Revisão das normas IEEE, CIGRE e IEC para testes de transformadores de potência, incluindo visão geral de várias técnicas de análise de resposta de frequência (FRA).
Fabricantes de transformadores e operadores sempre beneficiaram quando novas tecnologias são aplicadas durante um projecto, fabrico, comissionamento e/ ou processos operacionais dado que estas melhoram a qualidade e a confiabilidade dos aparelhos eléctricos.
À medida que os avanços tecnológicos e as novas metodologias de teste se tornam mais prontamente disponíveis faz sentido que nos perguntemos como podemos acompanhar esta avalanche de novas e promissoras alternativas, que à primeira vista, parecem resolver todos os problemas de diagnóstico. Uma delas é seguir as actividades das instituições reguladoras nacionais e internacionais - IEEE, NETA, CIGRE e IEC são as melhores referências nesta área.
Norma IEEE C57.152-2013
A IEEE é a maior associação profissional do mundo dedicada ao avanço da inovação tecnológica e à excelência para o benefício da humanidade. O Comité de Transformadores IEEE reuniu-se em Dallas, nos EUA, em 2007 para rever o guia de testes de rotina em campo, IEEE 62 existente - Guia para o Diagnóstico em campo de Aparelhos de Potência Eléctrica - transformadores de potência a óleo, reguladores e reactores (R2005).
Na altura, um grande número de testes, entre testes mais antigos e testes mais modernos, foram utilizados em campo, mas não estavam abrangidos pela norma IEEE 62. Tornava-se lógico criar um guia novo ou revisto com base na norma C57 que já continha outras directrizes relacionadas com transformadores e verificadas pelo Comité de Transformadores da IEEE.
O novo guia para o diagnóstico de transformadores de potência, reguladores e reactores foi aprovado pela RevComm em 2013. O grupo de trabalho liderado por Jane Verner (Presidente) e apoiado por muitos membros da IEEE, dedicou longas horas para rever e acrescentar metodologias ao novo guia.
A comparação entre o IEEE 62 e o IEEE C57.152 traz algo mais para esta discussão. O novo gráfico de diagnóstico de teste complementa o antigo, mantendo as práticas existentes e adicionando métodos não considerados anteriormente. Uma análise comparativa mostra que as seguintes metodologias foram adicionadas ao novo guia: Enrolamentos - Análise de resposta de freqüência (FRA); Líquido isolante - Análise de furano e de enxofre corrosivo; e transformadores de corrente - Racio, polaridade e resistência.
O Guia IEEE C57.152 (Capítulo 5) também considerou a importância de fornecer um gráfico de manutenção onde o utilizador final pode seleccionar as práticas de teste recomendadas (REC), conforme for necessário (AN), fazendo opções (OPT) em função das diferentes etapas durante a vida útil do transformador: comissionamento, em serviço, após trip na protecção devido a falha do sistema ou após trip na protecção devido a falha interna. Neste gráfico, a tensão induzida e a resposta de freqüência dieléctrica (DFR) são indicadas como técnicas opcionais.
Além de serem indicadas mais metodologias de teste nos novos gráficos de manutenção e diagnóstico, também se incluem novos anexos desenvolvidos para complementar o guia:
- Anexo D (informativo) Teste dew point
- Anexo E (informativo) Análise de furano
- Anexo F (informativo) Análise de resposta de frequência (guia publicado IEEE C57.149)
- Anexo G (informativo) Resposta de freqüência dieléctrica (guia de desenvolvimento IEEE PC57.161)
- Anexo H (informativo) Outros métodos para verificar a polaridade de anteriores revisões ao guia de teste de campo
- Anexo I (informativo) Contagem de partículas
- Anexo J (informativo) Bibliografia
Apenas informações gerais sobre FRA e DFR foram incluídas nos anexos F e G porque quando o Guia C57.152 estava quase a ser publicado haviam outros grupos de trabalho a desenvolver directrizes específicas para estas técnicas de diagnóstico. Técnicas de resposta de freqüência são usadas em campo há mais de 20 anos. Investigadores de todo o mundo descobriram que as técnicas de diagnóstico SFRA e DFR são úteis não apenas em diagnósticos de transformadores, mas também no teste de outros aparelhos eléctricos.
CIGRE
O guia CIGRE 445 é o guia para a manutenção de transformadores, fornecendo uma matriz de diagnósticos onde uma linha é desenhada para diferenciar testes eléctricos básicos de testes eléctricos avançados. Técnicas de resposta de freqüência em domínios de tempo e frequência são agrupados em conjunto com testes de descarga parcial (PD) como técnicas avançadas de diagnóstico eléctrico.
O CIGRE foi pioneiro na publicação de directrizes dedicadas aos métodos de resposta de frequência. Em 2008, o CIGRE publicou a brochura técnica 342 - Avaliação da condição mecânica dos enrolamentos do transformador, usando a análise de resposta de freqüência (FRA). Esta brochura é uma excelente referência aos princípios da FRA, sugerindo as melhores práticas na realização de medições repetíveis e como orientação na interpretação dos resultados.
Em 2010, o CIGRE também empreendeu um grande projecto na investigação da resposta de freqüência dos componentes dieléctricos dentro do transformador, publicando o folheto técnico 414 - Diagnóstico de resposta dieléctrica para enrolamentos de transformadores. O documento do CIGRE descreve de forma aprofundada o modelo de resposta dieléctrica do transformador, as melhores práticas de teste e orientações para a interpretação dos resultados.
IEC
Preparado pelo comité técnico 14, as normas IEC 60046 abrangem áreas técnicas relacionadas com os transformadores. A Norma IEC 60046-1 (2011) é a última revisão disponível para transformadores de potência e a Norma IEC 60046-18 Ed. 1 (2012) aborda a metodologia, melhores práticas e requisitos mínimos para equipamentos de medição e formatação de dados resultantes do teste SFRA.
A Norma IEC 60046-18 também inclui vários anexos. O anexo A cobre as conexões do cabo de medição. O anexo B abrange os factores que influenciam as medições de FRA, incluindo a magnetização residual, uso de líquidos diferentes e o nível de líquido, temperatura e outros. Inclui ainda alguns exemplos de danos confirmados nos enrolamentos detectados pelo teste FRA. O anexo C abrange as aplicações da FRA e o Anexo D fornece exemplos de configurações de medição.
Diagnóstico avançado do transformador através de técnicas de resposta de ferquência
Os objectivos e o escopo de cada método de resposta de freqüência deve ser entendido antes de ser escolhido para a aplicação apropriada.
A análise de resposta de frequência (SFRA) é um teste comparativo que avalia a condição electromecânica do transformador. Desvios entre respostas de frequência indicam mudanças mecânicas e/ ou eléctricas na parte activa de um transformador.
A resposta de frequência dieclétrica (DFR) ou frequência espectroscopia de domínio (FDS) testa a condição geral do isolamento do transformador, identificando:
- A percentagem de concentração de humidade no isolamento sólido;
- A conductividade ou o factor de dissipação do isolamento de líquido corrigido a 25 ° C;
- O comportamento térmico dos parâmetros dieléctricos para frequências específicas, determinando com precisão a correcção do factor de potência/ factor de dissipação não com base em factores de correcção da tabela, mas na resposta dieléctrica individual da unidade em teste (UUT);
- A presença de contaminantes que podem criar uma distorção da resposta dieléctrica (também chamada resposta dieléctrica não típica).
Um olhar mais profundo sobre cada técnica é útil para entender as suas vantagens.
Análise de resposta de frequência de varredura
Segundo a teoria de controlo, o comportamento de uma única entrada, sistema de saída único (SISO) pode ser descrito como uma resposta ao impulso h (t) ou a sua função de transferência H (jw) (Figura 1).
Figura 1: SISO - Representação de uma função de transferência em termos de tempo e frequência
No caso de transformadores de potência, a estrutura do enrolamento pode ser representada na linguagem eléctrica por um circuito complexo RLC com séries múltiplas e combinações paralelas destes componentes (Figura 2).
Figura 2: Diagrama simplificado da configuração dos enrolamentos
O sinal de entrada CA aplicado a uma extremidade do enrolamento numa frequência específica passa pelo circuito eléctrico complexo do enrolamento e a tensão de saída é medida em magnitude e fase no outro extremo.
A frequência varia entre 20Hz e 2MHz. Normalmente, um limite superior de 2 MHz é suficiente para que os transformadores tenham energia e uma resposta clara e repetitiva do circuito magnético possa ser obtida a partir de 20Hz e até aproximadamente 2kHz, dependendo do transformador. As Normas IEEE e IEC estabeleceram limites na resposta de frequência para identificar diferentes secções do transformador (Figura 3).
Figura 3: Análse de resposta de frequência - IEEE C57.149
A medição SFRA fornece uma imagem muito clara da construção eletromecânica, mas a interpretação pode sempre ser validada com um teste adicional. O gráfico abaixo mostra a correlação de SFRA com outras práticas de teste.
Resposta de frequência dieléctrica
Esta técnica já é usada por muitas utilities e por fabricantes de transformadores que beneficiaram largamente da vasta quantidade de informações reunidas a partir da resposta dieléctrica única e individual do isolamento do transformador.
O procedimento de teste é bastante semelhante ao aplicado para o teste do factor de potência ou do factor de dissipação. A principal diferença é a banda larga de frequências utilizada pelo DFR - tipicamente de 1kHz até 1mHz. O teste é realizado em baixa tensão (200Vp) para teste de transformadores. Para ambientes com alta interferência, um amplificador de tensão aumenta o racio sinal-ruído. O uso de um amplificador de tensão é fundamental para a análise de buchas e transformadores de instrumentos.
Num transformador de dois enrolamentos, o DFR pode analisar as seguintes áreas de isolamento:
- CHL - capacitância entre enrolamentos HV e LV (isto é, capacitância de interligação);
- CHG - capacitância entre enrolamento HV e chão;
- CLG - capacitância entre LV e terra;
- Buchas de capacitância C1 e C2, mas somente se o teste torneira está disponível na bucha;
- Apenas amostra de óleo DFR.
Figura 5: DFR de um transformador com isolamento liquído-papel (X=20, Y=20, %mc=1%, s=1E-13 pS/m, T=20°C)
A resposta dieléctrica fornece uma compreensão profunda do sistema de isolamento e permite a diferenciação entre a condição do isolamento líquido versus a condição do isolamento sólido.
Um exemplo dum transformador em excelente estado é apresentado na Figura 5. A humidade no isolamento sólido é de apenas 1%, e a condutividade do óleo é 1x10-13 [S / m]. A temperatura do sistema de isolamento neste exemplo é 20 ° C.
Para interpretar os resultados do DFR, o modelo XY explica a relação entre o isolamento sólido, o isolamento líquido e a geometria do sistema. O modelo XY é bem descrito no CIGRE 414.
Seguindo o modelo XY e usando matemática para fazer coincidir as leituras com as realizadas num banco de dados , os utilizadores podem determinar a concentração de humidade no isolamento sólido e na condutividade do isolamento líquido.
O método DFR continua a evoluir. Parte dessa evolução é a implementação de um sistema de medição multi-frequência capaz de reduzir o tempo de teste em quase 40% apenas no domínio da frequência. O tempo de teste é crítico para os utilizadores finais. Os profissionais que realizam os testes devem estar cientes das melhores práticas de teste, tais como a estabilidade térmica e, de preferência, temperaturas de isolamento não muito frias em que, inevitavelmente, o prolongamento do tempo de teste seria feito em temperaturas muito baixas.
O efeito térmico muda a resposta dieléctrica para frequências mais altas a temperaturas mais altas e frequências mais baixas a temperaturas mais baixas. Este fenómeno levou a outra aplicação: a identificação do comportamento térmico dos parâmetros dieléctricos como factor de potência e factor de dissipação. Dito de outra forma, o DFR abriu as portas para que se fizesse a transição do domínio da frequência para o domínio da temperatura do sistema de isolamento, inclusive usando-o para uma correcção precisa da temperatura individual dos valores do factor de potência ou além dela para valores de referência a 20 ° C ou a quaisquer outras temperaturas entre 5 e 60 ° C com precisão muito elevada.
Conclusões
À medida que novas técnicas de teste são desenvolvidas, a comunidade deve compreender os benefícios e as limitações dessas mesmas técnicas.
Os comités internacionais passam por um processo que pode levar vários anos até que um novo guia seja criado e publicado. Esta é a única maneira de compilar num documento o conhecimento e experiência de toda a comunidade técnica envolvida nesta actividade.
A SFRA é uma das ferramentas mais importantes para diagnosticar problemas mecânicos potenciais nos enrolamentos do transformador. O DFR está a ganhar claramente mais importância nas utilities, fornecendo uma visão geral completa do sistema dieléctrico dentro do transformador e, dessa forma, permitindo que os utilziadores finais identifiquem os problemas decorrentes da contaminação da água no isolamento sólido ou decorrentes da alta condutividade no isolamento líquido.
AUTOR: Diego M. Robalino, P h D , P M P, MEGGER-AVO Training Institute