Sistema de Monitoramento de Transformadores

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AB/YY 
 
ARQUITETURA DE UM SISTEMA DE MONITORAMENTO DISTRIBUÍDO DE 
TRANSFORMADORES INCORPORANDO TÉCNICAS AVANÇADAS DE DIAGNÓSTICO DE 
DEGRADAÇÃO PARA AÇÕES PRÓ-ATIVAS DE RECUPERAÇÃO 
 
Marcos V. H. Rambo (*) Marco A. Marin Luis F. Kerscher 
COPEL Geração e 
Transmissão S.A. 
COPEL Geração e 
Transmissão S.A. 
COPEL Geração e 
Transmissão S.A. 
 
Edgar L. Iubel Pedro G. Schier Tiago Manczak 
COPEL Geração e 
Transmissão S.A. 
COPEL Geração e 
Transmissão S.A. 
 
 
Tiago. X. Rodrigues Fausto. A. D. Souza Humberto A. P. da Silva 
COPEL Distribuição S.A. COPEL Distribuição S.A. FUSP 
 
 
SUMÁRIO 
 
O presente trabalho apresenta parte dos resultados do projeto de P&D de código PD 6491-0247/2012 
executado pela Fundação da Universidade de São Paulo (FUSP) e financiado pela COPEL Geração e 
Transmissão S.A. no âmbito do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico do Setor Elétrico 
regulamentado pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). 
 
Ele aborda a arquitetura de um novo sistema de monitoramento e de diagnóstico de degradação de 
grandes transformadores de força. Isto torna possível a identificação de falhas incipientes e a tomada de 
ações proativas, as quais podem mitigar os efeitos da degradação cumulativa e destrutiva e prolongar a 
vida útil destes equipamentos. 
 
Foram aplicadas técnicas inovadoras para a identificação da condição operativa dos transformadores da 
subestação Pilarzinho 230kV, criada uma arquitetura de monitoramento e proposta a criação de novos nós 
lógicos baseados na IEC 61850. 
 
PALAVRAS-CHAVE 
 
Transformadores, monitoramento distribuído, IEC61850 
1.0 - INTRODUÇÃO 
Grandes transformadores de força (TF) são os componentes mais caros e importantes de quaisquer 
subestações elevadoras ou rebaixadoras de tensão. Sua manutenção preventiva deve seguir padrões 
rigorosos para evitar danos e indisponibilidades. Manutenções corretivas destes equipamentos 
geralmente são de longa duração e oneram as concessionárias pelo seu custo e perda de receitas por 
parcela variável (PV), podendo ainda implicar em multas sobre a receita da concessionária de energia 
As concessionárias e os fabricantes têm investido massivamente em sistemas de manutenção preditiva. A 
ideia da manutenção preditiva é subsidiar a manutenção preventiva, podendo reduzir os tempos de 
intervenção ou prolongar os intervalos entre elas, e permitir a identificação de falhas que possam se 
desenvolver rapidamente, as quais poderiam acontecer entre duas manutenções preventivas, ou 
periódicas, e provocar severos danos ao equipamento. Um exemplo de falha, que pode evoluir 
rapidamente, é a degradação da isolação de buchas capacitivas. Tal perda pode provocar danos 
catastróficos como a explosão do equipamento e incêndios de grandes proporções. 
Neste contexto, a COPEL G&T e a Fundação da Universidade de São Paulo (FUSP) desenvolveram um 
projeto de P&D ANEEL (PD 6491-0247/2012) para monitoramento de diversos parâmetros do 
transformador e diagnóstico de degradação da vida útil de transformadores, de forma a permitir uma 
avaliação consistente da sua condição operativa e da necessidade de manutenção. O diferencial do 
projeto de P&D foi a inclusão da etapa de tomada de ação, verificação da eficácia da ação tomada e 
avaliação do benefício da ação tomada no ganho de vida útil do ativo. 
 
(*) Rua José Izidoro Biazetto, 158 - bloco A - Sala 186. Mossunguê. CEP: 81200-240. Curitiba/PR. Brasil 
Tel: (+55 41) 3331-2397 – Email: marcos.rambo@copel.com 
 
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A proposta do presente trabalho é apresentar a solução implantada pelo projeto de P&D para 
monitoramento dos transformadores de força da subestação (SE) piloto, a SE Pilarzinho. Serão 
abordados os parâmetros monitorados, a proposta de novos nós lógicos (logical nodes – LN) baseados 
na norma IEC61850 e a arquitetura de comunicação do sistema. O sistema atual possibilita uma interface 
amigável, a qual viabiliza a gestão dos transformadores de força pela engenharia de manutenção. 
 
2.0 - DESENVOLVIMENTO 
 
A SE Pilarzinho foi escolhida para implantação do projeto piloto. O projeto de P&D ANEEL PD 6491-
0247/2012 instalou um conjunto de dispositivos eletrônicos inteligentes (intelligent electronic devices – 
IED), para a aquisição e monitoramento de grandezas elétricas, químicas e mecânicas dos TFs da SE PIL 
e de seus componentes. Os sistemas estão relacionados abaixo e ilustrados na figura 1: 
 
 monitoramento do comutador sob carga (on load tap changer – OLTC); 
 monitoramento das buchas capacitivas; 
 monitoramento do óleo do transformador; 
 monitoramento do óleo do OLTC; 
 máquina de secagem; 
 estado da ventilação forçada e das proteções intrínsecas; 
 tensões, correntes, potência ativa e potência reativa. 
 
 
 
 
FIGURA 1 – Sensoriamento do transformador do TF-B da SE Pilarzinho 
 
 
Foram instalados dispositivos sensores nos TF-A, TF-B, TF-1 e TF-2 da SE PIL. O TF-B recebeu todos os 
dispositivos, enquanto os demais TFs receberam apenas alguns sistemas de monitoramento online. A 
Tabela 1 relaciona os ativos contemplados pelo sistema de monitoramento em tempo real. 
 
TABELA 1 - Ativos contemplados no projeto piloto. 
Ativo Descrição Fabricante Tensão/Potência 
TRA TF-A Transformador FUJI 230kV / 150MVA 
TRA TF-B Transformador FUJI 230kV / 150MVA 
DIS TF-1 Transformador UNIÃO 69kV / 25MVA 
DIS TF-2 Transformador WEG 69kV / 25MVA 
 
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A topologia do sistema de gestão da vida útil do TF instalado no TF-B pode ser organizado em 3 
camadas, as quais estão detalhadas nas tabelas 2, 3 e 4. 
 
Tabela 2 – Camada 1 da Topologia do projeto – monitoramento online 
Subsistema Grandezas 
Monitoramento de buchas 
Tensão 
Corrente 
Fator de potência 
Capacitância 
Monitoramento do OLTC 
Motor 
Acionamento 
Posição do TAP 
Número de comutações 
Tempo de comutação 
Monitoramento do óleo do OLTC 
Umidade 
Temperatura 
Medida da Condutividade em Líquidos Isolantes (Liquid 
Condutivity Meter – LCM) 
Monitoramento do TF 
Proteções intrínsecas e alarmes 
Estado da ventilação 
Monitoramento do óleo do TF 
Temperatura 
Concentração de H2O 
Concentração de H2 
Concentração de CO 
LCM 
Tangente de delta 
 
Tabela 3 – Camada 2 da Topologia do projeto – tratamento online 
Subsistema Grandezas 
Máquina de Secagem 
Umidade 
H2 
LCM 
Temperatura 
 
Tabela 4 – Camada 3 da Topologia do projeto – avaliação offline 
Subsistema Técnica 
Medição da Qualidade do Óleo Isolante LCM 
Medição do Teor de Umidade no 
Isolamento Sólido 
Espectroscopia dielétrica por correntes de polarização e 
despolarização (Polarization Depolarization Currents – PDC) 
 
 
A camada 2 é o grande motivador do projeto de P&D ANEEL PD 6491-0247/2012. Atualmente, as 
metodologias utilizadas são limitadas ao monitoramento e diagnóstico de ativos de rede básica. A 
metodologia proposta possibilita o acompanhamento da tomada de ação, tratamento online, e a 
verificação da sua eficácia, possibilitando a avaliação do benefício gerado na vida útil do TF. A máquina 
de secagem utiliza um método de secagem da parte ativa por filtros de seletividade molecular, sem a 
necessidade de desligamento do ativo (1). O diagnóstico da eficácia do tratamento online incorpora as 
técnicas de Medida da Condutividade em Líquidos Isolantes (Liquid Condutivity Meter – LCM) e de 
Espectroscopia Dielétrica por Correntes de Polarização e Despolarização (Polarization Depolarization 
Currents – PDC). Esta última é uma técnica não invasiva e de altaprecisão da avaliação da degradação 
da isolação de transformadores de força (2). 
 
 
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2.1 Arquitetura de comunicação do sistema 
 
Os diversos dispositivos do sistema de gestão de ativos proposto foram integrados através de protocolos 
de comunicação de dados. Utilizou-se preferencialmente o protocolo MMS do padrão IEC-61850 para 
aquisição dos dados. Para os dispositivos que não permitiam a troca de informações com o MMS, foi 
utilizado o protocolo Modbus. Também foi utilizado o protocolo DNP3 para aquisição de dados do Sistema 
de Supervisão e Aquisição de Dados (Supervisory Control and Data Acquisition – SCADA) da COPEL. A 
figura 2 ilustra a arquitetura de comunicação e aquisição de dados do projeto. 
 
 
 
 
FIGURA 2 – Arquitetura de comunicação do sistema de gestão de ativos instalados na SE Pilarzinho 
 
 
Os transformadores TF-A e TF-1 não foram representados na figura 2 para efeito de simplificação. O 
projeto de P&D instalou apenas sensores de buchas no TF-A e no TF-2, os quais são aquisitados através 
de cabos elétricos pelos mesmos sistemas de monitoramento de buchas do TF-B e do TF-1, 
respectivamente. As demais informações do TF-A e do TF-2 são adquiridas do SCADA da COPEL. Os 
sistemas de monitoramento do TF-1 também não foram representados. No TF-1 foram instalados os 
sistemas de monitoramento do OLTC, de buchas e do TF. 
 
A remota Xtorm da casa de comando funciona como um gateway. Ela aquisita as informações de todos 
os IEDs e do SCADA COPEL, nos protocolos disponíveis em cada dispositivo, e é o servidor de dados 
MMS do SCADA BluePlant. A engenharia de manutenção acessa remotamente a interface 
homem-máquina do Blueplant e realiza a gestão do ativo. 
 
Com o desenvolvimento do projeto, percebeu-se a necessidade de criação de novos grupos de nós 
lógicos (LN Groups) e de novos nós lógicos (LNs) para a norma IEC61850. 
 
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2.2 Novos nó lógicos BIOP e ELTR 
 
A norma IEC61850 possui um conjunto de nós lógicos que tratam de monitoramento, mas ainda é 
deficiente quanto à existência de nós lógicos direcionados para as etapas de diagnóstico e demais fases 
relacionadas à gestão de ativos. Os nós lógicos existentes referenciam o monitoramento e estão 
alocados dentro do item “Supervisão” (Logical node for supervision and monitoring – LN Group: S – IEC 
61850 7.4 ed. 2) (3), ao passo que, poderia ser mais vantajoso separar estes itens de monitoramento de 
estado, diagnóstico e gestão de ativos dos grupos de supervisão, proteção e controle, tendo sido essa a 
proposição feita através do trabalho de criação destes novos nós lógicos. 
 
Muitas das técnicas recentes utilizadas pelas concessionárias possuem grandezas associadas que não 
têm seus correspondentes objetos de dados catalogados na norma, o que justifica a criação dos novos 
grupos de nós lógicos, os novos nós lógicos e novos conjuntos de objetos de dados, inaugurando assim, 
na norma, capítulos que possam tratar especificamente de etapas de diagnóstico, ações de recuperação 
do ativo e avaliação da eficácia das ações tomadas e indiretamente modelar estas fases compondo 
sistemas de gestão de ativos. 
 
O projeto de P&D ANEEL PD 6491-0247/2012 possibilitou, além das soluções tradicionais de 
monitoramento de transformadores, etapas de diagnóstico com indicação de ações corretivas 
associadas. Neste caso, a técnica de PDC é utilizada para quantificar a umidade na parte ativa, 
indicando o fator de degradação do isolamento sólido, que na etapa de monitoramento continuo, indica 
necessidade ou não de uma ação de recuperação, e a mesma técnica, na etapa de verificação da 
eficácia da ação de recuperação do ativo, indica o momento ideal para o retorno do ativo ao estado de 
monitoramento contínuo. Os níveis de alarmes estabelecidos no sistema disparam ações de secagem da 
parte ativa que recomendam a aplicação de outra técnica inovadora, a Máquina de Secagem com filtros 
seletivos nano moleculares, possuindo a vantagem da não necessidade de desligamento do 
transformador. 
 
Adicionalmente, foram implementados os módulos de quantificação da qualidade do óleo isolante através 
da técnica LCM, representando o fator de degradação do isolamento líquido que na etapa de 
monitoramento continuo, indica necessidade ou não de uma ação de recuperação, e a mesma técnica, 
na etapa de verificação da eficácia da ação de recuperação do ativo, indica o momento ideal para o 
retorno do ativo ao estado de monitoramento contínuo. 
 
Os níveis de alarmes estabelecidos no sistema podem disparar em combinação com os níveis de alarme 
dos valores de umidade na parte ativa da técnica PDC, por sua vez, ativando as ações de secagem do 
sistema papel-óleo que recomenda a aplicação da Máquina de Secagem com filtros de seletividade nano 
molecular. Todas as grandezas ligadas a estas técnicas de monitoramento com diagnóstico que não 
constam na lista da norma, foram adicionadas como desenvolvimento do projeto. 
 
Desta forma, o projeto propôs a criação de dois novos Grupos de LN´s: (B) – Diagnóstico da Degradação 
do Sistema de Isolação do Transformador; (E) – Expectativa de Vida Útil do Sistema de Isolação de 
Transformadores. Ele também sugeriu a criação de dois novos nós lógicos, agrupando objetos de dados 
novos e existentes: “Degradação do Sistema de Isolação do Transformador (papel-óleo)” - BIOP, que 
agrupa Data Objects (novos e existentes) para monitoramento da degradação sinérgica do meio isolante 
sólido (ex.: papel Kraft) e do meio isolante líquido (ex.: óleo mineral, óleo vegetal); “Vida Ùtil 
Remanescente do Sistema de Isolação do Transformador” - ELTR, que agrupa Data Objects (novos e 
existentes) para o monitoramento, diagnóstico e gestão da vida útil remanescente da isolação do 
transformador pelo envelhecimento advindo da ação térmica e da umidade na parte ativa (4). 
 
Todas as grandezas ligadas às técnicas de monitoramento e diagnóstico propostas na topologia do 
projeto, que não constam na lista da norma, estão relacionadas nas tabelas 5 e 6. 
 
3.0 - RESULTADOS E CONCLUSÕES 
 
A instalação de diversos sistemas de monitoramento contínuo de grandezas elétricas, químicas e 
mecânicas dos TF da SE PIL foi uma das etapas do projeto de P&D ANEEL PD-06491-0247/2012. Com 
base nas informações fornecidas por esses sistemas, o P&D conseguiu modelar novos nós lógicos para 
a norma IEC61850. 
 
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Tabela 5 – Novos objetos de dados do novo nó lógico BIOP 
 Grandeza Monitorada Código IEC 61850 
 
Técnica 
LCM 
Condutividade do Óleo Isolante OilCndct 
Permissividade Relativa RIPerm 
Fator de Perdas do Óleo OilLosFact 
Tensão Interfacial do Óleo (não vegetal) IntfacTen 
 
Técnica 
PDC 
Umidade Percentual Relativa no Papel MstPap 
Tangente Delta do Sistema Óleo-Papel LosFact 
Índice de Polarização do Papel PolInd 
Índice de Absorção do Papel AbtInd 
Capacitância Complexa do Isolamento CpxCapac 
 
Tabela 2 – Novos objetos de dados do novo nó lógico ELTR 
Modelos Grandeza Monitorada Código IEC 61850 
 
Térmico, Químico e 
Elétrico 
Umidade no Papel MstPap 
Grau de Polimerização DgrPol 
Índice de Absorção Abtlnd 
2Furfuraldeído 2 - Fal 
Alarme de Temperatura do Sistema ThrWar 
Alarme de Temperatura do Isolamento TmpWrn 
 
 
A infraestrutura instalada permite uma avaliação, em tempo real e de forma detalhada, da condição 
operativa dos TFs pelas engenharias de manutenção. Estes ativos são os mais caros nas subestações e 
são de grande importância para a qualidade e confiabilidade do sistema de transmissão e de distribuição 
de energia elétrica. 
 
Com base no monitoramento em tempo real, no diagnóstico,na tomada de ação, na verificação da ação 
tomada e na geração de dados históricos deste projeto piloto, as engenharias de manutenção poderão 
reavaliar as suas rotinas de manutenção preventiva e preditiva. Futuramente, talvez seja possível 
aumentar a disponibilidade e diminuir os custos de manutenção dos TFs. 
 
4.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
(1) SILVA, H. A. P., BASSI, W., BURANI, G. F., GALDEANO, C. A.; HOSSRI, J. H. Moisture assessment 
for power transformers using pdc and drying-out processes evaluation. Em: Vigésima Primeira 
Reunión de Verano de Potencia, Aplicaciones Industriales y Exposioción Industrial Alta Tension e Baja 
Tension. IEEE/Seccion México RVC AI/2008, Ciudad del Mexico, 2008. 
 
(2) U. GÄFVERT. Modeling of Dielectric Measurements on Power Transformers, CIGRE 1998, SC15 - 
Rep. 15-103. 
 
(3) INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISSION. IEC 61850-7.4 Basic communication 
structure – Compatible logical node classes and data object classes. Ed. 2.0. 2010. 
 
(4) MANCZAK, T.; SOUZA, F. A.; RODRIGUES, T. X.; MARIN, M. A.; AGUIAR, G.F.; WILHELM, V. E.; 
WILHELM, H. M.; GARCIA, D. A. A.; SILVA, H. A. P.; VIDAL, D.T. R. Implementação de Novos Grupos 
de Nós Lógicos (LN’S) Baseados na IEC 61850, Criando o Módulo de Diagnóstico da Degradação e 
o de Ações Corretivas para Aplicação em Sistemas de Gestão de Transformadores de Potência. 
XXIV SNPTEE, GMI 3, Curitiba, 2017. 
 
 
 
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5.0 - DADOS BIOGRÁFICOS 
 
 
Marcos V. H. Rambo possui graduação em Eng. Industrial Elétrica com 
ênfase em Eletrônica pela UTFPR, especialização em Proteção de Sistemas 
Elétricos pela UNIFEI, mestrado e doutorado em Engenharia Elétrica e 
Informática Industrial pela UTFPR. Atualmente é professor do Departamento 
de Engenharia Elétrica da UFPR e supervisor do Setor de Automação da 
Transmissão do Departamento de Engenharia de Manutenção da 
Transmissão da COPEL GeT.