Manutenção de Transformadores: Tipos, Métodos e Resultados, Teses (TCC) de Máquinas Elétricas

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ELEMENTOS DE MANUTENÇÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA

Guaratinguetá - SP 2014

JACKSON FARIAS FONSECA

JACKSON FARIAS FONSECA

ELEMENTOS DE MANUTENÇÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA

Trabalho de Graduação apresentado ao Conselho de Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Graduação em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Rubens Alves Dias

Guaratinguetá 2014

DADOS CURRICULARES

JACKSON FARIAS FONSECA

NASCIMENTO 30.09.1991 – GURUPI / TO

FILIAÇÃO José Osmar Fonseca Lima Selma Farias Leite Fonseca

2010/2014 Curso de Graduação Engenharia Elétrica - Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista.

FONSECA, J. F. Elementos de manutenção de transformadores de potência. 2014. 97 f. Trabalho de Graduação (Graduação em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2014.

RESUMO

Neste trabalho são abordados os principais ensaios de comissionamento de transformadores de potência e os métodos de manutenção mais utilizados no segmento industrial, discutindo seus resultados e as consequências destes para a operação normal do equipamento. No desenvolvimento do texto é detalhado um plano de manutenção adequado aos transformadores de potência, mesclando elementos da manutenção preventiva e preditiva, explicitando os principais dispositivos, ensaios e normas utilizados atualmente e demonstrando o modo de se usar e interpretar os resultados de tais recursos. É demonstrado também o impacto econômico decorrente da danificação de um transformador e como a manutenção correta pode diminuir esses prejuízos. Tem-se como objetivo demonstrar a importância do equipamento e os benefícios de uma correta manutenção, tanto em termos financeiros quanto em confiabilidade elétrica do sistema.

PALAVRAS-CHAVE : Transformadores. Comissionamento. Manutenção.

FONSECA, J. F. Power transformer maintenance elements. 2014. 97 f. Graduate work (Graduate in Electrical Engineering) - Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2014.

ABSTRACT

The intended purpose of this paper is to present the main commissioning tests for power transformers and the most used techniques in industrial segment, it is also discussed your results and consequences in the equipment’s normal operation. Also in this text, it is given specific information concerning a maintenance plan compatible to power transformers, with elements of preventive and predictive maintenance, exposing essential components, tests and the regulations current, showing how analyze and interpreted the results from this maintenance resources. Also in this paper is submitted the economic impact of damage to transformers and how the correct maintenance method can minimize them. The objective of this text is demonstrate the importance of the equipment and the benefits of proper maintenance, much of in financial terms as in electric system reliability.

KEY-WORDS : Transformers. Commissioning. Maintenance.

SUMÁRIO

• Figura 2.1 – Evolução da manutenção no setor elétrico.
• Figura 3.1 – Exemplo de oscilografia de um transformador de 5 MVA.
• Figura 3.2 – Curva de magnetização de um transformador.
• Figura 3.3 – Correntes na forma fasorial.
• Figura 3.4 – Gráfico e tabela da composição das correntes.
• Figura 3.5 – Analisador de energia trifásico RE6000 da Embrasul
• Figura 3.6 – Oscilografia obtida através do software ANL6000
• Figura 3.7 – Método da queda de tensão.
• Figura 3.8 – Ponte de Kelvin.
• Figura 3.9 – Conexão a quatro fios.
• Figura 3.10 – Medição para estrela sem neutro acessível.
• Figura 3.11 – Medição para conexão em delta
• Figura 3.12 – TTR analógico.
• Figura 3.13 – Elementos componentes de um TTR analógico.
• Figura 3.14 – Esquemático de ligação TTR trifásico.
• Figura 3.15 – Esquemático de um Megôhmetro...............................................................
• Figura 3.16 – Termovisor.
• apresentado 210°C panela de alumínio, apresentando 27°C; (d) termografia da panela de ferro fundido,
• Figura 3.18 – Comparador de cores.
• Figura 3.19 – Medidor de rigidez dielétrica
• Figura 4.1 – Transformador Siemens de 8 MVA
• Figura 4.2 – Termografia do painel do cubículo do transformador
• Figura 4.3 – Termografia das conexões do transformador
• Figura 4.4 – Oscilografia do secundário do transformador em estudo.
• Figura 4.5 – Estrutura distorcida após o arco elétrico.......................................................
• Figura 4.6 – Ação do arco elétrico sobre a estrutura do transformador............................
• Figura 4.7 –.Barramento distorcido após o arco elétrico..................................................
• Figura 4.8 – Ventilação forçada sobre o transformador reserva.......................................
• Figura 4.9 – Substituição dos transformadores.
• Figura 4.10 – Resultados para a conexão Dd0
• Figura 4.11 – Resultados para a conexão Dy5
• Figura 4.12 – Termografia das do painel do transformador
• Figura 4.13 – Termografia das conexões do transformador
• Tabela 3.1 – Fator de Correção de Velocidade do Vento (FCVV) LISTA DE TABELAS
• Tabela 3.2 – Fator de Correção de Carga (FCC)
• Tabela 3.3 – Analise do resultado da termografia
• Tabela 3.4 – Escala de cores.
• Tabela 3.5 – Atuação em relação ao número de neutralização do óleo
• Tabela 4.1 – Análise físico-química do transformador em estudo.
• Tabela 4.2 – Cromatografia do transformador em estudo.
• Tabela 4.3 – Resultado do ensaio de resistência de isolamento.
• Tabela 4.4 – Cromatografia do transformador em estudo.
• Tabela 4.5 – Análise físico-química do transformador em estudo.
• 1 INTRODUÇÃO
• 1.1 Importância do transformador
• 1.2 Manutenção de transformadores e seus desafios
• 1.3 Organização do trabalho
• 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
• 2.1 Tempo de vida útil do transformador
• 2.2 Tipos de manutenção
• 2.3 Técnicas de manutenção de transformadores adotadas mundialmente
• 2.4 Técnicas de manutenção de transformadores presentes em nível nacional
• 3 ASPECTOS CONCEITUAIS DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA
• 3.1 Componentes de um transformador...................................................................................
• 3.2 Ensaios de recepção e de recebimento
• 3.3 Relés digitais de proteção (oscilografia)
• 3.4 Analisador de qualidade de energia
• 3.5 Ensaio de resistência do enrolamento
• 3.7 Ensaio de resistência de isolação
• 3.8 Termografia
• 3.9 Análise cromatográfica e físico-química
• 3.10 Plano de manutenção
• 3.10.1 Segurança do trabalho
• 3.10.2 Buchas
• 3.10.3 Tanque e radiadores
• 3.10.4 Conservador de óleo
• 3.10.5 Termômetro de óleo e/ou imagens térmicas
• 3.10.6 Para-raios
• 3.10.7 Ventilação forçada
• 3.10.8 Secador de ar
• 3.10.9 Relés
• 3.10.10 Dispositivos de alivio de pressão
• 3.10.11 Sistema de circulação de óleo
• 3.10.12 Comutador de derivações
• 3.10.13 Caixa de terminais da fiação de controle e proteção
• 3.10.14 Ligações externas
• 3.10.15 Preditiva
• 3.11 Corretiva emergencial planejada
• 4 ESTUDO DE CASO
• 4.1 Introdução
• 4.2 Transformador analisado
• 4.3 Plano de manutenção do transformador
• 4.4 Resultados da manutenção do transformador
• 4.5 Defeito no transformador em estudo
• 4.6 Transformador de backup
• 4.7 Conserto do transformador em estudo
• 4.8 Retorno do transformador em estudo para a fábrica..........................................................
• 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
• REFERÊNCIAS

Problemas de funcionamento dos transformadores podem resultar no desligamento de uma máquina de uma indústria, um bairro residencial, uma cidade ou até mesmo um ou mais estados, dependendo do transformador afetado. Isto demonstra a importância do equipamento, uma vez que a paralização de uma indústria gera perdas, tanto por ela não estar produzindo, quanto por eventuais multas contratuais para com seus clientes. No âmbito residencial, o desligamento da energia pode levar, por exemplo, a problemas de trânsito, diminuição de vendas em lojas e paralização de hospitais. Em relação as concessionárias de energia elétrica, os danos em transformadores de subestações, geram prejuízo financeiro por serem equipamentos de alto custo e, desde que haja desligamento de energia, levam a multas por não fornecimento de energia elétrica.

1.2 Manutenção de transformadores e seus desafios

A manutenção é uma técnica que objetiva a conservação do equipamento, tanto estrutural quanto funcional, no caso de transformadores a manutenção se aplica por meio de suas vertentes corretiva, preventiva e preditiva, de modo a garantir que o transformador mantenha uma depreciação natural a sua vida útil e não interrompa o fornecimento de energia para a máquina ou sistema que este alimenta.

A manutenção preventiva, a qual se caracteriza como uma técnica composta de procedimentos com periodicidade fixa, é formada no caso dos transformadores por um conjunto de análises das condições estruturais dos elementos que o compõem, tal como buchas, tanque, radiadores, conservador de óleo, termômetros, secador de ar, ventiladores, relés e para-raios.

A vertente preditiva, que é baseada em monitoramento e estudos estatísticos, inclui o uso das técnicas de oscilografia, ensaio de resistência dos enrolamentos, ensaio de relação de transformação, ensaio de resistência de isolação, termografia, análise físico-química e cromatografica. A preditiva pode ser comparada a exames médicos, tal como o exame de sangue, uma vez que por meio destes testes e análises consegue-se inferir determinados problemas e por meio de históricos destes testes e análises, prever um possível progresso ou tendência de problemas futuros.

O principal desafio da manutenção é evitar manutenções corretivas, já que estas levam ao desligamento do equipamento por um determinado período de tempo, o que acarreta prejuízos financeiros. No entanto, esse desafio também está presente nas manutenções preventivas, já que

algumas atividades dessa vertente exigem o desligamento do transformador, que embora seja curto, deve ser evitado. Assim, o segundo desafio da manutenção é aumentar a periodicidade da realização de manutenções preventivas, sem depreciar a confiabilidade do sistema, o que exige um melhor aproveitamento das técnicas de manutenção preditivas, que em sua maioria evitam o desligamento do transformador e preveem problemas atuais e futuros.

1.3 Organização do trabalho

O presente trabalho tem por objetivo determinar um plano de manutenção adequado a um transformador, usando-se das vertentes preventiva, preditiva e corretiva, descrevendo os principais ensaios e análises preditivas, além das principais técnicas preventivas e corretivas.

Na seção 2 é feita uma apresentação e explicação dos tipos de manutenções existentes atualmente no mundo e também das técnicas de manutenção usadas para transformadores, tanto mundialmente quanto em níveis nacionais, bem como a apresentação de equipamentos e softwares que auxiliam nessa manutenção.

Os aspectos conceituais são abordados na seção 3, no qual é exposto os ensaios estabelecidos por normas e o motivo da sua realização, bem como os componentes que compõem um transformador. Além disto é explicado nesta seção o princípio de funcionamento de um relé digital e suas contribuições, por meio de sua oscilografia, com a manutenção preditiva do transformador. Nessa seção também é apresentado e explicado os ensaios preditivos de resistência ôhmica dos enrolamentos, resistência de isolação e relação de transformação, sendo apontado os métodos principais de execução destes ensaios, bem como os equipamentos utilizados e seu princípio de funcionamento. Consta também nesta seção a abordagem das técnicas preditivas de termografia, análise cromatográfica dos gases do óleo isolante e análise físico-química do óleo do transformador, demonstrando e explicando os principais métodos e equipamentos utilizados e como analisar seus resultados. Ainda é estabelecido nesta seção um plano de manutenção completo, mesclando manutenção preventiva e preditiva, além do estabelecimento de periodicidades adequadas. Finalizando essa seção, é apresentado o aspecto de manutenção corretiva, e como utilizar essa técnica da melhor maneira possível.

A aplicação dos aspectos conceituais são vistas na seção 4, no qual se analisa um transformador de potência a óleo utilizado em uma fábrica de laminação de alumínio,

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Tempo de vida útil do transformador

De acordo com Mamede Filho (2011a), transformador é um equipamento de operação estática que por meio de indução eletromagnética transfere energia de um circuito, chamado primário, para um ou mais circuitos denominados, respectivamente, secundário e terciário, sendo, no entanto, mantida a mesma frequência, porém com tensões e correntes diferentes.

Sendo o transformador de potência um equipamento de custo elevado, normalmente é construído para uma expectativa de vida útil de 30 anos, que é o tempo de depreciação e que corresponde ao colapso dos isolantes imersos no óleo, normalmente o papel (MAMEDE FILHO, 2011a), segundo Scardazzi (2007), a idade média dos transformadores brasileiros estava em torno de 29 anos, já os transformadores americanos tinham uma idade média de 39 anos.

Como se pode inferir, pelos dados de Scardazzi (2007), a expectativa de vida útil é um indicativo de confiabilidade, e não um valor limite de idade para um transformador, ou seja, um transformador pode ultrapassar a expectativa de vida útil e ainda assim estar funcionando perfeitamente, como visto nos transformadores americanos. Porém para alcançar dado desempenho é necessário alguns cuidados em relação ao equipamento, cuidados estes que se iniciam na sua fabricação, utilizando-se de materiais de excelente qualidade, seguem para o seu correto dimensionamento, tanto em relação ao ambiente onde ele será instalado, quanto em relação a capacidade de potência, tensão e corrente que ele pode fornecer, se adequando assim a curva de carga que lhe será imposta e também é necessário um bom projeto do sistema elétrico de proteção, um bom sistema de refrigeração e principalmente um bom programa de manutenção.

2.2 Tipos de manutenção

A manutenção é o procedimento de se manter um dado equipamento ou sistema em perfeitas condições de funcionamento, desta forma deve-se entender que a manutenção também

busca manter o funcionamento do processo. No caso de um transformador, a manutenção deve garantir ao mínimo que o sistema não fique sem a energia que obtém dele.

Com base no conceito de manutenção, pode-se dividir a manutenção em alguns tipos principais, conforme aponta Kardec e Nascif (1999):

 Manutenção Corretiva não-Planejada;  Manutenção Corretiva Planejada;  Manutenção Preventiva;  Manutenção Preditiva;  Manutenção Detectiva;

A manutenção corretiva caracteriza-se pela atuação em fato já ocorrido, seja este uma falha ou um desempenho menor do que o esperado. Não há tempo para preparação do serviço (KARDEC e NASCIF, 1999).

A manutenção Corretiva Planejada é a correção do desempenho menor do que o esperado ou da falha, por decisão gerencial, isto é, pela atuação em função de acompanhamento preditivo ou pela decisão de operar até a quebra (KARDEC e NASCIF, 1999).

A manutenção preventiva visa reduzir ou evitar, tanto a falha quanto a queda de desempenho, obedecendo a um plano estratégico previamente elaborado, e baseado em intervalos de tempo definidos (KARDEC e NASCIF, 1999).

A manutenção preditiva visa realizar manutenção somente quando as instalações precisarem dela. Essa manutenção pode incluir monitoramentos contínuos que serviriam de base para uma eventual programação (SLACK; CHAMBERS; JOHNSTON, 2002).

A manutenção detectiva é a atuação feita com sistemas de proteção para detectar falhas ocultas ou não perceptíveis. Os sistemas projetados para atuar automaticamente na iminência de desvios que possam comprometer as máquinas ou a produção (KARDEC e NASCIF, 1999).