Sensor de nível de óleo de transformadores da distribuíção de rede elétrica subterrânea

 Resumo 

Os transformadores são equipamentos responsáveis pela distribuição elétrica, para diferentes tipos de consumidores, por meio das linhas de transmissão. Em seu interior, o transformador possui um óleo, que tem a função de isolar e refrigerar o equipamento durante sua operação. O monitoramento do nível de óleo de transformadores da rede subterrânea é obtido através de inspeção visual da equipe operacional em campo. Com a implantação do sensor do nível SIS 100, é possível transmitir as informações para um software, SIS FineTek, que indicará o nível de óleo no transformador (caso esteja abaixo do nível estabelecido) que ofereça riscos ao equipamento e ao funcionamento da rede, beneficiando a concessionária elétrica nos requisitos, como prevenção de problemas na rede elétrica e ganhos operacionais.

 Abstract 

Transformers are equipment responsible for electrical distribution, to different types of consumers, through transmission lines. Inside, the transformer has an oil, which has the function of insulating and cooling the equipment during its operation. Monitoring the oil level of transformers in the underground network is obtained through visual inspection by the operational team in the field. With the implementation of the SIS 100 level sensor, it is possible to transmit the information to a software, SIS FineTek, which will indicate the oil level in the transformer (if it is below the established level) and will create a light alarm signaling critical levels that offer risks to the equipment and the operation of the network, benefiting the electric utility in terms of requirements, such as the prevention of problems in the electrical network and operational gains.

 Introdução 

Visando otimizar a operação e buscando melhorias em nossos sistemas subterrâneos de transmissão de energia, este trabalho demonstra a aplicação do sensor de nível SIS 100 na medição do nível de óleo dos radiadores presentes nos transformadores subterrâneos.

A rede de distribuição elétrica subterrânea surgiu na cidade de São Paulo em 1902 com a implantação das três primeiras câmaras transformadoras alimentadas por linhas de 2,2kV, já em 1926 o número eram 19 câmaras, sendo que 1928 foi iniciada a mudança para 3,8 kV, com 41 câmaras em 1931 sua capacidade era de 12.300 kVA. Quando em 1951 o sistema alcançou seu limite, 40.000kVA, foi iniciada a construção de um novo sistema chamado de reticulado (malha infinita) com alimentação de 21 kV. A necessidade de implantação desse sistema se deve à quando um ou mais consumidores solicitam valores de carga elevados como os grandes centros comerciais ou residenciais, o fornecimento de alimentação de energia pelo sistema tradicional aéreo, possui uma desvantagem em função de sua multiplicidade e do peso excessivo que os equipamentos necessários iriam atingir.

Nestes centros, não só a densidade da carga, bem como sua importância, justifica um maior investimento, o qual além de visar uma uniformidade de tensão, oferece uma continuidade no fornecimento, o que se consegue com a aplicação do sistema subterrâneo reticulado. Além do citado, o sistema ainda apresenta menor risco de falhas provenientes de causas externas, como quedas de objetos, abalroamento¹ , raios e outras, apesar de estar sujeito aqueles resultantes de escavações.

Conforme a figura 1, o transformador é um equipamento destinado a rebaixar a tensão e elevar a potência para atendimento aos consumidores. No caso da rede subterrânea, os transformadores são submersíveis, devido as câmaras possuírem infiltração de água e temperatura elevadas.

Ele possui um núcleo imerso em óleo isolante nafténico² ou parafínico³. Sua carcaça é provida de pintura especial à prova de corrosão. São responsáveis pela adequação dos níveis de tensão de distribuição provenientes das concessionárias de energia para aqueles típicos dos diversos tipos de consumidores, principalmente os da categoria comercial e residencial de grandes centros urbanos.

 1. Óleo Vegetal 

O óleo vegetal isolante elétrico é um derivado, principalmente, do óleo de soja. Existem várias possibilidades para se extrair o óleo vegetal e transformá-lo em óleo vegetal isolante elétrico. O uso da soja é economicamente mais viável, mas pode-se utilizar óleo de girassol, de milho ou de qualquer outra base, isto é, é possível produzir o óleo vegetal de qualquer oleaginosa⁴.

As vantagens do óleo vegetal são:

Biodegradabilidade: os óleos vegetais isolantes (O.V.I.s) apresentam alta degradabilidade, sendo que 95% ou mais destes produtos biodegradam no ensaio de 28 dias. Em caso de derramamento no meio ambiente, o óleo mineral, por exemplo, demora anos para ser retirado, assim como o silicone.

Resistência ao fogo: para ser considerado fluído de segurança, o líquido isolante deve apresentar um ponto de combustão de no mínimo 300°C. Como os O.V.I.s apresentam pontos de combustão superiores a 300°C, estes são considerados fluidos de segurança.

• Propriedades: Aspecto
• Estado físico: Líquido límpido
• Cor: Amarelada claro
• Odor: Característico do óleo vegetal
• pH: Neutro
• Ponto de Fulgor: 310 – 330°C
• Ponto de ebulição: >350 °C
• Ponto de Fluidez: -10
• Viscosidade: 33 – 40 mm2/s a 40°C
• Temperatura de auto-ignição: 401-404 °C
• Densidade relativa: (H2O=1); 0,93
• Pressão de vapor (mm Hg): <0,01 (20°C)
• Solubilidade em água: Desprezível

 1.1 Falhas na rede de distribuição elétrica subterrânea por falta de óleo em transformador 

Em um circuito primário da distribuição elétrica subterrânea (13,8 á 34,8kVA), existem diversos transformadores de potência conectados á rede. No caso de uma falha desses transformadores, a estação primária está graduada para desligar o cabo antes do curto-circuito ser descarregado com frequência na rede, nos casos em que isso não ocorrer, ocorrerá a projeção e até explosão do transformador. A quantidade mínima de de óleo no radiador do transformador é 5mm acima da parte ativa. O Gráfico 1 demonstra a estatística dos últimos 3 anos dos transformadores que falharam por falta de óleo no radiador, ocasionando desligamentos, troca de equipamento e mobilização de equipes.

 1.2 Custos de substituição de um transformador por falha 

Valor em material: R$ 118.000,00

Valor em serviço: R$ 18.000,00

Valor total aproximado: R$ 136.000,00

 2.Sensor de nível de óleo 

 2.1. Descrição 

Para atender a necessidade exposta referente ao monitoramento do nível de óleo dos transformadores, foi identificado o “Sensor de Nível SIS 100”. A chave de nível SIS 100 é um instrumento compacto, robusto, de baixo custo e com grande número de recursos. Compatível com uma vasta gama de produtos e condições de processo, este sensor é a resposta para as mais diferentes necessidades de controle e monitoramento de nível.

Características:

• Formato compacto para instalação em locais com limitação de espaço;
• Invólucro robusto em aço inox com grau de proteção IP67/IP68/69K;
• Possibilidade de detecção de espuma e diferentes camadas de material ou interfaces;
• Tecnologia capacitiva de alta frequência ignora impregnações no elemento sensor;
• Indicação confiável de nível para monitoramento e controle;
• Um único sensor para todas as aplicações (líquidos, pastosos e sólidos);
• Indicação por LED e sistema de teste em campo;
• Compatível com processos de limpeza CIP e SIP;
• Opções de rugosidade (Ra) para atender diferentes demandas das indústrias farmacêuticas e de alimentos e bebidas. 

 

Materiais como: água bruta, tratada, potável, ou de processo, água do mar, cerveja, vinho, sucos, leite, xarope, ketchup, mel, farinha de trigo, amido, pó de café, pó de cacau, azeite, glicerina, óleo mineral (15W40), óleo vegetal, acetona, metanol, etanol, entre outros.

 

O diagrama superior mostra os sensores a serem instalados o contêiner, por exemplo, monitorar o nível ou dispositivo de funcionamento a seco da bomba de proteção. O diagrama abaixo mostra os sensores a serem instalados em o pipeline para monitorar o nível. Nota: Se o meio com forte viscosidade, a posição de instalação mostra ★ aplicável apenas a determinada condição, pode gerar saída com falha de sinal devido ao resíduo ser monitorado como líquido.⁵

 

 2.2. Princípio 

O princípio de funcionamento deste sensor é baseado na tecnologia de varredura de alta frequência. A ponta do sensor enviará vários sinais de campo elétrico e diferentes frequências de ressonância são criadas de acordo com o sinal emitido. O switch pode identificar o sinal correto e suprimir o sinal falso (exemplo: espuma ou se acumula acima do líquido). Assim, um sinal de comutação será acionado se o sensor estiver coberto com materiais.

 

 2.3. Acessórios e Conectores 

O sensor possui portabilidade com o sistema de automação através de acessórios e conectores, conforme figura 9:

 

 

 

A função da caixa do programador é transmitir os dados do sensor para o PC para leitura e edição. Suporta principalmente calibração e parametrização do interruptor de nível inteligente SIS Sanitary.

• Leitura dos parâmetros do sensor de corrente;
• Alteração da configuração dos parâmetros do sensor;
• Ajuste da sensibilidade do sensor do meio atual em tempo real;
• Calibrar o valor de medição atual e fazer o ajuste necessário prontamente.

 2.4. Diagrama do sistema 

Usando o conector M12 para conectar o Sensor de Espectroscopia de Impedância SIS” com a caixa do programador, é possível transmitir os dados do sensor por cabo USB da caixa do programador para o PC⁶.

 Considerações finais 

Elaborou-se um protótipo para se realizar a instalação do sensor SIS100 através de uma caixa acrílica transparente acoplada a um sensor e a um orifício para entrada e saída do óleo vegetal, simulando o funcionamento do radiador de um transformador subterrâneo.

Com o sensor acoplado á caixa, será inserido um volume de óleo até alcançar o nível máximo e o sensor permanece sem alarmar. Após isso, retira-se uma quantidade suficiente de óleo até que o nível fique abaixo do mínimo.

Após o experimento, foi constatado que o sensor atinge o objetivo principal conforme características mostradas na figura 12, que sinalizará em sistema quando o nível de óleo do transformador estiver abaixo do mínimo, sendo possível auxiliar a concessionária á atuar preventivamente naquele equipamento á fim de prevenir eventual falha, diminuir custos da troca de equipamento danificado e evitar desligamentos na rede pela queima do transformador com indicação da falta de óleo.

 

¹ Choque ou colisão;

² Hidrocarboneto que apresenta uma estrutura molecular em forma de ciclos;

³ Óleo mineral derivado do petróleo que possui ligas estáveis e resistentes;

⁴ São vegetais que possuem óleos e gorduras que podem ser extraídos através de processos adequados;

⁵ Se o meio com forte viscosidade, a posição de instalação mostra ★ aplicável apenas a determinada condição, pode gerar saída de falha sinal devido ao resíduo ser monitorado como líquido;

⁶ Nota: A caixa do programador está funcionando apenas enquanto os dados do sensor exigem transmissão para o PC para leitura e edição, não é um dispositivo automático de conexão permanente.

 Referências eletrônicas 

RAMOS, R . A.; CHAGAS, A.; COSTA, J.; BRAZ, S. Configuração do sistema subterrâneo. Treinamento Operacional AES Eletropaulo, p. 6-10, mai/2017

JUNIOR, B. N.; Apresentação Subterrâneo AES Eletropaulo, slides 37 e 90, mai/2017

TOTAL ENERGIES, NOTÍCIA - A​importância​do​óleo​isolante​para transformador, https://totalenergies.com.br/pt-br/importancia-do-oleo-isolante-para-transformador, mai/2019

SIQUEIRA, P.; ANÁLISE DO ÓLEO DO TRANSFORMADOR EM CURITIBA EVITAPERIGOS​COMO​EXPLOSÃO​E​PARALISAÇÃO​DE ATIVIDADES,

https://omsengenharia.com.br/noticias/analise-de-oleo-do-transformador-em-curitiba/, mai/2020

VIKA​CONTROLS;​Início / Produto / Nível / Sensor​de​Nível​SIS​100,

https://www.vikacontrols.com.br/produto/sensor-de-nivel-capacitivo-sis-100- finetek/, acessado em mai/2022