Manter um olhar atento sobre os transformadores

Autor: Daniel Hering, Desenvolvedor de Software, Power Diagnostix
Medições de descarga parcial (DP) com o sistema Power Diagnostix ICMsystem da Megger fornecem informações valiosas sobre a natureza, localização e gravidade da atividade DP e, portanto, o nível de risco associado. Esses insights informam totalmente as decisões de gerenciamento de ativos. Em alguns casos, pode ser possível gerenciar condições de risco relativamente baixo reduzindo as demandas operacionais sobre um ativo afetado até que uma data de parada mais conveniente esteja disponível, enquanto em outros, um reparo imediato pode ser necessário. Em ambos os casos, as medições de DP fornecem informações sobre a natureza dos reparos necessários, antes do início do processo de reparo. Isso elimina a necessidade de investigações exploratórias para localizar o dano dielétrico e facilita muito a preparação para o que é provável que seja encontrado quando o transformador for aberto. Isso, por sua vez, leva a um planejamento melhor, um tempo de paralisação mais curto, custos mais baixos e uma segurança de fornecimento aprimorada.
Figura 1: ICMsystem

A medição de PD é uma técnica bem estabelecida e comprovada para analisar a condição do isolamento em transformadores de potência e grandes transformadores de distribuição. Na verdade, para muitos operadores de transformadores essa técnica se tornou um elemento obrigatório dos testes de aceitação de fábrica, bem como uma parte fundamental do programa de testes de manutenção de rotina. A Power Diagnostix, uma empresa da Megger, vem desenvolvendo sistemas de medição de DP desde 1980 e este artigo discute as aplicações de um dos produtos mais recentes e versáteis da empresa: O ICMsystem Power Diagnostix.
Após a fabricação de um transformador, o núcleo, os enrolamentos, o isolamento e outros componentes principais, incluindo os comutadores de derivação sob carga, não são facilmente acessíveis para inspeção e reparo. Abrir um transformador para realizar reparos é um processo difícil, demorado e caro. Isso torna o teste de DP uma parte importante da manutenção regular dos transformadores, pois permite que a natureza, a localização e a gravidade das falhas iniciais sejam prontamente determinadas.
Análise de gás dissolvido
A manutenção do transformador normalmente começa com a análise de gás dissolvido (DGA), que é uma análise sistemática do óleo do transformador usando um cromatógrafo a gás. Há uma grande quantidade de conhecimento sobre como os gases dissolvidos no óleo do transformador, causados por problemas como superaquecimento, envelhecimento do papel e arco voltaico, se correlacionam com a ocorrência de atividade de DP. A análise inicial do gás geralmente se concentra em hidrogênio, hidrocarbonetos e óxidos de carbono, como CH4, C2H2, C2H6, CO e CO2. Ele fornece informações preliminares importantes sobre a existência da atividade de DP e seus riscos associados, mas fornece pouca ou nenhuma informação útil sobre a localização da atividade de DP dentro do transformador. A identificação do local requer duas etapas: pré-localização e localização.
Pré-localização da atividade de DP
As tomadas potenciais ou de teste nos isoladores de alta tensão do transformador de energia são usadas para acoplar o sinal de descarga parcial e facilitar as medições de DP. Uma impedância de medição, conhecida como PDIX Quadrupole™, é conectada à tomada de teste de cada isolador. Quando combinado com um pré-amplificador, cada Quadrupole se torna um filtro passa-alta ativo que passa por sinais de alta frequência. O pré-amplificador ICMsystem possui uma impedância de entrada muito alta, o que proporciona uma transferência eficiente de sinal, preservando o sinal do transformador em seu percurso através do ponto de teste do isolador. Ele amplifica pequenos sinais e tem uma impedância de saída baixa (50 Ω), que é ideal para conduzir a linha que se conecta aos principais elementos do ICMsystem. Este arranjo permite alcançar uma boa relação sinal-ruído, mesmo em conexões longas, sem a complicação de utilizar transmissão de sinal por fibra óptica.
Cada tomada de teste no transformador é atribuída a um canal no dispositivo de medição. O ICMsystem tem dez canais de medição para permitir o ponto principal, secundário, terciário e, se presente, o ponto de estrela, a ser medido simultaneamente. Uma vez feitas as conexões necessárias, o sistema de medição é calibrado pela injeção de um pulso que carrega uma carga conhecida em cada fase medida. Durante o processo de calibração, o ICMsystem gera automaticamente uma matriz de acoplamento cruzado (Figura 2) que fornece informações sobre o acoplamento de sinais de alta frequência entre os pontos de medição individuais. A comparação do acoplamento cruzado durante a calibração com o acoplamento cruzado durante as medições de DP dará uma indicação inicial da localização da DP dentro do transformador.
Atividade de identificação de DP
Para localizar a atividade de DP com mais precisão, várias opções estão disponíveis.
Variação do modo de excitação
A tensão inicial da DP e a posição de fase da atividade de DP interna dependem do modo da tensão de teste. A variação do modo de excitação fornece informações valiosas sobre a localização da falha no transformador. No teste de tensão induzida trifásico, todas as três fases do transformador são fornecidas com alta tensão com uma defasagem entre fases de 120 graus. Esta defasagem resulta em mais mudanças de fase em múltiplos de 30 graus entre pares de enrolamentos (por exemplo entre primário e secundário). Isso significa que uma mudança na posição de fase do padrão de DP resolvido por fase (PRPD) entre excitação monofásica e trifásica fornece informações sobre o campo elétrico no local da falha e, portanto, sobre a localização da falha no transformador. Se a posição de fase não se alterar entre as medições monofásica e trifásica, a falha observada está no sistema de isolamento fase-terra, mas, se a posição de fase mudar, a falha está no isolamento entre duas fases.
Figura 2: Matriz de acoplamento cruzado durante a calibração

Figura 3: Excitação monofásica em um transformador YNd

Figura 4: Padrão de DP na delaminação dentro das camadas de papel

Desde que o transformador a ser testado permita este modo de funcionamento, a excitação monofásica com um ponto de estrela não aterrado fornece opções de diagnóstico adicionais. Em comparação com a medição de tensão induzida monofásica comum, a queda de tensão dentro do enrolamento excitado é reduzida em um terço da excitação com um ponto em estrela não aterrado. Como mostra a Figura 3, quando o ponto de estrela não é aterrado, a tensão é distribuída através do enrolamento excitado em série com a combinação paralela dos dois outros enrolamentos de fase. A reatância indutiva da combinação paralela é metade da reatância indutiva do enrolamento excitado. Portanto, dois terços da queda de tensão ocorrem no enrolamento excitado. Comparar as tensões iniciais de DP entre excitação monofásica com um ponto estrela aterrado e excitação monofásica com um ponto estrela não aterrado, portanto, fornece informações sobre a localização da falha de DP dentro do respectivo enrolamento.
Os métodos de localização avançados permitem uma localização precisa
Os métodos analíticos mencionados até o momento fornecem informações sobre a localização da falha dentro do transformador, sem a necessidade de um conhecimento profundo da forma como a DP é gerada. Os seguintes métodos de análise avançada podem, no entanto, ser usados para identificar a localização exata da falha em alguns centímetros.
Análise do padrão de descarga parcial
O aspecto do padrão PRPD é determinado pelas propriedades físicas do meio de isolamento circundante e pela posição da fonte de DP no meio de isolamento. Há alguns padrões de DP típicos que são frequentemente vistos em transformadores e reconhecer esses padrões pode contribuir para determinar a localização da DP. Por exemplo, a delaminação dentro das camadas de papel tem um padrão de DP muito claro que permite restringir consideravelmente as áreas suspeitas dentro do transformador.
Medição no domínio do tempo
Os sinais de descarga parcial são pulsos de alta frequência com tempos de elevação na faixa de 1 ns (no ar), resultando em componentes de frequência de até 400 MHz. No entanto, os transformadores são projetados para trabalhar de forma eficiente com correntes e tensões a 50 ou 60 Hz, não em altas frequências. Em seu caminho através do transformador, os sinais DP de alta frequência são inevitavelmente submetidos a reflexão e oscilação, causadas por alterações de impedância, atenuação e efeitos de dispersão. Isso significa que mais informações importantes sobre a localização da atividade de DP no transformador podem ser obtidas comparando os sinais irradiados e conduzidos usando o osciloscópio multicanal integrado ao sistema ICMsystem. Esses sinais podem ser diferenciados porque os sinais conduzidos têm menos ruído e são mais bem definidos do que os sinais irradiados. Quando os sinais irradiados predominam, isso normalmente indica que a origem DP está em uma área relativamente aberta, por exemplo, uma derivação no tanque do transformador. Por outro lado, a atividade de PD localizada profundamente em outros componentes, como no interior de um enrolamento, emite sinais radiados mínimos.
Figura 5: Espectro de frequência

Figura 6: Diferenças no atraso entre os sinais elétrico e acústico

Medição da faixa de frequência
Um analisador de espectro recebe um sinal analógico e o converte em um espectro de frequência que fornece informações sobre os componentes de frequência que compõem o sinal. No caso de descarga parcial, a composição do espectro de frequência permite tirar conclusões sobre o caminho percorrido pelo sinal. O ICMsystem pode realizar uma análise de espetro na faixa de 10 kHz a 10 MHz. A Figura 5 é um exemplo que abrange a faixa de 20 kHz a 3 MHz. Nesse caso, o sinal tem apenas um componente de alta frequência muito pequeno, o que sugere que ele tinha que percorrer uma distância considerável dentro do transformador antes de ser detectado pelo sensor no ponto de teste do isolador.
Por outro lado, um espectro distribuído de forma relativamente uniforme indicaria que a localização da atividade de DP está próxima do ponto de teste/medição do isolador. A impedância complexa do próprio ponto de teste do isolador também deve ser levada em consideração. O pulso no ponto de teste do isolador é comparado com o pulso (no mesmo ponto) que foi registrado durante a calibração. A diferença fornece informações precisas sobre a localização da atividade de DP.
Detecção de falha acústica da atividade DP
Além dos sinais elétricos, a atividade de DP também produz ondas sonoras em frequências audíveis. Sensores piezoelétricos no tanque do transformador podem detectar essas ondas e usá-las para localização precisa. Com o osciloscópio multicanal interno, o ICMsystem pode ser usado para detecção de falhas acústicas simplesmente alterando os pré-amplificadores. Não são necessários outros dispositivos de medição caros.
Em comparação com os sinais elétricos, os sinais acústicos se propagam mais lentamente, e sua velocidade depende do meio através do qual se deslocam. No óleo, um sinal acústico tem uma velocidade de propagação de cerca de 1.400 m/s (dependendo da temperatura) enquanto no aço a velocidade de propagação é de 5.000 m/s ou mais. Levando em conta essa diferença e usando vários sensores acústicos, é possível restringir a localização da falha dentro de alguns centímetros dentro do transformador, analisando as diferenças no atraso dos sinais acústicos. A maior dificuldade na detecção de falhas acústicas é determinar o tempo preciso de origem do pulso de DP. Para fazer isso com precisão por meios puramente acústicos, é necessário um grande número de sensores.
O ICMsystem oferece benefícios em termos de tempo e custo
O ICMsystem contorna elegantemente essa dificuldade ao utilizar o sinal elétrico de PD desacoplado por meio de uma impedância de medição no ponto de teste do isolador. Isso fornece um ponto de referência preciso, de modo que apenas três sensores acústicos são necessários para determinar o ponto de origem das ondas sonoras geradas pela descarga parcial e para fornecer um resultado imediato. Devido ao pequeno número de sensores, o ICMsystem realiza a localização acústica de falhas de DP rapidamente e com pouco esforço, proporcionando vantagens consideráveis para os usuários, em termos de tempo e custo.
Em resumo, o ICMsystem permite localizar de forma rápida e prática o problema que causa a descarga parcial no sistema de isolamento de um transformador, com um nível de precisão que possibilita o reparo exato da área danificada.

Medições de DP no local
Em princípio, a maioria das técnicas descritas pode ser usada no local. No entanto, deve-se levar em consideração as circunstâncias especiais de uma medição no local. Embora os testes de aceitação de fábrica sejam realizados em laboratórios de alta tensão especialmente blindados, níveis elevados de interferência básica encontrados no local significam que é difícil realizar medições precisas em frequências abaixo de 1 MHz. Já o analisador de espetro integrado opcional do ICMsystem, oferece ao usuário a capacidade de realizar medições de DP com uma frequência central variável e uma largura de banda de 9 ou 300 kHz. Para medições no local, o uso de uma frequência central variável maximiza o escopo para lidar com condições não ideais.
O ICMsystem é adequado para testes de manutenção e de aceitação de fábrica em transformadores. A combinação de métodos tradicionais com tecnologia moderna de medição de DP oferece aos fabricantes e às operadoras de grandes transformadores, uma forma precisa e econômica de obter informações confiáveis sobre o estado atual desses ativos, importantes e de alto custo.