BRPI0305838B1 - método para diagnosticar uma falha em um enrolamento de transformador - Google Patents

Abstract

"método para diagnosticar uma falha em um enrolamento de transformador". a presente invenção relaciona-se a um método de diagnóstico de uma falha em um enrolamento de transformador, usando análise de resposta de freqüência (fra). o método compreende as etapas de: medir a impedância do citado enrolamento como uma função da freqüência, citada medição sendo representada na forma de um primeiro ganho de tensão (k); comparar a citada medição de impedância com uma medição de referência, representada na forma de um segundo ganho de tensão (k<39>), a citada comparação incluindo uma etapa de calcular três primeiros parâmetros, cada um dos citados três primeiros parâmetros sendo um coeficiente de correlação (<sym>~ 1~, <sym>~ 2~, <sym>~ 3~), entre os citados primeiro e segundo ganhos (k, k<39>), ao longo de três faixas de freqüência diferentes. o método compreende adicionalmente uma etapa de determinar a variação relativa de pelo menos um quarto parâmetro (cr~ k~, cr~ f~, cr~ n~), o citado quarto parâmetro sendo uma magnitude física característica do citado transformador, citada variação relativa sendo obtida comparando os citados primeiro e segundo ganhos (k, k<39>).

Description

“MÉTODO PARA DIAGNOSTICAR UMA FALHA EM UM ENROLAMENTO DE TRANSFORMADOR” [0001] A presente invenção relaciona-se a um método para diagnóstico de falha em um enrolamento de transformador, usando análise de resposta de frequência (FRA). A presente invenção é mais particularmente adaptada a transformadores de potência.

[0002] Transformadores de potência (tais como transformadores possuindo tensões primárias de várias centenas de quilovolts (kV) e fornecendo potências dentro da faixa de uns poucos megavolts ampères (MVA) a várias centenas de MVA) são peças de equipamentos extremamente dispendiosas em sistemas para interconectar redes de transmissão de eletricidade ou “grades”. É, portanto, muito útil ser capaz de manter tais transformadores em serviço tanto tempo quanto possível, uma vez que uma quebra ou falha de um transformador pode ter grandes conseqüências econômicas, devido à rede de distribuição ser interrompida.

[0003] Em adição, falhas tais como curtos-circuitos podem correr o risco de explosão ou fogo.

[0004] É, portanto, muito importante ser capaz de determinar a presença de uma falha associada a um enrolamento de transformador.

[0005] Uma solução conhecida para aquele problema consiste em usar FRA. Aquela técnica consiste em medir a impedância de um enrolamento de transformador ao longo de uma ampla faixa de frequências e comparar o resultado da medição com um conjunto de medições de referência. No sentido de medir a impedância como uma função da frequência, é possível efetuar varredura de frequência usando um sinal de onda senoidal.

[0006] Então, a Figura 1 é um diagrama teórico de um circuito 1 para realizar análise de frequência em uma impedância correspondente à impedância de um enrolamento de transformador que deve ser medido.

[0007] O circuito 1 compreende: • um analisador de rede 2; • três impedâncias de teste de mesmo valor Z1; e • uma impedância ZT correspondente à impedância a ser medida de um enrolamento de transformador.

[0008] O analisador de rede 2 gera um sinal de medição S. O sinal de medição S é um sinal de onda senoidal de varredura de frequência. A título de exemplo, as impedâncias Z1 são as impedâncias de cabo de medição e geralmente possuem um valor que é igual a 50 ohms (Ω). R é o sinal medido entre a primeira extremidade de ZT e o terra. T é o sinal medido entre a segunda extremidade de ZT e o terra. O analisador 2 determina então o ganho de tensão k como uma função da frequência, conforme definido pela seguinte relação: [0009] O ganho k contém a informação necessária para estudar a impedância ZT e é igual a: [00010] Quando a impedância Z1 é igual a 50 Ω, isto acarretará: [00011] A impedância é medida ao longo de uma faixa muito ampla de frequências que pode se estender de uns poucos hertz (Hz) a cerca de 10 megahertz (MHz).

[00012] A mesma medição precisa ser efetuada em um enrolamento de referência. O enrolamento de referência pode ser uma outra fase que é suposta não apresentar falha, ou o mesmo enrolamento conforme medido previamente, quando não apresentava falha, ou o enrolamento de um transformador idêntico. Esta medição, produz do mesmo modo um ganho k' como uma função da frequência e correspondente ao enrolamento de referência.

[00013] Uma primeira solução consiste então em examinar visualmente quaisquer diferenças entre as curvas representando k e k' como uma função da frequência. Aquela solução infelizmente apresenta certos problemas.

[00014] Um exame visual efetuado por um especialista pode ser altamente subjetivo e pode carecer de transparência.

[00015] Uma segunda solução consiste em calcular indicadores estatísticos adequados para revelar as diferenças entre as duas curvas. Tais indicadores estatísticos podem ser constituídos, por exemplo, por coeficientes de correlação calculados ao longo de diferentes faixas de frequência.

[00016] Contudo, o uso de tais indicadores estatísticos também dá origem a certos problemas.

[00017] Então, certas falhas não podem ser identificadas; isto se aplica, por exemplo, ao circuito magnético do transformador sendo aterrado ou a correntes circulantes, fazendo com que o enrolamento aqueça.

[00018] Similarmente, tal uso de indicadores estatísticos pode levar a que certas falhas sejam confundidas; por exemplo, aterramento pobre do tanque do transformador pode ser confundido com danos ao enrolamento.

[00019] A presente invenção busca prover um método para diagnosticar uma falha em um enrolamento de transformador servindo para aumentar o número de falhas que são detectáveis, e para distinguir entre diferentes falhas.

[00020] Para esta finalidade, a invenção provê um método para diagnosticar uma falha em um enrolamento de transformador, o método compreendendo as seguintes etapas de: • medir a impedância do dito enrolamento como um função da frequência, dita medição sendo representada na forma de um primeiro ganho de tensão; • comparar a dita medição de impedância com uma medição de referência, representada na forma de um segundo ganho de tensão, dita comparação incluindo uma etapa de calcular os três primeiros parâmetros, cada um dos ditos três primeiros parâmetros sendo um coeficiente de correlação entre os ditos primeiro e segundo ganhos ao longo de três faixas de frequência diferentes; • dito método sendo caracterizado pelo fato de compreender uma etapa de determinar a variação relativa de pelo menos um quarto parâmetro, dito quarto parâmetro sendo uma magnitude física característica do dito transformador, dita variação relativa sendo obtida comparando os ditos primeiro e segundo ganhos. [00021] Por meio da invenção, três coeficientes de correlação são combinados com a variação relativa de pelo menos um quarto parâmetro, habilitando certas falhas a serem identificadas, as quais não são detectadas pelos valores dos coeficientes de correlação. Dependendo do valor da variação relativa do dito quarto parâmetro, é também possível resolver dúvida entre várias falhas possíveis.

[00022] Vantajosamente, o dito quarto parâmetro é selecionado a partir do ganho mínimo, da frequência de ressonância fundamental, e do número de frequências de ressonância presentes acima de uma frequência predeterminada.

[00023] Vantajosamente, o dito ganho mínimo é determinado para uma frequência abaixo de 10 quilohertz (kHz).

[00024] O ganho mínimo é definido como o valor mínimo assumido pelo ganho de tensão k, conforme descrito com referência à Figura 1, como uma função da frequência de medição; o ganho mínimo a ser determinado é o ganho mínimo a uma frequência de menos de 10 kHz. Pode ocorrer que este ganho assuma um valor mínimo a uma frequência mais alta, porém este valor é menos pertinente na identificação de falhas.

[00025] Vantajosamente, ditas três faixas de frequência diferentes são respectivamente: [1 kHz a 10 kHz], [10 kHz a 100 kHz] e [100 kHz a 1 MHz].

[00026] Decorre que os coeficientes de correlação calculados abaixo de 1 kHz são menos pertinentes, e que aqueles calculados acima de 1 MHz fornecem informações que não são confiáveis.

[00027] Em uma realização particularmente vantajosa, o dito método inclui uma etapa de determinar a variação relativa de pelo menos um quinto parâmetro e um sexto parâmetro, ditos quinto e sexto parâmetros sendo característicos do dito transformador, dita variação relativa sendo obtida comparando os ditos primeiro e segundo ganhos.

[00028] Nesta implementação, o dito quarto parâmetro é o ganho mínimo, o dito quinto parâmetro é a frequência de ressonância fundamental e o dito sexto parâmetro é o número de frequências de ressonância presentes acima de uma frequência predeterminada.

[00029] De uma maneira altamente vantajosa, o dito método inclui uma etapa de determinar diversos códigos de diagnóstico, cada um dos ditos códigos indicando se um respectivo dos ditos parâmetros pertence a uma faixa predeterminada de valores.

[00030] Nesta realização, o dito método inclui uma etapa de determinar a presença de uma falha e de identificar a dita falha como uma função dos ditos diversos códigos de diagnóstico.

[00031] Vantajosamente, a dita etapa de determinar a presença de uma falha e de identificar a dita falha é efetuada comparando os ditos diversos códigos com códigos armazenados em uma tabela de pesquisa.

[00032] Outras características e vantagens da presente invenção surgem da descrição seguinte de uma realização da invenção, dada puramente por meio de uma ilustração não limitante.

[00033] Nas seguintes figuras: • Figura 1 é um diagrama de um circuito para analisar a resposta de frequência de uma impedância; • Figura 2 é um diagrama de um transformador trifásico; e • Figura 3 mostra os ganhos respectivos como uma função da frequência para dois enrolamentos de alta tensão, de duas das fases de um transformador trifásico.

[00034] Figura 1 é descrita acima com referência ao estado da técnica. As medições FRA descritas abaixo foram todas obtidas usando um circuito de análise do tipo mostrado na Figura 1.

[00035] Figura 2 é um diagrama de um transformador trifásico 3.

[00036] O transformador trifásico 3 compreende: • um campo magnético 4; • um tanque 5; • três enrolamentos de baixa tensão 6; e • três enrolamentos de alta tensão 7.

[00037] Cada par de enrolamentos de alta e baixa tensão corresponde a uma fase do transformador e é associado a um respectivo núcleo 9 do circuito 4. As três fases do transformador são referidas abaixo respectivamente como A, B e C.

[00038] O campo magnético 4 e o tanque 5 são conectados juntos por uma conexão 8 e são ambos aterrados.

[00039] Três medições de impedância podem ser efetuadas respectivamente para alta tensão e para baixa tensão.

[00040] Então, se existe suspeita de uma falha em um dos enrolamentos de alta tensão do transformador, o ganho daquele enrolamento é medido como uma função da frequência, e a mesma medição é efetuada em um outro dos enrolamentos de alta frequência, após o que os respectivos ganhos dos ditos dois enrolamentos são comparados. Deveria ser observado que uma terceira medição é também possível, usando o terceiro enrolamento de alta tensão.

[00041] É também possível fazer uma comparação entre medições obtidas em um enrolamento com suspeita de estar defeituoso e medições obtidas previamente no mesmo enrolamento. É também possível comparar medições obtidas em um enrolamento suspeito, com medições obtidas em um enrolamento equivalente ou um outro transformador do mesmo projeto.

[00042] Por meio de exemplo, a Figura 3 mostra os respectivos ganhos k e k' de dois enrolamentos de alta tensão para as fases C e A respectivamente, de um transformador trifásico do tipo mostrado na Figura 2.

[00043] Os ganhos k e k' são mostrados para frequência variando ao longo da faixa de 10 Hz a 1 MHz.

[00044] Uma falha é suspeita de estar presente no enrolamento de alta frequência da fase C, e corresponde ao ganho k.

[00045] No sentido de determinar a presença de uma falha, se houver, e para diagnosticar aquela falha, o método da invenção compreende calcular seis parâmetros.

[00046] Os primeiros três parâmetros são os coeficientes de correlação ρ1, ρ2 e ρ3 entre os ganhos k e k', conforme calculado ao longo das seguintes três faixas de frequência: [1 kHz a 10 kHz], [10 kHz a 100 kHz] e [100 kHz a 1 MHz].

[00047] Para dois conjuntos de n números, X {x1, X2,..., Xn} e Y {y1s y2,..., yn}, o coeficiente de correlação ρ é definido pela seguinte equação: [00048] O quarto parâmetro é definido como sendo a mudança relativa no ganho mínimo CRk em baixa frequência, isto é, em um valor de frequência de menos de 10 kHz. Então, se km é o ganho mínimo da impedância a ser analisada, então o coeficiente da mudança relativa no ganho mínimo CRk é definido pela equação: [00049] O quinto parâmetro é definido como sendo a mudança relativa na frequência de ressonância fundamental CRf. A frequência de ressonância fundamental é a primeira frequência de ressonância em cada um dos ganhos k e k'. Se as respectivas frequência de ressonância fundamentais dos ganhos k e k' são escritas como f e f’, então o parâmetro CRf é definido pela equação: [00050] O sexto parâmetro é definido como sendo a mudança relativa no número de frequências de ressonância caindo na faixa de 100 kHz a 1 MHz. Se os números das frequências de ressonância no ganhos k e k' ao longo da faixa de 100 kHz a 1 MHz são escritos respectivamente como n e n’, então o parâmetro CRn é definido pela equação: [00051] Cada medição do ganho k comparada a uma medição do ganho de referência k’, corresponde então ao seguinte sexteto de parâmetros {p1, p2, p3, CRk, CRf, CRn}. Estes parâmetros podem ser calculados usando uma ferramenta de computador ou por um operador usando uma planilha do MSExcel® ou outra.

[00052] Então, calculando estes parâmetros para as curvas mostradas na Figura 3, os seguintes valores são obtidos: P1 = 0,7483 p2 = 0,9797 p3 = 0,8577 CRk = 0,98717 CRf = 1 CRn = 1,8333 [00053] Posteriormente, cada um destes valores é associado a um código. Estes códigos são sumarizados na Tabela 1 abaixo.

Tabela 1 [00054] Então, seis códigos podem ser associados a cada sexteto {p1, p2, p3, CRk, CRf, CRn}.

[00055] O termo “faixa normal” significa que o parâmetro permanece dentro de uma faixa de variação que é referida como sendo “normal”.

[00056] Esta faixa normal de variação depende do enrolamento usado para a medição de referência. A Tabela 2 resume as variações normais quando o mesmo enrolamento é usado para a medição de análise e para a medição de referência.

Tabela 2 [00057] A Tabela 3 resume as variações normais quando um enrolamento diferente é usado como referência (conforme mostrado na Figura 3).

Tabela 3 [00058] Os parâmetros {ρ1, ρ2, ρ3, CRk, CRf, CRn} para as curvas mostradas na Figura 3 assumem então os códigos: 101001.

[00059] Quando os seis códigos tiverem sido determinados, a invenção muda para uma etapa de comparar os seis códigos com os códigos gravados em uma tabela de pesquisa, conforme mostrado na Tabela 4.

Tabela 4 [00060] A comparação dos parâmetros calculados com a tabela de pesquisa conforme mostrado na Tabela 4, pode ser efetuada por um programa de computador desenvolvido em um ambiente Matlab®.

[00061] A seguinte explicação de falha é dada com referência à Figura 2.

[00062] As falhas 2 e 3 correspondem a aterramento pobre do tanque 5. Com a falha 3, não há aterramento, enquanto com a falha 2 o tanque está aterrado com alta resistência entre o tanque 5 e o terra (maior que 50Ω).

[00063] A falha 4 corresponde a nenhum aterramento do campo magnético 4, isto é, a uma interrupção na conexão 8.

[00064] Falhas 5 e 6 correspondem a malhas de circulação de corrente respectivamente conectadas à terra e a um potencial flutuante. Estas malhas fazem com que o transformador se aqueçam.

[00065] Falha 7 corresponde à presença de uma espira adicional criando um curto-circuito na fase à qual pertence o enrolamento sob análise.

[00066] A falha 8 corresponde a uma falha entre os terminais de enrolamento sob análise; isto é, a um curto-circuito de um enrolamento inteiro.

[00067] Falha 9 corresponde a uma falha entre os terminais de um enrolamento pertencendo à mesma fase do enrolamento sob análise.

[00068] Falha 10 corresponde a um curto-circuito presente em uma espira de enrolamentos pertencendo à mesma fase do enrolamento sob análise. Esta falha produz aquecimento do transformador.

[00069] Falha 11 corresponde a um curto-circuito presente em diversas espiras pertencentes à mesma fase do enrolamento sob análise. Esta falha produz aquecimento do transformador.

[00070] Falha 12 corresponde a uma falha de curto-circuito tal como um curto-circuito entre espiras, entre terminais ou com uma espira adicional. Indica que a falha está localizada em uma fase adjacente à fase na qual a medição está sendo efetuada e que a fase onde a falha está localizada é a única fase adjacente, isto é, imediatamente ao lado da fase onde a medição está sendo feita. Então, se a falha estiver no núcleo central analisar outras fases dará origem a este código, uma vez que a fase central é realmente a única fase que está imediatamente ao lado de ambas fases esquerda e direita.

[00071] Falha 13 corresponde também a uma falha de curto-circuito tal como um curto-circuito entre espiras, entre terminais ou com uma espira adicional. Entretanto, isto indica que a falha não está na única fase localizada imediatamente ao lado da fase onde a medição está sendo efetuada. Assim, se a falha é encontrada no núcleo esquerdo, então analisar a fase central produzirá este código, uma vez que há realmente duas fases imediatamente ao lado da fase central, e não somente uma. [00072] Falha 14 corresponde ao enrolamento sob análise, sendo deslocado axialmente, porém sem o enrolamento ser excessivamente danificado localmente ou então corresponde a empenamento de um enrolamento interno.

[00073] Falha 15 corresponde a um dano mecânico localizado no enrolamento sob análise.

[00074] Falha 16 combina falhas 14 e 15.

[00075] Falha 17 corresponde a continuidade elétrica pobre no enrolamento sob análise. Esta continuidade pobre pode ser associada a um contato de medição pobre.

[00076] Falha 18 corresponde a um dos terminais do enrolamento sob análise sendo aterrado.

[00077] Falha 19 corresponde a um dos terminais de um enrolamento pertencendo a uma fase diferente do enrolamento sob análise sendo aterrado. [00078] Falha 20 corresponde a um dos terminais de um enrolamento diferente do enrolamento sob análise sendo aterrado, dito outro enrolamento entretanto, pertencendo à mesma fase.

[00079] Falhas 18, 19 e 20 são mais indicativas de falhas na execução de uma medição.

[00080] Então, comparando os códigos 101001 associados às curvas da Figura 3 com as falhas listadas na Tabela 4, pode ser deduzido que uma falha do tipo 16 ou 18 está presente. Um problema de medição do tipo 18 pode ser eliminado efetuando a medição novamente e determinando se uma falha do tipo 16 está presente ou não, isto é, um enrolamento que está danificado ou deslocado.

[00081] Naturalmente, a invenção não está limitada à realização descrita acima. [00082] Em particular, as etapas de calcular os parâmetros e de busca na tabela de pesquisa conforme realizadas por meio de software poderiam também ser efetuadas por operadores.

[00083] Similarmente, os valores de código são dados a título de indicação, mas poderiam ser substituídos por outros valores adaptados a outras ferramentas de software.

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. Método para diagnosticar uma falha em um enrolamento de transformador (6, 7), que compreende as seguintes etapas de: medir a impedância do dito enrolamento (6, 7) como uma função de frequência, dita medição sendo representada na forma de um primeiro ganho de tensão (k); comparar a dita medição de impedância com uma medição de referência, representada na forma de um segundo ganho de tensão (k'), dita comparação incluindo uma etapa de calcular três primeiros parâmetros, cada um dos ditos três primeiros parâmetros sendo um coeficiente de correlação (ρ1, ρ2, ρ3), entre os ditos primeiro e segundo ganhos (k, k'), ao longo de três faixas de frequência diferentes; o método sendo caracterizado pelo fato de que compreende: - uma etapa de determinar a variação relativa de pelo menos um quarto parâmetro (CRk, CRf, CRn), dito quarto parâmetro sendo uma magnitude física característica do dito transformador (3), dita variação relativa sendo obtida comparando os ditos primeiro e segundo ganhos (k, k'), - uma etapa de determinar diversos códigos de diagnóstico de referência, cada um dos ditos códigos indicando se um respectivo dos ditos parâmetros pertence a uma faixa predeterminada de valores, - uma etapa de associar pelo menos um código de diagnóstico aos ditos três primeiros parâmetros e à dita variação relativa do quarto parâmetro, cada um dos ditos códigos indicando se um respectivo dos ditos parâmetros pertence a uma faixa predeterminada de valores, e - uma etapa de determinar a presença de uma falha e de identificar a dita falha comparando o código diagnóstico com os códigos de diagnóstico de referência.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito quarto parâmetro é selecionado de um ganho mínimo, frequência de ressonância fundamental, e um número de frequências de ressonâncias presentes acima de uma frequência predeterminada.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o dito ganho mínimo é determinado para uma frequência abaixo de 10 kHz.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as ditas três faixas de frequência diferentes são respectivamente: [1 kHz a 10 kHz], [10 kHz a 100 kHz] e [100 kHz a 1 MHz].

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que inclui uma etapa de determinar a variação relativa de pelo menos um quinto parâmetro e um sexto parâmetro, os ditos quinto e sexto parâmetros sendo característicos do dito transformador, dita variação relativa sendo obtida comparando os ditos primeiro e segundo ganhos.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito quarto parâmetro é um ganho mínimo, o dito quinto parâmetro é uma frequência de ressonância fundamental, e o dito sexto parâmetro é um número de frequências de ressonâncias presentes acima de uma frequência predeterminada.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os ditos diversos códigos de diagnóstico de referência são armazenados em uma tabela de pesquisa.