Teste de Desempenho Térmico e Mecânico de Transformadores de Distribuição: Garantindo Confiabilidade e Longevidade
Introdução
No complexo cenário de distribuição de energia, os transformadores de distribuição desempenham um papel fundamental. Esses transformadores são responsáveis por reduzir a tensão dos níveis de distribuição primária para as tensões de utilização adequadas para os usuários finais. Seu funcionamento adequado é crucial para manter uma rede elétrica estável e eficiente. Este artigo aborda dois aspectos essenciais da avaliação de transformadores de distribuição: testes de desempenho térmico e testes de desempenho mecânico, além de explorar como prevenir interrupções de serviço e gerenciar variações de tensão.
Teste de Desempenho Térmico de Transformadores de Distribuição
A Importância da Inspeção Térmica
Os transformadores de distribuição geram calor durante a operação. O calor é produzido principalmente devido às perdas nos enrolamentos e à histerese do núcleo desses transformadores. A acumulação não controlada de calor nos transformadores pode levar à degradação da isolação, acelerar o envelhecimento dos transformadores e representar um risco significativo de falhas catastróficas. As inspeções térmicas regulares dos transformadores, portanto, são de extrema importância. Essas inspeções, que incluem monitoramento de temperatura e detecção de pontos quentes nos transformadores, atuam como sistemas de alerta precoce. Ao identificar anomalias térmicas nos transformadores prontamente, os técnicos podem prevenir falhas e garantir a entrega ininterrupta de energia através da rede de distribuição.
Componentes Chave de Testes Térmicos para Transformadores
Vários testes formam a base das inspeções de desempenho térmico para transformadores de distribuição:
Teste de Elevação de Temperatura: Uma inspeção fundamental para transformadores, este teste mede o aumento de temperatura nos enrolamentos e no óleo dos transformadores sob carga nominal. Desvios dos padrões estabelecidos nos transformadores sinalizam potenciais problemas, como resfriamento ineficiente ou problemas de resistência interna. Tais descobertas levam a uma inspeção mais detalhada de componentes como ventiladores de resfriamento, aletas ou níveis de refrigerante nos transformadores.
Inspeção de Imagem Térmica: Câmeras infravermelhas são empregadas nesta técnica de inspeção não invasiva para transformadores. Elas mapeiam as temperaturas de superfície dos transformadores, destacando pontos quentes ocultos, que podem ser devidos a conexões soltas ou dutos bloqueados dentro dos transformadores. Isso permite reparos direcionados nos transformadores antes que ocorra danos à isolação.
Análise de Temperatura do Óleo: Amostragem e teste da viscosidade e do teor de ácido do óleo do transformador fornecem insights sobre os níveis de estresse térmico experimentados pelos transformadores. Um aumento na acidez do óleo nos transformadores indica aquecimento excessivo, acionando uma inspeção das fontes de calor e mecanismos de resfriamento dentro dos transformadores.
Protocolos e Padrões de Inspeção para Transformadores
Padrões como IEEE C57.12.90 e IEC 60076 exigem inspeções térmicas sistemáticas de transformadores. Durante os testes, os técnicos simulam condições de carga total nos transformadores, monitorando de perto os gradientes de temperatura. Por exemplo, uma inspeção de elevação de temperatura em transformadores requer estabilização dos transformadores por várias horas antes de registrar as leituras. A documentação detalhada de cada inspeção de transformadores, incluindo condições ambientais, durações de testes e perfis térmicos, facilita a análise de tendências dos transformadores ao longo do tempo.
Frequência e Estratégias Adaptativas para Inspeções de Transformadores
A frequência de inspeções térmicas para transformadores depende de vários fatores, como variabilidade de carga e condições ambientais. Transformadores de distribuição em áreas urbanas com cargas flutuantes podem exigir inspeções mensais, enquanto aqueles em áreas rurais podem se contentar com verificações trimestrais. Em climas quentes, os intervalos entre as inspeções térmicas de transformadores são encurtados para contrariar os efeitos do estresse térmico. Sistemas avançados de monitoramento agora permitem inspeções térmicas contínuas de transformadores via sensores embutidos, que transmitem dados em tempo real dos transformadores para centros de controle.
Superando Desafios de Inspeção em Transformadores
As inspeções térmicas de transformadores enfrentam certos desafios. Notavelmente, falsos positivos podem ocorrer devido a picos transitórios de carga nos transformadores. Para mitigar isso, os técnicos correlacionam os dados térmicos com parâmetros elétricos, como correntes de carga nos transformadores. Além disso, acessar componentes de difícil acesso, como enrolamentos internos nos transformadores, exige expertise especializada. Algumas inspeções de transformadores requerem drenagem de óleo, necessitando estrita aderência a protocolos meticulosos de segurança. A calibração regular de sensores térmicos em transformadores garante resultados de inspeção precisos.
Integrando a Inspeção Térmica com a Manutenção de Transformadores
As inspeções térmicas de transformadores servem como uma ponte entre a coleta de dados e ações de manutenção. Um relatório de inspeção abrangente de transformadores, que sinaliza pontos quentes, ineficiências de resfriamento ou degradação do óleo nos transformadores, orienta intervenções imediatas. Por exemplo, se uma inspeção de imagem térmica revelar uma aleta de resfriamento bloqueada em um transformador, a limpeza ou substituição se torna uma prioridade. Ao incorporar inspeções térmicas nos cronogramas de manutenção preventiva de transformadores, os operadores podem prolongar a vida útil dos transformadores e reduzir as vulnerabilidades da rede.
Teste de Desempenho Mecânico de Transformadores de Distribuição
A Indispensabilidade da Inspeção Mecânica para Transformadores
Os transformadores de distribuição estão expostos a estresses mecânicos ao longo de seu ciclo de vida. Falhas elétricas podem gerar forças eletromagnéticas intensas que podem distorcer os enrolamentos dos transformadores. Além disso, atividade sísmica ou manuseio brusco durante o transporte pode danificar componentes internos dos transformadores. Inspeções mecânicas regulares, desde verificações visuais até testes dinâmicos dos transformadores, são essenciais para detectar defeitos ocultos. Ao identificar fraquezas mecânicas precocemente nos transformadores, os operadores podem proteger contra falhas repentinas que poderiam interromper o fornecimento de energia e colocar em risco a infraestrutura geral que depende desses transformadores.
Componentes Principais de Testes Mecânicos para Transformadores
Vários testes são integrais às inspeções de desempenho mecânico de transformadores de distribuição:
Teste de Impulso de Curto-Circuito: Esta inspeção simula condições de falha para avaliar a capacidade dos transformadores de suportar forças eletromagnéticas. Desvios na impedância ou deslocamento de enrolamentos nos transformadores sinalizam estresse mecânico, acionando uma inspeção de estruturas de fixação e quadros de suporte dentro dos transformadores.
Inspeção de Análise de Vibração: Sensores são usados para monitorar vibrações durante a operação dos transformadores. Frequências anormais detectadas nos transformadores indicam problemas, como peças soltas, núcleos mal alinhados ou ventoinhas de resfriamento danificadas. Este método de inspeção não invasivo ajuda os técnicos a localizar e corrigir problemas mecânicos nos transformadores antes que eles se agravem.
Teste de Impacto Mecânico: Aplicado durante o processo de fabricação ou após o transporte dos transformadores, este teste avalia a resistência dos transformadores a choques. Testes de queda ou simulações sísmicas revelam vulnerabilidades em componentes como o tanque, buchas ou conexões terminais dos transformadores, acionando inspeções de juntas críticas.
Protocolos e Padrões de Inspeção para Transformadores
Padrões como IEEE C57.12.90 e IEC 61378 exigem inspeções mecânicas rigorosas de transformadores. Durante os testes, os técnicos seguem procedimentos precisos. Por exemplo, testes de curto-circuito em transformadores requerem injeções de corrente controladas, monitorando de perto as respostas mecânicas dos transformadores. A documentação detalhada de cada inspeção dos transformadores, incluindo parâmetros de teste, deformações observadas e recomendações de reparo, constrói um registro histórico para futuras análises dos transformadores.
Frequência e Adaptação Contextual para Inspeções de Transformadores
A frequência de inspeções mecânicas para transformadores varia com base em cenários de uso. Transformadores de distribuição em regiões propensas a terremotos podem passar por inspeções de vibração trimestrais, enquanto aqueles em ambientes estáveis podem se contentar com verificações anuais. Transformadores recém-instalados frequentemente recebem inspeções imediatamente após o transporte para verificar sua integridade. Sistemas avançados de monitoramento agora permitem inspeções mecânicas contínuas de transformadores via extensômetros e acelerômetros embutidos.
Superando Desafios de Inspeção em Transformadores
As inspeções mecânicas de transformadores vêm com suas próprias complexidades. Detectar danos internos sem desmontar os transformadores é um obstáculo significativo. Algumas inspeções, como testes ultrassônicos para fissuras ocultas nos transformadores, exigem expertise especializada. Além disso, diferenciar o desgaste normal da degradação anormal nos transformadores demanda experiência. Para abordar esses desafios, os técnicos combinam vários métodos de inspeção, como análise de vibração com inspeções visuais, e aproveitam dados históricos para avaliações comparativas dos transformadores.
Integrando a Inspeção Mecânica com a Manutenção de Transformadores
As inspeções mecânicas de transformadores servem como um elo crucial entre o diagnóstico e a ação. Um relatório de inspeção abrangente dos transformadores, que sinaliza problemas como parafusos soltos, enrolamentos deformados ou suportes comprometidos, determina reparos urgentes ou substituições de componentes. Por exemplo, se uma inspeção de vibração revelar um núcleo mal alinhado em um transformador, o realinhamento e o aperto novamente se tornam prioridades. Ao incorporar inspeções mecânicas nos cronogramas de manutenção preventiva dos transformadores, os operadores podem prolongar a vida útil dos transformadores e fortalecer a resiliência da rede.
Prevenção de Interrupção de Serviço em Transformadores de Distribuição
Como Funcionam os Transformadores, Secundários e Fusíveis
Transformadores de distribuição reduzem a tensão da alimentação primária ou do alimentador primário para a tensão de utilização. Eles estão conectados ao alimentador primário, sub-alimentadores e laterais através de fusíveis primários ou corta-correntes fusíveis. O fusível primário desconecta o transformador de distribuição associado do alimentador primário quando ocorre uma falha no transformador ou uma falha de circuito secundário de baixa impedância. Os corta-correntes fusíveis, que normalmente estão fechados, fornecem um meio conveniente para desconectar pequenos transformadores de distribuição para inspeção e manutenção.
A proteção satisfatória contra sobrecarga de um transformador de distribuição não pode ser alcançada apenas com um fusível primário. Isso se deve à diferença na forma de sua curva corrente-tempo e na curva corrente-tempo segura do transformador de distribuição. Se um fusível pequeno o suficiente for usado para oferecer proteção completa contra sobrecarga para o transformador, grande parte da capacidade de sobrecarga valiosa do transformador será perdida, pois o fusível explodirá prematuramente. Tal fusível pequeno também frequentemente explode desnecessariamente em correntes de surto. Portanto, um fusível primário deve ser selecionado com base em fornecer apenas proteção contra curto-circuito, com sua corrente mínima de disparo geralmente excedendo 200% da corrente nominal total do transformador associado.
Transformadores de distribuição conectados a alimentadores de fio aberto aéreo são frequentemente sujeitos a perturbações severas de raios. Para minimizar a quebra de isolamento e falhas de transformadores devido a raios, dissipadores de raios são comumente usados com esses transformadores.
Os condutores secundários de um transformador de distribuição geralmente estão solidamente conectados a circuitos secundários radiais, dos quais são derivados os serviços dos consumidores. Isso significa que o transformador carece de proteção contra sobrecargas e falhas de alta impedância em seus circuitos secundários. Relativamente poucos transformadores de distribuição são queimados por sobrecargas, principalmente porque muitas vezes não são totalmente utilizados em sua capacidade de sobrecarga. Outro fator que contribui para o baixo número de falhas relacionadas a sobrecargas é a verificação frequente de cargas e medidas corretivas tomadas antes que sobrecargas perigosas ocorram. No entanto, falhas de alta impedância em seus circuitos secundários provavelmente causam mais falhas de transformadores de distribuição do que sobrecargas, especialmente em áreas com condições pobres de árvores.
Fusíveis nos condutores secundários de transformadores de distribuição são pouco mais eficazes em prevenir queimaduras de transformadores do que fusíveis primários, por razões semelhantes. A maneira adequada de obter proteção satisfatória para um transformador de distribuição contra sobrecargas e falhas de alta impedância é instalando um disjuntor no condutor secundário do transformador. A curva de disparo deste disjuntor deve ser adequadamente coordenada com a curva corrente-tempo segura do transformador. O fusível primário também deve ser coordenado com o disjuntor secundário para que o disjuntor dispare em qualquer corrente que possa passar por ele antes que o fusível seja danificado.
Falhas na conexão de serviço do consumidor, do circuito secundário ao interruptor de serviço, são extremamente raras. Assim, o uso de um fusível secundário no ponto onde a conexão de serviço deriva do circuito secundário não é economicamente justificável, exceto em casos incomuns, como grandes serviços de secundários subterrâneos.
Considerações sobre Variação de Tensão
Assumindo uma variação máxima de tensão de cerca de 10% em qualquer chave de serviço do consumidor, a divisão dessa queda entre as várias partes do sistema, em carga total, pode ser aproximadamente a seguinte:
2% de variação de tensão no alimentador primário entre o primeiro e o último transformador
2,5% de variação de tensão no transformador de distribuição
3% de variação de tensão no circuito secundário
0,5% de variação de tensão na conexão de serviço do consumidor
O fato de que a tensão no primário do primeiro transformador de distribuição não pode ser mantida exatamente explica os outros 2%.
Esses números são típicos para sistemas aéreos que fornecem cargas residenciais. No entanto, eles podem ser esperados para diferir significativamente em sistemas subterrâneos, onde circuitos de cabo e transformadores de distribuição grandes são usados, ou quando fornecem cargas industriais e comerciais.
O tamanho econômico do transformador de distribuição e da combinação de circuito secundário para qualquer densidade de carga uniforme e tipo de construção, a preços de mercado específicos, pode ser facilmente determinado uma vez estabelecida a queda total de tensão permitida nessas duas partes do sistema. Se o transformador for muito grande, o custo do circuito secundário e o custo total serão excessivos. Por outro lado, se o transformador for muito pequeno, o custo do transformador e o custo total serão muito altos.
Manuseio de Mudanças de Carga em Transformadores
Assim como em qualquer outra parte do sistema de distribuição, a mudança ou crescimento de carga deve ser considerado e planejado para transformadores de distribuição e circuitos secundários. Transformadores de distribuição e circuitos secundários não são instalados apenas para servir as cargas existentes no momento da instalação, mas também para acomodar algumas cargas futuras. No entanto, não é econômico fazer uma margem excessiva para o crescimento.
Quando um transformador de distribuição se torna perigosamente sobrecarregado, ele pode ser substituído por um de tamanho maior, se a capacidade de condução de corrente do circuito secundário e a regulagem de tensão geral permitirem. Caso contrário, outro transformador de tamanho semelhante pode ser instalado entre o transformador sobrecarregado e o adjacente. Isso envolve remover a carga do transformador sobrecarregado, conectando parte de seu circuito secundário e carga associada ao novo transformador. Isso também reduz a carga no circuito secundário do transformador sobrecarregado e melhora a regulagem de tensão geral. Em áreas com carga razoavelmente uniforme, transformadores podem precisar ser instalados em ambos os lados do transformador sobrecarregado relativamente rapidamente para manter condições de tensão satisfatórias e evitar sobrecargas em partes do circuito secundário. O mesmo resultado também pode ser alcançado instalando um novo transformador e realocando o transformador sobrecarregado para que ele alimente o centro de seu circuito secundário encurtado.
Bancos de Transformadores para Melhoria de Serviço
Com transformadores de distribuição e circuitos secundários arranjados como na configuração radial típica, qualquer carga é fornecida através de apenas um transformador e em apenas uma direção sobre o circuito secundário. Devido a isso, uma carga aplicada repentinamente, como ao ligar um motor, no serviço de um consumidor, pode causar piscadelas de luz indesejáveis em outros serviços de consumidores alimentados pelo mesmo transformador. O uso crescente de eletrodomésticos motorizados em áreas residenciais está resultando em um número significativo de reclamações de piscadelas de luz. Em algumas áreas, as piscadelas de luz, em vez da regulagem de tensão, podem ser o fator determinante no tamanho e arranjo de transformadores e circuitos secundários.
O bancamento de transformadores de distribuição é geralmente o melhor e mais econômico meio de melhorar ou eliminar piscadelas de luz. Bancar transformadores significa conectar em paralelo, no lado secundário, vários transformadores todos conectados ao mesmo circuito primário. A disposição do circuito secundário em um layout de transformadores bancados pode assumir várias formas, como laços ou grades semelhantes às usadas em um sistema de rede secundária. No entanto, transformadores bancados, sendo conectados e fornecidos por um único alimentador primário radial, são uma forma de sistema de distribuição radial, diferente de um laço ou grade de rede secundária, que é fornecido por dois ou mais alimentadores primários e oferece muito maior confiabilidade de serviço.
A conversão da disposição usual de circuitos secundários radiais para a disposição de transformadores bancados pode geralmente ser feita de forma simples e barata, fechando as lacunas entre os secundários radiais de vários transformadores associados ao mesmo alimentador primário e instalando os fusíveis primários e secundários adequados.
Proteção em Bancos de Transformadores
Duas formas principais de proteção foram usadas ao bancar transformadores de distribuição. A primeira disposição, que provavelmente é a mais antiga e comum, envolve conectar os transformadores de distribuição ao alimentador primário através de fusíveis primários ou corta-correntes fusíveis. Esses fusíveis devem explodir apenas em caso de falha em seu transformador associado. Todos os transformadores estão conectados ao circuito secundário comum através de fusíveis secundários, cuja finalidade é desconectar um transformador com falha do circuito secundário. O tamanho do fusível secundário deve ser tal que ele exploda em caso de falha primária entre seu transformador e o fusível primário associado. Falhas no circuito secundário normalmente são esperadas para queimar-se sozinhas. Para evitar a explosão frequente de fusíveis secundários em falhas do circuito secundário, esses fusíveis devem ter tempos de disparo relativamente longos em todas as correntes de falha, mas não tão longos a ponto de falhar em fornecer alguma proteção aos transformadores contra falhas secundárias que não se limpam rapidamente.
Usar um disjuntor secundário com características corrente-tempo adequadas é preferível a fusíveis secundários ao bancar transformadores, pois oferece maior proteção ao transformador contra sobrecargas e falhas de alta impedância. Os fusíveis ou disjuntores secundários devem abrir em menos tempo do que os fusíveis primários em qualquer corrente possível para evitar a explosão de fusíveis primários em uma falha secundária.
Uma falha de transformador é limpa pelos fusíveis primários e secundários do transformador sem interromper o serviço. A maioria das falhas secundárias se limpa rapidamente, mas quando uma falha secundária persiste, vários ou todos os fusíveis secundários podem explodir e alguns transformadores podem ser queimados. A experiência mostra que, com um estudo cuidadoso das correntes de falha esperadas e a seleção adequada de fusíveis primários e secundários, este método de bancamento opera com mínimos problemas. No entanto, ocasionalmente, uma falha no circuito secundário causa a explosão de múltiplos fusíveis secundários e a queima de alguns transformadores, resultando em uma interrupção de serviço maior do que com circuitos secundários radiais.
A segunda disposição de bancamento de transformadores é preferível, pois não há perigo de interrupção completa do serviço na área bancada devido a uma falha secundária. Nesta disposição, os transformadores de distribuição são conectados ao alimentador primário através de fusíveis primários pelos mesmos motivos da primeira disposição. Os transformadores estão solidamente conectados ao circuito secundário, que é seccionado entre os transformadores por fusíveis secundários. Esses fusíveis são selecionados para explodir mais rápido do que qualquer fusível primário para qualquer falha no circuito secundário. Quando um transformador falha, ele é removido do sistema por seu fusível primário e os fusíveis secundários adjacentes de ambos os lados. Assim, uma falha de transformador resulta em interrupção de serviço apenas para os consumidores associados ao transformador com falha. Uma falha no circuito secundário normalmente se limpa, mas se persistir, é limpa pelos fusíveis secundários próximos à seção com falha e pelo fusível primário do transformador associado. Os fusíveis secundários são tipicamente selecionados para operar mesmo em falhas de alta impedância, enquanto os fusíveis primários não, pelas razões discutidas anteriormente sobre circuitos secundários radiais. Isso garante que, mesmo com uma falha de alta impedância persistente, os fusíveis secundários adjacentes explodam e evitem a interrupção de serviço nas seções secundárias não afetadas, embora o transformador associado possa ser queimado. Para prevenir isso, um disjuntor secundário com uma curva corrente-tempo coordenada com a curva corrente-tempo segura do transformador pode ser usado nos condutores secundários do transformador. Quando tal disjuntor é usado, os fusíveis secundários devem ser selecionados de modo que seus tempos de disparo para todas as correntes de falha sejam menores do que os tempos de disparo dos disjuntores.
Normalmente, as duas disposições de bancamento funcionam de maneira similar. Elas reduzem ou eliminam as piscadelas de luz e melhoram a regulagem de tensão ou permitem uma redução na quantidade de capacidade de transformador necessária em comparação com circuitos secundários radiais. Esta melhoria é devida à ligação de vários circuitos secundários radiais e à exploração da diversidade entre diferentes grupos de consumidores. Um aumento significativo no uso de transformadores bancados pode ser esperado no futuro, pois essas vantagens podem ser frequentemente alcançadas sem custo adicional ou com economia em comparação com a disposição usual de circuitos secundários radiais.
Em conclusão, tanto os testes de desempenho térmico quanto os testes de desempenho mecânico de transformadores de distribuição são cruciais para manter a confiabilidade e a longevidade desses componentes essenciais no sistema de distribuição de energia. Compreendendo suas características operacionais, implementando medidas de inspeção e proteção adequadas e abordando questões como variação de tensão e crescimento de carga, podemos garantir um fornecimento de energia estável e eficiente para os consumidores.
