Eficincia em transformadores

Novas tecnologias aplicadas em procedimentos de manuteno para avaliao de transformadores de potncia

A manuteno preventiva de transformadores ou de qualquer equipamento eltrico pode ser considerada como um dos ramos da

tcnica que mais evolui nos dias de hoje, constituindo-se em uma poderosa ferramenta para garantir o funcionamento contnuo das

instalaes responsveis pelo suprimento de energia eltrica.

No caso da ocorrncia de um defeito, que poderia ou no ser detectado por uma manuteno preventiva, ocorre um prejuzo

financeiro de acordo com o volume de carga interrompida. Os prejuzos para as unidades fabris podem atingir elevados valores e,

dependendo do caso, resultar em grande dano imagem institucional das empresas.

A avaliao dos custos envolvidos em qualquer tipo de interrupo de energia resulta na necessidade de implantao de programas

de manuteno preventiva. Nesse caso, o objetivo principal permitir a avaliao da instalao e dos seus equipamentos utilizando

novas tcnicas e ferramentas capazes de detectar uma possvel falha o quanto antes.

As equipes envolvidas com as atividades de comissionamento e manuteno tm sofrido crescente presso para reduzir custos,

mesmo sendo foradas a manter antigas instalaes em operao pelo maior tempo possvel. Os equipamentos eltricos instalados

em subestaes podem ser solicitados a operar sob condies adversas, como: altas temperaturas, chuvas, poluio, sobrecarga e,

dessa forma, mesmo tendo operao e manuteno de qualidade, no se pode descartar a possibilidade de falhas que, por sua vez,

deixem indisponveis as funes de transmisso e distribuio de energia eltrica. Entretanto, a checagem regular das condies de

operao desses equipamentos torna-se cada vez mais importante. Torna-se imperativa a busca de procedimentos e ferramentas que

possibilitem a obteno de dados das instalaes de forma rpida e precisa.

Este trabalho aponta para as principais tcnicas de avaliao e testes de transformadores utilizando varredura de frequncias.

Mostra os procedimentos e resultados prticos envolvendo testes de resposta em frequncia (funo de transferncia, impedncia

terminal), bem como fator de dissipao, capacitncia e reatncia de disperso utilizando equipamentos de ltima gerao, de fcil

aplicabilidade pelas equipes de manuteno para testes em laboratrio, em oficinas ou em campo.

DISPOSITIVOS DE TESTE

Este trabalho mostra a realizao de testes e ensaios em transformadores de potncia, avaliando a condio de enrolamentos,

circuito magntico e isolamento, coletando dados e informaes para subsidiar uma tomada de deciso pela equipe de manuteno.

Para isso, utilizamos dois avanados sistemas de teste disponveis no mercado para as equipes de teste.

Sistema de teste multifuncional para comissionamento de equipamentos de subestaes 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 at 12 kV numa faixa de frequncia de 15 Hz a 400 Hz alimentados por um

moderno amplificador de potncia.

Um transformador de sada combina a impedncia interna do amplificador com a impedncia do objeto sob teste. Por utilizar a

frequncia de teste diferente da frequncia de linha e seus harmnicos, juntamente com medies usando tcnicas de filtragem

seletiva, o equipamento de teste pode ser operado em campo, inclusive em subestaes com altos distrbios eletromagnticos.

Equipamento de resposta em frequncia FRAnalyzer

Este equipamento mede a resposta em frequncia e impedncia terminal de transformadores em uma larga faixa de frequncias, de

10 Hz a 20 MHz. Isto permite a deteco de defeitos tanto nos enrolamentos como no ncleo dos transformadores. porttil e liga-

se a um PC desktop ou notebook por meio de uma conexo USB (Universal Serial Bus) via cabo normal de 1,5 m ou por meio de

conversor de fibra tica com 15 m, eliminando assim qualquer perigo de induo neste. O equipamento FRAnalyzer mostrado na

Figura 2 sem seus conectores e cabos. Este sistema de teste inova em dois importantes aspectos: sua capacidade de eliminar induo

nas conexes por causa de seu sistema de conexes e o procedimento de avaliao das representaes grficas.

MEDIDAS DE IMPEDNCIA PELO MTODO FRSL

Com a medio da reatncia de disperso, podemos obter informaes sobre mudanas sofridas entre os canais de disperses,

devido s altas correntes de curto-circuito circulantes nos enrolamentos. As medies da reatncia de disperso so realizadas

durante o teste de curto circuito. Durante este teste, a relutncia encontrada pelo fluxo magntico determinada pelas

caractersticas do meio de conduo do fluxo magntico, pelo chamado canal de fuga ou canal de disperso. O canal de fuga ou de

disperso o espao confinado entre a superfcie interior do enrolamento interior, a superfcie exterior do enrolamento exterior e o

espao entre o jugo inferior e superior.

Quando ocorre uma distoro dos enrolamentos por conta de uma falha, as perdas aumentam devido s correntes induzidas. A

relutncia altera a trajetria do fluxo de disperso. Isto resulta na mudana do valor de impedncia de disperso medida.

Uma falha dessa natureza em um transformador difcil de ser diagnosticado sem alguns ensaios especficos. Utilizando o mtodo

FRSL (Frequency Response of Stray Losses), alm de ser um mtodo de fcil aplicao, este ensaio serve como indicador confivel da

distoro dos enrolamentos de transformadores e pode ser usado como complemento a outros ensaios especficos. Este mtodo

utiliza medidas com variao da frequncia. Neste trabalho, foram realizados testes variando a frequncia de 15 Hz a 400 Hz.

Segundo a estrutura da disposio dos enrolamentos sem a transposio da fiao, ocorrero perdas devido s correntes induzidas.

Para minimizar essas perdas, os fios so transpostos de forma a compens-las. Se esses condutores forem danificados ou sofrerem

um curto-circuito, ocorrer um aumento nas perdas do enrolamento. A Figura 3 ilustra o descrito.

O diagrama de equivalente da funo de transferncia pode ser visto na Figura 4, em que Rac(f) a parcela resistiva dependente da

frequncia.

Procedimentos e configurao de testes

Com uma excitao por fase, a impedncia de disperso de uma unidade trifsica pode ser medida por dois mtodos: o mtodo do

equivalente trifsico e o mtodo por fase. Neste trabalho, usaremos apenas o mtodo por fase. Executa-se um teste por cada fase,

conectando os terminais de teste do instrumento de medio 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 reatncia de disperso pode ser medida em uma faixa de frequncia de 15 Hz a 400

Hz, empregando uma fonte de tenso de 130 Vac ou uma fonte de corrente de 6 Aac. As medidas das tenses e correntes nos

enrolamentos so feitas no mesmo equipamento.

Exemplo de obteno dos resultados e anlise em transformador de 100 MVA

Com as medidas realizadas, de posse da tabela com as resistncias segundo a variao de frequncia, so montados os grficos

conforme o exemplo mostrado na Figura 5. A seguir mostrado um exemplo de ensaio realizado em um transformador de fora

230/69/13.8 kV, 100 MVA, em que foi comprovada a integridade do enrolamento de alta tenso pelo teste cujos resultados so

mostrados na Figura 7. Pode-se observar que as medidas para as trs fases tm o mesmo resultado.

Exemplo de obteno dos resultados e anlise com falta na fase C

A Figura 8 mostra um grfico evidenciando a descoberta de um problema no enrolamento da fase C. Pode-se notar, para frequncias

maiores, o desvio na fase C em relao s fases A e B. Entretanto, se forem observados os valores em torno de 50 Hz e 60 Hz no

existe nenhuma indicao 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 ocorrncia

de sobreaquecimento em dois locais em que a fiao transposta e onde agora se v um curto-circuito. A Figura 9 mostra o

enrolamento medido.

MEDIDA DE CAPACITNCIA E FATOR DE DISSIPAO COM VARIAO DE FREQUNCIA

As medidas da Capacitncia (C) e do Fator de Dissipao (FD) so um importante mtodo de diagnstico de isolamento. Esse

processo foi publicado por Schering em 1919 e utilizado para esse propsito pela primeira vez em 1924. Em um diagrama

simplificado do isolamento, Cp representa a capacitncia e Rp, as perdas. O fator dissipao definido como:

O sistema de teste utilizado neste trabalho usa um mtodo similar quele da ponte Schering. A principal diferena deste sistema e

os equipamentos similares no mercado que no necessita de ajustes para medio da capacitncia e do fator de dissipao; possui

um capacitor de referncia isolado a gs com perdas abaixo de 10-5.

Para uso em laboratrio, tais capacitores so regularmente utilizados para obter medies precisas, j que as condies climticas

so bem constantes. No o caso para medies em campo em que as temperaturas podem variar significativamente, causando

dilatao e contrao do eletrodo no capacitor de referncia. O sistema de teste utilizado leva todos esses fatores em considerao

e os compensa eletronicamente. Assim, possvel, pela primeira vez, realizar facilmente testes para fator de dissipao igual a 5 x

10-5 no campo.

Medies e avaliao do fator de dissipao em enrolamentos de transformador

Um transformador contm um complicado sistema de isolamento. Enrolamentos de alta e baixa tenso devem ser isolados do tanque

e do ncleo, da mesma forma que esses elementos tambm o so. Todos esses gaps de isolamento devem ser checados

regularmente. Normalmente em um transformador de potncia de dois enrolamentos, as medidas de capacitncia e do fator de

dissipao so realizadas para todos os isolamentos: AT para BT, AT para massa, BT para massa. muito mais complicado em um

transformador de trs enrolamentos e so necessrios mais testes para medir todos os intervalos.

O Fator de Dissipao (FD) um indicador da qualidade do isolamento leo-papel desses gaps. A degradao do leo, a quantidade

da gua e a contaminao com carbono e outras partculas podem aumentar o FD. Para isolamento de leo e papel em

transformadores de potncia novos e transformadores de boa qualidade, tm valores do FD abaixo de 0,5%. Este resultado

publicado pelas normas e por outras literaturas. A Tabela 1 mostra os valores registrados na IEEE Std. 62-1995.

Entretanto, para a correta avaliao do estado de isolamento, existe a necessidade da comparao com valores do histrico do

equipamento sob teste com a medida do FD feita em 60 Hz, alm da referncia de 0,5%. Devido ao fenmeno do efeito pelicular e

do efeito da polarizao do meio dieltrico diante da variao de freqncia, os resultados dos testes de fator de dissipao e

capacitncia geram grficos mostrando valores de referncia, uma "impresso digital" do transformador, importante para

comparaes futuras. Com a aplicao de variao de frequncia, o fator de dissipao em um transformador com o isolamento em

boas condies tende a aumentar, enquanto o valor de capacitncia deve se manter constante.

A Figura 10 mostra um transformador de 69 KV/20 MVA novo testado em fbrica. A Figura 11 traz o resultado do teste de fator de

dissipao de AT para BT, variando a frequncia.

O valor do FD para 60 Hz gira em torno de 0,15%. A caracterstica da curva FD nesta faixa de frequncia mostra o aumento de FD

com o aumento da frequncia, como o esperado, e deve ser mantida como registro de resultado para diagnstico futuro do

isolamento e sua degradao.

A seguir mostrado o resultado da comparao entre as trs fases com a medida de fator de potncia em trs reatores

ASEA/BROWN BOVERI, tipo RM46, fabricao 2002, potncia de 40,33 MVAr, tenso 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 tambm que a tendncia o aumento do fator de potncia com o aumento da frequncia, comprovando o descrito

anteriormente. Entretanto, registraram-se picos negativos e positivos exatamente com a frequncia de 60 Hz. Isto ocorreu devido

forte interferncia eletromagntica na medida, pois a instalao 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 no

levariam em considerao as condies reais do isolamento sob teste.

MEDIDA DE RESPOSTA EM FREQUNCIA

A anlise da resposta em frequncia realizada pelo estudo da variao com a frequncia do quociente entre dois fasores, em

amplitude e fase. Na variao da amplitude e da fase com a frequncia estar presente, a diferena de amplitude e o atraso de fase

devido configurao dos circuitos R-L-C que compem a estrutura do elemento testado. Este mtodo est baseado na suposio de

que qualquer deformao mecnica pode ser associada a uma mudana das impedncias do circuito equivalente e essas mudanas

podem ser detectadas por uma funo de transferncia.

Em essncia, o mtodo consiste na aplicao de um sinal senoidal de baixa tenso, por exemplo, 1 V, variando a frequncia do sinal

aplicado, de 10 Hz a 20 MHz. Em outro terminal, so medidos amplitude e ngulo do sinal da reposta correspondente ao sinal de

aplicado. Tais resultados so apresentados em forma grfica, segundo as medidas dos sinais de tenso e corrente de entrada e sada.

As representaes grficas das funes amplitude e fase da resposta em frequncia, em escala logartmica, designam-se por

diagramas de Bode de amplitude e de fase. Nos diagramas de Bode de amplitude, o eixo das frequncias (horizontal) representado

em escala logartmica, ao passo que, na escala vertical, representa-se a funo 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 funo transferncia de

tenso apresentando a relao entre o valor do sinal de tenso de sada e o sinal de tenso de entrada em funo da frequncia, ou

seja, Uo/Ui (f).

Outro importante resultado a representao grfica das impedncias prprias, apresentando a relao entre o sinal de tenso de

entrada e o sinal de corrente de entrada em funo da frequncia, obtendo-se a Funo Impedncia Ui/Ii (f) e a Funo Admitncia

Ii/Ui (f).

Ensaio de funo de transferncia

Neste ensaio, o sinal injetado na bobina de alta tenso, H1, sendo a medio feita na bobina de baixa tenso, x1, como indicado

no esquemtico da Figura 14, em que o cabo amarelo a injeo de sinal, o vermelho de tomada de sinal de referncia e o azul o de

medio. Os terminais opostos das bobinas so aterrados. Assim, so levantados os grficos de magnitude e defasagem da

impedncia do transformador em funo da frequncia. A funo de transferncia utilizada para o clculo da relao de

transformao (K) por meio de:

Ensaio de impedncia terminal

Para este ensaio no se utiliza o terceiro cabo, o de referncia. A injeo de sinal feita na bobina de alta tenso, H1, cabo

amarelo. A medio realizada na outra ponta da bobina de alta, H2, cabo azul, conforme a Figura 15.

Identificao curto-circuito e mudana de posio de enrolamento

Para este ensaio foi utilizado um transformador didtico de distribuio monofsico de 7,97 kV para 240 V, de 10 kVA. A Figura 16

mostra as conexes realizadas no transformador sob teste.

A Figura 17 exibe as assinaturas da funo de transferncia de H1 para X1. O trao em vermelho indica uma situao de enrolamento

normal. So tambm indicadas trs situaes de defeito: com X1 em curto para massa, e uma simulao de mudana na posio do

enrolamento inserindo capacitores entre X1 e a massa. Para uma capacitncia de 1 ?F, tem-se um pico de desvio em 10 kHz e um

afundamento em 125 kHz na funo de transferncia. 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 funo de transferncia.

A interpretao das caractersticas do mtodo da resposta em frequncia pode ser subjetiva quando a comparao das assinaturas se

d somente pela forma grfica. A utilizao de uma ferramenta que fornece uma referncia numrica ajuda a equipe de teste na

tomada de deciso, eliminando erros na anlise do resultado. Assim aumenta-se consideravelmente a confiabilidade do ensaio.

Alguns algoritmos so capazes de reconhecer mudanas de assinaturas de resposta em freqncia, entretanto, elas apresentam

diferentes sensibilidades para casos determinados. Uma possvel soluo seria a integrao de vrios algoritmos. Estudos ainda so

realizados para validar algoritmos adequados.

Identificao de defeito utilizando impedncia terminal

A seguir apresentado um resultado de teste de impedncia terminal em um autotransformador monofsico de 100 MVA 500

kV/230 kV/13,8 kV.

Neste teste evidenciado o defeito nos enrolamentos de alta e mdia tenso (500 kV e 230 kV, respectivamente). So gerados vrios

grficos para anlise. Como exemplo mostrado o teste antes e depois da ocorrncia falha para comparao Parte Real da

impedncia dos enrolamentos X0X1 de 230KV e y1y2 de 13,8 kV. Nota-se claramente que a caracterstica azul, antes da ocorrncia,

no se repete para o enrolamento X0X1. Na comparao para o enrolamento y1y2, pode-se notar que a caracterstica em vermelho,

ou seja, depois da ocorrncia da falha, pouco difere da caracterstica inicial.