Análise de Métodos Diagnósticos para Falhas de Aterramento do Núcleo em Transformadores de Distribuição de 35 kV

Transformadores de Distribuição de 35 kV: Análise de Falhas de Aterramento do Núcleo e Métodos Diagnósticos

Os transformadores de distribuição de 35 kV são equipamentos críticos comuns nos sistemas de energia, carregando tarefas importantes de transmissão de energia elétrica. No entanto, durante a operação a longo prazo, as falhas de aterramento do núcleo tornaram-se um problema importante que afeta a operação estável dos transformadores. As falhas de aterramento do núcleo não apenas impactam a eficiência energética do transformador e aumentam os custos de manutenção do sistema, mas também podem desencadear falhas elétricas mais graves.

Conforme o envelhecimento dos equipamentos de energia, a frequência das falhas de aterramento do núcleo gradualmente aumenta, exigindo diagnóstico e tratamento de falhas aprimorados na operação e manutenção dos equipamentos de energia. Embora existam certos métodos de diagnóstico atualmente, ainda há gargalos técnicos como baixa eficiência de detecção e localização de falhas difíceis. Há uma necessidade urgente de explorar e aplicar tecnologias de diagnóstico de falhas mais precisas e sensíveis para melhorar a confiabilidade operacional do equipamento e garantir a estabilidade e segurança do sistema de energia.

1 Análise de Causas e Características das Falhas de Aterramento do Núcleo em Transformadores de Distribuição de 35 kV

1.1 Causas Comuns de Falhas de Aterramento do Núcleo

Nos transformadores de distribuição de 35 kV, materiais isolantes são tipicamente usados entre as lâminas do núcleo para isolação. No entanto, durante a operação a longo prazo, campos elétricos internos e temperatura causam o envelhecimento gradual dos materiais isolantes, particularmente em ambientes de alta tensão e alta temperatura onde o desempenho do isolante se deteriora rapidamente. Conforme o envelhecimento avança, a resistência do isolante diminui, e a falha do isolamento em áreas parciais pode formar falhas de aterramento múltiplos.

Os transformadores inevitavelmente experimentam vibrações mecânicas durante a operação prolongada. Especialmente sob condições de flutuações significativas de carga, a vibração pode causar deslocamento relativo do núcleo e componentes de fixação do núcleo. Molas de fixação soltas ou materiais de isolamento danificados podem desencadear falhas de aterramento. Defeitos de fabricação do núcleo do transformador também são causas importantes de falhas de aterramento do núcleo. Durante a fabricação, se as chapas de silício tiverem arredondamentos, revestimento isolante irregular ou precisão insuficiente no processamento do núcleo, pode ocorrer dano ao isolamento local. Tais defeitos costumam estar concentrados nas partes de aterramento do transformador. Quando a distribuição do campo elétrico no núcleo é desigual, pode ocorrer descarga parcial.

1.2 Características Elétricas e Perigos das Falhas

A característica elétrica mais direta das falhas de aterramento do núcleo é o aumento da corrente de aterramento. Após a ocorrência de uma falha de aterramento, a corrente de aterramento geralmente exibe flutuações de corrente com componentes harmônicos, particularmente em regiões de alta frequência acima de 50 Hz. Quando ocorrem falhas, a forma de onda da corrente de aterramento frequentemente aparece não-senoidal, com amplitudes maiores de componentes harmônicos.

Outra característica típica das falhas de aterramento do núcleo é a descarga parcial. Após a falha do material isolante, o campo elétrico se concentra nas áreas danificadas, causando descargas de corona e fenômenos de descarga parcial. A descarga parcial geralmente gera pulsos de corrente de alta frequência com faixas de frequência geralmente entre 3-30 MHz. Os sinais de corrente nesta faixa de frequência podem ser capturados e analisados usando transformadores de corrente de alta frequência (HFCT) especializados.

Outra característica elétrica desencadeada pelas falhas de aterramento do núcleo é o efeito de elevação de temperatura. Devido às perdas por correntes de fuga no ponto de falha, a temperatura local aumenta. Este efeito de elevação de temperatura não apenas danifica diretamente os materiais isolantes, mas também pode causar superaquecimento em áreas parciais do núcleo.

1.3 Impacto das Falhas na Operação do Transformador

As falhas de aterramento do núcleo levam ao aumento da corrente de aterramento, o que, por sua vez, causa perdas adicionais no núcleo do transformador. As perdas do núcleo consistem principalmente em perdas por correntes de fuga e perdas por histerese. Quando ocorrem falhas de aterramento, a distribuição desigual do fluxo magnético dentro do transformador aumenta significativamente as perdas por correntes de fuga em determinadas áreas. Isso não apenas reduz a eficiência energética do transformador, mas também pode aumentar significativamente os custos operacionais. O aumento das perdas do núcleo acentua o superaquecimento do transformador, afetando ainda mais a operação estável a longo prazo.

A descarga parcial e o efeito de elevação de temperatura causados pelas falhas de aterramento do núcleo aceleram o envelhecimento dos materiais isolantes internos dos transformadores. Durante o envelhecimento do isolante, a resistência das camadas de isolamento diminui gradualmente e a capacidade de isolamento elétrico falha progressivamente. Quando o isolamento falha completamente, pode desencadear curtos-circuitos locais ou acidentes de curto-circuito completos mais graves.

As falhas de aterramento do núcleo não apenas levam a uma diminuição do desempenho elétrico, mas também afetam a composição química do óleo do transformador. Quando o núcleo é aterrado, a descarga parcial e o superaquecimento causam o aumento da temperatura interna do óleo, levando a mudanças nos componentes gasosos dissolvidos no óleo, particularmente aumentos anormais no conteúdo de metano (CH4) e etileno (C2H4).

2 Métodos Diagnósticos e Comparação Técnica para Falhas de Aterramento do Núcleo

2.1 Métodos Diagnósticos Tradicionais

O método de resistência DC é um dos métodos diagnósticos tradicionais para falhas de aterramento do núcleo, julgando principalmente a existência de falhas pela medição da resistência de isolamento entre o núcleo e o solo. Este método aplica tensão DC e mede a razão entre corrente e tensão para calcular a resistência de isolamento. Idealmente, a resistência de isolamento do núcleo deve permanecer em um valor alto; se a resistência cair abaixo de um certo limiar, isso pode indicar uma falha de aterramento.

No entanto, o método de resistência CC não pode localizar pontos de falha com precisão. Seus resultados de medição só podem refletir o desempenho médio da isolação do núcleo inteiro e não podem determinar áreas específicas de falha. Este método também tem um certo atraso, especialmente quando o envelhecimento da isolação ainda não causou mudanças significativas na resistência, tornando a detecção precoce de falhas ineficaz. Além disso, o método de resistência CC não pode fornecer informações sobre tipos de falhas, e as características detalhadas das falhas não podem ser extraídas efetivamente dos dados de medição.

A análise cromatográfica de óleo detecta mudanças nos componentes de gás dissolvidos no óleo do transformador para inferir os tipos de falha. Esses gases dissolvidos são geralmente produzidos quando ocorrem descargas, superaquecimento ou outras falhas elétricas dentro do transformador. Componentes gasosos comuns no óleo do transformador incluem metano (CH4), etileno (C2H4), etano (C2H6), etc. Mudanças nas concentrações de gás podem refletir o estado operacional do transformador. 

Comparando as concentrações de gás dissolvido no óleo com os tipos de falha, é possível determinar preliminarmente se ocorreu uma falha de aterramento do núcleo no transformador. A análise cromatográfica de óleo tem uma resposta relativamente atrasada; após a ocorrência de uma falha, leva tempo para que os gases dissolvidos se acumulem, limitando a pontualidade do diagnóstico de falhas. Além disso, a análise cromatográfica de óleo não pode fornecer locais de falha precisos ou características específicas, indicando apenas falhas através de mudanças nas concentrações de gás. Para falhas menores ou intermitentes, o diagnóstico por análise cromatográfica de óleo pode ser atrasado e incapaz de responder prontamente à ocorrência de falhas.

2.2 Tecnologias Modernas de Detecção por Instrumentos

A tecnologia de detecção de descarga parcial baseia-se no princípio dos transformadores de corrente de alta frequência (HFCT), capturando e analisando sinais de pulso de descarga causados pelo aterramento do núcleo para diagnosticar falhas. Quando ocorrem falhas de aterramento do núcleo, a descarga parcial gera pulsos de corrente de alta frequência em pontos de dano na isolação. Esses sinais de corrente geralmente se manifestam como ruído de alta frequência ou sinais de pulso com faixas de frequência geralmente entre 3-30 MHz. 

Instalando sensores de corrente de alta frequência na linha de aterramento do transformador, os sinais de descarga parcial podem ser capturados em tempo real. Esta tecnologia pode localizar eficientemente pontos de falha parciais, possui alta sensibilidade e pode detectar falhas em estágios iniciais. A detecção de descarga parcial pode identificar efetivamente falhas menores causadas pelo envelhecimento da isolação ou danos mecânicos, fornecendo informações de diagnóstico de falhas precisas. Analisando os sinais de descarga parcial, a gravidade e a tendência de desenvolvimento das falhas podem ser avaliadas, permitindo medidas de manutenção ou prevenção correspondentes.

A tecnologia de imagem térmica infravermelha detecta áreas de aumento de temperatura local no núcleo usando câmeras termográficas infravermelhas para determinar se existem falhas de aterramento. Após a ocorrência de falhas de aterramento em transformadores, as perdas por correntes de fuga em áreas locais causam aumentos de temperatura, particularmente significativos ao redor dos pontos de falha. A tecnologia de imagem térmica infravermelha pode obter a distribuição de temperatura em tempo real na superfície do núcleo e determinar a existência de falhas através de diferenças de temperatura. Geralmente, quando as diferenças de temperatura excedem 10°C, é necessário investigar com foco nessa área. A vantagem desta tecnologia reside em sua capacidade de detectar mudanças de temperatura sem contato, com velocidade de medição rápida, tornando-a adequada para detecção rápida no local.

O método de detecção de corrente de alta frequência utiliza bobinas de Rogowski para medir mudanças de corrente de alta frequência nas linhas de aterramento, geralmente na faixa de frequência de 500 kHz a 2 MHz. Essas correntes de alta frequência são geradas por processos de descarga causados por falhas de aterramento do núcleo. Detectando sinais de corrente nesta faixa de frequência, a existência de falhas pode ser identificada efetivamente. Em comparação com a tecnologia de detecção de descarga parcial, a detecção de corrente de alta frequência tem maior sensibilidade e pode capturar sinais de falha extremamente fracos. Usando bobinas de Rogowski para medição sem contato, não apenas simplifica a instalação, mas também melhora a precisão da medição. Esta tecnologia é particularmente adequada para áreas de difícil acesso direto e pode realizar detecção online sem danificar o equipamento.

3 Otimização do Processo de Diagnóstico de Falhas e Análise de Casos

3.1 Recomendações para o Processo de Diagnóstico Otimizado

Ao diagnosticar falhas de aterramento do núcleo, o primeiro passo deve ser a triagem preliminar usando a tecnologia de imagem térmica infravermelha. As câmeras termográficas infravermelhas podem obter rapidamente mapas de distribuição de temperatura da superfície do transformador, ajudando os profissionais de diagnóstico a identificar possíveis áreas de aumento de temperatura anormal. Uma vez que a triagem preliminar identifique áreas potenciais de falha, o próximo passo deve combinar as tecnologias de detecção de corrente de alta frequência e de descarga parcial para testes precisos.

O método de detecção de corrente de alta frequência captura mudanças de corrente de aterramento na faixa de frequência de 500 kHz a 2 MHz usando bobinas de Rogowski, identificando efetivamente áreas de falha de aterramento do núcleo. A tecnologia de detecção de descarga parcial monitora em tempo real sinais de pulso de descarga usando sensores HFCT, analisando a frequência e a intensidade da descarga para confirmar ainda mais a localização dos pontos de falha.

Após a realização de detecção de corrente de alta frequência e de descarga parcial, o passo final é verificar e analisar a gravidade da falha através da análise cromatográfica de óleo. Detectando gases dissolvidos no óleo do transformador, particularmente as mudanças de concentração de metano (CH4), etileno (C2H4) e outros gases, a natureza da falha pode ser confirmada ainda mais. Para falhas graves de aterramento do núcleo, a cromatografia de óleo mostrará componentes de gás anormalmente elevados. Combinando os dados de cromatografia de óleo com outros resultados de detecção, pode-se avaliar de forma abrangente o impacto da falha e fornecer uma base para trabalhos de reparo subsequentes.

3.2 Análise de Casos Típicos

Durante a operação em uma subestação, os técnicos de manutenção notaram um aumento significativo da corrente de aterramento em um transformador de distribuição de 35 kV, muito além dos valores normais. Os dados de monitoramento mostraram que a corrente de aterramento atingiu 5 A, enquanto, em condições normais, a corrente de aterramento deve ser inferior a 100 mA. O desafio foi que, embora a corrente de aterramento tenha aumentado anormalmente, não houve indicações físicas externas claras de falha. Métodos de diagnóstico elétrico tradicionais, como testes de resistência CC e análise cromatográfica de óleo, não conseguiram fornecer informações claras sobre a localização da falha.

Para resolver o problema de aterramento do núcleo do transformador, os técnicos de manutenção utilizaram várias tecnologias de diagnóstico modernas. Primeiro, usaram um termovisor infravermelho FLIR T640 para uma triagem inicial, localizando rapidamente as áreas de aumento de temperatura no núcleo e nos componentes relacionados. Em seguida, utilizaram sensores de corrente de alta frequência PD-Tech HFCT para monitorar a corrente de aterramento. Finalmente, empregaram detectores de descarga parcial PD-Tech para testar e analisar sinais de descarga, localizando o ponto de falha. Os resultados dos testes estão mostrados na Tabela 1.

Tab.1 Resultados da detecção de problemas no transformador

Com base nos resultados da detecção por termovisão infravermelha, a diferença de temperatura nas proximidades dos componentes de fixação do núcleo atingiu 12°C, ultrapassando a faixa normal, confirmando preliminarmente uma possível sobreaquecimento nesta área. A detecção em tempo real usando sensores de corrente de alta frequência revelou uma corrente de aterramento de 5 A, significativamente superior ao valor normal de 100 mA, indicando que uma falha havia se desenvolvido dentro do transformador. Uma detecção adicional de descarga parcial mostrou fortes flutuações nos sinais de corrente de alta frequência na faixa de 4,5-18 MHz, com intensidade de descarga gradualmente aumentando, indicando que o ponto de falha estava localizado no conjunto de fixação do núcleo e que a falha estava piorando.

A confirmação final do ponto de falha foi no isolante do componente de fixação do núcleo. O material isolante havia envelhecido devido à operação de longo prazo, causando um dano de isolamento menor que desencadeou a falha de aterramento. As medidas de tratamento da falha incluíram a substituição do isolante, e testes subsequentes confirmaram que a corrente de aterramento havia retornado ao normal, eliminando a falha e restaurando a operação estável do equipamento.

Este caso demonstra que a combinação de tecnologia de termografia infravermelha, tecnologia de detecção de descarga parcial e tecnologia de detecção de corrente de alta frequência pode melhorar efetivamente a eficiência e a precisão do diagnóstico de falhas de aterramento do núcleo. Nos processos reais de operação e manutenção, as equipes devem usar regularmente essas tecnologias para diagnósticos conjuntos, garantindo a operação segura e estável dos transformadores.

4 Conclusão

No diagnóstico de falhas de aterramento do núcleo, a aplicação combinada de várias tecnologias de diagnóstico modernas pode melhorar significativamente a precisão da localização de falhas e a eficiência do diagnóstico. Através dos efeitos sinérgicos da detecção de corrente de alta frequência, análise de descarga parcial e tecnologia de termografia infravermelha, riscos potenciais de equipamentos podem ser detectados em estágios iniciais, e as fontes de falhas podem ser identificadas com precisão, reduzindo o tempo de inatividade do equipamento e prolongando a vida útil do transformador.

No futuro, com o desenvolvimento contínuo e a aplicação de novas tecnologias de detecção, o diagnóstico e a manutenção de falhas de aterramento do núcleo tornar-se-ão mais eficientes e precisos, garantindo a estabilidade e segurança dos sistemas de energia.