A exposição térmica prolongada acelera o envelhecimento do sistema isolante do transformador. O papel de celulose e o óleo isolante se alteram durante a operação, e a velocidade dessas mudanças depende muito da temperatura. Os pontos quentes locais do enrolamento são especialmente relevantes: ali, a isolação pode envelhecer mais rapidamente do que sugere a temperatura média do equipamento ou a leitura do óleo.
O envelhecimento do transformador, como o mesmo processo é escrito no inglês americano, não é simplesmente uma função de quantos anos uma unidade está em serviço. Dois transformadores da mesma idade podem ter vidas restantes de isolamento muito diferentes, dependendo de como foram carregados, resfriados e mantidos. A temperatura do enrolamento e o histórico de temperatura por trás dela são uma das informações mais úteis para compreender essa diferença.
O que é o envelhecimento do transformador?
O envelhecimento do transformador é a deterioração física e química gradual do sistema de isolamento ao longo do tempo. Em um típico transformador de potência imerso em óleo, os principais materiais são celulose (papel e papelão) e óleo isolante. Juntos, eles formam o sistema de isolamento em óleo-papel que mantém os enrolamentos eletricamente separados e apoiados mecanicamente.
A celulose é a principal preocupação no envelhecimento dos transformadores de potência. O óleo pode ser filtrado, tratado ou substituído durante a vida útil de um transformador, mas o papel enrolado nos condutores não pode ser praticamente substituído sem a reconstrução do enrolamento. À medida que o papel se degrada, ele perde resistência mecânica, e esta perda é uma razão central pela qual a condição de isolamento muitas vezes estabelece o limite prático da vida útil do transformador.
Ajuda a separar a idade cronológica da condição de isolamento. Um transformador que funcionou em temperaturas moderadas, com resfriamento eficaz e baixa umidade, poderá apresentar pouca deterioração do isolamento após muitos anos. Outra unidade da mesma idade que tenha visto cargas elevadas frequentes, resfriamento restrito ou entrada de umidade pode estar em um estado muito diferente. A idade é um ponto de partida, não uma medida de condição.
O estresse térmico é o fator que os engenheiros podem observar e gerenciar mais diretamente durante a operação. É por isso que a temperatura do enrolamento e a temperatura do ponto quente recebem tanta atenção nas discussões sobre o envelhecimento dos transformadores de potência.
Por que a temperatura acelera o envelhecimento do transformador
As reações químicas que decompõem a celulose ocorrem mais rapidamente à medida que a temperatura aumenta. Uma temperatura de isolamento mais elevada leva a uma degradação mais rápida da estrutura molecular da celulose, o que por sua vez leva a uma perda mais rápida de resistência mecânica e a uma vida útil mais curta do isolamento. A relação não é linear: o efeito de um determinado aumento de temperatura é maior em temperaturas mais elevadas.
Você pode ver regras simples que dizem que a vida do isolamento é reduzida pela metade para cada número fixo de graus. Estas regras dependem do modelo de referência, do tipo de isolamento e das condições assumidas, pelo que não devem ser tratadas como factos universais. Guias de carregamento como IEC 60076-7 e IEEE C57.91 descrevem modelos térmicos e cálculos de envelhecimento para transformadores imersos em óleo, e qualquer cálculo quantitativo de vida útil deve ser baseado no padrão, modelo e parâmetros específicos que se aplicam ao transformador em questão.
Cargas e Perdas
O calor em um transformador vem de perdas. A corrente de carga produz perdas nos enrolamentos, e uma corrente mais alta aumenta essas perdas e o calor gerado. Isto aumenta a temperatura do enrolamento acima da temperatura do óleo circundante.
Contudo, a carga não é a única influência no comportamento térmico. A temperatura ambiente, as perdas parasitas nas peças estruturais, o estado do óleo e o estado do sistema de refrigeração afetam a quantidade de calor gerado que sai do enrolamento e o quão quente o isolamento finalmente se torna.
Desempenho de resfriamento
O resfriamento determina a eficiência com que o calor é transportado dos enrolamentos e do núcleo. Dependendo do projeto do transformador, isso pode envolver circulação natural de óleo, fluxo forçado de óleo, radiadores, ventiladores ou bombas. Quando o desempenho de refrigeração diminui, por exemplo, devido a um fluxo de ar bloqueado, radiadores sujos ou uma ventoinha avariada, as temperaturas para a mesma carga podem ser visivelmente mais elevadas.
Dois transformadores transportando a mesma carga podem, portanto, experimentar diferentes temperaturas de isolamento. Esta é uma das razões pelas quais o histórico de carga por si só não descreve o envelhecimento térmico e porque os dados de temperatura acrescentam informações que as medições atuais não conseguem.
Temperatura do enrolamento, temperatura do ponto quente e temperatura superior do óleo
Esses três termos são frequentemente misturados, mas descrevem coisas diferentes. A temperatura superior do óleo é medida na parte superior do óleo. A temperatura do enrolamento geralmente se refere à temperatura dos condutores do enrolamento ou do isolamento circundante. A temperatura do ponto quente do enrolamento é a temperatura mais alta dentro do enrolamento, que geralmente é o valor mais relevante para o envelhecimento do isolamento.
| Parâmetro de temperatura | O que representa | Como é obtido | Por que é importante para o envelhecimento |
|---|---|---|---|
| Temperatura superior do óleo | Temperatura do óleo na parte superior do tanque | Medido diretamente, geralmente com uma sonda ou sensor na região do topo do óleo | Fornece a temperatura base do óleo à qual o aumento da temperatura do enrolamento é adicionado, mas não representa todos os locais do enrolamento |
| Temperatura do enrolamento | Temperatura geral do enrolamento, geralmente como um valor estimado | Normalmente calculado a partir da temperatura do topo do óleo e da corrente de carga usando um indicador de temperatura do enrolamento (WTI) ou modelo térmico | Indica tensão térmica na isolação do enrolamento, com base em valores calculados ou simulados |
| Temperatura do ponto quente do enrolamento | A temperatura mais alta dentro do enrolamento | Calculado com um modelo térmico ou medido diretamente onde uma sonda está instalada no local relevante | Representa o isolamento com maior estresse térmico, por isso influencia fortemente a taxa de envelhecimento local |
| Temperatura direta do enrolamento de fibra óptica | Temperatura real do ponto no local da ponta de detecção da sonda | Medido por uma sonda de fibra óptica instalada em um local de enrolamento selecionado | Fornece dados de temperatura medida naquele local, que podem ser comparados com valores calculados |
A temperatura do óleo no topo não pode representar todos os locais do enrolamento, porque o enrolamento pode estar consideravelmente mais quente que o óleo no topo do tanque, e essa diferença muda com a carga. Os WTIs e os modelos térmicos fornecem informações úteis sobre a temperatura dos enrolamentos, calculadas ou simuladas, enquanto as sondas diretas fornecem dados de temperatura de locais físicos selecionados. As duas abordagens respondem a questões relacionadas, mas diferentes.
Para uma visão mais ampla das abordagens de monitoramento, consulte nossa visão geral do monitoramento de temperatura do transformador .
Por que os pontos quentes do enrolamento são importantes para a vida útil do isolamento do transformador
O isolamento não envelhece uniformemente. A taxa de envelhecimento segue a temperatura local, portanto a região do enrolamento com a temperatura mais alta geralmente contribui mais para a perda de vida útil do isolamento. É por isso que um ponto quente sinuoso é mais importante para o envelhecimento do que uma temperatura média que combina regiões quentes e frias.
Neste contexto, um ponto quente significa o local mais quente dentro do enrolamento, e não um ponto quente na superfície do tanque. O estresse térmico localizado pode se concentrar em certas posições do enrolamento devido à forma como o calor é gerado e como o óleo flui ao redor dos condutores. As causas são abordadas com mais detalhes em nosso artigo sobre o que causa pontos quentes em transformadores , então aqui a questão é simplesmente a ligação com o envelhecimento: uma pequena região que funciona consistentemente mais quente pode atingir um estado de degradação do papel muito mais avançado do que o resto do enrolamento.
Isto tem uma consequência prática. Se uma estimativa ou medição de temperatura subestimar o valor do ponto quente local, o estresse térmico no isolamento também poderá ser subestimado. Onde a temperatura do ponto quente precisa ser conhecida em vez de calculada, o monitoramento direto do ponto quente em locais de enrolamento selecionados fornece dados medidos para comparação.
Como o papel de isolamento do transformador envelhece
O envelhecimento do isolamento do transformador é principalmente o envelhecimento da celulose. A celulose consiste em longas cadeias poliméricas e a degradação térmica quebra gradualmente essas cadeias em cadeias mais curtas. À medida que as correntes encurtam, o papel torna-se mais fraco e quebradiço, o que reduz a sua capacidade de suportar as tensões mecânicas que ocorrem em serviço, como aquelas durante eventos de curto-circuito.
O envelhecimento do papel isolante do transformador é impulsionado por vários processos que atuam em conjunto:
- Degradação térmica: a alta temperatura quebra as cadeias de celulose diretamente, e este é o núcleo do envelhecimento térmico do transformador.
- Umidade: a água no papel acelera a degradação e é liberada como um subproduto do processo, de modo que o envelhecimento pode se autoalimentar.
- Oxigênio e oxidação: o oxigênio no óleo promove a oxidação do óleo e do papel, produzindo ácidos e outros subprodutos que atacam ainda mais o isolamento.
O sistema óleo-papel se comporta como um todo. O óleo degradado pode transportar ácidos e umidade que afetam o papel, e os produtos da degradação do papel entram no óleo. É por isso que as condições do óleo e do papel são consideradas em conjunto nas avaliações de condições.
O Grau de Polimerização (DP) é um indicador utilizado para descrever o estado da celulose, pois reflete o comprimento médio das cadeias de celulose. Geralmente é estimado a partir de amostras de papel ou inferido a partir de indicadores relacionados. A interpretação de um valor DP requer os critérios de referência de uma norma ou diretriz reconhecida e deve ser avaliada juntamente com outras informações de condição, em vez de ser usada isoladamente para avaliar um transformador.
A temperatura é importante, mas não é o único fator de envelhecimento
A temperatura tem forte influência na taxa de envelhecimento do isolamento, mas atua em conjunto com outros fatores. Tratar a temperatura como o quadro completo daria uma visão incompleta do envelhecimento do transformador.
| Fator | Relação com o envelhecimento |
|---|---|
| Temperatura | A temperatura de isolamento mais alta acelera a degradação química da celulose e do óleo. |
| Umidade | A água no papel e no óleo acelera a degradação e pode reduzir a rigidez dielétrica. |
| Oxigênio | Promove a oxidação de óleo e papel, formando subprodutos ácidos. |
| Condição do óleo | O óleo contaminado ou oxidado pode transportar umidade e ácidos que afetam o papel. |
| Carregando histórico | A duração e o nível do carregamento anterior determinam quanto estresse térmico foi acumulado. |
| Desempenho de refrigeração | Altera a quantidade de calor removida e, portanto, a temperatura atingida em uma determinada carga. |
| Condição de isolamento | O isolamento já degradado pode responder de maneira diferente a maiores tensões térmicas e mecânicas. |
Esses fatores interagem. Por exemplo, a umidade torna uma determinada temperatura mais prejudicial, e temperaturas mais altas tendem a expulsar a umidade do papel para o óleo. Devido a essas interações, os dados de temperatura são mais úteis quando lidos juntamente com os outros itens da tabela.
Como o envelhecimento do transformador é monitorado?
Nenhum sensor pode medir completamente o envelhecimento do transformador. O envelhecimento é o resultado acumulado de muitas influências ao longo dos anos, pelo que a sua avaliação baseia-se em vários tipos de informação:
- Histórico de temperatura, incluindo temperaturas do topo do óleo e do enrolamento
- Temperatura do ponto quente do enrolamento, calculada ou medida
- Indicadores de condição do óleo
- Análise de gases dissolvidos (DGA)
- Umidade no óleo e isolamento
- Análise de furano
- Testes de condição de isolamento
- Histórico de operação e carregamento
O monitoramento de temperatura contribui com uma parte deste quadro: a quanto estresse térmico o isolamento foi submetido e como esse estresse varia com a carga e as condições de resfriamento. Os outros métodos da lista descrevem a condição resultante do óleo e do papel. Usados em conjunto, proporcionam uma base mais equilibrada para a avaliação da condição do que qualquer um deles isoladamente.
Medição direta de temperatura de enrolamento e envelhecimento térmico
A temperatura do enrolamento é frequentemente estimada em vez de medida. Abordagens comuns usam a temperatura do topo do óleo, a corrente de carga, um modelo térmico ou um WTI para calcular a temperatura do enrolamento. Esses métodos são amplamente utilizados e fornecem informações úteis, mas o resultado é um valor calculado com base nas suposições do modelo. Para uma comparação de métodos, consulte nosso artigo sobre como a temperatura do enrolamento do transformador é medida .
A detecção direta de ponto funciona de maneira diferente. Uma sonda é instalada com sua ponta sensora em um local de enrolamento selecionado e a medição retorna a temperatura real naquele ponto. Com uma sonda de fibra óptica baseada em fluorescência, a temperatura é derivada do comportamento de fluorescência do material na ponta de detecção, e a fibra óptica transporta o sinal para fora do transformador.
Para aplicações de enrolamento, um sensor de temperatura de enrolamento de fibra óptica oferece diversas características adequadas ao ambiente:
- Medição direta de temperatura em um local selecionado
- Isolamento elétrico do caminho de detecção óptica
- Alta resistência à interferência eletromagnética
- Configurações multiponto, utilizando diversas pontas de prova independentes
Onde vários locais de enrolamento precisam de dados de temperatura de longo prazo, múltiplas sondas podem ser conectadas a um sistema de monitoramento de temperatura de transformador imerso em óleo , que registra os canais juntos e rastreia como eles mudam com as condições de carga e resfriamento.
Esses sensores não medem o envelhecimento do isolamento. Eles fornecem dados reais de temperatura do enrolamento e dados de temperatura de pontos quentes nos locais de detecção selecionados, juntamente com tendências de temperatura sob mudança de carga e resfriamento. Esses dados são uma entrada para avaliar o estresse térmico e para compreender as condições sob as quais o transformador envelhece.
Importante: a medição de pontos não localiza automaticamente todos os pontos quentes
Uma sonda de temperatura de fibra óptica fluorescente mede o local físico onde sua ponta de detecção está instalada. Não é um sensor distribuído e a fibra entre a ponta sensora e o instrumento não mede a temperatura ao longo de seu comprimento. Uma sonda mede uma posição definida.
As sondas de fibra óptica podem medir diretamente a temperatura em locais de enrolamento selecionados ou previamente identificados, incluindo locais que se espera serem termicamente críticos. Eles não encontram automaticamente um ponto de acesso desconhecido. Se vários locais necessitarem de medição direta, serão necessárias diversas sondas.
A colocação do sensor, portanto, deve ser considerada durante o projeto do transformador, fabricação e testes de fábrica, ou durante uma revisão de engenharia de locais de medição acessíveis. As sondas de enrolamento interno geralmente não podem ser adicionadas a um transformador imerso em óleo em operação após o fato.
Novos transformadores versus transformadores existentes
As opções práticas diferem entre um transformador novo e um já em serviço.
Novos transformadores: Sondas de enrolamento direto podem ser planejadas antes da montagem final quando o projeto do transformador permitir. A localização das sondas pode ser acordada com o projetista, roteada e protegida durante a fabricação e verificada durante os testes de fábrica.
Transformadores existentes: O acesso ao enrolamento interno geralmente é limitado e não se pode presumir que as sondas internas possam ser adaptadas. A avaliação da temperatura pode basear-se mais em instrumentos existentes, na medição do top oil, num WTI, em medições externas e em quaisquer pontos de monitorização já disponíveis.
Quais dados de temperatura são úteis para avaliação de envelhecimento de transformadores?
Fontes de dados diferentes respondem a perguntas diferentes. A tabela abaixo não é uma classificação, pois cada entrada contribui com algo diferente para a avaliação do envelhecimento.
| Medição/Indicador | O que mostra | Direto ou Indireto | Limitação Principal |
|---|---|---|---|
| Temperatura superior do óleo | Temperatura do óleo na parte superior do tanque | Medição direta de óleo, indireta para enrolamento | Não representa temperaturas locais do enrolamento |
| WTI/modelo térmico | Temperatura do enrolamento calculada ou simulada | Indireto | Depende das suposições e calibração do modelo |
| Sonda de fibra óptica de enrolamento direto | Temperatura real em um local de enrolamento selecionado | Direto | Mede apenas um ponto e o posicionamento deve ser planejado |
| Sondas de múltiplos enrolamentos | Temperaturas em vários locais selecionados | Direto | Abrange apenas os locais onde as sondas estão instaladas |
| Carregar histórico | Quão pesadamente o transformador foi carregado ao longo do tempo | Indicador indireto de estresse térmico | Não captura condições de resfriamento ou temperatura local |
| DGA/indicadores de condição do óleo | Propriedades de gases e óleos que refletem degradação ou falhas | Indireto | Mostra a condição resultante, não a temperatura que a causa |
| Avaliação de furano/isolamento | Indicadores relacionados à degradação do papel | Indireto | A interpretação depende do histórico do óleo e dos critérios de referência |
Conclusão
O envelhecimento do transformador é fortemente afetado pelas condições térmicas experimentadas pelo sistema de isolamento, e o efeito é maior onde as temperaturas são mais altas. A temperatura do ponto quente do enrolamento fornece informações que a temperatura média do óleo por si só não pode representar completamente, e é por isso que aparece com tanto destaque nas discussões sobre a vida térmica do transformador.
A medição pontual direta fornece dados reais de temperatura em locais físicos selecionados e pode ser comparada com valores calculados de um WTI ou modelo térmico. Não mede o envelhecimento em si. Os dados de temperatura devem ser considerados juntamente com umidade, condição do óleo, histórico de carga e outras informações sobre a condição do transformador.
Se a medição da temperatura do enrolamento ou do ponto quente fizer parte de um projeto de monitoramento do transformador, a INNO pode ajudar a revisar os locais de medição, a configuração da sonda e os canais de monitoramento necessários.
Discuta seu projeto de monitoramento de temperatura do transformador