XX Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI a 26 de outubro Rio de Janeiro - RJ - Brasil

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1 XX Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI a 26 de outubro Rio de Janeiro - RJ - Brasil Ítalo Colins Alves Ludmilla Freitas Mota João Luiz de Oliveira Gomes Companhia Energética de Minas Gerais CEMIG Distribuição S.A. CEMIG Distribuição S.A. colins@cemig.com.br ludmillafm@yahoo.com.br joaolog@cemig.com.br Falhas e defeitos ocorridos em transformadores de potência do sistema elétrico da Cemig D.: um estudo de caso Palavras-chave Transformadores defeitos falha função Resumo este artigo buscou apresentar um estudo de diagnóstico das principais falhas ocorridas em transformadores de pot~encia, na Cemig Distribuição nos últimos 10 anos. A observação das falhas e defeitos tinha como objetivo ajudar a empresa a desenvolver modelos de disgnósticos preventivos de falhas, pra esse tipo de equipamento. buscou-se utilizar funções estatísticas markovianas e não - markovianas para modelas o evento avaria em transformadores (Falhas e defeitos) 1. Introdução Os transformadores de potência são equipamentos essenciais na transmissão e distribuição de energia elétrica, estando amplamente interligados em usinas, subestações e indústrias. Sua finalidade é a conversão de diferentes níveis de tensão, permitindo a interligação entre os centros produtores e os consumidores de energia elétrica, num sistema interligado, com limites de estabilidade que dependem da confiabilidade dos equipamentos (Bechara, 2010). O transformador é um dos equipamentos de maior relevância e custo para o sistema elétrico, podendo-se chegar a milhões de reais cada unidade adquirida. A sua importância está diretamente vinculada à continuidade do fornecimento de energia elétrica, uma vez que, invariavelmente, a sua perda, por falha ou por defeito, significa a interrupção imediata no fornecimento de energia. Trata-se, então, de um equipamento de grande porte, e por isso a sua substituição é onerosa e demanda muito tempo. Nesse sentido, as concessionárias de energia elétrica procuram aprimorar as suas técnicas de manutenção, visando à detecção 1/12

2 prévia de defeitos nos transformadores e nos seus acessórios, antes que eles possam comprometer o bom desempenho desses equipamentos. O objetivo deste trabalho é estudar as várias (falhas ou defeitos) ocorridos em transformadores de potência para os níveis de tensão 34,5kV, 69kV, 138kV e 161kV, referentes ao período de 2005 a Neste trabalho foi considerado como defeito aquele estado que, a curto ou médio prazo, levaria o equipamento a falhar caso não se venha a fazer a intervenção corretiva no mesmo. Ou seja, o defeito está relacionado ao fato de se tornar necessário retirar o equipamento de operação para a intervenção de forma a evitar que este venha a falhar. Considera-se falha uma anomalia em um equipamento que leva forçosamente à interrupção do funcionamento do mesmo, retirando-o obrigatoriamente de serviço, sendo que a mesma é provocada por fenômenos elétricos e mecânicos (Lapwoth 2006). Com essas definições e também tendo conhecimento do parque de equipamentos na Cemig D., foram levantados os dados e informações sobre o sistema Cemig e também dos transformadores utilizados nas subestações. A tabela abaixo apresenta a divisão geoelétrica dos transformadores e também a sua relativação com o número de consumidores em cada área. Tabela 1: Número de Subestações CEMIG e de interligação ou Medição de Fronteira Área Total de SE Subestações SE de interligação Total de SE Quantidade total de equipamentos de TM e de PCA (Exceto chaves de 13,8kV, UTRS,RDP) Quantidade total de Transformadores Centro Leste Mantiqueira Oeste Norte Sul Triângulo DDC /12

3 2. Desenvolvimento Desenvolvimento do modelo estatístico Mediante aos levantamentos verificou-se que é necessário efetuar a criação de um modelo estatístico que possa ajudar a determinar com mais certeza a taxa de falhas em transformadores, bem como em seus componentes. Uma análise no histórico de manutenção de um equipamento revela que itens iguais, de um mesmo lote de fabricação, não falham ao mesmo tempo. Em geral, a falha desses itens obedece a uma distribuição de probabilidade. Em seguida, são apresentados as principais distribuições ligadas a confiabilidade, tomando como base O Connor (1985, cap.2). i. Distribuição binomial i. Distribuição de Poisson i. Distribuição normal i. Distribuição Lognormal É a função de distribuição de probabilidade adequada para a análise de confiabilidade, pois permite representar o comportamento de sistemas reparáveis que apresentam características de desgastes decorrentes do ciclo operacional. i. Distribuição de Weibull Sua utilidade decorre do fato, de permitir: - Representar falhas típicas de partida (mortalidade infantil), falhas aleatórias e falhas devido ao desgaste; - Obter parâmetros significativos da configuração das falhas; - Representação gráfica simples. - Probabilidade a qual o equipamento não irá falhar para um dado período de tempo "t" de operação (confiabilidade) - Tempo Médio Entre falhas (TMEF) - Desvio Padrão 3/12

4 A escolha da melhor distribuição de probabilidade Desse modo, as considerações iniciais indicam que os tempos de paralisação quando da manutenção de transformadores também são lognormalmente distribuídos, visto que, a localização e correção de falhas em equipamentos são uma extensão do processo lógico de colocar coisas em categorias. Em relação ao tempo médio para reparo, algumas obras e alguns especialistas citam que o método mais utilizado para estimar este é efetuar a média ponderada dos tempos de reparo de cada modo de falha. A ponderação é feita pela respectiva taxa de falha. Uma vez escolhida a distribuição que melhor representa o modo com que deve ser tratado os sinistros registrados, optou-se em fazer um levantamento da taxa de falha dos transformadores utilizados em Subestações de subtransmissão da Cemig D. As informações sobre a taxa de falha está contida na tabela abaixo. Coleta de dados A metodologia para se avaliar o desempenho dos trafos da Cemig, foi composta e executada de três fases: 1ª Fase: Foi analisado os dados históricos sobre o desempenho de transformadores de outras empresas de geração, transmissão e distribuição. Utilizando para isso dados e informações levantadas junto à ABRADEE, ABRATE, Cigrê e instituições de pesquisa; As figuras abaixo descrevem estatisticamente o comportamento dos dados e informações colhidas na literatura e na observância de outras empresas de acordo com as especificações utilizadas no processo de estudo. Gráfico 2. Principais componentes que causaram a falha do transformador De acordo com o gráfico 2, que foi obtido através da extração de informação da literatura, verifica-se que entre os componentes de um transformador, as bobinas representam um número expressivo das falhas, sendo responsável por 74,5% dos danos encontrados. Em seguida, os comutadores correspondem a 21,3% do total de falhas, seguido pelas buchas e conexões com parcelas menores, representando apenas 2,1% deste total. O gráfico 3 apresenta os modos de falhas mais frequentes nos transformadores. Pode-se observar que os 4/12

5 danos relacionados aos curtos circuitos são os mais frequentes, de acordo com os dados históricos observados (34%). Esse fato pode estar relacionado com o envelhecimento do papel isolante que predispõe o surgimento de falhas por forças eletrodinâmicas e pela interligação do equipamento aos alimentadores de redes aéreas. Além disso, também não podemos considerar que possivelmente este alto índice de curto circuito pode estar ligado diretamente ao perfil de carga assumido pelo equipamento ou o trabalho em sobrecarga do mesmo. Gráfico 3. Modos de falhas mais frequentes levantados em dados históricos O gráfico 4 apresentado indica que ocorre um aumento das taxas de falhas a partir do 14º ano, entretanto, não se pode concluir que existe uma relação do tempo de operação com o número de falhas apresentados pelos equipamentos. Ainda de acordo com Martins (2009) existem diversas fórmulas para cálculo da vida útil dos transformadores, e não há até ao momento, nenhuma que permita, de forma incontroversa, o cálculo exato. Alguns estudos determinam a vida útil dos transformadores considerando os seguintes tempos abaixo: O tempo de vida do transformador se reduz a cerca de metade, por cada 6-8ºC de subida de temperatura, para além da temperatura normal de operação, (especificada pelo fabricante). Tipicamente, os valores médios do tempo de vida útil, variam entre 30 e 50 anos, embora existam reportados, casos excepcionais de transformadores a funcionar cerca de 90 anos. Há contudo, várias perspectivas, para encarar a vida útil de um transformador: A Financeira Usualmente 30 a 40 anos (idade usada para cálculos de depreciação). A Estatística 17 a 18 anos (tempo de vida, a partir do qual se regista usualmente uma maior frequência de defeitos no transformador). Gráfico 4 : Quantidade de falhas registradas por ano de operação 5/12

6 Essas informações auxiliará na identificação e no estabelecimento dos critérios de acompanhamento e controle dos transformadores da Cemig D. 2ª Fase: Nessa etapa, e para a realização desse trabalho foram realizados os seguintes levantamentos de dados dos transformadores, obtidos através do sistema SAP-CEMIG: - Registro histórico de carga do transformador; - Registro recente de operações de energização e desenergização; - Histórico de manutenção dos componentes; - Histórico da análise do óleo. O gráfico a seguir, informa a evolução do número de transformadores de força durante o período relacionado. Verificou-se neste período que o número de transformadores sofreu uma pequena variação positiva, menor que 6% nos últimos cinco anos. Como os transformadores são equipamento de vida útil longa (depreciação de 34 anos) e a expansão do sistema também se dá da mesma maneira (lenta), podemos considerar esta variação da quantidade como sendo expressiva. Gráfico 5. Quantidade de transformadores observados no período de 2005 a /12

7 O gráfico 6 apresenta os índices de taxas de falhas em transformador, calculados através do método estatístico Não MarKoviano de análise de estágios e nos levaram a evidenciar uma tendência de acentuação do número de falhas com sinistro total ao longo do período. O gráfico também pode evidenciar a necessidade de uma política de substituição intensiva de transformadores cujo tempo de vida útil seja superior a 30 anos. O gráfico abaixo retrata a variação das taxas de falhas ocorridas na Cemig D. ao longo dos últimos anos. Foi possível observar um aumento expressivo no número de falhas ocorridas no ano 2011 em relação ao ano de Essa análise dos motivos das falhas está sob investigação Gráfico 5. Variação relativa da taxa de falhas em transformadores entre os anos de 2005 e ª fase: Foi realizada após este levantamento, uma comparação dos dados obtidos com os encontrados na literatura para verificação da distribuição das falhas em transformadores encontrados no sistema elétrico da Cemig. Através da comparação das informações obtidas sobre os trafos da Cemig de ou instituições utilizadas como referência, foi possível observar que o componente 7/12

8 Gráfico 6. Dados das falhas em transformadores obtidos da Cemig D. A partir dos dados encontrados na Cemig D., foi possível verificar que as falhas mais comuns nos transformadores foram relacionadas à parte ativa dos equipamentos (bobina e núcleo). Dessa forma, identificou-se que essas falhas também se relacionam com os dados obtidos na literatura encontrada. Apresentado um percentual um pouco inferior e também significativo, foram observados 19% das falhas em buchas e 15% em tanques e acessórios. Porém, se comparamos os resultados encontradas as falhas causadas por avarias em buchas do transformador, ele supera em pelo menos 900% do valor encontrado no restante do país. Grafico 07: Comparação dos percentuais de falhas por componentes. Gráfico 8: Comparação das modos de falhas mais frequentes em falhas de transformador. 8/12

9 Isso evidenciou a necessidade de se estabelecer políticas de verificação em ensaios mais minuciosos em buchas e bobinas. Influência da Disponibilidade No diagnóstico de equipamentos de 2010, foi introduzido o estudo de disponibilidade para o serviço dos equipamentos de SE. Isso se deve ao fato de que o estudo das causas e consequências da disponibilidade e também a indisponibilidade de equipamentos, vem se tornando um fator importante no entendimento das variáveis de desempenho e confiabilidade. Então, observando o panorama e o ambiente nacional e os parâmetros da ANEEL, foi estabelecido uma verificação da disponibilidade dos principais equipamentos de SE, que são mostrados no gráfico abaixo. Nesse gráfico podemos verificar de que apesar de termos valores próximos aos referenciados pela ANEEL e pelas concessionárias consideradas como referências, a disponibilidade dos equipamentos da Cemig ainda encontra-se abaixo dessas referências, sugerindo a necessidade de desenvolvermos estudos e metodologias capazes de melhorar esse desempenho para os próximos anos. Gráfico 9. Disponibilidade de equipamentos em SE, comparado com empresas de referência. 9/12

10 O Modelo de previsão de falhas Com o modelo estatístico escolhido efetuou-se o cálculo de ocorrer um possível número de falhas em transformadores, Onde para isso foram observados os fatores tais como tempo de vida útil, localização geográfica, regime de carregamento e sistemas de ventilação e resfriamento e manutenção efetuada. Essa probabilidade está descrita na tabela abaixo. Tabela 2: Probabilidade ocorrência de falha com sinistro total, de acordo com o número de transformadores, em n Probabilidade ,0% 13 99,0% 14 95,0% 15 94,0% 16 89,76% 17 74,33% 19 51,32% 21 33,33% 25 21,00% 10/12

11 30 7,00% 3. Conclusões Com este estudo, foi possível se ter um diagnóstico preliminar das falhas e dos modos de falha em um transformador. Verifica-se que na Cemig D. o componente Bucha, ao longo do período analisado apresentou um alto índice de falha resultando em mudança de procedimentos construtivos e também de manutenção. A disponibilidade dos transformadores para o sistema mostra-se abaixo dos valores solicitados pela ANEEL e também de outras operadoras de distribuição. A abordagem de prevenção das falhas através funções do método de manutenção mostrou-se adequada na medida que possibilitou a identificação de ações de prevenção de falhas em todas as fases do processo de manutenção. 4. Referências bibliográficas 1. AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Resolução normativa nº 367/2009, de 02 junho de 2009, manual de controle patrimonial do setor elétrico (MCPSE). 2. ALMEIDA, C. J. Uma metodologia de projeto baseada na confiabilidade aplicação à redes de distribuição de gás canalizado. Florianópolis, SC. Curso de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica, (dissertação de Mestrado) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Confiabilidade e mantenabilidade - terminologia. NBR 5462, Rio de Janeiro, 37p BARROS FILHO, L. C. Modelos de decisão aplicados à avaliação de mantenabilidade: o caso de telecomunicações da Chesf. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica. UFPE. Recife BLANCHARD, Benjamim. Logistics engineering and management. Virginia, Pentice Hall, CEMIG DISTRIBUIÇÃO S.A. IF-3.22 Reserva imobilizada GOMES, L.F.M.A.; ARAYA, M. C. G; CARIGNANO, C. Tomada de decisões em cenários complexos. São Paulo: Pioneira, KARDEC, Alan; NARSCIF, Júlio. Manutenção função estratégica. Rio de Janeiro, Qualitymark, KELLY, A.; HARRIS, M.J. Administração da manutenção industrial, IBP, /12

12 10. LAFRAIA, João R. Barusso. Manual de confiabilidade, mantenabilidade e disponibilidade. Qualitymark: Petrobrás. Rio de Janeiro, MARTINS, Eliseu. Contabilidade de custos. 4. ed. rev. São Paulo: Atlas, O CONNOR, P. D. T. Practical reliability engineering. 4a ed. England: John Wiley & Sons, TAVARES, Lourival A. Administração moderna da manutenção: novo polo publicações. Rio de Janeiro, /12