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Resumo

Quando um transformador é submetido a correntes elevadas provocadas por curto-circuito, os esforços eletromecânicos internos podem provocar alterações geométricas nos enrolamentos como deformações e deslocamentos. Essas deformações são prejudiciais, pois diminuem a capacidade do transformador de suportar curto-circuito e surtos de tensão, diminuem a sua vida útil e precipitam falhas que podem tirá-lo de operação.

As alterações mecânicas no interior do transformador resultam em uma mudança das indutâncias e capacitâncias internas. Utilizando frequências variadas para a excitação do transformador é possível acentuar os efeitos indutivos e capacitivos e desta forma melhorar a sensibilidade das medições. Os ensaios de Resposta em frequência medem as impedâncias terminais e as relações de transformação do transformador por meio de uma varredura numa faixa de frequências e obtém as funções de transferência do equipamento para o domínio da frequência que são assinaturas do equipamento.

Analisando as assinaturas do transformador por meio de comparações é possível detectar alguma falta devido a deformações no enrolamento, deslocamento do núcleo, curto-circuito entre espiras ou mesmo o envelhecimento dos materiais dielétricos.

Autores

Universidade Federal de Minas Gerais José L. Silvino
Universidade Federal de Minas Gerais Peterson de Resende
Universidade Federal de Minas Gerais Breno D. Rodrigues
Treetech Sistemas Digitais Ltda. Marcos E. G. Alves
Treetech Sistemas Digitais Ltda. e UFMG Daniel C. P. Araújo

1.0 - INTRODUÇÃO

Quando um transformador é submetido a correntes elevadas provocadas por curto-circuito, os esforços eletromecânicos internos podem provocar alterações geométricas nos enrolamentos como deformações e deslocamentos. Essas deformações são prejudiciais, pois diminuem a capacidade do transformador de suportar curto-circuito e surtos de tensão, diminuem a sua vida útil e precipitam falhas que podem tirá-lo de operação (1). As alterações mecânicas no interior do transformador resultam em uma mudança das indutâncias e capacitâncias internas.

Dentre as técnicas existentes para avaliação do estado operacional de transformadores de potência, somente testes específicos como a Análise de Resposta em Frequência (FRA) são sensíveis a problemas mais localizados, causados em grande parte por deformação dos enrolamentos devido a estresses mecânicos.

Utilizando frequências variadas para a excitação do transformador é possível acentuar os efeitos indutivos e capacitivos e desta forma melhorar a sensibilidade das medições. Os ensaios de Resposta em frequência medem as impedâncias terminais e as relações de transformação do transformador por meio de uma varredura numa faixa de frequências e obtém as funções de transferência do equipamento para o domínio da frequência que são assinaturas do equipamento. Analisando as assinaturas do transformador por meio de comparações é possível detectar alguma falta devido a deformações no enrolamento, deslocamento do núcleo, curto-circuito entre espiras ou mesmo o envelhecimento dos materiais dielétricos.

Como formas variantes do teste de resposta em frequência, têm-se os testes de tensão-tensão e as medições de impedância terminal. A medição da relação de transformação para diversas frequências pode ser realizada aplicando-se um sinal senoidal com frequência variável dentro de uma determinada faixa a um dos enrolamentos do transformador e medindo-se a transferência deste sinal para outro enrolamento. Este tipo de medição permite avaliar as amplificações (ressonâncias) e atenuações em valores normalizados, indicando a frequência onde ocorrem.

Os testes de medição de impedância terminal buscam descrever a impedância de cada enrolamento do transformador conforme a frequência do sinal senoidal aplicado varia, obtendo uma curva de módulo e uma de fase que representarão uma assinatura do transformador, uma imagem das condições construtivas internas no instante de realização do teste, assim como ocorre com os testes de tensão-tensão.

Inicialmente, os testes realizados utilizavam 2 MHz como frequência máxima. Posteriormente, aumentou-se a frequência máxima de varredura para 10 MHz para que uma plena caracterização do transformador fosse feita em uma faixa maior de frequências.

2.0 - DEFORMAÇÕES NOS ENROLAMENTOS, NÚCLEO, E FALTAS MECÂNICAS

As alterações geométricas que podem ser comumente observadas nos enrolamentos em decorrência dos esforços mecânicos descritos anteriormente são as deformações radiais, axiais e os deslocamentos. Embora não causem, em geral, diretamente uma falta que possa retirar o transformador de operação, tais deslocamentos contribuem para a degradação de características de projeto responsáveis pelo funcionamento seguro em condições de regime.

A deformação axial é um deslocamento que se manifesta no sentido de se afastar ou comprimir as espiras entre si, no mesmo sentido do eixo do enrolamento. Pode provocar a torção dos condutores das bobinas o que degrada o papel isolante em sua superfície, além de comprometer os espaçadores e demais elementos de sustentação do enrolamento, por esmagamento. A diminuição da rigidez mecânica do conjunto tem o efeito de permitir o deslocamento do enrolamento, vibrações e fadiga de conexões, reduzindo a capacidade do transformador em suportar correntes de curtos-circuitos e surtos de tensão. A Figura 1 ilustra como se processa esse tipo de deformação.

A deformação radial é aquela que se processa no sentido de se afastar os condutores externo e interno dos enrolamentos de alta e baixa tensão na direção radial. Quando o transformador é construído com os enrolamentos de alta e baixa sobrepostos, a tendência é a compressão do enrolamento interno em direção ao núcleo e a expansão do enrolamento externo em direção ao tanque. Nesse tipo de deformação, observa-se o estiramento do papel isolante da superfície dos condutores em função da distensão, o que degrada a isolação e reduz a suportabilidade a surtos de tensão.

Além disso, a redução da distância entre o enrolamento interno e o núcleo reduz os níveis de isolação e altera a distribuição de campo elétrico interno, o que pode aumentar o estresse em pontos específicos do isolamento. Esta deformação contribui também para o afrouxamento das amarrações, com a diminuição da rigidez mecânica do conjunto e fadiga de conexões e partes de sustentação. A Figura 2 ilustra como se processa a deformação radial em um enrolamento.

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Figura 1: Esquema de como se processa a deformação axial de um enrolamento

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Figura 2: Esquema de uma deformação radial em um enrolamento

Em situações onde as estruturas de sustentação e fixação já estão fatigadas o suficiente, as forças mecânicas às quais os enrolamentos estão expostos podem ser suficientes para provocar a movimentação do conjunto de espiras como um todo configurando um deslocamento. Nesses casos observa-se que o enrolamento se encontra fora de seu eixo. As consequências deste tipo de alteração geométrica são as mesmas citadas para os outros tipos de deslocamentos, como as reduções das distâncias mínimas de isolamento e a geração de vibrações. A Figura 3 ilustra como um deslocamento de bobina se processa.

Além dos deslocamentos de enrolamentos submetidos às forças mecânicas, pode-se observar, com menos frequência, os deslocamentos de partes do núcleo magnético. Devido à alta robustez mecânica, os esforços em geral observados sobre o núcleo do transformador em decorrência de esforços elétricos não são capazes de provocar alterações visíveis. Contudo, impactos mecânicos em decorrência do transporte podem provocar alterações na geometria do núcleo do transformador que podem se traduzir em estresses da isolação e estruturas de fixação, permitindo vibrações e a redução da vida útil do transformador à medida que facilitam outros processos degenerativos, como os próprios deslocamentos de enrolamentos.

O transformador de potência é projetado de forma que o conjunto seja capaz de suportar as forças mecânicas decorrentes do funcionamento nominal em segurança. Contudo, alguns esforços elétricos em funcionamento podem ultrapassar o limite máximo de suportabilidade ou gerar fadiga. Dentre tais esforços estão, principalmente, as correntes de curto-circuito e energizações. Outro tipo de esforço que pode resultar num deslocamento ou falta mecânica são os acidentes em transporte.

As correntes de curto-circuito são as principais responsáveis por deslocamentos mecânicos de origem elétrica, devido à alta intensidade das correntes envolvidas. Como a impedância de curto pode ser muito baixa, a corrente de curto que circula pelos enrolamentos do transformador pode atingir níveis elevadíssimos, de dezenas de vezes a corrente nominal. Embora a duração de tais correntes seja, em geral, baixa, devido à atuação das proteções do sistema, a alta amplitude da corrente pode ocasionar a ação de forças magnéticas de alta intensidade e curta duração, o suficiente para fatigar as estruturas de sustentação, ou até mesmo provocar um deslocamento em si.

Além dessas, existem as correntes de energização, durante operações de manobra, também conhecidas como correntes de inrush. Podem ser geradas no momento da energização do transformador quando a tensão aplicada não está em fase com a tensão induzida, o que gera a circulação de correntes elevadas em decorrência da saturação do material ferromagnético do núcleo. Tais correntes têm duração relativamente curta e sua amplitude não ultrapassa, em geral, cerca de oito vezes a corrente nominal, mas são responsáveis por grande parte da fadiga mecânica do material de sustentação e fixação em virtude da sua frequência elevada de ocorrência ao longo da vida útil do transformador.

Os impactos mecânicos ocorridos no transformador durante o transporte são outro tipo de causa de alterações mecânicas que podem ser citadas. Devido às suas dimensões elevadas e seu peso, as dificuldades inerentes ao seu transporte da fábrica até a subestação podem submeter o transformador a impactos que podem ser suficientes para deslocar enrolamentos ou deformar o núcleo do transformador.

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Figura 3: Diagrama ilustrativo de um deslocamento de bobina em um transformador de potência (2)

2.1 - Caracterização do Transformador no Domínio da Freqüência

A associação das capacitâncias e indutâncias internas do transformador forma uma complexa rede de impedâncias. Essas grandezas (capacitâncias e indutâncias) são fortemente dependentes da geometria do enrolamento e das constantes dielétricas e magnéticas dos materiais usados na construção do equipamento. A Figura 4 ilustra a identificação das capacitâncias parasitas que surgem da construção dos transformadores de potência.

Em uma larga faixa de frequências pode-se verificar que o comportamento da impedância resultante é tipicamente não-linear, e que os efeitos capacitivos podem se tornar mais expressivos que os efeitos indutivos em determinadas frequências de ressonância. Na Figura 5 pode ser observado um comportamento típico da impedância terminal de um enrolamento de um transformador de potência ao longo de uma larga faixa de frequências.

Esse comportamento deve ser levado em consideração no estudo de fenômenos transitórios e descargas de impulsos atmosféricos que podem atuar sobre o sistema, pois estes geram distúrbios com tensões elevadas em largas faixas de frequências. Quando há ocorrência de faltas mecânicas no interior do transformador há uma alteração na geometria dos enrolamentos e consequentemente uma alteração na distribuição das capacitâncias e indutâncias internas. Em decorrência dessas alterações, espera-se observar também uma alteração significativa nas curvas de impedância terminal e relação de transformação para os enrolamentos do transformador no domínio da frequência, princípio em que se baseiam os estudos que visam a obtenção de uma metodologia de diagnóstico de faltas mecânicas em transformadores de potência via FRA.

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Figura 4: Diagrama ilustrativo da distribuição de capacitâncias internas

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Figura 5: Curva típica de um ensaio de medição de impedância terminal

3.0 - ENSAIOS DE DESLOCAMENTO DE NÚCLEO

Os ensaios de deslocamento de núcleo realizados neste item buscaram verificar o impacto causado pela variação da geometria do núcleo do transformador e a sensibilidade dos testes de FRA a tais modificações. As alterações na disposição dos enrolamentos (eventualmente oriundas de solicitações mecânicas extremas em condições de curto) ou do núcleo (pancadas em decorrência do transporte, por exemplo) podem iniciar processos de falta. Ao mesmo tempo, tais alterações modificam também a distribuição de capacitâncias parasitas no transformador e espera-se poder reconhecer tais modificações através de alterações nas curvas de FRA.

O transformador utilizado para os ensaios possui núcleo envolvido, com suas placas expostas e prensadas. Um primeiro teste de deslocamento de núcleo procurou verificar a sensibilidade do ensaio através de uma alteração sutil: o afrouxamento das placas que prensam o núcleo do transformador, conforme mostrado na Figura 6 e na Figura 7, promovendo um breve afastamento entre placas consecutivas e a aproximação das espiras em relação à massa.

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Figura 6: Processo de afastamento das placas do núcleo do transformador.

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Figura 7: Detalhe das lâminas do núcleo

Nota-se, através dos resultados verificados na Figura 8 e na Figura 9, que mesmo com uma alteração muito sutil na geometria do núcleo foi possível identificar desvios nas curvas, com destaque para as curvas de impedância terminal.

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Figura 8: Resultados da medição de impedância terminal sem os parafusos de sustentação das placas

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Figura 9: Resultados da medição de relação de transformação sem os parafusos de sustentação das placas

Quando o deslocamento imposto às placas do núcleo é ainda maior, nota-se que o desvio observado nas curvas de FRA é mais expressivo, conforme visualizado na Figura 10, Figura 11 e na Figura 12.

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Figura 10: Medição de impedância para núcleo muito deslocado – Módulo

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Figura 11: Medição de impedância para núcleo muito deslocado – Fase

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Figura 12: Medição de relação de transformação para núcleo muito deslocado

Os resultados anteriores sugerem que a metodologia de ensaio adotada é sensível a deslocamentos de núcleo ou bobinas, amparada pela excelente repetibilidade alcançada nos ensaios realizados, uma vez que, remontado o transformador com a prensagem das placas, as curvas de FRA voltam a coincidir com aquelas referentes ao estado original antes da falta (Figura 13). Esse resultado ampara um futuro diagnóstico de falta mecânica com mais segurança.

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Figura 13: Resultados da medição de impedância terminal com o transformador remontado.

4.0 - CONCLUSÕES

Além da questão da sensibilidade do ensaio de FRA às faltas induzidas, nota-se que os padrões de falta observados se repetem para o caso estudado, com maior ou menor intensidade. Tal observação é fundamental para a concretização de uma metodologia de diagnóstico eficaz via FRA. Um estudo mais abrangente, envolvendo a criação de um extenso banco de dados com medições em transformadores de diversos portes e em condições de laboratório e campo pode subsidiar a elaboração de uma metodologia de diagnóstico que, associada a uma metodologia de ensaio bem definida, pode ser bastante útil como ferramenta. Isto permitiria ter mais segurança na tomada de decisão à medida que torna mais confiável o diagnóstico obtido.

5.0 - BIBLIOGRAFIA

  1. Araujo, Daniel Carrijo Polonio. Estudo de Metodologia e Técnicas para Execução de Ensaios de Resposta em Freqüência em Transformadores de Potência. Belo Horizonte : UFMG, 2009. Dissertação de Mestrado.
  2. Aguiar, Ezequiel Rabelo de. Analise de Resposta em Freqüência Aplicada em Transformadores de Potência. Belo Horizonte : UFMG, 2007. Dissertação de Mestrado.
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