Análise de resposta de frequência de varredura

A análise de resposta de frequência de varredura (SFRA) é um método eficiente e sensível para avaliar a integridade mecânica do núcleo, dos enrolamentos e das estruturas de fixação dos transformadores de potência. Sua base é a medição das funções de transferência elétrica dos transformadores em uma ampla faixa de frequência. O objetivo do SFRA é testar se ocorreram deslocamentos físicos na parte ativa do transformador devido ao envelhecimento ou após um evento específico, como falha de curto-circuito e transporte. Os resultados do teste são comparados com a referência para que uma ampla gama de tipos de falhas possa ser detectada, incluindo:

• Movimentos do núcleo
• Aterramentos do núcleo com defeito
• Deformações nos enrolamentos
• Deslocamentos dos enrolamento
• Colapso parcial do enrolamento
• Empenamento do aro
• Estruturas de fixação quebradas
• Curtos-circuitos e enrolamentos abertos
• Etc.

Figura 1 – Configuração do teste SFRA e diagrama esquemático do instrumento de teste

Parâmetros medidos e interpretações de resultados

O método SFRA envolve a injeção de um sinal em um terminal do transformador e a medição do sinal resultante em outro terminal, conforme mostrado na Figura 1. Os parâmetros medidos são a tensão do terminal aplicado e a resultante em outro terminal. O resultado é mostrado em magnitude (dB) e ângulo de fase (°), que são expressos como:

A voltagem é a tensão através de um resistor de 50 Ohms, que é proporcional à corrente que flui através do enrolamento do transformador. Portanto, a magnitude representa as informações de admitância do transformador. Os resultados do teste geralmente são apresentados como a magnitude plotada em função da frequência em uma escala logarítmica. As três fases são medidas separadamente e, em seguida, comparadas entre si, conforme mostrado na Figura 2. Três traços idênticos indicam uma boa condição, enquanto grandes desvios podem significar a existência de um problema, como deformações.

a)

(b)

(c)
Figura 2 – o transformador (a) em boa condição (b) com enrolamentos em curto-circuito em uma fase (c) em condição muito ruim

Para um transformador trifásico com dois enrolamentos, recomenda-se realizar no mínimo nove testes, conforme mostrado na Figura 3.

• Meça as respostas trifásicas do lado de AT com o lado de BT em curto-circuito
• Meça as respostas trifásicas do lado de AT com o lado de BT em circuito aberto
• Meça as respostas trifásicas do lado de BT com o lado de AT em circuito aberto

Figura 3 – Resultado típico de SFRA de um transformador trifásico

O “aberto” mede a impedância de excitação do transformador, enquanto o “curto” mede a impedância de curto-circuito do transformador. É importante ressaltar que, para as medições “abertas”, o traço da fase B frequentemente se desvia dos traços das fases A e C em baixas frequências devido à estrutura do núcleo. Isso não deve ser tratado como um defeito. I À medida que a frequência aumenta, a indutância introduzida pelo núcleo começa a diminuir e depois desaparece. As medições de “aberto” e “curto” apresentam os mesmos resultados em altas frequências.

Além da comparação entre fases, há mais dois métodos comparativos:

• Comparação baseada no tempo: Os resultados da SFRA são comparados aos resultados anteriores da mesma unidade. Esse é o método mais fácil e eficaz para identificar um problema.
• Comparação baseada em tipo: O SFRA de um transformador é comparado a um tipo semelhante de transformador. Um transformador semelhante é considerado aquele que tem os mesmos dados de placa de identificação e, geralmente, o mesmo fabricante.

Diferentes falhas podem ser identificadas pela alteração da curva SFRA em determinadas faixas de frequência. A forma da curva de baixa frequência é determinada pelo circuito magnético do transformador. Portanto, problemas no núcleo, enrolamentos em curto-circuito e fios rompidos alteram essa forma. A capacitância dos enrolamentos em massa está em torno de alguns nanofarad, e começa a afetar a curva SFRA a partir de algumas kHz. A capacitância do disco de enrolamento é bem pequena e começa a influenciar na faixa de frequência mais alta. A Tabela 1 pode ajudar os engenheiros de testes a identificarem o problema específico com base nas diferenças da curva em faixas de frequência específicas.

Após o destanque de um transformador, a deformação mostrada na Figura 4 deu a resposta de frequência mostrada na Figura 5. É possível observar que a curva da fase B muda seu padrão após a falha. O desvio está entre 500 Hz e 500 kHz, e pode-se concluir que o núcleo está bem, mas o enrolamento está deformado. A diferença é mais óbvia de 1 a 10 kHz, enquanto a parte de baixa frequência está correta. De acordo com a Tabela 3, o problema mais provável é a deformação do enrolamento em massa.

Figura 4 – Falha de empenamento do enrolamento do transformador [2]

Figura 5 – Respostas de frequência de varredura do transformador que apresenta a falha de empenamento do enrolamento

Modelagem do transformador

Para entender por que o teste SFRA é capaz de detectar tantas falhas mecânicas que são difíceis de detectar por outros métodos, o modelo de circuito equivalente do transformador em teste precisa ser analisado. O modelo discutido neste artigo é válido para transformadores monofásicos.

Em baixas frequências (< 1 kHz), o modelo de circuito equivalente dos transformadores é mostrado na Figura 6. Ele consiste em um transformador ideal, mais a impedância de excitação e as impedâncias de fuga dos enrolamentos de AT e BT.  Quando o sinal SFRA é injetado do enrolamento de AT com o enrolamento de BT aberto, ele está, na verdade, medindo a impedância de excitação. A impedância aumenta linearmente com a frequência de teste e, portanto, forma uma linha reta em uma escala de logaritmo.

À medida que a frequência aumenta, o efeito capacitivo começa a aparecer e a indutância do núcleo se torna menos dominante. O primeiro ponto de ressonância é a ressonância do indutor, determinada pelo enrolamento e pelo núcleo, e o capacitor, construído pelo enrolamento e pelo aterramento (núcleo e tanque).

Na frequência mais alta, a ressonância se deve à autoindutância dos condutores (nH/m) e ao capacitor dos discos/espiras do enrolamento. O circuito equivalente de alta frequência é mostrado na Figura 7. O número representa as voltas do enrolamento. Cada volta consiste em autoindutância, indutância mútua e resistência. Além disso, há capacitores entre espiras (um capacitor ideal e o componente de perda) e capacitores entre espiras e aterramento.

As falhas internas do transformador de potência podem produzir deslocamentos em algumas regiões da curva de resposta de frequência, e esses deslocamentos podem ser identificados por inspeção visual.

Figura 6 – Modelo de transformador monofásico em baixas frequências

Figura 7 – Modelo de transformador monofásico a 1 MHz [3]

Figura 8 – Características de uma curva SFRA

Boas práticas nos testes SFRA

O SFRA é um método de teste não destrutivo de baixa tensão (10V). Boas práticas devem ser seguidas para garantir a qualidade dos resultados.

Aplique uma tensão de teste consistente

Foi comprovado que a resposta em baixa frequência é determinada principalmente pelas propriedades magnéticas do transformador. Normalmente, supõe-se que a permeabilidade do material do núcleo magnético seja constante, mas na prática não é. Ela varia com a tensão aplicada. A resposta de frequência é medida em uma tensão bastante baixa - apenas cerca de 10V. A permeabilidade do núcleo muda rapidamente nesse nível de tensão.

Figura 9 – Curva B-H e curva μ-H do material do núcleo do transformador (ferrosilício B27G130 [4])

A permeabilidade do núcleo varia com a tensão aplicada, o que torna as respostas do SFRA em baixas frequências dependentes da tensão. Portanto, uma tensão consistente é muito importante para o teste de SFRA. Sugere-se um instrumento de teste com tensão de saída variável para que o teste possa ser realizado com a mesma tensão da curva de referência.

Figura 10 - Resultados do SFRA com diferentes tensões aplicadas

Fique atento à posição do comutador de derivações

As posições do comutador de derivações devem ser as mesmas utilizadas nos testes de referência, caso contrário, as respostas em frequência serão diferentes e não poderão ser comparadas. Se a derivação máxima for escolhida, todo o comutador de derivações será examinado pelo teste. Isso se aplica tanto para DETC quanto para OLTC. Normalmente, o teste é realizado na posição de enrolamento completo e na posição neutra.

Desmagnetização primeiro

O fluxo residual tem influência sobre os resultados do SFRA. Após o teste de resistência em espiral, o ponto inicial vai do ponto 0 ao ponto 1 ou ponto 2 na curva de histerese, consulte a Figura 11. Como o fluxo residual altera significativamente a indutância do núcleo, recomenda-se fazer o teste SFRA antes de qualquer outro teste ou imediatamente após a desmagnetização, o que faz com que o ponto inicial volte ao ponto 0.

Figura 11 - Respostas do SFRA obtidas antes e depois da desmagnetização

Siga as boas práticas de aterramento

A parte de alta frequência da resposta é muito sensível à interferência eletromagnética, portanto, o sistema de teste deve ser resistente a ruídos. Uma abordagem amplamente utilizada é o uso do cabo coaxial. O condutor central do cabo é conectado ao terminal do transformador, enquanto o condutor externo é conectado ao chassi do instrumento, que deve ser aterrado. Essa prática evita que o condutor central capte ruídos.

Figura 12 – Dois sistemas de aterramento

É bastante comum que o aterramento do transformador (aterramento da subestação) não seja o mesmo que o aterramento do instrumento. Nesses casos, a corrente e a tensão entre o terra do transformador e o terra do instrumento podem afetar negativamente o resultado do teste. Para melhorar a repetibilidade, é necessário conectar o aterramento do cabo (blindagem) e o aterramento do transformador com as tranças planas mais curtas possíveis, conforme mostrado na Figura 1.

Figura 13 – Resultados obtidos com diferentes práticas de aterramento

Conclusão

O SFRA é uma técnica de teste de grande valor, sensível a problemas que, de outra forma, seriam difíceis de detectar sem desmontar o transformador - um exercício caro e muito inconveniente. Para obter os resultados mais representativos, no entanto, é preciso usar um conjunto de testes de alta qualidade e desempenho comprovado, observar as boas práticas durante o teste e interpretar os resultados com cuidado, seguindo as diretrizes fornecidas neste artigo.

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Referências

• [1] J.C. Gonzales and E.E. Mombello, “Diagnosis of Power Transformers through Frequency Response Analysis by Poles and Zeros Shifts Identification,” Transmission and Distribution: Latin America Conference and Exposition (T&D-LA), 2012 Sixth IEEE/PES
• [2] M. Bagheri, M. S. Naderi, T. Balckburn and T. Phung, “FRA vs. Short Circuit Impedance Measurement in Detection of Mechanical Defects within Large Power Transformer,” Conference Record of the 2012 IEEE International Symposium on Electrical Insulation (ISEI)
• [3] N. Abeywickrama, Y. Serdyuk and S. Gubanski, “High-Frequency Modeling of Power Transformers for Use In Frequency Response Analysis,” IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 23, No.4, 2008
• [4] Technical Manual of Baosteel GO silicon Steel Products, 2008