Uma visão panorâmica da ascensão dos testes dielétricos e elétricos de transformadores

Autor: Jill Duplessis 

Os transformadores são uma maravilha da física e da engenharia. Eles permitem que um caminho contínuo de energia atenda às necessidades de muitos segmentos diferentes; fornecem uma ligação, por exemplo, entre os circuitos de transmissão, que operam de forma mais eficiente em altas tensões, e os circuitos de distribuição, que necessariamente operam em média tensão. Os transformadores fazem isso em um espaço impressionantemente pequeno, com perdas intrínsecas notavelmente baixas.

A Megger, uma verdadeira pioneira em testes dielétricos, tem estado associada aos transformadores quase desde o início. Os primeiros transformadores de potência surgiram em meados da década de 1880, logo seguidos pelo primeiro conjunto prático de teste de isolamento, inventado em 1895 pelo fundador da Megger, Sydney Evershed. Esse conjunto de teste produzia uma tensão de teste CC alta o suficiente para permitir a medição direta de valores de resistência de isolamento na faixa de megohm. Esse inovador "medidor de megohm" foi logo descrito como Megger, e o nome tornou-se uma marca registrada em 25 de maio de 1903. 

Avançando quase um século e um quarto, a Megger agora oferece uma das mais amplas linhas de equipamentos de teste de transformadores existentes, incluindo soluções de função única, multifuncionais e abrangentes baseadas em veículos. Os instrumentos da empresa abrangem testes de triagem e diagnóstico para transformadores, demonstrando o compromisso da Megger em ajudar a garantir que esses importantes ativos ofereçam o melhor desempenho e confiabilidade possíveis. 
 

oferta de uma gama tão ampla de soluções posiciona a empresa em um lugar único de neutralidade, permitindo compartilhar, sem preconceitos, os pontos fortes e fracos de cada tipo de teste e como esses podem ser melhor utilizados em combinação. Isso sustenta uma visão excepcional dos transformadores, o que é imensamente importante à medida que o setor elétrico avança cada vez mais na integração de dados de várias fontes de teste (por exemplo, elétrico/óleo/infravermelho, desenergizado/energizado/contínuo etc.) e precisa saber como gerenciar esses dados de forma responsável. 

Os instrumentos de teste Megger são inestimáveis em muitos estágios do ciclo de vida de um transformador, incluindo, por exemplo: 

• Como uma solução de teste de componentes antes da montagem do transformador na fábrica 
• Após a montagem na fábrica e durante a secagem, para identificar com eficiência o ponto de conclusão da secagem 
• Durante os testes do fabricante 
• Antes de ser despachado do local do fabricante e novamente ao chegar ao seu destino 
• Após a montagem em campo e antes da energização (testes de aceitação) 
• Durante as interrupções planejadas ao longo da vida útil do transformador (testes de triagem) 
• Quando surgem problemas (testes de diagnóstico) 
• Após uma falha, para identificar a causa (testes forenses) 

Os testes de triagem e diagnóstico fornecem informações sobre todos os três índices de integridade do transformador: 

• Dielétrico – A capacidade dos materiais isolantes do transformador de suportar um campo elétrico e, assim, proporcionar isolamento elétrico das partes energizadas de outras partes que estão operando em tensões diferentes ou que são mantidas no potencial de terra 
• Mecânico – Relacionado à capacidade de um transformador de transportar corrente e, portanto, também abrange a saúde magnética 
• Térmico – A capacidade do transformador de dissipar o calor de forma segura e eficaz 

Um teste de triagem é um teste de primeiro nível, realizado rotineiramente como medida de precaução, para verificar se um (ou mais) dos índices de integridade do transformador está dentro dos limites aceitáveis. A intenção é detectar problemas no início de seu desenvolvimento, antes que surjam outros sintomas mais evidentes. A detecção precoce de problemas oferece oportunidades de gerenciar o ativo a partir de uma perspectiva mais informada. Isso, por sua vez, cria a possibilidade de minimizar o impacto de situações indesejáveis por meio da realização de manutenção ou reparos, ou da operação do ativo com capacidade reduzida. 

Em muitos casos, os testes de triagem também são executados como testes de comissionamento, para estabelecer registros de referência para o ativo quando ele é novo, para o benefício de futuras referências comparativas, e para rastrear problemas inesperados introduzidos durante a fabricação ou a instalação. 

Um teste de diagnóstico (teste de localização) geralmente é conclusivo, ou seja, indica o que está errado em vez de fornecer uma indicação geral de que algo está errado. Quando os testes de triagem são realizados rotineiramente, geralmente não é necessário realizar os testes de diagnóstico correspondentes. 

A resposta de frequência dielétrica (DFR) é um bom exemplo de um teste de diagnóstico. Ele fornece dados sobre a porcentagem de umidade no papel, a condutividade do óleo e as características térmicas do isolamento. O teste DFR é usado em conjunto com um banco de dados e uma avaliação assistida por computador, que são específicos para o instrumento de teste DFR adquirido. 

No entanto, o conhecimento preciso do teor de umidade e da condutividade do óleo só é necessário quando um ou ambos estão em níveis inaceitáveis. Isso faz com que a técnica alternativa de resposta de frequência dielétrica de banda estreita (NB DFR) seja uma excelente opção para fins de triagem, pois tem excelentes recursos de detecção de problemas e fornece resultados que podem ser analisados simplesmente por inspeção. Um teste NB DFR, por exemplo, alertará os usuários sobre níveis inaceitáveis de umidade e/ou condutividade do óleo, o que pode indicar a necessidade de uma investigação mais aprofundada usando um teste DFR completo, com o qual é possível identificar o contaminante ofensivo e quantificar os níveis presentes.

Como mostra a Figura 1, os atuais testes de triagem elétrica e dielétrica para transformadores e acessórios são muito mais interessantes do que o tradicional "dilema dos dois testes" – teste de resistência de isolamento CC e teste de fator de potência/fator de dissipação/capacitância. 

O teste de resistência de isolamento CC foi o primeiro teste de triagem dielétrica do mundo. No entanto, ele foi seguido de perto pelo fator de potência/fator de dissipação (PF/DF) e pelo teste de capacitância, que estava em uso nos laboratórios dos fabricantes de cabos no início do século XX. Os testes de PF/DF e de capacitância ganharam popularidade com a introdução de buchas com grau de capacitância. A construção dessas buchas apresenta desafios para os testes com fontes CC, enquanto o PF/DF consegue encontrar problemas localizados nesse tipo de bucha, que antes não podiam ser detectados. 

Por volta de 1920, surgiu o teste de relação de espiras do transformador (TTR). Trata-se de um teste funcional, que garante que a tensão de saída de um transformador está de acordo com o esperado e, quando usado junto com os testes de corrente de excitação, também é um teste dielétrico importante para avaliar o isolamento dos enrolamentos entre espiras. Nenhum outro teste de triagem dielétrica, exceto o teste de corrente de excitação, enfatiza o isolamento entre espiras. 

Ainda hoje, o instrumento de teste TTR de manivela manual da Megger, que foi introduzido em 1949, é considerado por um grande contingente dos testadores mais experientes da América do Norte como o padrão ouro para instrumentos de teste TTR. Quando outro instrumento de TTR produz resultados que parecem duvidosos, a manivela manual é o instrumento que eles usam para finalmente determinar se há ou não um problema. 

Embora a teoria do teste TTR seja frequentemente considerada simples – usando a suposição de que a relação das tensões terminais do transformador é igual à relação de espiras –, essa é uma simplificação excessiva que pode levar a erros devido aos efeitos da permeabilidade do núcleo, da configuração do enrolamento, das perdas de excitação, da tensão de teste e muito mais. Muito se aprendeu nos últimos anos sobre as fontes de erro na medição de TTR e novas abordagens foram desenvolvidas para compensá-las. 

Por exemplo, os resultados dos testes de campo mostram que a excitação trifásica simultânea e um método de teste de aumento de fase, em oposição ao método de redução de fase mais conhecido, melhoram muito a precisão dos resultados dos testes de TTR. O teste de elevação de TTR permite um melhor acoplamento entre os enrolamentos, gera mais fluxo e reduz a dependência da tensão em comparação com a abordagem redução. O mais novo instrumento de teste de transformador da Megger, o TTRU3, incorpora todos os desenvolvimentos mais recentes para fornecer os testes de relação mais consistentemente precisos desde a manivela.
 

No final do século XX, havia um sentimento crescente de que os testes de PF/DF e capacitância poderiam fornecer mais informações. Em resposta a isso, em 1996, o Dr. Peter Werelius e Björn (Bengtsson) Jernström conseguiram levar o teste de resposta de frequência dielétrica (DFR) do laboratório para o campo, introduzindo o primeiro instrumento de teste de DFR portátil em campo, que agora é conhecido como IDAX da Megger. 

Isso oferece uma maneira confiável de estimar o teor de umidade no isolamento de celulose/papel de um transformador, sua condutividade de óleo e seu comportamento térmico. A presença de água na parte sólida do isolamento, mesmo em pequenas concentrações, aumenta sua taxa de envelhecimento e reduz a temperatura admissível do ponto quente do transformador, o que significa que o perfil de carga do transformador em situações de emergência pode precisar ser revisto. Ele também aumenta o risco de formação de bolhas e subsequente falha dielétrica, além de reduzir a resistência dielétrica do óleo do transformador e o nível inicial de atividade de descarga parcial. 

Como se trata de um teste de diagnóstico, o DFR não deve ser realizado rotineiramente, desde que um teste de triagem adequado seja usado para sinalizar possíveis problemas de umidade. É importante observar, no entanto, que um teste tradicional de PF/DF e capacitância não é uma boa ferramenta de triagem para contaminação por umidade. Em média, um teste de PF/DF de frequência de linha pode não detectar um problema até que a umidade no papel seja de quase 3%. Para colocar isso em perspectiva, a uma temperatura operacional constante de 90 ºC, a celulose com 1% de umidade tem uma expectativa de vida de aproximadamente 12 anos; com 3% de umidade, a expectativa de vida é de apenas 3 anos. 

Um teste de PF/DF e de capacitância tem outras deficiências, conforme mostrado na Figura 2. Por causa disso, nos primeiros anos deste século, o teste NB DFR surgiu como um complemento importante ao teste de PF/DF. Essencialmente, em um teste NB DFR, os testes de PF/DF são repetidos várias vezes em diferentes frequências. Muitos instrumentos de PF/DF têm recursos de frequência variável e podem ser usados para testes de NB DFR. Entretanto, para obter todos os benefícios desse teste, é importante testar em frequências de até 1 Hz ou menos, e até pelo menos 500 Hz (veja as observações na Figura 2). O instrumento de teste de capacitância e PF/DF dedicado da Megger, o Delta, oferece essa funcionalidade, assim como o instrumento de teste de subestação multifuncional TRAX da empresa. 

Um marco significativo nas décadas de pesquisa de DFR é o desenvolvimento pela Megger do algoritmo de correção de temperatura individual (ITC) em 2010, que torna a interpretação dos resultados de PF/DF e NB DFR significativamente mais confiável. Qualquer alteração no PF/DF pode indicar um problema, mas as características elétricas dos materiais isolantes mudam com a temperatura. 

Como os testes de triagem no isolamento dependem da detecção de alterações nas características elétricas dos materiais, somente os dados obtidos na mesma temperatura podem ser comparados. Dessa forma, qualquer alteração nos parâmetros elétricos medidos pode ser atribuída a uma alteração no estado do material e não a uma diferença de temperatura. Como não é prático garantir que os ativos estejam na mesma temperatura sempre que forem testados, é necessária alguma forma de determinar o comportamento equivalente do isolamento em uma temperatura de base (geralmente 20 ºC). 

As medições do fator de potência da frequência da rede (50/60 Hz) têm sido tradicionalmente corrigidas para 20 °C usando um fator de correção aproximado. No entanto, sabe-se que o verdadeiro fator de correção depende do status do isolamento e, como uma tabela de consulta não pode levar isso em conta, o uso de uma correção genérica pode introduzir erros significativos. Felizmente, usando o conhecimento sobre a interpretação do DFR e lembrando que os instrumentos modernos de fator de potência podem varrer uma faixa de frequências, agora é possível determinar um fator de correção de temperatura muito mais preciso, com o auxílio do algoritmo ITC. Isso é feito por meio da realização de uma varredura de frequência limitada no objeto de teste real. 

Obviamente, a triagem dielétrica é apenas um aspecto da avaliação da integridade do transformador e, em artigos futuros, pretendo analisar outros aspectos importantes. Enquanto isso, espero que este artigo tenha fornecido uma visão geral útil da maneira como o teste dielétrico do transformador evoluiu ao longo dos anos e como a tecnologia de teste atual pode fornecer percepções valiosas, confiáveis e facilmente adquiridas sobre a condição desses ativos valiosos e onipresentes.