Identificando pontos de quentes em transformador usando o DGA on-line

Identificando pontos de quentes em transformador usando o DGA on-line
O monitor Vaisala Optimus OPT100 para Análise de Gás Dissolvido (AGD – DGA em inglês) foi instalado em CTM Salto Grande, na fronteira entre Argentina e Uruguai, a fim de avaliar problemas de geração de gases em um transformador 50/50/100 MVA. As informações obtidas durante um período de um ano foram úteis para determinar a correlação entre os níveis dos gases e as condições operacionais do transformador, como carga e temperatura do óleo.

Antecedentes
CTM Salto Grande instalou um transformador elevador 100 MVA OFAF monofásico com conservador de óleo selado em 2002, desde o seu comissionamento, houve problemas relacionados ao superaquecimento. Os gases que foram gerados de maneira crescente são etano e, em menor grau, metano. Problemas térmicos têm sido motivo de preocupação, uma vez que seu óleo contém DBDS, que em altas temperaturas pode gerar enxofre corrosivo. Altos níveis de hidrogênio não apareceram, exceto quando o passivador metálico Irgamet39 foi adicionado ao óleo, onde se pressupõe que ocorreu o fenômeno de stray gassing. O nitrogênio, e não o oxigênio, estava presente nos mesmos níveis do ar ambiente.

Resumo do projeto
Em junho de 2019, o monitor DGA multigás foi instalado para medir gases de falha em tempo real. O monitor foi conectado ao transformador quando estava operando normalmente, sem causar um desligamento na usina hidrelétrica. Devido ao design exclusivo do monitor OPT100, a instalação foi realizada em meio dia. As informações foram coletadas utilizando a ferramenta de software integrada no monitor, bem como através de um modem celular.

Durante um ano, a equipe de manutenção elétrica comparou os dados obtidos no monitor DGA com as condições operacionais do transformador para procurar correspondências que permitam identificar condições de risco. A equipe da CTM Salto Grande também coletou amostras de óleo e as analisou em seu laboratório para comparar com as leituras do monitor.
Em outubro de 2017, o transformador passou por um processo de desgaseificação, durante o qual o monitor OPT100 continuou suas tarefas de medição. Ao mesmo tempo, foram coletadas amostras de laboratório a cada duas horas. Os resultados das amostras de laboratório e os resultados online do monitor online podem ser vistos na Figura 3 (pdf).

Constatações: Carga vs. Gases
A Figura 4 mostra a carga do transformador e as concentrações de CO2 no óleo, medidas pelo monitor on-line OPT100, bem como por amostras de laboratório, demonstrando claramente o aumento de CO2 durante períodos de alta carga. Quando o transformador sofreu uma carga baixa ou variante, os níveis de CO2 permaneceram estáveis ou até diminuíram. O exposto acima pode ser indicativo de que, durante períodos prolongados de alta carga, exista uma área com uma temperatura mais alta causando gases de CO2, seja em papel ou em óleo.

A diminuição de CO2 em um cenário de baixa carga pode ser explicada devido à troca de CO2 entre o papel e o óleo devido a mudanças de temperatura, o que não é explicado apenas pelas informações de carga do transformador, mas também pelo cálculo da temperatura no ponto quente: T Ponto quente ≈ T Óleo de topo + H * gR * ipu ^ 2, em que gR é a média da diferença de temperatura entre o óleo do enrolamento e a temperatura do óleo quando os testes de fábrica foram realizados (FAT) do transformador e H = 2 é considerado o fator hot spot.

Diferentes modelos matemáticos foram usados para calcular a temperatura do ponto quente, um linear e outro com um limiar no qual o ponto quente atua na concentração de CO2 em torno de +70 ° C. É necessária uma análise complementar, não é uma correlação simples, pois é possível que haja uma alta troca na concentração de CO2 em relação ao tempo, o que não é visível na análise de apenas alguns dias.

Outro motivo possível para a redução de CO2 é o possível vazamento de gás do tanque devido a um gradiente de pressão entre o ar externo e o óleo, mesmo que seja um transformador vedado. O fato de os níveis de nitrogênio aumentarem rapidamente após a desgaseificação indica que o transformador não está completamente vedado.

O restante dos gases de falha, exceto C2H6, não mostrou uma correlação clara com relação aos períodos de carga aos quais o transformador foi submetido durante o período de teste. O aumento de gases após a desgaseificação é provavelmente atribuível aos gases presentes nas seções do óleo que não estavam disponíveis durante a desgaseificação, por exemplo, óleo impregnado no papel e óleo estagnado em pequenos espaços, quando esse óleo foi difundido com o óleo tratado os níveis de gás aumentaram novamente.

Comparando as medições do OPT100 com as amostras de laboratório
As medições do monitor on-line foram comparadas com as amostras de laboratório da AGD durante todo o período. Para simplificar, apenas a comparação do gás metano é apresentada na Figura 8. A linha azul representa os dados medidos pelo monitor AGD online, enquanto a linha cinza adiciona a especificação de precisão do monitor. As referências das amostras de laboratório são mostradas como pontos azuis.

Ao avaliar um monitor on-line, comparando-o com amostras de laboratório, deve-se considerar a qualidade das amostras e a incerteza dos procedimentos de laboratório. Além disso, é importante lembrar que cada método de análise, seja em laboratório ou on-line, tem sua própria incerteza associada. Isso deve ser considerado ao comparar resultados e tirar conclusões sobre o desempenho de um monitor.

No caso apresentado, como a incerteza do laboratório é desconhecida, é adicionado +/- 15%, com base na precisão média dos diferentes exemplos publicados na IEC 60567. Se você deseja comparar os dados on-line com um laboratório, é mais importante comparar tendências do que os valores atuais. Se as tendências são semelhantes e as áreas com incertezas se sobrepõem, pode-se concluir que os dois métodos diferentes coincidem em valores gerais.

A CTM Salto Grande expressou sua satisfação com a comparação das medições e está adicionando monitores AGD on-line para monitorar sua frota de transformadores. Amostragem e testes de laboratório continuarão a medir certos aspectos, como conteúdo de furano e resistência dielétrica, mas o Gerente de Manutenção da Subestação concorda que “a adição de um monitor AGD on-line nos forneceu uma ferramenta vital para implementar um programa de manutenção preventiva na CTM Salto Grande.

Umidade no óleo
A umidade no óleo do transformador varia em relação às flutuações de temperatura, causadas por mudanças na carga, condições ambientais ou ambas. Este efeito pode ser estudado na Figura 9. A temperatura superior do transformador e os valores de umidade no óleo (ppm) são mostrados durante um período de um ano. Pode-se ver como a umidade é liberada da superfície do papel isolante para o óleo quando a temperatura aumenta e é absorvida de volta ao papel quando a temperatura diminui.

A dessorção de umidade é um processo mais rápido que a absorção, portanto, há uma clara histerese evidente ao traçar a umidade em ppm contra a temperatura mais alta do óleo. O que nos ajuda a concluir que um transformador com uma carga variável nunca atinge o equilíbrio.
Esse fenômeno torna difícil encontrar o momento certo para coletar uma amostra de óleo para análise em laboratório. Na mesma temperatura, o conteúdo de água pode variar significativamente, devido ao efeito da histerese, dependendo se a temperatura do transformador foi aumentada ou diminuída no momento da amostragem.

Esse é um fator muito importante a ser considerado ao coletar uma amostra de óleo para determinar a umidade no isolamento sólido em um transformador com carga variável e sujeito a variações de temperatura. Esse é outro motivo fundamental para realizar o monitoramento on-line, pois é muito mais eficaz na determinação de tendências de umidade em óleo e papel. Por outro lado, ao coletar amostras, é necessário registrar também a temperatura do óleo.

Conclusões
Os resultados do estudo mostram uma clara correlação entre a carga do transformador e a geração de CO2. Não está muito claro para os autores se a diminuição de CO2 durante períodos de baixa carga se deve à troca de CO2 entre o papel e o óleo ou a um possível vazamento de CO2 do transformador. É necessária uma análise mais aprofundada para identificar a localização dos pontos de acesso. Graças ao monitor OPT100, o CTM Salto Grande conseguiu identificar a causa do problema interno do transformador e as ações corretivas necessárias para corrigi-lo. Atualmente, com o monitor OPT100 instalado e gerando dados on-line, você tem a capacidade de avaliar o risco de um hot spot evoluir para uma falha mais grave.

Rodapé
A Vaisala solicitou feedback do monitor OPT100 a Eduardo Briosso, gerente de manutenção de ativos da CTM e escreveu para nós "após 2 anos instalando o equipamento, não temos nenhum problema com ele, nunca foi necessária a intervenção humana e o fornecimento de consumíveis".
Para ver as Figuras 1-10, faça o download do estudo de caso completo