Resposta de frequência das perdas por dispersão em transformadores
Este artigo visa familiarizar os leitores com o teste de resposta de frequência de perdas por dispersão (FRSL) em transformadores, uma técnica de teste importante que está ganhando rapidamente reconhecimento no setor devido à sua capacidade de revelar problemas que não seriam detectados por outros métodos de teste.
A FRSL como uma ferramenta de teste para transformadores foi discutida e investigada pela Hydro-Québec na década de 1970 devido à sua capacidade de detectar deformação do enrolamento. A Hydro-Québec examinou simultaneamente o uso do método de análise de resposta de frequência de varredura (SFRA) e do teste de reatância de vazamento para o mesmo propósito e, no final, a SFRA, juntamente com o teste de reatância de vazamento, vieram a ser as ferramentas aceitas para confirmar a deformação do enrolamento.
Por algum tempo, a FRSL não era amplamente utilizada. Ou seja, até que seus pontos fortes de diagnóstico aparentemente latentes foram expostos. Um ponto especialmente importante foi a descoberta de que a FRSL é muito útil para revelar curtos-circuitos entre filamentos individuais dentro de um feixe de condutores. Este é um modo de falha que, até o advento da FRSL, não era detectável com métodos de teste elétrico.
Um pacote de condutores pode ser composto por qualquer número de filamentos condutores isolados individualmente. Quando dois ou mais desses filamentos estão em curto, isso não é uma falha de conversão, nem mesmo um curto-circuito de conversão parcial. Esta é uma situação em que um ou mais filamentos dentro de um conjunto de condutores ficam em curto-circuito com um ou mais filamentos dentro de uma espira adjacente do conjunto de condutores. O teste de corrente de excitação, por exemplo, pode revelar um curto-circuito parcial entre espiras, mas não é sensível a um curto-circuito entre filamentos individuais.
Informações gerais
Ao examinar testes de FRSL, alguns fatos básicos sobre transformadores precisam ser lembrados. A primeira é que uma corrente através de um condutor criará um campo magnético ao redor do condutor e, se for uma corrente alternada, o campo magnético resultante será variável no tempo. A segunda é que, se um fluxo magnético variável no tempo cortar através de um condutor ele induzirá uma tensão dentro desse condutor.
A ação do transformador é o uso de um campo magnético variável no tempo criado pela passagem da corrente CA através de um enrolamento de um transformador para induzir uma tensão em um segundo enrolamento. Observa-se que mais do campo magnético criado pelo primeiro enrolamento será vinculado ao segundo enrolamento quando ambos os enrolamentos forem enrolados em torno de um núcleo transformador de aço, já que o ferro de silício usado nesses núcleos é um excelente conduto para o transporte de fluxo magnético.
Quando um transformador é energizado, mas não carrega carga, a corrente está presente somente no enrolamento primário. Esta é a corrente emocionante e é um reflexo da quantidade de energia necessária para forçar a ação do transformador, que é um processo de consumo e armazenamento de energia. Observa-se ainda que, nestas condições, o aço de núcleo transporta todo o fluxo.
Por outro lado, quando um transformador é conectado a uma carga e é energizado, a corrente flui nos enrolamentos secundário e primário. A ação combinada do fluxo de corrente em ambos os enrolamentos faz com que algum fluxo seja empurrado para fora do núcleo para a maioria ou parte de seu caminho. Isso é chamado de fluxo de vazamento.
Figura 1: Gráfico das linhas de fluxo quando o transformador está energizado e os enrolamentos de BT estão em curto-circuito
O problema do fluxo de vazamento é que ele discrimina; ele não corta de forma consistente e uniforme todas as espiras de todos os enrolamentos. Na Figura 1, contar linhas de fluxo de vazamento que cortam através do enrolamento de baixa tensão (BT) e, separadamente, contar aquelas que cortam através do enrolamento de alta tensão (AT), por exemplo, revelará que consideravelmente mais linhas de fluxo de vazamento cortam através do enrolamento de AT. O fluxo de vazamento, portanto, induzirá uma tensão diferente no enrolamento primário do que no enrolamento secundário. Mas o que isso significa na prática?
Quando você desenergiza um transformador e executa um teste de relação de espira do transformador, a relação da tensão primária medida com a tensão secundária medida deve representar, na prática, a relação do número de espiras primárias com o número de espiras secundárias. O teste confirma que os números de espiras previstos pelo projetista e fabricante do transformador estão presentes e não estão "ausentes" por meio de circuitos abertos ou em curto-circuito. Se tudo estiver normal, a relação de espira medida corresponderá à relação da tensão primária com a secundária estampada na placa de identificação.
No entanto, quando o transformador é energizado e conectado à carga, devido ao fluxo de vazamento, a relação entre a tensão primária e a tensão secundária não é mais a mesma que quando o transformador não estava carregando carga. Esse fenômeno é refletido no circuito equivalente de um transformador por componentes indutivos separados do lado primário e secundário.
Quando o fluxo de vazamento corta através dos enrolamentos primário ou secundário e induz tensão ele dá origem a correntes parasitas dentro dos enrolamentos, o que contribui para as perdas totais no transformador. As perdas por correntes parasitas podem ser atribuídas a dois efeitos diferentes: o efeito de pele e o efeito de proximidade. Estes diferem em princípio, mas ambos resultam em uma distribuição de corrente não uniforme dentro dos condutores que compõem os enrolamentos do transformador. Como consequência, a área transversal efetiva de transporte de corrente desses condutores é reduzida, de modo que sua resistência efetiva aumenta.
O efeito da pele deve-se a correntes parasitas opostas induzidas dentro do condutor que cancelam o fluxo de corrente no centro do condutor e o reforçam na periferia. Isso significa que a maioria da corrente flui na periferia externa, ou na pele, do condutor. A profundidade de pele, ou penetração, é uma medida da profundidade na qual a densidade de corrente diminui para 1/e de seu valor na superfície, onde e é igual a 2,718, a base dos logaritmos naturais.
Quanto menor a profundidade da pele, mais o fluxo de corrente é restrito e maior a resistência CA efetiva do condutor. A profundidade da pele em relação ao diâmetro de um condutor também é importante; quanto mais penetração de corrente através do condutor, menores perdas por correntes parasitas. Pode muito bem ser que uma pequena profundidade da pele em relação a um condutor de diâmetro pequeno, ou seja, um filamento, representará mais penetração de corrente no filamento do que uma profundidade de pele ligeiramente maior em relação a um condutor de diâmetro muito maior.
Dividir um condutor em filamentos isolados individualmente e garantir que cada filamento englobe o fluxo idêntico limitará a circulação de correntes parasitas de um filamento para o outro através de suas interconexões de terminação. Isso é feito através da transposição e também reduz as perdas.
Quando dois ou mais filamentos dentro de um conjunto de condutores apresentam curto-circuito entre si, as perdas parasitas aumentam. O filamento fundido efetivamente aumentou de diâmetro e, dependendo da localização do curto, a nova composição de filamentos pode não mais abranger o fluxo idêntico, de modo que correntes parasitas adicionais circularão. Essas perdas adicionais culminarão em um aumento na resistência de CA medida sob condições de carga simulada do transformador.
A FRSL é essencialmente a mesma medição que o teste de reatância de fuga (LRT); no entanto, toda a atenção é dada à porção resistiva da medição enquanto com o LRT, a impedância de curto-circuito, composta tanto dos componentes resistivos como reativos, é avaliada. Além disso, a FRSL é realizada em várias frequências discretas entre, por exemplo, 1 Hz e 500 Hz.
A medição de alta frequência é crítica porque é onde a influência do efeito de pele é mais pronunciada e onde a resistência atribuída às influências de CA representa uma proporção maior da medição de resistência. Portanto, uma falha de filamento-filamento em desenvolvimento ou madura, que resultará em mais perdas por correntes parasitas, será detectável apenas em frequências mais altas, e não na frequência de operação.
Análise dos resultados de FRSL
A análise dos resultados de FRSL é melhor realizada por meio de comparações com os resultados de testes anteriores feitos no mesmo transformador. Se isso não for possível, os resultados de cada fase podem ser comparados e devem ser muito semelhantes.
A Figura 2 mostra a forma da curva esperada (um exponencial suave) e uma comparação de fase.
Figura 2a e b: Resultados do teste de FRSL fornecidos no software FRAX na conclusão do teste de SFRA
Se houver um desvio vertical de toda uma curva de fase das outras curvas de duas fases, as conexões de curto na fase com defeito devem ser verificadas, os esforços devem ser feitos para melhorá-las e o teste deve ser repetido. Os resultados do teste de resistência em espiral devem ser examinados caso haja uma anomalia correspondente associada à fase com defeito, pois um desvio vertical é indicativo de maior resistência do caminho de transporte de corrente.
Os filamentos em curto-circuito se revelam nos dados como curvas que se sobrepõem em baixas frequências e depois começam a divergir em frequências mais altas. O Guia CIGRE para Manutenção do transformador publicado pelo Grupo de trabalho A2.34 define o critério de falha para o diagnóstico de FRSL como uma diferença superior a 15% na resistência CA entre fases. No entanto, um problema pode se manifestar com um desvio muito menor entre as fases, então, deve-se tomar cuidado ao avaliar os resultados.
Mesmo que a curva de uma fase seja apenas 2 a 3% diferente das outras fases, isso pode ser indicativo de uma falha de curto-circuito entre filamentos paralelos. Isso torna ainda mais interessante a necessidade de resultados de testes anteriores, pois as comparações com resultados históricos facilitam as conclusões sobre as alterações que podem ter ocorrido.
Realizar testes de FRSL
Embora alguns usuários possam não perceber, quando eles realizam testes de SFRA com um conjunto de testes Megger FRAX eles também estão executando um teste de FRSL. O software FRAX fornece automaticamente os resultados de FRSL, como mostrado no exemplo a seguir.
No menu Configuração, Modelos, selecione Impedância, R (Impedância) e L (Impedância)
No menu Configuração, Visualizações de gráfico, certifique-se de que Impedância esteja habilitado.
Agora você pode gerar gráficos de Impedância (Ohms), Resistência (Ohms) e/ou Indutância (Henries). As fórmulas são válidas somente para frequências baixas. Os gráficos abaixo, em baixas frequências, mostram, de cima para baixo:
♦ Três gráficos de Impedância em função da frequência (aumenta com a frequência, pois a indutância predomina)
♦ Três gráficos de resistência em função da frequência (FRSL)
♦ Três gráficos de indutância em função da frequência (importante para deformação do enrolamento)
Usando a janela de zoom, Figura 2, é fácil ver que, neste caso, a FRSL apresenta uma boa resposta, sem indicação de problemas.
Jill Duplessis - Gerente de Marketing Técnico Global
