Teste de resistência estática e dinâmica de comutadores de derivação de transformadores

O papel vital dos transformadores no sistema elétrico é bem conhecido: eles transferem energia elétrica de um circuito para outro e, geralmente, durante esse processo, alteram a tensão da eletricidade que circula no circuito de uma maneira predefinida. No entanto, a transformação de tensão esperada, conforme indicada na placa de identificação do transformador, aplica-se especificamente à condição em que o transformador está energizado sem carga. Quando um transformador está operando com carga, sua tensão secundária diminuirá em uma quantidade determinada pela impedância do transformador e pelo fator de potência da carga. Como a carga atendida e seu fator de potência variam, é essencial que a tensão de saída do transformador permaneça dentro de limites estreitos, pois a maioria das cargas requer uma tensão constante.

Essa “regulagem de tensão” desejada é viabilizada pelo uso de um comutador de derivações.
m comutador de derivações de transformador facilita o controle sobre a relação entre a tensão de saída de um transformador e sua tensão de entrada. É um dispositivo mecânico e, em muitos casos, o único componente de um transformador com peças móveis. As bombas e ventiladores são os outros componentes com partes móveis, mas estão presentes apenas em transformadores com sistema de resfriamento forçado por óleo e/ou ar. Uma distinção crítica aqui, no entanto, é que o comutador de derivações é o único componente com peças móveis que está conectado aos enrolamentos do transformador! A confiabilidade do comutador de derivações é crucial, porque retirar um transformador de serviço para lidar com um problema no comutador é caro e causa transtornos. Além disso, a falha de um comutador de derivações pode ser catastrófica. Portanto, é do interesse de todas as concessionárias de serviços públicos realizar avaliações regulares das condições nos comutadores de derivações para detectar defeitos em desenvolvimento antes que eles levem a falhas. Após uma breve discussão sobre os tipos de comutadores de derivações, este artigo aborda tanto os métodos de teste de resistência estáticos quanto dinâmicos que podem ser usados para realizar essas avaliações essenciais.

Um comutador de derivações altera a relação de transformação adicionando ou subtraindo pequenas seções de derivações (ou enrolamentos reguladores) aos ou dos enrolamentos principais de alta tensão (AT) ou baixa tensão (BT) do transformador. As mudanças de relação envolvem o movimento mecânico de um contato de uma posição para outra e, ao avaliar a condição de um comutador de derivações, é o desempenho desse contato móvel; seu respectivo contato estacionário de acoplamento; as partes adicionais móveis do mecanismo do comutador; e as seções dos enrolamentos de derivações que precisam ser verificadas. Há muitos problemas que podem ocorrer em um comutador de derivações. Por exemplo, o desalinhamento durante a fabricação e/ou durante o transporte, a folga do contato móvel e o desgaste do contato levam a um contato superficial insuficiente, o que faz com que a corrente de carga total superaqueça o contato e produza coque, um resíduo sólido criado quando o óleo sofre uma grave degradação oxidativa e térmica. Outros problemas comuns incluem: falha na sequência make-before-break (fazer antes de interromper) durante a mudança de derivação, o que leva a arco elétrico; fiação inadequada; problemas com o interruptor de desvio/arco ou com resistores de transição; e voltas em curto-circuito ou abertas nos enrolamentos de derivações ou, no caso de OLTC tipo reatância, o autotransformador preventivo (PA), autotransformador em série ou transformador em série.
 

Tipos de comutadores de derivação

Os comutadores de derivação são divididos em dois tipos principais: comutadores de derivações sob carga (OLTCs ou simplesmente LTCs), que permitem a alteração da relação de transformação enquanto o transformador estiver em operação e conduzindo corrente, e comutadores de derivações fora de carga (DETCs), que exigem que o transformador seja retirado de serviço antes que a relação possa ser alterada. Um DETC também pode ser usado para alterar a configuração dos enrolamentos. Ao variar a relação do transformador sob carga sem interrupção, os OLTCs permitem a regulagem da tensão e/ou a mudança de fase. O trabalho de um OLTC é impressionante quando se considera que, normalmente, é necessário que ele opere e transfira a corrente de carga milhares de vezes por ano.

Os OLTCs podem ser ainda subdivididos em tipos resistor e reatância. A maior parte da experiência com medições dinâmicas é com OLTCs do tipo resistor, o que é refletido pelos exemplos fornecidos neste artigo, mas seu uso em TESTES DE RESISTÊNCIA ESTÁTICA E DINÂMICA DE COMUTADORES DE DERIVAÇÃO DE TRANSFORMADORES (ET 103) se expandiu nos últimos anos, incluindo também os tipos reatância.

Figura 1: OLTC do tipo resistor

A Figura 1 mostra um OLTC do tipo resistor típico com um seletor de derivações e uma chave de desvio. Os resistores de transição são normalmente de apenas alguns ohms. O tempo total de operação de um comutador de derivação em carga do tipo resistor, desde o recebimento de um sinal para comutação de derivação até o momento em que o comutador atinge sua posição final, geralmente é de 3 a 10 segundos, dependendo do design. O tempo real de comutação de contato para esse tipo de comutador de derivação é geralmente de 40 a 60 ms, e os resistores de transição são carregados por cerca de metade desse tempo ou um pouco mais. Os OLTCs do tipo resistor, que são conectados ao enrolamento de alta tensão do transformador, são mais frequentemente usados na Europa, Ásia, África e América do Sul.

Os OLTCs de reatância usam um autotransformador preventivo (PA) no lugar dos resistores usados em um OLTC do tipo resistor, o que significa que a resistência adicional no dispositivo de desvio é muito baixa. O tempo de comutação em OLTCs de reatância é significativamente maior, na ordem de segundos. Os comutadores de reatância são quase sempre conectados ao lado de baixa tensão do transformador e são muito comuns nos EUA, no Canadá e no México.

Diferentemente de um OLTC do tipo resistor, um OLTC de reatância usa a posição de ponte (ou seja, posições em que duas derivações consecutivas são selecionadas ao mesmo tempo e alguma forma de impedância, resistiva ou reativa, está presente para limitar a corrente circulante resultante) como uma posição de serviço. Portanto, ao realizar uma medição estática em uma posição de derivação de ponte/número ímpar de um OLTC de reatância, os componentes de ponte (por exemplo, o PA) são incluídos no circuito de teste e podem ser avaliados. Como um OLTC do tipo resistor nunca “descansa” em um estado de ponte, ao realizar uma medição estática, seus componentes de ponte, como os resistores de desvio, não são incluídos no circuito de teste, independentemente da posição de derivação em que o teste é realizado. Portanto, as medições dinâmicas são essenciais para avaliar esses “componentes de transição”, além de oferecer outros benefícios de diagnóstico.

Métodos de teste do comutador de derivação

Medições de resistência em espiral (estáticas)

Há várias medições estáticas que podem ser realizadas enquanto o OLTC (e o DETC) estiver parado em cada uma das várias posições de derivação selecionadas, incluindo corrente de excitação, relação de voltas do transformador, resistência em espiral e testes SFRA. As medições de resistência em espiral CC (WRMs) são normalmente realizadas para cada derivação da mesma forma que são realizadas para enrolamentos individuais. O instrumento de teste injeta corrente continuamente e a resistência de cada derivação é medida sequencialmente à medida que o comutador de derivação passa por suas posições. Os resultados são normalmente apresentados em um gráfico ou tabela. As alterações de resistência entre as derivações devem ser consistentes, com apenas pequenas diferenças entre as fases e as posições das derivações.

Medições dinâmicas

Há várias técnicas para realizar medições dinâmicas em comutadores de derivação, mas uma característica comum a todas elas é que a corrente CC é injetada no comutador de derivação, seja em uma fase ou em todas as fases, e a corrente e/ou tensão é medida em função do tempo durante a operação do comutador de derivação. As correntes de teste variam de aproximadamente 0,1 A CC até a corrente de teste padrão para medições da resistência em espiral, que normalmente é de 1% a não mais que 15% da corrente nominal do enrolamento do transformador. Os testes dinâmicos podem ser realizados ao mesmo tempo que os WRMs ou como testes separados. Os testes padrão são:

Figura 2: Medição de corrente dinâmica

• Teste de continuidade/make-before-break (fazer antes de interromper)
• Medições dinâmicas
  • Corrente dinâmica/ondulação (frequentemente chamada de “DRM”, embora o foco esteja completamente no comportamento da corrente de teste) 
  • Tensão dinâmica (frequentemente, o objetivo final aqui é produzir um gráfico de DRM)
  • Resistência dinâmica (DRM) – uma nova abordagem para capturar com maior precisão a DRM real de cada operação de comutação de derivação
• Corrente do motor

Testes de continuidade/detecção de descontinuidade

Ao monitorar a alteração de corrente ou tensão, esse teste detecta se há uma condição de interrupção antes da abertura no comutador de derivação. Se houver, a corrente será interrompida durante a operação do comutador. Normalmente, esse teste é realizado ao mesmo tempo que as medições da resistência em espiral.

A detecção de contato aberto pode ser realizada procurando alterações de corrente, alterações em di/dt ou detectando alterações de tensão na saída do gerador ou no lado oposto do transformador. Ou seja, se o comutador de derivação estiver no lado de AT, a detecção será realizada medindo os transientes de tensão no enrolamento de BT correspondente.

Medição de corrente dinâmica

A medição de corrente dinâmica (DCM) é, de certa forma, semelhante ao teste de continuidade, mas, além de simplesmente detectar a descontinuidade, a corrente é monitorada durante toda a mudança de derivação e o resultado é apresentado como um valor de ondulação percentual ou como um gráfico de corrente-tempo (Figura 2). A ondulação é a magnitude pela qual a corrente de teste diminui durante a mudança de derivação e é expressa como uma porcentagem da corrente de teste. A inclinação também é avaliada quando um gráfico de tempo de corrente é fornecido. Isso reflete a velocidade com que a corrente de teste diminui quando o contato móvel se separa de um contato estacionário e a corrente flui inteiramente por um resistor de transição. O objetivo do teste DCM é observar as condições durante a operação de mudança de derivação e fornecer informações sobre o tempo de contato.

Figura 3: Configuração de teste para realizar DRM em um OLTC: a corrente é injetada no enrolamento de AT; a tensão é medida no enrolamento de BT

As medições de corrente dinâmica são afetadas pela magnitude da corrente de teste. Se a corrente de teste estiver abaixo do nível de saturação do transformador, a indutância do enrolamento do transformador será alta, o que suaviza as alterações de corrente. Se o teste for realizado com uma corrente igual ou superior ao nível de saturação, a indutância será baixa e as alterações de corrente serão maiores. Uma forma de reduzir a indutância do transformador ao realizar medições em comutadores de derivação é colocar em curto-circuito os enrolamentos de baixa tensão (ou alta tensão) “não diretamente sob teste”. Isso, na prática, substitui a indutância do enrolamento pela impedância de curto-circuito. A indutância é bastante reduzida e as alterações na corrente podem ser medidas com mais precisão. A desvantagem desse método de curto-circuito é que a DCM não pode ser realizada junto com as medições de resistência em espiral porque os testes de resistência em espiral estático devem ser realizados com os enrolamentos opostos em circuito aberto.

As medições de corrente dinâmica do OLTC são normalmente realizadas durante os “tempos de descanso” do teste de resistência em espiral, ou seja, à medida que o comutador de derivação se move para cada posição sucessiva de derivação, e as indicações de descontinuidade são monitoradas.

As correntes de teste para medições de resistência em espiral de alta tensão geralmente estão em torno do nível de saturação ou mais alto, de modo que a indutância do enrolamento já está baixa, como desejado. Observe que esse método de teste pode mostrar grandes alterações/ ondulações de corrente mesmo para bons contatos. No entanto, a ondulação deve ser semelhante para a mesma mudança de derivação em cada uma das três fases.

Medição de tensão dinâmica

A medição de tensão dinâmica (DVM) é um dos primeiros métodos para determinar a DRM. Uma corrente relativamente pequena e constante de uma fonte de alta impedância é injetada no comutador e a tensão no circuito de teste é medida com resolução suficiente para criar um diagrama de resistência versus tempo para a operação dos contatos do comutador. As interrupções são facilmente reconhecidas, as alterações nos valores do resistor de desvio podem ser avaliadas e o tempo de contato pode ser medido.

Um exemplo da configuração de teste para executar a DVM em um OLTC é mostrado na Figura 3, e os resultados para um OLTC em boas condições são mostrados na Figura 4.

Medições de resistência dinâmica “real”

Um novo método, com patente pendente, é medir a resistência dinâmica no comutador de derivação sob carga medindo simultaneamente a corrente de teste e as tensões nos enrolamentos de alta e baixa tensão e combinar os resultados com a modelagem do transformador. Um exemplo de medição é mostrado na Figura 5.

Figura 4: Resultados do teste de DVM em um bom OLTC

A impedância da fonte nesse exemplo é de cerca de 10 Ω e podemos ver uma pequena mudança de corrente durante a mudança de derivação (traço verde na Figura 5). Devido à indutância no circuito (lembrando que, para essa medição, o enrolamento oposto ou de BT é deixado aberto), a alteração na tensão medida no enrolamento de AT (traço vermelho na Figura 5) é bastante grande. Essa tensão é uma soma de tensão indutiva e resistiva e não pode ser usada para calcular diretamente a resistência no circuito. No entanto, a tensão medida no enrolamento de BT é puramente indutiva e, se usarmos os parâmetros do modelo do transformador para calcular a tensão indutiva no primário, poderemos deduzir esse valor da tensão medida no espiral de AT e calcular a resistência no circuito. O resultado é apresentado na Figura 5.

Figura 5: DRM no OLTC usando uma corrente de teste de 5 A e impedância de fonte de 10 Ω [corrente de teste (verde); tensão medida através do enrolamento de AT (vermelho); tensão medida através do espiral de BT (azul); resistência (preto)]  

Figura 6: Sequência de comutação para um OLTC típico com interruptor de desvio, Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, 2002

Figura 7: Teste DRM em um OLTC tipo MR V, corrente de teste: 5 A, condição normal

As vantagens deste método verdadeiro de DRM sobre o teste DCM são que as inconsistências nos resultados dos testes, como aquelas frequentemente introduzidas pela escolha da fonte de corrente, são eliminadas e os valores dos resistores de transição podem ser determinados.

Medições da corrente do motor

O método usado para medir a corrente do motor do comutador é basicamente o mesmo que o método usado para medir a corrente da bobina em um disjuntor. A corrente do motor durante uma mudança de derivação reflete a energia usada pela operação, e a medição pode ser usada como uma impressão digital para monitoramento de tendências e benchmarking.

Análise dos resultados

Medições da resistência em espiral

A medição da resistência em espiral para cada derivação individual é bastante simples. O problema mais encontrado é que a pessoa que está realizando o teste não deu tempo suficiente após uma mudança de derivação antes de fazer a medição. O valor da resistência deve ser observado atentamente para garantir que tenha se estabilizado antes de ser registrado e armazenado. Em cada posição de derivação, os valores de resistência de cada fase devem ser comparados. Se todas as leituras estiverem dentro de 1% uma da outra, elas são aceitáveis. O desvio não deve exceder 3%.

Continuidade

Não deve haver indicação de descontinuidade para nenhuma mudança de derivação. Se ocorrer uma descontinuidade durante o teste, haverá um grande aumento na tensão medida e uma grande diminuição na corrente medida. 

Tempo

Observe que esse tipo de comutador de derivação tem seis estados distintos para cada operação de comutação de derivação, todos reconhecíveis nos resultados do teste DRM.

Esses estados são:

1. Liberação do contato de carga
2. R1 inserido
3. R2 inserido em paralelo com R1
4. R1 liberado
5. R2 liberado
6. Contato de carga fechado

O salto de contato pode ser visto especialmente em relação à abertura de R2. O tempo total é de 79 ms, e o tempo de comutação do resistor é de 47 ms. Para fins de comparação, a Figura 8 mostra os resultados do mesmo comutador de derivação com uma mola removida para simular danos à mola. Os tempos de comutação medidos são aproximadamente o dobro do tempo.

Figura 8: Teste DRM em um OLTC tipo MR V, corrente de teste: 5 A, falha simulada na mola

Figura 9: Envelope de corrente do motor; normal (azul), simulação de alto atrito (vermelho)

Os tempos de comutação de um OLTC em boas condições devem ser consistentes em todas as derivações. As medições dinâmicas de tensão no lado de BT do transformador (supondo um OLTC do tipo resistivo no lado de AT) também podem ser usadas para realizar medições de tempo, uma abordagem que tem a vantagem da simplicidade. As medições de corrente dinâmica são outra opção viável para medir a temporização do comutador de derivação, mas as etapas parecem diferentes umas das outras e, às vezes, não são tão distintas quanto quando se usa tensão ou resistência dinâmica.

Valores do resistor de transição (ou de desvio)

Os valores dos resistores de desvio devem estar dentro de 10% de seus valores nominais. 

Corrente do motor

A corrente do motor deve ser comparada com os resultados de testes anteriores ou com a corrente do motor medida em unidades semelhantes. O aumento do atrito no mecanismo do OLTC leva a uma maior corrente do motor, pois o motor precisa desenvolver mais torque para operar o mecanismo. Isso pode ser detectado fazendo-se medições da corrente do motor durante longos períodos de tempo e comparando cada medição com a forma normal esperada. A Figura 9 mostra um exemplo da curva da corrente do motor, onde um aumento simulado no atrito causa uma corrente do motor anormalmente alta no momento em que as molas são carregadas antes da operação principal de comutação.

Conclusão

Como uma das poucas partes móveis dos transformadores de potência, os OLTCs são as partes mais propensas ao desgaste e, por fim, à falha. Os resultados de tais falhas podem ser muito caros, mas muito pode ser feito para evitá-las, avaliando regularmente o desempenho do OLTC usando as técnicas de teste e medição descritas neste artigo. A Megger oferece instrumentos que podem ser usados para realizar esses testes e terá o prazer de orientar sobre a escolha do mais adequado para aplicações específicas.

Autores: Tony Wills, Engenheiro de aplicações líder da equipe, e Jill Duplessis