JORNADAS TÉCNICAS ISA - 2012 SISTEMA ESPECIALISTA INTELIGENTE PARA DIAGNÓSTICO DE DEFEITOS ELÉTRICOS INTERNOS EM TRANSFORMADORES DE TRANSMISSÃO UTILIZANDO SINAIS DE EMISSÃO ACÚSTICA E ANÁLISE DE GASES Paulo Gomes da Silva Junior Técnico Sênior de Desenvolvimento Divisão de Gestão da Manutenção Centro de Manutenções Especiais CTEEP-Brasil [email protected] Erasmo Silveira Neto Engenheiro Máster III Desenvolvimento Divisão de Gestão da Manutenção Centro de Manutenções Especiais CTEEP-Brasil [email protected] Carlos Guilherme Gonzales Coordenador de Desenvolvimento Divisão de Gestão da Manutenção Centro de Manutenções Especiais CTEEP-Brasil [email protected] RESUMO Este artigo apresenta uma metodologia para ensaios em transformadores de transmissão, a qual tem o propósito de identificar e localizar falhas internas, além de fornecer um diagnóstico preciso (preditivo, preventivo e corretivo) para que uma manutenção apropriada seja realizada. Entretanto, a principal dificuldade encontrada está no emprego de métodos convencionais, pois, torna-se complexo realizar o relacionamento entre as variáveis medidas e a existência ou não de uma falha interna no transformador, impossibilitando então uma identificação e localização eficiente das falhas. PALAVRAS-CHAVES. Descargas parciais, identificação e localização de falhas, emissão acústica, análise de gases dissolvidos. INTRODUÇÃO análise de gases dissolvidos no óleo mineral e na emissão acústica para identificação e possível localização de descargas parciais. Dentro do contexto da viabilidade econômica, cabe-se ressaltar a crescente dificuldade encontrada para se retirar um transformador de potência que esteja em serviço e colocá-lo sob manutenção. Com as mudanças que vêm ocorrendo no setor elétrico, há um especial interesse das companhias de transmissão de energia elétrica em aperfeiçoar e definir estratégias para manutenção dos transformadores de potência. No entanto, quando ocorre alguma falha nestes equipamentos, os mesmos são retirados e enviados às unidades fabris a fim de repará-los e, posteriormente, realocá-los ao sistema. Assim, as técnicas supracitadas, as quais avaliam parâmetros ou grandezas que indiquem o estado atual do transformador, surgem como uma alternativa cada vez mais atrativa. Neste sentido, alguns estudos de viabilidade econômica são realizados, os quais visam à sustentação do sistema elétrico, de modo a manter o fornecimento de energia, bem como reduzir custos de operação e manutenção dos equipamentos. Dentre estes estudos, pode-se aqui ressaltar o emprego de técnicas baseadas na Neste sentido, nota-se que uma diversidade de trabalhos tem sido realizada com o intuito de principalmente identificar as falhas internas em transformadores de potência. Neste caso, normalmente, empregam-se a análise de gases dissolvidos [1-5] ou a análise por emissão acústica 1 JORNADAS TÉCNICAS ISA - 2012 [6-10]. descargas parciais; falhas térmicas maiores que 150°; falhas térmicas maiores que 150° e menores que 200°; falhas térmicas maiores que 200° e menores que 300°; sobreaquecimento de cabo; corrente no tanque ou no núcleo de ferro, sobreaquecimento de contatos; descargas de baixa energia; descargas de alta energia; centelhamento contínuo (fenômeno luminoso que resulta na ruptura da rigidez dielétrica por descarga através do óleo isolante); e descarga parcial na isolação sólida. Cabe comentar que o método aplicado neste trabalho baseou-se em sistema de inferência fuzzy, o qual depois de testado sob condições controladas de falhas foi também testado em transformadores de transmissão de subestações húngaras, onde apresentou bom desempenho frente à situações de falhas não-controladas. Em alguns trabalhos pode ser observado o desenvolvimento de ferramentas para o monitoramento de sensores [3]; no entanto, pouco pode ser verificado sobre o emprego de ambos os tipos de sensores num mesmo trabalho. Isto provavelmente deve-se ao fato de o custo atrelado à aquisição destes sensores ser elevado. Outro fator que deve ser ressaltado é o crescente uso de ferramentas inteligentes para a obtenção da identificação e localização das falhas internas [1-2, 5, 7]. Nota-se que este crescente emprego de ferramentas inteligentes se deu devido ao fato de que as técnicas convencionais nem sempre conseguem atingir taxas de precisão altas para a identificação das falhas. No entanto, os trabalhos anteriormente comentados, [1] e [2], apresentam uma lacuna no que diz respeito ao diagnóstico de falhas internas para transformadores de potência, pois, apenas identificam o tipo de falha e não localizam as descargas parciais para que possa ser realizada uma manutenção mais precisa do equipamento. Um dos trabalhos proeminentes da área e que faz um comparativo entre ferramentas inteligentes e convencionais pode ser verificado em [1], onde os autores propõem um método baseado na obtenção de regras de associação que melhor realize a análise de gases dissolvidos e garanta uma identificação de falhas satisfatória. Com o intuito de melhor fornecer um diagnóstico de falhas para transformadores de potência, alguns trabalhos fizeram uso de sensores de emissão acústica para localizar as falhas devidas às descargas parciais. Dentre estes trabalhos, destaca-se [8], onde os autores propõem uma análise geométrica dos tempos de chegada dos sinais de emissão acústica para que possam ser devidamente localizadas as fontes de descargas parciais. Na metodologia proposta, os autores fazem uso tanto de medidas de tempo provenientes de sensores quanto de pseudomedidas, as quais garantem maior precisão ao sistema de localização de descargas parciais. Conforme comentado, os autores fizeram um comparativo da técnica proposta com demais técnicas convencionais (método de Rogers e Dornenburg) e inteligentes (Redes Neurais Artificiais, Máquinas de Vetores de Suporte e kVizinhos mais Próximos). Para tanto, foram adquiridos 1193 amostras dos sensores de gases dissolvidos, assim, estas amostras foram divididas em outros dois conjuntos de dados para treinamento (1016 amostras) e validação (177 amostras) de cada uma das técnicas empregadas. Depois de realizados todos os processos de treinamento e validação, obtiveram-se as seguintes taxas de acerto: Redes Neurais Artificiais (62,43%), Máquinas de Vetores de Suporte (82,10%), k-Vizinhos mais Próximos (65,85%), Rogers (27,19%), Dornenburg (46,89%) e Regras de Associação (91,53%). De acordo com os resultados obtidos nota-se claramente que os sistemas inteligentes podem superar os métodos convencionais. Seguindo todo o contexto previamente apresentado, este trabalho visa determinar os procedimentos necessários para o desenvolvimento de uma metodologia baseada em informações provenientes de sensores de emissão acústica. Portanto, o objetivo de tal metodologia seria atingir resultados satisfatórios de identificação de falhas internas, bem como no caso de falhas devidas às descargas parciais, localizá-las de forma precisa para que auxiliem no processo de tomada de decisão relacionado à manutenção dos Além deste trabalho, pode-se destacar [2], onde os autores fazem uma análise mais detalhada dos gases (quando relacionado ao trabalho anteriormente comentado). Nesta análise são consideradas 10 classes de falhas, a saber: 2 JORNADAS TÉCNICAS ISA - 2012 transformadores de transmissão. 1 Descargas Ponto-a-Ponto no Óleo Isolante com Bolhas: este tipo de falha também é ocasionado por DP entre duas espiras vizinhas no enrolamento, porém, a condição de degradação do isolamento permite a formação de bolhas de gás. Descargas Ponto-a-Plano no Óleo Isolante: defeitos no sistema de isolamento do enrolamento podem provocar DP entre este e partes aterradas da banheira do transformador. Descargas de Superfície - Entre Dois Eletrodos Flat: tipo mais comum de DP, ocorrendo entre dois eletrodos flat isolados com papel-óleo no chamado ponto triplo, onde a superfície do eletrodo encontra-se em contato com materiais dielétricos sólidos e líquidos. Descargas de Superfície - Entre Eletrodo Flat e Eletrodo Multiponto: as DP relacionadas com estes elementos diferem-se da anterior na intensidade da distribuição do campo elétrico. Ambos encontram-se isolados com papel-óleo. Descargas Múltiplas no Plano: múltiplos pontos danificados no isolamento do enrolamento podem ocasionar DP entre este e as partes aterradas da banheira do transformador. Descargas Múltiplas no Plano com Bolhas de Gás: as DP neste caso ocorrem em múltiplos pontos danificados no isolamento do enrolamento e as partes aterradas da banheira do transformador, porém, na presença de gases dissolvidos no óleo isolante. Descargas Provocadas por Partículas: neste caso o óleo isolante encontra-se contaminado com partículas de fibra de celulose formadas pelo processo de degradação do sistema de isolamento papel-óleo, decorrente da idade do transformador. Tais partículas ficam em constante movimento no óleo, causando DP. FALHAS INTERNAS EM TRANSFORMADORES O diagnóstico do estado e das condições de operação dos transformadores é de fundamental importância na operação confiável e econômica dos sistemas elétricos de potência. O envelhecimento e desgaste dos transformadores determinam o fim de sua vida útil, na medida em que a ocorrência de falhas e/ou problemas crescentes de manutenção comprometem a confiabilidade/disponibilidade funcional do equipamento. Desta forma, conhecer os mecanismos de deterioração e dispor de meios tecnicamente significativos e economicamente aplicáveis, permite correlacioná-los com a evolução dos equipamentos em serviço [11]. Muitas técnicas têm sido propostas para garantir a integridade, confiabilidade e funcionalidade de transformadores, sendo que todas buscam o trinômio: baixo custo, eficiência e diagnóstico rápido. Dentre as diversas técnicas disponíveis para a detecção de falhas internas em transformadores, destaca-se a emissão acústica por esta não ser invasiva, permitindo que análises sejam realizadas com o equipamento em condições normais de operação [12]. Um transformador de potência pode ser acometido por uma grande variedade de falhas internas, tais como: descargas parciais, arcos elétricos, centelhamentos, efeitos corona, sobreaquecimentos, dentre outras. Neste contexto, destacam-se as Descargas Parciais (DP), pois estão diretamente relacionadas com as condições de isolamento do transformador, sendo gatilhos para a ocorrência de falhas mais severas. As DP em sistemas de alta tensão ocorrem quando o campo elétrico e áreas localizadas sofrem mudanças significativas a ponto de permitir o surgimento de uma corrente elétrica [6]. De acordo com [13] as DP podem ser agrupadas em 8 classes: Descargas Ponto-a-Ponto no Óleo Isolante: tais DP estão relacionadas a defeitos de isolamento entre duas espiras vizinhas no enrolamento do transformador. 3 JORNADAS TÉCNICAS ISA - 2012 2 ASPECTOS LABORATORIAIS PARA ENSAIOS DE FALHAS EM TRANSFORMADORES 2.1 MEDIDAS ELÉTRICAS Variáveis elétricas também são necessárias para uma correta caracterização de falhas internas de transformadores, especialmente se tratando de sistemas que necessitam de bases de dados de condições normais de operação, manobras e também distúrbios. Este é o caso das Redes Neurais, que necessitam de dados quantitativos para o processo de aprendizado. Faz-se necessário a medição de tensões e correntes primárias e secundárias trifásicas, totalizando 12 variáveis elétricas. A frequência de aquisição neste caso não necessita ser elevada, pois se deseja investigar componentes harmônicas mais predominantes ao sistema elétrico. Para o monitoramento de falhas internas em transformadores utilizando emissão acústica temse uma infinidade de equipamentos, métodos e parâmetros a serem especificados, que variam de acordo com o tipo de defeito que se deseja avaliar. De maneira simplificada, o sistema de monitoramento pode ser mais bem compreendido por meio da Figura 1. Processamento de Dados Medidas de Gases Dissolvidos Medidas Acústicas Medidas Elétricas Transformador 2.2 MEDIDAS ACÚSTICAS Os sinais acústicos são captados pelos sensores de emissão acústica, que ficam conectados externamente ao transformador, de forma distribuída. Tais sensores possuem diversas características que necessitam de uma correta especificação, sendo elas: Diagnóstico Aquisição de Dados Número de sensores por transformador: o número de sensores necessários para a detecção de falhas internas em transformadores varia de acordo com o tamanho do transformador, quantidade de canais disponível e tipo de falha a se detectar. Para a localização de falhas, por exemplo, é preciso um número maior de sensores, de forma que o maior volume possível do transformador possa ser monitorado. Comumente emprega-se de 16 a 20 sensores [14]. Pré-Amplificação: este item é de suma importância, pois apenas os sinais acústicos amplificados são enviados ao hardware de aquisição, eliminando-se os ruídos. Frequência de operação: fortemente dependente do tipo de falha que se deseja monitorar, visto que as falhas mecânicas estão associadas às frequências que variam entre 20 kHz e 50 kHz e as falhas elétricas variam entre 70 kHz e 200 kHz. Figura 1. Diagrama de montagem laboratorial para ensaios de falhas em transformadores As estruturas em destaque (em vermelho) são as que apresentam os maiores desafios para configuração e parametrização, pois são fortemente dependentes do tipo de ensaios que se deseja realizar. À medida que se roteirizam ensaios completos, com grande abrangência de falhas internas, mais complexos e caros tornam-se os equipamentos necessários para o processo de detecção de falhas. Outro fator de aumento da complexidade de equipamentos é a localização de falhas, pois são necessários mais sensores e também hardware de aquisição de dados especializado. Desta forma, na sequencia, apresentar-se-á as variáveis a serem medidas, bem como os equipamentos necessários para que os dados sejam obtidos. 4 JORNADAS TÉCNICAS ISA - 2012 A/D para cada canal. As fontes de emissão acústica também variam entre 5 kHz e 500 kHz, sendo então necessária uma frequência de aquisição na casa de MHz. Frequência de ressonância: este parâmetro especifica a freqüência onde o ganho de sinal é máximo. Para um máximo desempenho é necessário que o sensor possua uma freqüência de ressonância em sintonia com o fenômeno que se deseja monitorar. Os sensores mais comuns possuem freqüência de ressonância de 150 kHz. Além disso, um computador será responsável por armazenar as informações acústicas, elétricas e de gases vindas do hardware de aquisição. Outra função do computador é processar as informações elétricas, acústicas e de gases dissolvidos no óleo a fim de detectar as falhas. 2.3 MEDIDAS DE GASES DISSOLVIDOS 2.5 DIAGNÓSTICO DO TRANSFORMADOR As medidas de gases dissolvidos no óleo isolante podem ser adquiridas a partir de uma análise cromatográfica do óleo, as quais são muitas vezes realizadas em laboratório. No entanto, atualmente já se encontram disponíveis no mercado equipamentos que fazem o sensoriamento de alguns gases dissolvidos no óleo e que podem ser utilizados de forma a monitorar o óleo isolante do transformador em tempo-real. Esta estrutura é a que constitui os maiores desafios, pois é preciso uma combinação de ferramentas para se identificar e localizar de forma eficiente as falhas dos transformadores. Destacam-se atualmente os sistemas inteligentes para se elevar a eficiência nos processos envolvendo a detecção de falhas, especialmente aqueles de localização [13]. Cabe comentar que por meio da análise dos gases dissolvidos, torna-se possível a obtenção de uma primeira indicação de mau funcionamento do transformador que, normalmente, está atrelado a descargas elétricas e sobreaquecimento. 3 ENSAIOS UTILIZANDO UM TANQUE EXPERIMENTAL Com o intuito de realizar os primeiros ensaios de descargas parciais no óleo mineral isolante, um tanque experimental foi devidamente montado. Este tanque pode ser visualizado por meio da Figura 2. 2.4 AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DE DADOS Como visto anteriormente as frequências para os sinais elétricos diferem em muito das encontradas nos sinais acústicos, sendo então uma grande vantagem técnica e financeira o desmembramento do hardware de aquisição em dois: Hardware para sinais elétricos: para fins de qualidade de energia estabelecidos no PRODIST [15], a 25ª harmônica é a última de interesse, sendo que se adotando o critério de Nyquist é preciso uma taxa de aquisição de no mínimo 3 kHz. Para variáveis elétricas também é possível a utilização de hardware com conversor A/D multiplexado, o que diminui o custo de equipamento. Figura 2. Tanque experimental para ensaios de descargas parciais Hardware para sinais acústicos: um dos fatores que encarecem este hardware é a necessidade de se utilizar um conversor Nota-se que sensores de emissão acústica foram alocados nas faces externas do tanque experimental com a finalidade de se obter sinais 5 JORNADAS TÉCNICAS ISA - 2012 acústicos correspondentes à propagação das descargas parciais no óleo. No entanto, para que os dados correspondentes a estes sinais de emissão acústica pudessem ser devidamente extraídos, desenvolveu-se um equipamento de aquisição de dados, o qual pode ser observado por meio da Figura 3. do grafite algumas pequenas variações na amplitude do sinal (pequenas, porém, notáveis), as quais representam as reflexões do sinal da quebra do grafite. 5 4 Sinal de emissão acústica 3 Figura 3. Equipamento de aquisição de dados provenientes dos sensores de emissão acústica 2 1 0 -1 -2 -3 -4 É importante comentar que, além dos sensores de emissão acústica, também foi alocado um sensor de gases, o qual se encontra ilustrado por meio da Figura 4. -5 0 2 4 Tempo (s) 6 8 10 x 10 -3 Figura 5. Resultado obtido para a quebra do grafite. Partindo-se do fato de que o equipamento encontra-se devidamente calibrado (esta calibração pode ser notada comparando-se o sinal de quebra do grafite com um sinal de referência), foram iniciados os ensaios de descargas parciais. Assim, de forma a melhor ilustrar estes ensaios, é apresentado na sequência um sinal adquirido (Figura 6). Fig ura 4. Sensor de gases alocado no tanque experimental. Sinal de emissão acústica 3 Depois de comentados aqui todos os aspectos relacionados ao tanque experimental empregado durante os ensaios de descargas parciais, serão mostrados na próxima seção alguns resultados obtidos por meio desta configuração laboratorial. 4 RESULTADOS A princípio, realizou-se o teste da quebra do grafite a fim de se aferir a precisão e o comportamento dos sensores de emissão acústica, bem como do equipamento de aquisição de dados. Assim, foi possível obter o seguinte sinal (Figura 5). 2 1 0 -1 -2 -3 0 0.02 0.04 0.06 Tempo (s) 0.08 0.1 Figura 6. Resultado obtido para uma descarga parcial. Por meio da Figura 5 é possível notar o momento exato da quebra do grafite, o qual se encontra em destaque. Além disso, nota-se à frente da quebra Por fim, realizou-se uma verificação de correlação entre o sinal obtido por meio de um dos sensores de emissão acústica e o sinal de corrente da 6 JORNADAS TÉCNICAS ISA - 2012 Sinal de emissão acústica descarga parcial aplicado no ensaio (Figura 7). and Cybernetics-Part C: Applications and Reviews, vol. 39, pp. 597-610, November 2009. [2] B. Németh, S. Laboncz and I. Kiss, “Condition Monitoring of Power Transformers using DGA and Fuzzy Logic,” IEEE Electrical Insulation Conference, 2009. 2 0 -2 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Tempo (s) 0.06 0.07 0.08 0.09 [3] T. Snow and M. McLarnon, “The Implementation of Continuous Online Dissolved Gas Analysis (DGA) monitoring for all Transmission and Distribution Substations,” IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 2010. Corrente (A) 1 0.5 0 -0.5 -1 -0.01 [4] P. S. Szczepaniak and M. Klosinski, “DGAbased Diagnosis of Power Transformers – IEC Standard versus k-Nearest Neighbors,” IEEE International Conference on Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering, 2010. Figura 7. Correlação entre o sinal de emissão acústica e o sinal de corrente da descarga parcial. [5] Z. Peng and B. Song, “Research on Transformer Fault Diagnosis Expert System Based on DGA Database,” 2nd International Conference on Information and Computing Science, 2009. Cabe comentar que por meio da correlação entre os sinais, torna-se então nítido que ambos encontram-se praticamente em fase no domínio do tempo e, portanto, a análise de correlação é válida para tal propósito. 5 [6] E. Mohammadi, M. Niroomand, M. Rezaeian and Z. Amini, “Partial Discharge Localization and Classification Using Acoustic Emission Analysis in Power Transformer,” 31st International Telecommunications Energy Conference, 2009. CONCLUSÃO As tarefas de identificação e localização de falhas internas em transformadores de potência fazem-se extremamente necessárias, visto que este é um dos equipamentos que possui maior custo agregado tanto para sua aquisição quanto para manutenção. Portanto, as análises de gases dissolvidos e análise das descargas parciais por meio de sensores de emissão acústica são fundamentais para a manutenção do equipamento, as quais trazem diversos benefícios, tais como a redução do risco de falhas inesperadas e paradas não-programadas; extensão to tempo de vida útil do transformador; diminuição de gastos com manutenção e redução do tempo de manutenção (devido à localização da falha). [7] G. F. C. Veloso, L. E. B. Silva, G. LambertTorres and J. O. P. Pinto, “Localization of Partial Discharges in Transformers by the Analysis of the Acoustic Emission,” IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2006. [8] S. M. Markalous, S. Tenbohlen and K. Feser, “Detection and Location of Partial Discharges in Power Transformers using Acoustic and Electromagnetic Signals,” IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 15, pp. 1576-1583, 2008. [9] X. Wang, B. Li, H. T. Roman, O. L. Russo, K. Chin and K. R. Farmer, “Acoustic-optical PD Detection for Transformers,” IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 21, pp. 1068-1073, 2006. 6. REFERÊNCIAS [10] A. Núñez, “Recent Case Studies in the Application of Acoustic Emission Technique in Power Transformers,” IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America, 2006. [1] Z. Yang, W. H. Tang, A. Shintemirov and Q. H. Wu, “Association Rule Mining-Based Dissolved Gas Analysis for Fault Diagnosis of Power Transformers,” IEEE Trans. on Systems, Man, 7 JORNADAS TÉCNICAS ISA - 2012 [11] R.A. Flauzino, I.N. Silva, J.A.C. Ulson, "Mapeamento Neuro-Nebuloso Dos Gases Dissolvidos No Óleo Mineral Isolante De Transformadores Através De Ensaios FísicoQuímicos". SBAI 2003 - VI Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, 6 pp., 2003. Carlos Guilherme Gonzales Engenheiro Elétrico Universidade de Marília – UNIMAR Posição atual: Coordenador de Desenvolvimento do Centro de Manutenções Especiais – Bauru Divisão de Gestão da Manutenção. CTEEP-Brasil. [12] M.B. Trindade, H.J.A. Martins, A.F. Cadilhe, J.A. Moreira, "On-Load Tap-Changer Diagnosis Based on Acoustic Emission Technique". Proceedings of the XIVth International Symposium on High Voltage Engineering, 6 pp., 2005. [13] T. Boczar, S. Borucki, A. Cichon, D. Zmarzly, "Application possibilities of artificial neural networks for recognizing partial discharges measured by the acoustic emission method". Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 16, no. 1, pp. 214-223, 2009. [14] M.B. Trindade, H.J.A. Martins, R.C. Menezes, “Identificação de Defeitos Elétricos e Mecânicos em Transformadores e Reatores de Potência por Emissão Acústica”. V Workspot – Internacional Workshop on Power Transformers, 8 pp., 2008. [15] ANEEL, PRODIST (Estabelece os procedimentos relativos à qualidade da energia elétrica – QEE, abordando a qualidade do produto e a qualidade do serviço prestado), 62 p., http://www.aneel.gov.br, 2009. CURRÍCULO DOS AUTORES Paulo Gomes da Silva Junior Tecnólogo Elétrico UNESP Bauru Posição Atual: Técnico Sênior de Manutenção da Oficina de Transformadores do Centro de Manutenções Especiais - Bauru Divisão de Gestão da Manutenção. CTEEP-Brasil. Erasmo Silveira Neto Engenheiro Elétrico FEB – Faculdade de Engenharia de Barretos Posição atual: Supervisor do Laboratório de Alta Tensão do Centro de Manutenções Especiais – Bauru Divisão de Gestão da Manutenção. CTEEP-Brasil. 8