Seleção de Transformadores para Projetos de Mineração: Considerações-Chave para Locais Isolados e Conectados à Rede

A confiabilidade do suprimento de energia de uma mina afeta diretamente a segurança da produção e a eficiência operacional. Como equipamento central para conversão de energia, a seleção do transformador determina se todo o sistema elétrico de mineração pode operar de forma estável. No entanto, minas fora da rede e minas conectadas à rede diferem fundamentalmente na estrutura da fonte de energia e no modo de operação, de modo que o foco da seleção do transformador também é distinto. Este artigo descreve os pontos-chave da seleção de transformadores para ambos os cenários.

Uma mina isolada depende totalmente de suas próprias fontes de energia (geradores a diesel, painéis fotovoltaicos solares, sistemas de armazenamento de energia, etc.) e não está conectada a nenhuma rede elétrica externa. O sistema deve equilibrar, em tempo real, a geração e o consumo de energia por conta própria. Isso significa que as flutuações nas fontes de energia (como a natureza intermitente dos painéis fotovoltaicos solares) devem ser absorvidas pelo armazenamento de energia e por geradores de reserva, exigindo maior continuidade no fornecimento.

Uma mina conectada à rede está ligada a uma rede elétrica externa, que atua como fonte principal ou de reserva de energia e fornece suporte estável de tensão e frequência. A mina pode adquirir energia da rede e, quando as condições permitirem, suprir parcialmente suas próprias necessidades por meio de geração renovável. O sistema é relativamente menos complexo.

A escolha do transformador para um projeto minerador depende, em primeiro lugar, do nível de segurança do local de instalação.

Transformadores Imersos em Óleo utilizam óleo isolante como meio de refrigeração e isolamento. Possuem elevada capacidade de sobrecarga e boa dissipação térmica, sendo adequados para subestações de superfície, áreas a céu aberto e outros cenários de baixo risco com cargas pesadas. Seu custo de aquisição é menor, a tecnologia é madura e oferece bom custo-benefício em condições de fornecimento de energia de alta capacidade. Contudo, o óleo isolante apresenta riscos de vazamento e incêndio, exigindo testes regulares de qualidade do óleo.

Transformadores a seco utilizam resina epóxi fundida para isolamento. São livres de óleo, retardadores de chama e resistentes ao fogo, sendo adequados para túneis subterrâneos e faces de trabalho com altas concentrações de gás ou espaços confinados. São compactos, à prova de poeira e à prova de umidade, com manutenção rotineira simples. As desvantagens incluem custo de aquisição mais elevado e capacidade de sobrecarga relativamente limitada.

Em resumo: optar por transformadores a seco em primeiro lugar para áreas subterrâneas de alto risco; transformadores imersos em óleo podem ser preferidos para cenários de superfície e de baixo risco.

Comparação de cenários de aplicação

1. Adaptação às flutuações da fonte de energia. Sistemas fora da rede frequentemente utilizam uma configuração híbrida de "geração a diesel + PV solar + armazenamento de energia". As flutuações na produção fotovoltaica e a partida/parada dos geradores a diesel causam ambas alterações na tensão e na frequência. O transformador precisa ter boa capacidade de regulação de tensão; um modelo com comutação sob carga pode ser necessário para lidar com as mudanças frequentes no lado da fonte de energia.

2. Capacidade de suportar impactos de carga. Equipamentos grandes, como britadores e moinhos de bolas em minas, podem demandar correntes de partida diversas vezes superiores ao valor nominal. Um sistema isolado não possui o suporte robusto de uma rede elétrica, portanto o transformador deve dispor de margem suficiente de sobrecarga para evitar quedas acentuadas na tensão do sistema durante a partida dos motores. A seleção da capacidade deve basear-se na curva real de carga, com redundância razoável.

3. Condições de transporte e instalação. As estradas que levam a sítios remotos de mineração costumam ser limitadas; por isso, devem ser consideradas as dimensões e o peso do transformador durante o transporte, bem como a viabilidade de sua montagem no local. Caso um transformador imerso em óleo exija o enchimento com óleo no local, também devem estar disponíveis equipamentos e condições adequados para tratamento do óleo.

1. Adequação da impedância de curto-circuito. Durante a operação conectada à rede, a impedância de curto-circuito do transformador deve ser coordenada com a capacidade de curto-circuito da rede. Uma impedância muito baixa leva a uma corrente de curto-circuito excessiva, aumentando a carga nos equipamentos de manobra; uma impedância muito alta provoca uma regulação de tensão excessiva. A verificação deve basear-se na corrente de curto-circuito esperada fornecida pela rede.

2. Seleção do grupo vetorial. As cargas mineradoras incluem uma grande parcela de equipamentos não lineares, como conversores de frequência e partidores suaves, e as correntes harmônicas podem afetar a operação do transformador. O grupo vetorial Dyn11 apresenta desempenho superior ao Yyn0 na resistência a harmônicos e na supressão dos harmônicos de terceira ordem, tornando-o uma escolha comum para transformadores de distribuição em minas conectadas à rede.

3. Configuração de capacidade e reserva para expansão. O crescimento da carga em minas conectadas à rede é normalmente relativamente estável. A capacidade do transformador pode ser definida como "carga real × 1,1–1,2", reservando espaço para expansão com base no plano de ciclo de vida da mina. Uma capacidade excessiva não só aumenta as perdas em vazio, mas também reduz o fator de potência.

Para o projeto da mina de carvão Nishbash, no Usbequistão, fornecemos três subestações pré-fabricadas de estilo europeu, conectadas à rede, com capacidade de 3150 kVA e tensão de 10/0,4 kV. Os equipamentos de chaveamento de alta tensão, os equipamentos de chaveamento de baixa tensão e os transformadores instalados nessas subestações foram todos fabricados por nós. Para este projeto, adaptamos os equipamentos mais adequados às características específicas da mina, juntamente com outros fatores, tais como altitude, temperatura e umidade.

Em particular, ao selecionar o transformador, consideramos plenamente os requisitos de conexão à rede. Optamos, por fim, por um transformador imerso em óleo, com grupo vetorial Dyn11 e impedância de curto-circuito de 5,5%.

Q1. Transformadores para mineração devem necessariamente ser modelos específicos para mineração?

Para áreas subterrâneas e áreas com risco de explosão, é obrigatório utilizar transformadores que atendam às normas para mineração (tipo geral ou tipo à prova de explosão). Subestações de superfície e áreas a céu aberto podem utilizar transformadores industriais padrão, desde que atendam aos requisitos de grau de proteção e resistência à corrosão.

Q2. Os transformadores a seco podem ser utilizados ao ar livre?

Sim, mas é necessário um invólucro de proteção, normalmente com grau de proteção IP54 ou superior, para suportar condições empoeiradas e úmidas.

Q3. Uma mina fora da rede elétrica pode utilizar um transformador padrão conectado à rede?

Não é recomendado. As características da fonte de energia e os padrões de impacto da carga em sistemas fora da rede diferem significativamente dos sistemas conectados à rede. Um transformador padrão conectado à rede pode não suportar flutuações frequentes de tensão nem os impactos causados pelas correntes de partida.

A diferença fundamental na seleção de transformadores para minas fora da rede e minas conectadas à rede reside em as diferentes exigências impostas pelas características da fonte de energia ao transformador cenários fora da rede exigem transformadores com maior capacidade de adaptação à tensão e margem de sobrecarga para lidar com as flutuações das fontes de energia construídas localmente e os impactos das cargas. Cenários conectados à rede concentram-se mais no casamento de impedância, supressão de harmônicos e coordenação com a proteção da rede. Em ambos os cenários, o nível de segurança é sempre a primeira linha divisória entre transformadores imersos em óleo e transformadores a seco — transformadores a seco são instalados subterraneamente, enquanto os imersos em óleo são instalados na superfície. Esse princípio não muda, quer a mina esteja fora da rede, quer conectada à rede.