Sistema Inteligente para Inspeção de Transformadores

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Sistema Inteligente para Inspeção de Transformadores

Germano Lambert-Torres e Carlos Henrique Valério de Moraes (UNIFEI) germano@unifei.edu.br

Resumo

Os transformadores são elementos de vital importância nas redes elétricas, tanto por sua utilidade operacional, quanto pelo seu custo. Durante a sua operação, eles são expostos a diferentes condições operativas, como sobrecarga, harmônicos, aquecimentos indevidos, vibrações mecânicas, entre outras, as quais podem causar degradações em suas condições operacionais e de isolação. Portanto, um sistema de manutenção preditiva é desejável para que se possa determinar suas condições mecânicas, isolantes e elétricas evitando desligamentos e operações incorretas. Este sistema também poderá auxiliar nas definições de planejamento, manutenção e tomadas de decisão da ampliação do sistema. Este artigo apresenta um sistema computacional de monitoramento de transformadores com capacidade de avaliar as suas condições operacionais e a degradação de sua vida útil.

Palavras-chave:Monitoração, Vida Útil, Manutenção Preditiva.

1. Introdução

A manutenção preditiva dos transformadores contribui com a maior disponibilidade dos equipamentos ao sistema quando ela é executada de forma planejada e sistemática, garantindo que a necessária intervenção venha a acontecer somente no momento preciso, no menor tempo possível, visando reduzir os riscos de uma interrupção não-programada de energia ao sistema (ABNT, 1981a). Esta manutenção também exerce papel importante na rentabilidade econômica de um sistema elétrico, uma vez que atividades de manutenção são desenvolvidas com a intenção de melhorar o desempenho e aumentar o tempo de vida útil dos equipamentos, postergando ao máximo, investimentos necessários a reposição de equipamentos, descartando equipamentos que não compensem serem recondicionados e relacionando aqueles que efetivamente possam voltar ao sistema após uma intervenção economicamente compensatória (MILASCH, 1984).

O objetivo do sistema é avaliar o estado do transformador a partir da análise e manipulação de um conjunto de variáveis operativas do transformador (corrente, tensão, temperatura, análise cromatográfica e outras variáveis diretas e derivadas que forem necessárias) obtidas de ensaios, sistemas de monitoração, banco de dados e outros.

Uma vez disponíveis as informações extraídas das variáveis monitoradas, essas devem alimentar um modelo suficientemente consistente que possa apresentar uma avaliação confiável da perda de vida útil do transformador sob supervisão. O modelo para obter tal avaliação deverá ser montado com base em duas vertentes. A primeira está diretamente relacionada com as teorias clássicas de circuitos elétricos, onde as variáveis elétricas irão fornecer os subsídios necessários para a avaliação dentro do conhecimento formal destas teorias. A segunda vertente diz respeito a um modelo baseado nas técnicas de Sistemas Especialistas, onde o conhecimento e a experiência armazenada através dos anos de utilização podem agregar informação decisiva no processo de avaliação das condições operacionais do equipamento. Esses dois sistemas são complementares e funcionam como um sistema hierárquico de supervisão e avaliação. O diagnóstico das características operacionais do

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transformador, ou mais precisamente de sua perda de vida útil, deverá ser uma somatória produzida pela concatenação do conhecimento extraído dos dois modelos implementados. A avaliação da vida útil dos transformadores, baseada em todas as informações avaliadas e na manipulação adequada dessa informação, é uma tarefa pertinente para sistemas de processamento da informação associada com o conhecimento técnico armazenado na expertise do pessoal da companhia.

O sistema computacional desenvolvido também foi alimentado com uma base de dados para que possa comparar desempenhos de grupos de transformadores, como características semelhantes, por exemplo: mesmo fabricante, equipamentos recondicionados, equipamentos expostos ao mesmo tipo de intempérie, entre outros. Este tipo de análise permite que algumas das conclusões tiradas para um subgrupo de transformadores possam ser ampliadas para os demais. Este procedimento é bastante útil para os transformadores de distribuição pelo seu número e distribuição geográfica, podendo fornecer informações de tendências de redução de vida útil, de qualidade do equipamento e do seu desgaste operativo. Todas estas informações passarão a fazer parte da base de conhecimento do sistema computacional de tomada de decisão, preservando estas informações na empresa e disponibilizando-a para diversas pessoas e áreas. O presente artigo apresenta o sistema desenvolvido pela RGE (Rio Grande Energia) e pela UNIFEI (Universidade Federal de Itajubá) para a manutenção preditiva dos transformadores desta primeira companhia.

2. Tópicos em Tomada de Decisão Inteligente:

Sistemas Especialistas (SE) é o ramo da Inteligência Artificial que tenta imitar o cérebro humano através do uso de processos de decisão semelhantes aos utilizados pelos especialistas humanos. Para tal, é organizada uma base de conhecimento (BC), que contém todas as informações necessárias de um dado campo do conhecimento. Estas informações são organizadas, na maioria dos casos, em fatos e regras. Os fatos contêm informações não condicionais, como por exemplo: estados dos elementos, sua posição no sistema e suas características. Eles podem ser classificados em dois tipos: estáticos ou dinâmicos, segundo o tempo de atualização desses seus dados (LAMBERT TORRES, 1986).

As regras são declarações condicionais e servem para definir relações entre os fatos ou o encaminhamento de uma dada solução. Na realidade, elas formam a base de sustentação de um SE e sua grande diferença para um programa convencional (LIU, 1997). Neste último tipo, o conhecimento deve ser depurado e organizado antes ser colocado no interior do programa. E mais, nos programas convencionais somente os problemas inicialmente propostos são resolvidos não havendo a possibilidade da solução de problemas diferentes dos concebidos pelo programador para seu uso.

Nos SE, o conhecimento é colocado em sua forma bruta sem grandes depurações ou organizações iniciais. Ele é escrito na BC e a resposta é achada pelo motor (ou máquina) de inferência (MI). Esta segunda parte de um SE é a responsável por realizar o processo de inferência no conhecimento disponível, achando respostas parciais e a resposta final. O MI trabalha utilizando relações de lógica formal e independe do tipo de conhecimento existente na BC (LAMBERT-TORRES, 2001).

Normalmente, o MI utiliza uma "memória de trabalho" ("working memory") para escrever os fatos que vão sendo inferidos durante o processo de busca de uma solução. Esta memória funciona como um rascunho que é jogado fora quando o trabalho é concluído.

Finalmente, a terceira parte de um SE é a interface com o usuário (UI), que deverá ser amigável, podendo ter, segundo o caso, gráficos e desenhos ilustrativos e fazer sua

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comunicação via linguagem natural. A diferença deste tipo de interface para a dos programas convencionais é que esta deve conter um módulo de explicação de como o SE chegou a uma dada resposta. Isto é uma característica importante dos SE, ou seja, poder fornecer ao usuário com que tipo de raciocínio o sistema resolveu um dado problema.

3. Tópicos sobre a Monitoração das Grandezas dos Transformadores:

Diversas são as grandezas que serão utilizadas. A mais comum de acompanhamento é a análise cromatográfica, que ainda é uma arte, e cada empresa adota uma forma distinta de interpretação e ação a ser tomada. Os seguintes aspectos relevantes são levados nesta análise, que também serve com base para as outras grandezas que serão monitoradas:

Correlação com valores anteriores: correlacionar os resultados da análise com os resultados de análises anteriores do mesmo equipamento, verificando assim o incremento, ou taxa de evolução de cada gás; Seguindo orientação do GCOI - Grupo Coordenador para operação Interligada (1984), o valor máximo é de 10% de acréscimo ao mês, exceto para o gás acetileno (C2H2) cuja presença já é indicativo de falha, devido ao fato deste gás só ser gerado

a temperatura superior a 700°C; Com estes valores pode ser traçada a curva de tendência de evolução de cada gás;

- Concentração de Carbono: verificar o valor resultante da relação entre dióxido de carbono e monóxido de carbono (CO/CO2); Se esta relação for superior a 10 pode indicar degradação da

celulose, porém ensaios adicionais são necessários, como medição do teor de 2-furfuraldeído; - Relações: relações de gases de acordo com critérios preestabelecidos (por exemplo, Rogers, IEC, Duval, Dörnemburg, Doble ou Pugh, e Laborelec), é possível identificar a falha incipiente que está se desenvolvendo, bem como a sua gravidade, antes que danos maiores possam ocorrer ao equipamento (ABNT, 1981b, ABNT, 1984).

Outros tipos de análises que foram desenvolvidas estão ilustrados a seguir:

a) Vida Útil: é estudado o comportamento normal de um equipamento durante seu período de vida útil, com a devida depreciação do valor ao logo do tempo de operação e ao final sua venda representado pelo seu valor residual, como por exemplo, material de sucata.

b) Custos de Manutenção: é possível visualizar novamente a depreciação de um equipamento ao longo de sua vida útil, mas neste caso é inserido também o custo de manutenção em alguns instantes deste intervalo. Estas manutenções são representadas como casos ideais, onde o equipamento não tem alteradas quaisquer características funcionais e construtivas mantendo suas propriedades elétricas e mecânicas. Mas o tempo de vida não sofre alterações, pois os demais itens do equipamento não foram substituídos pela manutenção e com isso o mesmo deve ter o mesmo limite de fim de operação como o anterior sem manutenção.

c) Degradação da Manutenção: para o caso ideal da manutenção, a vida útil do equipamento sofre alterações, pois nunca todas as características construtivas são igualmente alcançadas e itens que necessitariam substituição não são verificados. Assim a nova análise econômica da depreciação tende a ficar alterada. Após cada respectiva manutenção sua vida útil tende a ficar deteriorada e assim, seu tempo de operação reduz diretamente associada à qualidade da manutenção aplicada, reduzindo o intervalo de falhas do equipamento.

d) Tempo para a Primeira Falha: este estudo representa a freqüência em anos que a primeira falha aparece nos transformadores catalogados no banco de dados fornecido.

e) Número de Falhas: a análise do número de falhas existente no grupo de transformadores que já sofreram manutenção foi realizada tirando-se a freqüência de ocorrências do número de

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falhas por equipamento.

f) Vida dos Transformadores: este item analisa o período de operação dos transformadores que sofreram algum tipo de manutenção.

g) Potência dos Trafos Afetados: neste estudo é formado pela freqüência que transformadores de uma determinada classe de potência sobre reparo.

h) Tensão dos Trafos Afetados: esta análise envolve o número de equipamentos que foram reparados para uma determinada classe de tensão.

i) Falhas por Fabricante: a análise por fabricante envolveu a correspondência entre o número de falhas para uma determinada marca e o número total de equipamentos em operação. Assim foi possível observar que algumas marcas têm um número percentual de reparo em relação às demais, constatando a diferença de qualidade dos transformadores fabricados e também a menor possibilidade de um funcionamento satisfatório após a manutenção.

O fator importante na análise está ligado a recuperação dos transformadores que sofreram dados. As seguintes análises também são realizadas:

a) Análise Econômica de Manutenção: para análise econômica destes transformadores foram utilizados como dados de entrada: Valor de Compra (VC), Depreciação Anual (DA), Tempo de Operação (TO), Custo de Manutenção (CM) e Valor Residual (VR). Assim foi empregada a seguinte regra para o reparo destes equipamentos:

Compra Depreciado (CD) = VC*(DA^TO)

Se CD > VR Então CM < VC*(DA^TO) Senão CM < VR

b) Estado Atual de Operação: para o estado atual do transformador são consideradas as seguintes informações técnicas: Vida Útil (VU), Tempo em Operação (TO), Número de Falhas já Ocorridas (NF), Período da Primeira Falha (PF), Média entre Falhas (MF) e Garantia do Fabricante (GA). Analisando os gráficos obtidos anteriormente são extraídas as seguintes regras:

Viável a Reparo: TO > (50% VU) (E) NF = 0 ou TO < GA ou NF = 1 (E) (PF – TO) > GA Não Reparar: NF > 1 ou MF < GA

c) Características do Equipamento: as principais características analisadas anteriormente e utilizadas como classificador de reparo são: Fabricante, Tensão Nominal e Potência Nominal. Onde se pode concluir que: não se repara fabricantes com problemas acima 60%, não foram detectados problemas com tensão e analisar potências de 5 e 25 kVA com especialista técnico da área.

4. Criando Nova Análise

Nesta etapa são definidos os passos para a criação de uma nova análise no programa “Analisador de Ensaios RGE”.

a) Definindo Dados de Entrada: os dados que serão utilizados com entrada da análise deve estar presentes em uma tabela ou uma consulta ou query de busca existente no banco de dados. A Figura 1 mostra parte deste banco de dados. Esta figura apresentada é um conjunto de 5 consultas que extraem o tempo de operação do transformador o tempo para o primeiro reparo o número de reparos.

b) Criando Interface para o Operador: na Figura 2 é mostrada a criação de uma nova análise no programa para este caso que está sendo verificado.

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c) Inserindo Grandezas para a Análise: a Figura 3 mostra a criação das grandezas de entrada e saída do programa onde são associados os campos da consulta utilizada e alguns títulos auxiliares para a exibição.

Figura 1 - Consulta de Transformadores e Reparos

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Figura 3 - Inserindo Grandezas da Consulta

d) Gerando Regras para a Análise: para a criação de regras pode-se utilizar a edição manual, onde as regras devem ser escritas diretamente sobre o editor de regras, conferindo a sintaxe própria do programa, nas janelas apresentadas na Figura 4.

Figura 4 - Inserindo Manualmente Regras 5. Executando Análise

Nesta etapa é apresentada a forma na qual o operador executa uma análise de reparo para um equipamento que está necessitando reparo.

a) Abrindo Análise: pressiona-se o botão abrir no menu principal do programa com a análise necessária pressionada, assim é aberta a janela mostrada na Figura 5.

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Figura 5 - Análise de Reparos aberta para edição

b) Executando Análise: como esta análise é realizada sobre uma tabela de consulta, não é possível editar diretamente os dados do transformador devido aos mesmos serem formados da união das tabelas de equipamentos e notas. Mas é possível executar a análise destes valores pelas regras extraídas e inseridas no programa ao pressionar o botão “Atual” na barra de ferramentas superior.

Com isso a análise pode ser visualizada na janela de edição como mostrado na Figura 6.

Figura 6 – Laudo obtido da análise na janela de edição

Assim uma nova janela é aberta (Figura 7) contendo o relatório com os dados de entrada utilizados e o laudo de análise obtido.

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Figura 7 - Relatório de Análise 6. Conclusão

Um sistema de manutenção preditiva dos transformadores requer que diversas medidas sejam feitas em vários de seus elementos, tais como: qualidade da isolação, deterioração do papel isolante, estado atual do transformador, fabricante, entre outros. Assim, para uma correta avaliação de todos os dados é necessário que um sistema de supervisão desses parâmetros seja montado. Ele deverá estar preparado para fornecer as informações na medida que elas forem surgindo. A manipulação e concatenação de todas as informações referentes às condições do transformador foram inseridas em um Sistema Inteligente de Tomada de Decisão que emite um diagnóstico automático sobre as condições reais do transformador.

Este diagnóstico é produzido através da interpretação dos resultados de diversos ensaios, diferentes métodos de análises, valores de normas técnicas e critérios operativos e de testes. Esses elementos fornecem os dados e a base de conhecimento do sistema especialista que determinam se o transformador deve ou não ser reparado. Os transformadores são classificados em grupos, segundo a análise que se quiser desenvolver para que se possa identificar características comuns dos problemas. Este procedimento é útil principalmente para os transformadores de distribuição, pois pode detectar fontes de problemas, que transformadores não ensaiados estão submetidos, permitindo corrigí-los antecipadamente, para que a vida útil do equipamento não seja comprometida e para que ele não apresentem problemas operativos intempestivos.

Referências

ABNT NBR 5356 - Transformador de Potência, Especificação, Dezembro 1981a.

ABNT NBR 7070 - Guia para Amostragem de Gases e Óleo Isolante em Transformadores e Análise dos Gases Livres e Dissolvidos, Dezembro 1981b.

ABNT NBR 7274 - Interpretação da Análise dos Gases de Transformadores em Serviço, Abril 1982.

GCOI SCM047 Recomendação para Utilização da Análise Cromatográfica em Óleo Mineral Isolante na Recepção e na Manutenção de Equipamentos, 1984.

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LAMBERT TORRES, G. & QUINTANA, V.H. Notes on Intelligent System Applications to Power System Problem-Solving, Parts I and II, University of Waterloo, Canada, 1996.

LAMBERT TORRES, G,; BORGES DA SILVA, L.E. & PINTO, J.O.P. MiniMax Techniques, Webster Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, por John Webster, John Wiley & Sons, Inc., 2001. LIU, C.-C.; DICKER, S.J.; LAMBERT TORRES, G. ET AL. Testing and Maintenance Procedures for Expert System in Power System Operation and Planning, Electra, No. 173, pp. 92-113, Aug. 1997.

MILASCH, M. Manutenção de Transformadores em Líquido Isolante, Edgar Blücher; Itajubá - MG; Escola Federal de Engenharia, 1984.