SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE SOBRECARGAS EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA (Projeto de P&D CTEEP) Erasmo Fontana Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista CTEEP erfontana@cteep.com.br Emanuel Vendramin Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista - CTEEP evendramin@cteep.com.br Vagner Vasconcellos PEA- Universidade de São Paulo-USP vagnerv@terra.com.br PALABRAS-CLAVE: Transformadores de potência, Sobrecargas, Perda de vida útil Categoría en la que participa: Operacion DATOS DE LA EMPRESA Dirección: Alameda CESP s/n Jundiaí-SP Código Postal: 1285 CEP 13202-970 Teléfono: ++ 55 11 4589.6588 Fax: ++ 55 11 4589 6573 1. Objetivo O presente trabalho relata os aspectos principais do desenvolvimento e implantação do sistema de gerenciamento de sobrecargas em transformadores de potência, que teve como objetivo principal o estabelecimento de uma nova ferramenta de apoio a tomada de decisões associadas a operação diária do sistema de transmissão da CTEEP. 2. Metodologia O acompanhamento das ações que integram o dia-a-dia de equipes encarregadas da operação do sistema elétrico de empresas de transmissão, indica que são freqüentes as ocasiões em que transformadores de potência entram em sobrecarga. Tal situação constitui um momento de apreensão para os operadores do sistema, quando o recurso disponível para se estabelecer o alívio necessário, seja o corte da carga atendida pelo transformador. Dado que o montante de carga a ser cortada deva ser sempre o menor possível, há que ser considerada a possibilidade de serem tolerados pequenos valores de sobrecarga nos transformadores envolvidos, desde que tal procedimento não implique em elevação do risco de dano permanente nos equipamentos. Dentre as inúmeras variáveis que balizam as avaliações da tolerância de um transformador à sobrecarga, destaca-se a avaliação da perda de vida útil, que constitui uma referência valiosa e pode respaldar a assunção de sobrecargas, nos casos em que outras condições de segurança já estejam garantidas. Com o objetivo de proporcionar uma ferramenta orientativa aos operadores, foi desenvolvido um sistema de gerenciamento e cálculo dos patamares admissíveis de sobrecarga em transformadores de potência, ajustada à norma brasileira NBR-5416/97.
3. Falhas em Transformadores de Potência De acordo com estudos realizados em âmbito internacional [3], transformadores de potência sofrem contínuo processo de envelhecimento quando estão em operação e um grande desafio que enfrentam as empresas de transmissão é o de gerenciar um parque de transformadores com idade avançada e perto do final de sua vida útil estimada. Considerando que a substituição desses equipamentos incorre em uma série de custos, seja do equipamento em si, como também do custo da indisponibilidade do equipamento, ou dos custos das equipes para a troca, é de grande interesse que tal substituição seja postergada tanto quanto possível. Nesse contexto, pesquisas vêm sendo conduzidas tanto no sentido de desenvolver novas técnicas de manutenção, para estender a vida útil dos equipamentos, como também no sentido de aperfeiçoar os métodos de avaliação indireta da vida útil de transformadores de potência. Como exemplo, pode-se citar pode-se citar os ensaios de resposta em freqüência, que visam identificar deformações nos enrolamentos, afrouxamentos de bobinas e medições de descargas parciais, métodos elétrico e acústico. Em razão das dificuldades e dos custos, esses ensaios eram realizados, até recentemente, exclusivamente para comprovação de eventuais anomalias que tivessem sido previamente detectadas por meio de ensaios tradicionais. O ensaio de resposta em freqüência vem se popularizando em algumas concessionárias internacionais devido ao desenvolvimento de um aparelho portátil para esse fim, [2]. Com o desenvolvimento desse novo aparelho a realização dos ensaios de resposta em freqüência tornou-se bastante acessível e atualmente se constitui numa poderosa ferramenta para prognóstico de falhas, evitando prejuízos de grande monta. Outro ensaio que vem se popularizando é o ensaio para detecção de Descargas Parciais pelo método elétrico e acústico, que é utilizado para se comprovar o fenômeno das Descargas Parciais, que tenha sido previamente detectado por meio de ensaios de cromatografia gasosa no óleo isolante. Trata-se de um ensaio muito trabalhoso e dispendioso, razão pela qual não é utilizado com um ensaio de rotina. Devido a necessidade de extensão de vida útil dos transformadores, muitos equipamentos vêm operando em regimes de sobrecarga por alguns períodos. Para essa condição de sobrecarga torna-se essencial o rígido monitoramento da temperatura de operação, visando a não formação de bolhas no óleo isolante. Esse assunto vem sendo exaustivamente estudado e importantes descobertas ocorreram no ano de 2001 com a publicação de um artigo[1], onde se identificou que as bolhas ocorrem a uma temperatura bem superior do que se imaginava segundo estudos anteriores. Com o desenvolvimento da nova equação a respeito da formação de bolhas no óleo [1], é possível calcular com maior precisão e confiabilidade a temperatura na qual haverá a formação de bolhas no óleo e com isso estabelecer os patamares de operação em sobrecarga de maneira segura e confiável. No estudo anterior concluiu-se que determinadas manutenções vinham sendo realizadas com técnicas de manutenção inadequadas, ocasionando, em alguns casos, o agravamento de falhas nos equipamentos. Poucas mudanças ocorreram nos processos de manutenção até o presente momento, vindo a concretizar as previsões anteriores. Os estudos
atuais [3] mostraram que uma parcela das falhas ocorridas nos transformadores decorre de técnicas de manutenção ineficientes ou inadequadas, conforme previsto no estudo anterior. A sugestão dos estudos é que sejam introduzidas novas técnicas de manutenção nos transformadores visando a detecção de seu verdadeiro estado de funcionamento. Estas novas técnicas foram exaustivamente discutidas pelo Grupo WG -12.18 do CIGRÉ que propõe até uma nova metodologia de gerenciamento de vida dos transformadores [3]. Uma importante ferramenta utilizada por algumas empresas é a medição do teor de furfuraldeído no óleo, 2FAL. Através desta técnica é possível prognosticar possíveis falhas incipientes e desta forma evitar grandes prejuízos. Algumas empresas vêm adotando essa técnica de ensaio, mas, os resultados só apareceram após alguns anos já que para utilização da técnica de maneira confiável e segura é necessário que se tenha um histórico de ensaios realizados para se aferir as variações no período. 4. Pesquisa e Implantação. Com base nos resultados obtidos na revisão bibliográfica foi discutido com a CTEEP os requisitos básicos do sistema e quais componentes do transformador deveriam ser monitorados com a finalidade de mitigar os riscos para a operação dos transformadores em sobrecarga. 4.1 Desenvolvimento O sistema foi desenvolvido com base nas equações de aquecimento, constantes da norma NBR-5416/97, [4], por meio das quais estima-se a temperatura do enrolamento do transformador, com base no regime de carregamento anterior ao período de sobrecarga, na temperatura ambiente e também na duração da sobrecarga ao qual o equipamento ficaria submetido. Outro ponto importante do sistema são as informações referentes ao óleo isolante, às restrições físicas dos transformadores e mesmo das subestações onde encontram-se instalados. 5. Topologia do Sistema de Gerenciamento Com base nos dados coletados junto ao Sistema SCADA., o sistema efetua o cálculo de máximo valor de carregamento possível de ser tolerado pelos transformadores sem comprometimento da vida útil, relacionando a amplitude da sobrecarga à duração da mesma. Os resultados obtidos nas simulações de carregamento são confrontados com dados de ensaios de óleo isolante e analisados em conjunto, para definição da condição de sobrecarga que pode ser aplicada ao transformador. O Sistema de gerenciamento é composto por 3 módulos: carregamento e leitura do banco de dados, ensaios de óleo e restrições, conforme descrito na Figura 01.
SISTEMA SCADA Leituras + Banco Dados CARREGAMENTO ENSAIOS DE ÓLEO temperatura ambiente são então lançados nas equações de aquecimento, permitindo o cálculo dos máximos patamares de carregamento admissíveis. Com base nos valores de temperatura obtidos com a aplicação das equações de aquecimento, define-se os máximos patamares de carga e os seus respectivos tempos de aplicação, respeitando os máximos valores de temperatura do óleo e enrolamento estabelecido nas normas. No sistema o operador pode simular o patamar de carregamento desejado ou o tempo que necessita operar em sobrecarga. RESTRIÇÕES 5.2 Módulo de Ensaios de Óleo CARREGAMENTO ADMISSÍVEL Figura 01 Diagrama esquemático do Sistema de Gerenciamento de Sobrecargas 5.1 Módulo de Carregamento A partir da seleção de um transformador, cujos dados encontram-se armazenados no banco de dados próprio do programa, o sistema carrega automaticamente as últimas 24 leituras horárias (SCADA) de Potência Aparente(MVA), construindo a curva de carga do transformador que servirá de base para os cálculos dos patamares admissíveis de sobrecarga. O conjunto de informações do transformador, seus carregamentos, juntamente com a Outro módulo que integra o Sistema de Gerenciamento é responsável pela análise das condições do óleo isolante, que detecta a existência de condições adversas envolvendo o óleo isolante, que seriam impeditivos para a operação do transformador sob regime de sobrecarga. O módulo referente ao óleo isolante executa a análise das características dos ensaios físicoquímicos e de cromatografia gasosa com base nos resultados e restringe ou libera a operação dos transformadores acima das condições nominais. No módulo do óleo isolante os resultados dos ensaios físico-químicos são comparados com valores máximos e mínimos admissíveis, dando origem a um diagnóstico adicional à análise da perda de vida útil. Para a cromatografia gasosa o transformador só é liberado para a operação em sobrecarga caso
este ensaio confirme a inexistência de anormalidades associadas a norma NBR 7274/82, [5]. Em ambos os ensaios analisados no módulo de carregamento, os valores destes são inseridos de forma manual pelo operador do sistema. 5.3 Módulo de Restrições O módulo de restrições complementa a análise com base em informações adicionais que eventualmente possam limitar a atuação dos transformadores, tais como, limitações de buchas, comutadores sob carga, barramentos das subestações, etc. Nos caso em que existem limitações externas ao próprio transformador, os patamares de sobrecarga são recalculados com base nos valores limite estabelecidos pelos equipamentos que estão na linha de corrente do transformador. 6. Conclusões e Recomendações Baseada em informações colhidas em tempo real, tais simulações permitem ao operador do sistema, assumir, com segurança, a tolerância temporária de sobrecarga em um determinado transformador, restringindo-se a estabelecer cortes de carga que sejam essencialmente necessários para manter condições de envelhecimento compatíveis com aquelas que sejam toleráveis pelo equipamento. Há que ser aperfeiçoado o banco de dados referente às limitações existentes na linha de corrente dos transformadores, permitindo ao operador a informação imediata da condição do transformador sem a necessidade de consulta a outros órgãos da empresa. Para desenvolvimentos futuros sugere-se que o banco de dados seja gradualmente enriquecido com informações que sejam relavantes para a avaliação dos limites operativos dos equipamentos, tais como ensaios de Grau de Polimerização, 2FAL, informações de manutenção, ocorrências relevantes, etc. Entende-se que um grande salto de qualidade poderá ser obtido a partir da integração do banco de dados de ensaio de óleo isolante da CTEEP com o Sistema de Gerenciamento desenvolvido. 7. Bibliografia [1] T.V Oommen Buble Evolution from Transformer Overload IEEE 2001; [2] Jarman, Paul N, Darwin (Doble), Allan W (Areva Transformers) Experimental and Numerical Investigation of frequency response analysis Method for diagnosing transformer winding deformations Doble Conference 2002 USA. [3] CIGRE Working Group Life Management of Transformers, Final Report Life Management Techniques for Power Transformers (to be issued). [4] NBR 5416/97 Aplicação de Cargas em Transformadores de Potência Procedimento [5] NBR 7274/82 Interpretação da Análise dos Gases de Transformadores em Serviço
8. Anexo I - Exemplo de telas Sistema de Gerenciamento de Sobrecargas MÓDULO DE CAREGAMENTO MÓDULO DE ENSAIO DE ÓLEO