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* Marcelo Eduardo de Carvalho Paulino, marcelo@adimarco.com.br ou mecpaulino@yahoo.com.br MEDIÇÕES EM CAMPO DE CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIP AÇÃO EM BUCHAS DE TRANSFORMADOR COM VARIAÇÃO DE FREQÜÊNCIA – ANÁLI SE E RESULTADOS A.P. NUNES V. C. V. M. BELTRÃO M. E. C. PAULINO * ELETRONORTE ELETRONORTE Adimarco Brasil Brasil Brasil Resumo – Este trabalho descreve técnicas e procedimentos de testes de fator de dissipação e capacitância para diagnóstico em campo de buchas de transformadores utilizando o método de variação do espectro de freqüência que permite análises mais detalhadas do isolamento através da comparação de gráficos que mostram sua curva de tendências ao longo do espectro de freqüência determinado. Esta metodologia é valida para detectar alterações do isolamento em seu estágio inicial. O trabalho ainda mostra exemplos de aplicações do procedimento apresentado. Palavras chave: Transformadores, buchas, diagnóstico, isolamento, teste e análise, detecção de defeitos. 1 INTRODUÇÃO Devido à crescente pressão para reduzir custos, a indústria elétrica é forçada 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. Diversos estudos mostram que fontes mais freqüentes de falha estão nos comutadores de tape, buchas, enrolamento, isolamento e acessórios do transformador. 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. As buchas de 115 kV e superior são providas de tape de medição em sua base e são composta de uma capacitância principal C1 que é formada pela isolação principal entre o condutor central e o tap e uma capacitância C2 formada pelas camadas capacitivas que ficam entre o tape e a última camada aterrada. As buchas para tensão de até 69 kV são providas apenas de uma capacitância C1 que é formada pela isolação principal entre o condutor central e o tap, ao qual a última camada é soldada. Tanto a capacitância C1 como a capacitância C2 devem ser medidas. Um crescimento na medida de C1 indica degradação parcial nas camadas internas. Este trabalho descreve técnicas e procedimentos de testes para diagnóstico em campo de buchas de transformadores utilizando um novo sistema multifuncional e completo de teste, onde todas as medições podem ser realizadas rapidamente e eficientemente com métodos de testes automáticos permitindo uma avaliação da capacitância e isolamento das buchas. Foram realizados diversos teste com sistema de teste auto-controlado. Este dispositivo possui uma unidade com processador digital de sinal (DSP) capaz de gerar sinais senoidais na faixa de freqüência de 15 a 400 Hz, alimentado por um módulo de amplificação de potência variável, segundo a necessidade do operador. A nova tecnologia de teste utilizada possibilita o exame cuidadoso do fator de dissipação, capaz de detectar a degradação do isolamento num estágio inicial com análises detalhadas. Além disso, até os dias de hoje, o fator de dissipação ou o fator de potência só foram medidos na freqüência da linha. Com a fonte de potência utilizada neste trabalho é possível agora fazer essas medições de isolamento em uma larga faixa de freqüência. Além da possibilidade de aplicar uma larga faixa de freqüência, as medições podem ser feitas em freqüências diferentes da freqüência da linha e seus 2 harmônicos. Com este princípio, as medições podem ser realizadas também na presença de alta interferência eletromagnética em subestações de alta tensão, fornecendo excelente supressão de interferências eletromagnética. Nesse trabalho foram realizados diversos testes em várias buchas de 138, 230 e 500 kV, onde os resultados demonstram que o método de variação do espectro de freqüência permite análises mais detalhadas do isolamento. Isto é obtido com a comparação de curvas de fator de potência variando com a freqüência e capacitância variando com a freqüência. Esta metodologia é valida para detectar alterações do isolamento em seu estágio inicial. 2 SISTEMA DE TESTE MULTIFUNCIONAL PARA COMISSIONAMENT O DE EQUIPAMENTOS DE SUBESTAÇÕES – CPC100 E CPTD1 Neste trabalho, todos os testes foram executados com um novo sistema completo de teste. O dispositivo possui de um Processador Digital de Sinal (DSP) que gera sinais senoidais de até 12 kV numa faixa de freqüência de 15 a 400 Hz alimentados através de um moderno amplificador de potência. Um transformador de saída combina a impedância interna do amplificador com a impedância do objeto sob teste [1]. Por utilizar a freqüência de teste diferente da freqüência de linha e seus harmônicos, junto com medições usando técnicas de filtragem seletiva, o equipamento de teste pode ser operado em campo, até em subestações com altos distúrbios eletromagnéticos. Figura 1 - Sistema Multifuncional de diagnóstico e teste de transformadores 3 MEDIDA DE CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO COM VA RIAÇÃO DE FREQÜÊNCIA Medida da Capacitância (C) e Fator de Dissipação (FD) está estabelecida como um importante método de diagnóstico de isolamento, primeiramente publicado por Schering em 1919 e utilizado para esse propósito em 1924. Em um diagrama simplificado do isolamento, Cp representa a capacitância e Rp as perdas. O fator dissipação é definido como: PPCp Rp CRI I ⋅⋅ == ω δ 1tan (1) Na Figura 2, C1 e R1 conectados em série representam as perdas do objeto em teste, e C2 representa perdas livres do capacitor de referência. O novo sistema de teste, chamado Omicron CPC100 com CPTD1, utilizado neste trabalho, usa um método similar àquele da ponte Schering. A principal diferença deste sistema com os equipamentos similares no 3 mercado é que não necessita de ajustes para medição da Capacitância e do Fator de Dissipação. Cn é do capacitor de referência isolado a gás com perdas abaixo de 10E-5. Figura 2 – Representação de uma Ponte Shering Para uso em laboratório, tais capacitores são regularmente utilizados para obter medições precisas, já que as condições climáticas são bem constantes. Não é o caso para medições em campo onde as temperaturas podem variar significativamente, causando dilatação e contração do eletrodo no capacitor de referência. O sistema de teste leva todos esses fatores em consideração e os compensa eletronicamente. Agora é possível pela primeira vez, realizar facilmente no campo testes para Fator de Dissipação igual a 5 x 10E-5. Figura 3 - Princípio de Medição do CPTD1 3.1 Relações entre o Fator de Potência e o Fator de Dissipação A correlação entre fator de dissipação (tan δ) e o fator de potência (cos ϕ) e o diagrama vetorial são mostrados na Figura 4. Figura 4 - Relação entre Fator de Dissipação e o Fator de potência Até os dias de hoje, o fator de dissipação ou o fator de potência só foram medidos na freqüência da linha. Com a fonte de potência descrita é possível agora fazer essas medições de isolamento em uma larga faixa de 4 freqüência. Além da possibilidade de aplicar uma larga faixa de freqüência, as medições podem ser feitas em freqüências diferentes da freqüência da linha e seus harmônicos. Com este princípio, as medições podem ser realizadas também na presença de alta interferência eletromagnética em subestações de alta tensão. Tabela 1 – Relação entre Fator de Potência e Dissipação ϕϕϕϕ°°°° %FP (% COS ϕϕϕϕ) δδδδ°°°° %FD (% TAN δδδδ) 90 0 0 0 89,71 0,506 0,29 0,506 84,25 10,00 5,74 10,05 0 100,00 90 ∞ 4 FATOR DE DISSIPAÇÃO E CAPACITÂNCIA DE BUCHA DE ALTA TENSÃO As buchas de alta tensão são partes essenciais dos transformadores de potência, disjuntores e outros aparelhos elétricos. Mais de10% de todas as falhas de transformador são causadas por buchas com defeito. Embora o preço de uma bucha seja baixo em comparação aos custos de um transformador completo, uma falha na bucha pode danificar completamente o transformador, por isso uma medição regular de capacitância e fator de dissipação é altamente recomendada. O teste de fator de dissipação é o procedimento de teste de campo mais eficaz para detecção antecipada de contaminação e deterioração de bucha. Ele também mede a corrente de teste alternada (CA), que é diretamente proporcional à capacitância da bucha. O fator de dissipação e a capacitância da bucha devem ser medidos no ato da instalação da bucha e medidos novamente um ano depois. Após essas medidas iniciais, o fator de potência e de dissipação e a capacitância da bucha devem ser medidos em intervalos regulares (3 a 5 anos, normalmente). Os valores medidos devem ser comparados com os testes anteriores e os valores na placa. A tabela 2 indica as diretrizes gerais para a avaliação da capacitância C1 com a comparação entre o valor de referência e o valor medido. A tabela 3 indica a mesma avaliação para o fator de dissipação [2]. Tabela 2 – Avaliação da Capacitância [2] Tabela 3 - Avaliação do Fator de Dissipação [2] ∆C = Cmedida – Cref* Avaliação ∆C < 5% Aceitável 5% < ∆C < 10% Deve ser investigada ∆C > 10% Crítica *sendo Cref o valor de placa ou de bucha nova 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 Vale ressaltar que as grandes variações de temperatura afetam significativamente as leituras do fator de dissipação em determinados tipos de bucha. Para fins comparativos, as leituras devem ser feitas na mesma temperatura. As correções devem ser aplicadas antes da comparação das leituras realizadas em temperaturas diferentes. 4.1 Medições de Capacitância e Fator de Dissipação em Buchas de Transformador 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. Figura 5 – Detalhe das camadas internas de uma bucha de alta tensão 5 Estas buchas têm um tape de medição em sua base e tanto a capacitância entre o topo da bucha e a parte mais baixa do tape (normalmente denominada C1) como a capacitância entre o tape e a terra (normalmente denominada C2) são medidas. Um crescimento de C1 indica degradação parcial nas camadas internas. 4.2 Análise do Isolamento de Bucha de Alta Tensão através da Curva do Fator de Dissipação Em torno de 90% das falhas em buchas podem ser atribuídas à penetração de umidade. As análises do isolamento das buchas são muito mais detalhadas quando são executados testes variando o espectro de freqüência. Figura 6 - Representação de Buchas de 115kV ou tensões superiores Figura 7 – Detalhe do tap capacitivo O uso de medidas com variação de freqüência do isolamento da bucha é útil para um diagnóstico melhor. A figura 8 mostra uma varredura de freqüência de uma bucha RIP (papel impregnado de resina) nova e a figura 9, a verificação de uma bucha envelhecida [2]. Figura 8 – Resultado de ensaio com variação de freqüência em uma bucha RIP nova [2] Essas informações devem ser usadas como referência da bucha para comparação futura. A primeira avaliação é realizada com os valores de fator de potência a 60 Hz. Tem-se que os valores aproximados de FP são 0,285 para a bucha nova e 0,465 para a bucha envelhecida. Figura 9 – Resultado de ensaio com variação de freqüência em uma bucha RIP envelhecida [2] Dentro dos critérios apontados na tabela 2 a condição da bucha envelhecida é aceitável. Entretanto, o exame da curva estabelecida pela variação de freqüência mostra que a bucha encontra-se em bom estado. As duas avaliações, do valor a 60Hz e da curva de variação de freqüência, complementam a análise. 6 4.3 Medições de Capacitância e Fator de Dissipação em Buchas em Boas Condições São apresentados os resultados em um bucha condensiva Micafil/Sace, tipo WTxf 245-1050/800 com isolação 1050kV (BIL) com dados de operação de 230 kV e 800 A. A bucha está instalada em um transformador monofásico 50MVA - 230kV/69kV/13,8kV na SE Utinga, Eletronorte, Pará. Foram realizados ensaios em variação de tensão e freqüência constante de 60Hz e ensaios com variação de freqüência e tensão constante com 4kV. Os resultados são mostrados nas tabelas 4 e 5. Tabela 4 - Ensaios em variação de tensão a freqüência constante de 60Hz Vteste Imedida Freqüência Capacitância Fator de Dissipação Fator de Potência 2004,0V 0,000214585 A 60,0 Hz 2,83971E-10 F 0,3602% 0,3602% 4011,0V 0,000429395 A 60,0 Hz 2,83984E-10 F 0,3622% 0,3622% 10039,0V 0,001074892 A 60,0 Hz 2,84021E-10 F 0,363% 0,363% Tabela 5 - Ensaios com variação de freqüência com tensão constante com 4kV Vteste Imedida Freqüência Capacitância Fator de Dissipação Fator de Potência P@10kV 4015,0 V 0,000122101 A 17,0 Hz 2,84735E-10 F 0,3133% 0,3133% 0,0095 W 4016,0 V 0,000215287 A 30,0 Hz 2,84418E-10 F 0,3357% 0,3357% 0,018 W 4008,0 V 0,000571873 A 80,0 Hz 2,83823E-10 F 0,3701% 0,3701% 0,0528 W 4008,0 V 0,000928117 A 130,0 Hz 2,83514E-10 F 0,3846% 0,3846% 0,0891 W 4011,0 V 0,001641239 A 230,0 Hz 2,83142E-10 F 0,3984% 0,3984% 0,163 W 4001,0V 0,002346672 A 330,0 Hz 2,82897E-10 F 0,4076% 0,4076% 0,2391 W 4001,0 V 0,002843227 A 400,0 Hz 2,82766E-10 F 0,4164% 0,4164% 0,2959 W A figura 10 mostra a bucha sob ensaio. Figura 10 – Bucha condensiva Micafil/Sace sob ensaio Figura 11 - Fator de dissipação com variação de tensão 7 A figura 11 mostra o teste do fator de dissipação com variação de tensão. Nota-se que o valor do fator de dissipação pouco se altera, sendo seu valor pouco diminuído quanto em tensões mais baixas (próximas a 2kV). A figura 12 mostra o valor de capacitância com variação de tensão. O valor de capacitância não se altera com a variação de tensão. A figura 13 mostra o ensaio de fator de dissipação com variação de freqüência de 15 a 400 Hz. A característica gráfica corresponde a uma bucha em boas condições. Figura 12 - Capacitância com variação de tensão Figura 13 - Ensaio de fator de dissipação com variação de freqüência de 15 a 400 Hz A figura 14 mostra os valores de capacitância variando freqüência. Conforme o esperado, a capacitância não deve variar. Figura 14 - Ensaio de capacitância com variação de freqüência de 15 a 400 Hz 8 4.4 Medições de Capacitância e Fator de Dissipação ao Longo do Tempo Este ensaio foi realizado para mostrar a capacidade de avaliação da degradação do isolamento de uma bucha utilizando a variação de freqüência. O procedimento estabelecido foi deixar uma bucha 220kV RIP armazenada ao tempo, deitada. A figura 15 mostra a bucha ensaiada. Figura 15 - Bucha 220kV RIP armazenada ao tempo Desta forma, com o passar do tempo foram realizados medidas ao longo de 7 meses. Os resultados são mostrados na tabela 6. Tabela 6 - ensaios com variação de freqüência com tensão constante com 4kV Freqüência 31/mar/04 15/jul/04 08/out/04 Capacitância Fator de Dissipação Capacitância Fator de Dissipação Capacitância Fator de Dissipação 17,0 Hz 4,519820E-10 F 0,27356 % 4,556148E-10 F 0,43152 % 4,562924E-10 F 0,79748 % 30,0 Hz 4,514676E-10 F 0,28742 % 4,549342E-10 F 0,41905 % 4,552373E-10 F 0,69609 % 80,0 Hz 4,506216E-10 F 0,32254 % 4,538145E-10 F 0,42321 % 4,536628E-10 F 0,5806 % 130,0 Hz 4,501686E-10 F 0,35135 % 4,532552E-10 F 0,43613 % 4,529677E-10 F 0,55309 % 230,0 Hz 4,495708E-10 F 0,39367 % 4,525575E-10 F 0,45788 % 4,521614E-10 F 0,54098 % 330,0 Hz 4,491476E-10 F 0,42628 % 4,520927E-10 F 0,47624 % 4,516479E-10 F 0,54449 % 400,0 Hz 4,489090E-10 F 0,44804 % 4,518346E-10 F 0,48952 % 4,513718E-10 F 0,5522 %A figura 16 mostra ao comportamento do fator de dissipação pela variação de freqüência, nas diferentes datas. Figura 16 - Comportamento do fator de dissipação pela variação de freqüência Nota-se que as medidas realizadas no início do experimento, em março, produzem o resultado esperado para uma bucha boa, com o fator de potência aumentando seu valor à medida que a freqüência aumenta. Na próxima medida, realizada em julho, pode-se observar que o valor do fator de dissipação aumentou de aproximadamente 0,3% para 0,4% em 60 Hz e sua característica pela variação de freqüência acompanhou 9 esse aumento. Na medida em outubro, além do aumento do fator de dissipação, próximo a 0,6% em 60 Hz, a característica dada pela variação de freqüência confirma sem dúvidas a degradação do isolamento indicando a presença de umidade no isolamento, evidenciado pelos altos valores no inicio do gráfico, para freqüências menores. Além disso, a tendência da característica é mostrar o decaimento do valor do fator de dissipação com o aumento da freqüência. É interessante notar que pela referência dada pela tabela 2, o teste comparativo indicaria um problema, posto o aumento dos valores de fator de dissipação a 60 Hz, mas a bucha ainda estaria aceitável para uso e operação. A variação de freqüência mostra claramente a degradação o isolamento e a presença de umidade. Vale lembrar que o isolamento da bucha em questão manteve-se íntegro, apenas degradado pela umidade devido seu armazenamento inadequado. 4.5 Comparações de Medidas de Capacitância e Fator de Dissipação em 3 Fases É realizada a comparação entre as 3 fases com a medida de fator de potência nas buchas de 3 reatores ASEA/BROWN BOVERI, tipo RM46, com fabricação 2002, com Potência: 40,33 MVAr, Tensão HV: 500 kV, Corrente HV: 127 A. A figura 17 mostra um dos reatores e a figura 18 mostra uma bucha em detalhe. Figura 17 - Reatores (154kV-20kV) Figura 18 – detalhe da bucha As buchas testadas são do tipo GOE 1675/1175/2500A (OIP) com isolação: 550/318(kV), ano de fabricação 2002 e valores nominais da Capacitância C1 de 5516 pF e do fator de potência de C1 com 0,46 %. Os resultados são mostrados a seguir. A figura 19 mostra o Fator de Potência variando a freqüência. Figura 19 - Comportamento do fator de dissipação pela variação de freqüência -Comparação entre as 3 fases A, B e V. 10 Nota-se também que a tendência é o aumento do Fator de Potência com o aumento da freqüência, comprovando o descrito anteriormente. Entretanto registraram-se picos negativos e positivos exatamente sobre a freqüência de 60 Hz. Isto ocorreu devido à forte interferência eletromagnética na medida, pois a instalação dos reatores encontrasse ao lado de bay de 500kV energizado. Deve-se registrar 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 isolamento sob teste. A figura 20 mostra a medida de Capacitância com variação de Freqüência. Novamente pode-se observar o efeito da interferência eletromagnética em 60 Hz. Observam-se também os valores de capacitância praticamente não se alteram, apresentando uma variação de cerca de 0,7% em toda a escala de freqüências. A comparação entre as fases mostra uma diferença máxima de menos de 1% entre os valores de capacitância. Figura 20 - Comportamento da Capacitância pela variação de freqüência -Comparação entre as 3 fases A, B e V. Os valores medidos estão de acordo com os valores de placa das buchas. 5 CONCLUSÕES Estes resultados demonstram que o método de variação do espectro de freqüência permitirá, no futuro, análises mais detalhadas do isolamento. Mas para isto é necessário comparar as curvas medidas. Esta metodologia é valida para detectar alterações do isolamento em seu estágio inicial. Outros resultados não mostrados neste trabalho mostram a validade dos procedimentos propostos. Algumas considerações podem ser realizadas: • O ensaio de fator de dissipação/fator de potência e capacitância em buchas de alta tensão pode ser realizado com tensões inferiores a 10kV, porém superiores a 2,5kV. • A capacitância não varia com a freqüência. • A característica com variação de freqüência da bucha em bom estado deve ser preservada para futuras análises e comparações. • A avaliação do valor do fator de dissipação/fator de potência a 60Hz e dos valores variando-se a freqüência de ensaio complementam a análise tornando-a mais eficaz e confiável. 11 6 REFERÊNCIAS [1] M. E. C. Paulino, M. Krüger, “Diagnostico de Transformadores – a Experiência Prática utilizando Métodos Simples com Medida de Resistência de Enrolamento, Testes do Comutador sob Carga, de Relação, da Reatância de Dispersão, da Capacitância e da Medida de Fator de Dissipação”. Anais do SENDI 2004 - XVI Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica , Brasília, DF, Brasil, 2004. [2] Manual de Referência CPTD1- CPC100TD1.PR.1 - OMICRON electronics GmbH. [3] M. E. C. Paulino, “Medidas de Resposta em Freqüência, Capacitância e Fator de Potência com Variação de Freqüência para Diagnóstico de Transformadores”. Anais do SBSE 2008 - Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Belo Horizonte, MG, Brasil, 2008. 7 SOBRE OS AUTORES Marcelo Paulino é Engenheiro Eletricista pela Escola Federal de Engenharia de Itajubá – EFEI. Atualmente é Gerente Técnico da Adimarco Representações e Serviços LTDA. É instrutor certificado pela OMICRON eletronics. Instrutor convidado do Curso de Especialização em Proteção de Sistemas Elétricos CEPSE e Curso de Especialização em Manutenção de Sistemas Elétricos CEMSE, ambos da UNIFEI-Itajubá. Coordenador do GT B5 32 – Functional Testing of IEC 61850 based Systems do CE B5 do Cigré-Brasil. Secretário do CE 03:057-10 (COBEI / ABNT) - Comunicação entre Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IED) e módulos de dados associados. Antonio Nunes é Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal do Pará - UFPA. Especialista em Manutenções de Equipamentos de Subestações de Extra Alta Tensão. Especialização em Sistemas de Potência UNB. Possui 30 anos de experiência em empresa de energia elétrica, atuando na manutenção de equipamentos, montagem e comissionamentos de subestações seccionadoras e abaixadoras de energia elétrica. Vanessa Beltrão é Engenheira Eletricista pela Universidade Federal do Pará - UFPA. Atualmente é engenheira - Centrais Elétricas do Norte do Brasil S/A e instrutora da Universidade Corporativa Eletronorte. Tem experiência na área de Transmissão da Energia Elétrica, atuando principalmente nos temas de Gerenciamento da Manutenção, Ensaios Elétricos, Análise de Ocorrências e Pesquisa de Novas Metodologias para Diagnóstico em Equipamentos de Subestação.
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