Diagnóstico Otimizado de Transformadores de Potência: Integração de Técnicas Preditivas

De André Pereira Marques

Este livro apresenta os resultados da tese de doutorado de André Pereira Marques, defendida na Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação da Universidade Federal de Goiás, sob orientação da Profª Cacilda de Jesus Ribeiro e coorien-tação do Prof. Leonardo da Cunha Brito. Trata-se de trabalho que se destaca por descrever técnicas preditivas que são integradas (para ensaios em campo e em laboratório), suas funcionalidades, e a metodologia completa, incluindo a definição de parâmetros, com seus pesos e suas notas para a classificação (em cinco níveis) de "A" a "E", além de ações recomendadas, auxiliando na tomada de decisão e proporcionando, assim, um diagnóstico otimizado em transformadores de potência. Também apresenta o novo mé-todo de classificação utilizado, denominado Soma Duplamente Ponderada Normalizada (SDPN), com os resultados eficientes e validados, mostrando a sua viabilidade técnica de implementa-ção, proporcionando a opção de obtenção do diagnóstico final por meio de uma ferramenta computacional como complemento.

• Idioma: Português
• Editora: Editora Kelps
• Data de lançamento: 12 de fev. de 2019
• ISBN: 9788540027077

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Corpo Editorial:

Adson Silva Rocha, Dr., IFGoiano

Cacilda de Jesus Ribeiro, Dra., EMC/UFG

Colemar Arruda, Dr., EMC/UFG

Elder Geraldo Domingues, Dr., IFG

Gelson Antonio Andrea Brigatto, Dr., EMC/UFG

Leonardo da Cunha Brito, Dr.,EMC/UFG

André Pereira Marques

Diagnóstico otimizado de transformadores de potência:

integração de técnicas preditivas

1ª edição

Goiânia – Go

Kelps, 2019

Copyright © 2019 by André Pereira Marques

Editora Kelps

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Revisão linguística:

Profa. Sueli Dunck

CIP - Brasil - Catalogação na Fonte

TAINÁ DE SOUSA GOMES - CRB-1 (1ª Região) 3134

Marques, André Pereira.

Diagnóstico Otimizado de transformadores de potência: integração de técnicas preditivas. - André Pereira Marques. - 1ª ed. Goiânia: / Kelps, 2019

240 p. il.

ISBN:978-85-400-2707-7

1. Estudos - Diagnóstico. 2. Energia. 3. Física. I. Título.

CDU:531.64

DIREITOS RESERVADOS

É proibida a reprodução total ou parcial da obra, de qualquer forma ou por qualquer meio, sem a autorização prévia e por escrito do autor. A violação dos Direitos Autorais (Lei nº 9.610/98) é crime estabelecido pelo artigo 184 do Código Penal.

Impresso no Brasil

Printed in Brazil

2019

À minha família, em especial aos meus pais,

Maria Elza Pereira Marques (in memoriam) e

Antônio de Oliveira Marques de Jesus

SUMÁRIO

Capítulo 1

Abordagem combinada para interpretação de análises de gases dissolvidos em óleo mineral isolante

1.1 Análise de gases dissolvidos em transformadores de potência

1.2 Metodologia: abordagem proposta para interpretação de AGD

1.3 Resultados da abordagem combinada para interpretação de análises de gases dissolvidos em óleo mineral isolante

1.4 Considerações: análise de gases dissolvidos em óleo

Capítulo 2

Método para avaliação e classificação de óleos minerais isolantes de transformadores de potência por meio de análises físico-químicas

2.1 Análises físico-químicas em transformadores de potência

2.2 Método para avaliação e classificação de óleos isolantes

2.2.1 Abordagem Discreta

2.2.2 Abordagem Contínua

2.2.2.1 Informações gerais

2.2.2.2 Métodos computacionais de otimização

2.2.2.3 Resultados da abordagem contínua

2.3 Resultados das análises

2.4 Fator de perdas e o fator de potência do isolamento

2.5 Considerações: ensaios físico-químicos

Capítulo 3

Métricas para análises de ensaios de detecção de descargas parciais pelo método de emissão acústica

3.1 Detecção de descargas parciais em transformadores de potência

3.2 Parâmetros das regras de diagnósticos dos ensaios de detecção de descargas parciais pelo método de emissão acústica

3.3 Transformador de potência trifásico de 33,3 MVA,

138 kV/34,5 kV: um estudo de caso

3.4 Análise das curvas de carregamento do transformador de potência correlacionada às evidências de descargas parciais: um estudo de caso

3.4.1 Ensaio em campo

3.4.2 Corrente elétrica de referência

3.4.3 Motivo para se evitar a utilização de curvas de potência aparente (MVA)

3.4.4 Correlação: descargas parciais e carregamento do transformador de potência

3.5 Análise do efeito da chuva na computação de evidências de descargas parciais

3.6 Considerações: detecção de descargas parciais pelo método de emissão acústica

Capítulo 4

Critérios para a classificação de resultados de ensaios elétricos de transformadores de potência por meio de estudos estatísticos

4.1 Ensaios elétricos em transformadores de potência

4.2 Principais faixas de valores de ensaios elétricos existentes na literatura

4.3 Metodologia empregada: ensaios elétricos em transformadores de potência

4.4 Desenvolvimentos dos critérios e resultados

4.4.1 Ensaios elétricos

4.4.2 Resistência de isolamento

4.4.3 Índice de Polarização

4.4.4 Fator de Potência do Isolamento

4.4.5 Variações percentuais nas medidas de resistência elétrica dos enrolamentos

4.4.6 Corrente de Excitação

4.4.7 Relação de Transformação de Espiras

4.4.8 Estudos de casos: ações recomendadas

4.5 Fator de correção do valor de resistência de isolamento para a temperatura de referência (20 ºC)

4.5.1 Resistência de isolamento

4.5.2 Equação desenvolvida neste trabalho: fator de correção

4.5.3 Equação da tabela ANSI/NETA MTS: fator de correção

4.6 Ensaios elétricos em buchas condensivas

4.7 Considerações: ensaios elétricos

Capítulo 5

Técnicas preditivas complementares para o diagnóstico de transformadores de potência

5.1 Técnicas preditivas complementares

5.2 Estudo de carregamento de transformadores de potência

5.3 Inspeções visuais e verificações locais

5.5 Grau de polimerização do papel

5.6 Teor de dibenzildissulfeto

5.7 Análise de resposta em frequência

5.8 Termografia

5.9 Considerações: técnicas preditivas complementares

Capítulo 6

Integração de técnicas preditivas para o diagnóstico otimizado em transformadores de potência

6.1 Geral

6.2 Integração das principais técnicas preditivas aplicadas em diagnóstico de transformadores de potência

6.3 Diagnóstico com o cruzamento entre as possíveis causas, efeitos, resultados de ensaios, e componentes/localizações possivelmente afetados

6.4 Estudo de caso 1: diagnóstico do transformador de potência TR6

6.5 Estudo de caso 2: diagnóstico do transformador de potência TR7

6.6 Considerações: integração de técnicas preditivas

APÊNDICE A

Metodologia para reenergização de transformadores de potência após interrupções não programadas no sistema elétrico

1. Introdução

2. Transformadores de potência

3. Metodologia empregada

3.1 Condições operativas

3.2 Características

3.3 Técnicas preditivas

3.4 Relés de proteções do sistema

3.5 Classificação dos equipamentos

3.6 Relação de prioridades com base na classificação

3.7 Dados de entrada

3.8 Interrupções em transformadores de potência no período de 37 anos

4. Resultados

4.1 Classificação (com notas e conceitos) e relação de prioridades

4.2 Estudo de caso: transformador de potência de 33,3 MVA

4.3 Considerações sobre o método

4.4 Análise de interrupções em transformadores de potência

5. Conclusões

Referências

APÊNDICE B

Contribuições para o sistema especialista SEDTrafo

1. Método para avaliação e para classificação de transformadores de potência

Apresentação

Este livro apresenta os resultados da tese de doutorado de André Pereira Marques, defendida na Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação da Universidade Federal de Goiás, sob orientação da Profª Cacilda de Jesus Ribeiro e coorientação do Prof. Leonardo da Cunha Brito. Trata-se de trabalho que se destaca por descrever técnicas preditivas que são integradas (para ensaios em campo e em laboratório), suas funcionalidades, e a metodologia completa, incluindo a definição de parâmetros, com seus pesos e suas notas para a classificação (em cinco níveis) de A a E, além de ações recomendadas, auxiliando na tomada de decisão e proporcionando, assim, um diagnóstico otimizado em transformadores de potência. Também apresenta o novo método de classificação utilizado, denominado Soma Duplamente Ponderada Normalizada (SDPN), com os resultados eficientes e validados, mostrando a sua viabilidade técnica de implementação, proporcionando a opção de obtenção do diagnóstico final por meio de uma ferramenta computacional como complemento.

A redação deste livro foi dividida em seis capítulos e dois apêndices, expostos a seguir.

No Capítulo 1 é apresentada uma nova abordagem com o objetivo de contribuir para a interpretação das análises de gases dissolvidos de transformadores de potência imersos em óleo mineral isolante, por meio da aplicação de um procedimento combinado, que considera elementos do guia do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) e da norma da IEC (International Electrotechnical Commission). Tal procedimento foi aplicado a um conjunto de dados coletados em diferentes transformadores de potência em serviço, os quais foram posteriormente submetidos a inspeções internas na Oficina Eletromecânica do Setor de Diagnósticos e Reparos de Equipamentos da concessionária local ou tiveram seu estado inferido por meio de medições indiretas em campo, de forma que os estados reais destes equipamentos foram validados. Os resultados foram significativos, permitindo concluir que a abordagem proposta apresenta maior precisão no diagnóstico do que os obtidos quando os procedimentos dos referidos guias são aplicados separadamente, auxiliando, de forma efetiva, as ações da equipe de analistas.

O Capítulo 2 descreve o método desenvolvido para o acompanhamento mais preciso do estado de óleos minerais isolantes empregados em transformadores de potência, por meio de ensaios físico-químicos, proporcionando subsídios para tomadas de decisão (com ações recomendadas) concernentes à realização de manutenções preventivas e corretivas nestes equipamentos.

No Capítulo 3 tem-se a definição de métricas ou faixas dos parâmetros na detecção de descargas parciais pelo método de emissão acústica, para o diagnóstico e/ou classificação de transformadores de potência quanto ao seu estado, direcionando a intervenção no equipamento no momento adequado, antes de ocorrer uma falha. Nesse sentido, este capítulo apresenta: estes parâmetros, baseados em diferentes análises de ensaios em campo, empregando o novo método de classificação (SDPN, desenvolvido neste trabalho); e também dois estudos de caso com a validação da metodologia aplicada com sucesso na área de manutenção preventiva.

Dessa forma, o método desenvolvido é padronizado, e também aplicado nos ensaios elétricos realizados nos transformadores de potência, cujos resultados são detalhados no Capítulo 4.

No Capítulo 5 são apresentados os estudos sobre as técnicas consideradas complementares neste trabalho, com os critérios de classificação dos ensaios, e que também são importantes para o diagnóstico em transformadores de potência.

No Capítulo 6 tem-se a integração das diferentes técnicas com o diagnóstico otimizado, incluindo a sua validação em casos reais de subestações de energia elétrica.

As considerações finais são descritas posteriormente. Enquanto que, no Apêndice A, é apresentado uma aplicação complementar e prática deste trabalho, com o novo método de Soma Duplamente Ponderada Normalizada (SDPN), por meio de um método de análise de engenharia de manutenção quanto ao estado dos transformadores de potência em operação com vistas à classificação e à intervenção naqueles que estiverem em situação mais crítica e, ainda, subsidiar tomadas de decisão referentes à reenergização destes, diante da atuação do sistema de proteção, bem como subsidiar intervenções de manutenções corretivas.

E finalmente, no Apêndice B, é descrito resumidamente o Sistema Especialista em Diagnóstico de Transformadores de Potência imersos em óleo mineral isolante (denominado SEDTrafo), que utilizou este método, no seu desenvolvimento, mostrando a viabilidade técnica de implementação, como complemento, proporcionando a opção de obtenção do diagnóstico final por meio de uma ferramenta computacional.

Ressalta-se que os critérios de engenharia de manutenção foram obtidos com o seguinte embasamento: na experiência de especialistas/analista; em normas e orientações técnicas; e em análises estatísticas de uma base de dados de ensaios realizados na concessionária de energia elétrica local, denominada CELG Distribuição S.A. (atualmente ENEL Distribuição Goiás), dentro do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento P&D321, realizado em parceria com a Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação (EMC) da Universidade Federal de Goiás (UFG).

O autor agradece à Equipe do Projeto de P&D321, aos amigos e a todos que diretamente e indiretamente contribuíram com os resultados descritos neste livro.

André Pereira Marques

Capítulo 1

Abordagem combinada para interpretação de análises de gases dissolvidos em óleo mineral isolante

1.1 Análise de gases dissolvidos em transformadores de potência

Os transformadores¹, além de serem equipamentos fundamentais em um sistema elétrico de potência, também representam uma parte significativa dos investimentos realizados para a implantação desse sistema. Dessa forma, o acompanhamento e o monitoramento de seu sistema isolante, das suas condições operativas e das condições de funcionamento de seus acessórios e demais componentes são essenciais para a redução dos custos associados ao seu ciclo de vida, bem como para a garantia de sua confiabilidade e durabilidade. Destaca-se, dentre os custos que são inerentes ao ciclo de vida de transformadores, os gastos com manutenção (corretiva ou preventiva), substituição e remanejamentos.

Em relação à manutenção, tem-se:

a) Manutenção corretiva: tem como objetivo corrigir ou restaurar as condições de funcionamento do equipamento, visando eliminar defeitos ou falhas, podendo ser realizada de forma programada ou em caráter de emergência;

b) Manutenção preventiva: é a atuação realizada de forma a evitar ou reduzir a probabilidade de falha ou defeito, ou ainda para corrigir efeitos de desgastes naturais e previsíveis, seguindo uma programação previamente elaborada. Pode ser realizada a intervalos regulares ou subordinada a outros critérios (dinâmicos ou não) de manutenção. Sendo assim, com a manutenção preventiva, procura-se evitar a ocorrência de falhas ou a evolução de defeitos;

c) Técnicas preditivas: são métodos de diagnósticos que subsidiam e compõem a manutenção preventiva, feita com base em análise de dados obtidos por monitoramento contínuo ou por amostragem do estado do equipamento, possibilitando determinar a necessidade de uma manutenção preventiva. Sua finalidade, portanto, é detectar a evolução de falhas incipientes, ou defeitos, disparando uma manutenção preventiva de forma a prevenir falhas em equipamentos.

Como foco desse capítulo, tem-se a análise de gases dissolvidos (AGD), que está entre as principais técnicas preditivas não invasivas e que não demandam, para sua aplicação, desligamento do transformador de potência. Esse método, amplamente utilizado, é considerado confiável no setor elétrico para a detecção de falhas incipientes em transformadores imersos em óleo mineral isolante.

Geralmente, a correta interpretação dos resultados