XXVI ENEGEP - Fortaleza, CE, Brasil, 9 a 11 de Outubro de 2006
Sistema Inteligente para Inspeção de Transformadores
Fabiane Ely e Patrícia Klaser Biasoli (RGE) {fely , pbiasoli}@rge-rs.com.br
Germano Lambert-Torres e Carlos Henrique Valério de Moraes (UNIFEI) [email protected]
Resumo
Os transformadores são elementos de vital importância nas redes elétricas, tanto por sua
utilidade operacional, quanto pelo seu custo. Durante a sua operação, eles são expostos a
diferentes condições operativas, como sobrecarga, harmônicos, aquecimentos indevidos,
vibrações mecânicas, entre outras, as quais podem causar degradações em suas condições
operacionais e de isolação. Portanto, um sistema de manutenção preditiva é desejável para
que se possa determinar suas condições mecânicas, isolantes e elétricas evitando
desligamentos e operações incorretas. Este sistema também poderá auxiliar nas definições de
planejamento, manutenção e tomadas de decisão da ampliação do sistema. Este artigo
apresenta um sistema computacional de monitoramento de transformadores com capacidade
de avaliar as suas condições operacionais e a degradação de sua vida útil.
Palavras-chave:Monitoração, Vida Útil, Manutenção Preditiva.
1. Introdução
A manutenção preditiva dos transformadores contribui com a maior disponibilidade dos
equipamentos ao sistema quando ela é executada de forma planejada e sistemática, garantindo
que a necessária intervenção venha a acontecer somente no momento preciso, no menor
tempo possível, visando reduzir os riscos de uma interrupção não-programada de energia ao
sistema (ABNT, 1981a). Esta manutenção também exerce papel importante na rentabilidade
econômica de um sistema elétrico, uma vez que atividades de manutenção são desenvolvidas
com a intenção de melhorar o desempenho e aumentar o tempo de vida útil dos equipamentos,
postergando ao máximo, investimentos necessários a reposição de equipamentos, descartando
equipamentos que não compensem serem recondicionados e relacionando aqueles que
efetivamente possam voltar ao sistema após uma intervenção economicamente compensatória
(MILASCH, 1984).
O objetivo do sistema é avaliar o estado do transformador a partir da análise e manipulação de
um conjunto de variáveis operativas do transformador (corrente, tensão, temperatura, análise
cromatográfica e outras variáveis diretas e derivadas que forem necessárias) obtidas de
ensaios, sistemas de monitoração, banco de dados e outros.
Uma vez disponíveis as informações extraídas das variáveis monitoradas, essas devem
alimentar um modelo suficientemente consistente que possa apresentar uma avaliação
confiável da perda de vida útil do transformador sob supervisão. O modelo para obter tal
avaliação deverá ser montado com base em duas vertentes. A primeira está diretamente
relacionada com as teorias clássicas de circuitos elétricos, onde as variáveis elétricas irão
fornecer os subsídios necessários para a avaliação dentro do conhecimento formal destas
teorias. A segunda vertente diz respeito a um modelo baseado nas técnicas de Sistemas
Especialistas, onde o conhecimento e a experiência armazenada através dos anos de utilização
podem agregar informação decisiva no processo de avaliação das condições operacionais do
equipamento. Esses dois sistemas são complementares e funcionam como um sistema
hierárquico de supervisão e avaliação. O diagnóstico das características operacionais do
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transformador, ou mais precisamente de sua perda de vida útil, deverá ser uma somatória
produzida pela concatenação do conhecimento extraído dos dois modelos implementados.
A avaliação da vida útil dos transformadores, baseada em todas as informações avaliadas e na
manipulação adequada dessa informação, é uma tarefa pertinente para sistemas de
processamento da informação associada com o conhecimento técnico armazenado na
expertise do pessoal da companhia.
O sistema computacional desenvolvido também foi alimentado com uma base de dados para
que possa comparar desempenhos de grupos de transformadores, como características
semelhantes, por exemplo: mesmo fabricante, equipamentos recondicionados, equipamentos
expostos ao mesmo tipo de intempérie, entre outros. Este tipo de análise permite que algumas
das conclusões tiradas para um subgrupo de transformadores possam ser ampliadas para os
demais. Este procedimento é bastante útil para os transformadores de distribuição pelo seu
número e distribuição geográfica, podendo fornecer informações de tendências de redução de
vida útil, de qualidade do equipamento e do seu desgaste operativo. Todas estas informações
passarão a fazer parte da base de conhecimento do sistema computacional de tomada de
decisão, preservando estas informações na empresa e disponibilizando-a para diversas pessoas
e áreas. O presente artigo apresenta o sistema desenvolvido pela RGE (Rio Grande Energia) e
pela UNIFEI (Universidade Federal de Itajubá) para a manutenção preditiva dos
transformadores desta primeira companhia.
2. Tópicos em Tomada de Decisão Inteligente:
Sistemas Especialistas (SE) é o ramo da Inteligência Artificial que tenta imitar o cérebro
humano através do uso de processos de decisão semelhantes aos utilizados pelos especialistas
humanos. Para tal, é organizada uma base de conhecimento (BC), que contém todas as
informações necessárias de um dado campo do conhecimento. Estas informações são
organizadas, na maioria dos casos, em fatos e regras. Os fatos contêm informações não
condicionais, como por exemplo: estados dos elementos, sua posição no sistema e suas
características. Eles podem ser classificados em dois tipos: estáticos ou dinâmicos, segundo o
tempo de atualização desses seus dados (LAMBERT TORRES, 1986).
As regras são declarações condicionais e servem para definir relações entre os fatos ou o
encaminhamento de uma dada solução. Na realidade, elas formam a base de sustentação de
um SE e sua grande diferença para um programa convencional (LIU, 1997). Neste último
tipo, o conhecimento deve ser depurado e organizado antes ser colocado no interior do
programa. E mais, nos programas convencionais somente os problemas inicialmente
propostos são resolvidos não havendo a possibilidade da solução de problemas diferentes dos
concebidos pelo programador para seu uso.
Nos SE, o conhecimento é colocado em sua forma bruta sem grandes depurações ou
organizações iniciais. Ele é escrito na BC e a resposta é achada pelo motor (ou máquina) de
inferência (MI). Esta segunda parte de um SE é a responsável por realizar o processo de
inferência no conhecimento disponível, achando respostas parciais e a resposta final. O MI
trabalha utilizando relações de lógica formal e independe do tipo de conhecimento existente
na BC (LAMBERT-TORRES, 2001).
Normalmente, o MI utiliza uma "memória de trabalho" ("working memory") para escrever os
fatos que vão sendo inferidos durante o processo de busca de uma solução. Esta memória
funciona como um rascunho que é jogado fora quando o trabalho é concluído.
Finalmente, a terceira parte de um SE é a interface com o usuário (UI), que deverá ser
amigável, podendo ter, segundo o caso, gráficos e desenhos ilustrativos e fazer sua
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comunicação via linguagem natural. A diferença deste tipo de interface para a dos programas
convencionais é que esta deve conter um módulo de explicação de como o SE chegou a uma
dada resposta. Isto é uma característica importante dos SE, ou seja, poder fornecer ao usuário
com que tipo de raciocínio o sistema resolveu um dado problema.
3. Tópicos sobre a Monitoração das Grandezas dos Transformadores:
Diversas são as grandezas que serão utilizadas. A mais comum de acompanhamento é a
análise cromatográfica, que ainda é uma arte, e cada empresa adota uma forma distinta de
interpretação e ação a ser tomada. Os seguintes aspectos relevantes são levados nesta análise,
que também serve com base para as outras grandezas que serão monitoradas:
Correlação com valores anteriores: correlacionar os resultados da análise com os resultados de
análises anteriores do mesmo equipamento, verificando assim o incremento, ou taxa de
evolução de cada gás; Seguindo orientação do GCOI - Grupo Coordenador para operação
Interligada (1984), o valor máximo é de 10% de acréscimo ao mês, exceto para o gás
acetileno (C2H2) cuja presença já é indicativo de falha, devido ao fato deste gás só ser gerado
a temperatura superior a 700°C; Com estes valores pode ser traçada a curva de tendência de
evolução de cada gás;
- Concentração de Carbono: verificar o valor resultante da relação entre dióxido de carbono e
monóxido de carbono (CO/CO2); Se esta relação for superior a 10 pode indicar degradação da
celulose, porém ensaios adicionais são necessários, como medição do teor de 2-furfuraldeído;
- Relações: relações de gases de acordo com critérios preestabelecidos (por exemplo, Rogers,
IEC, Duval, Dörnemburg, Doble ou Pugh, e Laborelec), é possível identificar a falha
incipiente que está se desenvolvendo, bem como a sua gravidade, antes que danos maiores
possam ocorrer ao equipamento (ABNT, 1981b, ABNT, 1984).
Outros tipos de análises que foram desenvolvidas estão ilustrados a seguir:
a) Vida Útil: é estudado o comportamento normal de um equipamento durante seu período de
vida útil, com a devida depreciação do valor ao logo do tempo de operação e ao final sua
venda representado pelo seu valor residual, como por exemplo, material de sucata.
b) Custos de Manutenção: é possível visualizar novamente a depreciação de um equipamento
ao longo de sua vida útil, mas neste caso é inserido também o custo de manutenção em alguns
instantes deste intervalo. Estas manutenções são representadas como casos ideais, onde o
equipamento não tem alteradas quaisquer características funcionais e construtivas mantendo
suas propriedades elétricas e mecânicas. Mas o tempo de vida não sofre alterações, pois os
demais itens do equipamento não foram substituídos pela manutenção e com isso o mesmo
deve ter o mesmo limite de fim de operação como o anterior sem manutenção.
c) Degradação da Manutenção: para o caso ideal da manutenção, a vida útil do equipamento
sofre alterações, pois nunca todas as características construtivas são igualmente alcançadas e
itens que necessitariam substituição não são verificados. Assim a nova análise econômica da
depreciação tende a ficar alterada. Após cada respectiva manutenção sua vida útil tende a ficar
deteriorada e assim, seu tempo de operação reduz diretamente associada à qualidade da
manutenção aplicada, reduzindo o intervalo de falhas do equipamento.
d) Tempo para a Primeira Falha: este estudo representa a freqüência em anos que a primeira
falha aparece nos transformadores catalogados no banco de dados fornecido.
e) Número de Falhas: a análise do número de falhas existente no grupo de transformadores
que já sofreram manutenção foi realizada tirando-se a freqüência de ocorrências do número de
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falhas por equipamento.
f) Vida dos Transformadores: este item analisa o período de operação dos transformadores
que sofreram algum tipo de manutenção.
g) Potência dos Trafos Afetados: neste estudo é formado pela freqüência que transformadores
de uma determinada classe de potência sobre reparo.
h) Tensão dos Trafos Afetados: esta análise envolve o número de equipamentos que foram
reparados para uma determinada classe de tensão.
i) Falhas por Fabricante: a análise por fabricante envolveu a correspondência entre o número
de falhas para uma determinada marca e o número total de equipamentos em operação. Assim
foi possível observar que algumas marcas têm um número percentual de reparo em relação às
demais, constatando a diferença de qualidade dos transformadores fabricados e também a
menor possibilidade de um funcionamento satisfatório após a manutenção.
O fator importante na análise está ligado a recuperação dos transformadores que sofreram
dados. As seguintes análises também são realizadas:
a) Análise Econômica de Manutenção: para análise econômica destes transformadores foram
utilizados como dados de entrada: Valor de Compra (VC), Depreciação Anual (DA), Tempo
de Operação (TO), Custo de Manutenção (CM) e Valor Residual (VR). Assim foi empregada
a seguinte regra para o reparo destes equipamentos:
Compra Depreciado (CD) = VC*(DA^TO)
Se CD > VR Então CM < VC*(DA^TO) Senão CM < VR
b) Estado Atual de Operação: para o estado atual do transformador são consideradas as
seguintes informações técnicas: Vida Útil (VU), Tempo em Operação (TO), Número de
Falhas já Ocorridas (NF), Período da Primeira Falha (PF), Média entre Falhas (MF) e
Garantia do Fabricante (GA). Analisando os gráficos obtidos anteriormente são extraídas as
seguintes regras:
Viável a Reparo: TO > (50% VU) (E) NF = 0 ou TO < GA ou NF = 1 (E) (PF – TO) > GA
Não Reparar: NF > 1 ou MF < GA
c) Características do Equipamento: as principais características analisadas anteriormente e
utilizadas como classificador de reparo são: Fabricante, Tensão Nominal e Potência Nominal.
Onde se pode concluir que: não se repara fabricantes com problemas acima 60%, não foram
detectados problemas com tensão e analisar potências de 5 e 25 kVA com especialista técnico
da área.
4. Criando Nova Análise
Nesta etapa são definidos os passos para a criação de uma nova análise no programa
“Analisador de Ensaios RGE”.
a) Definindo Dados de Entrada: os dados que serão utilizados com entrada da análise deve
estar presentes em uma tabela ou uma consulta ou query de busca existente no banco de
dados. A Figura 1 mostra parte deste banco de dados. Esta figura apresentada é um conjunto
de 5 consultas que extraem o tempo de operação do transformador o tempo para o primeiro
reparo o número de reparos.
b) Criando Interface para o Operador: na Figura 2 é mostrada a criação de uma nova análise
no programa para este caso que está sendo verificado.
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c) Inserindo Grandezas para a Análise: a Figura 3 mostra a criação das grandezas de entrada e
saída do programa onde são associados os campos da consulta utilizada e alguns títulos
auxiliares para a exibição.
Figura 1 - Consulta de Transformadores e Reparos
Figura 2 - Criando nova análise
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Figura 3 - Inserindo Grandezas da Consulta
d) Gerando Regras para a Análise: para a criação de regras pode-se utilizar a edição manual,
onde as regras devem ser escritas diretamente sobre o editor de regras, conferindo a sintaxe
própria do programa, nas janelas apresentadas na Figura 4.
Figura 4 - Inserindo Manualmente Regras
5. Executando Análise
Nesta etapa é apresentada a forma na qual o operador executa uma análise de reparo para um
equipamento que está necessitando reparo.
a) Abrindo Análise: pressiona-se o botão abrir no menu principal do programa com a análise
necessária pressionada, assim é aberta a janela mostrada na Figura 5.
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Figura 5 - Análise de Reparos aberta para edição
b) Executando Análise: como esta análise é realizada sobre uma tabela de consulta, não é
possível editar diretamente os dados do transformador devido aos mesmos serem formados da
união das tabelas de equipamentos e notas. Mas é possível executar a análise destes valores
pelas regras extraídas e inseridas no programa ao pressionar o botão “Atual” na barra de
ferramentas superior.
Com isso a análise pode ser visualizada na janela de edição como mostrado na Figura 6.
Figura 6 – Laudo obtido da análise na janela de edição
Assim uma nova janela é aberta (Figura 7) contendo o relatório com os dados de entrada
utilizados e o laudo de análise obtido.
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Figura 7 - Relatório de Análise
6. Conclusão
Um sistema de manutenção preditiva dos transformadores requer que diversas medidas sejam
feitas em vários de seus elementos, tais como: qualidade da isolação, deterioração do papel
isolante, estado atual do transformador, fabricante, entre outros. Assim, para uma correta
avaliação de todos os dados é necessário que um sistema de supervisão desses parâmetros seja
montado. Ele deverá estar preparado para fornecer as informações na medida que elas forem
surgindo. A manipulação e concatenação de todas as informações referentes às condições do
transformador foram inseridas em um Sistema Inteligente de Tomada de Decisão que emite
um diagnóstico automático sobre as condições reais do transformador.
Este diagnóstico é produzido através da interpretação dos resultados de diversos ensaios,
diferentes métodos de análises, valores de normas técnicas e critérios operativos e de testes.
Esses elementos fornecem os dados e a base de conhecimento do sistema especialista que
determinam se o transformador deve ou não ser reparado. Os transformadores são
classificados em grupos, segundo a análise que se quiser desenvolver para que se possa
identificar características comuns dos problemas. Este procedimento é útil principalmente
para os transformadores de distribuição, pois pode detectar fontes de problemas, que
transformadores não ensaiados estão submetidos, permitindo corrigí-los antecipadamente,
para que a vida útil do equipamento não seja comprometida e para que ele não apresentem
problemas operativos intempestivos.
Referências
ABNT NBR 5356 - Transformador de Potência, Especificação, Dezembro 1981a.
ABNT NBR 7070 - Guia para Amostragem de Gases e Óleo Isolante em Transformadores e Análise dos Gases
Livres e Dissolvidos, Dezembro 1981b.
ABNT NBR 7274 - Interpretação da Análise dos Gases de Transformadores em Serviço, Abril 1982.
GCOI SCM047 Recomendação para Utilização da Análise Cromatográfica em Óleo Mineral Isolante na
Recepção e na Manutenção de Equipamentos, 1984.
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LAMBERT TORRES, G. & QUINTANA, V.H. Notes on Intelligent System Applications to Power System
Problem-Solving, Parts I and II, University of Waterloo, Canada, 1996.
LAMBERT TORRES, G,; BORGES DA SILVA, L.E. & PINTO, J.O.P. MiniMax Techniques, Webster
Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, por John Webster, John Wiley & Sons, Inc., 2001.
LIU, C.-C.; DICKER, S.J.; LAMBERT TORRES, G. ET AL. Testing and Maintenance Procedures for
Expert System in Power System Operation and Planning, Electra, No. 173, pp. 92-113, Aug. 1997.
MILASCH, M. Manutenção de Transformadores em Líquido Isolante, Edgar Blücher; Itajubá - MG; Escola
Federal de Engenharia, 1984.
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