Aplicação de uma nova metodologia para detecção de descargas parciais em transformadores de potência

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1 Aplicação de uma nova metodologia para detecção de descargas parciais em transformadores de potência Cacilda de Jesus Ribeiro 1 Cláudio Henrique B. Azevedo 2 André Pereira Marques 2,3 1 Universidade Federal de Goiás, Escola de Engenharia Elétrica e de Computação, GO/Brasil 2 CELG Distribuição, GO/Brasil 3 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás, GO/Brasil RESUMO O tema descargas parciais vem adquirindo grande importância, sobretudo como parâmetro de avaliação da qualidade do sistema isolante e do desempenho dos transformadores de potência, para auxiliar na verificação de possíveis erros de fabricação e degradação de seus materiais, bem como na redução do número de desligamentos não programados, os quais podem causar graves transtornos tanto às empresas de energia elétrica quanto aos usuários. A análise de gases dissolvidos em óleo mineral isolante (AGD) é uma técnica já consagrada e comumente utilizada no setor elétrico, porém é de baixa sensibilidade na detecção de descargas parciais. A técnica de detecção de descargas parciais por meio de sinais acústicos em transformadores, por sua vez, apresenta limitações, já que a propagação das ondas geradas pelas descargas parciais é de natureza bastante complexa, além de sofrer interferências do meio. Para a análise de seus resultados, é necessário observar parâmetros inerentes aos transformadores em operação, o que exige conhecimento específico do analista. O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise dos resultados de aplicação de uma nova metodologia em que se utiliza o ensaio de detecção de descargas parciais mediante o emprego, conjunto, dos métodos de emissão acústica (EA) e AGD. Essa metodologia permite o acompanhamento dos níveis de descargas parciais (DPs) no interior dos transformadores, assim como sua localização, contribuindo decisivamente com o trabalho das equipes de manutenção. Diante dos resultados alcançados, evidenciam-se as viabilidades técnica e econômica da metodologia empregada, em virtude da maior eficiência nas análises com a aplicação desse conjunto de técnicas preditivas de manutenção preventiva, nesses importantes equipamentos para o sistema elétrico de potência. PALAVRAS-CHAVE: transformadores de potência, descargas parciais, emissão acústica, técnicas preditivas e manutenção preventiva. INTRODUÇÃO Estudos sobre o desempenho de transformadores e autotransformadores de potência, acerca do número de interrupções na área de transmissão de energia elétrica, foram realizados na concessionária de energia elétrica CELG-D, abarcando um período de 28 anos 1979 a 2007, para as tensões de 34,5 kv, 69 kv, 138 kv e 230 kv [1]. Os resultados mostraram que, em relação às interrupções de serviço, por falhas e por defeitos (que forçaram a retirada de operação do equipamento), os componentes mais atingidos foram: os enrolamentos (34%), os comutadores de taps (20%) e as buchas (14%). Juntas, as interrupções associadas a esses três componentes representaram 68% do total, índice este que poderia ser reduzido, caso fosse possível monitorar e diagnosticar falhas incipientes em tais equipamentos, por meio de técnicas preditivas adequadas [1]. A análise de gases dissolvidos em óleo isolante (AGD) é utilizada como técnica preditiva de manutenção para prevenir falhas em seus transformadores. Ocorre que essa técnica apresenta algumas fragilidades, principalmente por ser de baixa sensibilidade para detecção de descargas parciais [2]. Além disso, a AGD não permite a localização do local onde a falha incipiente ocorre no interior do Cacilda de Jesus Ribeiro cacilda@eee.ufg.br

2 transformador. Portanto, para um diagnóstico mais preciso das condições do sistema isolante de um transformador de potência imerso em óleo isolante, é necessária a implementação de outra técnica preditiva, porque a AGD, se usada isoladamente, pode não ser suficiente para prever falhas elétricas nesses equipamentos. Nesse contexto se insere a detecção de descargas parciais pelo método de emissão acústica (EA), que tem como característica principal a indicação, em coordenadas x, y e z, da região onde está ocorrendo atividade de DPs. Além disso, trata-se de método que não é interruptivo do fornecimento de energia, ou seja, pode ser aplicado sem a necessidade de desligamentos dos equipamentos para ensaio. No entanto, para a utilização do método de EA, torna-se necessária a aplicação de uma metodologia que propicie mais qualidade nos diagnósticos, e é justamente o que é apresentado no presente trabalho. NOVA METODOLOGIA PARA DETECÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA Para reduzir cada vez mais a taxa de interrupções, evidenciou-se a importância da aplicação de uma nova metodologia com base em técnicas preditivas sensíveis a defeitos incipientes nos transformadores de potência. A ocorrência de descarga parcial em transformadores de potência é um fenômeno inerente ao seu funcionamento. Essa atividade de DPs é fonte de formação de ondas sonoras que se deslocam em várias direções, até serem captadas pelos sensores instalados na face externa do tanque principal do transformador. A distância (D) percorrida pelo sinal acústico depende da velocidade da onda (c) e do tempo de propagação (t), conforme é apresentado na equação 1 [3]. D = c.t (1) A detecção de descargas parciais pelo método acústico apresenta, pois, a vantagem de permitir a localização da região onde ocorre a atividade de descargas parciais. Além disso, assim como a técnica de análise de gases dissolvidos (cromatografia), ela pode ser utilizada sem que haja a necessidade de desligamento do transformador a ser submetido ao ensaio. Essas características destacam o método de detecção de descargas parciais como uma poderosa ferramenta como técnica preditiva de manutenção. Porém, para a sua eficácia, faz-se necessária a observância de alguns procedimentos e requisitos [4] que são apresentados na nova metodologia, conforme é representado no fluxograma da Figura 1, baseando-se nas seguintes etapas: a) conhecimento da geometria do projeto da parte ativa, tanque e buchas do transformador; b) mapeamento e definição da assinatura da atividade de descargas parciais específica para o equipamento, no ensaio de detecção acústica, durante a realização do primeiro ensaio; c) realização (duração) do ensaio vinculado ao ciclo típico de carga do transformador sob avaliação, contemplando as diferentes condições operativas às quais ele submetido durante o ciclo de carga; e d) análise de dados com base em diagnósticos comparativos com transformadores de mesmo projeto (equipamentos idênticos).

3 Figura 1 Fluxograma simplificado da nova metodologia para a eficácia de EA. APLICAÇÃO DA METODOLOGIA Neste trabalho é apresentado como estudo de caso um ensaio de detecção de descargas parciais pelo método acústico [5], realizado simultaneamente em dois autotransformadores monofásicos idênticos, pertencentes a um mesmo banco de potência trifásica de 225 MVA, 230 kv/138 kv/13,8 kv, durante um ciclo completo de carregamento e com a padronização adequada dos procedimentos realizados. Os sensores de emissão acústica (EA) foram posicionados considerando-se as características de projeto, de operação e o histórico dos equipamentos a serem ensaiados. As coordenadas de localização dos vinte e oito canais foram previamente definidas. Na Figura 2 são apresentadas fotografias dos dois equipamentos submetidos simultaneamente ao ensaio de EA, conforme [4]. Sensores Sensores Comunicação via rádio (a) (b) Figura 2 Ensaio simultâneo: a) posicionamento dos sensores; b) com os equipamentos em operação.

4 Cabe ressaltar que os sensores de EA foram distribuídos na superfície externa do tanque principal dos equipamentos, de forma que todos os volumes internos fossem monitorados, respeitando-se distâncias iguais ou menores do que três metros entre sensores, conforme preceitua a NBR 15633/2008 [6]. Colocaram-se quatorze sensores em cada um dos equipamentos. O serviço em campo com esses equipamentos energizados foi desenvolvido atendendo-se às exigências de segurança no trabalho, sendo que todos os membros da equipe possuem formação preceituada pela Norma Regulamentadora do Ministério do Trabalho e Emprego NR10 (Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade) e utilizando-se adequadamente todos os equipamentos de proteção individual e coletiva [7]. Outro critério importante adotado neste trabalho foi o de instalar o sistema de detecção de DPs no lado em que os para-raios são de invólucro polimérico, evitando-se proximidade com os para-raios de porcelana, para maior segurança à equipe e aos instrumentos durante os ensaios. Para proteger o sistema de detecção de descargas parciais (DISP 28 canais PASA) contra insolação e intempéries, foi providenciado um abrigo, conforme é ilustrado na Figura 3. O referido abrigo também propicia à equipe de campo maior segurança e conforto durante o trabalho. Proteção contra insolação e intempéries Vinte e oito canais (a) (b) Sistema de detecção devidamente conectado ao aterramento elétrico da S/E (c) (d) Figura 3 Abrigo do sistema de detecção de DP: a) vista A ; b) vista B; c) aterramento; e d) aterramento comum ao autotransformador. Após a montagem do sistema de detecção, foi executada uma verificação do acoplamento dos sensores e da continuidade do circuito. Para isso, uma onda acústica reprodutível é gerada pela quebra de uma ponta de grafite 2H, com 0,3 mm de diâmetro, sobre a parede do tanque, ao lado de cada

5 sensor [6]. Deve ser quebrado sempre o mesmo comprimento de grafite (2 mm ou 3 mm é recomendado), em um mesmo ângulo e orientação. A amplitude do pico, detectada desse evento simulado, não deve ser inferior a 90 db e nem variar mais do que 3 db da média de todos os sensores. Essa verificação deve ser repetida imediatamente sempre que houver indicações da possibilidade de uma mudança na eficiência do acoplamento ou na continuidade do circuito. Sendo assim, para a realização deste teste, foi utilizado um dispositivo desenvolvido pela própria equipe para a quebra uniforme do grafite. Para maior eficiência na transferência das informações, adotou-se comunicação a distância entre membros da equipe via rádio (walk-talk). Análise dos resultados mostrou que os sensores estavam devidamente calibrados, uma vez que as diferenças entre as médias das leituras individuais de cada sensor, em relação à média geral, foram todas menores do que 3,0 db, que é o valor adotado neste trabalho. Na sequência, realizou-se uma verificação complementar, chamado de teste de abrangência, que não substitui a anterior (de calibração dos sensores). Esta consiste em abalroar um objeto metálico contra as faces externas (uma por vez) do tanque principal do equipamento, de forma a gerar um sinal acústico que possa ser percebido pelos sensores distribuídos ao longo do tanque do transformador. Os sinais detectados pelos vários sensores devem ser comparados para verificar se estão consistentes. Procedeu-se ao teste de abrangência dos sensores com um dispositivo também desenvolvido neste trabalho, para possibilitar a repetibilidade nos procedimentos de ensaio, sendo os resultados deste teste registrados no arquivo de aquisição deste teste. Em seguida, realizou-se a configuração inicial do sistema de 28 canais, ajustando-se a sensibilidade do sistema de modo que fornecesse um padrão claro de emissão acústica. A sugestão é evitar o ruído originado por outras fontes, proporcionando uma configuração otimizada para a análise futura dos resultados do ensaio. Para a conferência da montagem e da configuração do sistema, desenvolveu-se um pré-ensaio de duas horas aproximadamente. Também foi sincronizado o horário do sistema DISP-28 canais com o horário do Centro de Operação do Sistema (COS). O período de tempo para monitoramento depende das condições operativas do equipamento e deve ser estabelecido caso a caso. Por isso, após as verificações e ajustes, com a confirmação de bom desempenho da instalação e da configuração, iniciou-se o ensaio, sendo o período total de monitoramento estabelecido em 24 horas. Dada a possibilidade de ocorrência de chuvas fortes e ventanias, foi providenciado o fechamento de todo o abrigo, para garantir segurança aos instrumentos de medição e instalações, por ocasião da saída da equipe da subestação para o período de descanso, com o sistema de detecção de DPs em funcionamento. Os valores de temperatura e de umidade relativa do ar foram medidos em três pontos diferentes : em volta dos transformadores, no início e no final do ensaio. As médias dos valores obtidos são mostradas na Tabela 1. Tabela 1 Condições ambientais durante o ensaio de detecção de descargas parciais Início do ensaio Término do ensaio Temperatura ( o C) Umidade relativa do ar (%) Temperatura ( o C) Umidade relativa do ar (%) 28,2 50,8 28,0 42,8 Cabe ressaltar que, durante a realização deste ensaio, amostras de óleo dos dois equipamentos foram retiradas para análise de gases dissolvidos (cromatografia) no laboratório da concessionária. RESULTADOS Os resultados das atividades detectadas nos autotransformares (T1 e T2) em estudo, por meio do software do Sistema de Detecção de DP, são apresentados nas Figuras 4 e 5.

6 Posição Y Formação de vários clusters na região do comutador de derivações Posição X Posição Z Figura 4 Autotransformador T1 (canais de número 1 ao 14). Posição Y Formação de vários clusters na região do comutador de derivações Posição X Posição Z Figura 5 Autotransformador T2 (canais de número 15 ao 28). Conforme se observa nas Figuras 4 e 5, os comportamentos das atividades foram semelhantes para os dois autotransformadores, o que evidencia a importância da análise comparativa entre equipamentos similares (de mesmo modelo/família), proporcionando maiores informações de referência para análise dos resultados. Conforme já referido anteriormente, os dois equipamentos têm a mesma idade e são submetidos às mesmas condições operativas e climáticas, pois são unidades monofásicas que operam juntas em um mesmo banco. Além disso, foram feitos pelo mesmo fabricante e têm o mesmo projeto construtivo, sendo, portanto, idênticos.

7 Os períodos de ocorrência de chuvas durante o ensaio foram anotados e considerados na análise dos resultados juntamente com os ruídos originados pelo sistema de ventilação forçada que, afinal, não influenciam conforme se concluiu posteriormente, o ensaio de detecção de descargas parciais por emissão acústica em transformadores de potência. Cabe ressaltar que os resultados das análises de gases dissolvidos (cromatografia) realizadas em conjunto (simultaneamente) com o ensaio de detecção de descargas parciais, nas amostras de óleo desses autotransformadores, foram considerados normais de acordo com os seus históricos de ensaios e características dos equipamentos. Os resultados dos ensaios são apresentados nas Tabelas 2 e 3. Tabela 2 Unidade T1 (período do ensaio: 8 a 10/9/2009) Data H 2 CH 4 CO CO 2 C 2 H 4 C 2 H 6 C 2 H 2 Total COMB. Status Vol. (L) CO Vol. (L) CO 2 16/09/ N 7,2 25,9 07/05/ N 5,9 23,2 04/11/ N 4,6 18,6 27/05/ N 2,9 11 Diagnóstico: sem falha, envelhecimento normal, amplitude de degradação normal. Tabela 3 Unidade T2 (período do ensaio: 8 a 10/9/2009) Data H 2 CH 4 CO CO 2 C 2 H 4 C 2 H 6 C 2 H 2 Total COMB. Status Vol. (L) CO Vol. (L) CO 2 16/09/ N 10, /11/ N 5,9 16,8 27/05/ N 4,4 11,3 Diagnóstico: sem falha, envelhecimento normal, amplitude de degradação normal. CONCLUSÃO As técnicas de manutenção preditiva são de fundamental importância para a prevenção de falhas e defeitos em transformadores. Dentre elas, o presente trabalho destacou o método de detecção de descargas parciais por meio acústico, com uma metodologia que permite maior qualidade nos diagnósticos elaborados com base na utilização desse método. Com a aplicação da metodologia apresentada nos resultados dos ensaios de emissão acústica nos transformadores de potência ensaiados, foram registradas algumas atividades de descargas parciais, constatando-se que: a) como mostrado nas Figuras 4 e 5, ocorre uma grande concentração de clusters nos dois autotransformadores onde se encontram os canais/sensores de números 5, 6, 7, 8 (T1) e 19, 20, 21 e 22 (T2). Na verificação das coordenadas de localização desses sensores e do projeto do autotransformador, observou-se que as regiões com atividades correspondiam a movimentações mecânicas dos comutadores de derivação (taps) e das ocorrências de chuvas; e b) as atividades de comutação dos taps ocorreram simultaneamente nos dois autotransformadores e foram identificadas nos registros de quantidade de energia e de evento ao longo do tempo. Cabe ressaltar que os horários de comutação foram conferidos junto aos registros do Centro de Operação do Sistema (COS). Para o monitoramento de estado de um equipamento são necessários valores referenciais, o que possibilitar a realização de diagnósticos com base na verificação de curvas de tendência, análises comparativas etc. A análise comparativa realizada neste estudo de caso foi muito importante para o

8 diagnóstico. Registra-se que o comportamento de transformadores idênticos, no que concerne à formação e à atividade de descargas parciais em seu interior, pode se assemelhar se submetidos a condições operativas parecidas. Diante dos resultados observados nos gráficos, fica evidente que, neste caso, não há necessidade de intervenção nos autotransformadores em estudo. Porém, são importantes o acompanhamento dos equipamentos ao longo dos anos e a aplicação dessa metodologia para a eficácia da técnica, com ensaios periódicos de detecção de descargas parciais pelo método de emissão acústica em todos os transformadores e autotransformadores de médio e grande porte da empresa. A viabilidade técnica dessa metodologia ficou evidenciada nos resultados dos ensaios obtidos em campo, em que sua utilização permitiu alcançar uma maior qualidade e eficiência nos diagnósticos dos equipamentos e maior acerto nas tomadas de decisão. Tais características fazem do método acústico uma importante ferramenta preditiva de manutenção. Com isso, ele se mostra plenamente viável economicamente, uma vez que os diagnósticos e as ações de manutenção elaborados com base nos resultados dessa técnica preditiva podem evitar os altos custos decorrentes de desligamentos indesejados em transformadores de potência. Conclui-se que a implementação das propostas de melhorias da técnica apresentada neste estudo, em conjunto com a técnica já aplicada na concessionária, proporciona, além de condições para um aprimoramento dos procedimentos de manutenção da empresa, também a diminuição do número de interrupções de serviço por falhas ou por defeitos em transformadores de potência no sistema elétrico. AGRADECIMENTOS Ao Setor de Engenharia de Manutenção e ao Setor de Manutenção de Subestações, ambos da CELG Distribuição, CELG D, bem como à Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Federal de Goiás (EEEC/UFG), pela colaboração, e à Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), pelo apoio financeiro do Projeto de P&D. BIBLIOGRAFIA [1] Ribeiro, C.J.; Marques, A.P.; Souza, D.C.P.; Azevedo, C.H.B.; Alvarenga, B.P.; Nogueira, R.G. Faults and Defects in Power Transformers A Case Study. (Electrical Insulation Conference EIC Montreal, Canada, June 2009). [2] Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT. NBR 6940: Técnicas de ensaios elétricos de alta tensão medição de descargas parciais. (Rio de Janeiro, 1981). [3] Institute of Electrical and Electronics Engineers. Guide for the Detection and Location of Acoustic Emissions from Partial Discharges in Oil-Immersed Power Transformers and Reactors. (IEEE Std C ). [4] Azevedo, C. H. B.; Marques, A. P; Ribeiro, C. J. Methodology for the detection of partial discharges in power transformers using the acoustic method. (EUROCON 2009 Conference. Saint Petersburg, Russia, May, 2009). [5] Institute of Electrical and Electronics Engineers. Guide for Partial Discharge Measurement in Liquid-Filled Power Transformers and Shunt Reactors. (IEEE C R2002, December 2002). [6] 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, Brasil, 2008). [7] Ministério do Trabalho e Emprego MTE. Norma Regulamentadora NR 10: Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade. (Disponível em: < Acesso em: 8 jul. 2009).