Fortalecendo a Rede: Cientistas Desenvolvem Buchas de Transformador Resistentes a Terremotos

Power Electronics INSIDER

Vulnerabilidade da Rede Elétrica

A rede elétrica que damos como garantida envolve equipamentos grandes e caros, notavelmente transformadores de potência. Se um cai, pode levar mais de ano para substituir e a custos massivos. Em áreas densamente povoadas, sismicamente ativas como Califórnia ou Noroeste do Pacífico, tempo não é luxo.

Durante terremoto, local onde grande transformador de potência de alta tensão é mais vulnerável são suas buchas — isoladores elétricos ocos que guiam corrente com segurança entre enrolamentos internos de transformador e linhas de energia externas. São mais frequentemente feitas de porcelana devido à sua capacidade de isolar material condutor, geralmente cobre ou alumínio, e manter corrente de alta tensão de vazar ou faísca causando explosões.

Buchas são aparafusadas nos torreões do transformador, que se estendem para cima do tanque principal. Estas conexões são foco de equipe de pesquisadores no Idaho National Laboratory (INL). Objetivo da equipe é desenvolver isolador ajustável mecanicamente simples, conhecido como desacoplador (decoupler), que pode ser montado na base de bucha e sintonizado para prevenir frequências ressonantes na bucha e no torreão de coincidirem (o que resulta em estresse mecânico amplificado na bucha de porcelana).

"Frequências ressonantes são o ponto central," disse Bjorn Vaagensmith, investigador principal do projeto e recipiente do 2025 Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers.

Todos objetos têm frequência ressonante, que ocorre quando vibrações de entrada são maximamente amplificadas em objeto. Quando onda sonora quebra taça de vinho ou espelho, é frequência ressonante funcionando. Na história de engenharia civil, talvez exemplo mais conhecido seja colapso da Ponte Tacoma Narrows em 1940. Velocidade e direção do vento combinadas com design e materiais da ponte, criaram frequência ressonante, causaram oscilação selvagem do tabuleiro. Isso rendeu à ponte recém-construída apelido "Galloping Gertie" — antes de quebrar em pedaços e cair em Puget Sound após quatro meses.

Em terremoto, ondas sísmicas causam movimento oscilatório de solo para cima-e-baixo ou frente-e-verso que é transferido para grandes transformadores de potência. Devido à sua flexibilidade e densidade, grandes tanques de transformador de potência feitos de aço e cheios de óleo isolante podem ressoar dinamicamente com equipamentos montados neles. Quando tanque e suas buchas montadas estão no mesmo comprimento de onda, há perigo de tremor amplificado do terremoto estressar buchas até falha catastrófica.

Solução: Dispositivo Desacoplador de Frequência Ressonante

Vaagensmith e colegas — Chandu Bolisetti do INL e Jon Bender da WEGAI, empresa de engenharia baseada em Boise — buscam resolver este problema desenvolvendo dispositivo de desacoplamento que desloca frequência de ressonância da bucha para longe da do transformador. Desacoplador que estão projetando pode ser facilmente instalado na base da bucha e adaptado (retrofit) a modelos de transformador mais antigos por baixo custo. Equipe busca patente no design.

Projeto foi inicialmente financiado através do programa Laboratory Directed Research and Development do INL. Agora é colaborativamente apoiado pelo programa Transformer Resilience and Advanced Components (TRAC) do Office of Electricity do U.S. Department of Energy e pelo Office of Cybersecurity, Energy Security and Emergency Response (CESER) do departamento. Programa TRAC existe para acelerar modernização da rede abordando desafios em tecnologias de hardware de rede, incluindo grandes transformadores de potência. Escritório CESER visa proteger e fortalecer infraestrutura energética dos EUA contra ameaças e perigos.

Teste em Grande Escala Planejado para 2026

No auge de seu projeto, Vaagensmith e colegas esperam testar seu desacoplador de frequência ressonante em grande escala. Conseguiram transformador de 500.000 libras (227 toneladas), que esperam levar ao simulador de terremoto na University of California San Diego em 2026. Mesa de vibração (shake table) da universidade é a maior de seu tipo nos EUA e rivalizada em tamanho apenas por outra no Japão. Este será primeiro teste deste porte e poderia impactar significativamente requisitos de segurança para transformadores em zonas sísmicas.

Em colaboração com University at Buffalo, equipe tem muitas oportunidades de errar. Esse é propósito da experimentação. "Podemos falhar como quisermos falhar," disse Vaagensmith. "Podemos testar nossa solução até os limites. Queremos ter certeza de como projetar desacoplador antes de ir a San Diego."

"Pessoas estão empolgadas com isso," disse Vaagensmith. "Temos oportunidade de resolver debate antigo sobre medidas apropriadas de proteção sísmica de transformadores e criar solução para fabricantes de buchas que não requer retooling. Utilities ficarão felizes, e rede será mais resiliente."

Fonte: Idaho National Laboratory (INL)