III Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica

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1 Localização de defeitos internos em transformadores de Potência por meio de sensores piezoelétricos Guilherme Augusto Marabezzi Clerice Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Unesp Bauru Prof. Dr. José Alfredo Covolan Ulson Orientador Depto de Engenharia Elétrica Unesp Bauru RESUMO Os Transformadores de potência são equipamentos importantes no sistema elétrico, utilizados para abaixar a amplitude da tensão de entrada e obter uma tensão de saída (primária e secundária), fazendo a conexão entre os geradores e as sub-estações de energia elétrica. A manutenção preventiva em transformadores abrange, basicamente, a realização de análises do óleo isolante e testes nos componentes que compõem o transformador. As degradações em transformadores são ocasionadas por diversos fenômenos ou por seu desgaste ao longo período de funcionamento. Embora os transformadores não apresentem peças móveis, podem ser danificados por variações de tensão, vibrações, temperatura e outros agravantes. A análise do óleo é o principal e mais utilizado método de avaliação das condições de um transformador, dado a simplicidade no procedimento de coleta de dados, o baixo custo e a facilidade em diagnosticar diversos tipos de avarias. Várias falhas acontecem nos transformadores: Deterioração dos materiais isolantes também são comuns tais quais, deformação mecânica dos enrolamentos por esforços de curto-circuito, sobretensões, sobretensões temporais, sobretensões de manobra, sobretensões transitórias, sobretensão de descargas atmosféricas dentre outras falhas. A localização de falhas internas nos transformadores de distribuição tem o objetivo de fornecer um diagnóstico preciso de maneira preditiva, preventiva e corretiva, para que ocorra a manutenção de forma precisa. O método de diagnóstico em questão é a análise por emissão acústica, tal método visa a propagação de ondas de choque que ocorrem nas falhas ocorridas no interior do transformador, essas falhas são de difícil diagnóstico em um sistema que contêm vários componentes visto que as avarias ocorridas são no interior dos transformadores, não ocorrendo danos visíveis ao seu exterior. Entretanto as ondas acústicas se propagam no meio líquido (óleo do interior do transformador) sofrendo refrações e reflexões, essas ondas podem ser geradas a partir de descargas parciais criadas por arcos elétricos. Assim, o objetivo deste trabalho é propor a arquitetura de um sistema inteligente para detecção das falhas ocorridas nos interiores dos transformadores de potência, usando diferentes ferramentas de diagnósticos, com base em técnicas de redes neurais artificiais com inferências no sistema do transformador. A utilização dos sensores para a captação de tais ondas sonoras são discos de piezoelétricos basicamente confeccionados de metal e cristais de quartzo, que são de fácil aquisição e baixo custo, sendo empregados em circuitos eletrônicos simples. O disco de piezoelétrico apresenta uma característica dual, ou seja, uma vibração mecânica em sua estrutura gera um sinal elétrico ou um sinal elétrico produz vibrações mecânicas. O treinamento da rede neural artificial deve ocorrer para que se obtenha de maneira objetiva o entendimento dos padrões comportamentais apresentados pelos mais diferentes tipos de falhas ocorridas nos interiores dos transformadores. Os benefícios apresentados por tal arquitetura não ocorrem só nas falhas já ocorridas, mas também de forma

2 preditiva, pois, como a rede neural artificial já aprendeu os padrões das avarias, consegue-se antecipar a manutenção do equipamento minimizando os danos a sub-estação.. PALAVRAS-CHAVE: Transformador, Piezelétricos, Defeitos Internos, Sistemas Inteligentes. 1 INTRODUÇÃO O transformador é um equipamento simples e composto por dois ou mais circuitos elétricos acoplados por um circuito magnético comum. Se o enrolamento primário for conectado ao fonte de tensão alternada, então será produzido um fluxo alternado cujo a amplitude de saída dependera da frequência da tensão aplicada no primário e o número de espiras. Ao se estabelecer uma proporção adequada entre o números de espiras do primário e secundário, praticamente pode-se obter qualquer relação de tensão ou relação de transformação, pode ser obtida (FITZGERALD; KINGSLEY JUNIOR; UMANS, 2006). Dessa forma, as condições de operações dos transformadores deve encontrar-se em perfeito estado de funcionamento e qualidade no fornecimento de energia elétrica, visto que a saída de serviço de um transformador de uma subestação se ocorrerem interrupções do fornecimento a um grande número de consumidores ou de um processo industrial causando prejuízos. O sistema de isolamento de um transformador de potência é uma parte importante e sua integridade tem um papel decisivo para segurança do funcionamento da unidade. Avaliação e diagnóstico da condição de isolamento são, portanto, necessários. Deficiências do sistema de isolamento podem levar a uma predisposição de falhas desencadeadas a partir de solicitações externas, tais como curto-circuitos, descargas atmosféricas ou transientes nas operações de chaveamentos (SOUZA, 2008) A descarga parcial é um fenômeno que ocorre em uma ampla variedade de equipamentos eléctricos e que se desenvolve ao longo do tempo, resultando na falha total do sistema de isolamento. Os transformadores estão entre os equipamentos mais afetados por este tipo de falha, especialmente os de alta potência. Devido à sua comportamento complicado, existe uma grande necessidade de monitorizar e controlar as descargas parciais em transformadores, que será constituído por um manutenção preditiva eficaz desses equipamentos. Há muitas técnicas para a detecção de descargas parciais, que dependem do tipo de equipamento a ser controlado (da SILVA, 2012) Nesse contexto situa-se o objetivo deste trabalho, que visa à identificação de defeitos internos oriundos de descargas parciais por meio do monitoramento de emissões acústicas. Emissões acústicas são vibrações mecânicas com frequência superior a 20 khz. Mais especificadamente, vários sensores de emissão acústica construídos com material piezoelétrico e instalados externamente na caixa do transformador captaram as manifestações acústicas geradas por uma descarga parcial. Os sinais elétricos resultantes foram préprocessados e fornecidos a um sistema inteligente que tem a tarefa de identificar o defeito e classificá-lo dentre as possíveis causas.

3 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Sensores Piezelétricos Uma propriedade não usual exibida por poucos materiais cerâmicos é a piezoeletricidade, ou, literalmente, a eletricidade pela pressão; a polarização é induzida e um campo elétrico é estabelecido através de uma amostra pela aplicação de forças externas. A reversão do sinal de uma força externa (isto é, de tração para compressão) inverte a direção do campo. O efeito piezoelétrico esta demostrado na Fig. 1. Os materiais piezoelétricos são utilizados em transdutores, dispositivos convertem energia elétrica em deformações mecânicas, ou vice-versa. Dentre as aplicações familiares que empregam matérias piezoelétricos incluem-se as agulhas de fonógrafos, os microfones, alarmes sonoros entre outros (CALLIESTER, 2006). Figura 1 (a) Dipolos no interior de um material piezoelétrico. (b) Uma tensão elétrica é gerada quando o material é submetido a uma tensão de compressão.(elements of Science and sixth edition) Assim, as relações entre as várias grandezas envolvidas na piezoeletricidade são tensoriais. Entretanto, em algumas direções particulares dos cristais, os vetores estão na mesma direção. Neste caso as relações são escalares e podem ser escritas na forma das equações (1) e (2). P dt 0 (1) R st d (2) Onde T é a tensão aplicada ao material, Ɛ é o campo aplicado, P é a polarização induzida e R é a deformação por unidade de comprimento resultante. As constantes d, s e são parâmetros característicos de cada material (REZENDE, 2004). 2.2 Descarga Parcial Uma descarga parcial (DP) é uma descarga elétrica que somente localizada parcialmente e preenche o isolamento entre condutores que pode ou pode não ocorrer

4 adjacente a um condutor. Esta definição é dada na norma IEC Publicação IEC Ed. 2, 2000, que é a revisão do IEC Publicação As descargas parciais são em consequência geral da tensão eléctrica local no isolamento ou na superfície do isolamento. As descargas normalmente aparecem como pulsos com duração de menos de 1 µs. Além disso, o termo "corona" é frequentemente utilizado para as descargas parciais que ocorrem em torno de meios gasosos, que são condutores afastados por sólido ou líquidos isolantes e, portanto, "corona" é um tipo particular de descarga parcial. Descargas parciais é uma medida sensível da tensão eléctrica local e por conseguinte, a medição é muito frequentemente utilizado como um controle da qualidade do isolamento. Por conseguinte, o isolamento do material pode ser testado com alta tensão, mas sem danificar ou reduzir o desempenho do isolante. Além disso, para descarga parcial medida deve ser tomada em consideração que cada estresse no isolamento terá uma influência sobre a expectativa de vida e dos materiais, mas um razoável estresse durante a medição pode obter resultados fiáveis e a influência do tempo de vida devem ser encontradas e estabelecidas nas normas relevantes para o equipamento específico, por exemplo transformadores, cabos, comutadores, etc. A medição da descarga parcial é um ensaio não destrutivo e típico ele pode ser utilizado para avaliar o desempenho do isolamento, no início da sua tempo de serviço tendo em conta a redução do desempenho durante o tempo de serviço pelo envelhecimento, em que o envelhecimento, depende de numerosos parâmetros como a tensão elétrica, o estresse térmico e mecânico. Dependendo do tipo de material isolante, limites diferentes para o valor da descarga parcial, permitido a uma dada tensão definida recomendável. Em particular, para o isolamento de um sólido onde completa quebra danifica seriamente o objeto de teste, a descarga parcial é uma ferramenta para avaliação de qualidade (RYAN, 2001). Um transformador de potência pode ser também afetado por outros tipos de falhas internas, como arcos elétricos, fagulhas, efeitos corona, e superaquecimento (MOHAMMADI etal, 2007). De acordo com Boczar etal (2009), DP podem ser agrupadas em oito classes: Descargas Ponto a Ponto em óleo isolante: estes DPs estão relacionados a defeitos de isolamento entre duas espiras adjacentes do enrolamento de um transformador; Descargas Ponto a Ponto em óleo isolante com bolhas: este tipo de falha também é causada por DP entre duas espiras adjacentes do enrolamento, mas a condição de degradação do isolamento permite a formação de bolhas de gás; Ponto de plano em óleo isolante: defeitos no sistema de isolamento do enrolamento pode causar DP entre as partes ligadas à terra do tanque do transformador; As descargas de superfície entre dois eletrodos: o tipo mais comum de DP, que ocorre entre dois eletrodos isolados com papel-óleo chamado ponto triplo, onde a superfície do eletrodo está em contato com dielétricos sólidos e líquidos; As descargas de superfície entre um eletrodo e um eletrodo multiponto: o DP relativas à estes elementos são diferentes da anterior no que respeita à distribuição da intensidade da campo elétrico. Ambos são isolados com papel-óleo; Várias descargas no plano: vários pontos danificados no isolamento do enrolamento pode causar DP entre ele e as partes aterradas do tanque do transformador; Várias descargas no plano com bolhas de gás: o DP, neste caso, ocorre em vários pontos danificados no isolamento dos enrolamentos e as partes aterradas do tanque do transformador, mas na presença de gases dissolvidos no óleo isolante; As descargas provocadas por partículas: neste caso, o óleo isolante está contaminado com partículas de fibras de celulose formada pelo processo de degradação do sistema de

5 isolamento de papel no óleo, devido ao envelhecimento do transformador de potência. Tais partículas estão em movimento constante do óleo, provocando DP; 3 OBJETIVOS Nesse contexto situa-se o objetivo deste trabalho que visa a identificação defeitos internos oriundos de descargas parciais por meio do monitoramento de emissões acústicas. Emissões acústicas são vibrações mecânicas com frequência superior a 20 khz. Mais especificadamente, vários sensores de emissão acústica são construídos com material piezoelétrico e instalados externamente na caixa do transformador para captarem as manifestações acústicas geradas por descargas parciais. Os sinais elétricos resultantes serão pré-processados e fornecidos a um sistema inteligente que terá a tarefa de identificar o defeito e classificá-lo dentre as possíveis causas. 4 JUSTIFICATIVA A proposta deste trabalho consiste no estudo das falhas ocorridas no interior dos transformadores de potência com análise feita por sinais adquiridos a partir de sensores piezoelétricos de baixo custo, após estudos sobre o comportamento das falhas, pretende-se estabelecer os padrões de diagnósticos, desenvolvendo um sistema computacional a qual se possa analisar melhor o comportamento dos transformadores. Para atingir estes objetivos, será necessário adotar conhecimentos sobre propagação de ondas acústicas, os diversos tipos falhas ocorridas nos transformadores de potência e conjuntos ajustados por meio da abordagem ANFIS (Adaptive Neural Fuzzy Inference System). Portanto, a identificação de defeitos oriundos de descargas parciais por meio de sensores piezoelétricos e sistemas inteligentes mostrou-se uma importante ferramenta que poderá contribuir para o aumento da confiabilidade do sistema, melhoria na qualidade da energia fornecida e na redução dos custos de operação e manutenção. Essa pesquisa de mestrado visa também contribuir ao orientado, integração e familiarização com pesquisas científicas. 5 METODOLOGIA Para o desenvolvimento da dissertação, serão feitos ensaios em laboratório com auxílio de instrumentos de medição e processamento de sinais. Primeiramente a aquisição da carcaça de um transformador de pequeno porte que será suspenso por pés de borracha para a atenuação das vibrações e a adição do óleo mineral utilizado nos transformadores. Com os primeiros testes, a carcaça do transformador estará sem o núcleo, para que não ocorram refrações e reflexões. Então os sensores piezoelétricos serão fixados por cola adesiva em diversas regiões da carcaça empregada nos ensaios. Os surtos serão gerados por um gerador de descargas parciais assim obtendo os tipos mais comuns de faltas como: fase-fase, fase carcaça, fase neutro entre outros tipos de faltas. Os sinais dos sensores são enviados a um oscilógrafo da marca Yokogawa modelo DL-850, esse equipamento nos permite a comunicação com PC (Personal Computer) que contém o software MATLAB. O pré-processamento envolverá o cálculo de parâmetros

6 associados aos sinais captados como: valor RMS (Root Mean Square), energia, tempo de subida, tempo de descida e limiar. Após o pré-processamento, as informações serão enviadas a um sistema especialista composto de ferramentas inteligentes tais como redes neurais artificiais e sistemas de inferência fuzzy que tem o objetivo de localizar o defeito. As redes neurais serão treinadas utilizando o algoritmo de Levenberg-Marquardt, que é amplamente empregado devido a sua habilidade de acelerar o processo de convergência. Os sistemas de inferência fuzzy terão suas regras e conjuntos ajustados por meio da abordagem ANFIS (Adaptive Neural Fuzzy Inference System). Assim, o sistema especialista proposto terá a função de auxiliar na tomada de decisão, ou seja, caso ocorra a indicação de um defeito, o gestor pode encaminhar o transformador para manutenção. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY JUNIOR, Charles; UMANS, Stenphen D.. Máquinas Elétricas: Com introdução à eletrônica de Potência. 6. ed. São Paulo: Mcgraw-hill, p. SOUZA, D. C. P. Falhas e defeitos ocorridos em transformadores de potência do sistema elétrico da Celg, nos últimos 28 anos: um estudo de caso f. Dissertação (Mestrado) - UFG, Goiânia, I. N. da Silva, C. G. Gonzales, R. A. Flauzino, P. G. da Silva Jr, R. A. S. Fernandes, E. S. Neto, D. H. Spatti and J. A. C. Ulson, Intelligent Systems for the Detection of Internal Faults in Power Transmission Transformers. InTech, Chapter 1, Callister, William D. Fundamentos da ciência e engenharia de materiais: uma abordagem integrada, 2 ed. Rio de Janeiro: LTC, p. REZENDE, S. M. Materiais e Dispositivos Eletrônicos. 2 ed. São Paulo: Editora Livraria da Física, p. IEC Publication 60270, High-voltage test techniques - Partial discharge measurement, Ed. 2, IEC Publication Partial discharge measurement, H. M. Ryan. High voltage engineering and testing, 2 ed. Londres: The Institution of Electrical Engineers, Mohammadi, E., Niroomand, M., Rezaeian, M., & Amini, Z. Partial Discharge Localization and Classification Using Acoustic Emission Analysis I n Power Transformer. In: Proceedings of the 31st International Telecommunications Energy Conference, INTELEC, October, 2009, Incheon, Korea.

7 Boczar, T., Borucki, S., Cichon, A., & Zmarzly, D. Application Possibilities of Artificial Neural Networks for Recognizing Partial Discharges Measured by the Acoustic Emission Method. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 16(1), , 2009.