Relé de Imagem Térmica para Transformadores: quando usar e como qualificar a carga com dados de campo

Réplica térmica, ponto quente e gestão de sobrecarga conforme IEC 60076-7 — HVEX | Itajubá, MG

Resumo executivo

O fator que mais limita a capacidade de carga de um transformador de potência não é a corrente em si, mas a temperatura que ela gera no ponto mais quente da isolação. É esse ponto quente — o hot-spot — que governa o envelhecimento do papel isolante e, portanto, a vida útil do ativo. Medir diretamente essa temperatura no interior do enrolamento é difícil e caro; por isso, a prática de proteção térmica consagrou o relé de imagem térmica, que reconstrói a temperatura do ponto quente a partir de grandezas facilmente mensuráveis: a corrente de carga e a temperatura do óleo.

Este white paper apresenta o princípio da imagem (ou réplica) térmica, as equações de elevação de temperatura do topo do óleo e do ponto quente conforme a IEC 60076-7, a relação entre temperatura e envelhecimento da isolação pela lei de Arrhenius/Montsinger, e a metodologia para qualificar a carga e o transformador com dados de campo. Mostra ainda como o Relé de Imagem Térmica HVEX implementa essa função com medição multicanal de tensão, corrente e temperatura, módulo de relés parametrizável e integração a redes inteligentes.

1. Por que a temperatura do ponto quente governa o transformador

A isolação sólida de um transformador — papel celulósico impregnado em óleo mineral — envelhece por um processo termicamente ativado. Sob temperatura elevada, as cadeias de celulose se rompem, o papel perde resistência mecânica e, eventualmente, não suporta os esforços eletrodinâmicos de um curto-circuito. A vida do transformador é, em essência, a vida do seu papel isolante, e essa vida é consumida mais rapidamente onde a temperatura é maior: no ponto quente do enrolamento.

A regra prática, incorporada às normas de carregamento, resume o fenômeno: a cada acréscimo de cerca de 6 a 8 °C na temperatura do ponto quente, a taxa de envelhecimento térmico da isolação aproximadamente dobra — formulação de Montsinger, coerente com a lei de Arrhenius para processos químicos. A IEC 60076-7 adota a temperatura de referência de 98 °C para o ponto quente como aquela em que a taxa de envelhecimento relativa vale a unidade. Operar continuamente acima disso acelera o consumo de vida; operar abaixo o preserva [1][2].

A consequência é direta: proteger e gerenciar um transformador exige conhecer, a cada instante, a temperatura do ponto quente — não a corrente nominal de placa, nem apenas a temperatura do óleo. É esse conhecimento que o relé de imagem térmica fornece de forma contínua, sem sensores internos ao enrolamento.

2. O princípio da réplica térmica

A imagem térmica é um modelo que reproduz, por analogia, o comportamento térmico do transformador. Historicamente, o relé de imagem térmica eletromecânico aquecia um bulbo com uma resistência alimentada por um transformador de corrente proporcional à carga, imerso no óleo: o bulbo somava a temperatura do óleo à elevação provocada pela corrente, replicando a temperatura do enrolamento. Os relés modernos fazem o mesmo por cálculo digital, aplicando as equações da IEC 60076-7 sobre a corrente de carga medida e a temperatura do óleo.

O modelo tem duas etapas. Primeiro, a elevação do topo do óleo sobre o ambiente em regime segue Δθ_óleo = Δθ_óleo,nominal · [(1 + R·K²)/(1 + R)]^x, onde K é a razão de carga (corrente sobre nominal), R é a razão entre perdas em carga e perdas a vazio, e x é o expoente do óleo (tipicamente 0,8 a 1,0). Segundo, o gradiente do ponto quente sobre o óleo cresce com a carga segundo Δθ_hs = Δθ_hs,nominal · K^y, com o expoente do enrolamento y da ordem de 1,3 a 2,0. A temperatura do ponto quente é a soma: ambiente + elevação do óleo + gradiente do ponto quente [1][3].

Tão importante quanto os valores de regime são as constantes de tempo térmicas. O óleo tem grande massa e responde lentamente — constante de tempo de dezenas de minutos a algumas horas; o enrolamento, com pequena massa, responde em minutos. Por isso, após um degrau de carga, o ponto quente sobe rapidamente e pode apresentar uma sobre-elevação transitória antes que o óleo se aqueça e o sistema atinja novo equilíbrio (Figura 1). Um relé de imagem térmica fiel precisa modelar essas duas dinâmicas — e é isso que o distingue de uma simples proteção de sobrecorrente [1][3].

Figura 1 – Resposta térmica a um degrau de carga: a temperatura do topo do óleo evolui lentamente (constante de tempo longa), enquanto a do ponto quente sobe rapidamente e apresenta sobre-elevação inicial, conforme o modelo da IEC 60076-7. Elaboração: HVEX, com base em [1][3].

3. Qualificar a carga e o transformador com dados de campo

A grande vantagem do relé de imagem térmica moderno é converter medições de campo em conhecimento sobre o ativo. Ao registrar continuamente corrente, tensão, temperatura do óleo e temperatura ambiente, o equipamento reconstrói o histórico de temperatura do ponto quente e, a partir dele, o consumo de vida da isolação. Esse histórico responde a perguntas de engenharia que a placa de dados não responde.

A primeira é a qualificação da carga: qual é o perfil real de carregamento do transformador ao longo do dia e do ano? Curvas de carga com picos curtos permitem sobrecargas cíclicas seguras, pois o óleo, com sua inércia térmica, não acompanha os picos; já um carregamento sustentado elevado consome vida continuamente. Medir o perfil real, em vez de assumir o pior caso, frequentemente revela capacidade ociosa — ou, ao contrário, sobrecargas silenciosas que a proteção convencional não enxerga. A segunda é a qualificação do próprio transformador: comparar a temperatura do ponto quente estimada com a esperada pelo projeto, para um dado carregamento e temperatura ambiente, indica se o resfriamento está degradado (radiadores sujos, ventiladores inoperantes, óleo envelhecido) antes que isso vire falha [1][2].

Com esses dados, a gestão de sobrecarga deixa de ser adivinhação. A IEC 60076-7 define limites de temperatura e de carga para regimes de carregamento normal, de emergência de longa duração e de emergência de curta duração; o relé de imagem térmica permite explorar essa capacidade conhecendo o custo em vida útil de cada decisão — por exemplo, autorizar uma sobrecarga temporária durante a manutenção de um transformador paralelo, monitorando o ponto quente para não ultrapassar o limite normativo.

4. Do modelo à ação: alarmes, ventilação e desligamento

A estimativa de temperatura só tem valor operacional se aciona respostas. O relé de imagem térmica organiza sua saída em uma cadeia de decisão parametrizável (Figura 2): a corrente de carga, medida por transformador de corrente, alimenta a réplica térmica; esta estima as temperaturas do óleo e do ponto quente, corrigidas pela temperatura ambiente; e comparadores disparam ações em patamares configuráveis — sinalização e alarme para desvios iniciais, partida da ventilação forçada para aumentar a capacidade de resfriamento, e desligamento (trip) por sobretemperatura como proteção final do ativo.

Essa lógica em estágios é o que permite extrair o máximo do transformador sem comprometê-lo. A ventilação forçada, acionada apenas quando necessário, amplia a capacidade sem desperdício energético; os alarmes antecipam a intervenção da equipe de manutenção; e o trip protege contra a falha catastrófica. Parametrizar corretamente esses patamares exige estudo de proteção que combine os dados de placa do transformador, o estudo térmico e o perfil de carga medido em campo — precisamente os insumos que o relé ajuda a levantar.

Figura 2 – Diagrama de blocos do relé de imagem térmica: a corrente do TC alimenta a réplica térmica, que estima as temperaturas do óleo e do ponto quente e aciona, em patamares parametrizáveis, alarme, ventilação forçada e desligamento. Elaboração: HVEX, com base em [1][8].

5. O Relé de Imagem Térmica HVEX

O Relé de Imagem Térmica HVEX é uma solução de monitoramento, proteção e gestão de transformadores desenvolvida para integração com redes inteligentes. Reúne, em um único equipamento, a medição de tensão e corrente (esta por bobinas de Rogowski), a leitura de até oito canais de temperatura por termopares posicionados em pontos quentes conhecidos, o processamento da imagem térmica e um módulo de relés parametrizável para atuação como parte do sistema de proteção. A plataforma web associada consolida os dados, apresenta a análise de perda de vida útil (Lifespan) e o histórico de pontos quentes (Hotspots), e permite a supervisão remota e a parametrização de alarmes e trips.

Do ponto de vista de aplicação, o equipamento entrega exatamente os insumos discutidos: registra o perfil real de carga, estima as temperaturas relevantes e documenta o consumo de vida do ativo, habilitando manutenção preditiva e gestão consciente de sobrecarga. As principais especificações são resumidas a seguir.

5.1 Quando usar

•       Transformadores de potência em subestações onde o carregamento é variável ou próximo do limite e a vida do ativo tem alto valor;

•       Situações que exigem gestão de sobrecarga cíclica ou de emergência com controle do consumo de vida útil, conforme IEC 60076-7;

•       Modernização de transformadores sem monitoramento térmico, integrando-os a sistemas SCADA e redes inteligentes via DNP3/Modbus;

•       Painéis e sistemas de proteção que demandam acionamento coordenado de ventilação forçada, alarme e trip por temperatura;

•       Programas de manutenção preditiva que se beneficiam do histórico de pontos quentes e da qualificação da carga com dados de campo.

6. Benefícios operacionais mensuráveis

A adoção do relé de imagem térmica converte-se em ganhos tangíveis. Primeiro, extensão da vida útil: ao manter a temperatura do ponto quente sob controle e evitar sobrecargas silenciosas, preserva-se a isolação, o ativo de maior valor da subestação. Segundo, aproveitamento de capacidade: conhecer o perfil real de carga e a margem térmica permite carregar o transformador com segurança acima do que a placa sugere em regimes cíclicos, adiando investimentos de repotenciação. Terceiro, redução de falhas e paradas não programadas: alarmes antecipam a degradação do resfriamento; o trip protege contra a falha catastrófica. Quarto, decisão baseada em dados: o histórico de temperatura e de perda de vida fundamenta a realocação de transformadores, o planejamento de manutenção e a análise de desempenho da frota.

7. Conclusão

O relé de imagem térmica traduz corrente de carga e temperatura do óleo na grandeza que realmente importa — a temperatura do ponto quente — e a converte em proteção, gestão de sobrecarga e conhecimento sobre a vida do transformador. Sustentado pelas equações e pelos limites da IEC 60076-7 e pela física do envelhecimento térmico, ele é a ferramenta certa quando o carregamento é crítico e o ativo, valioso.

O Relé de Imagem Térmica HVEX entrega essa capacidade com medição multicanal, réplica térmica, módulo de relés parametrizável e integração a redes inteligentes, além da análise de vida útil em plataforma web. Para conhecer as especificações completas e o datasheet, acesse a página do produto em hvex.com.br ou fale com a equipe técnica da HVEX.

Fotos Reais

Referências

[1] IEC 60076-7:2018, Power transformers – Part 7: Loading guide for mineral-oil-immersed power transformers. IEC, Genebra.

[2] IEEE Std C57.91-2011, Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step-Voltage Regulators. IEEE, Nova York.

[3] SUSA, D.; NORDMAN, H. IEC 60076-7 loading guide thermal model constants estimation. International Transactions on Electrical Energy Systems (Wiley), 2013. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/etep.1631

[4] Thermal Model for Calculating Transformer Hot-Spot Temperature Using IEC Loading Guide. (revisão técnica), 2021. https://www.researchgate.net/publication/354138570_Thermal_Model_for_Calculating_Transformer_Hot-_Spot_Temperature_Using_IEC_Loading_Guide

[5] IEEE/IEC Loading Guide Comparison – Insulation Life Subcommittee (C57.91). IEEE Transformers Committee. https://grouper.ieee.org/groups/transformers/subcommittees/insulation_life/c57.91/LoadingGuideComparison-IEEE-IEC-R1.pdf

[6] IEC 60076-2, Power transformers – Temperature rise for liquid-immersed transformers. IEC, Genebra.

[7] MONTSINGER, V. M. Loading transformers by temperature. Transactions AIEE, 1930 (base histórica da lei do envelhecimento térmico).

[8] HVEX. Relé de Imagem Térmica para Monitoramento de Transformadores – página do produto e datasheet técnico. https://hvex.com.br/solutions/protecao/rele-de-imagem-termica-para-transformadores