O Estado da Arte das Aplicações para Diagnóstico de Umidade em Transformadores de Potência Marcelo E. de C. Paulino

Diagnosis of Tranformer On-load Tap Changers 29 November 2006 Envelhecimento do Isolamento Envelhecimento Térmico Envelhecimento Dielétrico Envelhecimento Mecânico Envelhecimento Quimico Geração de Umidade Umidade externa no ambiente do transformador Marcelo Paulino – mecpaulino@yahoo.com.br Paper 4 -

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) Marcelo Paulino – mecpaulino@yahoo.com.br

Diagnosis of Tranformer On-load Tap Changers 29 November 2006 Processo de Envelhecimento Water Content in the Paper Relative Velocity of Depolimerization Calor e água aceleram o processo de envelhecimento Marcelo Paulino – mecpaulino@yahoo.com.br Paper 4 -

Propriedades do Dielétrico Medida das propriedades: Condutividade do papel e óleo Polarização Interfacial Influenciados por: Geometria do Isolamento Temperatura Umidade Envelhecimento Complex Capacitance C Drawing of a cylindrically shaped transformer insulation with oil ducts. Measurement voltage applied to the HV winding, current flows through main insulation to LV winding and back to the instrument where it is measured. Current in the range of micro, nano and pico ampere! Properties measured are conductivity of cellulose and oil and the interfacial polarization effect. Interfacial polarization happens, if two materials with different conductivity and permittivity (oil and cellulose) are within one dielectric. So the ions in oil travel to the opposite electrode and form a charge cloud which can be measured externally as a polarization effect. Polarization and conductivity are effected by insulation geometry… Current input A ~ Voltage Source Guard Marcelo Paulino – mecpaulino@yahoo.com.br

Superposição do Fenômeno Dielétrico Óleo f/Hz 0.001 0.010 0.100 1.00 10.00 100.00 DF 0.0001 0.01 0.10 10.0 1pS/m@20°C f/Hz 0.001 0.010 0.100 1.00 10.00 100.00 DF 0.0001 0.01 0.10 10.0 X/Y=30/15% Polarização Interfacial 0.30 Papel f/Hz 0.001 0.01 0.1 1.0 10.0 100 DF 0.005 0.010 0.020 0.050 0.100 0.200 0.500 1.000 1%@20°C 3 2 1 Novo Antigo/Úmido Quente Antigo Úmido

Domínio do Tempo: Correntes de Polarização/Despolarização PDC Corrente no dominio do tempo durante carga e descarga Interpretação Tempo curto: condutividade do óleo Médio : geometria do isolamento Tempo longo: umidade e envelhecimento

Domínio da Frequência: Frequency Domain Spectroscopy FDS Interpretação Rampa : conductividade do óleo Topo : Geometria do isolalmento Baixas frequencias : umidade e envelhecimento

Medidas no Domínio da Freqüência Tanque Guarda AT BT Fonte de Tensão Isolamento principal ~ Medidor corrente 0,001 0,01 0,1 1 10 0,0001 100 1000 Frequency (Hz) Dissipation factor Fator de Dissipação no domínio da freqüência ?

Combinação dos Domínios do Tempo e Freqüência DIRANA – técnica patenteada f > 0.1 Hz - domínio freqüência, f < 1 Hz -domínio tempo Transformação do dado de tempo no domínio da freqüência 22 min para range: 1 kHz - 1 mHz Results in frequency domain are directly displayed. Results from time domain are at first transformed to frequency domain and then displayed. Time domain data (polarization current) can be shown as well. Marcelo Paulino – mecpaulino@yahoo.com.br

Esquema para medida com 2 canais em transformador de 3 enrolamentos Green: time required to get results down to 0,1mHz Blue: frequency span as supplied by the methods. PDC alone can only provide frequency results below 1Hz. So now comparability is given to power frequency measurements. Marcelo Paulino – mecpaulino@yahoo.com.br

Característica e avaliação The curve itself looks similar for all multilayer oil-paper-insulations. However, it shifts to the right at high moisture content or temperature and is fare at the left at cold temperatures or dry insulations. Since the frequency points left of the "hump" reflect moisture content, they should be reached for later moisture determination.  Required measurement time to get the "hump" and some more points depends on the condition of the specific transformer!

Análise da Umidade baseada em Comparação Moisture determination bases on a comparison of the dielectric properties of the real transformer to modeled dielectric properties. The model bases on laboratory measurements on pressboard samples (upper right photograph) and the conductivity of oil. Both are combined by the XY-model taking into account the geometry condition of the transformer and the insulation temperature. A fitting algorithm arranges the modeled dielectric properties in order to get a good agreement to the measured dielectric properties. The best fitting curve provides the moisture content and oil conductivity of the real transformer. Here you can demonstrate how the software works using the link to C:\Program Files\OMICRON\DIRANA\Dirana.exe

Aplicações em Campo Transformadores Análise do conteúdo de umidade Monitoramento da umidade Buchas Umidade Envelhecimento pelo ambiente temperatura umidas Water determination at oil-paper-insulated power transformers is the major field of application, however the dielectric response of all kind of solid or liquid insulation can be measured. The data can be evaluated only qualitatively, not quantitatively providing water content. Example: Drying of resign-impregnated-paper-bushings. secas Isolamento de Cabos, Gerador, Motor e TCs Bucha RIP armazenada sobre condições umidas e depois secas

Considerações Finais Motivação: contaminação pelo envelhecimento e umidade Diagramas de equilíbrio tradicionais superestimam a umidade Arranjo para medidas: Utilização de dois canais de medida Interpretação: Baixas freqüências são importantes Medidas rápidas pela combinação do domínio do tempo e freqüência Avaliação da umidade baseada em normas internacionais Marcelo Paulino – mecpaulino@yahoo.com.br

Obrigado pela sua atenção ! Eng. Marcelo Paulino mecpaulino@yahoo.com.br +55 21 93741232