Embora sejam máquinas elétricas super seguras, os transformadores, também chamados de trafos, podem explodir em algumas circunstâncias adversas. Com base nisso, pesquisadores canadenses conseguiram projetar tanques flexíveis que dificultam essa explosão.
Apesar de menos de 1% ter esse fim trágico, essas explosões podem ser letais, pois lançam projéteis e derramam óleo. Os trafos estouram em virtude do acúmulo de pressão nos tanques que armazenam o óleo usado para refrigeração.
Como os transformadores explodem?
https://youtu.be/1fSHFzlN7po
Tudo começa com um arco elétrico dentro do transformador. Esse arco pode ser originado quando o transformador é atingido por um raio, por exemplo. Esse arco fornece energia para o óleo dentro do tanque, o qual, como consequência imediata, esquenta.
Ao ser continuamente aquecido, o óleo se transforma em gás. Se recordar a equação de Clapeyron e que o volume do tanque é fixo, a resposta que o fluido, agora gasoso, dá para o aumento de temperatura é justamente o aumento de pressão. Samuel Brodeur, o engenheiro mecânico sênior da ABB, com sede em Verenes, Canadá, afirmou o seguinte:
Quando você tem um arco dentro do transformador, ele aquece o óleo e o óleo queima para criar um gás, o qual causa alta pressão.
Os tanques convencionais são limitados no tocante a aguentar essa energia extra. Para fins de comparação, os arcos podem ter energia equivalente a 150 bombas de dinamite. E, conforme é corroborado pela acachapante realidade, a resistência dos transformadores não é suficiente em alguns casos.
Sobre a pesquisa
A pesquisa foi comandada por Brodeur na empresa de energia e tecnologia ABB, Verenes, Canadá, em parceria com a estatal fornecedora de energia Hydro-Quebec. Em consonância com as informações fornecidas pelo engenheiro, a procura por um material que pudesse aumentar o limite dos trafos durou sete anos.
Apesar da complexidade do trabalho, a ideia norteadora é relativamente simples: desenvolver tanques flexíveis que dificultam a explosão através de deformações e, consequentemente, absorção da pressão extra. Em outras palavras, a solução consiste em tornar o volume do tanque variável. Segundo Jean-Bernard Dastous, cientista da Hydro-Quebec:
É como encher um balão. Se for muito rígido, será difícil expandir o balão. Mas se for de um material muito flexível, é mais fácil para você inflá-lo.
ABB, responsável pelo fornecimento de cerca de 70% dos transformadores da Hydro-Quebec, conseguiu alterar a flexibilidade dos tanques usando diferentes tipos de aço e reforço nos pontos fracos, além de outras alterações.
Para desenvolver o que eles chamaram de tanque “resistente a arco”, o time primeiro trabalhou em um modelo mecânico para prever quando haverá deformação e ruptura. A título de curiosidade, a Hydro-Quebec queria que a ABB construísse um tanque que suportasse 20 MJ de energia. Segundo Dastous, esse nível de energia é “catastrófico” e “cobriria 95% das falhas na rede”.
Fabricação e testes
Com as equações do modelo mecânico, os pesquisadores atualizaram seu modelo numérico para desenvolver o tanque. Antes de seguir, é importante fazer uma breve explicação aqui. Os modelos físico-matemáticos são usados para descrever um fenômeno com equações. Os modelos numéricos, por sua vez, usam essas equações para realizar simulações, via computador, e estudar o comportamento do sistema.
Seguindo com a fabricação, os envolvidos passaram meses para construir um tanque com tamanho real: 5 metros de comprimento, 2,5 de largura e 4 de altura. Por questões de segurança, os testes foram feitos com água no lugar de óleo, com as devidas adaptações feitas. Além disso, foi usada uma réplica da parte ativa do transformador.
O primeiro teste ocorreu em Novembro de 2017, em uma base de pesquisa da Hydro-Quebec em Montreau. Esse teste foi realizado com o intuito de demonstrar que o tanque aguentaria 20 MJ de energia. Para tal, o time injetou uma pressão de 200 atm, equivalente a 2 km abaixo do nível do mar.
A reação foi em acordo com o que apontava os cálculos: o tanque flexível se deformou, mas não explodiu. O próximo teste foi feito para demonstrar que, ao exceder o limite, o tanque explodiria na parte superior, pois é menos perigoso. Segundo Dastous:
Queríamos ter certeza que a falha acontece no topo do transformador porque, quando ocorre lá, menos óleo se espalhará pelo ambiente.
Injetando 30 MJ de energia, o segundo teste se comportou exatamente como o previsto, provando que “nossos cálculos e metodologias de testes numéricos funcionaram”, disse ele.
Sobre o artigo e a implementação
O artigo foi publicado em 12 de junho na revista IEEE Transactions on Power Deliver, o qual está com acesso gratuito liberado até 23 de setembro de 2019. A técnica dos tanques flexíveis que dificultam a explosão recebeu o nome oficial de TXpand. É possível ver também um vídeo publicado pela ABB.
A Hydro-Quebec já adicionou novas especificações para seus fornecedores de transformadores implementarem o sistema resistente a arco nos próximos meses. A ABB, por sua vez, já incorporou o TXpand em mais de 50 modelos de transformadores. Nas palavras de Samuel Brodeur:
Como somos capazes de prevenir a maioria dos casos de ruptura de tanques, é mais seguro para as pessoas que trabalham ao redor de transformadores e é também muito bom para o ambiente porque conseguimos prevenir grandes derramamentos de óleo e fogos tóxicos.
Fonte: IEEE Spectrum.