Maximização da Utilização do Transformador de Potência | Treetech
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O presente trabalho visa estudar os resultados da implementação do projeto piloto de maximização da utilização do transformador de potência, sem comprometer a vida útil do equipamento e a confiabilidade do sistema elétrico, utilizando-se o sistema de monitoramento "SMART". O artigo descreve os pontos considerados na implementação do projeto piloto, a subestação escolhida, a definição do sistema de monitoramento "SMART", o detalhamento das alternativas e análise dos resultados obtidos quanto aos quesitos técnico-econômico e regulatório, com atenção à modicidade tarifária. Por fim, houve análise dos resultados obtidos, entre eles a definição do sistema de monitoramento "SMART" como a melhor alternativa para maximização da utilização do transformador de potência e o desencadeamento de outros estudos para aplicação do sistema.
O presente trabalho cinge-se à análise da execução do projeto piloto de maximização da utilização do transformador de potência, que foi implementado em 2006 e cujo término está previsto para abr/2010, quando a subestação será ampliada. Ainda, analisou a forma segundo a qual o referido projeto foi executado. Para isso, houve levantamento dos pontos considerados na implementação do projeto piloto, como transformador de potência, planejamento do sistema elétrico, sistema de monitoramento "SMART" e outras informações complementares. Na sequência, descreveu as características da subestação escolhida. Quanto à definição do sistema de monitoramento "SMART", foram elencados os pontos determinantes para a sua escolha. Em seguida, visando análise do projeto piloto, foram detalhadas as alternativas existentes.
Os resultados do projeto piloto foram analisados quanto aos quesitos técnico-econômico e regulatório, este com especial enfoque na modicidade tarifária (deve ser garantida conforme Contrato de Concessão de Distribuição), a qual não é comumente considerada nos estudos técnicos. Esses mesmos resultados determinaram a utilização do sistema de monitoramento "SMART", porque o indicaram como a melhor alternativa para maximização da utilização do transformador de potência. Além disso, originaram outros estudos para aplicação do sistema, como por exemplo, a revisão do escopo dos novos projetos de digitalizações das subestações, o processo de solicitação de acesso, o processo de manutenção e a postergação de investimento de preservação.
Na realização do primeiro ciclo de revisões tarifárias, a ANEEL emitiu a Resolução n° 493, de 03 de setembro de 2002, que estabeleceu a metodologia e critérios gerais para definição da base de remuneração regulatória (BRR), visando remunerar os investimentos prudentes requeridos para que a concessionária possa prestar o serviço de distribuição com qualidade. Isso significa que o nível de investimento a ser remunerado mediante a cobertura tarifária não deve incentivar o excesso de investimentos no setor, nem tampouco o atraso ou a interrupção dos projetos [1].
Para avaliação dos ativos imobilizados em serviço, como máquinas e equipamentos da subestação, para fins de incluir na base de remuneração regulatória (BRR), é aplicado um índice de aproveitamento (IAS) que considera o fator de utilização da subestação e a expectativa de crescimento percentual da carga atendida pela subestação para os próximos 10 (dez) anos. Esse índice está limitado a 100% e é calculado da seguinte forma [2]:
IAS → Índice de aproveitamento para subestação (%); FUS → Fator de utilização da subestação (%);
DM → Demanda máxima em MVA verificada nos dois últimos anos; PTI → potência total instalada em MVA (ONAF);
TCA → estimativa percentual de crescimento anual de carga máxima atendida pela subestação;
ECC → Expectativa de crescimento percentual da carga atendida pela subestação para o período projetado de 10 anos, comprovada pelos demonstrativos de aumento de demanda dos quatro últimos anos. Para efeitos de verificação de consistência, será utilizada a evolução de carga dos últimos 4 anos, bem como as premissas de desenvolvimento econômico da área atendida pela respectiva subestação.
Diante desse novo cenário regulatório, as empresas de distribuição de energia elétrica foram novamente desafiadas a buscar harmonia entre as questões técnicas e econômicas, especialmente voltadas ao planejamento, operação e manutenção do sistema elétrico.
Para revisar os critérios de planejamento, operação e manutenção do sistema elétrico, foi desenvolvido um projeto piloto que maximiza a utilização do transformador de potência para o atendimento desse novo critério de avaliação dos investimentos prudentes.
A execução do projeto piloto foi estruturada da seguinte maneira:
Levantamento dos pontos considerados na implementação do projeto piloto;
Escolha da subestação;
Definição do sistema de monitoramento "SMART";
Detalhamento das alternativas;
2.1 - Levantamento dos pontos considerados na implementação do projeto piloto
O limite dos acessórios (transformadores de corrente e buchas) superior 50% à corrente nominal;
Os relés de proteção microprocessados;
Sistema de preservação do óleo selado (vedação com bolsa);
Sistema de ventilação forçada e vedação, cablagem, acessórios e comutador em boas condições de operação e manutenção;
Envelhecimento térmico da isolação com grau de polimerização acima de 500;
Histórico de manutenção sem ocorrências que influenciam na confiabilidade e/ou desgaste prematuro;
Sem limitação de sobrecarga detectada a partir do diagnóstico de gás-cromatografia;
Planejamento do Sistema Elétrico
Sistema elétrico (linha de transmissão e transformador) dimensionado para operar em sobrecarga sem perda na qualidade do fornecimento;
Sistema com carga sazonal (mitigação dos riscos);
Atendimento do critério de expansão do sistema (início da execução do empreendimento quando o carregamento da subestação for maior do que 90% e o término quando o carregamento atingir 100%) [3];
Subestação com Índice de Aproveitamento (IAS) abaixo de 100% na Revisão Tarifaria de 2007.
Sistema de Monitoramento "SMART"
Além das características básicas (aquisição e armazenamento), o sistema deverá ter a capacidade de realizar tratamento de dados, de maneira a permitir o diagnóstico do estado atual do transformador e, em alguns casos, baseado na progressão dos valores coletados no decorrer do tempo, o prognóstico de eventuais problemas que se encontrem ainda em sua fase inicial de desenvolvimento;
No cálculo da perda de vida útil da isolação do transformador de potência, deverá ser considerado o cálculo do teor de água no papel para correção automática da aceleração da perda térmica em caso de teores de água elevados.
Na norma NBR-9368/86 [4], apenas 5 potências nominais preferenciais ONAN/ONAF para 34,5/13,8 kV e 69/13,8 kV; e 6 para 138/13,8 kV;
Existência de sistemas com baixa taxa de crescimento vegetativo;
A operação de qualquer equipamento fora de suas condições nominais é sempre uma situação de risco;
Transformador de potência é o ativo mais valioso e importante de uma subestação.
2.2 - Escolha da subestação
A partir dos pontos considerados para implementação do projeto piloto, escolheu-se a subestação cuja carga é tipicamente residencial com demanda máxima no inverno (ver figuras 1 e 2). A subestação possui 2 transformadores de 138/13,8 kV de 15/18,75 MVA, que operam em paralelo.
Figura 1 – Demanda Máxima por Mês
Figura 2 – Curva de Carga Típica [pu] da subestação
2.3 - Definição do sistema de monitoramento "SMART"
Entre os sistemas de monitoramento disponíveis no mercado, escolheu-se o SIGMA (Sistema Integrado de Gerenciamento de Manutenção) do fornecedor Tree Tech. Seguem abaixo os pontos determinantes para a escolha:
Os sensores de umidade, temperatura e regulador de tensão presentes no transformador são Tree Tech, não sendo necessário adquirir e/ou adaptar; e
Do ponto de vista técnico-econômico, foi a melhor alternativa, uma vez que houve disponibilidade de alugar todo o sistema de monitoramento "SMART" e infraestrutura, sendo desnecessária a aquisição do software e expansão do sistema de TI.
Na figura 3, apresenta-se o detalhe da arquitetura do sistema de monitoramento:
Figura 3 – Arquitetura do Sistema: (1) Monitor de Temperatura; (2) Relé Regulador de Tensão; (3) Monitor de Gás (H2) e Água (H2O) do Óleo; e (4) Monitor de Bucha.
2.4 - Detalhamento das alternativas
Para estudar os resultados do projeto piloto, levantaram-se as informações com e sem sua implementação.
Informações em relação ao Plano de Investimento 2006-2010 – Valores realizados em 2004 e previstos de 2005 a 2016
Taxa de Crescimento (%) - 2,19 1,63 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08
Carregamento (MVA) 36,1 36,9 37,5 37,9 38,3 38,7 39,2 39,6 40,0 40,4 40,9 41,3 41,8
Carregamento (%) 96,3 98,4 100 101 102 103 104 106 107 108 109 110 111
Informações em relação ao Plano de Investimento 2010-2014 – Valores realizados de 2004 a 2008 e previstos de 2009 a 2020
Taxa de Crescimento (%) - 0,53 3,31 5,74 10,1 -5,9 4,51 4,79 4,07 3,79 3,79 3,79 3,79 3,79 3,79 3,79 3,79
Carregamento (MVA) 36,1 36,3 37,5 39,7 43,7 41,1 42,9 45,0 46,8 48,6 50,5 52,4 54,3 56,4 58,5 60,7 60,7
Carregamento (%) 96,3 96,8 100 106 116 110 115 120 125 130 135 140 145 150 156 162 168
Alternativa 01: Com a Implementação do Projeto Piloto
Empreendimento 1: Instalação do Monitoramento "SMART" nos Transformadores de Potência TR01 e TR02
Ano de Término: 2006
Custo Total: R$ 188 mil
Empreendimento 2: Ampliação da Subestação – Substituição do TR01 de 15/18,75 MVA para
25/33,3 MVA
Ano de Término: 2010
Custo Total: R$ 2.290 mil
IAS para Revisão Tarifária 2007: 111,4% (ver eq. 03 e tabela 1)
IAS para Revisão Tarifária 2011: 121,1% (ver eq. 03 e tabela 2)
Cronograma de desembolso da alternativa 01
Alternativa 02: Sem a Implementação do Projeto Piloto
Empreendimento 1: Ampliação da Subestação – Substituição do TR01 de 15/18,75 MVA para 25/33,3MVA
IAS para Revisão Tarifária (RT) 2007: 80,3% (ver eq. 3 e tabela 1)
IAS para Revisão Tarifária (RT) 2011: 121,1% (ver eq. 3 e tabela 2)
Receita não Obtida com os Ativos Imobilizados em Serviço (AIS) na subestação na Revisão Tarifária (RT) 2007
Valor base de remuneração da SE Francisco Morato (R$ mil) Empreend. 1 Total (A) + (B) IAS (RT 2007) Valor base de remuneração não remunerado (R$ mil) 2007-08 2008-09 2009-10 2010-11
(A) Valor validado pela ANEEL na Revisão Tarifária 2007;
(E) Ativo não Remunerado = (C) x (100 – (D))%
(F) Receita Não Obtida = (E) x (Taxa de Remuneração Regulatória = 9,95% a.a.)1 x (Taxa de Depreciação = 4,63%)1
(G, H e I) Receita Não Obtida Corrigida = (E) x (Taxa de Remuneração Regulatória = 9,95% a.a.)1 x (Taxa de Depreciação = 4,63%)1 x (1 + Variação do IGP-M em relação a 2007-08)
Cronograma de desembolso da alternativa 02, com a receita não obtida dos Ativos Imobilizados em Serviço (AIS) da subestação
2.5 - Análise dos resultados obtidos
2.5.1 - Análise Econômica
Para analisar, calculou-se o valor presente em 2005 das alternativas (ver eq. 4).
Vp = Valor Presente do Investimento Vn = Valor Atual do Investimento
j = Taxa Anual de Juros2 n = Número de Anos
Portanto, o valor presente das alternativas é:
Alternativa 01 = R$ 1.581 mil
Alternativa 02 = R$ 2.262 mil
Logo, a implementação do projeto piloto (alternativa 01) resultou em um ganho econômico de R$ 681 mil em relação à alternativa 02. Além disso, independente da alternativa, tem-se a expectativa de remuneração integral do ativo imobilizado em serviço na subestação na Revisão Tarifária 2011.
2.5.2 - Análise Técnica
2.5.2.1 - Perda de Vida Útil da Isolação do Transformador de Potência
No período de 22/12/2008 a 08/02/2010 (ver figura 4), a perda de vida útil da isolação foi:
Calculada³ Regulatória^4 Calculada³ Regulatória^4
1 Valores definidos na Revisão Tarifária 2007 (ver Nota Técnica nº 267/2009 [5]).
2 Considerou-se o valor de 9,95% a.a., que é a Taxa de Remuneração Regulatória da ELEKTRO, definido na Revisão Tarifária 2007 pela ANEEL (ver Nota Técnica nº 267/2009 [5]).
3 No cálculo da perda de vida útil da isolação do transformador de potência foi considerado o cálculo do teor de água no papel.
4 Conforme Resolução Normativa n° 367/2009, de 02 de junho de 2009 [6], a taxa de depreciação anual do transformador de potência é 2,5% (vida útil regulatória de 40 anos e taxa de depreciação diária de 0,00685%).
Figura 4 – Carregamento e Temperatura do Enrolamento do Transformador de Potência TR01 Máxima e Média por mês, no período de 22/12/2008 a 08/02/2010
Nesse período, mesmo operando acima da capacidade nominal, a perda de vida útil da isolação calculada nos transformadores de potência TR01 e TR02 foi, respectivamente, 57 e 63 vezes inferior à perda regulatória. A diferença entre a perda de vida útil da isolação calculada do TR01 e TR02 está diretamente relacionada à diferença da temperatura média do enrolamento5 (ver tabela 6).
Temperatura e Corrente Média no Enrolamento dos Transformadores de Potência TR01 e TR02, no período de 22/12/2008 a 08/02/2010
Temperatura média do enrolamento (ºC)
Corrente média do enrolamento^6 (A)
A figura 5 apresenta o período em que o TR01 teve a maior perda de vida útil calculada. Mesmo nesse período, verifica-se que a perda calculada foi inferior à perda regulatória.
Na comparação de um período com carregamento acima do nominal e outro com a maior perda de vida útil (ver figura 6), constata-se a grande influência da temperatura ambiente.
O tempo restante de vida da isolação extrapolado para os transformadores TR01 e TR02, calculado em função do percentual de vida restante7 e da taxa média de perda de vida da isolação pelo sistema de monitoramento, é superior a 50 anos.
5 Conforme a lei de Arrhenius, quanto maior a temperatura do enrolamento, menor é a expectativa de vida da isolação do transformador de potência (ver NBR-5416/97 [7]).
6 A diferença da corrente média do enrolamento entre os transformadores de potência TR01 e TR02 está relacionada à diferença na impedância.
7 O percentual de vida restante dos transformadores de potência TR01 e TR02, analisado antes do início do monitoramento da perda de vida útil da isolação através do grau de polimerização do papel, é, respectivamente, 60% e 45%. Por sua vez, o percentual de vida restante regulatória é 25% (equipamentos fabricados em 1978).
Figura 5 – Medições realizadas no período de 01/02 a 05/02/2010 do transformador de potência TR01
Figura 6 – Medições realizadas do transformador de potência TR01 nos períodos: (1) 11/06 a 15/06/2009 e (2) 01/02 a 05/02/2010 (estão plotados na mesma escala).
Com relação à perda de vida útil da isolação, pode-se concluir que os transformadores instalados na subestação podem operar em sobrecarga contínua, desde que os equipamentos atendam aos pontos considerados no item 2.1 e as suas condições físico-químicas não superem os limites que ocasionam aceleração do processo de envelhecimento da isolação.
2.5.2.2 - Análise do Óleo Isolante do Transformador de Potência
Durante o processo de monitoramento, as 3 coletas realizadas para análise físico-química dos transformadores de potência TR01 e TR02 apresentaram os seguintes resultados:
Tensão interfacial a 25ºC 22 mínimo mN/m 33.8 33.5 33.2 30 26.9 27
Teor de água (Corrigido a 20ºC) 15 máximo ppm 8 4 5 10 11 9
Índice de neutralização 0.15 máximo mg KOH/g 0.018 0.022 0.021 0.047 0.066 0.053
Rigidez Dielétrica (calota) 50 mínimo kV/2,5mm 72.0 75.0 75.0 76.8 76 73
Foi constatado que os valores físico-químicos não sofreram alteração.
Com relação ao diagnóstico de gás-cromatografia, os valores se mantiveram constantes.
Pode-se afirmar que o óleo isolante não foi afetado pelo período de sobrecarga. Esse resultado se deve à gestão do ativo baseada nas manutenções preditivas, que foram realizadas nos períodos corretos, retardando o processo de oxidação, hidrólise e pirólise.
2.5.2.3 - Confiabilidade Operacional
O sistema de monitoramento "SMART" proporcionou uma grande confiabilidade para que o Centro de Operação da Distribuição (COD) pudesse tomar decisões em tempo real. As razões para isso foram a certeza de que, se houvesse alguma falha, o sistema de monitoramento "SMART" iria antecipar e o fato de o sistema ter informado que a sobrecarga não estava comprometendo a expectativa de vida útil da isolação. Além disso, todas as intervenções realizadas nos sensores do sistema de monitoramento foram realizadas com o transformador de potência em operação, aumentando a confiabilidade do sistema elétrico.
Conforme os resultados já apresentados, não houve nenhum alarme e/ou aviso emitido pelo sistema de monitoramento. Na tabela 7, encontra-se a comparação entre as ferramentas disponibilizadas pelos sistemas de monitoramento existente e "SMART".
2.5.3 - Análise Regulatória
Para realizar análise regulatória, considerou-se na simulação do FATOR X [2] a execução hipotética da alternativa 02. Para isso, acrescentou-se na base de remuneração regulatória de 2007 o valor de R$ 1.763 mil8 e se reduziu o valor de R$ 1.899 mil9 no plano de investimento informado à ANEEL. Segue abaixo o resultado da simulação:
Tarifa Média (2007-08 a 2010-11) – Acréscimo de 0,102% em relação ao valor calculado na Revisão Tarifária 200710.
8 Deduzido o valor de R$ 527 mil referente ao Índice de Aproveitamento da Subestação (IAS) de 80,3% (ver tabela 4).
9 Valor corrigido pelo IGP-M, uma vez que a planilha de simulação do FATOR X utiliza a base ago/2007.
10 Os investimentos previstos na alternativa 01 foram contemplados no cálculo.
Comparação das ferramentas dos sistemas de monitoramentos de transformadores de potência existente e "SMART" (projeto piloto)
Itens monitorados no transformador de potência
Sistema de monitoração existente
Sistema de monitoração "SMART"
Monitoramento da Temperatura do Enrolamento e Óleo x x
Monitoramento da Tensão x x
Monitoramento do Carregamento x x
Monitoramento de Gás (H2) x
Monitoramento de Água (H2O) x
Monitoramento de Bucha x
Monitoramento do Envelhecimento Térmico da Isolação x
Previsão das Temperaturas Futuras do Óleo e dos Enrolamentos x
Previsão e Cálculo da Temperatura Máxima do Enrolamento Permitida sem Risco de Formação de Bolhas x
Cálculo da Temperatura Mínima do Óleo Permitida para formação de água livre x
Monitoração da Eficiência do Sistema de Resfriamento Natural e Forçado x
Simulação das Condições Atuais de Carga e Ambiente x
Simulação das Condições Hipotéticas de Carga e Ambiente x
Diagnóstico, Recomendação de Ações Corretivas/Preventivas e
Prognóstico de Complicações Caso não se Corrija o Defeito x
Verifica-se que, além de ter sido considerado um investimento prudente, conforme o resultado apurado pelo IAS e análise técnica, o projeto piloto proporcionou também a modicidade tarifária, a qual deve ser garantida pela concessionária de distribuição, conforme a primeira subcláusula da cláusula terceira do Contrato de Concessão de Distribuição ANEEL-ELEKTRO nº 187/98 [8].
3.0 - CONCLUSÕES
Os resultados obtidos da implementação do projeto piloto foram:
aumento da confiabilidade operacional, mesmo com os transformadores de potência operando em sobrecarga;
perda de vida útil da isolação calculada nos transformadores de potência TR01 e TR02 foi, respectivamente, 57 e 63 vezes inferior à perda regulatória;
ganho econômico de R$ 681 mil;
não houve degradação do papel isolante dos transformadores de potência;
modicidade tarifária garantida.
Os resultados do projeto piloto, além de terem definido a utilização do sistema de monitoramento "SMART" como a melhor alternativa para maximização da utilização do transformador de potência, originaram outros estudos para aplicação do sistema, como, por exemplo:
o processo de manutenção, visando alteração do método preventivo, baseado por tempo, para preditivo, que considera o estado do equipamento, para que seja possível no futuro a implementação da manutenção centrada em confiabilidade (MCC) (possíveis ganhos, p.e., redução do seguro dos transformadores de potência, eliminação da coleta de óleo e redução da freqüência de manutenção);
a revisão do escopo dos novos projetos de digitalizações das subestações (possíveis ganhos, p.e., alteração do critério do restabelecimento automático da subestação, cujo transformador de potência remanescente tem capacidade limitada, atualmente, em 100% da sua carga nominal).
o processo de solicitação de acesso, com antecipação do atendimento até o término da ampliação da subestação;
a postergação de investimento de preservação (renovação), para aqueles casos nos quais o transformador de potência esteja com alto risco de falha;
Portanto, conclui-se que o projeto piloto, além de ter obtido resultados técnico-econômicos plenamente positivos, normalmente analisados nos projetos técnicos, obteve também resultado regulatório considerável.