Abstract--Este trabalho apresenta as técnicas de avaliação e testes de buchas de Alta tensão de transformadores de potência.
Mostra os procedimentos e resultados práticos envolvendo testes de fator de dissipação e capacitância que pode ser aplicado pelas equipes de manutenção. Este trabalho mostra ainda a realização de testes avaliando a condição de isolamento buchas, usados para subsidiar a tomada de decisão sobre a condição da instalação.
Index Terms— buchas, diagnóstico, efeito pelicular, variação de frequência, testes e análises, detecção de defeitos
I. INTRODUÇÃO
VALIAR e produzir um diagnóstico confiável do estado de equipamentos de subestação tem requerido dos profissionais envolvidos com essa atividade a adoção de técnicas e ferramentas que permitam obter uma avaliação eficaz e rápida desses equipamentos.
Devido à crescente pressão para reduzir custos, as empresas do setor elétrico são forçadas a manter as antigas instalações em operação por tanto tempo quanto possível. Estatísticas recentes têm mostrado que cerca de um terço dos transformadores têm mais de 30 anos.
As buchas de alta tensão são componentes críticos dos transformadores de potência e particularmente buchas capacitivas de alta tensão necessitam de maior atenção e testes regulares para se evitar falhas inesperadas.
Diante das novas regras de mercado do setor elétrico, do envelhecimento das instalações e da diminuição do número de profissionais envolvidos com a avaliação dos equipamentos na subestação, torna-se imperativo a busca de procedimentos e ferramentas que possibilitem a obtenção de dados das instalações de forma rápida e precisa.
Este trabalho mostra técnicas de avaliação e testes em buchas de alta tensão utilizando varredura de frequências. Por meio da observação dos fenômenos de efeito pelicular e da polarização do meio dielétrico, o trabalho avalia a condição do isolamento e buchas de alta tensão através do teste de Fator de Dissipação e Capacitância em várias frequências, e a comparação das curvas resultantes com os dados e características do elemento sob teste.
O trabalho também mostra que o teste realizado apenas a 60 Hz pode levar a diagnósticos errados ou incompletos. Com a
M. E. C. Paulino é gerente técnico da Adimarco, Rio de Janeiro, RJ, Brazil (e-mail: marcelo@adimarco.com.br ou mecpaulino@yahoo.com.br).
A. T. L. Ameida é professor titular da Universidade Federal de Itajubá, MG, Brazil (e-mail: tadeu.lyrio@unifei.edu.br).
variação de frequência é possível detectar a degradação no isolamento em um estágio inicial, com uma análise mais detalhada.
II. AVALIAÇÃO DE BUCHAS COM VARIAÇÃO DE FREQUÊNCIA Os testes mais comuns realizados em buchas de alta tensão são:
Medida de fator dissipação e capacitância do isolamento
RIV (Radio-Influence-Voltage)
Resistência de isolamento DC
Teste do óleo ou da umidade no isolamento
Neste trabalho foi analisada a aplicação dos ensaios de fator de dissipação e capacitância. Essa aplicação, juntamente com a avaliação do óleo, consiste no procedimento de teste de campo mais eficaz para detecção antecipada da degradação do isolamento da bucha. Ele também mede a corrente de teste alternada (CA), que é diretamente proporcional à capacitância da bucha.
Para a avaliação dos resultados do teste de fator dissipação e capacitância do isolamento em 50/60 Hz, as normas IEC 60137 e IEEE C57.19.01 indicam os limites de avaliação [1,2].
TABLEI
AVALIAÇÃO PARA DIFERENTES TIPOS DE BUCHAS SEGUNDA AS NORMAS
IEC60137 E IEEEC57.19.01[1,2]
Tipo RIP OIP RBP
Isolamento Papel impregnado a resina
Papel impregnado a óleo
Papel envelopado a
resina DF tan δ
(IEC 60137) < 0,7% * < 0,7% * < 1,5% * PF cos
IEEE C57.19.01 < 0,85% * < 0,5% * < 2% *
* a 1.05 Um/3 e 20°C
As tabelas 2 e 3 mostram as tolerâncias para avaliação de buchas adotadas neste trabalho para as medidas realizadas a 50/60 Hz.
TABLEII
AVALIAÇÃO DA CAPACITÂNCIA [3]
ΔC = Cmedida – Cref* Avaliação
ΔC < 5% Aceitável
5% < ΔC < 10% Deve ser investigada
ΔC > 10% Crítica
*sendo Cref o valor de placa ou de bucha nova TABLEIII
AVALIAÇÃO DO FATOR DE DISSIPAÇÃO [3]
Avaliação FPmed < 2 x FPref Aceitável
FPmed < 3 x FPref Deve ser investigada FPmed > 3 x FPref Crítica
*sendo FPref o valor de placa ou de bucha nova
Avaliação de Buchas de Alta Tensão com Variação de Frequência
M. E. C. Paulino, e A. T. L. Almeida,
A
Entretanto, até os dias de hoje, o fator de dissipação ou o fator de potência só foram medidos na frequência da linha.
Este trabalho realiza as medições de isolamento em uma larga faixa de frequência, produzindo uma assinatura da bucha testada em função da frequência.
As medidas podem ser feitas em frequências diferentes da frequência da linha e seus harmônicos. Com este princípio, os testes podem ser realizados também na presença de alta interferência eletromagnética em subestações de alta tensão.
A faixa de frequência utilizada nesse trabalho varia de 15 a 600 Hz. Os testes podem ser realizados sem problemas, pois, nesta faixa de frequências, as capacitâncias e indutâncias do sistema elétrico testado são praticamente constantes, sendo permitida uma variação máxima de 1% nos valores de capacitância ou indutância medidos.
O teste do isolamento consiste na medida da superposição de vários efeitos, tais como as propriedades do papel sozinho e do óleo isolante. A análise das propriedades dielétricas é dada com a combinação da polarização interfacial no isolamento óleo e papel, combinando suas características.
Assim, para avaliarmos o isolamento, devemos considerar que o dielétrico perde sua capacidade de isolar devido a:
Movimento de íons e elétrons (corrente de fuga)
Perdas por causa do efeito da polarização A. Perdas por Corrente de Fuga
A perda por movimento de elétrons, ou seja, por corrente de fuga no isolamento é dependente da frequência da tensão aplicada no isolamento. Este fenômeno ocorre devido ao efeito pelicular.
O efeito pelicular (Skin effect em inglês) é um efeito caracterizado pela repulsão entre linhas de corrente eletromagnética, criando a tendência de esta corrente fluir na superfície do condutor elétrico. Quando uma corrente elétrica constante flui em um condutor homogêneo, ela se distribui uniformemente pela sua seção transversal. Quando se trata de uma corrente alternada, esta não se distribui de maneira uniforme pela seção do condutor. Este efeito é proporcional à intensidade de corrente, à frequência, ao campo elétrico, às dimensões e forma do condutor e a condutividade elétrica [4].
Para um condutor de seção transversal circular, a distribuição da corrente elétrica varia ao longo do raio da seção, sendo maior na superfície. Freqüentemente encontrado em sistemas de corrente alternada, o efeito pelicular é responsável pelo aumento da resistência aparente de um condutor elétrico, devido à diminuição da área efetiva do condutor.
Para comprovar a influência do raio do condutor na resistência frente ao aumento de frequência, utilizaram-se as funções de Bessel para calcular a impedância interna de condutores cilíndricos contínuos e tubulares, levando-se em consideração o efeito pelicular [5]. A figura 1 mostra a resistência aumentando com a frequência, sendo quanto maior a espessura do tubo, mais inclinada é a curva se apresenta.
Assim, o efeito pelicular causa, com o aumento da frequência, o aumento da densidade de corrente nas porções externas do
condutor, evidenciando a ocorrência de corrente de fuga superficial. Além disso, as perdas aumentam com o aumento da frequência.
Fig. 1 – Comportamento da resistência de condutores cilíndricos tubulares.
B. Perdas por Efeito da Polarização
O comportamento de um material isolante quanto à polarização tem uma característica semelhante à utilizada na compreensão da análise de um capacitor.
A capacitância está relacionada às características geométricas do capacitor e se o espaço entre as placas for preenchido com um material isolante, o fenômeno da polarização vai influenciar na capacitância, aumentando-a.
Entretanto, a criação de dipolos no isolante absorve energia dos terminais do capacitor, devolvendo-a quando este é descarregado, configurando as perdas por polarização.
As perdas por polarização são geradas devido aos efeitos de suspensão e rotação. No entanto, a polarização elétrica dos materiais não tem origem em uma única fonte e a polarização total de um material dielétrico será a soma de todos os tipos presentes neste material.
A suspensão de elétrons é completamente reversível. O mecanismo é demonstrado na figura 2. Este tipo de polarização também é chamado de “Polarização do Átomo”. A polarização de dipolos é mostrada na figura 3.
Fig. 2 – Polarização de elétrons em um campo elétrico
Fig. 3 – Polarização de dipolos em um campo elétrico
O dipolo típico é uma molécula de água. Quando o campo elétrico altera a polaridade, a orientação da molécula de água é alterada para 180º. Esta rotação, relacionada com a frequência aplicada, causa as perdas descritas. A superfície, os limites de elementos internos e intermediários (incluindo a superfície da precipitação) podem ser carregados, isto é, elas contêm dipolos que são orientados para alguns graus devido a um
campo externo e deste modo contribuir para a polarização do material, gerando perdas adicionais que são conhecidas por polarização interfacial. Este efeito ocorre, por exemplo, na interface entre o óleo do transformador e o isolamento sólido tais como papel ou placa de transformador.
III. ENSAIO EM BUCHAS INSTALADAS EM AUTOTRANSFORMADOR E EM BUCHA RESERVA
As buchas de alta tensão de autotransformadores instaladas em uma Subestação de 500 kV possuem os valores de referência mostrados na tabela 3. A figura 4 mostra o autotransformador da fase B sob teste.
TABLEIII
VALORES DE REFERÊNCIA PARA C1 DE BUCHAS 500 KV Bucha Capacitância Fator de Dissipação
Fase A (n° 78D237) 431,9pF 0,22%
Fase B (n° 78D243) 421,3pF 0,20%
Fase V (n° 78D247) 426,6pF 0,21%
Fig. 4. Autotransformador fase B sob teste.
Foram realizadas medidas de fator de dissipação e capacitância nas buchas H1 das fases B e V. Os resultados do teste para a frequência de 60Hz são mostrados na tabela 4.
TABELIV
VALORES DE ENSAIO A 60HZ PARA C1 DE BUCHAS 500 KV Medida Fator de Dissipação Capacitância
BUCHA H1 Fase B 0,2380% 425,4132 pF
BUCHA H1 Fase V 0,2795% 426,0563pF
A comparação entre as unidades e os valores de referência mostra a boa condição das buchas segundo os testes realizados. Em seguida foram realizados ensaios com variação de frequência, cujos resultados serão apresentados adiante.
A. Ensaio em Bucha Reserva de 500 kV
Os testes foram repetidos em uma bucha reserva. A figura 5a mostra a bucha em seu local de armazenamento. A figura 5b mostra sua retirada para inspeção e realização de novo teste.
Como se trata de uma bucha do mesmo tipo que as buchas instaladas no transformador, eram esperados resultados iguais.
Entretanto a realização do teste com a bucha em seu local de
armazenamento mostrou uma séria degradação em seu isolamento devido a forte presença de umidade.
(a) (b)
Fig. 5. Bucha Reserva sob teste – (a) bucha armazenada no caneco, (b) bucha sendo retirada para inspeção e novo teste.
A bucha foi então retirada do caneco e a inspeção mostrou grande quantidade de umidade, como mostra a figura 6 no detalhe da extremidade inferior da bucha.
Fig. 6. Inspeção na bucha reserva e constatação da presença de umidade.
Foi então realizado a secagem manual da bucha e novo teste. A tabela 5 mostra os resultados do teste na bucha reserva antes e depois da secagem manual. Fica evidenciada a degradação do isolamento. Após a secagem manual o resultado do teste indica uma sensível melhora do isolamento.
Entretanto essa melhora não chega aos níveis observados para as buchas em funcionamento, mostrado na tabela 4.
TABELAV
VALORES DE ENSAIO A 60HZ PARA C1 DE BUCHA RESERVA 500 KV Medida Fator de Dissipação Capacitância
BUCHA H1 Reserva antes 1,3227% 409,7116pF
BUCHA H1 Reserva depois 0,3353% 421,9776pF
A figura 7 mostra o resultado do teste com a variação de frequência nas buchas das fases B e V, e na bucha reserva (antes e depois da secagem manual). Fica evidente a diferença de assinaturas evidenciando a condição do isolamento.
Fig. 7. Resultados de teste de Fator de Dissipação com variação de frequência.
A figura 8 mostra os resultados de teste para as medidas de capacitância. Repete-se a característica com o mesmo efeito.
Fig. 8. Resultados de teste de Capacitância com variação de frequência.
Nota-se que na faixa de frequências usada no teste, a capacitância poderá variar 1%, no máximo. A tabela 6 mostra os valores calculados da variação de frequência.
TABELVI
VALORES DE VARIAÇÃO DO VALOR DE CAPACITÂNCIA
Bucha Cap %
Fase B 0,51 %
Fase V 0,56 %
Reserva (antes) 2,64 % Reserva (depois) 0,73 %
IV. COMPARAÇÕES DE MEDIDAS DE CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO EM 3FASES
Foi realizada a comparação das medidas de fator de potência entre as buchas das 3 fases de um banco de reatores ASEA/BROWN BOVERI, tipo RM46, 2002, com Potência:
40,33 MVAr, Tensão HV: 500 kV, Corrente HV: 127 A. A figura 9 mostra uma unidade testada. As buchas testadas forma fabricadas em 2002 e são do tipo GOE 1675/1175/2500A (OIP) com isolação: 550/318[kV], e valores nominais da Capacitância C1 de 5516 pF e do fator de dissipação de C1 com 0,46%. Os resultados de Fator de Potência variando a frequência são mostrados na figura 10. Nota-se que o Fator de Potência tende a aumentar com o aumento da frequência, comprovando o descrito anteriormente.
Fig. 9. Unidade testada de reatores ABB 40,33 MVA/500kV.
Fig. 10. Comportamento do fator de dissipação pela variação de frequência - Comparação entre as 3 fases
Entretanto registraram-se picos negativos e positivos exatamente sobre a frequência de 60 Hz. Isto ocorreu devido à forte interferência eletromagnética na medida, pois os reatores avaliados estão instalados ao lado de uma instalação de 500kV energizada. Vale ressaltar que se as medidas fossem feitas apenas com 60 Hz os resultados anotados certamente estariam errados, pois não levariam em consideração as condições reais do equipamento sob teste.
A figura 11 mostra as medidas de capacitância das buchas com variação de frequência. Novamente pode-se observar o efeito da interferência eletromagnética em 60 Hz.
Fig. 11. Comportamento da Capacitância pela variação de frequência - Comparação entre as 3 fases A, B e V.
Observam-se também os valores de capacitância que praticamente não se alteram, apresentando uma variação de cerca de 0,7% em toda a escala de frequências. A comparação entre as fases mostra uma diferença máxima de menos de 1%
entre os valores de capacitância.
V. ANÁLISE DE FALHA EM TRANSFORMADOR ELEVADOR Em uma atividade de manutenção foram realizados testes para análise das buchas do transformador elevador de 134,4 MVA - 13,8/138 kV, instalado na UHE Jupiá, CESP, Brasil. A figura 12 mostra o transformador sob teste.
Fig. 12. Transformador 134,4 MVA - 13,8/138 kV, UHE Jupiá, CESP.
Os resultados dos testes nas buchas de alta tensão não evidenciarem problemas, conforme mostra a figura 13. O ensaio foi realizado no modo UST-A, medindo a capacitância C1 da bucha. Os valores a 60 Hz coincidem com os valores de referência e valores de ensaios anteriores, além da característica com variação de frequência mostrar a repetibilidade entre as fases e atestar a condição boa do isolamento das buchas H1, H2 e H3.
Fig. 13. Ensaio de Fator de Potência das buchas de AT.
Entretanto, os resultados do ensaio das buchas de baixa tensão evidenciaram um sério problema no isolamento nessas
buchas, conforme mostra a figura 14. Os valores na frequência de 60 Hz apresentam valores conformes e esperados.
Entretanto, com a variação de frequência, fica clara a evidência de falha pelo desvio entre as buchas após 150 Hz.
Como o uso de uma ponte tipo Schering, com capacitor de referência e capacidade de variação de frequência, a equipe técnica tem a sua disposição todos os dados para efetuar uma análise eficaz, como os resultados das medidas das Perdas Watt com a variação da frequência, utilizando a técnica de Colar Quente, como mostrada na figura 15. A figura 16 mostra os resultados para a variação da Perda Watt com a frequência.
Fig. 14. Ensaio de Fator de Potência das buchas de BT.
Fig. 15. Conexão para ensaio de Fator de Potência das buchas de BT.
Fig. 16. Resultados de Perda Watt nas buchas de BT.
Nota-se que ao redor de 60 Hz a perda Watt, basicamente composta pela corrente de fuga superficial, é desprezível.
Comparando-se as características de fator de potência e perda Watt notamos uma grande semelhança. Portanto pode-se concluir que:
A perda Watt aumenta com a frequência devido ao efeito pelicular, então existe um caminho para estabelecimento da corrente de fuga evidenciando falha no isolamento;
A diferença entre as buchas das 3 fases implica em diferentes condições de falha entre elas;
Como a medida foi realizada sem a influência da corrente de fuga superficial (teste colar quente), a corrente de fuga evidenciada não flui pela superfície da bucha, mas por uma conexão interna.
Após a abertura da caixa de buchas (figura 17a) foi verificado o afrouxamento dos parafusos das barras de conexão entre as buchas de BT e a barra do enrolamento conforme a figura 17b, além de trincas na base de fixação.
Fig. 17a. Caixa de buchas de BT. Fig. 17b. Conexão buchas de BT.
VI. CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou aplicações envolvendo técnicas com variação de frequência capazes de realizar testes com maior rapidez e eficácia. Essas técnicas permitem a realização do teste de Fator de Dissipação em várias frequências, gerando assinaturas representando o estado atual do isolamento. Isto permite a comparação das curvas resultantes de um determinado teste com uma assinatura de referência.
Os procedimentos para identificação de problemas em buchas de transformadores de potência utilizando medidas com variação de frequência identificam o tipo de falha e sua localização.
Com isto é possível detectar a degradação no isolamento em um estágio inicial, com uma análise mais detalhada, subsidiando a tomada de decisão sobre a condição do transformador, evitando a escolha de procedimentos inadequados, aumentando os custos e o tempo de indisponibilidade.
O trabalho mostrou que o teste realizado apenas a 60 Hz pode levar a diagnósticos errados ou incompletos e não é capaz de avaliar satisfatoriamente o isolamento de buchas de transformadores.
VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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VIII. BIOGRAFIAS
Marcelo Eduardo de Carvalho Paulino graduou- se como Engenheiro Eletricista na Escola Federal de Engenharia de Itajubá (EFEI). Também é Especialista em Manutenção de Sistemas Elétricos.
Possui larga experiência em Sistemas de Controle Convencional, Manutenção de Sistemas de Automação Digitais de Subestação, Proteção de Sistemas Elétricos, Qualidade de Energia e Aplicações em Smart Grids. Manutenção, testes e avaliação de transformadores de potência.
Atualmente é gerente do Departamento Técnico da Adimarco, no Rio de Janeiro, Brasil. Instrutor certificado pela OMICRON eletronics É Também responsável pela preparação, projeto e execução de prestação de serviço na área de teste de proteção e equipamentos de sistemas elétricos de Usinas e Subestações de 500/345/138/13,8 KV. Autor e co-autor de mais de 80 trabalhos técnicos em eventos no Brasil e no exterior. Membro ativo de sociedades profissionais nacionais e internacionais. Membro da ABNT/COBEI e CIGRÉ, atuando em WG B5.39, WG A2.05, WG A2.44, WG D1.35, e IEC TC57.
Antonio Tadeu Lyrio de Almeida graduou-se como Engenheiro Eletricista na Escola Federal de Engenharia de Itajubá (EFEI) em 1980. Cursou especialização em Curso de Engenharia de Sistemas Elétricos pela Universidade Federal de Itajubá em 1984, especialização no Curso de Engenharia de Manutenção de Subestações pela Universidade Federal de Itajubá em 1989. É mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá em 1986 no tema Especificação de Motores de Indução e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas em 1993 com trabalho de Contribuição à Conservação de Energia e à Manutenção de Motores de Indução Trifásicos. Atualmente é professor titular da Universidade Federal de Itajubá e Coordenador do CEMSE - Curso de Especialização em Manutenção de Sistemas Elétricos. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Sistemas Elétricos de Potência.
Atuando principalmente nos seguintes temas: Motores de Indução, Conservação de Energia, Manutenção, Manutenção Elétrica, Ensaios.
Membro do IEEE.
