Transformadores de Média Tensão para Usinas Solares: Como Escolher os Níveis de Tensão no Lado Coletor

A tensão do lado coletor deve ser selecionada a partir do ponto de interligação em direção à rede, e não a partir do catálogo de transformadores em direção ao ponto de interligação. Uma usina solar pode utilizar 20 kV, 33 kV, 34.5 kV ou outro nível de média tensão em sua rede coletora, mas a escolha correta é aquela que corresponde à arquitetura de interligação aprovada pela concessionária, à classe de isolamento exigida dos equipamentos, à configuração dos blocos de inversores e ao ponto de equilíbrio econômico entre as perdas nos cabos e o custo dos equipamentos.

Uma tensão coletora mais elevada não resulta automaticamente em um projeto melhor. Ela reduz a corrente para uma determinada transferência de potência e pode reduzir as perdas nos alimentadores, mas pode exigir aparelhagem de manobra, cabos, terminações, para-raios e isolamento de transformadores mais caros. Uma tensão mais baixa pode simplificar a seleção de equipamentos em instalações compactas, mas torna-se difícil de justificar quando longos percursos de alimentadores ou grande capacidade agregada dos blocos elevam a corrente e a queda de tensão. Portanto, a decisão prática é uma decisão elétrica e construtiva em nível de sistema, e não apenas uma decisão sobre a potência nominal do transformador.

Comece pelo plano de tensão da concessionária, não apenas pelas designações nominais

A primeira restrição é o arranjo de tensão aceito pelo operador da rede. O sistema coletor deve interligar-se corretamente à subestação do projeto, ao esquema de proteção, ao arranjo de medição e ao transformador elevador do lado da rede. Se o enrolamento de baixa tensão da subestação for especificado em 33 kV, por exemplo, selecionar transformadores coletores de 20 kV por estarem disponíveis localmente introduz uma etapa de transformação desnecessária ou exige o redesenho da interface da subestação. Qualquer um dos resultados acrescenta perdas, equipamentos, controles, requisitos de área e risco de coordenação.

A tensão nominal é apenas uma parte do requisito. As especificações devem distinguir entre:

• a tensão nominal de operação do sistema coletor;
• a tensão máxima para o equipamento, que determina a coordenação de isolamento;
• a frequência aplicável e o método de aterramento do sistema;
• as condições de sobretensão contínua e as premissas de eliminação de faltas;
• os níveis exigidos de suportabilidade a impulso atmosférico e à frequência industrial;
• as regras da concessionária para proteção, medição, controle de potência reativa e regulação de tensão.

Um transformador identificado para um sistema nominal de 33 kV não é necessariamente intercambiável com equipamentos projetados para uma tensão máxima de sistema diferente. Acessórios de cabos, buchas, conectores separáveis, aparelhagem de manobra, para-raios e afastamentos devem ser adequados à mesma classe de isolamento. Essa questão é especialmente importante em aquisições internacionais, nas quais uma cotação pode utilizar uma convenção regional de tensão nominal que não descreve integralmente a classificação exigida do equipamento.

Ajuste a relação de transformação à arquitetura dos blocos de inversores

Os transformadores coletores em usinas solares normalmente elevam a tensão de saída dos inversores ao nível de coleta em média tensão. Seu enrolamento de baixa tensão deve corresponder à saída real do inversor e à sua tolerância operacional, e não a uma tensão genérica de distribuição. Dependendo do projeto do inversor e da prática elétrica regional, o lado de BT do transformador pode basear-se em uma saída especificada do inversor de 400 V, 415 V, 480 V, 690 V ou outro nível.

A relação também deve considerar que um inversor não se comporta como uma carga passiva. Sua tensão de saída, operação de potência reativa, desempenho harmônico e limite de corrente são características operacionais controladas. A impedância e o arranjo de taps selecionados para o transformador influenciam se o inversor consegue manter a tensão-alvo em seus terminais enquanto fornece potência ativa e a potência reativa exigida no ponto de interligação.

Uma relação que parece correta em condições nominais pode tornar-se restritiva se deixar margem de tensão insuficiente para:

• queda de tensão no alimentador coletor durante alta produção;
• exportação ou absorção de potência reativa exigida pelo código de rede;
• queda de tensão na impedância do transformador;
• limites de tensão do inversor sob alta temperatura ambiente;
• posição do tap e variação esperada da tensão da concessionária.

Por esse motivo, a relação do transformador coletor deve ser verificada por meio de casos de fluxo de carga, em vez de ser selecionada apenas pela comparação das tensões de placa. No mínimo, o modelo elétrico deve examinar a máxima exportação de potência ativa, alta demanda de potência reativa, tensão mínima e máxima da rede, indisponibilidade de um bloco de inversores e a posição operacional prevista dos taps.

A escolha da tensão altera a economia dos alimentadores

Para um alimentador coletor trifásico, a corrente é aproximadamente determinada por:

I = P / (√3 × V × fator de potência)

À medida que a tensão coletora aumenta, a corrente diminui para a mesma potência transferida. Uma corrente menor pode reduzir a seção dos condutores, as perdas resistivas, a queda de tensão e o número de circuitos de cabos em paralelo. Esse benefício torna-se mais relevante à medida que aumentam as distâncias dos alimentadores e a agregação dos blocos.

No entanto, a comparação não pode se limitar às perdas nos condutores. O preço dos cabos de média tensão é influenciado pela seção do condutor, pela classe de tensão de isolamento, pelo projeto da blindagem metálica, pelo método de instalação, pelos requisitos de emendas e pela disponibilidade local. Sistemas de tensão mais elevada também exigem aparelhagem de manobra e terminações compatíveis, enquanto os procedimentos de ensaio e comissionamento podem se tornar mais rigorosos. Em uma instalação solar compacta com trechos coletores curtos, a redução de perdas obtida com uma tensão mais alta pode não compensar esses custos adicionais. Em uma instalação dispersa com alimentadores radiais longos, a mesma alteração de tensão pode melhorar substancialmente o arranjo elétrico.

Uma avaliação útil compara alternativas completas, e não preços de equipamentos isolados. Cada opção deve incluir perdas do transformador, perdas dos alimentadores, abertura de valas e instalação de cabos, RMUs ou pontos de seccionamento, classificações da aparelhagem de manobra, obras civis, estratégia de peças sobressalentes, escopo de comissionamento e valor projetado da energia ao longo da vida operacional. A pergunta relevante não é se um cabo de 33 kV é mais caro do que um cabo de 20 kV; é se o esquema completo de coleta de 33 kV oferece menor custo de ciclo de vida para o layout aprovado da instalação.

A impedância do transformador é uma variável de projeto, não um valor padronizado

A impedância do transformador afeta a corrente de falta, a regulação de tensão, a operação em paralelo e o desempenho do inversor. Uma impedância menor reduz a queda de tensão através do transformador, o que pode melhorar a tensão nos terminais do inversor durante alta exportação. Ela também aumenta a corrente de curto-circuito presumida no lado de BT. Uma impedância maior ajuda a limitar o nível de curto-circuito, mas pode consumir margem de tensão e dificultar o desempenho de potência reativa.

A impedância selecionada deve ser compatível com a contribuição de corrente de falta do inversor, a classificação de suportabilidade do quadro de BT, a coordenação de proteção de MT e os requisitos da concessionária para estudos de faltas. Os inversores solares normalmente fornecem corrente de falta controlada e limitada em comparação com geradores síncronos, mas isso não elimina a necessidade de um estudo de proteção adequado. A impedância do transformador, a impedância dos cabos coletores, o projeto de aterramento, os ajustes de proteção e as funções de permanência em falta dos inversores influenciam a detecção e o isolamento de faltas.

É arriscado copiar valores de impedância de uma especificação convencional de transformador de distribuição industrial sem confirmar o modelo de rede da usina solar. O bloco de inversores, o alimentador e a filosofia de proteção da subestação formam um único sistema elétrico.

Os arranjos de taps devem apoiar a estratégia operacional

A maioria dos transformadores coletores utiliza taps sem carga, em vez de comutadores de taps sob carga. Isso costuma ser apropriado porque os controles dos inversores podem regular dinamicamente a potência reativa e o perfil de tensão do coletor normalmente é projetado em torno de uma relação fixa do transformador. Contudo, uma relação fixa só é satisfatória quando a faixa esperada de tensão da concessionária e as condições operacionais da usina foram avaliadas.

A seleção dos taps deve considerar a tensão nos terminais de AT do transformador, a queda esperada no alimentador, a faixa operacional do inversor e o ponto no qual as obrigações de potência reativa são medidas. Uma posição de tap que maximiza a produção de potência ativa em uma condição de tensão da rede pode reduzir a margem de potência reativa em outra.

A comutação de taps sob carga pode ser justificada em aplicações específicas de coleta ou subestação, mas acrescenta complexidade mecânica, integração de controles, requisitos de manutenção e modos de falha. Ela deve ser selecionada porque o estudo de regulação de tensão demonstra essa necessidade, e não porque parece oferecer uma solução universalmente superior.

Não confunda transformadores coletores com transformadores de serviços auxiliares

Uma usina solar possui mais de uma função de transformação. O transformador elevador do inversor transfere a geração da tensão do inversor para o sistema coletor de MT. Um transformador de serviços auxiliares alimenta cargas auxiliares, como equipamentos SCADA, iluminação, refrigeração, sistemas de segurança, painéis de controle, carregadores de baterias e instalações de manutenção. As duas aplicações podem ter diferentes relações de transformação, perfis de carga, requisitos de proteção e prioridades ambientais.

Para instalações com requisito de alimentação auxiliar de 20 kV, umTransformador de Distribuição de Potência Imerso em Óleo 20kV/0.4kV pode ser relevante para a distribuição de serviços auxiliares, e não para a principal função elevadora do inversor. Sua relação de 20 kV para 0.4/0.415 kV ilustra por que a função do transformador deve ser claramente separada durante a especificação: um transformador selecionado para atender cargas auxiliares de BT não substitui um transformador coletor destinado a elevar a saída do inversor à média tensão.

Essa distinção é importante na documentação de licitação. Se o termo “transformador solar” for utilizado sem definir os lados de tensão e a função, os fornecedores poderão cotar equipamentos tecnicamente válidos, mas operacionalmente inadequados. Cada lista de transformadores deve indicar seu serviço: elevação do inversor, subestação coletora, transformador de aterramento, serviços auxiliares ou outra função definida.

As condições ambientais influenciam a confiabilidade da classificação de tensão

A seleção da tensão do lado coletor também tem consequências físicas para a instalação. Instalações solares externas podem expor transformadores e acessórios de MT a altas temperaturas ambiente, radiação solar intensa, poeira, contaminação salina, umidade, risco de inundação e acesso limitado para manutenção. Essas condições não alteram o requisito de tensão nominal, mas podem influenciar o desempenho do isolamento, as margens de resfriamento, a seleção de invólucros, o projeto das terminações e o líquido ou sistema de isolamento preferido para o transformador.

Transformadores imersos em óleo podem oferecer desempenho térmico robusto e são frequentemente considerados quando a contenção apropriada, a avaliação de risco de incêndio e os controles ambientais são incorporados ao projeto. Fluidos isolantes naturais ou à base de éster podem ser avaliados quando o desempenho contra incêndio ou as considerações ambientais forem relevantes, mas a decisão deve incluir os requisitos locais de licenciamento, os arranjos de contenção de derramamentos, a capacidade de manutenção e os limites de projeto validados pelo fabricante.

A altitude exige atenção especial. A menor densidade do ar afeta o isolamento externo e o resfriamento. Um conjunto de transformador, bucha ou aparelhagem de manobra adequado ao nível do mar pode exigir desclassificação ou afastamentos de isolamento alterados em locais elevados. O mesmo princípio se aplica às terminações de cabos de MT e aos para-raios. Esses detalhes devem ser definidos antes da emissão dos pedidos de compra dos equipamentos, pois alterações específicas do local após a aprovação do projeto de fábrica podem afetar os cronogramas de entrega.

A disciplina de especificação evita problemas de compatibilidade em estágios finais

Os erros mais prejudiciais relacionados à tensão coletora tendem a surgir nas interfaces: um transformador de inversor com enrolamento de BT incompatível, aparelhagem de manobra de MT com classificação insuficiente, conectores de cabos que não correspondem à interface da bucha ou relações de TC de proteção que deixam de funcionar após uma revisão da capacidade do bloco. Uma lista coordenada de equipamentos é mais valiosa do que uma coleção de fichas técnicas individualmente conformes.

Uma consulta técnica completa para transformador deve definir a potência nominal na condição de resfriamento relevante, as tensões nominais de AT e BT, a faixa e a posição dos taps, o grupo vetorial, a tolerância de impedância, os níveis de isolamento, a frequência, o tratamento do neutro, as perdas, os limites de elevação de temperatura, a disposição dos terminais, a interface da caixa de cabos ou das buchas, os requisitos de invólucro e corrosão, as normas aplicáveis, as expectativas de ensaios de rotina e de tipo, as restrições de transporte e a documentação exigida.

Normas como IEC 60076 ou as normas IEEE C57 aplicáveis a transformadores podem fornecer a estrutura técnica, mas não substituem a coordenação específica do projeto. As condições de interligação da concessionária, os códigos elétricos locais e os requisitos técnicos de seguradoras ou financiadores podem impor requisitos adicionais para ensaios, proteção, segurança contra incêndio, capitalização de perdas e documentação de qualidade.

A classificação correta é aquela que preserva margem em todo o modelo da usina

Um transformador de média tensão para usinas solares deve ser selecionado após a avaliação conjunta da tensão coletora, da faixa operacional do inversor, do layout dos cabos, das metas de impedância, dos níveis de falta e da interface da subestação. O transformador de menor custo inicial pode criar custos ocultos se sua relação limitar a capacidade do inversor ou se a tensão selecionada impuser perdas excessivas nos alimentadores. Por outro lado, um sistema coletor de tensão mais elevada pode ser superdimensionado quando a geometria da instalação não justifica seu custo adicional de equipamentos e instalação.

A base mais sólida para a decisão é um estudo elétrico coordenado, apoiado por uma lista de equipamentos inequívoca. Quando a tensão coletora aprovada é traduzida de forma consistente em níveis de isolamento do transformador, ajustes de taps, classificações de cabos, interfaces da aparelhagem de manobra e ajustes de proteção, o projeto evita uma categoria de alterações em estágio final que são dispendiosas justamente por parecerem detalhes menores de placa de identificação.