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ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO ENGENHARIA ELÉTRICA

RENAN GONZAGA SILVA DOS SANTOS

Prevenção de falhas terminais em buchas condensivas de transformadores de potência

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

Recife 2018

RENAN GONZAGA SILVA DOS SANTOS

Prevenção de falhas terminais em buchas condensivas de transformadores de potência

Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica-Eletrotécnica da Escola Politécnica da Universidade de Pernambuco, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro(a) Eletricista. Orientador: Me. Alexandre Jorge Tavares de Souza

Recife 2018

A meus pais, irmãs, tia, avó e esposa. pelo estímulo e apoio abnegados.

Agradecimentos Primeiramente a Deus pela bênçãos e oportunidades concedidas; A meus pais Renildo e Rosália, por todo o incentivo que me deram e vêm me dando para os estudos e por nunca terem limitado minha capacidade de aprender e crescer; À minhas irmãs Rafaela e Richelle por acreditarem sempre em mim; À minha avó Leni por me ajudar a comprar livros e pelo amor demonstrado; À minha tia Rosilene pelo estímulo ao progresso; À minha amada esposa Dalyne por seu apoio e paciência para comigo; Aos colegas Humberto Maribondo, Leonardo Herédia e Miguel Medina Pena por terem compartilhado parte de suas experiências comigo e por terem influênciado na escolha do tema; A Juarez Oliveira por compartilhar comigo sua vasta experiência em reparo de equipamentos elétricos, pelas inúmeras consultorias técnicas e pelo envio de imprecindíveis artigos técnicos e manuais fundamentais para a execução deste trabalho; Ao professor Alexandre Jorge pela assessoria no desenvolvimento do trabalho; Aos colegas da Chesf pelo apoio e incentivo; E à todos os meus amigos que contribuíram para esse grande passo na minha vida.

“Nenhum sucesso na vida compensa o fracasso no lar” (David O. McKay)

Resumo As buchas são componentes essenciais dos transformadores de potência e apesar de terem um custo atribuído sobremaneira inferior ao dos transformadores, têm contribuído substancialmente nas estatísticas de falhas destes equipamentos, muitas vezes seguidas de incêndios e explosões, que expõem ao risco outros equipamentos de subestações alocados na vizinhança dos transformadores e vidas humanas. Este trabalho, buscou fornecer uma visão panorâmica da importância das buchas para a continuidade de fornecimento de energia elétrica, detalhando seus tipos e quatro das principais tecnologias de fabricação utilizadas. As normas técnicas vigentes associadas às buchas foram apresentadas como um subsídio de definição de características e avaliação de parâmetros de aceitação para uma operação confiável. Ademais foram abordados ensaios elétricos e métodos de diagnóstico químicos desempenhados pelas equipes de manutenção de empresas concessionárias com a finalidade de avaliar as condições operativas destes componentes. Além disso, foram exemplificadas cinco situações de falha acorridas no sistema elétrico de potência causadas por buchas condensivas e três prevenções de falha por efeito da correta aplicação dos ensaios elétricos e métodos de diagnóstico mencionados.

Abstract Bushings are essential devices of power transformers, and although their attibuted cost may be substantially lower than the transformers, they have contributed substantially to the failure statistics of these equipments, often followed by fires and explosions which expose risk to the other substation equipment located in the vicinity of the transformers as well as human lives. In this work, the aim was to provide a panoramic view of the importance of bushings for the continuity of electric power supply, detailing their types and four of the main manufacturing technologies used. The current technical standards associated to the bushings were presented as a support to define characteristics and assessments of parameter acceptance for a reliable operation. In addition, it approached the electrical tests and methods of chemical diagnosis performed by utility maintenance teams with the purpose to evaluate the operational conditions of these devices. Moreover, five failures in the electric power system caused by bushings and three preventions through the correct application of electrical tests and diagnostic methods were demonstrated.

Lista de ilustrações Figura 1 – Índice de Desenvolvimento Humano e consumo de eletricidade . . .

14

Figura 2 – Taxa de falhas de transformadores de potência em diferentes níveis de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3 – Estatística das causas para saída de serviço de transformadores.

15

(a) transformadores de usinas, sem OLTC; (b) transformadores de subestações, sem OLTC; (c) transformadores de subestações, com OLTC . . . . . . . . . . .

16

Figura 4 – Bucha não capacitiva ou bucha sólida . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

Figura 5 – Representação de circuito elétrico de uma bucha condensiva . . . .

20

Figura 6 – Bucha do tipo RBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

Figura 7 – Buchas tipo OIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

Figura 8 – Arranjo interior da bucha OIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

Figura 9 – Buchas tipo RIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

Figura 10 – Buchas tipo RIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

Figura 11 – Circuito equivalente de um dielétrico real . . . . . . . . . . . . . . . Figura 12 – Fator de potência variando frequencia . . . . . . . . . . . . . . . . .

29 30

Figura 13 – Capacitância variando frequencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

Figura 14 – Teste de isolamento de C1 da bucha pelo método UST . . . . . . . .

32

Figura 15 – Teste de isolamento da derivação C2 da bucha pelo método GST-g .

33

Figura 16 – Colar quente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

Figura 17 – Teste de colar quente em buchas no modo GST-g . . . . . . . . . .

35

Figura 18 – Termovisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

Figura 19 – Termografia em buchas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

Figura 20 – Coulómetros e balança de precisão . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

Figura 21 – Evolução dos gases presentes no óleo para diferentes temperaturas

41

Figura 22 – Válvula e seringa de coleta de óleo em bucha . . . . . . . . . . . . .

43

Figura 23 – Coleta de óleo em bucha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 24 – Método Headspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44 46

Figura 25 – Esquema de cromatógrafo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

Figura 26 – Cromatógrafo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

Figura 27 – Coluna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

Figura 28 – Mecanismo de separação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

Figura 29 – Efeitos de falha em bucha OIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

Figura 30 – Buchas OIP substituídas depois de falha . . . . . . . . . . . . . . . .

54

Figura 31 – Bucha falhada fase A

57

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 32 – Resíduos de isolação queimada e alumínio gerados por falha em bucha 57 Figura 33 – Gráfico do sistema de monitoramento on-line de sinistro de bucha .

58

Figura 34 – Dano ao transformador devido à falha de bucha . . . . . . . . . . . .

59

Figura 35 – Bucha 550 kV falhada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

Figura 36 – Início de incêndio causado por bucha condensiva . . . . . . . . . . .

62

Figura 37 – Autotransformador sinistrado por explosão e incêndio em bucha . .

63

Figura 38 – Falha de bucha devido à ave. (a) antes da falha; (b) bucha falhada; (c) depois da falha (reparada) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

Figura 39 – Bucha OIP retirada por pelo ensaio de fator de potência . . . . . . .

65

Figura 40 – Coloração suspeita de óleo de bucha detectada em inspeção visual

68

Figura 41 – Inspeção termográfica em autrotransformador. (a1) e (a2) - Fase A; (b1) e (b2) - Fase B; (c1) e (c2) - Fase C;

. . . . . . . . . . . . .

71

Figura 42 – Detalhamento do ponto de defeito da fase C . . . . . . . . . . . . . Figura 43 – Tap capacitivo avariado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72 73

Lista de tabelas Tabela 1 – População de buchas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 2 – Avaliação de tanδ e cosφ para diferentes tipos de buchas segundo

22

as normas IEC 60137 e IEEE C57.19.01 . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 3 – Avaliação da capacitância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35 36

Tabela 4 – Avaliação do Fator de Dissipação

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

Tabela 5 – Razões entre concentrações de gases . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

Tabela 6 – Tabela A.10 IEC 60599 - 95% de valores típicos das concentrações em buchas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

Tabela 7 – Cromatografia antes de falha - ocorrência 2 . . . . . . . . . . . . . .

55

Tabela 8 – Cromatografia depois de falha - ocorrência 2 . . . . . . . . . . . . .

56

Tabela 9 – Histórico de cromatografia de bucha nova . . . . . . . . . . . . . . .

60

Tabela 10 – Ensaio de detecção de falha incipiente em bucha . . . . . . . . . . .

65

Tabela 11 – Repetição de ensaio depois de limpeza da bucha . . . . . . . . . .

66

Tabela 12 – Ensaio da bucha nova substituta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

Tabela 13 – Cromatografia falha incipiente de bucha . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 14 – Cromatografia de bucha com óleo de coloração suspeita . . . . . .

66 69

Tabela 15 – Ensaio de fator de potência e capacitância em bucha com óleo de colocaração suspeita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

Tabela 16 – Dados de placa de bucha com óleo de coloração suspeita . . . . . .

70

Tabela 17 – Ensaio de fator de potência e capacitância pós reparo . . . . . . . .

73

Tabela 18 – Dados de placa de bucha reparada . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

Tabela 19 – Cromatografia de bucha reparada . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

Lista de abreviaturas e siglas ABNT

Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANEEL

Agência Nacional de Energia Elétrica

°C

Graus Célsius

C1

Capacitância do corpo condensivo

C2

Capacitância do tap de teste

C3H8

Propano

CDC

Comutador de derivação em carga

CG

Concentração no Headspace

CH4

Metano

CO

Monóxido de Carbono

CO2

Dióxido de Carbono

DF

Fator de Dissipação

DGA

Análise de Gases Dissolvidos

FP

Fator de Potência

GST

Grounded Specimen Test

H0

Bucha de Neutro

H2

Gás hidrogênio

IC

Corrente do Capacitor

ID

Identificação

IDH

Índice Desenvolvimento Humano

IEC

International Electrotechnical Commission

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IR

Corrente do Resistor

kV

Quilovolt

LT

Linha de Transmissão

MVA

Mega Volt Ampere

MW

Megawatt

NBR

Norma Brasileira

O2

Gás oxigênio

OLTC

On Load Tap Changer

ONS

Operador Nacional do Sistema Elétrico

PD

Descarga Parcial

PF

Power Factor

PPM

Parte por Milhão

R1

Razão 1

R2

Razão 2

R3

Razão 3

RIP

Papel Impregnado com Resina

RIS

Fibra Sintética Impregnada com Resina

SEP

Sistema Elétrico de Potência

SF6

Hexafluoreto de Enxofre

Sumário 1 1.1

Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14 14

1.2

Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2

Buchas e requisitos conformidade para operação satisfatória . .

18

2.1

Introduçao

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.2

Tipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.2.1

Buchas sólidas ou Bulk Bushing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.2.2 2.3

Buchas Condensivas ou Capacitivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tecnologia utilizada para fabricação de buchas para transformadores de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.3.1 2.3.2

20 Bucha condensiva com isolação de papel aglutinado com resina (RBP) 20

2.3.3

Bucha condensiva com isolação de papel impregnado com óleo (OIP) 21 Bucha condensiva com isolação de papel impregnado com resina (RIP) 23

2.3.4

Bucha condensiva de fibra sintética impregnada com resina (RIS) . .

25

3

Normas Técnicas

27

4

Ensaios elétricos e diagnósticos em equipamentos de subesta-

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

4.1

Fator de perdas dielétricas e capacitância . . . . . . . . . . . . . .

28

4.1.1

Teste UST (equipamento não aterrado) (condutor central à derivação, C1 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

4.1.2

Teste GST-g (derivação ao flange, C2 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.1.3

Testes de colares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1.4

33 Avaliação dos resultados dos testes de fator de dissipação e capacitância 35

4.2

Termovisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.2.1 4.3

Termovisão aplicada à buchas condensivas . . . . . . . . . . . . . . Teor de Umidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38 38

4.3.1

Procedimento de medição de teor de água . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.4

Análise de Gases Dissolvidos (DGA) por cromatografia gasosa .

40

4.4.1

Etapas da DGA por cromatografia gasosa . . . . . . . . . . . . . . .

42

4.4.1.1

Amostragem do óleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

4.4.1.2

Extração dos gases dissolvidos pelo método do Headspace . . . . .

44

4.4.1.3

Análise Cromatográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4.4.1.4

Diagnóstico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

5

Falha em transformadores causadas por buchas . . . . . . . . . .

52

5.1

Falha de transformador regulador devido à bucha condensiva .

52

5.2 5.3

Falha de transformador regulador devido à bucha condensiva . Falha de transformador elevador devido explosão e incêndio de

54

5.4

bucha nova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Falha de autotransformador monofásico com CDC devido à bu61

5.5

cha condensiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Falha de autotransformador trifásico devido à curto-circuito em buchas sólidas em virtude de ave . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

6 6.1

Prevenções de falha em buchas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prevenção de falha em transformador devido à ensaio de fator

65 65

6.2

de potência e capacitância em bucha condensiva . . . . . . . . . Prevenção de falha em transformador devido à inspeção visual

67

6.3

em bucha condensiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prevenção em falha de autotransformador monofásico devido a termovisão em bucha condensiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

7

14

1 Considerações iniciais 1.1

Introdução Os sistemas elétricos de potência (SEP) são grandes sistemas, geralmente

interligados através de linhas de transmissão e abrangendo grandes áreas, que são responsáveis pelos processo de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Estes sistemas são compostos por diversos tipos de equipamentos elétricos que operam de uma maneira coordenada, com a finalidade de fornecer energia elétrica, dentro de certos critérios de qualidade e confiabilidade estabelecidos pelas agências reguladoras, como a ANEEL, para o caso brasileiro. Os SEP desempenham um papel fundamental na sociedade moderna em que vivemos, pois estes são a gênesis e o caminho pelo qual a energia elétrica chega até seu destino final, que são os consumidores. O consumo de energia elétrica, por sua vez, tem sido um dos principais índices estatísticos, ao longo do tempo, utilizados para se mensurar aspectos como: qualidade de vida, desenvolvimento econômico e social e aquecimento da economia de um país. Na Figura 1 (1) mostra que comparando o consumo per capita de eletricidade com o IDH, Pasternak observou um limite por volta de 4.000 kWh, que corresponde em sua curva a um valor de IDH de 0,9. Segundo seu es...