Melhores práticas para análise de resposta de frequência de varredura

Introdução

As normas IEEE e IEC fazem referência a vários testes que podem ser realizados para avaliar a condição de um transformador. Um deles é a análise de resposta de frequência de varredura (SFRA), em que varreduras de baixa tensão e multifrequência são realizadas no transformador. Os resultados são analisados para revelar problemas com os componentes internos do transformador, incluindo o núcleo, os enrolamentos, os cabos de derivação e as conexões. Os testes SFRA podem detectar pequenas alterações físicas nesses componentes, mas os resultados podem ser afetados pela maneira como o conjunto de teste é conectado, pelas configurações específicas do transformador e até mesmo pelos testes realizados anteriormente no transformador. Este artigo de duas partes explica como as conexões adequadas e os testes metódicos ajudarão a tornar os resultados do teste SFRA mais precisos e repetíveis.

Noções básicas do teste SFRA

Durante o comissionamento de um transformador trifásico de dois enrolamentos, devem ser realizados 15 testes: 

• seis testes de circuito aberto (um para cada enrolamento);
• três testes de curto-circuito (realizados nos três enrolamentos do lado alto com X1, X2, X3 em curto no lado baixo);
• três testes capacitivos entre enrolamentos;
• três testes indutivos de entre enrolamentos. 

Todos os testes são realizados injetando-se uma baixa tensão, geralmente 10 Vp-p, em um terminal de um enrolamento e medindo-se a resposta na outra extremidade do enrolamento ou, para testes entre enrolamentos, no terminal correspondente do enrolamento secundário. Os terminais que não estão sendo medidos são deixados abertos, em curto ou aterrados, dependendo do teste. A frequência da tensão de teste normalmente varia de 20 Hz a 2 MHz e a relação entre a saída e a entrada, expressa em dB, é plotada em relação à frequência. A fase versus frequência também é plotada. 

Embora cada transformador tenha uma impressão digital exclusiva, surge um padrão geral com base no tipo de transformador e no teste realizado. Se o transformador estiver com defeito, a análise de diferentes faixas de frequência indica onde pode estar a falha. Com uma análise mais aprofundada e possivelmente mais testes, pode ser possível identificar o tipo de falha que ocorreu e sua provável localização dentro do transformador. 

Há três faixas de frequência de interesse para a maioria dos transformadores: as frequências baixa, média e alta. As frequências reais correspondentes a cada faixa dependem do tamanho, do tipo e do projeto do transformador. Entretanto, a partir da varredura típica de um autotransformador, mostrada na Figura 1 (extraída da IEC 60076-18), pode-se observar que os efeitos relacionados ao núcleo do transformador dominam a faixa de baixa frequência até aproximadamente 2 kHz. A varredura começa com uma magnitude decrescente com base nas indutâncias de magnetização do núcleo, estendendo-se até um mínimo que ocorre em um ponto de ressonância entre as capacitâncias de massa do transformador e a indutância de magnetização do núcleo. Deve-se observar que essa é uma resposta típica em que a fase A e a fase C têm dois mínimos locais e quase se sobrepõem uma à outra, enquanto a fase B tem um único ponto de ressonância mínimo local e responde de forma diferente em toda a faixa. Isso ocorre porque o terminal do núcleo da fase B tem caminhos de retorno simétricos para o fluxo, ao contrário das fases A e C. 

Passando para a faixa de frequência média (2 kHz a 20 kHz), a resposta é mais influenciada pelo acoplamento entre os enrolamentos, de modo que a forma da curva e os pontos de ressonância variam de acordo com o tipo de conexão e a disposição dos enrolamentos. À medida que a varredura avança para a faixa de alta frequência de 20 kHz a 1 MHz, as indutâncias de fuga, juntamente com as capacitâncias em série e de aterramento do enrolamento, determinam a forma geral. Para as faixas de frequência média e alta, as curvas para todas as três fases se sobrepõem quase exatamente, pois a resposta depende do enrolamento e, em geral, todos os três enrolamentos serão quase idênticos. 

Quando a varredura se estende acima de 1 MHz para transformadores com mais de 72,5 kV ou acima de 2 MHz para transformadores com 72,5 kV ou menos, a resposta depende mais da configuração do teste e das conexões do que do próprio transformador, embora os cabos de derivação internos tenham alguma influência. Nesse ponto, a resposta para as fases começará a divergir. Esses comentários descrevem resultados típicos; as faixas de frequência reais e os efeitos dos vários componentes nas varreduras variam de transformador para transformador.
 

Figura 1: Relação geral entre a frequência e o componente do transformador (IEC 60076-18 Figura B.6)

Recomendações para medições consistentes

O IEEE C57.149 afirma que "a configuração do teste pode ter um impacto nos resultados do teste. Pode ser difícil determinar se essas pequenas variações se devem a diferenças na configuração do teste ou a alguma outra alteração física. Portanto, é importante documentar a configuração do teste e as conexões para a futura repetibilidade do teste”. Ele também afirma que "as técnicas de aterramento terão um efeito significativo nos resultados do teste. As técnicas de aterramento, incluindo a seleção dos condutores de aterramento e seus roteamentos, devem, portanto, ser precisas, repetíveis e documentadas”. A Brochura 342 do CIGRE e a IEC 60076-18 também destacam a necessidade de conexões consistentes e configurações do transformador. As recomendações gerais desses três documentos podem ser resumidas da seguinte forma:

• O transformador deve ser completamente isolado da alta tensão
• O tanque transformador deve ser aterrado 
• O instrumento de teste deve ser aterrado 
• O transformador deve estar o mais próximo possível da condição "em serviço"
  • Observe qualquer diferença, como falta de óleo, buchas de transporte etc.
• Todas as conexões de buchas externas devem ser desconectadas 
• Se aplicável, a posição da derivação para o DETC e o LTC deve ser registrada
• O DETC deve estar na condição "em serviço" ou "como encontrado"
• Recomenda-se que o LTC esteja na posição extremamente elevada. Se a varredura for medida com o LTC ajustado para a posição neutra, ele deverá atingir essa posição a partir da posição elevada, e as posições de derivação e derivação anterior deverão ser registradas.
• Os cabos de aterramento devem ser os mais curtos possíveis (sem enrolar os cabos) e do tipo trança plana 
• Devem ser feitas conexões sólidas ao conectar os cabos de teste aos terminais do transformador 
• Os testes SFRA devem ser realizados antes do teste de resistência em espiral. Se for realizada uma resistência em espiral, desmagnetize-a em seguida. 

Ao seguir essas regras, o técnico garantirá que as medições feitas sejam tão precisas e repetíveis quanto possível. Ao analisar os resultados, será mais fácil determinar se uma diferença na resposta de varredura em comparação com a impressão digital se deve a uma mudança mecânica real dentro do transformador ou simplesmente ao resultado do uso de uma configuração ou conexão diferente.

Figura 2:  Transformador Dyn1 67 kV/12,47 kV 12 MVA 3Φ

Configuração do teste e ajustes do transformador

Para destacar alguns dos efeitos que várias configurações do transformador, bem como a configuração do teste e as conexões, podem ter sobre os resultados, várias medições foram realizadas em um período de dois dias no transformador Dyn1 67 kV/12,47 kV 12 MVA 3Φ mostrado na Figura 2. Durante esse período, não ocorreram anomalias internas ou alterações físicas no transformador. Apenas a configuração do teste, as conexões e as configurações de derivação foram alteradas. Além disso, foi realizado um teste de resistência em espiral. A próxima seção discute os resultados em detalhes. 

Efeito da magnetização

A presença de magnetismo residual no núcleo pode influenciar os resultados na faixa de baixa frequência. O magnetismo residual pode ser o resultado da realização de um teste de resistência em espiral. Para esse teste, a corrente contínua é injetada no enrolamento; o núcleo é magnetizado e saturado de modo que a queda de tensão devido à indutância do enrolamento seja excluída da medição. Se o núcleo não for desmagnetizado após esse teste, diferenças significativas podem aparecer nas medições de SFRA em circuito aberto na faixa de baixa frequência.

Para demonstrar o efeito da magnetização do núcleo, uma varredura SFRA em circuito aberto foi realizada na fase B do enrolamento de BT do transformador com o núcleo no estado desmagnetizado. Em seguida, foram realizados testes de resistência em espiral a 10 A, 25 A e 50 A. Após cada um desses testes, foi realizada uma varredura SFRA em circuito aberto. As varreduras de SFRA feitas após os testes de resistência produziram a mesma curva, independentemente da corrente CC usada para o teste. Entretanto, houve uma diferença notável entre as curvas pré-magnetização e pós-magnetização, conforme mostrado nas Figuras 3 e 4.

Figura 3: Efeito da magnetização na resposta de magnitude (traços laranja – pré-magnetização e após desmagnetização)

Figura 4: Efeito da magnetização na resposta de fase

Figura 5: Diferença entre os resultados antes e depois da magnetização do transformador

Na área de baixa frequência, a curva se desloca para cima e para a direita após a magnetização. Uma mudança na primeira frequência ressonante é observada em aproximadamente 500 Hz. Uma curva de diferença foi traçada para destacar a diferença entre a curva pré-magnetização e a curva pós-magnetização.

Como pode ser visto na curva de diferença da Figura 5, há uma diferença considerável na faixa de baixa frequência de 10 Hz a 3 kHz. Pequenas diferenças também são observadas em frequências mais altas.

Com base nessas observações, fica claro que é preciso tomar cuidado para garantir que o núcleo não esteja em um estado magnetizado durante o teste SFRA. Idealmente, os testes de resistência em espiral não devem ser realizados antes dos testes SFRA, mas se isso for inevitável – ou se houver suspeita de magnetização do núcleo – o núcleo deve ser desmagnetizado antes de iniciar o teste SFRA.

Figura 6: Terminais do núcleo desconectados do aterramento

Efeito da remoção do aterramento do núcleo

Geralmente, a medição da resistência de isolamento do núcleo ao terra é o primeiro teste elétrico feito em um transformador. Se o técnico se esquecer de aterrar o terminal do núcleo após o teste e iniciar o teste SFRA, o terminal do núcleo não aterrado pode causar um desvio na curva. Para simular essa condição, o núcleo foi desconectado do aterramento, conforme mostrado na Figura 6.

Figura 7: Resposta de magnitude do transformador com (azul) e sem (vermelho) núcleo aterrado  

Figura 8: Resposta de fase do transformador com (azul) e sem (vermelho) núcleo aterrado

Figura 9: Diferença na resposta de magnitude entre o núcleo aterrado e o não aterrado

Figura 10: (esquerda) Tranças aterradas no flange da bucha

Figura 11: (direita) Tranças aterradas na borda da almofada de aterramento.

As curvas das Figuras 7 e 8 foram obtidas com varreduras de circuito aberto realizadas na fase A de alta tensão do transformador.

A diferença de magnitude entre as curvas mostradas nas Figuras 7 e 8 foi plotada separadamente e é mostrada na Figura 9.

Como pode ser visto na Figura 9, as diferenças são perceptíveis até 9 kHz, mas depois as curvas se sobrepõem essencialmente até 900 kHz, após o que há outras diferenças perceptíveis. Para obter impressões digitais e comparações válidas, o núcleo deve, portanto, ser mantido aterrado durante o teste SFRA.

Efeito do comprimento da trança de aterramento

Como as medições de SFRA são sensíveis, o aterramento desempenha um papel importante. O circuito de aterramento deve ser o mais curto possível e o aterramento deve ser conectado usando tranças no flange da bucha onde os cabos de sinal estão conectados. Para demonstrar o efeito do comprimento das conexões de aterramento, foram feitas duas medições. O menor comprimento possível foi usado em uma medição, conforme mostrado na Figura 10. O comprimento total da trança de aterramento foi usado para a outra medição, conforme mostrado na Figura 11.

Foram obtidas as curvas mostradas nas Figuras 12 e 13. A curva de diferença é mostrada na Figura 14.

Figura 12: Resposta de magnitude com conexões de aterramento curtas e longas  

Figura 13: Resposta de fase com conexões de aterramento curtas e longas  

Figura 14: Gráfico de diferença de respostas com conexões de aterramento longas e curtas

Basicamente, não há diferenças nas duas curvas até que as frequências de 900 kHz e superiores sejam atingidas.

No próximo conjunto de medições de circuito aberto, mostrado nas Figuras 15 e 16, as tranças de aterramento foram totalmente removidas. A curva de diferença é mostrada na Figura 17. Mais uma vez, não houve alteração nas frequências baixas e médias, mas o desvio aumentou drasticamente na faixa de alta frequência. Houve uma pequena diferença entre as duas curvas a 100 kHz, que é mais baixa do que a frequência em que as diferenças produzidas por tranças de aterramento longas e curtas foram observadas. Acima de 200 kHz, as diferenças aumentaram significativamente.

Figura 15: Resposta de magnitude com aterramento adequado (azul) e sem aterramento (vermelho)

Figura 16: Resposta de fase com aterramento adequado (azul) e sem aterramento (vermelho)

Figura 17: Diferença entre a resposta com aterramento adequado e sem aterramento

Os arranjos de aterramento do instrumento também foram alterados. Mas não foram observadas diferenças se o instrumento foi aterrado ao transformador, à rede da subestação ou mesmo se não foi aterrado. As respostas de magnitude e fase são mostradas nas Figuras 18 e 19. Observe que, embora o aterramento do instrumento não afete as medições, ele deve ser aterrado o tempo todo para garantir uma operação segura.  

Figura 18: Resposta de magnitude com o equipamento de teste aterrado e não aterrado  

Figura 19: Resposta de fase com o equipamento de teste aterrado e não aterrado 

Com base nessas observações, o aterramento do instrumento pode não afetar as medições, mas a posição e o comprimento efetivo das tranças de aterramento têm efeito sobre a faixa de alta frequência. Portanto, os procedimentos de aterramento padrão devem ser seguidos para permitir comparações precisas dos resultados do SFRA.

A segunda parte deste artigo, que será publicada em uma edição futura da Electrical Tester, analisará o efeito da posição da derivação, das chaves reversoras, do comprimento dos cabos de curto-circuito e a influência da tensão de teste usada no teste SFRA. Também abordará os enrolamentos estabilizadores delta e como verificar o funcionamento correto do instrumento de teste antes de concluir com um resumo das principais recomendações para testes SFRA confiáveis e repetíveis.