3 ENSAIO DE RESPOSTA EM FREQUÊNCIA (FRA) 24
3.6 Montagem para os Ensaios e Procedimentos 54
De acordo com o descrito anteriormente, o procedimento do ensaio de resposta em frequência consiste na aplicação e leitura de uma tensão reduzida nos terminais do enrolamento avaliado, mantendo-se os terminais restantes aterrados. Portanto, são empregados três cabos neste ensaio, sendo o primeiro utilizado para a aplicação de tensão, o segundo dedicado para a leitura do sinal de entrada (referência) e o último para a medição do sinal de saída. Dessa forma, permite-se realizar a comparação dos sinais medidos de entrada e saída, em função da frequência, obtendo assim uma resposta gráfica da amplitude e fase da função de transferência de tensão. A amplitude desse sinal representa a razão escalar entre o sinal de resposta e a tensão de referência, apresentada em decibéis no espectro de frequência. A fase corresponde à diferença angular entre os sinais de entrada e saída, apresentada em graus.
Dos cuidados necessários para uma correta medição do ensaio de resposta em frequência descrito, destacam-se a remoção da oxidação dos terminais de alta e baixa tensão dos transformadores. Para isso utiliza-se de uma lima, ou outro acessório para remoção dessa oxidação, garantindo um bom contato dos cabos com os terminais do transformador. Com base em experimentos praticados no LAT-EFEI, tem-se que a presença de ligações deficientes pode
verificar a continuidade das ligações principais e ligações à terra, assegurando um bom contato elétrico.
Como qualquer ensaio elétrico, uma medição de resposta em frequência deve ser feita de forma segura e controlada. Uma vez que a medição FRA é um método de comparação, sempre deve estar relacionada a uma curva de referência (impressão digital). Conforme descrito no item 3.2, três tipos de comparações são realizadas: i) Comparação das fases; ii) Baseada no Tipo e iii) Baseada no Tempo. Assim, em particular à comparação baseada no tempo, deve-se atentar em garantir o mesmo arranjo do ensaio realizado para obter a curva de referência, visto que podem haver anos entre as medições individuais. Nesse ponto, o conceito de aterramento, a disposição dos cabos e a técnica de conexão empregada são de particular importância.
Um requisito para a técnica de conexão segundo a norma IEEE C57.149, é permitir que o usuário instale os cabos de maneira rápida e fácil. Além disso o usuário não deve utilizar cabos sem blindagem, evitando assim acoplamento eletromagnético.
Diante disso, em estreita colaboração com as principais universidades o fabricante do equipamento empregado OMICRON®, desenvolveu uma solução sofisticada garantir uma
maior repetitividade possível dos resultados. Isto ocorre devido a aplicação de grampos de conexão tipo parafuso especialmente projetados para fornecerem um contato elétrico confiável com o transformador ensaiado. Portanto, o FRAnalyzer® utiliza cabos coaxiais de blindagem
dupla (RG223U) para garantir a mais alta relação sinal por ruído disponível. Uma correta conexão dos cabos com os terminais do transformador está ilustrada nas Figuras 37 e 38.
Segundo experimentos realizados em transformadores de potência em tensões mais elevadas, para permitir a correta ligação à terra em transformadores com buchas consideradas longas, utiliza-se de uma conexão adicional (Figura 38) ao tanque do transformador, localizada na parte inferior da bobina, assegurando que os cabos coaxiais permaneçam esticados, visto que, de acordo com o padrão de conhecimento, a técnica de aterramento possui influência na repetitividade dos ensaios FRA.
Para investigar a importância da disposição dos cabos coaxiais ligados à terra, observa-se na Figura 39 dois casos: a) cabo terra apresenta curvatura abaixo da bucha e b) o cabo terra esticado.
Figura 37 - Conexão dos cabos ao terminal ensaiado.
Fonte: OMICRON electronics (2011).
Figura 38 – Conexão do cabo terra à parte inferior da bucha do terminal ensaiado.
Figura 39 - Posicionamento do cabo terra.
Fonte:Adaptado de The influence of connection and grounding technique on the repeatability of FRA-results (2003).
Ao realizar a comparação dos ensaios obtidos para os dois casos de disposição do cabo terra, de acordo com a Figura 40, a frequência de ressonância varia em torno de 470 Hz dependendo da disposição do cabo. Assim, o uso de cabos terra não esticados, bem como o uso de cabos parcialmente não blindados, proporcionam erros de medição e consequentemente uma interpretação equivocada dos resultados obtidos pelo FRA. Portanto, cabos de sinal blindados devem ser empregados idealmente até o terminal do transformador, a fim de minimizar a dependência na sua disposição e aumentar a repetibilidade dos ensaios.
Figura 40 - Influência da disposição dos cabos.
Fonte: The influence of connection and grounding technique on the repeatability of FRA results (2003).
capaz de detectar movimentos mecânicos ou danos em um transformador conforme apresentado.
Ao iniciar os ensaios de resposta em frequência, o primeiro passo consiste em verificar o o instrumento empregado através do procedimento de verificação de desempenho, de acordo com IEC 60076-18. Este procedimento permite analisar se o equipamento FRAnalyzer possui precisão da medição da razão entre Ventrada e Vsaída. Para isso foram realizados os dois métodos de verificação de desempenho apresentado por esta norma. O primeiro método foi executado através de duas formas de ligação dos cabos, uma constitui em conectar os cabos da fonte, referência e de resposta do FRAnalyzer, utilizando o conector tipo T. A resposta obtida nesse esquema de ligação deve obrigatoriamente possuir uma relação de amplitude média de 0 dB ± 0,3 dB para todo espectro de frequência. O resultado dessa verificação é apresentado na Figura 41.
A segunda forma de conexão dos cabos, ainda no primeiro método, foi praticada conectando os cabos de fonte e referência no mesmo ponto, deixando o circuito aberto no terminal de resposta. A relação de amplitude medida deve ser menor que -90 dB para todas as frequências. O resultado dessa verificação está representado na Figura 42.
Figura 41 - Resultado do procedimento de verificação no equipamento.
A outra maneira de verificar o procedimento apresentado pela norma IEC 60076-18, constitui em medir a resposta de um objeto conhecido, sendo que este deve ter uma resposta de frequência que cobre a faixa de atenuação de -10 dB a -80 dB. Portanto, foi realizado o ensaio FRA para uma resistência de 100 Ω (Figura 43 e Figura 44), indutância de 16 mH (Figura 45 e Figura 46) e capacitância de 15 nF (Figura 47 e Figura 48).
Todos os resultados obtidos estão de acordo com a referida norma, garantindo que o equipamento empregado está em boas condições para apresentar um resultado confiável.
Figura 42 – Resposta em frequência de verificação do equipamento.
Figura 44- Fase do Ensaio FRA para resistor.
Figura 46 - Fase do Ensaio FRA para um indutor.
Figura 48 - Fase do Ensaio FRA para um capacitor.
Com o equipamento é possível iniciar os ensaios. O primeiro caso analisado é de um transformador trifásico que apresenta o enrolamento de alta tensão H1 em aberto, denominado Transformador 1. Neste caso compara-se a linha de base de um transformador “irmão” (com mesmo desenho) denominado de Transformador 2, em perfeitas condições, permitindo a verificação das respostas obtidas através dos ensaios FRA. Os dados do transformador com H1 em aberto são apresentados na Tabela 14.
Tabela 14 – Dados do Transformador 1 Transformador Trifásico
Classe de Tensão: 15 kV
Tensão Nominal: 13800 – 220/127 V
Potência: 15 kVA
Ligação: Dyn1
Material do enrolamento: Alumínio
Nível de Isolamento: 95 kV
Com o objetivo de confirmar o defeito existente neste transformador, foram analisadas as informações provenientes do ensaio de rotina, sendo que através do ensaio de relação de tensão, percebe-se uma divergência maior no valor referente à Fase 1. Isto indica um possível defeito nesta fase. Os resultados obtidos do ensaio de relação de tensão são apresentados na Tabela 15.
Tabela 15 - Ensaio de relação de tensão. Ensaio de relação de tensão.
tap 13.800 V Erro (%) Incerteza na Medição (%)
Fase 1 178,920 64,66 0,15
Fase 2 108,650 -0,01 0,15
Fase 3 108,840 0,16 0,15
A afirmação de possível defeito diante do valor da relação de tensão da Fase 1 apresentada na Tabela 15, baseia-se na máxima tolerância estabelecida pela ABNT NBR 5440 que é de ± 0,5%. As características específicas dos transformadores e suas tolerâncias permitidas pela norma estão demonstradas na Tabela 16.
Tabela 16 - Máximas tolerâncias estabelecidas pela NBR 5440. Características especificadas Tolerância
Impedância de curto-circuito dos enrolamentos ± 7,5 %
Perdas em vazio + 10,0 %
Perdas totais + 6,0%
Relação de tensões em qualquer derivação ± 0,5 % Relação de tensão em transformadores providos
de derivação. Quando a espira for superior a 0,5 % da tensão de derivação respectiva, a tolerância especificada aplica-se ao valor de tensão
correspondente à espira completa mais próxima.
± 1/10 da impedância de curto-circuito expressa em porcentagem
Corrente de excitação + 20 %
Nota: A tolerância é aplicada ao valor declarado pelo fabricante.
Fonte: ABNT NBR 5440 (2013).
boa aproximação dos valores lidos nos terminais de alta H1-H2 e H2-H3, porém o terminal H1- H3 apresentou uma resistência com aproximadamente o dobro do valor obtido nos outros terminais ensaiados. Os dados desse ensaio são apresentados na Tabela 17.
Tabela 17 - Ensaio de resistência ôhmica no Transformador 1. Ensaio de resistência ôhmica
tap 13.800 V Incerteza na Medição (%)
H1-H2 294,646 Ω 0,18
H1-H3 589,763 Ω 0,18
H2-H3 294,321 Ω 0,18
A divergência do valor da resistência do enrolamento H1-H3 ilustra o cenário de defeito deste transformador. Com base na representação dos enrolamentos de alta tensão (Figura 49), percebe-se que devido à ligação Dyn1, ao aplicar tensão nos terminais H1-H3 a corrente percorre os enrolamentos H2-H3 devido a bobina de H1 estar aberta. Portanto, o valor lido nos terminais H1-H3 se refere às bobinas de H2 + H3, o que justifica o valor encontrado pelo ensaio de resistência e confirma o defeito de H1 em aberto.
No ensaio para a medição das perdas em curto-circuito do Transformador 1, também foi possível concluir que este transformador apresenta a bobina H1 em aberto, pois nesse ensaio percebeu-se que a corrente que circula pelos enrolamentos X1 e X2 é praticamente nula, enquanto que a corrente que percorre os enrolamentos X2 e X3 possui o valor de 31,23 A. Para comprovar os valores de correntes citados o Anexo A contém as fotos dos amperímetros, registradas no momento da leitura.
Além dos valores das correntes lidas no ensaio para a medição das perdas em curto- circuito, observando a forma de onda da tensão e da corrente (Figura 50), percebe-se que a forma de onda da corrente nas fases Ia (em verde) e Ic (em amarelo) estão praticamente iguais em módulo e fase, mas a corrente Ib (em vermelho) possui o dobro de amplitude e está defasada de 180º em relação a Ia e Ic.
Figura 50 – Formas de onda da tensão e corrente no ensaio de curto-circuito.
O significado das correntes das fases Ia e Ic serem iguais em módulo e fase, e a corrente Ib possuir o dobro de amplitude e apresentar defasagem de 180º em relação as outras fases, pode ser ilustrado na Figura 51. Esta figura representa o tipo da ligação do transformador ensaiado e os sentidos das correntes nos enrolamentos de alta tensão de acordo com as formas de onda obtidas no ensaio de perdas em curto-circuito. O defeito de H1 em aberto também é confirmado através deste ensaio, assim devido a esse defeito a corrente aplicada no terminal H1 percorre apenas a bobina H2. O mesmo ocorre com a corrente aplicada no terminal de H3, que
flui apenas por H2, justificando que a corrente na fase “b” apresenta o dobro de amplitude, pois é a soma das correntes Ia e Ic, porém com sentido oposto.
Figura 51 – Representação dos sentidos das correntes no ensaio de curto-circuito
Conhecendo o defeito apresentado pelos ensaios de rotina do Transformador 1, foi realizado o ensaio de resposta em frequência para verificar se o defeito também poderia ser observado através do ensaio FRA. Assim, o primeiro passo foi obter a curva de referência, executando o ensaio de resposta em frequência para o Transformador 2, sem defeito. O módulo e a fase da curva ZT estão apresentados nas Figuras 54 e 55, assim como o módulo e a fase da curva FT são apresentados nas Figuras 56 e 57, respectivamente.
Figura 52 - Módulo da Curva de referência do ensaio ZT para o Transformador 2.
Figura 54 – Módulo da Curva de referência do ensaio FT para o Transformador 2.
Com a curva de referência obtida, o ensaio foi repetido nas mesmas condições (temperatura do óleo e configuração de ensaio) para o Transformador 1 com defeito. Estes ensaios foram realizados em todas as fases, nos quais foram obtidas as curvas ZT (Figura 56 e Figura 57) e FT (Figura 58 e Figura 59).
Figura 56 – Módulo do ensaio ZT para o Transformador 1.
Figura 58 – Módulo da Curva do ensaio FT para o Transformador 1.
Figura 59 - Fase da Curva do ensaio FT para o Transformador 1.
Após a realização do ensaio de resposta em frequência para o Transformador 1 com defeito, observou-se claramente na curva ZT que a resposta dos terminais H1-H3 (em azul) apresenta maior divergência do que os outros terminais ensaiados. Também foi observado na
curva FT uma divergência dos terminais H1-X1 (em azul) em relação aos terminais H2-X2 (em laranja) e H3-X3 (em cinza). Estas duas análises permitem concluir que o defeito está no enrolamento H1 deste transformador, demonstrando que o ensaio FRA também pode ser utilizado para a verificação de defeitos.
Assim, para certificar as análises obtidas foi comparada a resposta em frequência encontrada para o transformador com defeito de H1 em aberto com a resposta em frequência esperada para este tipo de defeito apresentada na norma IEEE C57.149, 2012, demonstrada na Figura 60. Esta figura demonstra que o padrão de resposta em frequência para um transformador com o enrolamento de alta tensão, fase A em aberto, gera uma alteração dessa resposta em todo o espectro de frequência, sendo mais evidente nas bandas B1, B2 e B3, conforme apresentado no item 3.2.
Figura 60 - Resposta em frequência para enrolamento de alta em aberto.
Fonte: Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil-Immersed