Medições de Resposta em Frequência (FRA) confiáveis e reproduzíveis em transformadores de potência

jan, 2019

Resumo

A Análise de Varredura da Resposta em Frequência (Sweep Frequency Response Analysis – SFRA) é um método poderoso para avaliar a integridade elétrica e mecânica da parte ativa do Transformador de Potência, que fornece uma alta sensibilidade para diagnosticar possíveis danos após o transporte ou após falhas devido a um evento específico, como um curto-circuito. No entanto, os usuários muitas vezes encontram dificuldades para alcançar uma alta reprodutibilidade, pois é essencial para uma avaliação confiável da condição do ativo. Os desvios causados ​​pela falta de reprodutibilidade podem levar a uma má interpretação dos resultados e consequentemente inspeções e atividades de manutenção desnecessárias. Este artigo foca as melhores práticas, a fim de realizar medições de SFRA altamente repetíveis e reprodutíveis.

1     – Introdução

O método de Análise de Varredura da Resposta em Frequência (SFRA) foi desenvolvido para verificar a integridade da parte ativa de um Transformador de Potência. Depois da fabricação, os Transformadores de Potência são transportados, muitas vezes por longas distâncias, utilizando diferentes meios de transporte, como navios, trens ou caminhões. Tanto durante o transporte quanto durante o carregamento de um veículo para outro, o transformador se expõe a choques mecânicos e trepidações. Tais choques também podem ser causados ​​por terremotos ou impactos mecânicos devido às forças de um curto-circuito durante uma falta, quando o mesmo encontra-se em operação. Todos estes impactos conduzem a uma deformação ou movimentação da parte ativa. Ensaios comuns, como relação de transformação, corrente de excitação, impedância de curto-circuito na frequência nominal e perdas por dispersão no domínio da frequência (FRSL), podem ter desvantagens em relação à sensibilidade da medição a fim de detectar deformações mecânicas. Por exemplo, uma flambagem de um enrolamento normalmente não influencia as medições de relação de transformação ou resistência de isolamento, sendo difícil detectar mudanças nas capacitâncias. Comparado aos metódos convencionais, SFRA é o método mais sensível para realizar uma avaliação confiável do núcleo e dos enrolamentos [1]. Este artigo mostra algumas das melhores práticas sobre como realizar medições de SFRA, a fim de garantir resultados de testes altamente repetíveis e reprodutíveis.

2     – Princípios básicos do método SFRA

 O método SFRA compreende uma medição de resposta de frequência altamente repetível e reproduzível em um transformador de potência e a comparação subsequente com uma impressão digital existente, também conhecida como medição de referência. [3], [4]. Em princípio, três métodos são comumente usados para avaliar as assinaturas medidas de SFRA:

  • baseado no tempo (os resultados do SFRA serão comparados aos resultados anteriores da mesma unidade);
  • baseado na construção (medições SFRA de um transformador será comparado com outro do mesmo projeto);
  • baseado em fase (os resultados SFRA de uma fase serão comparados com as outras assinaturas da mesma unidade).

O método preferencial é a comparação baseada no tempo. No entanto, a medição da impressão digital ou da linha de base, na maioria dos casos, não está disponível. Porém, fazendo-se uso de uma simples comparação dos gráficos SFRA das fases ou por uma comparação baseada em tipo pode ser alcançada uma avaliação bem-sucedida dos resultados. Mesmo que uma impressão digital do transformador esteja disponível, a experiência demonstra que a comparação deve ser realizada com cuidado porque, em alguns casos, os desvios observados não estão relacionados com as deformações, mas com as medições sob diferentes condições ou devido a erros de medição [8]. Para driblar esses fatores que levam a avaliações erradas, o amplo conceito de comparação baseado em tempo é proposto neste trabalho.

2.1     – Medição da Resposta em Frequência

 A parte ativa de um Transformador, constituída de enrolamentos, núcleo, isolação e conexões, forma uma complexa rede de resistências, indutâncias e capacitâncias, conforme mostrada na figura 1. Esta rede possui uma característica única que pode ser visualizada através da resposta em frequência: um sinal senoidal de frequência variável e de baixa tensão, por exemplo 10 V, é aplicado em um terminal e a resposta (U2) é medida em outro terminal (figura 2). Para medir a amplitude, fase e a frequência do sinal injetado, um canal de medição de referência (U1) é conectado ao mesmo ponto de injeção que a fonte [2]. A resposta em frequência consiste em amplitude, relação e diferença de fase entre os terminais.

2.2     – Métodos de análise de medições SFRA

Dependendo de suas principais influências, diferentes modos de falhas serão melhores visualizados em diferentes faixas de frequência. Por exemplo, os fenômenos do núcleo influenciarão a região de baixa frequência, enquanto os problemas de conexão na faixa de alta frequência, acima de 1MHz [1]. Experimentalmente, é possível verificar que problemas de conexão, como não seguir o conceito da malha de conexão mais curta, podem influenciar a resposta de frequência mesmo em 500kHz. No entanto, é difícil obter uma tabela geral com a relação entre a faixa de frequência e as características do transformador, pois há muitos fatores que influenciam na faixa de frequência (por exemplo, potência MVA, tipo de enrolamento, nível de tensão etc.). Referências básicas podem ser encontradas na brochura do CIGRE. Diferentes ferramentas de análise podem ser usadas com base em índices matemáticos [5]  ou alterações características dentro das curvas medidas [6].

Para cada análise, é necessária uma impressão digital ou uma medida de linha de base. Se disponível, uma comparação deve sempre ser feita para uma medição anterior do mesmo transformador usando a mesma configuração [7], a chamada comparação baseada no tempo. Tal medição de referência pode ter origem, por exemplo, em testes de comissionamento ou testes de aceitação no local. Alternativamente, se nenhuma medida de referência deste transformador estiver disponível, a resposta de frequência pode ser comparada com um ativo similar, ou um transformador irmão. Os ativos similares geralmente têm uma resposta em frequência muito semelhante, mas não idêntica, como exibido na figura 3. Portanto, pequenos desvios são aceitáveis e não indicam necessariamente um problema.

Nos casos em que até mesmo nenhuma assinatura de um ativo-irmão estiver disponível, comparações fase-a-fase podem ser aplicadas. Uma boa comparação só é possível para um projeto simétrico, que não é exatamente seguido por projetos comuns. Desvios maiores podem ser causados por diferenças construtivas entre as fases. Comparações baseadas na fase, portanto, exigem uma experiência maior. Normalmente, a fase central inclui o maior desvio, enquanto as outras duas fases se sobrepõem com razoável semelhança. Os principais desvios entre a fase central e as fases externas são esperados em frequências mais baixas, pois são influenciadas principalmente pelo núcleo devido aos diferentes caminhos de fluxo.

3 – Importância da técnica de conexão

 O método SFRA é muito sensível, usado para detectar até as menores alterações dentro do circuito elétrico de um transformador de potência. A vantagem de ser altamente sensível pode, às vezes, ser uma desvantagem em termos de repetibilidade e sensibilidade ao ruído. Portanto, a técnica de conexão é essencial para alcançar um alto grau de reprodutibilidade, especialmente na faixa de alta frequência acima de 500 kHz. [1], [9].

A Norma IEC 60076-18 descreve em detalhes o procedimento recomendado para uma conexão de medição adequada e reproduzível (figura 5). Recomenda-se o uso de cabos coaxiais com blindagem dupla conectados ao terminal da bucha. A partir deste ponto, uma conexão com a flange ou tanque deve ser instalada em um aterramento indutivo baixo (bom aterramento), de preferência usando uma malha de alumínio plana e larga ao invés de um fio simples. Como explicado em [9], malhas de alumínio têm uma grande superfície, uma baixa indutância, reduzindo consideravelmente o efeito pelicular acima de 80 kHz. Como consequência, a estrutura da malha fornece uma melhor condutividade para altas frequências, resultando em uma excelente atenuação de ruído em relação ao aterramento, em comparação com o uso de fios simples.

O comprimento da conexão à terra influencia a resposta em frequência. Para alcançar uma alta reprodutibilidade, sugere-se usar o menor comprimento possível puxando a malha firmemente ao longo do corpo da bucha, como mostrado na figura 6.

Além da técnica de conexão em si, é importante estabelecer um contato elétrico adequado entre o terminal e a flange, respectivamente, com a garra de medição usada. Procedimentos como limpar o terminal e remover as camadas de verniz ajudam a reduzir a resistência de contato. Modernos equipamentos SFRA fornecem uma verificação de loop de aterramento para garantir a adequada conexão com uma baixa resistência de contato ao terra.

4    – Fatores influenciadores da resposta em frequência

 Como discutido acima, é essencial para um método comparativo como o SFRA, prover a mais alta confiança em excluir fatores de influência relacionados à conexão de medição ou fatores externos que serão descritos no capítulo seguinte. Por questões de completude, vale mencionar que, para os casos de uso descritos, o sistema de teste OMICRON FRANEO 800 foi usado para a realização de medições em vários ativos.

4.1     – Fatores da conexão de medição

 Curto-circuitando e aterrando os enrolamentos terciários e separando os terminais de neutro

O tipo de medição “circuito aberto” ou “circo-circuitado” define se os terminais do nível de tensão oposto à referência devem estar em curto-circuito ou não. Isso significa que, ao medir o lado de alta tensão, ele define se deve ser feito o curto-circuito nos terminais de baixa tensão ou não.

O tipo de medição não fornece informações sobre como lidar com terminais neutros separados ou enrolamentos terciários que influenciam significativamente a resposta em frequência medida. Isso inclui enrolamentos terciários flutuantes, fechados ou aterrados. A figura 7 mostra os desvios entre duas medições de circuito aberto feitas nos enrolamentos de baixa tensão com enrolamento terciário aterrado e não aterrado. Vários desvios, especialmente dentro da área de acoplamento mútuo (interação dos enrolamentos) na medida da resposta em frequência podem ser observados. Em geral, a resposta em frequência para a indutância de magnetização e capacitância paralela permanece inalteradas. Portanto, é sugerido deixar todos os outros terminais abertos e não aterrados, conforme recomendado na Norma IEEE C57.149 [3].

Sentido de medição

O sentido da medição, ou seja, medindo os transformadores de potência conectados em estrela, de fase para neutro ou de neutro para fase, influencia significativamente o comportamento de alta frequência como mostrado, por exemplo, na figura 8.

Se não especificado de maneira diferente, sugere-se que a fonte e o cabo de referência sejam conectados ao terminal de fase e o cabo de resposta ao terminal neutro [3], [4].

Tensão de saída

Na faixa de baixa frequência, a resposta em frequência é dominada pela indutância de magnetização do núcleo e, portanto, depende da tensão de saída do instrumento de medição, como mostrado na figura 9. A curva residual não é afetada pela tensão de saída, pois os enrolamentos do transformador podem ser considerados como um sistema linear que, em princípio, não é afetado pela tensão de saída da fonte.

Cabos de medição e aterramento

Diferentes procedimentos para conectar os cabos de medição e aterramento são explicados na Norma IEC 60076-18 [4]. A maneira mais comum é usar garras especialmente projetadas conectando o cabo BNC de blindagem dupla ao terminal de fase e usar uma malha trançada, respectivamente, para aterrar a blindagem entre a garra e a flange da bucha. Conforme descrito na seção 3, usar uma malha ao invés de um fio reduzirá significativamente a influência do ruído, especialmente em torno da frequência da rede elétrica (60 Hz). Além disso, o comprimento do condutor de aterramento é de fundamental importância para a região de baixa frequência, conforme mostrado na figura 10. Ao usar cabos com um comprimento fixo, a posição do condutor influencia a resposta em frequência. Portanto, o conceito de adaptar o cabo de aterramento para garantir o caminho mais curto até o terra fornece o mais alto grau de reprodutibilidade.

Posição do comutador de Taps e Buchas

De acordo com as Normas aplicáveis, os testes SFRA devem ser realizados com a mesma configuração de transformador, incluindo buchas e posição do comutador de taps. Às vezes, buchas de teste são usadas durante testes de aceitação de fábrica e as buchas finais são montadas no local. Ao comparar a resposta em frequência medida na fábrica com a medida no local, os desvios ocorrerão provavelmente na faixa de alta frequência devido a esta influência. A alteração da posição do comutador causará mudanças contínuas do formato da curva em uma grande faixa de frequência, conforme mostrado na figura 11. A sugestão é que sejam realizadas medições para cada fase relevante na posição mais baixa, mais alta e intermediária do comutador, comutando continuamente este equipamento da posição mais alta para a mais baixa [3], [4].

Contato entre o terminal da bucha e a conexão de aterramento

Um dos erros de conexão mais comum é um contato indesejado da malha de aterramento com o terminal da bucha. Tal erro influencia a resposta em frequência principalmente nas frequências mais altas, como mostrado na figura 12. Recomenda-se usar uma cobertura isolante para as malhas trançadas, a fim de evitar este curto-circuito.

4.2 – Outros fatores de influência

 Magnetismo residual

O magnetismo residual é um fenômeno frequente causado por medições anteriores, como a medição da resistência do enrolamento em corrente contínua. Isso pode ser evitado por um procedimento de desmagnetização antes de executar testes SFRA. A influência se mostra, em particular, na faixa de frequência muito baixa, como mostrado na figura 13, onde a ressonância do núcleo é deslocada para a direita. As outras partes da assinatura SFRA não são afetadas por esse fenômeno. Portanto, o magnetismo residual pode ser facilmente identificado e geralmente não influencia a análise posterior.

Fluídos isolantes

Um transformador de potência deve ser sempre medido com a mesma configuração que terá no local de instalação. Isso inclui o fluido de isolamento, pois este componente influencia significativamente a resposta de frequência. Ao comparar as medições SFRA de um transformador de potência não vazio e cheio de óleo, como mostrado na figura 14, pode ser observado um desvio sistêmico de frequências características. Isso é causado pelos diferentes dielétricos (ar/gas com er,gas = 1 vs. óleo com er,oil = 2,2) e corresponde aproximadamente ao valor teórico que pode ser calculado pela raiz quadrada da permissividade relativa do óleo mineral [11].

Temperatura

Condições ambientais, como temperatura, podem influenciar as medições de respostas em frequência. Porém, estudos mostraram que os coeficientes térmicos para a mudança dos pontos de ressonância com a temperatura são muito pequenos. [12]. Assim, esta alteração pode ser desconsiderada na faixa de temperatura típica de 15°C a 70°C.

Conclusão

A importância de uma técnica de conexão adequada foi demonstrada. As vantagens da técnica sugerida pela Norma IEC 60076-18 em comparação com outras técnicas foram discutidas neste trabalho. Além do alto grau de reprodutibilidade, o uso das malhas trançadas de alumínio, ao invés de um simples fio, ajudam a evitar influências de ruídos de banda estreita próximos à frequência principal, aumentando a reprodutibilidade, especialmente nas faixas mais altas de frequência, ou seja, acima de 500 kHz.

Fatores que influenciam a resposta em frequência foram listados, exemplos de mudanças nas características das curvas foram apresentados, incluindo influências devidas às conexões de medição, como curto-circuitar ou aterrar os enrolamentos terciários, sentido da medição, tensão de saída, técnicas de conexão e posição do comutador de taps. Além disso, outros efeitos foram discutidos, como magnetismo residual, influência do fluído isolante ou mudanças devido à temperatura e umidade.


Referências 

  • Cigré WG A2/26, “Mechanical condition assessment of transformer windings using Frequency Response Analysis (FRA)”, Brochure 342, Paris 2008
  • Leibfried, K. Feser, Monitoring of Power Transformers using the Transfer Function Method, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 14, No. 4, October 1999, pp.1333-1341.
  • IEEE Std C57.149, “IEEE Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil-Immersed Transformers”, 2013
  • IEC 60076-18, “Power transformers – Part 18: Measurement of frequency response”, 2012
  • NCEPRI, “Application Guideline for Transformer Winding Distortion Test Technology”, China 1999
  • Cigré WG A2/26, “Mechanical condition assessment of transformer windings using Frequency Response Analysis (FRA)”, Electra N°228, Paris 2006
  • Christian, K. Feser, Procedures for Detecting Winding Displacements in Power Transformers by the Transfer Function Method, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 19, No. 1, January 2004, pp.214-220.
  • Juan L. Velásquez, et al., “Noise in FRA Measurements: Sources, Effects and Suppression,” OMICRON DMPT Workshop
  • Tenbohlen, R. Wimmer, K. Feser, A. Kraetge, M. Krüger, J. Christian: The influence of grounding and connection technique on the repeatability of FRA-results, Proceedings of the XVth International Symposium on High Voltage Engineering, University of Ljubljana, Ljubljana, Slovenia, August 27-31, 2007.
  • Wimmer, S. Tenbohlen, K. Feser, M. Michael Krüger: „Richtlinien für den Messaufbau für eine hohe Reproduzierbarkeit der FRA-Messergebnisse“, ETG Fachtagung Diagnostik elektrotechnischer Betriebsmittel, Kassel, Germany 19.-20. September 2006
  • Christian, R. Wimmer: “Comparability of transfer function results”, European Transactions on Electrical Power 2006, issue 16, pages137-146
  • Wimmer, K. Feser, J. Christian: “Reproducibility of Transfer Function Results”, XIIIth International Symposium on High Voltage Engineering, Delft, Netherlands, August 25-29, 2003

Por

Michael Rädler é graduado em engenharia industrial pela University of Applied Science em Mittweida, Alemanha. Após sua formação técnica na HTL (Federal Secondary College of Engineering) em Bregenz, Áustria, em 2007, iniciou sua carreira profissional como engenheiro de aplicação na  OMICRON, onde se concentrou em transformadores de potência. Desde setembro de 2013, torna-se gerente de produto do sistema de teste primário multifuncional da OMICRON para comissionamento e manutenção de subestações (CPC 100). Possui vários artigos publicados sobre medições elétricas em transformadores de potência, é membro da Cigre e faz parte do grupo de trabalho de SFRA.

Prof. Dr. Stephanie Uhrig (née Ratzke) é professora de engenharia de potência na University of Applied Science de Munich. De 2010 até 2017, foi gerente de produto na OMICRON, Áustria, onde se concentrou em medições de resposta dielétrica e análise de resposta de frequência. Recebeu seus títulos Dipl.-Ing e Dr.-Ing. pela Technical University of Munich (TUM), Alemanha, em 2003 e 2009.

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