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

Eletrônica de Potência INSIDER
Jon Bender, da W. E. Gundy and Associates (WEGAI), é retratado aqui ao lado de um exemplo de transformador de potência que se aplica a esta pesquisa de buchas. (Imagem:INL)
A rede elétrica que consideramos natural envolve equipamentos grandes e caros, principalmente transformadores de energia. Se um falhar, pode levar mais de um ano para ser substituído e com custos enormes. Em áreas densamente povoadas e sismicamente ativas como a Califórnia ou o noroeste do Pacífico, o tempo não é um luxo.

Durante um terremoto, o local onde um grande transformador de potência de alta tensão é mais vulnerável são as suas buchas – isoladores elétricos ocos que guiam com segurança a corrente entre os enrolamentos internos de um transformador e as linhas de energia externas. Na maioria das vezes são feitos de porcelana devido à sua capacidade de isolar o material condutor, geralmente cobre ou alumínio, e evitar que a corrente de alta tensão vaze ou faísca e cause explosões.

As buchas são aparafusadas nas torres do transformador, que se estendem desde o tanque principal. Essas conexões são o foco de uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional de Idaho (INL). O objetivo da equipe é desenvolver um isolador ajustável mecanicamente simples, conhecido como desacoplador, que pode ser montado na base de uma bucha e ajustado para evitar que as frequências ressonantes na bucha e na torre correspondam (o que resulta em tensão mecânica amplificada na bucha de porcelana).

“As frequências ressonantes são o eixo central”, disse Bjorn Vaagensmith, o investigador principal do projeto e ganhador do Prêmio Presidencial de Início de Carreira para Cientistas e Engenheiros em 2025.

Todos os objetos têm uma frequência ressonante, que ocorre quando as vibrações de entrada são amplificadas ao máximo em um objeto. Quando uma onda sonora quebra uma taça de vinho ou um espelho, essa é a frequência ressonante em ação. Na história da engenharia civil, talvez o exemplo mais conhecido seja o colapso da ponte Tacoma Narrows em 1940. A velocidade e a direção do vento combinadas com o design e os materiais da ponte, que criaram uma frequência ressonante, fizeram com que o seu tabuleiro oscilasse descontroladamente. Isso rendeu à ponte recém-construída o apelido de “Galloping Gertie” – antes de se quebrar em pedaços e cair em Puget Sound após quatro meses.

Em um terremoto, as ondas sísmicas causam o movimento oscilante do solo para cima e para baixo ou para frente e para trás, que é transferido para grandes transformadores de potência. Devido à sua flexibilidade e densidade, os grandes tanques de transformadores de potência feitos de aço e preenchidos com óleo isolante podem ressoar dinamicamente com o equipamento neles montado. Quando um tanque e suas buchas montadas estão no mesmo comprimento de onda, existe o perigo de que o tremor amplificado do terremoto estresse as buchas até uma falha catastrófica.

Vaagensmith e seus colegas – Chandu Bolisetti do INL e Jon Bender da WEGAI, uma empresa de engenharia com sede em Boise – estão tentando resolver esse problema desenvolvendo um dispositivo de desacoplamento que desvia a frequência de ressonância da bucha daquela do transformador. O desacoplador que eles estão projetando pode ser facilmente instalado na base da bucha e adaptado em modelos de transformadores mais antigos por um custo baixo. A equipe está buscando uma patente para o design.

O seu projecto foi inicialmente financiado através do programa de Investigação e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório do INL. Agora é apoiado de forma colaborativa pelo programa de Resiliência de Transformadores e Componentes Avançados (TRAC) do Departamento de Energia do Departamento de Energia dos EUA e pelo Escritório de Segurança Cibernética, Segurança Energética e Resposta a Emergências (CESER) do departamento. O programa TRAC existe para acelerar a modernização da rede, abordando desafios nas tecnologias de hardware da rede, incluindo grandes transformadores de energia. O escritório CESER visa proteger e fortalecer a infraestrutura energética dos EUA contra ameaças e perigos.

No final de seu projeto, Vaagensmith e seus colegas esperam testar seu desacoplador de frequência de ressonância em grande estilo. Eles conseguiram garantir um transformador de 500.000 libras, que esperam levar para o simulador de terremotos na Universidade da Califórnia em San Diego em 2026. A mesa vibratória da universidade é a maior do gênero nos EUA e só rivaliza em tamanho com outra no Japão. Este será o primeiro teste deste tamanho e poderá impactar significativamente os requisitos de segurança para transformadores em zonas sísmicas.

Em colaboração com a Universidade de Buffalo, a equipe tem muitas oportunidades de errar. Esse é o propósito da experimentação. “Podemos falhar da maneira que quisermos”, disse Vaagensmith. "Podemos testar nossa solução e testar até os limites. Queremos ter certeza de que sabemos como projetar o desacoplador antes de irmos para San Diego."

“As pessoas estão entusiasmadas com isso”, disse Vaagensmith. "Temos a oportunidade de resolver um debate de longa data sobre medidas apropriadas de proteção de transformadores sísmicos e encontrar uma solução para os fabricantes de buchas que não exija que eles se reequipem. As concessionárias ficarão satisfeitas e a rede será mais resiliente."

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