O Método Pentágono de Duval Combinado para Diagnóstico de Transformadores

Introdução

Os transformadores são componentes essenciais dos sistemas de energia elétrica, e garantir sua confiabilidade é fundamental para manter uma fonte de alimentação estável. Uma das técnicas mais eficazes para monitorar a saúde dos transformadores à óleo é a Análise de Gases Dissolvidos (DGA). A DGA envolve a análise dos gases dissolvidos no óleo isolante do transformador, que são gerados como subprodutos de várias condições de falha. Ao interpretar as concentrações desses gases, os engenheiros podem identificar possíveis problemas antes que eles levem à falhas significativas.

Entre os vários métodos disponíveis para interpretar os resultados da DGA, o Pentágono de Duval se destaca como uma ferramenta gráfica robusta e intuitiva. Ele complementa as abordagens tradicionais, como as descritas nos padrões IEEE e IEC, fornecendo uma maneira abrangente de visualizar e diagnosticar falhas usando cinco principais gases de hidrocarbonetos: hidrogênio (H₂), metano (CH₄), etano (C₂H₆), etileno (C₂H₄), e acetileno(C₂H₂). Este artigo explica o método do Pentágono de Duval de maneira direta e destaca as vantagens de sua versão atualizada, o Pentágono de Duval Combinado.

O Método do Pentágono de Duval

O método Pentágono de Duval foi projetado para interpretar os resultados da DGA, representando as contribuições relativas dos cinco principais gases de hidrocarbonetos em um gráfico pentagonal. Veja como funciona conceitualmente:

• Porcentagens Relativas: O processo começa com a medição das concentrações dos cinco gases em partes por milhão (ppm). A porcentagem relativa de cada gás é então determinada dividindo sua concentração pela soma total de todas as cinco concentrações dos gases. Por exemplo, se o hidrogênio for medido a 50 ppm e a concentração total de todos os cinco gases for de 200 ppm, a porcentagem relativa do hidrogênio será de 25%.

  
  

• Representação Gráfica: Essas porcentagens são plotadas em um pentágono regular, onde cada vértice corresponde a um dos cinco gases. Cada eixo se estende do centro do pentágono (representando 0% desse gás) até o vértice (representando 100% desse gás). No entanto, na prática, as escalas são ajustadas para que o valor máximo ao longo de cada eixo seja efetivamente 40%, devido à maneira como o método interpreta os dados.

  
  

• Localização do Centroide: Os cinco pontos percentuais formam um pentágono irregular dentro do regular. O centroide, ou o “centro de massa” dessa forma irregular, é identificado. A posição deste centroide dentro do pentágono é o que indica o tipo de falha presente no transformador.

  
  

• Zonas de Falha: O pentágono é dividido em zonas distintas, cada uma correspondendo a um tipo de falha específica. Essas zonas são estabelecidas com base em dados extensos de transformadores com falhas conhecidas, confirmadas por meio de inspeções visuais. Os principais tipos de falhas incluem:

  
  

  • PD (Descargas Parciais): Descargas de corona que indicam pequenos problemas de isolamento.

  • D1 (Descargas de Baixa Energia): Descargas elétricas de menor intensidade.

  • D2 (Descargas de Alta Energia): Arco elétrico mais severo.

  • T1 (Falhas Térmicas < 300°C): Problemas térmicos de baixa temperatura.

  • T2 (Falhas Térmicas 300–700°C): Falhas térmicas de temperatura moderada.

  • T3 (Falhas Térmicas > 700°C): Falhas térmicas de alta temperatura.

  • S (Gaseamento Disperso): Produção de gás não relacionada a falhas, muitas vezes devido ao envelhecimento do óleo ou estresse térmico menor.

Figura 1. Método Pentágono de Duval (a) pentágono regular original, formado pelos cinco gases combustíveis (b) Pentágono de Duval 1, mostrando as zonas de falha conforme descrito acima. Cheim (2020).

Inicialmente, o método Pentágono de Duval foi introduzido em duas versões:

• Pentágono 1: Esta versão identifica os tipos básicos de falhas listados acima (PD, D1, D2, T1, T2, T3 e S). Ele fornece uma ampla visão geral da condição do transformador.

  
  

• Pentágono 2: Esta versão oferece uma classificação mais detalhada, particularmente para falhas térmicas. Ele os categoriza em:

  
  

  • T3-H: Falhas de alta temperatura apenas no óleo.

  • C: Falhas térmicas envolvendo carbonização de isolamento de papel (entre zonas T1, T2 ou T3).

  • O: Superaquecimento abaixo de 250°C sem carbonização.

  • S: Gaseamento disperso, como no Pentágono 1.

  • PD: Descargas parciais, como no Pentágno 1.

  • D1: Descargas de Baixa Energia, como no Pentágno 1.

  • D2: Descargas de Alta Energia, como no Pentágno 1.

Figura 2. Áreas sombreadas Ilustrando diferenças entre (a) zonas térmicas T1, T2 e T3 no Pentágono 1 (b) zonas térmicas O, C e T3-H no Pentágono 2. Cheim (2020).

Embora ambos os pentágonos sejam eficazes, usá-los separadamente requer a interpretação de duas representações gráficas distintas, o que pode complicar o processo de diagnóstico.

Vantagens do Pentágono de Duval Combinado

O Pentágono de Duval Combinado é uma atualização inovadora que funde os pontos fortes dos Pentágonos 1 e 2 em um único Pentágono. Este aprimoramento oferece vários benefícios significativos:

1. Análise Simplificada:

   O pentágono combinado reduz o número total de zonas de falha de 14 (ao usar os Pentágonos 1 e 2 separadamente) para 10. As zonas comuns (PD, S, D1 e D2) permanecem inalteradas, enquanto as zonas de falha térmica são integradas em uma classificação mais simplificada:

   
   

   • T1-O: Superaquecimento abaixo de 300°C sem carbonização.

   • T1-C: Falha térmica abaixo de 300°C com carbonização.

   • T2-O: Falha térmica 300–700°C sem carbonização.

   • T2-C: Falha térmica 300–700°C com carbonização.

   • T3-H: Falha de alta temperatura apenas em óleo (> 700°C).

   • T3-C: Falha de alta temperatura com carbonização (> 700°C).

   
   

   Essa redução simplifica o processo de interpretação, facilitando a aplicação na prática.

   
   

2. Eficiência Computacional:

   Ao usar uma única geometria em vez de duas, o pentágono combinado agiliza o esforço computacional necessário para a identificação automatizada de falhas. Isso é particularmente vantajoso para aplicativos de software e programas de computador que analisam dados da DGA, pois eles não precisam mais lidar com duas estruturas pentagonais separadas com limites de zonas diferentes.

   
   

3. Detalhamento Mantido:

   Apesar da simplificação, o pentágono combinado preserva a capacidade crítica de distinguir entre falhas térmicas com e sem carbonização de papel. Por exemplo, identificar se uma falha T2 (300–700°C) envolve carbonização (T2-C) ou não (T2-O) é vital, pois a degradação do papel pode sinalizar um problema mais grave que requer ação urgente. Essa classificação detalhada garante que o método permaneça diagnosticamente robusto.

   
   

4. Usabilidade Aprimorada:

   Engenheiros e pessoal de manutenção podem obter um diagnóstico abrangente de falhas a partir de uma ferramenta gráfica, eliminando a necessidade de referências cruzadas entre os Pentágonos 1 e 2. Isso melhora a eficiência e reduz o potencial de erros de interpretação, especialmente sob condições sensíveis ao tempo.

   
   

5. Apoio à Tomada de Decisão:

   O pentágono combinado fornece insights claros e objetivos. Por exemplo, um diagnóstico de T3-C (falha de alta temperatura com carbonização) indica uma condição grave envolvendo o isolamento sólido do transformador, levando a uma investigação imediata ou remoção do serviço. Por outro lado, o T3-H (falha somente de óleo) pode sugerir um problema menos crítico, permitindo diferentes estratégias de manutenção.

Figura 3. Geometria final dos recém-combinados Pentágonos. As 10 zonas são PD, S, D1, D2, T1-O, T1-C, T2-O, T2-C, T3-C, T3-H. Cheim (2020)

O pentágono combinado não substitui os Pentágonos 1 e 2 originais, mas os complementa oferecendo uma abordagem unificada que equilibra a simplicidade com a identificação detalhada de falhas. É particularmente valioso para usuários que precisam classificar todos os 10 tipos de falhas de forma eficiente, conforme reconhecido em padrões como o IEEE C57.104-2019.

Observação: Não é recomendado tentar a identificação de falhas usando o método descrito acima, se todos os níveis dos gases estiverem abaixo dos valores da Tabela 1 do IEEE Std C57.104-2019.

Conclusão

O método Pentágono de Duval é uma ferramenta poderosa para diagnosticar falhas do transformador através da DGA, oferecendo uma maneira visual e intuitiva de interpretar as concentrações relativas dos principais gases de hidrocarbonetos. Ao traçar essas concentrações em um gráfico pentagonal e identificar a posição do centroide dentro das zonas de falha predefinidas, os engenheiros podem identificar problemas que vão desde descargas elétricas à falhas térmicas.

O Pentágono de Duval Combinado aprimora o método integrando as capacidades dos Pentágonos 1 e 2 originais em uma única geometria simplificada. Ele simplifica o processo de diagnóstico, melhora a eficiência computacional e mantém a classificação detalhada necessária para uma tomada de decisão eficaz - tudo sem sacrificar a precisão. Essa atualização torna o método Pentágono de Duval mais acessível e prático para a manutenção do transformador, apoiando a confiabilidade e a longevidade desses ativos críticos do sistema de energia.

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Referências

1. CIGRE, "Guide for transformer maintenance" (445), 2015.

2. Cheim, Luiz, Michel Duval, and Saad Haider. 2020. "Combined Duval Pentagons: A Simplified Approach" Energies 13, no. 11: 2859. https://doi.org/10.3390/en13112859

3. M. Duval and L. Lamarre, "The duval pentagon-a new complementary tool for the interpretation of dissolved gas analysis in transformers," in IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 30, no. 6, pp. 9-12, November-December 2014, doi: 10.1109/MEI.2014.6943428.