Transformador para ventilação de túneis: especificação de unidades para túneis rodoviários e transporte subterrâneo

A falha de equipamento em um túnel rodoviário quase nunca começa no circuito de iluminação. Ela começa nos ventiladores. Um engenheiro de comissionamento descreveu-nos a sequência em termos simples: o primeiro grupo de ventiladores a jato inicia limpo, o segundo grupo funciona bem, o terceiro grupo entra em operação e o barramento de 480 V sofre uma queda de tensão, o acionamento dispara por subtensão e a ventilação entra em falha antes mesmo de o teste de fumaça poder começar. O transformador para ventilação de túneis havia sido dimensionado com base em uma lista de cargas. Ninguém havia modelado a partida.

Essa é a situação incômoda da alimentação elétrica de túneis. Na maior parte do tempo, a carga é modesta — algumas centenas de quilowatts para iluminação, alguns ventiladores, algumas bombas. Por alguns segundos, várias vezes ao dia, ela não é de forma alguma modesta. E a mesma unidade que suporta a partida de um motor também precisa operar continuamente enquanto um incêndio arde a poucos metros de distância. Harmônicos de VFD nos acionamentos de ventilação e continuar funcionando enquanto um incêndio arde a poucos metros de distância.

 

O que realmente carrega uma subestação de túnel

Um túnel é uma pequena planta industrial esticada ao longo de um quilômetro de concreto. A ventilação domina a carga elétrica, mas não é a única, e as diferentes cargas se comportam de maneira totalmente distinta. Aprovar um único valor em kVA sem separá-las é onde nascem a maioria dos erros de especificação.

Carga	Faixa Típica	Dever	O que isso implica para o dimensionamento
Ventilador de jato (axial, acionado por drive)	22–250 kW	Partida/parada em etapas, centenas de ciclos por ano	Corrente de rotor bloqueado e queda de tensão no barramento de BT
Ventilador de ventilação de túnel	200–1.000 kW	Contínuo, reversível para extração de fumaça	Maior motor individual; normalmente define o limite inferior de dimensionamento
Atuadores e controles de dampers de fumaça	abaixo de 10 kW	Apenas em emergência; deve manter a posição	Carga pequena, mas compartilha o mesmo quadro e circuito de UPS
Iluminação de túnel e de emergência LED	30–350 kW	Contínuo, ciclo de trabalho de 100%	Rico em harmônicos; eleva a corrente no neutro
Bombas de drenagem de poço	15–110 kW	Ambiente intermitente e úmido	Partida contra uma coluna de água; risco de entrada de umidade
Ventilação e desumidificadores de subestação	10–60 kW	Contínuo	Eleva a temperatura ambiente em que o próprio transformador está instalado
SCADA, CCTV, sinalização	abaixo de 20 kW	Contínuo	Requisito de operação contínua durante um evento de incêndio

As orientações de projeto já tratam essas áreas como disciplinas distintas. O Guia de Projeto de Túneis Rodoviários da FHWA (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) dedica seções separadas à ventilação, iluminação, precauções contra incêndios e projeto sísmico — mas todos eles convergem para um único diagrama de cargas, e normalmente um único transformador deve suportar o resultado.

 

A partida do motor define o limite inferior, não a carga em operação contínua

A carga em operação contínua é o valor mais fácil de calcular. Some as cargas dos ventiladores, da iluminação e das bombas, aplique um fator de diversidade, e uma unidade de 1.500 kVA parece generosa frente a um túnel de 900 kVA. Em seguida, analise a partida.

Um motor de indução padrão NEMA Design B consome aproximadamente seis vezes a corrente em plena carga durante uma partida direta à rede. Considere um motor de ventilador a jato de 250 kW em 480 V: a corrente em plena carga fica próxima de 300 A, portanto a corrente com rotor bloqueado é de cerca de 1 800 A, mantendo-se nesse valor pelos dois a quatro segundos necessários para que o ventilador atinja a velocidade nominal. Se iniciar um segundo grupo meio segundo depois, o transformador suportará uma carga que nunca mais ocorrerá durante a operação normal. Esse é o valor que define a placa de identificação.

Dois parâmetros determinam se a partida é aceitável: a impedância percentual do transformador e a impedância do alimentador. Uma unidade com impedância de 5,75 % limita confortavelmente a corrente de curto-circuito, mas provoca uma queda de tensão mais acentuada nos terminais do motor. Uma unidade com 4 % reduz essa queda e eleva a corrente de curto-circuito presumível, a qual deve então ser absorvida pela classificação do disjuntor de baixa tensão e pelo reforço da barra. Em um alimentador de 700 m que se estende até uma sala de ventiladores no meio de um túnel, a impedância do cabo pode contribuir com uma queda de tensão maior do que a própria do transformador.

Experiência prática: executamos o cálculo de partida antes de uma cotação para túnel sair da fábrica, e, quando um cliente envia apenas uma lista de cargas, respondemos com uma única pergunta: qual é o maior motor, como ele é acionado e qual é o comprimento do cabo até ele? Essa única resposta alterou a potência nominal especificada em mais projetos de túnel do que qualquer outra linha no cronograma.

 

Harmônicos de VFD Alteram a Carga de um Transformador para Ventilação de Túnel

Quase todos os novos ventiladores a jato são acionados por um inversor de frequência variável (VFD), pois um ventilador que opera a 30 % da velocidade durante horários de baixa demanda paga o custo do próprio inversor apenas com economia de energia. O inversor também altera o que o transformador vê em seus terminais secundários.

Um acionamento de seis pulsos consome uma corrente não senoidal com distorção harmônica total que normalmente varia entre 25% e 45% na entrada. A norma IEEE 519 limita a distorção de tensão em 5% em barramentos abaixo de 69 kV e restringe ainda mais o limite de distorção de corrente à medida que a corrente de curto-circuito disponível diminui. Os túneis situam-se na extremidade desfavorável dessa curva: alimentadores longos, fontes comparativamente fracas e diversos acionamentos alimentados por um único barramento secundário.

A consequência é que um transformador que alimenta acionamentos de ventilação de túnel não pode ser especificado apenas com base na potência aparente em kVA. A corrente harmônica acrescenta perdas por correntes parasitas e perdas dispersas, elevando a temperatura do ponto quente do enrolamento acima do valor que uma carga senoidal produziria à mesma potência aparente. É por isso que um transformador de resina moldada em um projeto de túnel é frequentemente solicitado com classificação de fator K, neutro superdimensionado ou enrolamento em delta que retém harmônicos triplos, além de uma classe térmica de enrolamento que ofereça margem de segurança acima da carga projetada.

Nossa regra prática para quadros de acionamentos em túneis onde Harmônicos de VFD dominar: adotar a capacidade de acionamento conectado, acrescentar uma margem para perdas harmônicas e especificar a classe de elevação de temperatura do enrolamento um nível acima do requisito básico. O custo adicional consta da cotação. O custo de um erro surge no sétimo ano.

 

 

A segurança contra incêndios define a tecnologia, não o preço

Pergunte por que quase todas as subestações em túneis utilizam equipamentos a seco — e a resposta não é eficiência. É segurança contra incêndios. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502estabelece os requisitos de proteção contra incêndios e segurança contra incêndios para vida humana em túneis rodoviários, pontes e outras vias de acesso restrito, tratando a ventilação como função crítica de segurança para a vida, que deve continuar operando enquanto um incêndio estiver em curso.

Esse requisito repercute diretamente no transformador. Uma unidade com óleo instalada dentro do envelope do túnel traz consigo um líquido inflamável, contenção, uma câmara e separação adicional contra incêndios; portanto, a maioria dos projetistas evita essa discussão e especifica um transformador de resina moldada dentro do furo ou em uma sala adjacente. As normas de produto são inequívocas quanto ao que tal unidade deve satisfazer: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) abrange os requisitos gerais para transformadores secos de distribuição e de potência, e a IEC 60076-11 abrange transformadores secos de potência até 36 kV.

Um detalhe é negligenciado com mais frequência do que qualquer outro: o transformador é tão bom quanto o alimentador. Onde o circuito de ventilação de emergência é exigido para manter a integridade do circuito durante um incêndio, o cabo e as conexões devem suportar as mesmas condições. Uma unidade autoextinguível em resina fundida ligada com cabo padrão é uma inconsistência comum e cara.

 

O Ambiente de Túnel Age nos Equipamentos Silenciosamente

O ar do túnel é úmido, empoeirado e levemente corrosivo. A umidade relativa acima de 85% é rotineira no interior de um poço de ventilação; o pó de freios e pneus se deposita em todas as superfícies horizontais, e um túnel costeiro adiciona cloretos à mistura. A temperatura ambiente no poço pode variar entre 40 e 45 °C durante o verão, medida no local exato onde o transformador está instalado, e não na entrada do túnel.

Enrolamento encapsulado em resina lida melhor com essa condição do que um enrolamento seco envolto, pois, em um transformador de resina moldada o fundido selado protege o enrolamento contra a penetração de umidade. A especificação ainda deve considerar rigorosamente o ambiente: aquecedores espaciais anticondensação, caixa de terminais com classificação IP e temperatura ambiente de projeto baseada no poço, e não na média climática regional.

A altitude também importa. A 1.500 m de altitude, um transformador perde cerca de 9% da densidade do ar disponível para refrigeração por convecção; portanto, uma unidade que passa no ensaio de elevação de temperatura ao nível do mar não é automaticamente aceitável em uma instalação montanhosa. Peça ao fornecedor que indique o fator de redução de potência aplicável à temperatura ambiente e à altitude do seu local e que apresente o cálculo correspondente — em vez de uma curva genérica; esse é exatamente o mesmo critério que aplicamos a todos os transformador para ventilação de túneis nós cotamos.

 

O que solicitamos antes de emitir uma cotação

Cinco itens definem a potência nominal, o preço e a data de entrega de um transformador para túnel. Se forem claramente especificados na solicitação, a cotação geralmente é enviada corretamente já na primeira tentativa:

• Programação de carga, com o maior motor destacado. Informe-nos seu método de partida e o comprimento do cabo a partir da subestação. Tudo o mais decorre dessa única informação.
• Tipo e quantidade de acionamentos. Seis pulsos, doze pulsos ou retificador ativo na entrada, além da corrente de curto-circuito disponível no barramento de BT — isso define a margem para harmônicos.
• No local. Projeto ambiental, altitude, umidade e categoria sísmica aplicável ao alinhamento.
• Estratégia contra incêndios. Equipamento dentro do envelope do túnel, em uma subestação dedicada ou remota — a resposta determina se será seco ou com isolamento líquido.
• Certificação e meta de eficiência. Relatórios de ensaio UL, CSA ou IEC, e o nível de eficiência exigido pelo país de destino.

A Ryan Electric fabrica transformadores a seco e imersos em óleo para projetos de infraestrutura e industriais em toda a América do Norte, Oriente Médio e Sudeste Asiático. Nossa fábrica em Jiangsu ocupa 120.000 m² e dispõe de mais de 180 conjuntos de equipamentos de produção e teste; nosso portfólio de certificações inclui UL, CSA, IEEE, DEKRA e CNAS. Desde 2023 operamos como parceira de joint venture da Eaton, o que submete nossa documentação de testes e qualidade a um processo de auditoria externa, em vez de declaração própria. Um pedido para túnel é tratado da mesma forma que um pedido para centro de dados: os dados dos testes de rotina, os registros de elevação de temperatura e os arquivos de certificação são enviados juntamente com a unidade.

 

Envie o Cronograma de Cargas, Não Apenas o Valor em kVA

O número que determina um transformador para ventilação de túneis raramente é o primeiro número na lista de carga. Envie aos nossos engenheiros a programação de carga, o maior motor, o tipo de acionamento e as condições do local, e você receberá uma classificação, uma margem harmônica e um cálculo de redução de capacidade que poderá defender na revisão de projeto, em vez de uma placa de identificação escolhida por regra empírica.

Sobre o Autor: Este artigo foi escrito pela equipe de engenharia da Ryan Electric, fabricante de transformadores localizada em Jiangsu, China, e parceira de joint venture da Eaton desde 2023, fornecendo transformadores a seco e imersos em óleo certificados pelos padrões UL, CSA e IEC para projetos de túneis, metrôs, centros de dados e serviços públicos nas Américas do Norte, Oriente Médio e Sudeste Asiático.