Revista O Setor Elétrico

Edição 37, Fevereiro de 2009

Por Marcelo Eduardo de Carvalho Paulino

Novas tecnologias aplicadas em procedimentos de manutenção para avaliação de transformadores de potência

A manutenção preventiva de transformadores ou de qualquer equipamento elétrico pode ser considerada como um dos ramos da técnica que mais evolui nos dias de hoje, constituindo-se em uma poderosa ferramenta para garantir o funcionamento contínuo das instalações responsáveis pelo suprimento de energia elétrica.

No caso da ocorrência de um defeito, que poderia ou não ser detectado por uma manutenção preventiva, ocorre um prejuízo financeiro de acordo com o volume de carga interrompida. Os prejuízos para as unidades fabris podem atingir elevados valores e, dependendo do caso, resultar em grande dano à imagem institucional das empresas.

A avaliação dos custos envolvidos em qualquer tipo de interrupção de energia resulta na necessidade de implantação de programas de manutenção preventiva. Nesse caso, o objetivo principal é permitir a avaliação da instalação e dos 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 forçadas a manter antigas instalações em operação pelo maior tempo possível. Os equipamentos elétricos instalados em subestações podem ser solicitados a operar sob condições adversas, como: altas temperaturas, chuvas, poluição, sobrecarga e, dessa forma, mesmo tendo operação e manutenção de qualidade, não se pode descartar a possibilidade de falhas que, por sua vez, deixem indisponíveis as funções de transmissão e distribuição de energia elétrica. Entretanto, a checagem regular das condições de operação desses equipamentos torna-se cada vez mais importante. Torna-se imperativa a busca de procedimentos e ferramentas que possibilitem a obtenção de dados das instalações de forma rápida e precisa.

Este trabalho aponta para as principais técnicas de avaliação e testes de transformadores utilizando varredura de frequências. Mostra os procedimentos e resultados práticos envolvendo testes de resposta em frequência (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.

DISPOSITIVOS DE TESTE

Este trabalho mostra 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. Para isso, utilizamos dois avançados sistemas de teste disponíveis no mercado para as equipes de teste.

Sistema de teste multifuncional para comissionamento de equipamentos de subestações – CPC100 e CPTD1

Neste trabalho, todos os testes foram executados com um novo sistema completo de teste. O dispositivo possui de um Processador Digital de Sinal (DSP) que gera sinais senoidais de até 12 kV numa faixa de frequência de 15 Hz a 400 Hz alimentados por um moderno amplificador de potência.

Um transformador de saída combina a impedância interna do amplificador com a impedância do objeto sob teste. Por utilizar a frequência de teste diferente da frequência de linha e seus harmônicos, juntamente com medições usando técnicas de filtragem seletiva, o equipamento de teste pode ser operado em campo, inclusive em subestações com altos distúrbios eletromagnéticos.

Equipamento de resposta em frequência FRAnalyzer

Este equipamento mede a resposta em frequência e impedância terminal de transformadores em uma larga faixa de frequências, de 10 Hz a 20 MHz. Isto permite a detecção de defeitos tanto nos enrolamentos como no núcleo dos transformadores. É portátil e liga-se a um PC desktop ou notebook por meio de uma conexão USB (Universal Serial Bus) via cabo normal de 1,5 m ou por meio de conversor de fibra ótica com 15 m, eliminando assim qualquer perigo de indução neste. O equipamento FRAnalyzer é mostrado na Figura 2 sem seus conectores e cabos. Este sistema de teste inova em dois importantes aspectos: sua capacidade de eliminar indução nas conexões por causa de seu sistema de conexões e o procedimento de avaliação das representações gráficas.

MEDIDAS DE IMPEDÂNCIA PELO MÉTODO FRSL

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 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 por conta de uma falha, as perdas aumentam devido às correntes induzidas. A relutância altera a trajetória do fluxo de dispersão. Isto resulta na mudança do valor de impedância de dispersão medida.

Uma falha dessa natureza em um 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 frequência. Neste trabalho, foram realizados testes variando a frequência de 15 Hz a 400 Hz.

Segundo a estrutura da disposição dos enrolamentos sem a transposição da fiação, ocorrerão perdas devido às correntes induzidas. Para minimizar essas perdas, os fios são transpostos de forma a compensá-las. Se esses condutores forem danificados ou sofrerem um curto-circuito, ocorrerá um aumento nas perdas do enrolamento. A Figura 3 ilustra o descrito.

O diagrama de equivalente da função de transferência pode ser visto na Figura 4, em que Rac(f) é a parcela resistiva dependente da frequência.  

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 6.

Usando um sistema de teste multifuncional, a reatância de dispersão pode ser medida em uma faixa de frequência de 15 Hz a 400 Hz, empregando uma fonte de tensão de 130 Vac ou uma fonte de corrente de 6 Aac. As medidas das tensões e correntes nos enrolamentos são feitas no mesmo equipamento.

Exemplo de obtenção dos resultados e análise em transformador de 100 MVA

Com as medidas realizadas, de posse da tabela com as resistências segundo a variação de frequência, são montados os gráficos conforme o exemplo mostrado na Figura 5. A seguir é mostrado um exemplo de ensaio realizado em um transformador de força 230/69/13.8 kV, 100 MVA, em que foi comprovada a integridade do enrolamento de alta tensão pelo teste cujos resultados são mostrados na Figura 7. Pode-se observar que as medidas para as três fases têm o mesmo resultado.

Exemplo de obtenção dos resultados e análise com falta na fase C

A Figura 8 mostra um gráfico evidenciando a descoberta de um problema no enrolamento da fase C. Pode-se notar, para frequências maiores, o desvio na fase C em relação às fases A e B. Entretanto, se forem observados os valores em torno de 50 Hz e 60 Hz não existe nenhuma indicação de defeito ou qualquer anormalidade.

No entanto, de acordo com o registrado no procedimento proposto e depois de inspecionar o defeito da fase C, tem-se a ocorrência de sobreaquecimento em dois locais em que a fiação é transposta e onde agora se vê um curto-circuito. A Figura 9 mostra o enrolamento medido.

MEDIDA DE CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO COM VARIAÇÃO DE FREQUÊNCIA

As medidas da Capacitância (C) e do Fator de Dissipação (FD) são um importante método de diagnóstico de isolamento. Esse processo foi publicado por Schering em 1919 e utilizado para esse propósito pela primeira vez em 1924. Em um diagrama simplificado do isolamento, Cp representa a capacitância e Rp, as perdas. O fator dissipação é definido como:

O sistema de teste utilizado neste trabalho usa um método similar àquele da ponte Schering. A principal diferença deste sistema e 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 em que 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 testes para fator de dissipação igual a 5 x 10-5 no campo.

Medições e avaliação do fator de 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 do fator de dissipação são realizadas para todos os isolamentos: AT para BT, AT para massa, BT para massa. É muito mais complicado em um transformador de três enrolamentos 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 os valores registrados na IEEE Std. 62-1995.

Entretanto, para a correta avaliação do estado de 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 frequência, o fator de dissipação em um transformador com o isolamento em boas condições tende a aumentar, enquanto o valor de capacitância deve se manter constante.

A Figura 10 mostra um transformador de 69 KV/20 MVA novo testado em fábrica. A Figura 11 traz o resultado do teste de fator de dissipação de AT para BT, variando a frequência.

O valor do FD para 60 Hz gira em torno de 0,15%. A característica da curva FD nesta faixa de frequência mostra o aumento de FD com o aumento da frequência, como o esperado, e deve ser mantida como registro de resultado para diagnóstico futuro do isolamento e sua degradação.

A seguir é mostrado o resultado da comparação entre as três fases com a medida de fator de potência em três reatores ASEA/BROWN BOVERI, tipo RM46, fabricação 2002, potência de 40,33 MVAr, tensão HV de 500 kV, e corrente HV de 127 A. A Figura 12 mostra um dos reatores e a Figura 13 exibe o resultado dos testes.

Nota-se também que a tendência é o aumento do fator de potência com o aumento da frequência, comprovando o descrito anteriormente. Entretanto, registraram-se picos negativos e positivos exatamente com a frequência de 60 Hz. Isto ocorreu devido à forte interferência eletromagnética na medida, pois a instalação dos reatores encontrasse ao lado de bay de 500 kV 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.

MEDIDA DE RESPOSTA EM FREQUÊNCIA

A análise da resposta em frequência é realizada pelo estudo da variação com a frequência do quociente entre dois fasores, em amplitude e fase. Na variação da amplitude e da fase com a frequência estará presente, a diferença de amplitude e o atraso de fase devido à configuração dos circuitos R-L-C que compõem a estrutura do elemento testado. Este método está baseado na suposição de que qualquer deformação mecânica pode ser associada a uma mudança das impedâncias do circuito equivalente e essas mudanças podem ser detectadas por uma função de transferência.

Em essência, o método consiste na aplicação de um sinal senoidal de baixa tensão, por exemplo, 1 V, variando a frequência do sinal aplicado, de 10 Hz a 20 MHz. Em outro terminal, são medidos amplitude e ângulo do sinal da reposta correspondente ao sinal de aplicado. Tais resultados 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 frequência, em escala logarítmica, designam-se por diagramas de Bode de amplitude e de fase. Nos diagramas de Bode de amplitude, o eixo das frequências (horizontal) é representado em escala logarítmica, ao passo que, na escala vertical, representa-se a função 20log10 (amplitude), no lugar 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 frequência, ou seja, Uo/Ui (f).

Outro importante resultado é a representação gráfica das impedâncias próprias, apresentando a relação entre o sinal de tensão de entrada e o sinal de corrente de entrada em função da frequência, obtendo-se a Função Impedância Ui/Ii (f) e a Função Admitância Ii/Ui (f).

Ensaio de função de transferência

Neste ensaio, o sinal é injetado na bobina de alta tensão, H1, sendo a medição feita na bobina de baixa tensão, x1, como indicado no esquemático da Figura 14, em que o cabo amarelo é a injeção de sinal, o vermelho de tomada de sinal de referência e o azul o de medição. Os terminais opostos das bobinas são aterrados. Assim, são levantados os gráficos de magnitude e defasagem da impedância do transformador em função da frequência. A função de transferência é utilizada para o cálculo da relação de transformação (K) por meio de:

Ensaio de impedância terminal

Para este ensaio não se utiliza o terceiro cabo, o de referência. A injeção de sinal é feita na bobina de alta tensão, H1, cabo amarelo. A medição é realizada na outra ponta da bobina de alta, H2, cabo azul, conforme a Figura 15.

Identificação curto-circuito e mudança de posição de enrolamento

Para este ensaio foi utilizado um transformador didático de distribuição monofásico de 7,97 kV para 240 V, de 10 kVA. A Figura 16 mostra as conexões realizadas no transformador sob teste.

A Figura 17 exibe as assinaturas da função de transferência de H1 para X1. O traço em vermelho indica uma situação de enrolamento normal. São também indicadas três situações de defeito: com X1 em curto para massa, e uma simulação de mudança na posição do enrolamento inserindo capacitores entre X1 e a massa. Para uma capacitância de 1 ?F, tem-se um pico de desvio em 10 kHz e um afundamento em 125 kHz na função de transferência. Inserindo um capacitor de 3,3 ?F entre X1 e a massa, tem-se um pico de desvio em 5,5 kHz e um afundamento em 65 kHz na função de transferência.

A interpretação das características do método da resposta em frequência pode ser subjetiva quando a comparação das assinaturas se dá somente pela forma gráfica. A utilização de uma ferramenta que fornece uma referência numérica ajuda a equipe de teste na tomada de decisão, eliminando erros na análise do resultado. Assim aumenta-se consideravelmente a confiabilidade do ensaio.

Alguns algoritmos são capazes de reconhecer mudanças de assinaturas de resposta em freqüência, entretanto, elas apresentam diferentes sensibilidades para casos determinados. Uma possível solução seria a integração de vários algoritmos. Estudos ainda são realizados para validar algoritmos adequados.

Identificação de defeito utilizando impedância terminal

A seguir é apresentado um resultado de teste de impedância terminal em um autotransformador monofásico de 100 MVA – 500 kV/230 kV/13,8 kV.

Neste teste é evidenciado o defeito nos enrolamentos de alta e média tensão (500 kV e 230 kV, respectivamente). São gerados vários gráficos para análise. Como exemplo é mostrado o teste antes e depois da ocorrência falha para comparação Parte Real da impedância dos enrolamentos X0X1 de 230KV e y1y2 de 13,8 kV. Nota-se claramente que a característica azul, antes da ocorrência, não se repete para o enrolamento X0X1. Na comparação para o enrolamento y1y2, pode-se notar que a característica em vermelho, ou seja, depois da ocorrência da falha, pouco difere da característica inicial.

MARCELO EDUARDO DE CARVALHO PAULINO é gerente técnico da Adimarco Representações e Serviços LTDA. É instrutor certificado pela OMICRON Eletronics e instrutor convidado do curso de Especialização em Proteção de Sistemas Elétricos (CEPSE) e do curso de Especialização em Manutenção de Sistemas Elétricos (CEMSE), da Unifei-Itajubá. É coordenador do GT B5 32 – Functional Testing of IEC 61850 based Systems do CE B5 do Cigré-Brasil e secretário do CE 03:057-10 da ABNT.