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Edição 107 – Dezembro de 2014
Por Sergio Luiz Zimath, Adrián Fritz, Arlan Luiz Bettiol, Antônio Carniato, Francisco José Seleiro Pimentel, José Celito Moraes de Córdova, Lucio Tadeu Prazeres, Luiz Alberto de Miranda, Patrícia Mascarenhas Bonina Zimath, Clarckson Brandl Silvestre e Danilson Agnaldo Mendes Wolff*
Desenvolvimento de um dispositivo indicador de sobrecargas de longa duração para transformadores de distribuição.
A Celesc Distribuição S.A. teve 4.293 Transformadores de Distribuição (TD) avariados durante o ano de 2008. Dentre as 53 diferentes causas identificadas pela empresa como responsáveis pelas avarias identificadas, a segunda mais significativa foi a causa 71 (sobrecarga no transformador), a qual foi responsável pela avaria de 487 TDs, correspondendo a 11,3% do total dos TDs avariados naquele ano. É consenso atualmente na empresa que o número de avarias em TDs poderia ser significativamente reduzido pot meio de procedimentos de manutenção preventiva se algum dispositivo de proteção, instalado de forma simples e rápida no circuito de baixa tensão dos transformadores de distribuição, alertasse as equipes da concessionária, com uma certa antecedência, da presença de sobrecargas de longa duração e, desta forma, as equipes de manutenção efetuassem a troca do TDs identificados com sobrecarga.
O procedimento atualmente adotado pela Celesc para a detecção de sobrecargas de longa duração em TDs é realizado mensalmente mediante a utilização de softwares de simulação de carregamento nominal vinculado à base de dados georreferenciada (GIS), como, as ferramentas computacionais Genesis, Temperate e Equilibra. Executado em modo off-line e baseado nos dados de faturamento mensal dos clientes supridos por um determinado TD (ou seja, adotando-se o cálculo estatístico de carregamento dos transformadores pela metodologia kVAs), estas ferramentas identificam os transformadores eventualmente submetidos a sobrecargas, por estarem operando continuamente acima da sua capacidade nominal.
De uma forma alternativa (bem mais precisa, porém mais demorada e com alto custo operacional), a identificação de sobrecargas nos TDs pode ser também feita por medições temporárias de corrente e tensão nos transformadores, com duração de aproximadamente uma semana. Quando constatada a ocorrência de sobrecargas em um TD, é então providenciada uma adequação do seu circuito secundário, mediante a divisão do circuito ou redistribuição de carga para circuitos de distribuição adjacentes, ou a readequação da potência nominal do transformador.
O artigo é baseado nos resultados obtidos durante o desenvolvimento do projeto de pesquisa e desenvolvimento (P&D) da Agência Nacional de Energia Elétrica intitulado “Desenvolvimento de indicador de baixo custo de sobrecarga de longa duração em transformadores de distribuição”, código 5697-5208/2010. Destaca-se que a execução do projeto finalizou em março/2012, com prazo de duração de 24 meses.
Desenvolvimento
A sobrecarga em um TD é o resultado da circulação de um fluxo excessivo de corrente no enrolamento secundário do transformador, causando aumento adicional de temperatura. Esta elevação da temperatura pode causar a deterioração do material isolante, afetando a vida útil do equipamento. Em casos extremos, a sobrecarga pode provocar a avaria definitiva do transformador.
O carregamento dos TDs de aplicação típica em sistemas de distribuição com tensões nominais de 13,8, 23 e 34,5 kV pode variar de um carregamento inferior a 25% da sua potência nominal até um carregamento superior a 150% da sua potência nominal. Portanto, sobrecarga em termos do carregamento de um TD pode ser definida como um carregamento superior ao carregamento nominal imposto ao transformador (sobrecarga instantânea ou de longa duração).
De acordo com a ABNT NBR 5416/1997 e ABNT NBR 5440/1999, os limites de temperatura no topo do óleo e no ponto mais quente do enrolamento são 95 °C e 105 °C, respectivamente, para os transformadores classe 55 °C, que são aqueles cuja elevação da temperatura média dos enrolamentos, acima da temperatura ambiente, não deve exceder 55 °C e cuja elevação de temperatura do ponto mais quente do enrolamento, acima da temperatura ambiente, não deve exceder 65 °C. O tempo no qual um TD opera em sobrecarga influencia diretamente a elevação da temperatura do ponto mais quente do seu enrolamento e do óleo e, consequentemente, na perda de vida útil técnica adicional, caso a temperatura limite do isolamento for ultrapassada.
O aquecimento do transformador está relacionado às perdas no cobre, pois as perdas no ferro dependem diretamente dos níveis de tensão aplicada aos terminais do transformador, as quais são normalmente consideradas constantes. O nível de sobrecarga para a condição de carregamento do transformador igual ou superior a 150% da sua carga nominal implica em queda de tensão e geração de calor excessivo no circuito interno do TD. Nesta condição de carregamento, a queda de tensão pode atingir valores superiores a 5%. A partir da temperatura de 130 °C, inicia-se a redução da concentração de oxigênio no óleo isolante e ocorrem reações de oxidação no sistema óleo mineral – papel isolante, ou seja, a partir desta temperatura a formação de gases no óleo isolante ocorre em um ritmo mais acelerado; isso pode causar avarias ao equipamento ou envelhecimento precoce.
Para a determinação da imagem dos fenômenos térmicos existentes em um TD, é necessário considerar-se duas constantes de tempo: uma pequena (em torno de 10 minutos), relativa à passagem do calor dos condutores ao óleo e a outra maior (aproximadamente de 1 a 2 horas), relativa à transmissão do calor ao meio ambiente ou ao agente de arrefecimento.
Sobrecargas em TDs, quando não devidamente identificadas e eliminadas, implicam diversos problemas às concessionárias de distribuição:
• Elevado número de ocorrências de avarias de TDs em função de sobrecargas;
• Redução da vida útil dos TDs devido à deterioração dos elementos isolantes dos equipamentos, particularmente do papel isolante das bobinas pela ação da elevação da temperatura dos enrolamentos.
Identificação de sobrecargas de longa duração
em transformadores de distribuição
A solução técnica proposta dentro do escopo do projeto está diretamente associada à clara definição do conceito de “sobrecarga de longa duração em TD”. Com base nas normas e artigos técnicos analisados e citados nas referências bibliográficas, foram identificadas diversas formas e critérios de conceituações para o fenômeno em análise.
Considerando-se os requisitos e critérios estabelecidos na ABNT NBR 5416/1997, para fins do desenvolvimento deste equipamento, foi adotada a seguinte conceituação para o fenômeno em análise: sobrecarga de longa duração é todo evento associado ao comportamento do transformador, sob determinado carregamento, que resultar no incremento da temperatura no topo do óleo TO (°C), em qualquer janela de observação de 30 minutos, acima dos valores de temperatura previstos na Tabela 1 (Tabela 31 da ABNT NBR 5416/1997), observada a respectiva temperatura ambiente Ta (°C) e a duração da ponta DP (h) de 0,5 horas.
A partir desta conceituação, foram adotadas as seguintes premissas para a definição de “Sobrecarga de longa duração em TD”:
• Medição da temperatura ambiente efetuada a cada dez minutos;
• Medição da temperatura no lado externo do tanque (referenciada ao topo do óleo) efetuada a cada dez minutos;
• Integração das medições à janela móvel de 30 minutos; carga inicial de 50% (0,5 pu);
• Refrigeração a óleo natural – ar natural (Onan);
• Limite de elevação de temperatura dos enrolamentos a 55 °C;
• Parâmetros de controle de carregamento e de sobrecarga baseado na Tabela 31 da ABNT NBR 5416/1997 (carregamento de transformadores de 55°C, sistema de resfriamento Onan, carga inicial de 50% para DP = 0,5 h);
• Considerou-se que, sempre que ocorrer uma ou mais “sobrecargas de longa duração” no período das 0h às 24h, o equipamento registrará em memória um evento de “sobrecarga de longa duração” para fins de contagem de sinalização.
Destaca-se que foi adotado, mesmo que de forma ainda bastante conservadora, o carregamento inicial de 50%, muito embora se estime que a carga inicial do TD (carga média das 24 horas anteriores à análise da sobrecarga) seja inferior a este valor de referência.
Características funcionais do equipamento
Descrição básica do equipamento
Dispositivo eletrônico de baixo custo capaz de detectar e monitorar a ocorrência de sobrecargas de longa duração em TDs, mediante o monitoramento indireto da elevação da temperatura no topo do óleo por meio da medição direta da temperatura pelo lado externo do tanque do transformador (sensor de temperatura adesivo ao tanque), de modo a evitar a degradação e/ou avaria do transformador.
Requisitos funcionais do equipamento
• Facilidade de instalação não invasiva, mediante o acoplamento externo do dispositivo ao tanque do transformador por meio de um conjunto de ímãs;
• Simplicidade de instalação a um baixo custo, não havendo necessidade da presença de técnicos especializados da concessionária;
Autonomia de bateria para sinalização;
• Alimentação independente da rede de energia elétrica da concessionária por bateria recarregável por energia solar;
Sinalização sonora e visual;
• Alimentação independente da rede de energia da concessionária, através de baterias recarregáveis por energia solar, proporcionando maior robustez e imunidade do dispositivo a impulsos elétricos e descargas atmosféricas;
• A sinalização do dispositivo será sonora (som de cigarra) luminosa (Leds);
• Dispositivo de reset de eventos de sobrecarga com o intuito de possibilitar a interrupção da sinalização e reiniciar a contagem de eventos; e
• Registro dos seguintes parâmetros para cada evento de sobrecarga: número do evento, data, dia da semana, hora de início e fim do evento, temperatura ambiente média do período do evento, temperatura na face externa do tanque, no topo do óleo (média do período do evento), temperatura no nível do óleo (indireto) – (média do período do evento) e temperatura no ponto mais quente do enrolamento (de forma indireta pela média do período do evento).
Princípio de funcionamento do equipamento
A detecção de “sobrecarga de longa duração” em TDs será realizada mediante monitoramento contínuo da temperatura no topo do óleo, referenciadas ao lado externo do tanque do transformador. A temperatura ambiente e a temperatura do lado externo do tanque serão medidas a cada dez minutos e integralizadas em intervalos de 30 minutos (média móvel das últimas três medições). Os valores resultantes serão comparados com os limites de temperatura do topo do óleo estabelecidos na Tabela 31 da ABNT NBR 5416/1997, observada a respectiva temperatura ambiente Ta (ºC) e duração da Ponta DP (h) de 0,5 horas.
Sempre que ocorrer uma ou mais sobrecargas de longa duração no período das 0h às 24h, o equipamento registrará em memória um evento de sobrecarga de longa duração para fins de contagem de sinalização. Após o registro da primeira sobrecarga de longa duração, o dispositivo continuará monitorando o TD para identificar se, no período de 30 dias a partir daquela data, ocorrerá uma nova sobrecarga de longa duração.
O dispositivo sinalizará quando identificar a ocorrência de três registros de sobrecarga de longa duração, em intervalos de tempo entre eles menor ou igual a 30 dias, conforme ilustrado na Figura 1. Se no período de 30 dias após o registro de uma sobrecarga não ocorrer novo registro, o dispositivo descartará os registros anteriores, reiniciando novo ciclo de monitoramento.
Figura 1 – Monitoração de sobrecargas de longa duração de TD.
O acionamento dos alarmes induzirá os consumidores a contatarem a concessionária, informando sobre o acionamento de alarme de sobrecarga do TD. Esta sinalização será intermitente, alternando períodos de sinalização sonora e luminosa, com períodos de sinalização somente luminosa. O dispositivo terá autonomia para manter a sinalização ativa por um período mínimo de duas horas.
As Figuras 2 a 4 mostram, respectivamente, a vista s
uperior do equipamento (aberto e fechado) e a instalação do mesmo em um transformador de distribuição da Celesc.
Figura 2 – Vista superior (equipamento aberto). Figura 3 – Vista superior (equipamento fechado).
Figura 4 – Instalação dos equipamentos em TD em operação.
Funcionalidades básicas do software embarcado do equipamento
a) Parâmetros de sobrecarga:
• Considera o valor médio das três últimas aquisições de temperatura; e
• Atualiza os contadores internos com o número de sobrecargas ocorridas desde a atualização do software, a quantidade de sobrecargas de longa duração e o contador de sobrecargas acumuladas, o qual é zerado a cada 30 dias.
b) Sinalização de sobreaquecimento
Quando a condição de sobreaquecimento for detectada, são acionados os dispositivos de sinalização de operação regular e de alarme, conforme a seguir:
• É composta por três conjuntos de sinalizadores luminosos, do tipo Led de alto brilho (oito unidades por cada conjunto, sendo um conjunto montado e ajustado para a cor vermelha, outro para a verde e o terceiro para o amarelo);
• Ainda faz parte do conjunto, a sinalização sonora por buzzer que é projetado para se distinguir sonoramente dos alarmes típicos de rua.
c) Medição de temperatura
• São empregados quatro sensores de temperatura, sendo dois destinados para compensação da influência externa (temperatura ambiente, temperatura do circuito eletrônico e interior do gabinete) e um usado na proteção do equipamento (temperatura de bateria). O quarto sensor, um termistor do tipo PTC, é montado mecanicamente com o objetivo de se medir a temperatura da superfície externa do tanque do transformador;
• O ponto de contato do sensor de temperatura com o tanque do transformador requer uma pressão adequada para a correta medição. Foi implementado um sistema com mola para manter o sensor pressionado ao tanque.
d) Gabinete do equipamento
• O gabinete para abrigar a parte eletrônica do equipamento é completamente vedado para permitir a operação exposta do equipamento às intempéries e é provido de uma soleira metálica para sustentar a célula fotovoltaica.
e) Sinalização de sobrecarga de longa duração
Quando as condições de sobrecarga de longa duração são detectadas, aciona-se os dispositivos de sinalização como a seguir:
• Se ocorrer sobrecarga de longa duração sem sobreaquecimento do transformador, os Leds amarelos e o buzzer são acionados por oito segundos a cada um minuto;
• Se ocorrer sobrecarga de longa duração com sobreaquecimento do transformador, são acionados os Leds vermelhos, piscando em frequência de 1 Hz, juntamente com os Leds amarelos e buzzer até que a condição de sobrecarga de longa duração seja extinta;
• Adotou-se a frequência de sinalização dos Leds/buzzer de 1 Hz, “duty cycle” de 5%, visando economia de bateria. Destaca-se que a bateria foi dimensionada para operar com as condições operativas acima, ao menos, durante um período de 24 horas;
• Pela afixação de uma placa indicativa no TD com o número de emergência da Celesc e do sinal sonoro intermitente do equipamento, presume-se que os transeuntes contatem as equipes de emergência da concessionária para relatar o problema detectado e a necessidade de ações de manutenção corretiva;
• Os Leds indicativos têm como função básica, durante o procedimento de manutenção do TD, sinalizar às equipes técnicas as atuais condições operativas do transformador (presença ou não de sobreaquecimento).
Com isso, minimizam-se os riscos de que uma eventual explosão do TD possa expelir óleo quente e atingir as equipes de manutenção; e
• A equipe de desenvolvimento do equipamento optou em não utilizar a sinalização automática por meio de um sistema de comunicação (usando, por exemplo, tecnologias GPRS, wireless e/ou PLC) com o COD da Celesc, de modo a tornar o equipamento mais simples, barato e robusto.
Testes realizados em campo
Os ensaios de campo com os equipamentos “Indicador de baixo custo de sobrecarga de longa duração” foram efetuados em quatro transformadores instalados em alimentadores da Celesc na Regional Jaraguá do Sul, sendo aqui comentados de forma mais detalhada somente os testes finais efetuados com dois transformadores (TD01 e TD04). Este conjunto de ensaios foi realizado visando validar a robustez, o desempenho e as funcionalidades operacionais dos equipamentos desenvolvidos em condições reais de operação com grande severidade.
Objetivo dos testes
Registro e verificação do comportamento dos equipamentos em dois transformadores operando em condições reais de funcionamento com posterior comparação com as medições de potência aparente efetuadas por meio de equipamentos registradores digitais de potência – modelo MARHV-21 (RMS).
Resultados obtidos
As Figuras 5 a 7 mostram as temperaturas e potências aparentes medidas pelo equipamento desenvolvido nos transformadores TD01, TD02 e TD03 durante o verão de 2012. Estes transformadores suprem cargas exclusivamente residenciais. Nestas figuras, os gráficos correspondentes às variáveis são os seguintes: cor verde (potência aparente), cor laranja (temperatura, de acordo com a norma adotada, para indicação de sobrecarga – temperatura de topo de óleo), cor vermelha (temperatura do topo medida pelo lado externo do tanque), cor azul claro (temperatura ambiente) e cor azul escuro (indicação de sobrecargas pelo conceito adotado no projeto). Analisando-se os gráficos, percebe-se que não houve indicação de sobrecarga nos transformadores TD01, TD02 e TD03, indicação que foi confirmada pela medição do MARVH-21 no transformador TD01. Dessa forma, a atuação do equipamento foi coerente ao indicar que o transformador não apresentava sobrecargas durante o período de medições.
Figura 5 – Medição de temperaturas e potência aparente do transformador TD01.
Figura 6 – Medição de temperaturas e potência aparente do transformador TD02.
Figura 7 – Medição de temperaturas e potência aparente do transformador TD03.
Por sua vez, as Figuras 8 e 9 mostram, respectivamente, a sobrecarga do transformador TD04 e que o pico de carga nele, medido pelo equipamento instalado e comprovado pelos registros obtidos pelo MARVH-21, ocorreu de fato próximo à meia noite em função das altas temperaturas da região naquela época e do uso intensivo de equipamentos de ar condicionado pelos consumidores supridos pelo TD.
Figura 8 – Indicação do pico de carga do transformador TD04.
Figura 9 – Indicação do pico de carga do transformador TD04 durante a madrugada.
Destaca-se que esta situação operativa não é condizente com as curvas típicas de carga do transformador, segundo a abordagem estatística da metodologia kVAs adotada atualmente pela Celesc.
Finalmente, a Figura 10 mostra a influência da radiação solar no comportamento das temperaturas medidas no tanque do transformador TD04. No entanto, não foi detectada sobrecarga neste transformador em função da influência solar.
Figura 10 – Influência do aquecimento do tanque do transformador TD04 por radiação solar.
Conclusões
Devido ao caráter inovador e à sua larga aplicabilidade na rede de distribuição, a Celesc recebeu o prêmio de 3º lugar no VII Citenel com a apresentação deste projeto.
A principal inovação tecnológica deste projeto de P&D foi o desenvolvimento de um dispositivo eletrônico de baixo custo destinado à indicação de sobrecargas de longa duração em transformadores de distribuição através de aviso sonoro do tipo alarme e luminoso.
Os atuais sistemas de detecção de sobrecarga em transformadores de distribuição são baseados somente no faturamento mensal dos consumidores conectados ao transformador e em curvas de carga típicas obtidas por métodos estatísticos (metodologia kVA.s), os quais estão sujeitos a vários tipos de fontes de erros (furtos de energia, curvas de cargas não típicas, cargas não lineares, etc.).
O equipamento utiliza a temperatura externa em um determinado ponto do tanque do transformador para indicar, de uma forma muito simples e direta, quando se encontra em sobrecarga de longa duração. Destaca-se que o equipamento não exige nenhuma parametrização pelo usuário.
Diversos ensaios realizados em laboratório e campo possibilitaram estimar-se a função de transferência entre a temperatura do enrolamento (interna) e a temperatura medida na altura do nível do topo do óleo do lado externo do tanque do TD. Tais ensaios demonstraram que, independentemente da potência nominal dos TDs e das condições climáticas (especialmente, a temperatura ambiente e os níveis de radiação solar incidentes no tanque do transformador), a função de transferência se mantém basicamente a mesma para diferentes condições operativas.
Os testes realizados em campo, com duração de aproximadamente quatro meses e realizados em condições de altas temperaturas e baixa pluviometria durante os meses de dezembro/2011 a março/2012, permitiram comprovar o correto funcionamento e robustez construtiva dos equipamentos instalados em quatro transformadores em condições reais de operação, sendo que um deles apresentou sobrecarga, sinalizada pelo equipamento e confirmada pela medição de potência aparente por um registrador digital.
O indicador de sobrecarga de longa duração desenvolvido é bastante simples e de custo reduzido, requisitos que permitem seu uso em larga escala no sistema de distribuição e com grande facilidade de instalação e/ou remoção pelas equipes da concessionária.
Verificou-se que o equipamento desenvolvido reduz significativamente os riscos de acidentes associados à explosão dos transformadores de distribuição em sobrecarga e, consequentemente, o espalhamento de óleo quente.
O pedido de patente industrial do equipamento desenvolvido foi solicitado junto ao INPI.
Referências bibliográficas
E-313.0019 – Transformadores para Redes Aéreas de Distribuição. CELESC, Florianópolis, 2001.
ABNT NBR 5416/1997 – Aplicação de Cargas em Transformadores de Potência – Procedimento. ABNT, Rio de Janeiro.
ABNT NBR 5440/1999 – Transformadores para Redes Aéreas de Distribuição – Padronização. ABNT, Rio de Janeiro.
IEEE – Standard C57.9101995 Guide for Loading Mineral-Oil Immersed Transformers.
Este trabalho foi originalmente apresentado durante o XXI Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica (Sendi), realizado de 8 a 13 de novembro de 2014, em Santos (SP).
