Ensaio em subestações

out, 2017

Análise dinâmica e teste do comutador sob carga com medição de resistência dinâmica

Os transformadores de potência representam os elos mais caros entre a geração e a utilização de energia elétrica. Um componente muito importante de um transformador de potência é o comutador sob carga (on-load tap changer / OLTC). Como o seu nome sugere, um OLTC permite a comutação de derivação (TAP), consequentemente, regulando a tensão sem interromper a corrente de carga. Isso pode ser realizado de diversas formas, resultando em designs consideravelmente diversificados de comutadores. Os dois mais comuns são chamados de comutadores do tipo indutivo e resistivo.

Estudos, como na Figura 1, mostram que 30% dos transformadores de potência da subestação reportaram que as interrupções estão relacionadas aos efeitos do envelhecimento de OLTCs. Devido a esta alta taxa de falha, é muito importante monitorar a condição do OLTC do transformador de potência com atenção. Diferentemente de outros componentes mais estáticos em um transformador, o OLTC consiste em diversas peças móveis. Fabricantes geralmente recomendam um ciclo de manutenção que depende principalmente do número total de operações de comutação.

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Figura 1 – Local da falha em transformadores da subestação com base em 536 falhas.

Tipos de OLTCs

Para analisar e avaliar a medição de DRM (Resistência dinâmica) de maneira adequada, é importante saber o tipo e a construção do OLTC. Há duas tecnologias comuns do OLTC no mercado. Os do tipo indutivo, que geralmente são usados na América do Norte no lado de baixa tensão, e os OLTCs resistivos, que geralmente são usados no restante do mundo no lado de alta tensão.

Este artigo tem como foco os comutadores de TAP do tipo resistivo. Em geral, há dois tipos diferentes de comutadores resistivos: o switch de derivação (diverter switch) e o switch seletor (selector switch), conforme mostrado nas Figuras 2 e 3.

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Figura 2 – Diverter Switch com dois contatos de resistência.

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Figura 3 – Selector Switch com dois contatos de resistência.

Os tipos de Diverter Switches possuem duas peças: um seletor de TAP na parte superior para selecionar a próxima derivação dentro do tanque do transformador principal e uma chave de derivação na parte inferior para comutar a corrente de carga com o seu próprio volume de óleo. Com este tipo, o seletor de TAP é comutado antes da chave de derivação e é usado principalmente em potências maiores.

O Selector Switch combina a função da chave de derivação e do seletor de TAP, dentro do seu próprio volume de óleo, separado do óleo do tanque do transformador principal.

Métodos comuns para o teste de OLTC

Os OLTCs de transformadores de potência precisam ser monitorados atentamente devido à sua alta taxa de falha. Como base para a análise, os seguintes métodos de diagnóstico podem ser usados:

  • Medição estática de resistência do enrolamento dos TAPs individuais (offline)

A medição estática de resistência do enrolamento é uma ferramenta de diagnóstico extremamente importante, além de ser o método de teste mais usado. Uma medição estática de resistência convencional pode ser usada para verificar o enrolamento e as conexões internas, como a conexão das buchas e dos contatos móveis do comutador com o enrolamento, com os contatos do comutador e com os contatos principais da chave de comutação. Uma avaliação pode ser feita ao comparar os resultados com o relatório de fábrica ou ao calcular o desvio médio das três fases.

  • Medições vibro acústicas utilizando sensores de aceleração (offline/online)

O método vibro acústico é usado para detectar sinais acústicos causados pelo movimento mecânico. Os perfis gravados, que variam em até dez segundos e entre 10 Hz e 100 kHz em tempo e no domínio da frequência, são comparados com perfis de referência existentes para identificar determinados modos de falha.

  • Medição da posição e do torque no eixo de acionamento (offline/online)

O mecanismo de acionamento dos OLTCs, composto por um motor, um eixo de transmissão e uma engrenagem, opera a chave seletora ao mesmo tempo que carrega uma mola para acionar as chaves Diverter ou Selector, respectivamente. A medição de posição e torque usa os parâmetros de alimentação do motor (corrente e tensão) para detectar problemas mecânicos e envelhecimento do mecanismo de acionamento. Os resultados podem ser comparados com um perfil de referência ou entre os TAPs.

  • Análise de gás dissolvido de óleo (DGA) no compartimento da chave de comutação (offline/online)

O DGA no compartimento do OLTC se tornou mais comum. Durante o processo de comutação de um OLTC, ocorre a descarga e o aquecimento que geralmente leva a uma alta concentração de gases no compartimento do switch de derivação comparado ao tanque principal durante a operação normal. Além disso, a interpretação dos níveis de gás varia significativamente da interpretação dos níveis de gás obtidos do tanque principal do transformador de potência. Cada método de medição é importante para analisar a condição dos OLTCs.

 

Tabela 1 – Métodos comuns para o teste de OLTC

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Medida da resistência dinâmica (DRM)

Tempos típicos de comutação da chave ou seletor está entre 40 ms e 60 ms, o que dificulta a detecção de quaisquer efeitos durante o processo de comutação usando uma medição estática convencional de resistência do enrolamento, o que pode levar alguns minutos. Portanto, o princípio da DRM foi desenvolvido como um método de diagnóstico complementar para esse uso específico.

Utilizando a mesma configuração (Figura 4a), a medição de resistência dinâmica mede o processo de comutação rápido da chave de comutação. Com os contatos de arco de DRM, os tempos de comutação da chave de derivação, as interrupções de comutação – por exemplo, devido aos resistores de comutação ou às conexões danificadas – e o desgaste completo de contatos podem ser detectados. Dessa forma, ela fornece mais detalhes sobre a condição dinâmica do OLTC.

Ao analisar os registros, é possível tirar várias conclusões relacionadas à condição do OLTC. Há três maneiras diferentes de exibir o comportamento dinâmico da chave de comutação. Adiante mencionaremos apenas a curva de corrente.

(1)             Curva de corrente

(2)             Curva de tensão

(3)             Curva de resistência

Curva de corrente

A curva de corrente, conforme vista na Figura 4b, é a maneira mais comum de interpretar medições DRM, pois ela permite detectar com facilidade as interrupções de corrente durante o processo de comutação.

Ao aplicar um curto-circuito ao lado oposto do transformador, o sinal de corrente se torna mais sensível, conforme o afundamento de corrente (ripple) aumenta como mostrado na Figura 7 e 8. Este é o resultado de uma constante de menor tempo devido à indutância principal em curto. É difícil fazer uma comparação direta do sinal de corrente quando a medição é feita com um equipamento de teste diferente, pois o ripple depende das propriedades dinâmicas da fonte de corrente. Porém, o princípio e os diferentes estados do processo de comutação são sempre visíveis, independentemente dos parâmetros de origem.

Fig4

Figura 4ª – Configuração da medição típica de DRM – curva de corrente

Fig4b

Figure 4b – Comportamento dinâmico típico da chave de comutação na operação – curva de corrente.

Curva de tensão

 Como alternativa ao sinal de corrente, o comportamento dinâmico também pode ser avaliado usando a tensão ou a curva de resistência. Ao injetar uma corrente DC conforme mostra a Figura 5, o sinal de tensão registrado exibido na Figura 6A pode ser obtido. Ao utilizar a curva de tensão, no entanto, é crucial garantir que o sinal de tensão não seja cortado devido a um limitador de tensão da fonte, o que dificultaria a análise do sinal. Além da tensão de corte, os transitórios entre os estágios 1 e 2, conforme mostrado no exemplo da Figura 6A, não seriam vistos de maneira tão clara se o limite de tensão fosse atingido. Análoga à curva de corrente, não é possível fazer uma comparação direta das curvas ao realizar a medição com diferentes instrumentos de teste.

Fig5

Figura 5 – Configuração da medição típica de DRM – curva de tensão e resistência.

Fig6

Figura 6 – Comportamento dinâmico típico da chave de comutação em operação – curva de resistência e tensão.

Curva de resistência

A curva de resistência, conforme mostrada na Figura 6B, não pode ser medida diretamente, mas é um cálculo derivado a partir de uma tensão e de uma corrente medidas com base na configuração mostrada na Figura 5. Um curto-circuito nos terminais opostos do transformador pode ser usado para diminuir a constante de tempo do sistema. Além disso, uma alta indutância parasita pode causar uma tensão indutiva significativa, que não pode ser separada da parte de tensão de resistência utilizando a configuração mostrada na Figura 5. Para compensar este efeito, um método para determinar a parte indutiva da tensão e medir simultaneamente a tensão no enrolamento oposto foi apresentado há vários anos [6].

A curva resistiva tem uma grande vantagem que não depende da fonte de corrente usada. Outra vantagem é que os valores dos resistores de comutação podem ser determinados diretamente. Como a tensão induzida no lado secundário pode ser muito alta, ela requer mecanismos de proteção especiais para o dispositivo de teste.

Dado que a curva de corrente é atualmente a maneira mais usada para realizar medições de DRM, as seguintes seções focarão neste método com mais detalhes.

Análise dos resultados de medição

Com base nesse método de teste não invasivo, as falhas podem ser detectadas sem a abertura do compartimento do OLTC. O tipo e a construção do OLTC devem ser conhecidos para analisar e avaliar a medição de DRM de uma maneira adequada. Uma medida de referência comprovada, que é obtida depois do comissionamento ou quando a chave de comutação está em boas condições, permite uma análise eficiente.

Basicamente, dois tipos de informações podem ser interpretados ao analisar o atual perfil:

  • Amplitude:
    Resistores de transição fazem com que a corrente varie durante o processo de comutação. Além disso, a resistência de contato, o movimento de contato, as interrupções, a indutância de enrolamento, a formação de arco e a oscilação (bouncing) de contatos podem influenciar na amplitude.

 

  • Temporização:
    Diferenças na temporização podem indicar problemas mecânicos, desgaste excessivo dos contatos e/ou oscilação de contatos (bouncing). Uma certa diferença pode ser aceitável e dependerá muito do design e do modelo do OLTC.

 

Variação nos resultados de resistência dinâmica

 Escolhendo a corrente de teste correta

Ao medir a resistência estática, prefere-se utilizar correntes de teste menores na faixa de ampères disponível, especialmente para enrolamentos de AT [7]. Embora os testes de enrolamentos de BT de baixa impedância possam precisar de correntes de teste na faixa de 10 A a 20 A, recomenda-se que as correntes não excedam 15% da corrente estipulada do enrolamento. Correntes maiores podem aquecer os enrolamentos. Como a medição de resistência dependente da temperatura, isso pode gerar imprecisões na resistência medida [8]. Em geral, essas considerações também se aplicam a medições de DRM, incluindo os seguintes itens:

Correntes de teste abaixo de 3 A ou 1 A mostraram-se mais sensíveis à oscilação de contato, que pode gerar a falsa interpretação de resultados. Um efeito comum que pode ser observado é que a camada de óleo residual nos contatos faz com que a corrente seja interrompida várias vezes durante o teste. Esses resíduos de óleo geralmente não são considerados problemáticos quando o OLTC opera sob condições de carga normais. Em contrapartida, as correntes nesta faixa podem indicar o envelhecimento de longo prazo, como a carbonização em um estágio inicial, mas essas vantagens ainda devem ser mais investigadas ao conduzir estudos de caso adicionais.

Correntes de teste mais altas na faixa de 3 A a 5 A foram, na maioria dos casos, suficientes para atingir uma medição estável do processo de comutação. Nesses casos, pequenas descontinuidades, por exemplo devido à camada de óleo nos contatos, não afetaram os resultados. Os testes em campo não revelam nenhuma diferença quando a corrente é aumentada para 10 A ou 15 A.

Curto-circuito no secundário

Curto-circuitar o lado secundário do transformador pode ter dois efeitos positivos. Um deles é que, se a corrente durante a comutação for interrompida, a energia armazenada no núcleo magnético não poderá ser liberada e o impulso da corrente não gerará uma alta tensão no enrolamento oposto. O outro efeito positivo é que foi observado que o afundamento de corrente (ripple) durante a comutação, na maior parte dos casos, foi duas vezes mais alta, porque a indutância principal é colocada em curto. Isso torna o DRM mais sensível, mas também tem uma grande influência nas curvas, tornando-as mais significativas.

Processo de comutação TAP a TAP

Para análise e comparação de diferentes comutações, deve-se considerar que as curvas se diferem comutando para cima e para baixo. Isso acontece porque, em um caso, alguns enrolamentos são adicionados ao circuito e, em outro caso, os enrolamentos são retirados com base no enrolamento de derivação do transformador e no enrolamento do OLTC e, desse modo, o diagrama de fiação pode ser diferente entre os transformadores. Se os enrolamentos forem adicionados, a indutância adicional precisará ser carregada com energia e, se os enrolamentos forem retirados, a energia carregada na indutância será liberada. Este efeito será muito mais provável se o lado secundário não estiver em curto, conforme observado na Figura 7.

Fig7

Figura 7 – Diferença no DRM entre comutação para cima e para baixo.

Fig8

Figura 8 – Diferença no DRM entre a comutação da chave em direções alternadas.

As curvas medidas também diferem se houver uma alteração de uma posição de derivação ímpar para uma posição par pois a chave de comutação gira em direções alternadas (Figura 8). Isso geralmente pode ser visto como tempos de comutação diferentes dos estágios individuais. Além disso, a oscilação (bouncing) de contatos algumas vezes pode ser vista apenas em uma direção.

Por isso, a Omicron oferece o software Primary Test Manager (PTM), que permite a análise e a comparação de medições estáticas e dinâmicas de resistência. O PTM exibe o processo de comutação das derivações individuais em um único diagrama para que eles possam ser comparados entre si com facilidade. Como os sinais de corrente de muitos desenhos de OLTC podem variar em relação à fase e à direção da comutação, o software PTM oferece opções exclusivas de filtragem para comparar operações em posições ímpares e pares e em todas as três fases. Isso permite que o usuário analise os resultados de medição para fazer um amplo diagnóstico de falha.

 

Conclusão

Uma medição estática de resistência convencional pode ser usada para verificar o enrolamento e todas as conexões internas fixas. No entanto, em alguns casos, os defeitos não podem ser detectados usando a medição de resistência do enrolamento padrão [9]. Sendo assim, o DRM como uma medição complementar, provou ser benéfico para analisar o processo de comutação e os contatos móveis de OLTCs em transformadores de potência. Ao utilizar a mesma configuração de teste que a resistência estática, a função do DRM permite obter uma visão do processo de comutação rápida da chave para detectar desgaste mecânico dos contatos, dos cabos e dos resistores de comutação sem esforço adicional de fiação. Como resultado, a confiabilidade da avaliação do OLTC pode ser melhorada, os custos de manutenção podem ser reduzidos e, sobretudo, as interrupções não esperadas e onerosas podem ser evitadas.


Bibliografia

[1] Cigré Working Group A2.3, 2015, TB 642 – Transformer Reliability Survey

[2] Rudolf Klaus, 50 Jahre VDE Bezirksverein Nordbayern, Die Entwicklung von Stufen-schaltern für Hochspannungstransformatoren

[3] K. Viereck, A. Saveliev, 2015, Acoustic Tap-Changer Monitoring using Wavelet Analyses, ISH 2015, Pilsen

[4] IEEE Guide for Dissolved Gas Analysis in Transformer Load Tap Changers, IEEE C57.139-2010

[5] Jur Erbrink, Edward Gulski, Johan Smit, Rory Leich, 20th International Conference on Electricity Distribution 2009, Experimental Model for diagnosing on-load tap changer contact aging with dynamic resistance measurements

[6] E. Woschnagg und H. Koglek, 1977, Zum Problem der Widerstandsmessung von niederohmigen Transformatorwicklungen

[7] OMICRON, Standard electrical tests for power transformers, www.omicron.at

[8] IEEE Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution, Power and Regulating Transformers and IEEE Guide for Short-Circuit Testing of Distribution and Power Transformers, IEEE C57.12.90 – 2006

[9] Raka Levi, Budo Milovic, TechCon 2011, OLTC Dynamic testing


*Por Cornelius Plath e Markus Pütter

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