Thematic Analysis

• Apresentar, de forma concisa, a defini¸c˜ao dos fenˆomenos de curto-circuito e cor- rente de inrush, considerados nesta tese, associando-os aos esfor¸cos eletromecˆa- nicos decorrentes de tais fenˆomenos;

• Apresentar uma s´ıntese das ferramentas dispon´ıveis para efetuar a modelagem de transformadores, dando-se o destaque necess´ario `aquelas que foram utilizadas nos trabalhos descritos nesta tese. Salienta-se que, para a escolha das ferramentas computacionais, dentre outros aspectos, foram consideradas as potencialidades dos programas, enfatizando aqueles que atendessem `as necessidades no que se refere aos c´alculos das grandezas el´etricas, magn´eticas e mecˆanicas.

2.2

An´alise de falhas em transformadores

Falhas em transformadores s˜ao decorrentes de diferentes causas e condi¸c˜oes tanto de instala¸c˜ao como operativas. De um modo geral, no entanto, estas podem ser clas- sificadas como sendo de origens el´etricas, mecˆanicas e t´ermicas [3]. Nessa linha de pensamento, a tabela 2.1 relaciona causas t´ıpicas de falhas em transformadores, uti- lizando como forma de classifica¸c˜ao a sua natureza, ou seja, se devida a causas internas ou externas ao equipamento.

Tabela 2.1: Causas t´ıpicas de falhas em transformadores.

Interna Externa

Deteriora¸c˜ao do sistema isolante Descargas atmosf´ericas

Perda da press˜ao dos enrolamentos Opera¸c˜ao de chaveamento

Sobreaquecimento Sobrecarga

Umidade Faltas no sistema (curto-circuito)

Contamina¸c˜ao do ´oleo isolante Descargas parciais

Defeitos de projeto e fabrica¸c˜ao

Ressonˆancia dos enrolamentos

Adicionalmente `as falhas relacionadas na tabela anterior, tamb´em podem ocorrer falhas nas buchas, nos tap’s e outros acess´orios dos transformadores.

A figura 2.1 ilustra a curva que expressa uma estimativa do n´umero das falhas em fun¸c˜ao do tempo de vida para transformadores de potˆencia. Esta ´e denominada curva de “modelo de falhas” de transformadores (ou curva “bathtub”) e evidencia que os per´ıodos mais cr´ıticos, em termos de probabilidade de falha de um transformador, ocorre no in´ıcio de sua opera¸c˜ao e depois de decorridos alguns anos de funcionamento do equipamento.

2.2 An´alise de falhas em transformadores 18 Anos de operação N ú m er o s d e fa lh as

Modelo característico de falhas em transformadores

Figura 2.1: Curva de falhas em transformador “bathtub”.

A referˆencia [3] descreve a curva “bathtub” da seguinte forma: a primeira parte refere-se `as desativa¸c˜oes que sucedem nos primeiros anos de vida e, que podem estar relacionadas com qualquer tipo de falta de natureza interna (como por exemplo, defeitos causados por falhas de projeto ou de constru¸c˜ao) ou externa; a segunda parte da curva apresenta uma taxa de ocorrˆencia de falhas baixa e, praticamente, constante que tamb´em pode estar associada a qualquer tipo de falta; e a ´ultima parte corresponde `as falhas devido ao envelhecimento dos dispositivos. Neste caso, os defeitos podem estar relacionados, principalmente, com a perda da resistˆencia mecˆanica do sistema de isola¸c˜ao dos enrolamentos, que tendem a degradar-se com envelhecimento.

Os custos relacionados com reparo/substitui¸c˜ao das unidades transformadoras avari- adas, principalmente as de potˆencia, s˜ao muito altos. Para ilustrar essa quest˜ao, foi realizado um levantamento entre os anos de 1997 e 2001 com o objetivo de obter in- forma¸c˜oes sobre desativa¸c˜oes de transformadores de potˆencia associando-as a causas e custos. Concession´arios de diversos pa´ıses participaram dessa pesquisa enviando as informa¸c˜oes requeridas. Do total de casos obtidos junto `as empresas colaboradoras, 94 continham informa¸c˜oes conclusivas que propiciaram a cria¸c˜ao de um banco de dados e os registrados de desativa¸c˜oes foram convertidos em gastos anuais. Os resultados desta pesquisa est˜ao sintetizados na referˆencia [2], na forma de gr´aficos e tabelas. A tabela 2.2 associa o custo total de cada causa de falhas ao n´umero de ocorrˆencias.

2.2 An´alise de falhas em transformadores 19

Tabela 2.2: Custos de falhas.

Causas das falhas N´umero D´olares pagos

Falhas na isola¸c˜ao 24 $149,967,277 Projeto/material 22 $64,696,051 Desconhecido 15 $29.776.245 Contamina¸c˜ao do ´oleo 4 $11.836.367 Sobrecarga 5 $8,568,768 Fogo/explos˜ao 3 $8,045,771 sobretens˜ao 4 $4,959,691 Manuten¸c˜ao incorreta 5 $3,518,783 Inunda¸c˜ao 2 $2,240,198 Perda de conex˜ao 3 $2,186,725 Descargas atmosf´ericas 3 $657,935 Umidade 1 $175,000 Total 94 $286,628,811

A figura 2.2 evidencia as maiores causas de falhas mostradas na tabela 2.2 [2] e, portanto, que demandam maiores recursos financeiros. O n´umero de falhas para cada situa¸c˜ao est´a indicado no eixo das abscissas e a ordenada representa a remunera¸c˜ao gasta para os v´arios tipos de defeitos. Esta tendˆencia apresentada no gr´afico ´e deno- minada “curva F-N” (“curva freq¨uˆencia - n´umero”).

Desconhecido Falhas na isolação Projeto/material $100.000 $1.000.000 $10.000.000 $100.000.000 $1.000.000.000 0 5 10 15 20 25 30

Número de falhas por caso

C u s to d a s fa lh a s (d ó la re s )

Figura 2.2: Gr´afico de custos em rela¸c˜ao ao n´umero de falhas.

Pode-se observar no gr´afico que a isola¸c˜ao foi o respons´avel pelo maior n´umero de registros de falhas e, por conseguinte, pelos maiores gastos, alcan¸cando a exorbitante quantia de 150 milh˜oes de d´olares. A referˆencia considera que as causas de falhas na isola¸c˜ao podem ser de origem externa (por exemplo, curtos-circuitos) ou interna devido a isola¸c˜ao inadequada ou defeituosa. O custo total envolvendo todas as categorias de

2.2 An´alise de falhas em transformadores 20

falhas, no per´ıodo de realiza¸c˜ao da pesquisa, ultrapassou os 280 milh˜oes de d´olares. A tabela 2.3 apresenta os dados obtidos em uma outra pesquisa [23], envolvendo transformadores de potˆencia. Embora a pesquisa n˜ao mostre os recursos financeiros envolvidos, a mesma foi realizada com o objetivo de estabelecer estat´ısticas de falhas de transformadores de potˆencia relacionando-as com os componentes eletromecˆanicos atingidos.

Tabela 2.3: Percentual de faltas para falhas em transformadores de potˆencia.

Componente CIGRE CEA Doble ZTZ-Service Africa do Sul´

Engineering clients

Buchas/acess´orios 29 29 35 45 14

Tap-changer 15 39 16 9 24

Isola¸c˜ao principal 12 16 9 17 30

Enrolamento (envelhecimento) 31 16 16 12 17

Enrolamento (deforma¸c˜ao) 31 16 12 10 17

N´ucleo 2 10 7 7 15

* CEA: Canadian Electricity Association - Canad´a ;* ZTZ-Service: Scientific and Engi- neering Centre - Ucrˆania.;* Doble Engineering

A tabela permite constatar que, al´em dos componentes que a princ´ıpio seriam mais pass´ıveis de falhas, outros, a exemplo do n´ucleo magn´etico, tamb´em apresentam um ´ındice significativo de defeito. Quanto `as falhas diel´etricas, considera-se que algumas delas iniciam-se com os movimentos mecˆanicos dos enrolamentos que, segundo a refe- rˆencia, poderiam ser evitados por meio do monitoramento das condi¸c˜oes mecˆanicas dos enrolamentos e do n´ucleo.

Uma outra pesquisa, desta vez focando transformadores de distribui¸c˜ao e, em n´ıvel nacional, foi realizado pela COELBA (Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia) [24], objetivando levantar as taxas de falha dos transformadores de suas regionais. O levantamento foi realizado em 1309 transformadores substitu´ıdos devido `a ocorrˆencia de falhas. O resultado do levantamento est´a resumido na tabela 2.4, que apresenta o percentual de faltas relacionado com o tipo de falha detectada nas unidades transfor- madoras analisadas.