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Abstract -- Este trabalho tem como objetivo propor e verificar

a validade de um método de detecção de defeitos em transformadores, que seja não-destrutivo, rápido e que possa ser utilizado em campo. São apresentados os resultados obtidos de um estudo conjunto entre a Universidade Federal de Itajubá e a Adimarco Representações e Serviços Ltda, com a utilização do equipamento de análise de resposta em freqüência FRAnalyzer da Omicron Electronics. Como primeiro resultado do estudo foi verificado que todos os defeitos mais comuns nos enrolamentos dos transformadores, como curto entre espiras e para a terra, são passíveis de serem detectados através da alteração na resposta em freqüência e da medida de impedância terminal, tanto em magnitude como em fase.

Index Terms - Resposta em Freqüência, Impedância Terminal,

Transformadores de Distribuição, Detecção de Defeitos.

I. INTRODUÇÃO Os transformadores são equipamentos essenciais em

sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica. Na ocorrência de uma falta no sistema, descarga atmosférica ou uma falta dentro do transformador, podem ser geradas altas correntes circulantes nas bobinas e/ou uma alta tensão sobre estas. Conseqüentemente ocasionam danos estruturais, deformações nas bobinas e/ou de isolação do equipamento, fechando-se curto-circuitos entre espiras, entre bobinas ou destas para a carcaça (ponto de terra). Danos de transporte também podem ocorrer se os procedimentos forem inadequados, podendo conduzir ao movimento do enrolamento e núcleo.

Um método eficiente de se diagnosticar falhas em um transformador é utilizando a sua resposta em freqüência. 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

M. A. M. Saran e R. J. Dias são pesquisadores do Laboratório de Alta Tensão - Universidade Federal de Itajubá, MG, Brasil.

M. L. B. Martinez é Doutor em Engenharia Elétrica; Chefe do Laboratório de Alta Tensão - Universidade Federal de Itajubá. (martinez@lat-efei.org.br)

M. E de C. Paulino é Gerente Técnico da Adimarco Representações e Serviços Ltda, Rio de Janeiro, Brasil (e-mail: marcelo@adimarco.com.br).

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 que altera sensivelmente a resposta em freqüência deste circuito, que comparado à resposta original do mesmo pode claramente evidenciar a falha.

Para detectar alterações na função de transferência deste circuito utilizamos um equipamento eficiente para a análise da resposta em freqüência de transformadores, o FRAnalyzer, capaz de detectar mudanças na função de transferência dos enrolamentos individuais dentro dos transformadores e alterações na posição do enrolamento ou núcleo relacionado à diferentes modos de falha.

II. ANÁLISE DA VARREDURA DA RESPOSTA DE FREQÜÊNCIA O método de resposta em freqüência 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. 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.

Os resultados obtidos são apresentados em forma gráfica, segundo as medidas dos sinais de tensão e corrente de entrada e saída. 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 figura 1 mostra a representação da obtenção da função de transferência

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 freqüência, obtendo-se a Função Impedância Ui/Ii (f) e Função Admitância Ii/Ui (f).

A avaliação dos resultados é baseada em comparações de diferentes representações gráficas dos elementos testados.

M. A. M. Saran, M. L. B. Martinez, R. J. Dias, e M. E. de C. Paulino, Member, IEEE

Análise do Desempenho da Utilização de Resposta em Freqüência para a Detecção de

Defeitos em Transformadores de Distribuição

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Figura 1 – Método de resposta em freqüência e obtenção da função de transferência

A experiência tem mostrado que esta comparação pode

realizada em três faixas distintas de freqüências: a) Freqüência Baixa - 2 kHz: estão relacionados com

ocorrências no núcleo de transformador e circuitos magnéticos. A avaliação nesta faixa de freqüência tem que levar em consideração o magnetismo residual.

b) Freqüência Média - 2 kHz a cerca de 1 MHz: a análise nesta faixa tem que levar em conta modificações na geometria, abertura e curto circuitos nos enrolamentos,

c) Freqüências Altas - acima de 1MHz: a análise nesta faixa está relacionada com alterações das conexões, buchas, conexões entre enrolamentos, comutadores e outros.

As regras para especificar essas faixas e escalas de

freqüência para transformadores para tamanhos extragrande, grandes e médios de transformadores de potência (PT) e transformadores de distribuição (DT) são mostradas na figura 2.

Figura 2 – Faixas e escalas de freqüência para análise de resposta em freqüência transformadores de diferentes tamanhos.

III. EQUIPAMENTO FRANALYZER Este equipamento mede a resposta em freqüência dos

transformadores em uma larga faixa de freqüências, de 10Hz a 20MHz. 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 através de uma conexão USB (Universal Serial Bus) via cabo normal de 1,5 m, ou através de conversor de fibra-óptica com 15 m, eliminando assim qualquer perigo de indução neste. O

equipamento FRAnalyzer é mostrado na Figura 3, sem seus conectores e cabos.

Figura 3 – Equipamento FRAnalyzer da Omicron electronics

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.

A. Estrutura de Conexões do Franalyzer A conexão realizada pela grande maioria dos dispositivos

utilizados até o momento envolve ligações com cabos que introduzem altas indutâncias no circuito medido. Esta seja talvez umas das causas de vários testes não conseguirem chegar a escalas mais altas de freqüência, pois introduziriam cada vez mais ruídos na medida, comprometendo a repetibilidade das respostas.

A figura 4a mostra um exemplo de medida em laboratório e a figura 4b identifica seus principais componentes.

Figura 4a – Conexões usuais utilizadas para o teste de resposta em freqüência

Figura 4b – Conexões usuais utilizadas para o teste de resposta em freqüência

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O FRAnalyzer promove uma conexão como mostrada nas figuras 5 e 6, onde são utilizados 2 cintas colocadas rentes à descida da bucha resultando em baixas indutâncias no circuito. Além disso, graças a disposição de 2 condutores de aterramento, utilizando os conectores especiais criados pela Omicron, a indução é reduzida a níveis mínimos

Figura 5 – Conexões realizadas pelo FRAnalyzer

1 . Cabo co-axial 2. Condutor interno do cabo co-axial 3. Conexão do cabo co-axial 4. Cabeça da bucha 5. Tubos isolantes 6. Campo magnético (interferência) 7. Corrente de ruído induzida

8. Cinta de aterramento 9. Ponto de aterramento 10 Base da bucha 11. Tanque do Transformador 12. Condutor interno da Bucha 13. Segunda cinta de aterramento 14. Corrente de ruído induzida em direção oposta

Figura 6 – Conexões realizadas pelo FRAnalyzer – designação dos componentes

B. Ferramenta de Análise do Franalyzer A análise das características gráficas, chamadas de

assinaturas do equipamento sob teste, é realizada comparando-se com curvas anteriores do mesmo equipamento ou de unidades similares. Pode-se inclusive realizar comparação entre as fases do mesmo transformador.

A comparação entre curvas, traços, verificação de características conhecidas, identificação de falhas, fazem parte da análise do teste de resposta em freqüência. No caso de comparação de curvas em diferentes datas ou utilizando unidades similares, a comparação pode ser subjetiva.

A resposta para a avaliação de duas assinaturas com diferenças identificadas (se essas diferenças realmente são significativas) e a identificação de falhas são realizadas até hoje utilizando apenas o conhecimento das equipes de teste.

O sistema de avaliação do FRAnalyzer entrega para a equipe de teste um procedimento baseado no cálculo da correlação medindo o grau de associação linear entre duas variáveis. No caso, dois resultados de teste. A expressão (1) indica o cálculo da correlação.

( ) ( )

( ) ( )∑ ∑∑

−⋅−

−⋅−±=

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yyxx

yyxxr

ii

ii

(1)

Além de realizar a correlação ponto a ponto e entregar para o testador um gráfico identificando as freqüências em que ocorrem as diferenças e a amplitude dessa variação, a ferramenta de análise entrega um valor numérico, quantificando a correlação em três intervalos: core (núcleo), winding (enrolamento) e tapped winding (conexões). Esses intervalos correspondem às faixas de freqüências relatas no item 2 e mostradas na figura 2. A resposta gráfica é mostrada na Figura 7 a seguir

Figura 7 – Gráficos da Resposta em Freqüência e representação gráfica da diferença e a correlação calculada pela ferramenta de análise

IV. PROCEDIMENTO DE ENSAIO Foram realizados os ensaios de função de transferência e de

impedância terminal em transformadores de distribuição do Laboratório de Alta Tensão. Os ensaios foram executados nas condições de transformador à vazio e com cargas resistivas, capacitivas e indutivas. Sendo que a estas condições serão aplicados curtos-circuitos entre espiras e também para a terra, utilizando os vários tapes disponíveis na alta destes transformadores.

São utilizados cabos coaxiais aterrados e também toda a carcaça dos equipamentos é aterrada. Também existe um terceiro cabo para que possa ser executada a conexão a três fios, a qual elimina a influência do aparelho de medição e dos cabos nas leituras efetuadas.

A. 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 8, onde 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 freqüência.

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Figura 8 – Diagrama Esquemático de Conexões do Ensaio de Função de Transferência

B. 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 o esquemático da Figura 9.

Figura 9 – Diagrama Esquemático de Conexões do Ensaio de Impedância Terminal

V. ESTUDO DO CASO 1 – 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 da TRAEL Transformadores. A figura 10 mostra as conexões realizadas no transformador sob teste.

Figura 10 – Conexões do Ensaio de Função de Transferência

A. Enrolamento de BT com Curto-Circuito para Massa O Transformador foi preparado com curto-circuito entre o

enrolamento de BT para o tanque do transformador (e núcleo). A análise mostra-se eficiente, pois mostra graficamente a correlação entre as duas características sob análise e indica numericamente a região onde o problema se estabeleceu: CORE, com valor de 0,5957. Vale ressaltar que a Avaliação da Correlação Cruzada (Cross Correlation Assessment) indica graficamente que a partir de 500Hz a correlação aponta para ausência de problemas, apesar da assinaturas apresentarem diferenças.

Figura 11 – Análise do Ensaio de Função de Transferência para um curto-circuito entre X1 e massa

B. Enrolamento de BT com 1µ F para Massa Ao simular uma mudança na posição do enrolamento

inserindo um capacitor de 1 µ F entre X1 e a massa tem-se um pico de desvio em 10kHz e um afundamento em 125kHz na função de transferência, conforme mostrada na figura 12. Isto poderia induzir a apontar um defeito no enrolamento. Entretanto a Avaliação da Correlação Cruzada (Cross Correlation Assessment) indica que esses desvios não são importantes.

Figura 12 – Análise do Ensaio de Função de Transferência com 1 µ F entre X1 e massa

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C. Enrolamento de BT com 3,3 µF para Massa Ao simular um aumento no deslocamento da posição do

enrolamento inserindo um capacitor de 3,3�F entre X1 e a massa tem-se um pico de desvio em 5,5kHz e um afundamento em 65 kHz na função de transferência. Novamente isto poderia induzir o testador a apontar um defeito no enrolamento. Entretanto a Avaliação da Correlação Cruzada (Cross Correlation Assessment) indica que esses desvios não são importantes, mas indicam um agravamento da situação se comparada com o teste anterior, quanto foi inserido uma capacitância de 1 µ F.

Figura 13 – Análise do Ensaio de Função de Transferência com 3,3µ F entre X1 e massa

VI. ESTUDO DO CASO 2 – IDENTIFICAÇÃO CURTO-CIRCUITO ENTRE ESPIRAIS E ENTRE ESPIRAS-CARCAÇA

Para estes ensaios foram utilizados dois transformadores didáticos de distribuição bifásicos de 13,337 kV para 220 V, de 5 kVA da Polo Electro, sendo que um deles possui enrolamento em panqueca e o outro enrolamento contínuo, ambos possuindo 14 tapes nos seus enrolamentos de alta tensão, como mostrado na Figura 14a.

Figura 14a – Enrolamento de Alta com Tapes

Figura 14b –Curto-circuito entre os tapes 6 a 12

Foram realizadas diversas condições para ensaios, medindo-se a impedância terminal do transformador para cada uma delas, realizando curto-circuito tape a tape, em grupos de tapes e tapes para carcaça. A Figura 14b mostra um dos ensaios com condição de curto-circuito entre espiras, colocando os tapes de 6 a 12 em curto circuito.

A. Enrolamento de AT com curto-circuito entre os tapes 6 e 12 e entre os tapes 9 e 10

Exemplificando a capacidade de detecção das falhas no transformador, apresentamos o resultado da medida da impedância do terminal, comparando a medida do estado inicial do transformador, isto é, sem a adição de defeitos, e após a inserção de curto-circuito entre os tapes 6 e 12, conforme mostrado na figura 14b. Para efeito de comparação, também adicionamos o resultado das medidas realizadas com o curto-circuito entre os tapes 9 e 10. Observa-se que a ocorrência de curto-circuito provoca uma oscilação do módulo da impedância entre 10 e 20 kHz. Esta oscilação é tão maior quanto maior for o número de espiras curto-circuitadas.

Figura 15 – Módulo da Impedância do Enrolamento de Alta no estado inicial (azul) e com curto-circuito entre os tapes 6 a 12 (vermelho) e entre os tapes 9 e 10 (amarelo)

Observa-se o mesmo comportamento para a variação do ângulo com relação a freqüência, ou seja, existe a ocorrência de oscilações entre 10 e 20 kHz e a mesma é tão maior quanto maior for o número de espiras curto-circuitadas.

Figura 16 – Fase da Impedância do Enrolamento de Alta no estado inicial (azul) e com curto-circuito entre os tapes 6 a 12 (vermelho) e entre os tapes 9 e 10 (amarelo).

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B. Enrolamento de AT com curto-circuito entre tapes e massa Foram realizados curtos para terra nos diversos tapes dos

transformadores ensaiados. Nota-se a capacidade de diferenciar não só o tipo de falta, mas também sua localização. Como exemplo, mostramos nas Figuras 17 e 18 os resultados da medida de impedância, tanto em módulo quanto em fase, com curto-circuito para terra nos tapes 02, 03 e 04 e as respectivas comparações.

Figura 17 – Módulo da Impedância do Enrolamento de Alta com curto-circuito entre os tapes 2, 3 e 4 para massa (terra).

Figura 18 – Fase da Impedância do Enrolamento de Alta com curto-circuito entre os tapes 2, 3 e 4 para massa (terra)

VII. CONCLUSÕES O procedimento apresentado envolvendo o equipamento

FRAnalyzer, seus mecanismos de conexão e ferramentas de avaliação, se mostrou eficiente para a identificação de falhas em transformadores, onde a resposta em freqüência alterou-se sensivelmente, tanto na magnitude como na defasagem angular.

Neste trabalho foram apresentados apenas alguns exemplos dos inúmeros ensaios realizados que continuam sendo compilados.

A interpretação das características do método da resposta em freqüência 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.

Com a utilização deste equipamento em ensaios de manutenção preventiva, ou quando se fizer necessária à verificação do estado do transformador, consegue-se identificar um problema interno antes que este cause uma falta ou queima do mesmo, isto para transformadores de distribuição ou de potência, inclusive em campo com o objeto de ensaio instalado, porém desenergizado.

É necessário um cuidado com a calibração do equipamento, pois esta pode fazer com que se obtenham respostas errôneas nos ensaios. Também é importante estar atento a problemas de saturação e magnetismo residual do núcleo, o que, principalmente para freqüências abaixo de 3 kHz, causam medidas incorretas.

VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Paulino, M., “Testes Automatizados em Equipamentos de Subestação –

FRAnalyzer, Análise de Falhas em Transformadores de Potência com Teste de Resposta em Freqüência”, Adimarco - Rio de Janeiro, RJ; janeiro/ 2006.

[2] OMICRON: - FRAnalyzer User- Sweep Frequency Response Analyzer

for Power Transformer Winding Diagnosis . FRA.AE.2/2005

IX. 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, pós-venda 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. Instrutor convidado do Curso de Especialização em Proteção de Sistemas Elétricos CEPSE (UNIFEI-SEL-FUPAI) em 2004. Atua como instrutor externo na Fundação de Pesquisa e Assessoramento a Indústria – FUPAI. Autor e co-autor de trabalhos técnicos em eventos no Brasil e no exterior. Membro do IEEE. Membro do CE B5 do Cigré-Brasil.