METROSUL IV – IV Congresso Latino-Americano de Metrologia
“A METROLOGIA E A COMPETITIVIDADE NO MERCADO GLOBALIZADO”
09 a 12 de Novembro, 2004, Foz do Iguaçu, Paraná – BRASIL
Rede Paranaense de Metrologia e Ensaios
AVALIAÇÃO PRELIMINAR NA MEDIÇÃO AUTOMATIZADA DA
CONCENTRAÇÃO DE GASES DISSOLVIDOS EM ÓLEO ISOLANTE DE
MÚLTIPLOS TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA
Marco Antonio Martins Cavaco 1, Patrick Mendes Cardoso 2, César Augusto Azevedo Nogueira 3,
Antonio Carlos Xavier de Oliveira 4, José Ricardo de Menezes 5, Régis Hamilton Coelho 6.
1, 2, 3, 4, 5
6
Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil
Centrais Elétricas de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil
Resumo: Transformadores de potência são
equipamentos caros e com amplo uso em
subestações de transmissão e de distribuição de
energia elétrica. Dentre as diversas atividades de
manutenção que um transformador está sujeito, a
análise de gases dissolvidos em óleo é uma das mais
relevantes, pois é capaz de diagnosticar falhas
incipientes
no
isolamento
do
transformador.
Comumente o monitoramento da concentração desses
gases é realizado através de cromatografia em fase
gasosa, que apresenta resultados aceitáveis.
Infelizmente esta análise representa um momento da
condição atual do transformador e não pode fornecer
nenhuma garantia do status até que o próximo evento
de análise ocorra. Com a nova tecnologia de
monitoramento on-line, os transformadores podem ter
sua concentração de gases dissolvidos em óleo
acompanhado em tempo real, porém com elevado
custo. Este trabalho apresenta o primeiro protótipo
automatizado de campo, para monitorar três
transformadores de potência. Neste protótipo um
único sistema de medição é capaz de analisar a
concentração dos gases dissolvidos no óleo dos
múltiplos transformadores. Com esta multiplexação
será possível realizar uma significativa redução de
custos do monitoramento on-line, já que permitirá o
acompanhamento de vários transformadores com um
único sistema de medição.
Palavras chave: instrumentação, gás dissolvido em
óleo, transformador.
1. INTRODUÇÃO
Transformadores de potência são equipamentos
fundamentais dos sistemas de energia elétrica, sem
estes não poderíamos transmitir e distribuir a energia
elétrica gerada nas centrais geradoras. Estes
equipamentos são projetados para atender a uma
elevada vida útil, e para que esta seja alcançada se
faz necessário que seja aplicado ao transformador um
planejamento minucioso e detalhado de suas
atividades de manutenção. Entretanto, ao longo do
tempo os transformadores estão sujeitos a sofrerem
falhas, que podem ter elevados custos não somente
para a concessionária de energia elétrica, mas para a
sociedade em geral.
Diversas são as atividades de manutenção que um
transformador sofre, sendo que uma das principais
envolve a análise química do óleo isolante, desta
maneira são realizados vários ensaios no mesmo. O
óleo mineral isolante é utilizado no núcleo do
transformador com função de isolar as partes ativas
do transformador e também atuar na refrigeração do
sistema. Através do monitoramento deste óleo, é
possível diagnosticar a situação de operação e a
confiabilidade do transformador.
Dentre os ensaios efetuados, a análise de gases
dissolvidos no óleo mineral é um dos passos mais
importantes para diagnosticar falhas incipientes no
isolamento do transformador. Comumente o
monitoramento da concentração desses gases é
realizado através de cromatografia em fase gasosa,
que apresenta resultados aceitáveis. Infelizmente esta
análise representa um momento da condição atual do
transformador e não pode fornecer nenhuma garantia
do status até que o próximo evento de análise ocorra,
desta forma as mudanças significativas nos gases do
transformador entre os intervalos de análise não são
detectáveis.
Com a nova tecnologia de monitoramento on-line,
os transformadores podem ter sua concentração de
gases dissolvidos em óleo acompanhada em tempo
real, porém ainda com elevado custo.
Resultados preliminares comprovam a metodologia
implementada para a utilização no campo, de um
protótipo
automatizado
para
monitorar
três
transformadores de potência, que com um único
sistema de medição é capaz de analisar a
concentração dos gases dissolvidos no óleo de
múltiplos transformadores. Foi construído um
dispositivo chamado de MAGO (Múltiplo Analisador de
Gases dissolvidos em Óleo) especificamente para
esta finalidade, sendo que o mesmo é responsável
pela automação e multiplexação da análise. Com este
sistema será possível realizar uma significativa
redução de custos no monitoramento on-line, já que
permitirá
o
acompanhamento
de
vários
transformadores com um único sistema de medição.
2. MANUTENÇÃO DE TRANSFORMADORES DE
POTÊNCIA
Os transformadores de potência são dispositivos
que requerem manutenção e cuidados especiais
devido à sua importância no sistema elétrico que
estão inseridos. Além do seu relevante papel nos
sistemas de energia, os cuidados na manutenção
devem ser salientados, pois os transformadores de
potência são equipamentos caros, da ordem de
milhões de reais, e projetados com elevada vida útil,
em torno de 30 anos. Em virtude do risco e das
penalidades que podem advir daí, é que as
concessionárias dão uma alta prioridade ao controle e
monitoramento do status e das condições de seus
transformadores.
Com intuito de garantir a sua elevada vida útil de
operação os transformadores recebem constantes
atividades de manutenção, dentre as mais importantes
podemos citar as inspeções semestrais e trienais em
buchas, tanques e radiadores, conservadores,
termômetros de óleo e/ou enrolamento, sistema de
ventilação forçada, sistema de circulação de óleo,
secador de ar, dispositivo alívio de pressão, relé de
gás tipo Buchholz, relé de pressão súbita,
comutadores de derivação, caixas de terminais de
controle e proteção e ligações externas [1].
Parte
importante
na
manutenção
dos
transformadores é o monitoramento do óleo isolante,
estes são utilizados em transformadores com a
finalidade dielétrica e a de realizar a remoção do calor
gerado nas bobinas do enrolamento. O óleo é extraído
do petróleo podendo ser parafínico ou naftênico,
dependendo do tipo de petróleo que o mesmo é
originado. O óleo mineral isolante é constituído de
uma mistura de hidrocarbonetos em sua maioria, e de
não-hidrocarbonetos,
também
chamados
de
heterocompostos, em pequena proporção [2].
óleo isolante, a análise de gases dissolvidos pode ser
considerada de grande importância, pois no óleo
podem estar dissolvidos gases combustíveis como o
monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2), metano
(CH4), etano (C2H6), etileno (C2H4) e o acetileno
(C2H2), e os não-combustíveis como o oxigênio (O2),
nitrogênio (N2) e o dióxido de carbono (CO2). Estes
gases são gerados de diversas maneiras, sendo que
as principais fontes de liberação de gases são as
descargas parciais (efeito corona) no isolamento e
arcos elétricos internos do transformador.
Tipicamente, a análise de gases dissolvidos é
realizada através de cromatografia em fase gasosa, a
qual fornece resultados aceitáveis. Embora seja uma
técnica confiável, a cromatografia gasosa feita em
laboratório tem dois inconvenientes: a distância entre
o ponto de coleta da amostra e o laboratório, e o
período de amostragem [4].
Como a técnica usual apresenta apenas um status
da condição do óleo no momento da análise,
mudanças significativas nos gases do transformador
entre os intervalos de análise não são detectáveis.
Assim a nova tecnologia de monitoramento on-line
tornou-se de prática de manutenção preventiva para
preditiva com os seguintes objetivos: operar o
transformador com o rendimento máximo, detectar os
primeiros sinais de falha, reduzir as paradas não
agendadas e as falhas do equipamento, e aumentar a
vida útil do transformador [5].
3. O SISTEMA DESENVOLVIDO
Foi desenvolvido em parceira com a Celesc
(Centrais Elétricas de Santa Catarina), um protótipo
para a multiplexação da análise da concentração de
gases em óleo para vários transformadores. O
protótipo deve apresentar fácil deslocamento e ser
modular, pois o mesmo será utilizado nas diversas
subestações da Celesc.
O protótipo também deverá ser capaz de monitorar
três transformadores e para isto será necessário
construir um dispositivo que esteja apto a realizar a
multiplexação da saída de óleo dos transformadores.
Uma visualização geral do sistema pode ser
observada na Fig. 1 abaixo:
No óleo são realizados diversos ensaios físicoquímicos tais como: rigidez elétrica, teor de água, fator
de potencial, tensão interfacial, ponto de fulgor,
densidade, acidez e a análise de gases dissolvidos em
óleo [3].
Neste trabalho usa-se um sistema de medição que
através de uma membrana permeável analisa em
tempo real a concentração de gases dissolvidos no
Fig. 1 - Esquema geral do sistema de multiplexação
Para realizar a multiplexação da saída de óleo dos
transformadores, e levá-las até um único ponto de
análise, onde estará localizado o sistema de medição
da concentração de gases dissolvidos no óleo, será
necessário implementar um sistema com mangueiras,
válvulas solenóides e um controlador, sendo que
todos estes equipamentos estão em um mesmo
conjunto, com exceção das mangueiras. Ainda serão
utilizados no sistema quatro medidores de vazão, um
em cada saída dos transformadores e o último na
saída do sistema, para monitorar o fluxo de óleo e
detectar possíveis vazamentos.
são utilizados componentes elétricos a fim de efetuar
o comando das válvulas, como relés, botoeiras e
chaves. No acesso remoto, o controlador utilizado
possui interface de comunicação com a Internet,
permitindo assim o comando do sistema.
O sistema descrito é montado sobre um carrinho,
permitindo assim cumprir com o requisito de facilidade
de transporte. Abaixo são mostradas na Fig. 3
imagens do protótipo
Este conjunto que abriga os componentes do
sistema acima descritos, foi denominado de MAGO
(Múltiplo Analisador de Gases dissolvidos em Óleo),
sendo que este corresponde ao retângulo destacado
em azul na Fig. 2.
Fig. 3 – Imagens do protótipo MAGO
4. AUTOMAÇÃO DA MEDIÇÃO
Fig. 2 - Diagrama hidráulico do sistema
Para a multiplexação do óleo foi implementado
uma lógica de comando hidráulico com a inserção de
duas válvulas de três vias em série com o sistema,
desta maneira permitindo apenas a passagem do óleo
proveniente do transformador que se deseja estudar,
ainda foram duplicadas as válvulas que permitem o
acesso com a saída dos transformadores para
proporcionar ao sistema maior segurança.
O coração do sistema automatizado de medição é
um controlador sofisticado. Este controlador que atua
sobre as válvulas solenóides e adquire dados
provenientes dos sistemas de medição da
concentração dos gases dissolvidos no óleo, dos
medidores de vazão, e também permite o controle via
a Internet é o Compact FieldPoint da National
Instruments®, programado em LabVIEW 7.0.
O controlador em questão destaca-se por ser
modular, deste modo para realizar as suas tarefas
foram necessários utilizar módulos de entrada
analógica e de saídas em relé. Cada módulo possui 8
canais independentes, na Tabela 1 pode ser
visualizada a configuração dos módulos controlador.
Tabela 1 – Configuração dos módulos do controlador
Foram utilizados no protótipo dois sistemas de
medição da concentração de gases dissolvidos em
óleo, o Hydran da GE Energy Services de fabricação
canadense e o GMM da Tree Tech de fabricação
nacional. Ainda foram utilizados quatro medidores de
vazão com faixa de medição de 0,5 a 5 l/min para
controle das perdas.
Módulo
Canal Denominação
Configuração
cFP-AI-110
0
Ent. Anal. Hydran
cFP-AI-110
1
Ent. Anal. Tree Tech
0 to 20 mA
0 to 20 mA
cFP-AIO-600
0
Ent. Anal. Med. Vazão 1
0 to 20 mA
cFP-AIO-600
1
Ent. Anal. Med. Vazão 2
0 to 20 mA
cFP-AIO-600
2
Ent. Anal. Med. Vazão 3
0 to 20 mA
cFP-AIO-600
3
Ent. Anal. Med. Vazão 4
0 to 20 mA
As mangueiras utilizadas atendem a norma SAE
100 R5 e possuem terminações com engates rápidos
em ambos os lados, estas mangueiras possuem
malha interna de aço e reforço com manta têxtil, assim
robustas e próprias para o uso em questão.
cFP-RLY-421
0
Saída em relé 1
-
cFP-RLY-421
1
Saída em relé 2
-
cFP-RLY-421
2
Saída em relé 3
-
cFP-RLY-421
3
Saída em relé 4
-
cFP-RLY-421
4
Saída em relé 5
-
O sistema deve operar via comando local ou
remoto. O acesso local é efetuado via operador na
subestação, assim para a realização do acesso local
cFP-RLY-421
5
Saída em relé 6
-
Quando o protótipo está operando em modo
remoto, é possível através do painel frontal atuar
sobre o sistema. Deste modo, pode-se enviar um
comando que atuará sobre a comutação das válvulas
e assim permitindo que o óleo do transformador que
se deseja analisar percorra o sistema.
até o último de maior concentração, voltando para o
de média contaminação e para finalizar o ensaio
novamente foi colocado o óleo limpo no sistema,
completando o ciclo. Os resultados foram obtidos
através de análise em cromatografia em fase gasosa,
Fig. 5.
0
Óleo Limpo - 1 ciclo
Concentração (ppm)
Através da programação realizada em LabVIEW,
foi possível criar uma interface amigável com o
usuário. Sendo que por meio do painel frontal o
usuário é capaz de visualizar a leitura do Hydran e do
GMM, bem como verificar as indicações dos
medidores de vazão. No painel frontal é ainda
representado o diagrama hidráulico do sistema, assim
é possível acompanhar a atuação das válvulas
solenóides do mesmo.
TANQUE
1000,00
SENSOR
100,00
10,00
1,00
0,10
0,01
H2
CH4
CO
CO2
C2H4 C2H6 C2H2
Gás
0
Concentração (ppm)
Óleo Médio - 1 ciclo
TANQUE
1000,00
SENSOR
100,00
10,00
1,00
0,10
H2
CH4
CO
CO2
C2H4 C2H6 C2H2
Gás
0
Concentração (ppm)
Óleo Sujo - 1 ciclo
TANQUE
1000,00
SENSOR
100,00
10,00
1,00
0,10
H2
CH4
CO
CO2
C2H4 C2H6 C2H2
Gás
0
5. RESULTADOS PRELIMINARES
Para a implementação do MAGO, era necessária a
comprovação de que o sistema hidráulico é
suficientemente robusto para adquirir uma amostra
representativa do óleo do transformador em análise, e
também verificar a não contaminação do sistema.
Para isso foi desenvolvida uma bancada de
ensaios que permitisse tal verificação. A bancada
constituía-se de um tanque que era ligado ao sistema
de medição da concentração de gases dissolvidos por
meio de uma mangueira. Coletavam-se amostras da
condição do óleo no tanque e na saída do sistema de
medição, Fig. 5.
Assim foram realizadas medições da concentração
de gases dissolvidos, após o preenchimento do
sistema com óleo. Iniciou-se o ciclo com um óleo
limpo, passando para um com média contaminação
TANQUE
1000,00
SENSOR
100,00
10,00
1,00
0,10
H2
CH4
CO
CO2
C2H4 C2H6 C2H2
Gás
0
Óleo Limpo - 2 ciclo
Concentração (ppm)
Fig. 4 – Interface com o usuário (painel frontal)
Concentração (ppm)
Óleo Médio - 2 ciclo
TANQUE
1000,00
SENSOR
100,00
10,00
1,00
0,10
0,01
H2
CH4
CO
CO2
C2H4 C2H6 C2H2
Gás
Fig. 5 – Gráficos comparativos das diferentes concentrações
de gases dissolvidos no óleo
Através de comparações entre as amostras de óleo
com diferentes concentrações de gases dissolvidos
nos distintos pontos de coleta da amostra, ficou
evidente que o sistema hidráulico não se contamina.
Um outro teste realizado na bancada, para garantir
a multiplexação que se deseja efetuar com o MAGO,
foi uma avaliação do comportamento do sistema de
medição da concentração de gases dissolvidos,
quando este é submetido a uma variação brusca.
Assim foi realizado um ensaio, onde o Hydran que
monitorava
um
óleo
contaminado
passou
repentinamente a avaliar um óleo não contaminado,
Fig. 6.
análise dos gases dissolvidos em óleo de
transformadores de potência. Uma economia
considerável pode ser obtida com a utilização deste
sistema, uma vez que com apenas um sistema de
medição
vários
transformadores
podem
ser
monitorados. Uma outra vantagem do protótipo
desenvolvido é o seu fácil transporte e configuração,
podendo ser removível e facilmente utilizado em
diversas situações e diferentes subestações.
Também foi demonstrado através dos ensaios
realizados, que a multiplexação da análise de gases
dissolvidos em óleo é possível de ser realizada com o
sistema hidráulico desenvolvido.
240
Concentração de Gás (ppm)
Temperatura (ºC)
220
AGRADECIMENTOS
200
180
Departamento técnico da subestação de Coqueiros e
do laboratório físico-químico da Celesc, ao Labmetro
(Laboratório de Metrologia e Automatização da
UFSC), e aos alunos Fernando Dominghini Possamai
e Mauro Eduardo Benedet.
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Tempo (min)
Leitura do Hydran
REFERÊNCIAS
[1]
WEG Transformadores, "Manual de instalação e de
manutenção de transformadores", Blumenau. 16 p.
Catálogo.
[2]
M Milasch, "Manutenção de transformadores em
líquido isolante”, Edgar Blücher LTDA, São Paulo
1984. 353 p.
[3]
J. R. Messias, "Guia prático de ensaios físico-químicos
na manutenção de transformadores em óleo", Ícone,
São Paulo, 1993. 98 p.
[4]
M. A. M. Cavaco, "Adaptação de um sensor para a
medição de gases dissolvidos em óleo isolante de
múltiplos
transformadores",
In:
CONGRESSO
BRASILEIRO DE METROLOGIA, 3, 2003, Recife.
Anais... Recife: SBM, 2003.
[5]
GE Energy, "Monitoramento e diagnóstico integrado
(iSM&D) para transformadores em subestações", São
Paulo, 13 p. Catálogo.
Temperatura Sensor
Fig. 6 – Gráfico do comportamento do Hydran na passagem
de óleo contaminado para o óleo não contaminado
Com o resultado obtido, ficou claro que o sistema
de medição reconheceu e respondeu a troca do óleo
contaminado para o óleo não contaminado.
6. LIMITAÇÕES DO PROTÓTIPO
As limitações do protótipo desenvolvido residem no
fato do sistema hidráulico implementado apresentar
uma malha aberta, desta forma uma vez drenado o
óleo do transformador para a realização de uma
análise o mesmo é depositado no reservatório do
MAGO, não permitindo assim a volta do óleo ao
transformador de origem. Este óleo depositado no
reservatório deverá ser inserido novamente no
transformador de maneira manual, ou no caso que
este estiver em condições impróprias (alta taxa de
concentração de gases dissolvidos) deverá ser levado
para a estação de regeneração de óleo.
Também com o protótipo não será possível realizar
um monitoramento on-line da condição do óleo do
transformador, devido à distância do local de análise
ao transformador, assim a leitura realizada
corresponde apenas ao instante que a mesma foi
executada.
7. CONCLUSÃO
Neste trabalho conseguiu-se construir um protótipo
de um sistema portátil que multiplexa com eficiência a
Autor: Ph. D., Marco Antonio Martins Cavaco, Labmetro /
UFSC, Caixa Postal 5053 Florianópolis/SC Brasil 88040970, fone: (48) 239-2032, [email protected].
Eng., Patrick Mendes Cardoso, Labmetro / UFSC, Caixa
Postal 5053 Florianópolis/SC Brasil 88040-970, fone: (48)
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