A2-PS2 – Transformadores – Sistema de monitoramento, desempenho sob a ótica da manutenção, estudos de casos.

Viabilidade de emprego de monitoramento distribuído de deformações por fibras ópticas para diagnóstico de transformadores de potência. Daniel Benetti (1), Luiz Alkimin de Lacerda(2) Copel Geração e Transmissão (1), Institutos Lactec (2) PR/Brasil

RESUMO Vários estudos e pesquisas realizadas em âmbito nacional e internacional indicam que o enrolamento é o componente que possui maior incidência de falhas em transformadores, desta forma, técnicas eficazes para detecção de defeitos em transformadores e seus componentes devem ser respaldadas por medições de características do equipamento que possam auxiliar na tomada de decisão sem a necessidade de desligamentos desnecessários. Os sensores a fibra óptica por serem imunes à interferência eletromagnética são utilizados em diversas aplicações para a medição direta de características físicas em ambientes agressivos, e teoricamente tais sensores podem ser utilizados para a medição de temperatura e deformações que possam ocorrer na parte ativa de transformadores. Desta forma, o objetivo geral deste trabalho é a construção de um protótipo para a medição de deformações em um tubo cilíndrico de paredes finas submetido a esforços similares aos que podem ocorrer nos enrolamentos de um transformador. Sobre o protótipo foram aplicadas forças controladas para medição de deformação distribuída nos sentidos axiais e radiais da peça, utilizando o método distribuído de medição por fibra óptica DTSS (Distributed Temperature and Strain Sensing – Sensores Distribuídos de Temperatura e Deformação). Efetuou-se também o cálculo de deformações nos enrolamentos de um transformador de distribuição por um método analítico, e constatou-se que a sensibilidade e o tempo de resposta do sistema de medição óptico pode ser aplicável para a detecção de deformações residuais em enrolamentos de transformadores de potência após ocorrência de forças de origem eletromecânicas elevadas. Por meio da análise com o protótipo desenvolvido foi possível demonstrar, teoricamente, a viabilidade em se utilizar a técnica de monitoramento distribuído para medição de deformação em enrolamentos de transformadores de potência. Tal conclusão também pode ser estendida a estudos para medição de deformações em fenômenos físicos de geometria e esforços similares, como em dutos enterrados e vasos sob pressão.

PALAVRAS CHAVE Sensores Ópticos Distribuídos, Transformador de Potência, Enrolamentos, Deformações Axiais e Radiais. Daniel Benetti [email protected]

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1. INTRODUÇÃO A falha de um transformador de potência em uma subestação de alta tensão pode levar indisponibilidade de energia a grandes blocos consumidores, o que provoca perdas econômicas, prejudica a imagem da empresa responsável frente a seus consumidores, além de gerar possíveis danos ambientais e comprometer a segurança de pessoas próximas as instalações. Estudos e levantamentos de dados apresentados em [1], [2] e [3] indicam que os enrolamentos são os componentes que apresentam maior incidência de falhas em transformadores de potência, e a causa fundamental destas falhas pode estar associada, na maioria das vezes, a surtos ou curto-circuito na rede elétrica. As solicitações mecânicas geradas pelo curto-circuito podem ocasionar deformações elásticas ou plásticas na parte ativa de transformadores. As deformação elásticas são reversíveis, enquanto que as deformações plásticas são irreversíveis. O tipo de deformação depende de vários parâmetros, como da magnitude da corrente de curto-circuito e do tempo para atuação da proteção [4]. Deslocamentos e deformações que ocorrem na parte ativa de transformadores alteram as características elétricas de projeto, o que pode reduzir a vida útil ou até mesmo causar a falha do equipamento, ocasionado pelo curto-circuito entre espiras, diminuição da distância elétrica entre dois potenciais diferentes, ou até o colapso da estrutura mecânica da parte ativa. Atualmente existem diversos ensaios elétricos que são realizados na fase de aceitação, comissionamento e avaliação operacional do transformador. Tais métodos efetuam uma medição indireta das características físicas do equipamento, que podem indicar um desvio na condição operacional. O ensaio de Resposta em Frequência é realizado para análise de deformações ou deslocamentos da parte ativa após o transporte, ou alguma ocorrência no sistema elétrico. Geralmente, para identificação da causa de um defeito ou falha em um transformador de potência, é necessário efetuar uma série de medições, as quais são realizadas com o equipamento desligado. Apesar de haver novos métodos para o monitoramento contínuo da Resposta em Frequência, mostrados em [5] e [6]. É necessário o estudo de outras técnicas de monitoramento direto da condição dos enrolamentos e da parte ativa. Este trabalho analisa a viabilidade na aplicação do sensoriamento distribuídos com fibra óptica para avaliação da condição de transformadores de potência. Os sensores ópticos foram utilizados, pois são imunes à interferências eletromagnéticas, assim permitem medições da parte energizada de equipamentos de alta tensão. Além disso, os sensores distribuídos podem ser utilizados para gerar um perfil de temperatura e tensão mecânica de corpos com quilômetros de comprimento. 1.1. Princípio de Medição e Retroespalhamento da Luz. Para medição de deformações neste trabalho, foram utilizados sensores distribuídos de temperatura e deformação a fibra óptica (DTSS). O equipamento que realiza a emissão, recepção e tratamento dos sinais ópticos, utiliza o princípio dos Reflectômetros Ópticos no Domínio do Tempo (ODTR). Isto é, o tempo entre a emissão do pulso óptico e a detecção do sinal retroespalhado pode ser utilizado para o cálculo do comprimento do ponto de medição em relação a fonte óptica. Estudos da atenuação do sinal de luz na fibra óptica, permitiram observar que o sinal retroespalhado possui um espectro característico, que depende de propriedades do meio de propagação e alguns parâmetros físicos externos, como a temperatura e tensão mecânica da fibra óptica [7]. A Figura 1 mostra o espectro padrão no retroespalhamento linear da luz, o gráfico mostra que há três componentes principais. Uma componente de Rayleigh com mesmo comprimento de onda do sinal óptico emitido, duas componentes de Raman e duas componentes Brillouin com comprimentos de onda diferentes do sinal original. O retroespalhamento linear de Brillouin, utilizado para as medições, pode ser explicado através da teoria de campos acoplados [8]. Simplificadamente, a onda eletromagnética interage com uma onda acústica, gerada pelo movimento em fase da estrutura atômica do meio de propagação. Uma

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vez que, o movimento da onda acústica pode possuir o mesmo sentido ou ser oposto ao sentido de propagação da onda eletromagnética, surgem pelo efeito Doppler na luz, duas componentes do sinal retroespalhado, chamadas de Stokes e Anti-Stokes.

FIGURA 1: ESPECTRO DE LUZ RETROESPALHADO FONTE: Adaptado de [9].

Qualquer alteração na temperatura ou tensão mecânica da fibra óptica geram deslocamentos no comprimento de onda ou na amplitude do sinal retroespalhado de Brillouin. Assim é possível, tendo as constantes de correção da fibra óptica, efetuar medições simultâneas da temperatura e deformação em vários pontos de um corpo utilizando os sensores a fibra óptica distribuídos. 2. METODOLOGIA E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO As medições foram realizadas com fibras ópticas do tipo monomodo. O equipamento utilizado para emissão, detecção e interpretação dos sinais ópticos é mostrado na Figura 2. Este sistema possui capacidade para medição de longo alcance, com comprimento máximo até 24 quilômetros, resolução espacial de 1,02 metros e resolução para medição de temperatura e deformação, de 1 Kelvin e 20 µε respectivamente [10].

FIGURA 2: EQUIPAMENTO DTSS UTILIZADO NAS MEDIÇÕES. FONTE: Adaptado de [10].

Para avaliação inicial do sistema, foi usinado em um tubo cilíndrico de aço, uma rosca para instalação da fibra óptica no sentido circunferencial. Também foram fixados rolamentos alinhados verticalmente para instalação dos sensores ópticos no sentido axial da peça. O tubo utilizado possui diâmetro externo de 27,5 centímetros, 4 milímetros de espessura e 50 centímetros de altura. Os rolamentos foram usinados com canais, que assim como a rosca central, serviram como guias para instalação da fibra óptica. A fibra óptica foi tracionada e presa somente nas extremidades da peça. A Figura 3(a) mostra as dimensões de projeto para o protótipo de testes, enquanto a Figura 3(b) mostra o esquema de dente de serra utilizado para cálculo do maior carregamento suportável e deformações esperadas para o ensaio de compressão axial [11].

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FIGURA 3: PROJETO E MODELO PARA CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO

A Figura 4 mostra a prensa hidráulica utilizada para os testes, assim como os esquemas adotados para o teste de compressão axial e radial. No teste de compressão axial foram aplicadas diversas etapas de carregamento, sendo que as forças utilizadas foram definidas para não ultrapassar o limite de escoamento do tubo metálico. Com este cuidado, o teste foi repetido com vários tempos de aquisição de dados, para avaliação da resposta de medição do sistema óptico. Por outro lado, o ensaio de compressão circunferencial foi realizado com um tempo de aquisição de dados mais longo (16 minutos) para cada etapa de carregamento. A força neste teste foi aplicada em dois pontos de contato da prensa com o tubo, o que gerou uma tensão mecânica superior a tensão de escoamento da peça.

FIGURA 4: ESQUEMAS PARA TESTES DE COMPRESSÃO NA PEÇA

3. TESTES DE COMPRESSÃO 3.1. Teste de Compressão Axial A configuração adotada para o teste de compressão axial permitiu a instalação de aproximadamente 12 metros de fibra óptica no formato de serpentina nos rolamentos para medição de

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deformações axiais e cerca de 20 metros de fibra óptica na rosca central da peça para medição de deformações radiais. Foram desconsiderados os primeiros pontos de medição das extremidades da fibra óptica. O valor esperado de deformações axiais foi calculado pela aplicação direta da lei de Hooke. Considerando-se a constante elástica (E) do aço igual a 210 GPa e a tensão escoamento igual a 250 MPa, foi possível calcular os encurtamentos específicos (δ) das regiões a, b e c da Figura 3(b). Sendo que a rosca central possui 30 passos, a Equação 1 pode ser utilizada para cálculo do encurtamento específico total da peça, em função do comprimento (L) e área (A) de cada região. (1) As médias e desvios padrões encontrados nas medições das dimensões físicas reais do protótipo foram utilizadas para o cálculo da deformação teórica (εT) e do erro máximo admissível pelo sistema de medição (σDTSS). Para cálculo do desvio total foi considerado o erro de escala da prensa hidráulica de 0,2 toneladas, assim como os desvios das dimensões reais da peça e o erro de medição do sistema de medição óptico de 20 με. A Equação 2 e a Equação 3 mostram o valor da deformação e do erro admitido pelo sistema em função da força (F) aplicada em (kiloNewtons). Vale ressaltar que o equipamento realiza uma medição de deformação específica (µε), que é adimensional. (2) (3) A Tabela 1 mostra os valores teóricos da deformação nas etapas de carregamento definidas para o teste de compressão axial, onde a força máxima foi limitada em 26 toneladas. Este valor foi definido para a tensão mecânica aplicada não ultrapassar a tensão de escoamento do aço na região c, que por possuir a menor área foi considerada como a região mais frágil do protótipo. TABELA 1: DEFORMAÇÃO E DESVIO TEÓRICO Força Força aplicada Deformação aplicada (tf) (kN) calculada (με) 1 9.81 23,12 2.5 24.525 57,80 5 49.05 115,61 8 78.48 184,98 10.5 103.005 242,78 13 127.53 300,59 16 156.96 369,95 18.5 181.485 427,76 21 206.01 485,56 23.5 230.535 543,37 26 255.06 601,18

Erro processo (με) 3.69 4.27 5.68 7.83 9.78 11.81 14.29 16.38 18.49 20.61 22.74

Erro medição (με) 20.34 20.45 20.79 21.48 22.26 23.23 24.58 25.85 27.24 28.72 30.28

Valor de Tensão Região c (MPa) 6.25 15.63 31.27 50.03 65.66 81.29 100.05 115.69 131.32 146.96 162.59

A Figura 5 mostra os gráficos obtidos pelo sistema de medição distribuído em vários carregamentos e tempos de medição. Os tempos de medição configurados no sistema óptico são múltiplos do tempo mínimo de medição do equipamento DTSS utilizado, que equivale à 2 minutos. Os gráficos ilustram as medições realizadas com 2, 4, 8 e 16 minutos. As deformações indicadas pelo sistema nas diversas medições indicaram um encurtamento da peça. É possível verificar que os gráficos foram deslocados para baixo com o aumento progressivo de carga axial aplicada sobre o protótipo. Foi constatado também que com o aumento do tempo de medição do sistema óptico houve uma menor dispersão na medição distribuída de deformação.

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FIGURA 5: TEMPO DE RESPOSTA DO DTSS.

A Figura 6(a) mostra a comparação entre a deformação específica calculada e a deformação medida, com 16 minutos de duração. Por outro lado, a Figura 6(a) mostra as deformações axiais médias obtidas nas medições com vários tempos. Para o cálculo do encurtamento da peça, foi subtraído o valor dos pontos de medição com o protótipo em repouso, sem carga aplicada, do valor da medição com aplicação da carga. As medições da Figura 5 e 6 mostram o comportamento dos sensores axiais instalados na peça. Nos sensores instalados na rosca foi possível detectar um comportamento oposto, ou seja, um alongamento radial da peça.

FIGURA 6: DEFORMAÇÃO AXIAL DA PEÇA

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3.2. Teste de Compressão Radial O ensaio de compressão radial foi realizado com a aplicação de um carregamento mecânico superior a 1 tonelada. A fibra óptica foi colada em alguns pontos no canal da rosca central do protótipo para este teste. Durante a realização do teste observou-se a ruptura parcial na solda em uma das extremidades do tubo e uma ovalização permanente no tubo. A Figura 7(a) mostra o comportamento das tensões mecânicas distribuídas nos sensores a fibra óptica instalados para medição de deformação radial. Neste gráfico observa-se que após a ruptura da solda com 0,9 toneladas houve uma alteração significativa na curva de tensão mecânica da fibra óptica. Além disso, foi possível verificar uma curva diferente na medição da deformação residual da peça após o alívio da carga mecânica aplicada. A Figura 7(b) mostra ponto a ponto, o comportamento de deformação radial da peça. Tal gráfico exibe um comportamento não foi linear, uma vez que, a tensão aplicada sobre o tubo foi superior a tensão de escoamento do material. Portanto, houve uma deformação plástica na peça.

FIGURA 7: RESULTADOS TESTE DE COMPRESSÃO RADIAL

Foi observado que, inicialmente alguns pontos apresentaram uma curva característica de alongamento radial. Porém, ao aumentar o carregamento imposto pela prensa hidráulica, houve a inversão do comportamento, ou seja, a medição indicou um encurtamento radial. Tal característica pode ser explicada, pois houve locais onde a fibra óptica descolou da rosca central, indicando um falso encurtamento. Além disso, a resolução do sensor é maior que o perímetro do tubo, então algumas regiões foram mais sensíveis do que outras. 4. AVALIAÇÃO DE DEFORMAÇÕES EM TRANSFORMADORES A Figura 8 mostra um transformador de distribuição que foi desmontado para medição das dimensões geométricas e análise de viabilidade de instalação da fibra óptica. A Tabela 2 mostra as características elétricas e geométricas deste transformador, que foram utilizadas para cálculo da tensão mecânica e deformações axiais e radiais geradas na ocorrência de um curto-circuito trifásico. Para o cálculo de deformação nos enrolamentos deste transformador, utilizou-se uma metodologia analítica adotada em [10] e [11]. A força eletromagnética que atua nos enrolamentos depende do produto vetorial entre o campo magnético e o sentido da corrente de curto-circuito no

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condutor em um determinado instante de tempo. As Equações 4, 5 e 6 foram utilizadas respectivamente para cálculo das forças radiais distribuídas (Frad_dist), tensão de alongamento ou encurtamento radial média (σr_medio) e força de compressão axial total dos enrolamentos de alta e baixa tensão (Fctotal). (4)

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Onde H é a altura do enrolamento, n é número de espiras, Is é a corrente assimétrica de curtocircuito, Dm é o diâmetro médio de um dos enrolamentos, ac é a área transversal do condutor, Dmt é diâmetro médio dos enrolamentos de alta e baixa tensão, Do é a espessura dos canais de óleo do transformador, Di é a espessura radial do enrolamento interno e De é a espessura radial do enrolamento externo.

FIGURA 8: TRANFORMADOR DE DISTRIBUIÇÃO PARA ANÁLISE DE DEFORMAÇÕES TABELA 2: CARACTERÍSTICAS DO TRANSFORMADOR Potência do Transformador 75 kVA Número de Fases 3 Tensão Enrolamento externo Enrolamento interno Tipos de Ligações Enrolamento externo Enrolamento interno Dimensões do fio de cobre Enrolamento externo Condutores por fase Enrolamento interno Enrolamento externo Enrolamento interno Número de espiras Enrolamento externo Enrolamento interno Diâmetro Enrolamento externo Enrolamento interno Núcleo Diâmetro Altura janela Impedância Percentual 3.62% Corrente de curto-circuito assimétrica Enrolamento externo Enrolamento interno

13.2kV 220/127V Delta Estrela 1 mm =diam 3mmx4.5mm 3 6 6860 66 0.14 0.19 0.11 0.2 133.18 13840.66

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Foi considerado que os enrolamentos de alta e baixa tensão não possuem derivações intermediárias e estão alinhados perfeitamente. Com estas premissas é possível adaptar o modelo de vasos cilíndricos de paredes finas, para o cálculo da tensão mecânica radial dos enrolamentos. Para a tensão axial, considerou-se 2/3 da força axial, calculada na Equação 6, distribuída no enrolamento interno e 1/3 da força no enrolamento externo. Os resultados das forças, tensões mecânicas e deformações são mostradas na Tabela 3. Notase que as deformações foram calculadas utilizando-se a constante elástica do cobre, que equivale a 110 GPa, e as unidades utilizadas para representação da deformação total equivale a unidade de medição do sistema DTSS. TABELA 3: CÁLCULO DE DEFORMAÇÕES EM TRANSFORMADOR DE PEQUENO PORTE Deformação nos Enrolamentos Externo Interno Força radial (kN) 43.48 128.11 Força radial distribuída (N/m) 318.54 4413.31 Tensão radial Média (N/mm2) 1.28 21.25 Deformação calculada (με) 11.63 193.18 Deformação axial Força de compressão axial total (kN) 33.00 Força compressão enrolamento interno (kN) 22.00 Força compressão enrolamento externo (kN) 11.00 2 Área total do interno (mm ) 1915.58 Área total do enrolamento externo (mm2) 530.93 Tensão enrolamento interno 11.48 Tensão enrolamento externo 20.72 Deformação enrolamento interno (με) 104.41 Deformação enrolamento externo (με) 188.35

5. CONCLUSÃO Pelos resultados obtidos nos testes de compressão axial e radial, é possível constatar que o sistema pode ser aplicável para medição de deformações residuais em peças cilíndricas com medições a partir de 20 με, ou seja, até 0,002% do comprimento inicial da peça. O ensaio axial no tubo metálico simulou uma deformação plástica em várias etapas de carregamento com uma força distribuída uniformemente. Com o acréscimo do tempo de medição, o sistema óptico apresentou medições com menor dispersão, isto se deve ao tempo de conformação do protótipo com a aplicação do carregamento mecânico e a dispersão do próprio sistema óptico. Por outro lado, o ensaio de compressão radial, simulou o efeito de forças distribuídas de maneira não uniforme, gerando uma deformação plástica na peça, estas deformações foram detectadas pela alteração da curva padrão de tensões mecânicas medida. Foi possível avaliar neste trabalho a viabilidade de aplicação do sistema óptico em transformadores de potência, para medição de deformações residuais após a ocorrência de um ou vários curto-circuito no sistema elétrico. As deformações residuais e deslocamentos podem ser cumulativos e podem culminar na falha do equipamento por fadiga em religamentos indevidos. O sistema óptico apresentado neste trabalho não é capaz de detectar deformações dinâmicas. No entanto a aplicação do sistema DTSS é promissora, pois realiza a medição direta de deformações em vários pontos da bobina com uma única fibra óptica, sendo que os métodos indiretos existentes atualmente também não são capazes de detectar efeitos dinâmicos do curto-circuito. Com o desafio de se desenvolver novas técnicas para instalação da fibra óptica e configurações menos complexas para o teste de curto-circuito, o sistema proposto tem potencial para ser aplicado na avaliação do perfil térmico e de tensões mecânicas em enrolamentos de grandes transformadores de potência.

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