CIDEL Argentina 2010
International Electricity Distribution Congress
NOVAS TECNOLOGIAS APLICADAS NA AVALIAÇÃO DE
TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA
Marcelo Eduardo de Carvalho Paulino
Adimarco, Rio de Janeiro, RJ, Brasil
E-mail: [email protected]
Palavras chave: Transformadores, variação de
freqüência, resposta em freqüência, testes e análises,
detecção de defeitos
tempo quanto possível. Os equipamentos elétricos
instalados em subestações podem ser solicitados a
operar sob diversas condições adversas, tais como:
altas temperaturas, chuvas, poluição, sobrecarga e
dessa forma, mesmo tendo uma operação e manutenção
de qualidade, não se pode descartar a possibilidade de
ocorrerem falhas que deixem indisponíveis as funções
transmissão e distribuição de energia elétrica aos quais
pertencem. Entretanto, a checagem regular das
condições de operação desses equipamentos torna-se
cada vez mais importante. Torna-se imperativo a busca
de procedimentos e ferramentas que possibilitem a
obtenção de dados das instalações de forma rápida e
precisa.
RESUMO
Este trabalho apresenta as principais técnicas de
avaliação e testes de transformadores utilizando
variação de freqüências. Mostra os procedimentos e
resultados práticos envolvendo testes de resposta em
freqüência (função de transferência, impedância
terminal), bem como fator de dissipação, capacitância e
reatância de dispersão utilizando equipamentos de
última geração, de fácil aplicabilidade pelas equipes de
manutenção para testes em laboratório, em oficinas ou
em campo. Este trabalho mostra ainda a realização de
testes e ensaios em transformadores de potência,
avaliando a condição de enrolamentos, circuito
magnético e isolamento, coletando dados e
informações para subsidiar uma tomada de decisão pela
equipe de manutenção
1.
2.
ANÁLISE
DE
RESPOSTA
EM
FREQÜÊNCIA - MEDIDA DA FUNÇÃO DE
TRANSFERÊNCIA
Este método está baseado na suposição que
qualquer deformação mecânica pode ser associada com
uma mudança das impedâncias do circuito equivalente
e essas mudanças serem detectadas por uma função de
transferência.
Consiste em medir a função de transferência,
também conhecida como resposta em freqüência, e a
impedância terminal dos enrolamentos. Essas medidas
podem ser usadas como um método de diagnóstico
para a detecção de defeitos elétricos e mecânicos do
transformador em cima de uma larga escala de
freqüências. Para tal é realizada a comparação entre a
função de transferência obtida com assinaturas de
referência. Diferenças podem indicar dano ao
transformador que pode ser investigado usando outras
técnicas ou um exame interno.
O circuito equivalente de um transformador é
complexo e composto de resistências, indutâncias e
capacitâncias provenientes dos enrolamentos, assim
como capacitâncias parasitas entre espiras, entre
bobinas e destas para o tanque. Este circuito possui
características únicas de resposta em freqüência para
cada transformador, funcionando como uma impressão
digital. Qualquer tipo de dano na sua estrutura interna,
tanto na parte ativa (enrolamentos e núcleo) como na
parte passiva (estrutura, suportes, tanque etc.), afeta
diretamente os parâmetros deste circuito equivalente, o
INTRODUÇÃO
A
engenharia
de
manutenção
de
transformadores pode ser considerada como um dos
ramos da técnica que mais evolui atualmente. No caso
da ocorrência de um defeito, que poderia ou não ser
detectado por um procedimento preventivo, ocorre um
prejuízo financeiro, tanto maior quanto maior for o
bloco de carga interrompida. Os prejuízos para as
unidades fabris podem atingir elevados valores e,
dependendo do caso, resultar em grande dano a
imagem institucional das empresas de suprimento de
energia elétrica.
A avaliação dos custos envolvidos em qualquer
tipo de interrupção de energia resulta na necessidade de
implantação de programas de manutenção preventiva.
Neste caso, o objetivo principal é permitir a avaliação
da instalação e seus equipamentos utilizando novas
técnicas e ferramentas capazes de detectar uma
possível falha o quanto antes.
As equipes envolvidas com as atividades de
comissionamento e manutenção têm sofrido crescente
pressão para reduzir custos, mesmo sendo forçada a
manter antigas instalações em operação por tanto
1
que altera sensivelmente a resposta em freqüência deste
circuito, que comparado à resposta original do mesmo
pode claramente evidenciar a falha. A figura 1 mostra
uma representação da estrutura dos enrolamentos
dentro do transformador. A reunião da parte ativa
(enrolamentos) e as partes aterradas (núcleo e tanque
do transformador) formam uma complexa rede RLC.
transferência é representada no domínio da freqüência
e é denotada pelo transformada de Fourier H(jω), onde
(jω) denota a presença de uma função dependente da
freqüência, onde ω = 2πf. A transformada de Fourier
mostrando a função de transferência entre a entrada e
saída é dada por equação 1.
H ( jω ) =
VSaída ( jω )
VEntrada ( jω )
(1)
Para o ensaio de Função de Transferência, a
figura 3 mostra o sinal é injetado (cabo amarelo) em
uma bobina e a medição do sinal de entrada feita no
mesmo ponto por um canal de medida (cabo
vermelho). outro canal de medida obtém o sinal de
saída (cabo azul). Assim são levantados os gráficos de
magnitude e defasagem da impedância do
transformador em função da freqüência.
Figura 1 – Representação do circuito RLC interna no
transformador
Em essência, o método consiste na aplicação de
um sinal senoidal de baixa tensão, por exemplo, 1 V,
variando a freqüência do sinal aplicado, de 10Hz a
20MHz. Em outro terminal são medidos amplitude e
ângulo do sinal da reposta correspondente ao sinal de
aplicado. O sinal aplicado é mantido no mesmo nível
para cada freqüência de teste, obtendo resultados
precisos e produzindo repetibilidade do ensaio. A
figura 2 mostra a representação das medidas da função
de transferência em um transformador. Este é tratado
como um quadripolo e são realizadas as medidas das
tensões e correntes de entrada.
Figura 3 – Princípio básico de conexão para medida do SFRA
As figuras 4 e 5 mostram exemplos de
comparação entre assinaturas.
Figura 2 – representação de medida da função de
transferência
Os resultados obtidos são apresentados em
forma gráfica, segundo as medidas dos sinais de tensão
e corrente de entrada e saída. As representações
gráficas das funções amplitude e fase da resposta em
freqüência, em escala logarítmica, designam-se por
diagramas de Bode de amplitude e de fase. Nos
diagramas de Bode de amplitude, o eixo das
freqüências (horizontal) representa-se em escala
logarítmica, ao passo que na escala vertical se
representa a função 20log10(amplitude), em vez da
amplitude apenas, cuja unidade se designa por decibel
(dB). Tem-se como resultado, tanto para amplitude,
quanto para fase, a função transferência de tensão,
apresentando a relação entre o valor do sinal de tensão
de saída e o sinal de tensão de entrada em função da
freqüência, ou seja, Uo/Ui (f). A função de
Figura 4 - curto circuito entre espiras
Figura 5 – dano no núcleo devido o transporte
2
3.
Tabela 1 – Condições do isolamento pela IEEE Std. 62-1995.
MEDIDA DE CAPACITÂNCIA E FATOR
DE DISSIPAÇÃO COM VARIAÇÃO DE
FREQÜÊNCIA
Condições do Isolamento
Transformador
Medida da Capacitância (C) e Fator de
Dissipação (FD) está estabelecida como um importante
método de diagnóstico de isolamento. Este método foi
publicado por Schering em 1919 e utilizado para esse
propósito pela primeira vez em 1924. O fator
dissipação é definido como:
tan δ =
I Rp
I Cp
=
1
RP ⋅ ω ⋅ C P
Bom
Aceitável
Deve ser
Investigado
Novo
FD < 0.5%
-
-
Antigo sob serviço
FD < 0.5%
0.5% < FD < 1%
FD > 1%
Todos os valores medidos a 20°C
Entretanto, para a correta avaliação do estado do
isolamento existe a necessidade da comparação com
valores do histórico do equipamento sob teste com a
medida do FD feita em 60 Hz, além da referência de
0,5%. Devido ao fenômeno do efeito pelicular e do
efeito da polarização do meio dielétrico diante da
variação de freqüência, os resultados dos testes de fator
de dissipação e capacitância geram gráficos mostrando
valores de referência, uma "impressão digital" do
transformador, importante para comparações futuras.
Com a aplicação de variação de freqüência, o fator de
dissipação em um transformador com o isolamento em
boas condições tende a aumentar, enquanto o valor de
capacitância deve ser manter constante.
A figura 6 mostra um transformador WEG de
69KV/20MVA, novo, testado em fábrica, e a figura 7
mostra o resultado do teste de fator de dissipação de
AT para BT, variando a freqüência.
(2)
O sistema de teste utilizado neste trabalho usa
um método similar àquele da ponte Schering. A
principal diferença deste sistema com os equipamentos
similares no mercado é que não necessita de ajustes
para medição da Capacitância e do Fator de
Dissipação. Possui um capacitor de referência isolado a
gás com perdas abaixo de 10-5.
Para uso em laboratório, tais capacitores são
regularmente utilizados para obter medições precisas,
já que as condições climáticas são bem constantes. Não
é o caso para medições em campo onde as temperaturas
podem variar significativamente, causando dilatação e
contração do eletrodo no capacitor de referência. O
sistema de teste utilizado leva todos esses fatores em
consideração e os compensa eletronicamente. Assim é
possível pela primeira vez, realizar facilmente no
campo testes para Fator de Dissipação igual a 5 x 10-5.
3.1 Medições e Avaliação do Fator Dissipação em
Enrolamentos de Transformador
Um transformador contém um complicado
sistema de isolamento. Enrolamentos de alta e baixa
tensão devem ser isolados do tanque e do núcleo, da
mesma forma que esses elementos também o são.
Todos esses gaps de isolamento devem ser checados
regularmente. Normalmente em um transformador de
potência de dois enrolamentos, as medidas de
capacitância e fator de dissipação são realizadas para
todos os isolamentos: AT para BT, AT para massa, BT
para massa. Em um transformador de três enrolamentos
é muito mais complicado e são necessários mais testes
para medir todos os intervalos.
O Fator de Dissipação (FD) é um indicador da
qualidade do isolamento óleo-papel desses gaps. A
degradação do óleo, a quantidade da água e a
contaminação com carbono e outras partículas podem
aumentar o FD. Para isolamento de óleo e papel em
transformadores de potência novos e transformadores
de boa qualidade têm valores do FD abaixo de 0,5%.
Este resultado é publicado pelas normas e por outras
literaturas. A tabela 1 mostra o registrado na IEEE Std.
62-1995.
Figura 6 – Transformador 69KV/20MVA medido em fábrica
O valor do FD para 60Hz gira em torno de
0,15%. A característica da curva FD nesta faixa de
freqüência mostra o aumento de FD com o aumento da
freqüência, como o esperado, e deve ser mantida como
registro de resultado para diagnóstico futuro do
isolamento e sua degradação.
Figura 7 - Fator de Dissipação com variação de freqüência
AT-BT
3
A seguir é mostrado o resultado da comparação
entre as 3 fases com a medida de fator de potência em
3 reatores ASEA/BROWN BOVERI, tipo RM46, com
fabricação 2002, com Potência: 40,33 MVAr, Tensão
HV: 500 kV, Corrente HV: 127 A. A figura 8 mostra
um dos reatores e a figura 9 mostra o resultado dos
testes.
medições da reatância de dispersão são realizadas
durante o teste de curto circuito. Durante este teste a
relutância encontrada pelo fluxo magnético é
determinada pelas características do meio de condução
do fluxo magnético, pelo chamado canal de fuga ou
canal de dispersão. O canal de fuga ou de dispersão é o
espaço confinado entre a superfície interior do
enrolamento interior, a superfície exterior do
enrolamento exterior, e o espaço entre o jugo inferior e
superior.
Quando ocorre uma distorção dos enrolamentos
devido a uma falha, as perdas aumentam devido às
correntes induzidas e a relutância altera a trajetória do
fluxo de dispersão. Isto resulta na mudança do valor de
impedância de dispersão medida.
Uma falha dessa natureza num transformador é
difícil de ser diagnosticado sem alguns ensaios
específicos. Utilizando o método FRSL (Frequency
Response of Stray Losses), além de ser um método de
fácil aplicação, este ensaio serve como indicador
confiável da distorção dos enrolamentos de
transformadores e pode ser usado como complemento a
outros ensaios específicos. Este método utiliza medidas
com variação da freqüência. Neste trabalho foram
realizados testes variando a freqüência de 15 Hz a 400
Hz.
Segundo a estrutura da disposição dos
enrolamentos sem a transposição da fiação, ocorrerão
perdas devido à corrente induzidas. Para minimizar
essas perdas, os fios são transpostos de forma a
compensar as corrente induzidas. Se esses condutores
forem danificados ou sofrerem um curto-circuito,
ocorrerá um aumento nas perdas do enrolamento. A
figura 10 ilustra o descrito.
Figura 8 - Fator de Dissipação com variação de freqüência
AT-BT
Figura 9 - Fator de Dissipação com variação de freqüência
Nota-se também que a tendência é o aumento do
Fator de Potência com o aumento da freqüência,
comprovando o descrito anteriormente. Entretanto
registraram-se picos negativos e positivos exatamente
sobre a freqüência de 60 Hz. Isto ocorreu devido à forte
interferência eletromagnética na medida, pois a
instalação dos reatores encontrasse ao lado de bay de
500kV energizado. Deve-se registrar que se as medidas
fossem feitas apenas com 60 Hz os resultados anotados
certamente estariam errados, pois não levariam em
consideração as condições reais do isolamento sob
teste.
4.
MEDIDAS
DE
MÉTODO FRSL
IMPEDÂNCIA
Figura 10 – Ocorrência de dano ou curto circuito no
enrolamento
O diagrama de equivalente da função de
transferência pode ser visto na figura 11, onde Rac(f) é
a parcela resistiva dependente da freqüência.
PELO
Com a medição da reatância de dispersão,
podemos obter informações sobre mudanças sofridas
entre os canais de dispersões, devido às altas correntes
de curto circuito circulantes nos enrolamentos. As
Figura 11 – Diagrama do circuito equivalente
4
4.2 Exemplo de obtenção dos resultados e análise em
transformador de 100MVA
Com as medidas realizadas, de posse da tabela
com as resistências segundo a variação de freqüência,
são montados os gráficos segundo o exemplo mostrado
na figura 14. A seguir é mostrado um exemplo de
ensaio realizado em um Transformador de Força
230/69/13.8kV, 100MVA, onde foi comprovada a
integridade do enrolamento de alta tensão pelo teste
cujos resultados são mostrados na figura a seguir.
Pode-se observar que as medidas para as três fases têm
o mesmo resultado.
Figura 12 – Gráfico do resultado da medida de resistência
variando a freqüência
4.1 Procedimentos e Configuração de Testes
Com uma excitação por fase, a impedância de
dispersão de uma unidade trifásica, pode ser medida
por dois métodos: o método do equivalente trifásico e o
método por fase. Neste trabalho usaremos apenas o
método por fase. Executa-se um teste por cada fase,
conectando os terminais de teste do instrumento de
medição aos terminais de linha ou ao neutro e linha dos
enrolamentos em estrela ou a um par dos terminais de
linha no enrolamento em delta. Os terminais do
enrolamento oposto devem ser curto circuitados. Os
terminais de linha dos outros enrolamentos devem ser
deixados flutuantes, conforme mostrado na figura 13.
Figura 14 – Resultado da medida de resistência variando a
freqüência para transformador de 100MVA
4.3 Exemplo de obtenção dos resultados e análise com
falta na fase C
A figura 15 mostra um gráfico evidenciando a
descoberta de um problema no enrolamento da fase C.
Pode-se notar, para freqüências maiores, o desvio na
fase C em relação as fases A e B. Entretanto, se forem
observados os valores em torno de 50 e 60 Hz não
existe nenhum indicação de defeito ou ocorrência de
qualquer anormalidade.
Figura 13 – Conexões para teste
Usando um sistema de teste multifuncional, a
reatância de dispersão pode ser medida em uma faixa
de freqüência de 15 a 400 Hz utilizando-se uma fonte
de tensão de 130 Vac ou uma fonte de corrente de 6
Aac. As medidas das tensões e correntes nos
enrolamentos são feitos no mesmo equipamento.
Figura 15 – Resultado da medida de resistência variando a
freqüência para transformador com defeito na fase C
No entanto, de acordo com o registrado no
procedimento proposto e depois de inspecionar o
5
defeito da fase C, tem-se a ocorrência de
sobreaquecimento em dois locais onde a fiação é
transposta e onde agora se vê um curto circuito. A
figura 16 mostra o enrolamento medido.
6.
[1] M. E. C. Paulino, “Medidas de Resposta em
Freqüência, Capacitância e Fator de Potência com
Variação de Freqüência para Diagnóstico de
Transformadores” – 2006 SBSE – Simpósio
Brasileiro de Sistemas Elétricos, Campina
Grande, PB.
[2] M. E. C. Paulino, A. T. L. de Almeida,
“Avaliação de Transformadores Submetidos a
Testes Automatizados Utilizado a Variação de
Freqüência – Medidas de Resposta em
Freqüência, Capacitância e Fator de Potência” –
2006, 21º. CBM – Congresso Brasileiro de
Manutenção, Aracajú, SE.
[3] M. E. C. Paulino, A. T. L. de Almeida,
“Identificação de Problemas em Transformadores
Utilizando Métodos Simples – Apresentação de
Resultados Testes Práticos no Comutador Sob
Carga e Medidas de Capacitância e Fator de
Potência” – 2006, 7º. Seminário Paulista de
Manutenção, São Paulo, SP.
[4] M. E. C. Paulino, M. Krüger: “Diagnóstico de
Transformadores – A Experiência Prática com
Medida da Resistência de Enrolamento, Testes do
Comutador sob Carga, de Relação, da Reatância
de Dispersão, da Capacitância e da Medida do
Fator de Dissipação”, 2004 - XVI Seminário
Nacional de Distribuição de Energia Elétrica –
Brasília-DF
Figura 16 – defeito na fase C
5.
REFERÊNCIAS
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O grande desafio para o mantenedor é
reconhecer as anormalidades do sistema sob sua
responsabilidade de forma a fornecer subsídio para
uma tomada de decisão. Testar, checar e obter
resultados são atividades rotineiras para esse
profissional que tem cada vez menos tempo e recursos
para fazê-lo.
A checagem regular das condições de operação
de equipamentos mais antigos torna-se cada vez mais
importante. Este trabalho apresentou procedimentos
convencionais e aplicações envolvendo novas
tecnologias e novos equipamentos capazes de realizar
padrões de testes com maior rapidez e eficácia.
Entretanto a localização da falha pode ser
realizada com sucesso usando um simples método
elétrico, como a medição da resistência. As equipes de
manutenção de transformadores testam em campo as
resistências do enrolamento para detectar perda de
conexões, condutores abertos e alta resistência de
contato no comutador. Este trabalho mostrou
procedimentos para identificação de problemas em
transformadores de potência utilizando medidas com
variação de freqüência.
A nova tecnologia de teste abordada permite
também a realização do teste de Fator de Dissipação
em várias freqüências, e a comparação das curvas
resultantes com os dados e características do elemento
sob teste. Com isto será possível detectar a degradação
no isolamento em um estágio inicial, com uma análise
mais detalhada.
7.
BIOGRAFIA
Marcelo Paulino graduou-se como
Engenheiro Eletricista na Escola
Federal de Engenharia de Itajubá
(EFEI). Possui larga experiência em
engenharia de sistemas de potência,
particularmente na área de Testes e
Ensaios em Equipamentos Elétricos.
Atualmente
é
gerente
do
Departamento Técnico da Adimarco
Representações e Serviços LTDA, no
Rio de Janeiro - Brasil. Atua no
contato direto com clientes no
fornecimento de equipamentos, pósvenda e treinamento. É instrutor certificado pela OMICRON
eletronics Também responsável pela preparação, projeto e execução
de prestação de serviço na área de teste de proteção e equipamentos
de sistemas elétricos de Usinas e Subestações de 500/345/138/13,8
KV. Autor e co-autor de trabalhos técnicos em eventos no Brasil e no
exterior. Membro do CE B5 do Cigré-Brasil. Representante brasileiro
no WG B5.32 - Functional testing of IEC61850 based systems e WG
B5-06 - Maintenance Strategies for Digital Substation Automation
Systems
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