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Medidas de Impedância de Curto Circuito e Reatância de Dispersão com Variação de Frequência em Transformadores de Potência
Resumo
Os transformadores são submetidos as mais diversas solicitações durante sua vida útil. O tempo de interrupção do fornecimento de energia é resultado direto da gravidade da ocorrência quando ocorrem falhas nos transformadores. Deste modo, o conhecimento adequado de alguns sintomas, suas causas e efeitos são de suma importância, pois permite evitar a evolução de problemas indesejáveis com prejuízos financeiros elevados. As principais avarias dizem respeito a deformações dos enrolamentos sejam por má compactação das bobinas, ou deformações causada por estresses de origem elétrica, térmica, mecânica e química, que podem levar a falhas graves com a indisponibilidade do equipamento, ou mesmo falhas conseqüentes de curtos circuitos no sistema elétrico de potência. A medida da impedância de curto circuito é feita como parte do testes de tipo e rotina na fábrica. Este trabalho propõe a utilização desta medida como método a ser utilizado para diagnosticar o estado dos enrolamentos, agregado ao programa de manutenção do equipamento. Dessa forma, devemos incorporar além do ensaio de Impedância de Curto Circuito, a medida de Reatância de Dispersão nos programas de manutenções periódicas de transformadores.
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Os transformadores de potência são equipamentos muito importantes nos sistemas elétricos de potência, por isso, a retirada não planejada de operação destes equipamentos, decorrente de falhas, além de causar uma longa interrupção no fornecimento de energia elétrica, com a conseqüente perda de confiabilidade, ocasiona grandes prejuízos para as empresas do setor elétrico. Estes prejuízos referem-se aos danos ao equipamento em si e às conseqüências operacionais que independente da intensidade da falha ocorrida, da demora na reposição do equipamento e da interrupção do fornecimento de energia, trarão conseqüências sociais incalculáveis com custos para os consumidores, além de trazer grandes prejuízos a empresa de energia elétrica, com o pagamento de Parcela Variável em vigor.
Durante o regime normal de operação do transformador, é de vital importância a detecção precoce de todo processo que pode levar a uma falta iminente na sua isolação elétrica, pois esta fica sujeita a vários tipos de estresses.
Os mais importantes que podem ser destacados são os de origem elétrica, térmica, mecânica e química. Estes estresses podem surgir separadamente, ou simultaneamente, levando à deterioração irreversível das várias características da isolação.
Por estes motivos, diversas técnicas de monitoramento e detecção de faltas incipientes em transformadores de potência têm sido estudadas e implementadas nos últimos anos, com a finalidade de evitar a ocorrência de falhas ou mitigar seus efeitos.
Os transformadores de potência são equipamentos muito confiáveis, com vida útil média entre 25 e 35 anos.
Na prática, com programas de manutenção adequados, a vida útil pode chegar até 50 anos ou mais. Com o aumento da idade dos transformadores, suas condições internas se alteram, degradando-se paulatinamente, aumentando bastante o risco de ocorrência de falhas. As falhas em transformadores de potência geralmente são provocadas por condições severas, como transitórios de chaveamentos, curtos circuitos, condições atmosféricas adversas (raios) ou outros acidentes.
Quando o transformador é novo, ele possui rigidez dielétrica e mecânica suficiente para suportar condições
não usuais de operação do sistema, mas com o passar dos anos ou ocorrência de eventos no sistema, a
isolação do equipamento sofre gradativa degradação, até o ponto em que o transformador é incapaz de
suportar eventos, como curtos-circuitos e sobretensões transitórias.
Impedância de Curto Circuito e Reatância de Dispersão
É uma técnica de diagnóstico sensível a alterações das características elétricas dos enrolamentos oriundas de vários tipos de eventos que podem ser elétricos, térmicos, mecânicos ou químicos. O teste em campo é não destrutivo e pode ser usado por si só para detectar danos (deformação ou deslocamento) dos enrolamentos após a ocorrência de eventos tais como curto circuitos, operação próxima a ambientes sujeitos às descargas elétricas (raios), outros surtos, transporte do transformador ou como complemento a outros testes tais como: capacitância e fator de dissipação do isolamento dos enrolamentos, análise de resposta em freqüência e análise cromatográfica de gases dissolvidos no óleo isolante.
A técnica consiste na aplicação de um sinal de tensão ou de corrente numa das extremidades de um enrolamento e a medição do efeito dessa excitação na outra extremidade deste mesmo enrolamento, curto circuitando o enrolamento correspondente a fase, conforme o diagrama fasorial determinado pelas conexões do fechamento do transformador. A figura 1 mostra o exemplo da conexão para teste por fase em um transformador trifásico delta-estrela.
A medição da impedância de curto circuito é feita como parte dos testes realizados na fábrica, antes do equipamento ser enviado para o cliente. A reatância de dispersão pode ser calculada a partir da impedância de curto circuito. A diferença entre a relação de dispersão medida nas três fases deve estar dentro dos 3% do valor calculado, a partir do teste em fábrica da impedância de curto circuito. Entretanto, a porcentagem da impedância de curto circuito não deve variar mais que 1% a partir dos resultados medidos do equipamento
em boa condição.
Com a medida das impedâncias no teste apresentado pode-se obter informações sobre deslocamentos dos enrolamentos, alterações das distâncias entre os enrolamentos e entre os enrolamentos e núcleo magnético.
O teste da reatância de dispersão é realizado com um curto circuito no enrolamento de baixa tensão, e aplicando uma tensão teste nos enrolamentos de alta tensão. Esse procedimento é adotado para minimizar os
efeitos da reatância de magnetização [5]. Alterações observadas na reatância de dispersão servem para indicação de movimento das bobinas e problemas estruturais (cunha deslocada, empeno, etc.). Este teste não substitui testes de corrente de excitação ou testes de capacitância, porém os complementam nas informações de diagnóstico e são freqüentemente utilizados em conjunto.
O teste de corrente de excitação conta com a relutância magnética do núcleo enquanto o teste de reatância de dispersão implica a relutância magnética do canal de dispersão entre os enrolamentos.
Consequência de Falha no Sistema de Potência
Quando um sistema de potência sofre uma condição de curto-circuito, a corrente gerada no evento é normalmente elevada. Nesta condição esta corrente flui através dos enrolamentos dos transformadores de força gerando forças mecânicas extremamente altas.
A corrente de curto-circuito é a maior fonte de deslocamentos mecânicos e conseqüentemente de falhas de transformadores. Esta corrente ao fluir pelos enrolamentos do transformador cria um campo eletromagnético dentro e ao redor dos enrolamentos, que geram forças de acordo como a Figura 3.
Essas forças atuam radialmente para fora nos enrolamento externos e radialmente para dentro nos enrolamentos internos. Desta forma tendem a separar os enrolamentos de baixa tensão dos enrolamentos de alta tensão. Os enrolamentos de baixa tensão são empurrados na direção do núcleo. O enrolamento de alta tensão é esmagado sobre si mesmo.
As deformações sofridas pelos enrolamentos devido às forças que atua neles podem afetar a trajetória do fluxo de dispersão, as quais por sua vez podem dar como resultado uma mudança na reatância de dispersão
medida.
Correlação entre Faltas e Parâmetros de Transformadores de Potência
Um transformador, ao sofrer uma falta grave, é possível que haja alteração nos seus parâmetros físicos, principalmente capacitâncias e indutâncias.
Um modelo proposto por ISLAM [2] pode ser utilizado para entendermos melhor os principais parâmetros que compõe o enrolamento de transformadores de potência. A Figura 4 mostra o modelo proposto com os componentes do circuito.
Onde:
Cs – Capacitância Série
Cg – Capacitância Shunt ou geométrica
L – Indutância própria e mútua
R – Resistência de entrada e saída do instrumento de teste
Cb – Capacitância das Buchas
V – Sinal de Excitação do instrumento de teste.
As capacitâncias paralelas são supostas como distribuídas uniformemente ao longo do enrolamento de interesse. As capacitâncias séries são encontradas no interior de cada enrolamento, entre espiras, discos, camadas e entre bobinas individuais. As indutâncias próprias e mútuas do enrolamento são indutâncias formadas parcialmente pelas indutâncias entre condutores (espiras), indutâncias entre bobinas, indutâncias
entre enrolamentos e entre enrolamentos e tanque [3].
Como mencionado anteriormente, o transformador ao sofrer uma falta, seja de natureza elétrica ou mecânica,
pode modificar significativamente seus parâmetros. A tabela 1 mostra os principais parâmetros que são modificados devido a algumas faltas de natureza elétrica e mecânica [2], [3] e [4].
Medidas de Impedância pelo Método FRSL
Com a medição da reatância de dispersão, podemos obter informações sobre mudanças sofridas entre os canais de dispersões, devido às altas correntes de curto circuito circulantes nos enrolamentos.
As medições da reatância de dispersão são realizadas durante o teste de curto circuito. Durante este teste a relutância encontrada pelo fluxo magnético é determinada pelas características do meio de condução do fluxo magnético, pelo chamado canal de fuga ou canal de dispersão. O canal de fuga ou de dispersão é o espaço confinado entre a superfície interior do enrolamento interior, a superfície exterior do enrolamento exterior, e o espaço entre o jugo inferior e superior.
Quando ocorre uma distorção dos enrolamentos devido a uma falha, as perdas aumentam devido as correntes
induzidas e a relutância altera a trajetória do fluxo de dispersão. Isto resulta na mudança do valor de impedância de dispersão medida.
Uma falha dessa natureza num transformador é difícil de ser diagnosticado sem alguns ensaios específicos, mas com o método FRSL (Frequency Response of Stray Losses) de análise, além de ser um método de fácil aplicação, o ensaio serve como indicador confiável da distorção dos enrolamentos de transformadores e pode
ser usado como complemento a outros ensaios específicos. Este método utiliza medidas com variação da freqüência. Neste trabalho foram realizados testes variando a freqüência de 15 Hz à 400 Hz.
Segundo a estrutura da disposição dos enrolamentos sem a transposição da fiação, ocorrerão perdas devido as corrente induzidas. Para minimizas essas perdas, os fios são transpostos de forma a compensar as corrente induzidas. Se esses condutores forem danificados ou sofrerem um curto-circuito, ocorrerá um aumento nas perdas do enrolamento. A figura 5 ilustra o descrito.
O diagrama de equivalente da função de transferência pode ser visto na figura 6, onde Rac(f) é a parcela resistiva dependente da freqüência.
Procedimentos e Configuração de Testes
Com uma excitação por fase, a impedância de dispersão de uma unidade trifásica, pode ser medida por dois métodos: o método do equivalente trifásico e o método por fase. Neste trabalho usaremos apenas o método por fase.
Executa-se um teste por cada fase, conectando os terminais de teste do instrumento de medição 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 8.
Usando um sistema de teste multifuncional, a reatância de dispersão pode ser medida em uma faixa de freqüência de 15 a 400 Hz utilizando-se uma fonte de tensão de 130 Vac ou uma fonte de corrente de 6 Aac.
As medidas das tensões e correntes nos enrolamentos são feitos no mesmo equipamento.
Exemplo de obtenção dos resultados e análise em transformador de 100MVA
Com as medidas realizadas, de posse da tabela com as resistências segundo a variação de freqüência, são montados os gráficos segundo o exemplo mostrado na figura 7. A seguir é mostrado um exemplo de ensaio realizado em um Transformador de Força 230/69/13.8kV, 100MVA, onde foi comprovada a integridade do enrolamento de alta tensão pelo teste cujos resultados são mostrados na figura 9.
Pode-se observar que as medidas para as três fases têm o mesmo resultado.
Exemplo de obtenção dos resultados e análise com falta na fase C
A figura 10 mostra um gráfico evidenciando a descoberta de um problema no enrolamento da fase C. Podese notar, para freqüências maiores, o desvio na fase C em relação as fases A e B. Entretanto, se forem observados os valores em torno de 50 e 60 Hz não existe nenhum indicação de defeito ou ocorrência de qualquer anormalidade.
No entanto, de acordo com o registrado no procedimento proposto e depois de inspecionar o defeito da fase
C, tem-se a ocorrência de sobreaquecimento em dois locais onde a fiação é transposta e onde agora se vê um curto circuito. A figura 11 mostra o enrolamento medido.
Considerações Finais
É recomendável realizar o ensaio de impedância do lado de maior tensão para minimiza os efeitos da reatância de magnetização;
Se o teste for executado do lado da tensão mais baixa, porém, com a mesma tensão que seria
aplicada ao lado de alta, uma corrente maior circulará exigindo uma potência maior da fonte;
Com o Instrumento multifuncional usado é possível executar o ensaio de ambos os lados;
Enrolamentos normais demonstram, aproximadamente, um valor de reatância constante nesta faixa de freqüência.
Referências
M. E. C. Paulino, M. Krüger, “Dianóstico de Transformadores – a Experiência Prática utilizando Métodos Simples com Medida de Resistência de Enrolamento, Testes do Comutador sob Carga, de Relação, da Reatância de Dispersão, da Capacitância e da Medida de Fator de Dissipação”. Anais do SENDI 2004 – XVI Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica , Brasília, DF, Brasil, 2004.>
ISLAM, S. M. Detection of Shorted Turns and Winding Movements in Large Power Transformers Using Frequency Response Analysis. In: IEEE POWER ENGINEERING SOCIETY WINTER MEETING. [S.1], v. 3, p. 2233-2238, 2000.
HERSZTERG, K. S. Desenvolvimento de um Modelo Matemático para Enrolamentos de Transformadores: Uma Abordagem Analítica da Resposta em Freqüência. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – COPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2004.
RYDER, S. Diagnosing Transformer Faults Using Frequency Response Analysis. IEEE Electrical Insulation Magazine, v. 19 n. 2, p. 16-22, 2003.
LACHMAN, M. F. Doble Engineering, Y. N. Shafir, ZTZ Service Company, “Low Voltage Single- Phase Leakage Reactance Measuremente on Transformers – Influence of Magnetizing Reactance, Parte II”.
Manual de Referência CPTD1- CPC100TD1.PR.1 – OMICRON electronics GmbH.