2 Objetivo 8.2.1 Esclarecer e orientar os profissionais da Eletropaulo cujas atividades estejam
relacionadas à construção e manutenção de redes aéreas de distribuição aérea.
8.2.2 O esquema de ligação dos transformadores monofásico, está estabelecido no padrão PD-4008 – Redes Aéreas com Cabos Pré-Reunidos de Baixa Tensão, desenhos CP-05-12 A “Estação Transformadora Delta Fechada”.
8.3 Critério de Utilização 8.3.1 Em toda rede de distribuição, onde estão instalados consumidores trifásicos,
atendidos pelo sistema estrela aterrada (220/127V).
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8.3.2 Os transformadores devem ser instalados de forma que a carga centralizada, e mais próximo do consumidor de maior carga, o qual pode ser suprido diretamente dos transformadores.
8.3.3 Na aplicação desta instrução técnica, consultar os seguintes Padrões:
PD – 8.001 – Materiais para Rede de Distribuição aérea; PD – 4.001 – Material Padronizado para Rede de Distribuição Aérea; PD – 4.008 – Redes de Distribuição Aérea com Cabos Pré Reunidos de Baixa
Tensão, desenhos CP-05-12 A “Estação Transformadora Estrela Fechada”.
8.4 Definições 8.4.1 Transformador é um equipamento elétrico que, por indução eletromagnética,
transforma tensão e corrente alternadas entre dois ou mais enrolamentos, sem mudança de freqüência.
8.4.2 Sistema trifásico é a composição de três sistemas monofásicos de tensões Va, Vb e Vc, tais que a defasagem entre eles seja de 120°.
Figura 1 – Tenções de fase de um sistema trifásico
8.4.3 Potência nominal (Pn) é o valor aparente atribuído ao enrolamento e pelo qual ela é designada. No caso do transformador do grupo “J” e a soma da potência dos três transformadores designada de potencia total em kVA.
8.4.4 Corrente nominal (In) é a corrente que percorre um terminal de linha do enrolamento e cujo valor e deduzido dos valores nominais de potencia e da tensão.
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8.4.5 Tensão nominal (Vn) é a tensão que percorre o enrolamento, cujas características são definidas na compra do transformador.
8.4.6 Ligação Triângulo é um circuito constituído por três ramos (enrolamentos monofásicos), que formam uma malha. Se ligarmos os três sistemas monofásicos entre si como indica a figura 2, podemos eliminar três fios, deixando apenas um em cada ponto de ligação, e o sistema trifásico ficará a três fios.
Figura 2 – Ligação triângulo
No caso de ligação triângulo a tensão de Linha (VL) é a própria tensão de Fase (VF);
Nesta situação a corrente de Linha (IL) é a soma das correntes das duas fases ligadas a este fio, ou seja, I = IFD + IFE. Como as correntes estão defasadas entre si, a soma deverá ser feita graficamente como a figura 3. Pode-se mostrar
que: VLVF
IFXIL== 3
Figura 3 - Diagrama
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8.4.7 Ligação estrela é um circuito que todos os ramos (enrolamentos), são ligados a um só nó comum.
Se ligarmos um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum aos três restantes, forma-se um sistema trifásico em estrela, conforme figura 4.
Figura 4 – Ligação estrela
No caso de ligação estrela a corrente de Linha (IL) é a própria corrente de Fase (IF).
Nesta situação a tensão entre dois fios qualquer do sistema trifásico é a soma gráfica das tensões de duas fases ás quais estão ligados aos fios considerados,
conforme figura 5. Pode-se mostrar que: ILIF
IFXVL== 3
Figura 5 – Diagrama
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8.4.8 Polaridade é a designação dos sentidos (horário ou anti-horário), instantâneos das correntes nos terminais de um transformador. A polaridade é medida somente em transformadores monofásicos podendo ser aditivo ou subtrativo, conforme figura 6.
Figura 6 - Polaridades
8.4.9 Deslocamento angular é a diferença angular entre fasores que apresentam as tensões entre o ponto neutro, real ou ideal, e os terminais correspondentes de dois enrolamentos, quando um sistema de seqüência positiva de tensão é aplicado aos terminais de tensão mais elevada. Os transformadores devem ser trifásicos ou um banco de transformadores monofásicos, com o enrolamento primário em triângulo e secundários em estrela aterrada, sendo o deslocamento angular entre eles de 30° com fases de tensões secundárias atrasadas em relação às correspondentes de tensão primária, conforme figura 7.
Figura 7 - Diagrama fasorial Dyn1
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8.5 Condições gerais
8.5.1 Condições gerais de serviço As condições gerais de serviço devem estar de acordo com os requisitos a seguir:
O sistema de ligação dos transformadores do grupo “J” e diferente do que vem sendo praticado nas estações transformadoras – ET delta fechado, ou seja, o primário deve ser ligado em TRIANGULO (∆) e o secundário ligado em ESTRELA ATERRADA (Υa);
8.6 Características construtivas Conforme tabela 1, a diferença entre os grupos e a variação da tensão, como podemos verificar:
Grupo Tensões (V)
Primária Secundária
B 7810/7620/7430 240/120
G 7967/7621/7275
A/B 7810/7620/7430/2320/2210/2100
H 7967/7621/7275/2320/2210/2100
240/120 TRA
FO1Ø
J 13800/13200/12600 127 Tabela 1 –Grupos de transformadores
8.7 Identificação do transformador O transformador do grupo “J” possui algumas características de fácil identificação como segue:
a. Possui somente duas buchas no secundário (X1 e X2);
b. No corpo do transformador existe duas identificações:
Esta marcado o grupo do transformador com a letra “J” em preto; Tem um triângulo em vermelho que significa que o primário do transformador
deve ser ligado em TRIANGULO (∆) e conseqüentemente o secundário ligado em ESTRELA ATERRADA (Υa).
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c. A placa de identificação do transformador, esta descrita as tensões primárias e secundárias - 13.800/13.200/12.600 – 127 V – Ligado em 13.200 – 127 V;
d. A polaridade e subtrativa;
e. Verificação do tipo de ligação que esta na estação transformadora – ET.
f. Segue abaixo a figuras 8, referentes às identificações existentes no transformador:
Figura 8 – Identificações
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8.8 Esquema de ligação Segue abaixo as características e esquema de ligação, conforme figura 9.
Primário ligado em Triângulo Secundário ligado em Estrela Defasagem 30°
Figura 9 – Esquema de ligação
8.9 Precauções Na construção de uma estação transformadora nova não há nenhum problema de risco operacional.
Cabe salientar que quando o CDS (eletricistas) ou Empreiteira forem substituir algum destes transformadores do grupo “J” e substituírem por dos grupos “B” ou “G”, o transformador queimará e dependendo da carga poderá ocorrer explosão do tanque (abertura da solda do tanque) com escorrimento de óleo quente, ou seja, o sistema DELTA (∆) a tensão de linha e igual a de fase (13.200 V), já mas estações existente ESTRELA ATERRADA (Υa) a tensão de linha é 13.200 V e de fase 7.621V.
Numa estação (ET), formada por transformadores do grupo “G” cada unidade e de 7.621 V, já no grupo “J” cada unidade e de 13.200 V, isto significa que numa manutenção não forem observados os detalhes do item 5 desta instrução, o transformador do grupo “G” será aplicado o dobro da tensão nominal do transformador.
As situações acima mencionadas também poderão ocorrer também em transformadores do grupo A/B ou H (ligados em 2.210 V), neste caso até mais grave porque está sendo aplicado mais do triplo de tensão nominal por fase.
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Os transformadores do grupo “J”, se forem ligado em uma estação existente (transformadores dos grupos “B”, “G”, “A/B” e “H”), não provocará nenhum risco operacional (somente a tensão secundaria será a metade da nominal).
Esclarecendo, se na ligação ESTRELA do transformador for ligado ao medidor do consumidor DELTA a Eletropaulo estará perdendo faturamento, por este motivo tem que se atentar a este fato.
8.10 Recomendações para segurança operacional a. Colocação de uma placa de advertência que se trata de “ET Trifásica”, esta
placa ficara na seqüência da placa de identificação da ET, vide figura 10;
b. Identificação na planta primária e secundária;
c. Administração de curso/palestra sobre o assunto;
d. Controle a parte no CDS destas ET’s.
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