ESTUDOS SOBRE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA: PARTE I

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1 ESTUDOS SOBRE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA: PARTE I MARQUES, ANDRÉ PEREIRA 1 ; MOURA, Nicolas Kemerich; AZEVEDO, Cláudio Henrique Bezerra; SANTOS, José Augusto Lopes; BRITO, Leonardo da Cunha; GUIMARÃES, Iara L. Barbosa; SILVA, Tiago H. Vivas; RIBEIRO, Cacilda de Jesus Palavras-chave: descargas parciais, interrupções, manutenção preventiva, transformador de potência Introdução Os transformadores de potência representam uma parte significativa dos investimentos referentes à implantação do sistema elétrico (MARQUES et al, 2015). Dessa forma, o seu desempenho operacional deve ser monitorado de forma eficiente, pois um defeito ou uma falha pode levar à perda total do transformador de potência, com consequências prejudicais e relevantes, tanto para as concessionárias, quanto para os consumidores de energia elétrica. Dentre as diferentes técnicas preditivas, destaca-se neste trabalho, o ensaio de detecção de descargas parciais que, quando associada a outras, como a análise de gases dissolvidos em óleo (cromatografia), proporcionam eficiência às manutenções preventivas nestes equipamentos e, consequentemente, a diminuição de interrupções no sistema elétrico (SIKORSKI et al, 2012). Justificativa Neste trabalho foi desenvolvido um programa computacional denominado Gerenciador de Interrupções em Transformadores de Potência (GITP), provido de um banco de dados que se justifica pela importância de se armazenar informações sobre características construtivas, características elétricas e ocorrências de falhas e/ou defeitos, possibilitando a realização de estudos estatísticos acurados. O levantamento quantitativo e qualitativo de interrupções permite análises conclusivas sobre os fatores que contribuíram para seu acontecimento e quais as probabilidades 1 Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação/UFG, IFG, e CELG D andre.pm@celg.com.br Este trabalho teve apoio financeiro da ANEEL, por meio do Projeto de P&D321 da CELG com a EMC/UFG.

2 de que elas se repitam. Além disso, fornece uma base de informações que subsidia o planejamento, estudos e ações da área de engenharia de manutenção. Complementando, e visando melhorias nas análises de resultados de técnicas preditivas, houve a necessidade de se desenvolver também um sistema para simulações de ensaios em laboratório, com modelos aproximados que possibilitam representar artificialmente defeitos em equipamentos, auxiliando na identificação de padrões de descargas parciais, podendo-se comparar com estudos reais realizados em campo, em subestações de energia elétrica. Objetivos Os objetivos deste trabalho são: a) analisar as estatísticas de interrupções no sistema elétrico devido a transformadores de potência, em um período de 36 anos (1979 a 2015), da concessionária de energia elétrica CELG D, como estudo de caso; e b) apresentar o desenvolvimento de um Kit de Simulação de Descargas Parciais em Transformadores de Potência (denominado KSDP). Cabe ressaltar que o KSDP possui características diferenciadas e proporciona: a) análise dos fenômenos correlacionados, agregando conhecimentos, e visando simular descargas parciais em equipamentos elétricos, em laboratório; e b) recursos de estudos nesta área de pesquisa, viabilizando o treinamento de equipes de campo para a realização de práticas seguras desses ensaios. Metodologia A metodologia empregada neste projeto de pesquisa baseou-se em desenvolver: a) um software com um banco de dados, permitindo a análise estatística ao longo dos anos e os cálculos de interrupções, defeitos e falhas nos transformadores de potência; e b) um sistema de simulação de ensaio de detecção descargas parciais em laboratório (denominado de KSDP). Quatro ensaios de simulação de descargas parciais foram realizados em seis posições diferentes dos eletrodos, de acordo com a norma técnica (ABNT, 2008). A tensão elétrica (alternada, 60 Hz) foi aumentada gradativamente, numa taxa de 500 V/s até 40 kv, por meio de um Hipot (com capacidade de até 150 kv), e permaneceu aplicada por 60 s para a geração de descargas parciais no centelhador.

3 Resultados Uma síntese das estatísticas referentes a interrupções em transformadores e autotransformadores de potência, em função de ocorrência nestes equipamentos, escalonadas por tensão nominal, com base nos dados extraídos do software GITP e do SAP (Sistema de Gestão Integrada) da empresa CELG D, no período de 1979 até março de 2015, é apresentada a seguir: a) Os componentes que apresentaram maior número de interrupções no período analisado foram: enrolamentos (43,56%), buchas (13,29%) e comutadores CDC e CDST (totalizando 17,59%), conforme ilustra a Figura 1. Figura 1 - Interrupções em transformadores e autotransformadores versus componentes. b) Observou-se que a quantidade de interrupções em equipamentos com tensão de 34,5 kv é maior que nas demais, em função da quantidade total desses equipamentos de 34,5 kv (7.503) ser maior que: o dobro da quantidade de transformadores de 69 kv (2.816); e o quádruplo da quantidade de transformadores de 138 kv (1.664), corroborando as taxas de interrupções por ano e por tensão nominal mostradas na Figura 2. O projeto do KSDP é ilustrado na Figura 3, sendo as dimensões externas do tanque do Kit de Simulação de Descargas Parciais de: 933 mm de comprimento; 593 mm de altura; e 334 mm de largura.

4 Figura 2 - Taxas de interrupções em transformadores por ano e por tensão nominal. No projeto do KSDP foram incluídos: termômetros para o monitoramento do óleo; um centelhador com eletrodos do tipo agulha; as bobinas correspondentes às de alta tensão (AT) e às de baixa tensão (BT) de um transformador de potência trifásico, construídas com materiais específicos, representando os obstáculos internos de equipamentos reais; uma resistência elétrica para permitir variação de temperatura do óleo; e um sistema para determinação de coordenadas x, y e z dos pontos de simulação de defeitos. KSDP Bobinas de AT e de BT Resistência elétrica Visualização da ocorrência de DPs Figura 3. Ensaio com o KSDP, com alta tensão aplicada e variando a temperatura.

5 Conclusões A expectativa de vida útil estimada para transformadores de potência é usualmente de 30 anos. Porém, observou-se neste estudo que há equipamentos em operação com idades superiores a esta estimativa. Este fato, juntamente com os valores das taxas de ocorrências que estão reduzindo com o tempo, mostra uma consequência direta do uso das técnicas de manutenção preditiva aplicadas nos transformadores de potência implementadas na empresa. Cabe ressaltar que o KSDP é um equipamento de baixo custo e eficiente para as simulações de ensaios de DPs pelo método de emissão acústica em laboratório. Embora constatado que não há correlação muito precisa entre a localização das fontes de DPs geradas e a localização dos sinais obtidos, devido a diferentes fatores como heterogeneidade de materiais, reflexões em obstáculos, e propagação acústica no tanque do modelo do transformador, tem-se que: a) o ruído total foi detectado satisfatoriamente no sistema de aquisição utilizado; e b) o algoritmo de análise apresentou a identificação da região espacial de ocorrência de ruídos totais e de DPs, conforme esperado. Portanto, conclui-se que este trabalho contribuiu com as análises (atualizadas) sobre as interrupções em transformadores de potência, visando redução da quantidade e dos custos com as manutenções não programadas. Assim, justifica-se técnica e economicamente, os investimentos em melhorias dos diagnósticos nesses equipamentos, visando melhor desempenho e preservação da vida útil deles. Referências Marques, A.P; Sousa, F. R. C; Brito, L. C; RIBEIRO, C. J; Azevedo, C.H.B; Santos, J.A.L. A Mathematical Contribution to the Analysis of Moisture Migration in Power Transformer Oil-Paper Insulation Systems. In: 10 th IEEE International Symposium on Diagnostic for Electric Machines, Power Electronics and Drives - SDEMPED 2015 IEEE. Guarda, Portugal, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT. NBR Ensaio não destrutivo - Emissão acústica - Detecção e localização de descargas parciais e anomalias térmicas e mecânicas (DPATM) em transformadores de potência e reatores isolados a óleo. Rio de Janeiro, SIKORSKI, W; Siodla, K; Moranda, H; Ziomek, W. Location of Partial Discharge Sources in Power Transformers Based on Advanced Auscultatory Technique. In: IEEE Transactions On Dielectrics And Electrical Insulation. Dec, Vol.19(6), pp , 2012.