Teste tan delta: método de frequência variável

Autor: Jill Duplessis, gerente de marketing técnico global

A Southern California Edison (SCE) também faz amplo uso de testes de resposta de frequência dielétrica de banda estreita (NB DR), que ela descreve como “preferível... em relação aos testes de frequência de linha convencionais, pois anomalias como isolamento moderadamente úmido podem não ser detectáveis usando testes convencionais”. Este artigo analisa com mais detalhes as técnicas de teste de frequência variável, como os testes NB DFR, e os benefícios que eles oferecem.

Tan delta de frequência variável (resposta de frequência dielétrica de banda estreita, NB DFR)

Um teste tan delta de frequência variável é uma expansão de um teste tan delta tradicional, em que os testes tan δ são realizados em cada componente de isolamento (por exemplo, CH, CHL e CL) em várias frequências (por exemplo, entre 1 e 500 Hz), incluindo a frequência da linha. Basicamente, o teste é uma medição de resposta de frequência dielétrica (banda estreita).

Entre as vantagens de um teste de DFR de banda estreita, destacam-se:

♦  Fornece indicação antecipada de um problema no dielétrico.

♦  Distingue entre os “falsos positivos de tan delta” [por exemplo, separa o caso em que um tan delta de 0,3% na frequência da linha é realmente aceitável (0,5% de teor de água) e o caso em que um tan delta de 0,3% na frequência da linha está mascarando o aumento de umidade (2,0% de teor de água)].

♦  Permite determinar o tan delta corrigido pela temperatura a 20 °C para o sistema de isolamento com base em sua condição real e não a partir de tabelas padrão (ITC, correção individual da temperatura). 

Um dos benefícios de realizar testes tan delta em várias frequências é que ele fornece contexto para a medição de tan delta da frequência de linha. Conhecer o comportamento da resposta do dielétrico em pontos em ambos os lados da medição da frequência da linha proporciona uma melhor noção se o resultado do teste tan delta de 50/60 Hz é ou não representativo de um estado saudável para esse sistema de isolamento específico, e também se uma mudança observada no tan delta de 50/60 Hz em relação ao anterior precisa ser investigada imediatamente ou não. O ideal é que a inclinação da resposta dielétrica (ou seja, uma linha ajustada aos vários pontos de medição do fator de potência) seja positiva na frequência da linha. Isso indica baixas perdas do sistema.

Correção de temperatura individual (ITC)

Embora um teste de fator de potência de frequência de linha não seja extremamente sensível a um problema dielétrico emergente, ele é sensível à temperatura. Por exemplo, em geral, espera-se que uma medição do fator de potência em uma temperatura máxima do óleo de 30 °C seja maior do que uma medição do fator de potência no mesmo componente de isolamento a 25 °C, simplesmente por causa da influência da temperatura. Portanto, é importante compensar todas as variações de temperatura entre os testes se quisermos acompanhar a tendência dos dados de teste e confiar que uma mudança no tan delta seja realmente devida a uma mudança na condição do sistema de isolamento. Essa variável de dependência de temperatura é removida corrigindo-se todos os resultados do teste tan delta para seu valor equivalente a 20 °C.

Durante anos, o setor se baseou em algumas curvas para corrigir a dependência da temperatura de todos os transformadores: sejam eles novos, envelhecidos em serviço, com carga leve, com carga excessiva, limpos ou contaminados, etc. Mas, embora os fatores de correção genéricos estivessem disponíveis na norma IEEE C57.12.90-2006, seção 10.10.5, eles foram posteriormente removidos na C57.12.90-2010 com a seguinte nota: “Nota 3.b) De acordo com a experiência, a variação do fator de potência com a temperatura é substancial e irregular, de modo que nenhuma curva de correção única se ajustará a todos os casos.”

Um teste NB DFR permite determinar a correção de temperatura individual (ITC) ou exclusiva de um sistema de isolamento. Isso é significativo, pois os testes revelaram que não só cada transformador apresenta uma sensibilidade única à temperatura e exige uma compensação de temperatura individual, como também, ao longo de sua vida útil, a dependência da temperatura de um transformador pode mudar. Em geral, à medida que o isolamento se deteriora, o aumento da temperatura faz com que a tan delta aumente drasticamente.

O método ITC baseia-se no fato de que uma medição de tan delta, em uma determinada temperatura e frequência, corresponde a uma medição feita em uma temperatura e frequência diferentes. Ao medir o fator de potência em diferentes frequências [1-500 Hz] e em qualquer temperatura de isolamento, é possível determinar o fator de potência em qualquer temperatura [5 - 50 °C] e na frequência nominal.

Resposta de frequência dielétrica (DFR)

Um teste “clássico” de resposta de frequência dielétrica (DFR) é semelhante em conceito ao teste NB DFR, mas inclui mais medições de fator de potência em uma faixa de frequência mais ampla (normalmente de 1 mHz a 1000 Hz). Uma medição de teste DFR em uma determinada temperatura é comparada a um banco de dados de curvas por meio de uma ferramenta de análise, o que acaba proporcionando os benefícios adicionais de:

♦  Fornecer uma avaliação precisa do teor de umidade no isolamento sólido do transformador com base em padrões e guias internacionais

♦  Fornecer uma estimativa da condutividade do óleo

♦  Ir além dos três métodos para identificar o contaminante, avaliando as duas principais fontes de perdas acima (umidade e condutividade do óleo, respectivamente).

Normalmente, os testes DFR são realizados somente no(s) sistema(s) de isolamento entre enrolamentos de um transformador (CHL), pois é nesse ponto que a configuração é mais bem definida e menos influenciada por outros fatores, por exemplo, rastreamento superficial, LTC e outros. Isso contrasta com a versão de banda estreita do teste, na qual todos os três componentes de isolamento de um transformador de dois enrolamentos (CH, CHL e CL) são medidos rotineiramente em conjunto com uma medição tradicional de tan delta.

Fig.1: Curva típica de resposta dielétrica

A Figura 1 apresenta um gráfico típico de tan delta em relação à frequência. A umidade influencia as áreas de baixa e alta frequência. A seção pseudo-linear, localizada no meio da curva, reflete a condutividade do óleo. As condições da geometria do isolamento determinam os “pontos de joelho”, que estão localizados à esquerda e à direita do gradiente acentuado. À medida que a temperatura aumenta, a curva de resposta dielétrica se desloca para a direita. Portanto, a influência da temperatura precisa ser considerada, de modo que o operador deve simplesmente inserir esse valor.

A determinação da umidade baseia-se em uma comparação da resposta medida do transformador com uma resposta dielétrica modelada. O modelo de isolamento, que representa as frações de volume dos componentes do sistema de isolamento, é o modelo X-Y reconhecido internacionalmente e descrito em guias como o CIGRE TB 254 e 414.

A estrutura de isolamento do transformador de potência é representada pelo número relativo de espaçadores (barras) e barreiras no duto de resfriamento, conforme mostrado na Figura. 2. O parâmetro X é definido como a razão da soma de todas as barreiras no duto, agrupadas e divididas pela largura do duto. A cobertura do espaçador Y é definida como a largura total de todos os espaçadores dividida pelo comprimento total do perímetro do duto.

Figura 2: Modelos XY de um transformador

A permissividade do óleo (ɛóleo), dos espaçadores (ɛespaçadores) e das barreiras (ɛbarreiras) são funções complexas da frequência e da temperatura. A permissividade equivalente do modelo XY se dá por:

O uso do DFR para determinação da umidade baseia-se na comparação da resposta dielétrica medida do transformador com uma resposta dielétrica modelada. Um algoritmo de análise reorganiza a resposta dielétrica modelada e fornece uma nova curva modelada (para a qual o teor de umidade e a condutividade do óleo são conhecidos) que reflete o transformador medido. Os resultados são apresentados como teor de umidade e condutividade do óleo para o transformador.

Figura 3: Análise de umidade DFR do isolamento do transformador

A Fig. 3 mostra um exemplo. O transformador é um transformador de distribuição de 20 MVA. O teor de umidade da celulose e a condutividade do óleo são obtidos pela variação dos parâmetros na curva do modelo para a resposta de frequência dielétrica medida em uma determinada temperatura de isolamento.

A temperatura é um parâmetro de teste importante que deve ser fornecido pelo usuário como entrada no software. A temperatura do enrolamento ou a temperatura superior do óleo podem ser usadas como uma aproximação próxima da temperatura de isolamento. As medições de DFR em um transformador de distribuição em várias temperaturas são mostradas na Fig. 4. Embora a influência da temperatura na resposta dielétrica seja clara (deslocando a curva para a direita à medida que a temperatura aumenta), a ferramenta de análise de umidade ainda é capaz de identificar o valor correto da umidade no isolamento sólido, independentemente da temperatura do isolamento.

Figura 4: Medição e análise de DFR em várias temperaturas

Uma observação adicional é a capacidade do DFR de distinguir entre umidade e condutividade do óleo como fontes de aumento de perdas. A Fig. 5 apresenta os resultados do teste de DFR para três transformadores diferentes, todos com resultados idênticos de teste tan delta a 50 Hz (aproximadamente 0,5%), mas cada um com problemas muito diferentes.

Figura 5: Análise de DFR para três transformadores

A DFR é um método indireto para avaliar a umidade no isolamento sólido. Não há maneiras práticas de medir diretamente a umidade no isolamento de papel do transformador, portanto, a maioria das ferramentas disponíveis utiliza métodos de medição indireta, por meio dos quais são medidas as propriedades do isolamento que podem ser relacionadas ao teor de umidade.

Os métodos indiretos que têm sido tradicionalmente aplicados no setor para avaliar a contaminação por água do isolamento de papel, como medições de umidade no óleo e uso de gráficos de equilíbrio, só fornecem avaliações precisas se o equilíbrio de umidade tiver sido alcançado. No entanto, durante a operação normal de um transformador, a temperatura no interior do transformador varia ao longo do dia, de modo que o equilíbrio de umidade entre o papel e o óleo raramente será atingido, pois as constantes de tempo dos processos dinâmicos térmicos e de umidade são muito diferentes. Devido às imprecisões associadas à maioria dos outros métodos, o método de resposta de frequência dielétrica (DFR) surgiu como uma alternativa atraente. Esse método de teste elétrico (baseado em modelos) é um teste não intrusivo e muito confiável, com alta repetibilidade. Não há necessidade de esperar pelo equilíbrio, não há imprecisões devido à amostragem e ao manuseio do óleo, e o teste DFR pode ser realizado como parte do conjunto de testes elétricos planejados durante uma parada de manutenção.

Durante décadas, o setor se baseou em uma medição simples,
de frequência de linha e tan delta para determinar a integridade dielétrica. Infelizmente, esse método de teste tem muitas deficiências. Há muitas experiências em todo o setor demonstrando que um teste tan delta tradicional não é suficientemente sensível a níveis variáveis de contaminação. Isso obriga o operador a levar a sério qualquer alteração no fator de potência e o monitoramento contínuo surgiu como a melhor abordagem para analisar os resultados. O problema aqui é filtrar todas as variáveis de teste que podem influenciar a medição do fator de potência para que os resultados sejam realmente representativos do dielétrico em teste. Uma variável significativa é a temperatura e os métodos convencionais para normalizar cada resultado de teste em uma base comum para comparação são imprecisos. Consequentemente, os problemas muitas vezes passam despercebidos, mas uma preocupação igual é que a hipervigilância pode levar a muitos alarmes falsos caros.

Os métodos de resposta dielétrica avançaram muito na compreensão do comportamento dielétrico e revelaram meios mais eficientes para descobrir e identificar problemas dielétricos. O setor agora está incorporando métodos de resposta de frequência dielétrica [banda estreita (NB DFR) e “clássica” (DFR)] em seus programas de teste; a recompensa é uma maior conscientização sobre a condição dos ativos e melhores oportunidades de planejamento. Esses métodos permitem a determinação da sensibilidade única e, às vezes, variável de um dielétrico à temperatura e fornecem ao testador os meios para corrigir com precisão os resultados do fator de potência para uma base de 20° C.

As medições de DFR de banda estreita confirmam quando os valores aparentemente bons do fator de potência são realmente bons e revelam quando não são, permitindo assim a detecção precoce de problemas. Os testes DFR fornecem avaliações altamente precisas de umidade em isolamento sólido e condutividade de óleo.

Para obter mais informações sobre o equipamento de teste ND DFR, clique aqui 

Para obter mais informações sobre o equipamento de teste DFR “clássico”, clique aqui 

1 ou fator de potência. Para simplificar o texto, “tan delta” substitui o fator de potência/tan delta em todo o artigo.