DIRANA MARCELO SP [Modo de Compatibilidade]

Diagnostic Measurements on Power Transformers
Processo de Envelhecimento
Relative
Relative
Depolymerisationsgeschwindigkeit
Velocity of Depolimerization
1000
Água em Transformadores de
Potência
80 °C
100 °C
100
120 °C
10
1
0
1
2
[%]
3
4
Wassergehalt
Water
Content in im
the Papier
Paper
Fontes Riscos e Métodos de Medida
Calor e água aceleram o processo de
envelhecimento
May 10
Riscos da umidade em transformadores
•Envelhecimento Térmico
1. Degradação do Dielétrico
- Descargas Parciais
- Tensão de ruptura
Geração
de
Umidade
•Envelhecimento Mecânico
•Envelhecimento Quimico
2. Envelhecimento acelerado
do papel (celulose)
- Despolimerização por hidrolise
- Esforços mecânicos devido as
correntes de curto circuito
podem destruir o enrolamento
75
TAN 0,01
TAN 0,10
TAN 0,3
TAN 0,49
70
60
50
0
5
10
15
20
Moisture Saturation / %
1000
Life expectance / a
•Envelhecimento Dielétrico
Breakdown Voltage / kV
Envelhecimento do Isolamento
Dr
y
1%
100
10
2%
3%
L. E. Lundgaard, “Aging of oil-impregnated paper in power transformers”,
IEEE Transactions on Power Delivery, Jan. 2004
1
4%
Umidade externa no ambiente do transformador
0,1
50
May 10
May 10
Envelhecimento do Papel
• Devido o envelhecimento temos a quebra
das móleculas do papel
(despolimerização)
O resultado
• Água
• Gases (CO, CO2)
• Grupo dos Aldeídos (Alcalinos)
• Grupos Carbônicos (ácidos orgânicos)
C
CH
OH
O
H
OH
H
O
CH
20 °C
30 °C
40 °C
9
H 2COOH
C
CH
H
C
C
C
C
H
OH
H
May 10
© Omicron Electronics GmbH, October 2004
50 °C
8
7
O
CH
• Amostra de óleo é
crítica
low
6
60 °C
5
Temperature
4
80 °C
high
3
2
H
OH
H2COOH
110
130
Temperature / °C
• As curvas são válidas
apenas para pape e
óleos novos, para o
óleo e papel antigos
curvas diferentes são
necessárias
11
[%]
H 2O
90
Determinação do Conteúdo de Água no
Papel [Titulação por Karl Fischer e Curvas de Equilíbrio]
Water Content in the Paper
o
70
100°C
1
0
0
10
20
30
40
50
60
W ater Content in the Oil
70
[ppm]
90
• Equilíbrio entre o teor
de água no papel e no
óleo necessita de
controle de
temperatura durante
um longo perído
• Apenas medida média
May 10
Michael Krüger e
Marcelo Paulino São Paulo
maio/2010 1
Diagnostic Measurements on Power Transformers
Determinação do Conteúdo de Água no
Papel [Teste da Capacitância e Curvas de Equilíbrio]
Domínio do Tempo:
Correntes de Polarização/Despolarização PDC
Baseado no equilíbrio da umidade
Umidade ralativa a saturação
upper porous electrode
polymer film
Resultado: 0-100 %
Possibilidade de erros:
Difusão de outros produtos
Corrosão de eletrodos
Calibração é necessária
Umidade no Papel [%]
bottom electrode, glass substrate
6
5
4
21°C%P
2
Uc (t)
ipol (t)
high
100
low
Ipol
10
low
80°C%P
20
30
1
Calibração do óleo é
essencial
0
10
high
Idep
60°C%P
0
t
idep (t)
1000
40°C%P
1
σ

I pol (t ) = C0U 0  0 + ε (∞ )δ (t ) + f (t )
 ε0

TC
Calculo por ppm (µg/g)
coeficiente especificos do óleo
3
U, I
Filme higroscópico
Muidança da capacitância
Current / nA
diffusion
40
oil
insulation
conductivity geometry
Umidade relativa por saturação [%]
0,1
1
10
100
moisture
and aging of
cellulose
May 10
Domínio da Frequência:
Frequency Domain Spectroscopy FDS
Propriedades do Dielétrico
σ
tan δ (ω ) =
Guard
1
high
low
high
moisture,
aging of
cellulose
Interpretação
0,1
0,01
0,001
0,001
low
high
insulation
geometry
Voltage
Source
Dissipation factor
Influenciados por:
Geometria do
Isolamento
Temperatura
Umidade
Envelhecimento
0
+ χ ′′(ω )
C ′′(ω ) ε ′′(ω ) ε 0ω
=
=
C ′(ω ) ε ′(ω ) ε ( ∞ ) + χ ′(ω )
moisture and
aging of cellulose
Complex
Capacitance C
~
0,01
oil
conductivity
0,1
1
Rampa : conductividade do óleo
Topo : Geometria do isolalmento
Baixas frequencias : umidade e
envelhecimento
low
10
100 1000
Frequency / Hz
May 10
May 10
Superposição do Fenômeno Dielétrico
Óleo
Papel
Corrente em larga faixa de
freqüência, p.ex.
1 mHz – 1 kHz
Dado como fator de
dissipação ou capacitância ou
permissividade

σ

I (ω ) = jω C0 ε ( ∞ ) + χ ′(ω ) − j  0 + χ ′′(ω )  U (ω )
 ε 0ω


Medida das propriedades:
Condutividade do papel e óleo
Polarização Interfacial
A
Corrente no dominio do tempo
durante carga e descarga
Interpretação
Tempo curto: condutividade
do óleo
Médio : geometria do
isolamento
Tempo longo: umidade e
envelhecimento
1000
10000
Time / s
May 10
Current
input
I dep (t ) = −C0U 0 [ f (t ) − f (t + tC ) ]
Medias no Domínio da Frequencia
Polarização Interfacial
DF
DF
10.0
1pS/m@20°C
X/Y=30/15%
0.10
0.10
0.01
0.01
0.001
0.001
Fonte de Tensão
~
0.30
3
0.200
DF
10.0
1.00
1.00
0.500
• Fator de Dissipação no domínio
da freqüência
2
0.100
0.050
Medidor corrente
1
0.020
0.010
0.005
0.001
0.0001
0.0001
0.01
0.1
1.0
10.0
100
f/Hz
AT
0.001 0.010 0.100
f/Hz
10.00 100.00
1.00
0.001 0.010 0.100
1.00
f/Hz
10.00 100.00
BT
Guarda
Antigo/Úmido
P re ss b o a rd
O il
c o n d u c tivity
In s u la tio n
G e o m e try
P re s s b o a rd
Novo
DF
DF
5.00
30/15%@20°C
DF@50Hz=0,23%
0.10
3%, 43pS@50°C
DF@50Hz=1,5%
10.00
3%, 10pS@20°C
DF@50Hz=0,4%
1.00
0.30
Quente Antigo Úmido
Isolamento principal
10
?
1
0,1
0,01
Tanque
1.00
0,001
0,00010,0010,01 0,1
0.50
0.20
0.10
Dissipation factor
1%@20°C
1.000
0.10
0.05
0.03
1
10 100 1000
Frequency (Hz)
0.02
0.01
DF
0.01
0.01
0.001
0.010
0.100
1.000
10.000
100.000
f/Hz
0.001
0.010
0.100
1.000
10.000
100.00
f/Hz
0.001
0.010
0.100
1.000
10.00
100.00
f/Hz
Discriminação é necessária!
May 10
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May 10
Michael Krüger e
Marcelo Paulino São Paulo
maio/2010 2
Diagnostic Measurements on Power Transformers
Interpretação no Domínio da
Freqüência
Dissipation factor
Papel: água,
acidez por
contaminação
Geometria do
isolamento
Esquema para medida com 2 canais em
transformador de 3 enrolamentos
óleo:
degradação,
condutividade
10
1
Resposta Global
0.1
1%, 1pS/m, X30, Y15
0.01
0.001
0.0001
0.0001
0.001
0.01
0.1
1.0
10
100
1000
f/Hz
May 10
May 10
Combinação dos Doomínios do Tempo e
Freqüência
Característica e avaliação
DIRANA – técnica
patenteada
1. f > 0.1 Hz
- domínio freqüência,
2. f < 1 Hz
-domínio tempo
3. Transformação do dado de
tempo no domínio da
freqüência
22 min para range:
1 kHz - 1 mHz
May 10
Economia de Tempo pela Combinação
dos métodos de PDC e FDS
May 10
Análise da Umidade baseada em Comparação
Duração da medida para freqüências até 100 µHz
May 10
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May 10
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Marcelo Paulino São Paulo
maio/2010 3
Diagnostic Measurements on Power Transformers
Work of CIGRÈ and IEEE
Ajuste da Avaliação
Check box:
Variaveis calculada pelo software
• TF D1.01.09 "Dielectric Response Methods for Diagnostics of Power
Transformers" 2004
"the dielectric response measurements provide valuable information on the
state of oil-paper insulation in power transformers, in particular the
moisture content. All the dielectric response methods compared (RVM, FDS,
PDC) reflect the same fundamental polarisation and conduction
phenomena."… "For the RVM technique, the old interpretation based only
on simple relationship between the dominant time constant of the
polarisation spectrum and the water content in cellulose is not correct."
Requerido:
Temperatura do óleo
• TF D1.01.14 "Dielectric Response Diagnosis" 2008
Opcional:
Geometria XY
•
•
•
•
Opcional:
conductividade do óleo
•
•
PDC, FDS together
Inaccuracy of Karl Fischer Titration
Influence of acids
Quantification of possible errors
Case studies
"Moisture content in aged insulations can be significantly
overestimated and improvements are desired."
www.e-cigre.org
May 10
May 10
Avaliação da Umidade
Observe a diferença
na comparação
Medida em,Transformador novo de
200MVA
Resultado:
Contúdo de Umidade
Avaliação pela
IEC 60422
May 10
May 10
Medida em,Transformador novo de
200MVA
Aplicações em Campo
Transformadores
Análise do conteúdo de umidade
Monitoramento da umidade
Buchas
Umidade
Envelhecimento pelo ambiente
temperatura
umidas
0.6 %
secas
Isolamento de Cabos,
Gerador, Motor
e TCs
Bucha RIP armazenada sobre
condições umidas e depois secas
May 10
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May 10
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Marcelo Paulino São Paulo
maio/2010 4
Diagnostic Measurements on Power Transformers
Medidas em Transformador de 200 MVA
Medidas em Transformador de 200 MVA
Decisão
Secagem do
Transformador
May 10
Medidas em Transformador de 200 MVA
May 10
Measurement on a 200 MVA Transformer
Antes da
secagem
2.6 %
Depois da
secagem
1.5 %
• Motivação: contaminação
pelo envelhecimento e
umidade
1
low
high
low
high
0,001
0,001 0,01
0,1
oil
conductivity
1
• Interpretação: Baixas freqüências são
importantes
• Medidas rápidas pela combinação do domínio
do tempo e freqüência
• Avaliação da umidade baseada em normas
internacionais
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low
10
100 1000
Frequency / Hz
• Arranjo para medidas: Utilização de dois canais
de medida
May 10
moisture,
aging of
cellulose
0,1
0,01
• Diagramas de equilibio tradicionais
superestimam a umidade
high
moisture and
aging of cellulose
Conclusões
Dissipation factor
Medidas em Transformador de 200 MVA
May 10
insulation
geometry
May 10
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Marcelo Paulino São Paulo
maio/2010 5
Diagnostic Measurements on Power Transformers
Obrigado pela sua atenção!
Questões?
Marcelo Paulino
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Michael Krüger e
Marcelo Paulino São Paulo
maio/2010 6