Green Ester Transformers

Designação do projeto

GreenEst – Green Ester Transformers

Código do projeto

Projeto Nº 33811

Região de Intervenção

Norte e Lisboa

Entidade Beneficiária

Efacec Energia, Máquinas e Equipamentos Eléctricos, S.A.

Data de aprovação

2018-05-04

Data de início

2018-10-01

Data de conclusão

2021-03-29

Promotores

Efacec Energia – Máquinas e Equipamentos Eléctricos S.A.
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
REN – Rede Eléctrica Nacional, S.A.

Investimento total elegível

2.328.368,90€

Tipologia da operação

Sistema de Incentivos à Investigação e Desenvolvimento Tecnológico Empresarial – CoPromoção

Código da operação (NUP)

– POCI-01-0247-FEDER-033811
– Lisboa-01-0247-FEDER-033811

Objetivo temático

OT 1 – Reforçar a investigação, o desenvolvimento tecnológico e a inovação

Apoio financeiro da União Europeia através do FEDER

1.419.327,14 €

Programa financiador

Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI), Programa Operacional Lisboa (PO Lisboa)

Objetivo principal

Atualmente, mais de 99% do parque de transformadores de potência mundial utiliza o óleo mineral como fluido dielétrico e de arrefecimento. Esta prática revela-se desadequada face à atual convergência do setor energético mundial para a sustentabilidade e biodegradabilidade, uma vez que estes óleos não são biodegradáveis. A utilização de ésteres como alternativa tem sido alvo de investimento à escala mundial. Contudo, persistem alguns desafios técnico-científicos associados que são ainda segredo industrial. O projeto GreenEst tem uma duração de 30 meses e visa endereçar esta oportunidade, tendo como objetivo principal a investigação e o desenvolvimento das técnicas e das tecnologias necessárias para a Efacec colocar no mercado uma nova geração de transformadores de potência até 500kV, imersos em éster, claramente mais sustentáveis e ecológicos. O projeto é liderado pela Efacec e tem como copromotores a REN e a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. O consórcio compreende as competências tecnológicas e industriais necessárias para atingir os resultados propostos.

Objetivos Gerais

Atualmente, mais de 99% do parque de transformadores de potência mundial utiliza o óleo mineral como fluido dielétrico e de arrefecimento. Esta prática revela-se desadequada face aos novos reptos do setor energético mundial – sustentabilidade e biodegradabilidade – uma vez que estes óleos não são biodegradáveis. Por outro lado, a sua elevada inflamabilidade coloca restrições relevantes à instalação de transformadores de potência imersos em óleo mineral em zonas de elevada densidade populacional ou em zonas com requisitos estritos de segurança. A utilização de alternativas como ésteres naturais e sintéticos, tem sido alvo de investimento. No entanto são conhecidos diversos desafios técnico-científicos por endereçar, sobretudo nas mais altas tensões. Assim, e apesar da recente evolução que alguns protótipos da concorrência indiciam, o know-how tecnológico é ainda segredo industrial, por isso demonstra-se premente apostar na investigação e desenvolvimento de soluções de mercado competitivas que constituam verdadeiras alternativas para os transformadores de potência, promovendo a utilização de líquidos isolantes como o éster.

O projeto GreenEst visa, precisamente, endereçar esta oportunidade, tendo como objetivo principal a investigação e desenvolvimento do know-how e tecnologias necessárias para a apresentação ao mercado – em 2021 – de uma nova geração de transformadores de potência até 500kV, imersos em éster, mais sustentáveis e competitivos.

Para tal este projeto é promovido por um consórcio de três entidades: a Efacec Energia, S.A. (promotora líder), a REN – Rede Eléctrica Nacional, S.A. em cooperação com uma Entidade Não Empresarial do SI&I , e a Universidade do Porto, através da Faculdade de Engenharia . Acredita-se que este consórcio compreende as competências tecnológicas e de mercado necessárias para assegurar a persecução dos objetivos delineados e a valorização económica dos resultados. O projeto iniciará em 2018 e decorrerá durante 30 meses.

O projeto foi estruturado em sete atividades, a desenvolver ao longo de 30 meses, e que incluem tarefas de investigação e desenvolvimento experimental, de promoção e divulgação de resultados e de gestão e coordenação do projeto.

 

Resultados Esperados

  • Alternativas ao óleo mineral para utilização em áreas e locais ambientalmente protegidos ou com necessidades especiais de segurança contra incêndios;
  • Aumento de potência de 18% em transformadores inicialmente dimensionados para imersão em óleo mineral e reavaliados posteriormente para imersão em éster;
  • Redução de 5% nas massas e custo dos materiais em transformadores dimensionados especificamente para imersão em éster;
  • Redução de 9% no volume de transformadores dimensionados especificamente para imersão em éster;
  • Validação teórica/experimental e subsequente revisão/adaptação das regras de dimensionamento dielétrico dos transformadores.

Por que investir no GreenEst?

O projeto GreenEst encontra-se totalmente alinhado com aqueles que são os objetivos de negócio e crescimento da Efacec: posicionar-se no mercado emergente dos transformadores de potência imersos em ésteres, preparando-se para responder aos novos reptos no domínio da sustentabilidade e da competitividade, concebendo produtos sustentáveis a preços competitivos (diminuindo custos de produção e preço final).

Para tal, revela-se fundamental promover a investigação e o desenvolvimento da tecnologia e do know-how necessário para dimensionar e fabricar esta inovadora gama de transformadores de potência nos seguintes domínios:

Modelização do transformador: quer para a correta determinação do valor das tensões ao longo dos enrolamentos quando o transformador é sujeito a sobretensões externas, quer para a correta determinação do campo elétrico em toda a estrutura isolante;

Isolamento elétrico: para o dimensionamento eficaz das estruturas isolantes de forma a suportarem as diversas solicitações dielétricas a que são sujeitas;

Arrefecimento e evacuação da energia térmica: para modelização e dimensionamento do circuito de refrigeração de forma a evacuar eficazmente as perdas geradas no transformador (nos enrolamentos, no circuito magnético e nos restantes componentes metálicos);

Impregnação do material do isolamento sólido (habitualmente à base de celulose): para assegurar o bom funcionamento dielétrico dos materiais isolantes sólidos, e para avaliação do impacto no processo de fabrico do transformador;

Estabilidade à oxidação em caso de solicitações térmicas: para evitar a degradação precoce da estrutura isolante, e para avaliação do impacto no processo de fabrico do transformador;

Resistência ao envelhecimento: para evitar o envelhecimento prematuro dos isolantes sólidos impregnados com éster;

Compatibilidade com outros materiais e baixa reatividade química: para evitar reações químicas e físicas indesejáveis que possam ter consequências desastrosas no funcionamento do transformador, e para avaliação do impacto no processo de fabrico do transformador;

Tendência para a produção de gases: para monitorização e caracterização do estado do transformador através da análise de gases dissolvidos no éster (DGA), durante o seu ensaio e funcionamento;

Ponto de ignição e reação ao fogo: para avaliação da segurança do transformador durante o funcionamento, e para avaliação do impacto no processo de fabrico do transformador;

Proteção contra a corrosão: para avaliação da interação com outros componentes metálicos do transformador, e do impacto no processo de fabrico do transformador.

Milestones do Projeto GreenEst

Milestone Título Data
M1.1 Operacionalidade da infraestrutura de simulação física de campo elétrico e estruturas isolantes 31/03/2020
M1.2 Modelos numéricos preliminares operacionais (desenvolvidos e validados) 30/06/2019
M1.3 Documentação normativa coligida 31/03/2019
M1.4 Edição de guias internos de referência 31/03/2019
M2.1 Manual de procedimentos operacionais 31/12/2019
M2.2 Relatório de análise do comportamento dos materiais dielétricos 31/12/2019
M3.1 Modelos de estruturas isolantes com ésteres para transformadoresde potência dos tipos CORE e SHELL consolidados 30/09/2020
M3.2 Modelos de estruturas isolantes com óleo mineral e com ésteres para transformadores de potência em sistemas HVDC consolidados 31/03/2020
M4.1 Instalação Experimental 31/12/2020
M5.1 Validação de Resultados 31/03/2021
M6.1 Relatório Final da Atividade de Promoção e Divulgação 31/03/2021

Alvos Técnico-Científicos do Projeto GreenEst

A Efacec sempre privilegiou a evolução tecnológica como fator determinante para garantir a competitividade e qualidade dos seus transformadores. Tem sido feita uma forte aposta no desenvolvimento de produtos inovadores, assegurando um elevado padrão de qualidade, que resulta num reconhecimento mundial na área dos transformadores. No entanto, num contexto de grande competitividade, é cada vez mais crítico apostar na investigação e desenvolvimento de soluções.

Assim nasce o GreenEst, uma nova gama de transformadores de potência, dos tipos Core e Shell, imersos em éster, passíveis de serem utilizados no fabrico de uma nova geração de subestações móveis. Este projeto apresenta como principais objetivos técnico-científicos:

  • Investigar e caracterizar os materiais isolantes líquidos e sólidos a nível dielétrico, termohidráulico, vibroacústico, mecânico e de compatibilidade com outros materiais;
  • Investigar e caracterizar a severidade das diversas solicitações dielétricas;
  • Investigar e desenvolver novas soluções de isolamento dielétrico otimizadas, com novos materiais isolantes;
  • Investigar e desenvolver novas técnicas de dimensionamento mais avançadas para estruturas isolantes, nomeadamente ferramentas de cálculo dielétrico, expedito e otimizado, com validação por modelação numérica, nomeadamente por método de elementos finitos (FEM) e de fronteira (BEM);
  • Testar e validar os protótipos desenvolvidos assim como as soluções tecnológicas propostas.

Para a persecução destes objetivos técnico-científicos foram definidos como objetivos específicos:

  • Identificar e caracterizar as solicitações a que os isolantes do transformador estão sujeitos durante o seu ciclo de vida;
  • Avaliar e definir combinação de ações.
  • Estudo de permitividades e resistividades dielétricas dos ésteres e dos isolantes sólidos imersos em ésteres, bem como comparação dos resultados com o óleo mineral;
  • Estudo da variação das propriedades fundamentais dentro dos limites das condições de funcionamento;
  • Estudo da variação das propriedades em função da interação entre diversos materiais isolantes.
  • Classificar e enquadrar em famílias genéricas e associativas os pontos críticos e referenciais das estruturas isolantes dos transformadores e os diversos tipos de fenómenos dielétricos dentro desses pontos críticos.
  • Elaboração de modelos representativos de cada uma das famílias;
  • Otimização dos modelos de estruturas isolantes com o objetivo de reduzir o volume de matéria-prima;
  • Incorporação do conhecimento adquirido em ferramentas do sistema de informação da empresa;
  • Adequação e adaptação dos componentes integrantes da estrutura isolante ao equipamento standard existente.
  • Desenvolvimento de algoritmos de cálculo para determinação de parâmetros resistivos, indutivos e capacitivos representativos dos transformadores.
  • Simulação dos modelos próprios de alta tensão das famílias com ferramentas de análise de circuitos elétricos e de elementos finitos;
  • Estudar o comportamento das estruturas em termos de fenómenos transitórios garantindo a integridade do transformador;
  • Controlo de solicitações por ação na geometria da estrutura melhorando a sua resposta à transmissão de tensões.
  • Definir e especificar os critérios de dimensionamento dos componentes que constituem o projeto de estruturas isolantes dos transformadores de potência, de forma a garantir um bom funcionamento em todos os regimes de trabalho, assim como harmonizar coeficientes de segurança em conformidade com as normas relevantes, (CEI; ANSI; EN; ASTM; ISO) e impostas pelos clientes;
  • Especificar, classificar e uniformizar os critérios de dimensionamento em termos de resistência às descargas elétricas e utilização.
  • Ensaios laboratoriais para caracterização dielétrica dos materiais a utilizar no dimensionamento da estrutura isolante de transformadores imersos;
  • Ensaios destrutivos e não destrutivos de subconjuntos, por forma a determinar coeficientes de segurança de acordo com a criticidade do componente;
  • Desenvolvimento de protótipos representativos de partes ou totalidades das famílias, por forma a validar as formulações desenvolvidas, considerando e simulando as condições de funcionamento reais dos transformadores;
  • Comparar e aferir resultados obtidos experimentalmente, com modelos numéricos e com resultados calculados analiticamente.
  • Desenvolver configurador de produto pericial para o sistema proprietário WinTree, de forma a incorporar o conhecimento desenvolvido e que permita efetuar os estudos dielétricos.

Artigos Científicos e Patentes

  • Small Signal Internal Voltage Transfer Measurements and White-Box Transient Calculations for Non-Standard Test Conditions of a Shell-Form Power Transformer, B. Gustavsen, A. Martins, C. A. Sá, L. Braña, R. Castro Lopes, P. Lima, A. Soto, M. Soares, TRAM 2019, https://www.hro-cigre.hr/5ct
  • Gustavsen B., Martins A., Araújo Sá C., Braña L. , Castro Lopes R., Lima P., Soto A., Soares M. (2020) Small Signal Internal Voltage Transfer Measurements and White-Box Transient Calculations for Non-standard Test Conditions of a Shell-Form Power Transformer. In: Trkulja B., Štih Ž., Janić Ž. (eds) 5th International Colloquium on Transformer Research and Asset Management. Lecture Notes in Electrical Engineering, vol 671. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-15-5600-5_15
  • Ester-based Dielectric Fluid for Power Transformers: Design and Test Experience Under the Greenest Project, S. M. P. Carvalhosa, H. Leite, M. Soares, F. Branco, C. A. Sá, R. Castro Lopes, J. E. Santo, CEEGE 2021, http://ceege.org/  (Best Presentation in Session 4: Power Electronics and Transmission Technology, CEEGE 2021, June 10-13, 2021, attributed to Salvador Moreira Paes Carvalhosa – FEUP).
  • Development of a power transformer model for high-frequency transient phenomena, L. Braña, A. Costa, R. Castro Lopes, ICREPQ 2021, http://www.icrepq.com/
  • Comparing Thermal Performance of Mineral Oil and Natural Ester for Safer Eco-Friendly Power Transformers A Numerical and Experimental Approach, S. Couto, E. M. Ferreira, D. Sá, C. Corte-Real, P. Lima, R. Castro Lopes, A. Costa, C. A. Sá, P. Monteiro, M. Soares, ICREPQ 2021, http://www.icrepq.com/.
  • Survey on the Advancements of Dielectric Fluids and Experiment Studies for Distribution Power Transformers, S. Carvalhosa, H. Leite, F. Branco, Carlos A. Sá, António M. Moura, Ricardo C. Lopes, Mário Soares, ICREPQ 2021, http://www.icrepq.com/.
  • Validation of a White-Box Model of Power Transformers Through Recurrent Surge Test: A Practical Case, L. Braña, R. Castro Lopes, A. Costa, P. Lima, A. Soto, 3rd Doctoral Congress in Engineering, https://sigarra.up.pt/feup/en/noticias_geral.ver_noticia?p_nr=92290
  • Influence of Ester on the Mechanical Hysteresis Characteristic of Power Transformer Insulation Components, D. F. O. Braga, E. Almeida, S. Eslami, R. Castro Lopes, P. M.G.P. Moreira, 4th International Conference on Structural Integrity, https://www.icsi.pt/
  • Numerical Simulations for the Study of Electric Insulation Systems, E. Calvo, A. Silva, 4th Doctoral Congress in Engineering, https://sigarra.up.pt/feup/en/noticias_geral.ver_noticia?p_nr=113512
  • Study of Parameter Influence in a High-Frequency Transformer Model, L. Braña, A. Costa, R. Castro Lopes, 4th Doctoral Congress in Engineering, https://sigarra.up.pt/feup/en/noticias_geral.ver_noticia?p_nr=113512
  • Validación Experimental de un Modelo de Alta Frecuencia de un Transformador de Potencia, L. Braña, A. Costa, R. Castro Lopes, Jornadas Técnicas CIGRE España 2021, https://cigre.es/jt2021-2/
  • Mechanical evaluation of continuously transposed cables for transformer windings, E. Almeida, R. Castro Lopes, D. Braga, P. Moreira, G. Cipriano, ECRES 2022, https://ecres.net/
  • Carvalhosa S., Leite H., Soares M., Branco F., Sá Carlos A., Castro Lopes R., Espírito Santo J. (2022) Ester-based Dielectric Fluid for Power Transformers: Design and Test Experience under the GreenEst Project. In: IOP Science, Journal of Physics: Conference Series. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2213/1/012026/meta
  • Validation of a White-box model of a Distribution Transformer through impulse voltage transfer measurements including non-standard test conditions, L. Braña, A. Costa, R. Castro Lopes, CIGRÉ 2022, https://www.cigre.org/event/session/2022/FR/paris/2022-paris-session

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