Sistemas de alívio de pressão e detecção de falhas de transformadores

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1. Introdução

 

Em transformadores-imersos em óleo, as alterações de pressão interna são uma parte normal da operação. À medida que o óleo do transformador aquece e esfria durante os ciclos de carga, o espaço selado do gás dentro do tanque se expande e contrai, causando flutuações graduais de pressão dentro do invólucro do transformador. Sob condições normais de operação, essas mudanças de pressão ocorrem lentamente e estão associadas principalmente à variação da temperatura ambiente e à carga do transformador.

No entanto, as falhas elétricas internas criam um comportamento de pressão completamente diferente. Eventos como falhas nos enrolamentos ou arcos internos podem decompor rapidamente o óleo isolante em gás, produzindo uma onda de pressão repentina dentro do tanque. Como esses aumentos de pressão{2}}gerados por falhas ocorrem em milissegundos, os transformadores exigem não apenas dispositivos de alívio de pressão, mas também sistemas dedicados de detecção de falhas, capazes de identificar comportamento anormal de pressão antes que ocorra uma falha catastrófica no tanque.

Por esta razão, os sistemas modernos de proteção de transformadores são geralmente divididos em duas categorias principais:

• Sistemas de alívio de pressão
• Sistemas de detecção de falhas

Essa filosofia de proteção em camadas é amplamente refletida nos padrões IEEE C57 e nas práticas de projeto de transformadores IEC 60076.

 

2. Alívio de pressão versus detecção de falhas

 

Embora os termos “alívio de pressão” e “detecção de falhas” sejam algumas vezes usados ​​indistintamente na indústria de transformadores, eles servem funções fundamentalmente diferentes.

Um dispositivo de alívio de pressão do transformador é projetado para liberar fisicamente a pressão excessiva do tanque, a fim de evitar deformação mecânica ou ruptura do tanque do transformador. Esses dispositivos respondem principalmente à magnitude da pressão e formam a base dos sistemas de proteção de pressão do transformador.

Os dispositivos de detecção de falhas, por outro lado, monitoram a velocidade ou as características da mudança de pressão associada a falhas elétricas internas. Em vez de liberar pressão, eles geram sinais de alarme ou desarme para isolar o transformador do sistema de potência.

Esta distinção torna-se cada vez mais importante à medida que o tamanho do transformador e o nível de energia da falta aumentam.

 

Tabela 1 – Diferença entre Alívio de Pressão e Detecção de Falhas

3. Dispositivos de alívio de pressão do transformador

 

3.1 Válvula de Alívio de Pressão (PRV)​​​​​​​

A Válvula de Liberação de Pressão foi projetada para proteger o tanque do transformador contra pressão excessiva em seu interior. Assim que a pressão no tanque atingir a pressão de liberação, a válvula abrirá automaticamente para liberar o gás até que a pressão caia para a pressão segura. Além disso, sempre que necessário, os usuários podem operar manualmente a válvula de alívio de pressão em aplicações de transformadores, puxando o anel operacional para reduzir a pressão interna.

De acordo com a prática do IEEE, a pressão de abertura típica para um projeto de transformador PRV é de aproximadamente 10 PSIG ±2 PSIG, enquanto as aplicações CSA geralmente usam configurações de pressão mais baixas. Depois que a pressão é aliviada, a válvula de alívio de pressão nos sistemas de transformador fecha automaticamente para manter a integridade do tanque do transformador.

 

Devido à sua construção simples e operação confiável, o PRV é amplamente utilizado em:

• Transformadores-montados em poste
• Transformadores-montados em pad
• Transformadores de distribuição{0}}imersos em óleo
• Subestações de pequenas unidades

 

Em comparação com sistemas PRD de transformadores maiores, os PRVs são geralmente preferidos para transformadores de kVA mais baixos, onde o aumento de pressão é relativamente moderado e previsível. Em muitas aplicações de transformadores de distribuição, a válvula PRV em tanques de transformadores continua sendo a forma mais comum de proteção básica de pressão mecânica.

3.2 Dispositivo de Alívio de Pressão (PRD)

Os dispositivos de alívio de pressão (PRDs) têm essencialmente a mesma finalidade das válvulas de alívio de pressão (PRVs): eles protegem o tanque do transformador contra pressão interna excessiva. Na prática, porém, os PRDs são mais comumente associados a classificações de potência maiores. Normalmente você não vê um PRD instalado em transformadores abaixo de 1.500 kVA, embora não haja nada tecnicamente errado em usar um em unidades menores se a aplicação exigir.

A maioria dos PRDs são montados na parte superior do tanque do transformador, onde o gás interno ou o acúmulo de pressão podem ser liberados rapidamente durante uma condição de falha.

A terminologia pode ser confusa porque “dispositivo de alívio de pressão” é frequentemente usado como um termo geral da indústria para PRVs e PRDs. Na maioria dos casos, os PRVs são usados ​​em transformadores de distribuição menores, enquanto os PRDs são mais comuns em unidades maiores ou aplicações que exigem resposta de pressão e indicação de falhas mais rápidas.

Um dispositivo de alívio de pressão do transformador desempenha a mesma função fundamental de um PRV - aliviando a pressão interna excessiva -, mas normalmente é projetado com maior capacidade de fluxo, tempo de resposta rápido, desempenho de vedação confiável e alarme opcional ou funções de monitoramento. Projetos PRD avançados fornecem pressão de abertura precisa, tempo de operação curto, desempenho externo confiável-de longo prazo e vedação eficaz contra entrada de umidade, poeira e ar, ajudando a manter a pressão positiva do tanque e melhorar a confiabilidade operacional do transformador.

 

Uma grande vantagem dos PRDs{0}montados em cobertura é a capacidade de monitoramento. Muitos conjuntos de dispositivos de alívio de pressão de transformadores incluem:

• Semáforos visuais ou indicadores de operação
• Contatos de alarme remoto
• Saídas de monitoramento-compatíveis com SCADA

 

Isto torna os PRDs especialmente adequados para subestações de serviços públicos e sistemas de energia industriais onde o monitoramento remoto é necessário.

PRDs são comumente aplicados em:

• Transformadores de subestação unitária
• Transformadores de média potência
• Grandes transformadores de potência
• Transformadores de subestação de serviços públicos​​​​​​​

 

Para aplicações de serviços públicos maiores, os engenheiros geralmente selecionam um arranjo de transformador com dispositivo de alívio de pressão em vez de um PRV menor devido à maior energia de falha interna e volume de óleo.

3.3 Disco de Ruptura

Os discos de ruptura normalmente são usados ​​como dispositivos de alívio de pressão de emergência em aplicações de transformadores de alta{0}}energia.

Ao contrário dos PRVs ou dos PRDs padrão, os discos de ruptura são dispositivos não{0}reconfiguráveis, projetados para explodir instantaneamente quando a pressão interna atinge um limite crítico. Seu objetivo principal é fornecer ventilação rápida-total da área durante eventos catastróficos de falhas internas.

 

Como os discos de ruptura devem ser substituídos após a operação, eles geralmente são reservados para:

• Grandes transformadores de potência
• Transformadores de forno
• Transformadores de tração
• Sistemas industriais de alto nível-de falhas

Na prática da engenharia, os discos de ruptura representam o mais alto nível de proteção contra pressão mecânica.

4. Dispositivos de detecção de falhas de transformadores

 

4.1 Detector de Falhas Internas (IFD)

Os detectores de falhas internas (IFDs) são amplamente usados ​​em transformadores-montados em postes e{1}}em suportes como um dispositivo de segurança de campo simples, mas altamente eficaz.

Um IFD detecta aumento repentino de pressão interna causado por falhas de arco dentro do tanque do transformador. Quando ativado, um indicador visual colorido aparece, permitindo que as equipes da concessionária identifiquem imediatamente que o transformador sofreu uma falha interna e não deve ser-reenergizado.

 

Uma grande vantagem dos sistemas IFD modernos é que muitos projetos integram um PRV padrão compatível com IEEE ou CSA em conjuntos de transformadores no mesmo dispositivo, combinando:

• Alívio de pressão
• Indicação de falha

em uma única estrutura compacta.

 

IFDs são comumente usados ​​em:

• Transformadores monofásicos-montados em poste-
• Transformadores trifásicos-montados em poste-
• Transformadores-montados em pad
• Transformadores de pequenas subestações

Comparados aos sistemas SPR, os IFDs são mais simples, mais econômicos e particularmente adequados para aplicações-de distribuição.

4.2 Relé de Pressão Súbita (SPR/RPR)

 

Esses sistemas são comumente usados ​​em:

• Transformadores de média potência
• Grandes transformadores de potência
• Transformadores retificadores
• Transformadores de forno
• Transformadores de tração

 

Em comparação com os IFDs, os sistemas de proteção de relés de aumento rápido de pressão fornecem integração elétrica mais rápida e são mais adequados para aplicações industriais e de serviços públicos críticos.

4.3 Relé Buchholz

O relé Buchholz é um dispositivo de detecção de falhas operado por- gás e óleo-fluxo-usado em transformadores do tipo conservador-.

Ao contrário dos sistemas SPR e IFD, que respondem principalmente às mudanças de pressão, os relés Buchholz detectam falhas internas através de:

• Acumulação de gás
• Movimento de onda de petróleo

 

O relé normalmente opera em dois estágios:

• Alarme para falhas incipientes
• Desarme por falhas internas graves

 

Os relés Buchholz são amplamente utilizados em:

• Subestações unitárias do tipo-conservador
• Transformadores de média potência
• Grandes transformadores de potência

 

Devido à sua capacidade de detectar falhas de isolamento de desenvolvimento lento, os relés Buchholz continuam sendo um dos dispositivos de detecção de falhas mais importantes em grandes transformadores-abastecidos com óleo.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Hierarquia de proteção na prática de engenharia

 

Em aplicações reais de transformadores, esses dispositivos não são usados ​​igualmente em todas as classes de transformadores. Em vez disso, os sistemas de proteção tornam-se progressivamente mais avançados à medida que o tamanho do transformador e a energia da falta aumentam.

 

Tabela 2 – Aplicação Típica de Dispositivo de Proteção por Classe de Transformador

Esta configuração em camadas reflete o princípio de engenharia de que a proteção do transformador evolui do alívio de pressão mecânica básica para sistemas integrados de proteção contra falhas mecânicas e elétricas.

6. Conclusão

 

O projeto moderno de segurança de transformadores baseia-se na coordenação de sistemas de alívio de pressão e detecção de falhas, em vez de depender de um único dispositivo.

PRVs e PRDs fornecem alívio controlado da pressão mecânica durante condições operacionais normais e anormais. Os discos de ruptura fornecem proteção de emergência definitiva durante falhas catastróficas. Os IFDs e os sistemas de relés de pressão repentinos detectam aumentos repentinos de pressão causados ​​por falhas elétricas internas, enquanto os relés Buchholz monitoram a geração de gás e o movimento de óleo associados ao desenvolvimento de falhas de isolamento.

Juntos, esses dispositivos formam uma arquitetura de proteção de transformador multi{0}}camadas que melhora a confiabilidade operacional, a segurança do pessoal e a capacidade de isolamento de falhas em sistemas de distribuição, industriais e de energia elétrica.