Baixar - dippg - Cefet-RJ

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA
CELSO SUCKOW DA FONSECA – CEFET/RJ
DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
COORDENADORIA DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA
DISSERTAÇÃO
ESTUDO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE ULTRA-SOM
ASSOCIADA AO PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS (PDS)
PARA DETECÇÃO DA OCORRÊNCIA DE PONTOS QUENTES
EM EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO
Gabriel Ângelo de Barros Vieira
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE PÓSGRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM TECNOLOGIA.
Carlos Henrique Figueiredo Alves, D.Sc.
Orientador
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
OUTUBRO / 2008
ii
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO
Capítulo I
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1. Conceitos de Manutenção
1.1.1. Manutenção Corretiva
1.1.2. Manutenção Preventiva
1.1.3. Manutenção Preditiva
1.2. O Atual Cenário da Indústria de Energia Elétrica no Brasil
1.3. Manutenção Preditiva Utilizando Técnica de Termografia Infravermelha
1.3.1. A Técnica de Termografia Infravermelha
1.3.2. Processo de Inspeção Termográfica
1.3.3. Câmera de Termografia ou Termovisor
1.4. Efeito Corona e o Mecanismo de Descargas Parciais
1.4.1. Ionização dos átomos de um material isolante
1.4.2. Algumas Considerações sobre o Campo Elétrico
1.4.2.1. O campo elétrico e o meio em que ele se encontra
1.4.2.2. O campo elétrico e a geometria dos eletrodos
1.4.3. Tipos de Descargas Parciais
1.4.4. Conceito de Descargas Parciais
1.4.5. Detecção e Medição de Descargas Parciais
1.5. Manutenção Preditiva utilizando Técnica de Ultra-som
1.5.1. Aplicação do Ultra-som na Manutenção
1.6. Conclusões
Capítulo II
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Metodologia
2.2. Técnica de Detecção
2.3. Métodos e Equipamentos utilizados para o primeiro conjunto de ensaios
2.4. Etapas de Execução da Pesquisa
2.4.1 – (a) Especificação, (b) projeto e construção da célula de ensaio
2.4.2 - Testes operativos da célula de ensaio em condições de bancada
2.4.3. Testes operativos da célula de ensaio com fonte de média tensão AC
2.4.4. Descrição dos Testes de Correlação com a Célula de Ensaio
2.5. Conclusões
Capítulo III
Resultados obtidos do primeiro conjunto de ensaios
Tabela III.1 – Estrutura geral de registro para arquivos de dados
3.1. Primeiro conjunto de ensaios – registro parcial das medições
Tabela III.2 – Estrutura de registro para arquivos de dados – distância 1 m
Tabela III.3 – Estrutura de registro para arquivos de dados – distância 3 m
Tabela III.4 – Estrutura de registro para arquivos de dados – distância 9 m
3.2. Conclusões
1
3
3
3
3
5
9
10
12
12
13
17
21
21
24
25
27
29
31
31
31
33
33
34
35
35
44
45
46
53
54
54
56
60
64
66
iii
Capítulo IV
Discussão – Análise Comparativa dos Resultados
4.1. Introdução
4.2. Descrição da Técnica da Obtenção do Espectro Ultra-sônico
4.3. Análise dos Resultados
4.4. Conclusões sobre os resultados obtidos no primeiro conjunto de ensaios
67
67
70
73
Capítulo V
Métodos e Equipamentos Utilizados
5.1. Metodologia
5.2. Condições de Execução dos Ensaios
5.3. Descrição do Ambiente de Medidas
5.4. Execução dos Ensaios
5.5. Conclusões
74
76
80
80
82
Capítulo VI
Registro dos Resultados dos Ensaios Realizados no Laboratório do CTE
6.1. Registro dos Padrões de Ruído Ultra-sônico
6.2. Descrição do Ambiente de Medidas
6.3. Registro de Curvas com o Ajuste de Tensão Variável
6.3.1. Espectro somente do oscilador local
6.3.2. Medida do espectro ambiente
83
84
84
85
87
91
Capítulo VII
Discussão – Análise Comparativa dos Resultados do Segundo Conj. Ensaios
7.1. Conclusão sobre os resultados obtidos no segundo conjunto de ensaios
96
101
Conclusões Finais e Análise dos Resultados
Propostas para Pesquisa & Desenvolvimento
102
103
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANEXOS
105
108
iv
Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Central do CEFET/RJ
V658
Vieira, Gabriel Ângelo de Barros
Estudo da viabilidade de utilização da técnica de ultra-som
associada ao processamento digital de sinais para detecção da
ocorrência de pontos quentes em equipamentos elétricos de alta
tensão/ Gabriel Ângelo de Barros Vieira. – 2008
107f.+ Anexo: il.col., tabs.;enc.
Dissertação (Mestrado) Centro Federal
Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, 2008.
Bibliografia: f. 105-107
de
Educação
1.Engenharia elétrica 2.Equipamentos elétricos de alta tensão
3.Ultra-som 4.Processamento digital de sinais I.Título
CDD 621.3
v
Dedico este trabalho aos meus
pais Gabriel (in memoriam) e Marlene,
que nunca mediram esforços para me
proporcionar o acesso ao saber e à
educação, e à minha amada Família
Alessandra,
Nathalia,
Thainá
e
Gabriel, pela paciência nos meus
vários momentos de ausência e,
principalmente,
por
todo
amor
carinho doados sem restrição.
e
vi
Agradecimentos
- A Deus por mais este caminho.
- Ao longo deste trabalho recebi o auxilio de várias pessoas, seja através de informações,
discussões técnicas, empréstimo de equipamentos, apoio efetivo, enfim a todos meu muito
obrigado.
- Ao meu orientador Professor Carlos Henrique Figueiredo Alves, D.Sc. CEFET/RJ, pelo
estímulo e parceria ao longo de todo o processo criativo e aperfeiçoamento da técnica
proposta neste trabalho.
- A todos os amigos e familiares por celebrarem cada conquista e apoiarem em cada
dificuldade encontrada.
- Agradeço também aos professores: Dr. Mauricio Saldanha Motta (CEFET/RJ), Dr. Cesar
Ramos Rodrigues (UFSM), Dr. Francisco Martins Portelinha (UNIFEI/MG), membros da
banca examinadora por terem lido, analisado e criticado este trabalho no intuito de contribuir
para o progresso e o desenvolvimento científico.
- À Direção, a todos os professores do Departamento do Centro Federal de Educação
Tecnológica, que me apoiaram e cooperaram de forma essencial para que este trabalho
fosse possível.
- Agradeço aos amigos Marco Aurélio Ribeiro Gonsalves por sempre me incentivar a realizar a
pós graduação, e aos amigos Saulo Telles de Souza e Leandro Lima pelas constantes
discussões construtivas na etapa final de elaboração desta dissertação, e incentivo
permanente.
- À FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A., representada pela Sra. Márcia Janeiro Pereira por
me proporcionar a oportunidade de realização deste curso de mestrado e apoio incondicional
em todas as etapas.
- À Empresa INSTRONIC INSTRUMENTOS DE TESTE Ltda, pelo empréstimo do
equipamento de ultra-som, fundamental para a realização de todas as medições.
- A todos, o meu mais sincero obrigado.
vii
Resumo da dissertação submetida ao PPTEC/CEFET-RJ como parte dos requisitos
necessários para obtenção do grau de mestre em tecnologia (M.T.).
ESTUDO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE ULTRA-SOM
ASSOCIADA AO PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS (PDS)
PARA DETECÇÃO DA OCORRÊNCIA DE PONTOS QUENTES
EM EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO
Gabriel Ângelo de Barros Vieira
Outubro de 2008
Orientador: Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc.
Programa: PPTEC
Esta dissertação apresenta os primeiros resultados da aplicação de uma nova técnica
para detecção de “pontos quentes” em equipamentos elétricos de alta tensão. Temperaturas
anormalmente elevadas em componentes elétricos tais como: conexões e contatos elétricos
em geral são comumente conhecidas como “pontos quentes” e apresentam-se como uma das
principais causas de desligamentos programados e não programados de equipamentos
elétricos de alta tensão, o que reduz a confiabilidade e disponibilidade operativa dos sistemas
de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica em todo o mundo. Esta técnica de
detecção proposta é baseada na comparação dos diferentes padrões espectrais do ruído ultrasônico produzido por descargas parciais (DP´s) que ocorrem em um dado componente elétrico
instalado na alta tensão, para diferentes temperaturas de operação. Estão descritos neste
trabalho os procedimentos e instrumentação utilizados para detecção e registro destes
padrões, a metodologia de processamento de sinais utilizada para comparação dos padrões, o
desenvolvimento do sistema de ensaio para simulação das condições de ocorrência de um
ponto quente em um componente de um equipamento elétrico que opera em alta tensão e os
resultados dos ensaios realizados sob diversas condições operativas. Foram realizados
ensaios em dois diferentes laboratórios, sob diversas condições operativas do elemento em
ensaio. O primeiro conjunto de ensaios foi realizado no laboratório da Empresa DSP
TELECOMUNICAÇÕES em Santa Rita do Sapucaí com tensão de 10 kV e o segundo foi
posteriormente realizado com tensões de 10 kV a 200 kV, no laboratório de Alta Tensão do
Centro Técnico de Ensaios e Medições, de FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. Os
resultados obtidos foram satisfatórios e a técnica demonstra potencial para desenvolvimento e
possível utilização de forma prática para detecção de pontos quentes, dentro de algumas
limitações estabelecidas.
Palavras chave: Ultra-som, Detecção de ponto quente, Descargas parciais, Processamento
Digital de Sinais (PDS).
viii
Abstract of dissertation submitted to PPTEC/CEFET/RJ as partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master in Technology (M.T.).
VIABILITY STUDY OF ULTRA-SOUND TECHNIQUE USE ASSOCIATED WITH
DIGITAL SIGNAL PROCESSING (DSP) TO DETECT THE OCCURRENCE
OF HOT SPOTS IN HIGH VOLTAGE ELECTRIC EQUIPAMENT
Gabriel Ângelo de Barros Vieira
October of 2008
Supervisor: Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc.
Program: PPTEC
This dissertation shows the first results of the application of a new technique for high
voltage electrical equipment hot spot detection. Abnormal elevated temperatures in electrical
components such as: connections and electric contacts in general are commonly known as “hot
spots” and are one of the major causes of scheduled and non-scheduled shutting down of high
voltage electrical equipment, which lessen the operative reliability and availability of the
generation, transmission and distribution systems all over the world. The detection technique
herein intended is based in the comparison of the different spectral patterns of the ultrasonic
noise produced by partial discharges (PD`s) which occur in a certain electrical component
installed in high voltage, for different operating temperatures. The procedures and
instrumentation used for detection and registering of these patterns are described in this work,
as well as the signal processing methodology used to compare patterns, the testing system
development to simulate occurring conditions of a hot spot in an electrical equipment component
which operates in high voltage and finally the results of the tests made under various operating
conditions. Those tests were made in two different laboratories under various conditions of the
object in test. The first set of tests was made in the DSP TELECOMUNICAÇÕES laboratory in
Santa Rita do Sapucaí with 10kV voltage and the second was made with voltages going from
10kV to 200kV, in the High Voltage laboratory of the Centro Técnico de Ensaios e Medições
(Technical Test and Measurements Center), owned by FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A.
The results obtained were satisfactory to hot spot detection and the technique demonstrates
potential to development and possibility of use in a practical way, considering some previously
established limitations.
Key words: Ultrasound, Hot spot detection, Partial discharges, Digital Signal Processing (DSP)
ix
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura I.1 - Corrente nominal circulando pela haste de acionamento
6
Figura I.2 - Simulação de ponto quente em secionador de 13,8 kV
6
Figura I.3 - Imagem termográfica - câmera FLIR
8
Figura I.4 - Espectro eletromagnético
12
Figura I.5 - Elementos básicos da estrutura de um termovisor
13
Figura I.6 - Câmera de termografia ou termovisor P60 da FLIR
13
Figura I.7 - Avalanche de Townsed na superfície de um condutor fino
14
Figura I.8 – Imagem de UV de uma linha de transmissão de 500 kV
15
Figura I.9 - Mapas de Sinais de DP
16
Figura I.10 - Átomo de um material dielétrico
18
Figura I.11 - Processo de avalanche de elétrons
19
Figura I.12- Fronteira entre dois meios diferentes
23
Figura I.13 - Eletrodo ponta-plano
24
Figura I.14 - Eletrodos: duas pontas paralelas com resistores e um eletrodo plano
25
Figura I.15 - Tipos de DPs em arranjos básicos
26
Figura 1.16 - Descargas em materiais isolantes sólidos
27
Figura 1.17 - Sinais de DP
28
Figura II.1 - Imagem de UV de isolador
33
Figura II.2 - Imagem de IR de isolador
33
Figura II.3 - Diagrama de blocos da célula de ensaio
36
Figura II.4 - Resistor de fio utilizado como ETR
37
Figura II.5 - Base de válvula e tubo de porcelana para suporte do ETR
38
Figura II.6 - Defletor de ultra-som metálico
38
Figura II.7 - Conjunto montado – ETR – suportes de porcelana e defletor
38
Figura II.8 - Resistor e defletor de ultra-som
39
Figura II.9 - Conjunto do ETR completo
39
Figura II.10 - Circuito eletrônico do receptor
39
Figura II.11 - Transmissor de controle remoto
39
Figura II.12 - Diagrama do circuito de controle da célula de ensaio
40
Figura II.13 - Placa de circuito de controle da célula
41
Figura II.14 - Elementos do circuito de controle e alimentação da célula de ensaio
41
Figura II.15 - Célula de ensaio aberta com os elementos internos
42
x
Figura II.16 - Célula de ensaio vista pela parte traseira com o voltímetro digital
42
Figura II.17 - Teste do ETR sob a máxima tensão de controle da célula
43
Figura II.18 - Célula de ensaio acoplada ao “ETR”
43
Figura II.19 - Fonte AC utilizada para carga da bateria chumbo-ácido
44
®
Figura II.20 - Pistola de ultra-som Ultraprobe 2000 e acessórios
46
Figura II.21 - Parte traseira da pistola de ultra-som
46
Figura II.22 – Osciloscópio Tektronix TDS 2014B
47
Figura II.23 – Transformador de alta tensão (10 kV)
47
Figura II.24 – Divisor resistivo para medição de alta tensão.
48
Figura II.25 – Blindagem de alumínio para proteção da bateria auxiliar
48
Figura II.26 – Disposição dos equipamentos na bancada de captação de sinais
49
Figura II.27 – Leiaute dos equipamentos para ensaio à distância de 1 metro
50
Figura II.28 – Disposição dos equipamentos na bancada de aquisição de sinais
50
Figura II.29 – Ambiente com iluminação fluorescente desligada e ETR a 9 metros
51
Figura IV.1 – Visão Geral do Sistema de Ensaio
67
Figura IV.2 – Diagrama de blocos do processamento de sinais do detector ultra-
68
sônico IV.3 – Processamento espectral no detector ultra-sônico.
Figura
69
Figura IV.4 – Diagrama de blocos de processamento do sinal x(t)
69
0
Figura IV.5 - Padrão espectral para tensão de 10 kV e temperatura do ETR de 30 C
0
Figura IV.6 - Padrão espectral para tensão de 10 kV e temperatura do ETR de 100 C
0
71
71
Figura IV.7 - Padrão espectral para tensão de 10 kV e temperatura do ETR de 442 C
72
Figura IV.8 - Sobreposição dos padrões espectrais para tensão de 10 kV
72
Figura V.1 - Câmera de ultravioleta DayCor
®
Superb
74
Figura V.2 – Simulação de ocorrência de corona em saia de isolador
75
Figura V.3 – Câmara de termo-visão FLIR P60
75
Figura V.4 – Fonte de Alta Tensão HIPOTRONICS
76
Figura V.5 - secionador RD 500 da Bouthorpe Power Equipment
77
Figura V.6 – Célula de ensaio fixada ao barramento da fonte de alta tensão
77
Figura V.7 – Disposição dos equipamentos na bancada de instrumentos
78
Figura V.8 – Leiaute dos sistemas de aquisição de sinais para execução dos ensaios
78
Figura V.9 – Leiaute do posicionamento do ETR em relação ao piso
79
Figura V.10 – Ambiente do laboratório com a iluminação desligada
79
Figura V.11 – Termovisor FLIR direcionado para elemento térmico da célula
81
Figura V.12 – Termopar digital e trena ultra-sônica para medição de distâncias
81
0
Figura VI.1 – Termograma do ETR à temperatura de 283 C
83
xi
Figura VI.2 – Padrão de descarga parcial (Imagem de UV)
83
0
Figura VII.1 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV – 30 C
96
0
Figura VII.2 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV – 72 C
97
0
Figura VII.3 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV – 100 C
97
0
Figura VII.4 – Comparação dos padrões espectrais – 10kV – 30, 72 e 100 C
0
Figura VII.5 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV – 30 C
98
99
0
Figura VII.6 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV – 100 C
99
0
Figura VII.7 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV – 282 C
100
0
Figura VII.8 – Comparação dos padrões espectrais – 39kV – 30, 100 e 282 C
100
xii
LISTA DE TABELAS
Pág.
Tabela I.1. Permissividade relativa de alguns meios
22
Tabela I.2 - Rigidez dielétrica de diversos materiais isolantes comuns
24
Tabela II.1. Tensão aplicada ao resistor e temperaturas medidas no ETR
52
Tabela III.1 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados
54
Tabela III.2 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados – distância 1 m
56
Tabela III.3 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados – distância 3 m
60
Tabela III.4 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados – distância 9 m
64
Tabela VI.1 – Registros de padrões ultra-sônicos para diversas tensões e temperaturas
84
o
Tabela VI.2 - Tensão variável e temperatura ambiente de 30 C na superfície do ETR87
85
Tabela VI.3- Tensão variável e temperatura de 72oC na superfície do ETR
87
o
Tabela VI.4- Tensão variável e temperatura de 100 C na superfície do ETR
o
Tabela VI.5- Tensão variável e temperatura de 282 C na superfície do ETR
o
Tabela VI.6- Tensão variável e temperatura de 442 C na superfície do ETR
89
91
93
xiii
LISTA ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
Abreviatura /
Símbolo
M
Significado
Unidade
mega
-
k
kilo
-
kHz
medida de freqüência
kilohertz
MHz
medida de freqüência
megahertz
Hz
medida de freqüência
hertz
m
espaço
metros
m/s
velocidade
metros por segundo
s
tempo
segundo
mm
medida
milímetro
°C
Temperatura relativa
Graus Celsius
V
Voltagem
volt
ε
permissividade
F/m
εr
Permissividade relativa
-
Impedância acústica
Laboratório de Ultra-Som
kg m-2 s-1 ou Rayl
-
CEFET
Centro Federal de Educação Tecnológica Celso
Suckow da Fonseca
-
DEPPG
-
RJ
Departamento de Pesquisa e Pós-Graduação
Rio de Janeiro
-
END
Ensaio Não Destrutivo
-
C
capacitância
Farad
c
velocidade de propagação
m/s
t
espessura
µm
λ
Comprimento de onda
m
CTE
Centro Técnico de Ensaios
-
ETR
Elemento Térmico de Referência
-
SEP
Sistema Elétrico de Potência
-
Zo
LUS
1
INTRODUÇÃO
Este trabalho apresenta uma nova técnica para detecção de pontos quentes em
componentes de equipamentos elétricos de alta tensão. Esta técnica é baseada na detecção e
comparação dos padrões espectrais de ruído ultra-sônico produzido por descargas parciais que
ocorrem em componentes elétricos operando em temperaturas normais de serviço submetidos
a um dado potencial (alta tensão) e os padrões obtidos nestes componentes operando em altas
temperaturas (ocorrência de pontos quentes) submetidos à mesma tensão.
No Capítulo I iremos analisar os conceitos e técnicas de manutenção aplicadas em
Sistemas Elétricos de Potência – SEP no auxílio à manutenção corretiva, preventiva e preditiva
tais como termografia e ultra-som. É descrito também o conceito de descarga parcial (DP).
No Capítulo II é descrita a proposta de uma nova metodologia a ser aplicada na
manutenção de Sistemas Elétricos de Potência, a saber, a detecção de pontos quentes em
componentes de equipamentos elétricos de alta tensão. Esta pesquisa consistiu da realização
de dois conjuntos de experimentos com vista à comprovação das possíveis correlações entre
ocorrência de pontos quentes em conexões e contatos elétricos e a possibilidade de detecção
destes pontos quentes, a partir da medição das variações das grandezas associadas ao
fenômeno, com a utilização da técnica de ultra-som associada ao processamento digital de
sinais.
No Capítulo III são apresentados os resultados obtidos do primeiro conjunto de ensaios
realizados no laboratório da DSP TELECOMUNICAÇÕES, em Santa Rita do Sapucaí. As
medições foram realizadas para várias condições de ajuste de temperatura do elemento
térmico de referência, na tensão CA fixa de 10 kV; 60Hz.
No Capítulo IV são discutidos os resultados obtidos no primeiro conjunto de ensaios e
descrita à técnica utilizada para registrar e analisar o espectro dos sinais ultra-sônicos. A
técnica de classificação de padrões tem-se mostrado como uma ferramenta eficaz para avaliar
a condição operativa de equipamentos e tem sido utilizada com sucesso em identificação de
uma série de processos. Como será discutido neste trabalho, propõem-se mais uma técnica, do
ultra-som, para auxiliar as equipes de manutenção avaliar a condição operativa dos
equipamentos dos sistemas elétricos de potência em relação à possível ocorrência de pontos
quentes em seus componentes.
2
No Capítulo V são discutidos os “MÉTODOS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA O
SEGUNDO CONJUNTO DE ENSAIOS”, os quais foram realizados nos dias 17 e 18 de
dezembro de 2007, no laboratório de medidas elétricas do Centro Técnico de Ensaios da
empresa Furnas Centrais Elétricas S.A. em Passos/MG. Estes ensaios foram realizados
aplicando-se à célula de ensaio tensões de freqüência industrial de até 200kV, com
a
possibilidade de variar o valor da tensão AC (ensaio de alta-tensão a freqüência industrial).
No Capítulo VI apresentados os resultados obtidos no segundo conjunto de ensaios.
Foram realizadas medições para 5 valores de temperaturas do elemento térmico de referência
e 5 valores de tensões AC aplicadas à célula de ensaio, de forma a obter os padrões de ruídos
espectrais das descargas parciais para várias classes de tensão de operação usuais para os
equipamentos dos sistemas elétricos de potência. São apresentados os padrões espectrais do
ruído ultra-sônico obtido, para as condições de tensão AC aplicada de 10 kV e 39 kV, estando
o ETR nas temperaturas de 300C, 720C e 1000C e 300C, 100 e 2820C respectivamente. Foi
aplicada a função de média móvel do programa Microsoft Excel com período 2, nos valores das
amplitudes em dB para estes espectros de freqüências. Todos os outros parâmetros de
influência no fenômeno foram, dentro das possibilidades, mantidos constantes.
Na Conclusão final é feito um resumo e análise dos resultados obtidos nos dois conjuntos
de ensaios realizados.
Na Proposta para Pesquisa & Desenvolvimento são relacionados os desenvolvimentos
que podem ser aplicados no sistema de medição e diagnóstico com o objetivo de refinamento
da técnica, de forma que a mesma possa ser utilizada para estimação de temperaturas em
locais de difícil acesso, tais como a parte ativa de equipamentos elétricos de alta tensão.
3
CAPÍTULO I
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA - TÉCNICAS DE MANUTENÇÃO APLICADAS EM
SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA.
Neste capítulo iremos analisar os conceitos de manutenção e as técnicas aplicadas em
Sistemas Elétricos de Potência – SEP no auxilio a manutenção corretiva, preventiva e preditiva
tais como, termografia e ultra-som. È descrito também o conceito de descarga parcial.
1.1 Conceitos De Manutenção
Atualmente as técnicas de manutenção devem ser necessariamente desenvolvidas sob
a estratégia da redução dos tempos de intervenção nos equipamentos, buscando obter o
menor tempo de indisponibilidade dos mesmos. Para se alcançar essas estratégias utilizam-se
os seguintes conceitos [1].
1.1.1. Manutenção Corretiva
Ocorre sempre de forma não prevista ou planejada, gerando grandes perdas de
produção e esforços da equipe de manutenção. Podemos destacar os seguintes pontos
negativos deste conceito: necessita de uma equipe de manutenção super dimensionada e não
tem controle sobre a disponibilidade dos equipamentos de produção.
1.1.2. Manutenção Preventiva
Trabalha de acordo com uma programação pré-estabelecida, normalmente em função
da estatística da vida útil média dos componentes dos equipamentos. Pontos negativos:
substituição prematura de componentes, com alto impacto nos custos de manutenção e não
leva em conta a real evolução da vida útil dos equipamentos com alto impacto na
disponibilidade dos equipamentos de produção.
1.1.3.
Manutenção Preditiva
A manutenção preditiva se baseia na análise da evolução supervisionada de
parâmetros significantes da deterioração do componente, permitindo alongar e planejar
intervenções. Conceito ainda pouco aplicado no país, a manutenção preditiva pode significar
uma economia igual a 30 vezes o valor investido. Apesar de esse número variar conforme a
utilização do sistema e tipo de indústria, esse ganho financeiro ocorre devido ao menor tempo
perdido com máquinas paradas.
4
A Manutenção preditiva consiste no planejamento antecipado das intervenções
corretivas, a partir da aplicação sistemática de uma ou mais técnicas de monitoração, como:
•
Análise de vibrações de equipamentos rotativos e alternativos
•
Análise da corrente elétrica e fluxo magnético de motores elétricos
•
Análise de óleos lubrificantes (tribologia e ferrografia)
•
Análise de óleos isolantes (análise da presença de gases e furfurais)
•
Termografia de sistemas elétricos e mecânicos
•
Ultra-som para detecção de vazamentos e defeitos de válvulas e purgadores,
etc.
Essas técnicas são capazes de prever eventuais falhas de funcionamento sem a
necessidade de interrupção do processo produtivo de modo que a intervenção corretiva possa
ser programada com antecedência suficiente proporcionando os seguintes benefícios:
•
Aumento da segurança e da disponibilidade dos equipamentos, com redução
dos riscos de acidentes e interrupções inesperadas da produção;
•
Eliminação da troca prematura de componentes com vida útil remanescente
ainda significativa;
•
Redução dos prazos e custos das intervenções, pelo conhecimento antecipado
dos defeitos a serem corrigidos;
•
Aumento da vida útil das máquinas e componentes pela melhoria das condições
de instalação e operação.
A análise estatística dos dados coletados pela manutenção preditiva permite ainda:
•
Identificar equipamentos com problemas crônicos e orientar a sua correção;
•
Avaliar a eficácia e a qualidade dos serviços corretivos e propor programas de
treinamento e a adoção de novas tecnologias, visando o seu aprimoramento.
5
1.2.
O Atual Cenário da Indústria de Energia Elétrica no Brasil
O atual cenário do mercado de energia elétrica brasileiro, envolvendo desregulamentação e
privatização, implantação do sistema de penalização por Parcela Variável – PV para os
desligamentos de equipamentos não planejados, trouxe novos desafios visando maior utilidade
e drástica redução nos custos de manutenção dos equipamentos dos sistemas de geração,
transmissão e distribuição de energia elétrica. Os níveis de manutenção se tornaram
indicadores de reestruturação e qualidade gerencial nas empresas concessionárias de energia
elétrica. A redução da manutenção a níveis ótimos é o desafio que as empresas têm que
buscar continuamente. Para este propósito, estender o tempo de serviço (vida útil) e o tempo
entre manutenções dos equipamentos de alta tensão (geradores, transformadores,
equipamentos de manobra, etc.) são imposições para novas condições de operação do SEP.
Conseqüentemente, essas novas condições, somadas a um possível crescimento da
demanda, podem fazer com que os equipamentos trabalhem em determinados períodos em
condições de sobrecarga. Além disso, projetos de equipamentos, atrelados a normas
deficientes, em alguns casos impostas pelos fabricantes, fazem com que nem sempre estes
equipamentos estejam adequados para condições críticas de operação. Por conseguinte, estes
e outros fatores podem conduzir a um aumento dos riscos de falha, degradando seus
componentes ativos, tais como contatos e isolações principais, causando a perda de suas
propriedades elétricas e mecânicas e reduzindo consequentemente a vida útil destes
equipamentos.
Neste cenário de mudanças, cada vez mais o uso de técnicas adequadas de medição,
monitoração e diagnóstico do estado operativo dos sistemas e equipamentos elétricos, com a
finalidade de melhorar sua confiabilidade e reduzir o número de paradas programadas e não
programadas faz-se necessário. Atualmente, as empresas de energia elétrica estão prestando
cada vez mais atenção na preservação de seus equipamentos mais importantes,
especialmente transformadores de potência, disjuntores e geradores, para garantir um serviço
contínuo de energia elétrica, ainda com uma tímida inversão no monitoramento e automação
de suas subestações [2].
A transmissão de grandes blocos de energia através dos SEP, é realizada em altas e
extras altas tensões utilizando equipamentos elétricos de grande porte, tais como
transformadores, disjuntores, secionadores, barramentos e linhas de transmissão. As classes
de tensões usuais para transmissão de grandes blocos de energia elétrica são 138.000,
230.000, 345.000, 500.000, 765.000 VCA e +/- 600.000 VCC. Estão sendo conduzidos no
Brasil, pelo CEPEL/RJ, estudos para viabilização da transmissão de energia elétrica das bacias
da região Amazônica para a região Sudeste em tensões de até 1.000.000 Volts.
6
As conexões elétricas internas aos equipamentos de alta tensão, e conexões entre
equipamentos, (barramentos, conectores, cordoalhas, etc.), partes ativas, conduzem correntes
da ordem de 100 a 20.000 ampères, ficando sujeitas a elevações anormais de temperatura
quando ocorrer um mau contato nestas conexões. Estes maus contatos são devidos ao
surgimento de oxidações ou afrouxamentos entre os pontos conectados. Estas elevações
anormais de temperatura em regiões pontuais das partes ativas destes equipamentos são
normalmente conhecidas como pontos quentes.
A Figura I.1 mostra a montagem de um ensaio para a simulação de ocorrência de
superaquecimento em haste de acionamento de um secionador de média tensão (13.800 Volts)
sob ensaio no Centro Técnico de Ensaios de FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. A corrente
elétrica circulou pela haste de acionamento devido à elevada resistência elétrica de seus
contatos principais.
Figura I.1 - Corrente nominal circulando pela haste de acionamento.
Desconectando-se a haste de acionamento e aplicando-se 2000 ampères com fonte de
corrente AC de baixa tensão, como mostra a Figura I.2, verificamos a ocorrência de um ponto
com elevada temperatura em um dos dedos do conjunto de contatos fixo.
Figura I.2 – Simulação de ponto quente em secionador de 13,8 kV.
7
A ocorrência deste ponto quente foi provavelmente devido a um conjunto de fatores, tais
como: mau ajuste da pressão de contato entre os dedos e lâmina na fase de fabricação e/ou
montagem, o que inicialmente provoca má distribuição da corrente total entre os dedos;
acúmulo de contaminantes na região de contato, o que leva à formação de camadas oxidas
com elevada resistência; periodicidade de manutenção inadequada, o que favorece a evolução
do problema de aquecimento localizado devido à ocorrência de alta resistência de contato não
corrigida a tempo. A Figura I.1 apresenta uma condição limite, quando todos os dedos
apresentam elevada resistência entre estes a lâmina e praticamente toda a corrente nominal do
secionador circula pela haste de acionamento do secionador (fabricada com aço e
conseqüentemente com elevada resistividade), atingindo temperatura da ordem de 850 oC.
Os desligamentos dos equipamentos sejam de forma programada para correção destes
pontos quentes, ou de forma intempestiva, devidos à elevação súbita da temperatura
(avalanche térmica) e subseqüente falha dos equipamentos reduz a confiabilidade e a
disponibilidade operativa, dos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia
elétrica em todo o mundo [3]. Há, portanto, necessidade de monitorar periodicamente a
temperatura destas conexões para realizar a manutenção preditiva e evitar falhas na
transmissão de energia, com os conseqüentes prejuízos para as empresas do setor elétrico e a
sociedade.
A grande dificuldade na detecção de pontos de temperatura elevada, em conexões e
contatos elétricos em geral o que configura uma condição operativa anormal, está ligada à
necessidade de isolação elétrica entre o instrumento (transdutor) utilizado para a medição da
temperatura e os pontos nos quais se deseja monitorar em relação à ocorrência de altas
temperaturas. Este fato dá lugar a técnicas baseadas em detecção à distância. A principal
técnica em uso atualmente é baseada em termografia. A termografia detecta e registra as
radiações eletromagnéticas com comprimentos de onda na faixa do infravermelho naturalmente
emitidas por qualquer corpo, com intensidade proporcional a sua temperatura.
Exceção a esta regra se faz aos sensores de temperatura baseados na tecnologia de
fibras ópticas, que se encontra em pleno desenvolvimento e já tem apresentado bons
resultados em algumas aplicações em sistemas elétricos de potência, tal como a medição
direta da temperatura de cabos das linhas de transmissão em alta e extra alta tensão [4],
medição direta em tempo real da temperatura em reatores de filtro de harmônicos como na
subestação de Ibiúna da Empresa FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A, e medição da
temperatura em enrolamentos de transformadores de alta tensão [5].
A técnica de termografia, com sensores colocados distantes do ponto de
monitoramento, é adequada para monitor conexões nos sistemas de energia elétrica.
8
Atualmente as empresas do setor elétrico utilizam esta técnica, detectando as radiações
eletromagnéticas com comprimentos de onda na faixa do infravermelho [6], [7], [8]. Embora
seja
uma
técnica
extremamente
eficaz,
sua
grande
desvantagem
está
associada
principalmente aos custos dos equipamentos disponíveis e suas aplicações práticas em
sistemas de potência, dependem da correta interpretação dos dados por parte do operador do
equipamento termografia.
A Figura I.3. apresenta uma imagem de termograma obtida a partir da câmara de
infravermelho FLIR, que registrou a ocorrência de um ponto quente, com 132º.C em um
conjunto de contatos fixos+móvel de um secionador de 600kV do sistema de transmissão de
HVDC de Itaipu, responsável pela transmissão de uma potência da ordem de 1,5 GWatts.
Figura I.3 - Imagem termográfica - câmera FLIR.
O desenvolvimento de novas técnicas que permitam identificar de forma preventiva e
preditiva, preferencialmente a baixo custo, a ocorrência de eventuais pontos quentes em
contatos e conexões elétricas que possam ocasionar desligamentos dos sistemas elétricos
associados, é de extrema utilidade para as empresas do setor energia elétrica em qualquer
região ou país.
Os contatos elétricos e conexões de interesse para detecção de possíveis ocorrências
de pontos quentes são instalados em pontos com elevados potenciais, como os anteriormente
citados. Um secionador de alta tensão, por exemplo, responsável pela condução de correntes
da ordem de 600 a 5000 Ampères possue vários contatos em sua parte ativa, a qual se
encontra instalada em um elevado potencial em relação a terra [9]. Os contatos da quase
totalidade deste tipo de equipamento, por exemplo, não são instalados abrigados em câmaras
de extinção, como ocorre nos disjuntores de potência, mas expostos em contato direto com o
ar atmosférico. Com o equipamento energizado, nos cantos e bordas destes contatos ocorrerá
9
o efeito corona devido ao elevado campo elétrico nas regiões de fronteira entre estes
componentes que se encontram em elevados potenciais e o ar atmosférico que os envolve.
1.3. Manutenção Preditiva Utilizando Técnica de Termografia Infravermelha – O
Problema da Medição de Temperaturas à Distância.
Uma das técnicas de manutenção preditiva que ao longo dos últimos anos passou a ser
uma das mais utilizadas por parte das empresas é a Termografia infravermelha. Em geral uma
falha eletromecânica é antecedida pela geração e troca de calor. Este calor se traduz
habitualmente em uma elevação de temperatura que pode ser repentina, mas que em geral,
dependendo do objeto, a temperatura começa a aumentar em pequenas variações. Se for
possível detectar estas variações, muitas das falhas poderão ser previstas no início do seu
surgimento e que poderão produzir no futuro próximo ou em médio prazo uma parada
programada do equipamento. Isto permite a redução dos tempos de interrupção e a diminuição
da probabilidade de saída de serviço não prevista e, portanto, não programada. Os benefícios
incluem a redução de custos com demandas não atendidas, economia de energia, proteção de
pessoas e equipamentos, velocidade da inspeção e reparação.
Entre os problemas possíveis de serem detectados destacam-se:
•
Altas resistências de contato;
•
Circulação de correntes indevidas entre componentes com falha na isolação e
que produza aquecimento no ponto de contato;
•
Circuitos abertos;
•
Aquecimento indutivo;
•
Desbalanceamento de carga;
•
Sobrecarga de corrente;
•
Componentes instalados incorretamente;
•
Níveis de óleo incorretos;
10
1.3.1.
A Técnica de Termografia Infravermelha
Com a técnica tradicional de “limpar e apertar” se efetua procedimentos para corrigir
conexões frouxas e contatos pobres, desta forma todas as conexões, pontos e junções de
contato, recebem fisicamente manutenção, necessitando ou não. Geralmente esse
procedimento não permite determinar se a falha foi corrigida.
A inspeção termográfica é genericamente definida como a técnica de inspeção não
destrutiva, que se baseia na detecção de radiação infravermelha naturalmente emitida pelos
corpos, permitindo assim a medição de temperaturas sem contato físico com os mesmos.
Através da utilização de sistemas infravermelhos torna-se possível a observação de padrões
diferenciais de distribuição de calor num componente, com o objetivo de proporcionar
informações relativas à condição operacional deste.
As variações térmicas sofridas pelos elementos elétricos podem ser:
1. Diferenças na Temperatura Real – Elevações de temperaturas causadas pela energia
infravermelha irradiada da superfície do elemento. Elas podem ser causadas por: incremento
da resistência, uma vez que a energia térmica gerada por um componente elétrico é
diretamente proporcional ao quadrado da corrente multiplicado pela resistência, sobrecargas,
correntes harmônicas não previstas no projeto, aquecimento indutivo, convecção, capacitância
térmica e evaporação.
2. Diferenças na Temperatura Aparente - Temperaturas criadas por fatores diferentes
das variações da superfície. Podem ter as seguintes causas: Emitância, refletância,
transmitância e variações geométricas.
Em relação as causas relacionadas com as “Diferenças na Temperatura Real” apenas
três indicam problemas em um sistema elétrico: Incremento da resistência, harmônicos e
aquecimento por indução. As restantes farão mudanças reais de temperatura na superfície do
componente, mas não indicam falhas elétricas.
Com a termografia se focalizam os problemas que devem ser corrigidos utilizando as
técnicas convencionais e podendo encontrar outros problemas que em circunstancias normais
não seriam detectados. Dado que a termografia infravermelha é um meio que permite
identificar, sem contatos direto, componentes elétricos e mecânicos mais quentes do que
deveriam estar (pontos quentes), constituindo provavelmente uma área de falha e indicando
também perdas excessivas de calor.
11
Entre as vantagens desta técnica, nós podemos mencionar:
•
A inspeção é realizada a distância, sem contato físico com o elemento em condições
normais de funcionamento. Não necessitando dessa forma a retirada de serviço do
equipamento;
•
Trata-se de uma técnica que permite a identificação precisa do elemento defeituoso,
ao permitir a medição da temperatura de qualquer ponto dentro do campo de uma
imagem termográfica;
•
Ela é uma técnica aplicável a diferentes equipamentos elétricos: bornes de
transformadores de potência, seccionadoras, cabos, barramentos e partes de
conexões, etc.;
•
É aplicada para o acompanhamento de defeitos em tempo “quase real”, o que permite
quantificar a gravidade do defeito e a extensão das variações de carga sobre o
mesmo, possibilitando assim programação da manutenção necessária e o momento
mais oportuno para executá-la (o que pode representar uma grande economia, se
levarmos em conta os custos atuais de desligamentos de equipamentos de alta tensão
enquadrados no sistema de faturamento com parcela variável) ou a intervenção
imediata antes que o defeito possa produzir um colapso da instalação.
•
Em relação a manutenção tradicional, o uso da inspeção termográfica propicia uma
redução dos riscos para as pessoas, a redução de indisponibilidades para manutenção
e um menor custo.
•
Realiza a inspeção de muitos itens em pouco tempo.
Entre as desvantagens ou inconvenientes temos:
•
Capacidade limitada para a identificação de defeitos internos na medida em que o
mesmo não pode ser exteriorizado pelo aumento de temperatura;
•
A contaminação da atmosfera através de poluentes e/ou outras fontes de irradiação
pode confundir a análise do defeito;
•
O estado de carga do elemento sob análise pode influir na determinação de
anomalias.
•
Custo ainda elevado para os equipamentos de termografia.
12
1.3.2.
Processo de Inspeção Termográfica
No processo de inspeção termográfica é possível definir, de forma geral, os seguintes
estágios:
1. Planejamento da inspeção nos períodos de demanda máxima.
2. Avaliação e classificação dos pontos quentes detectados.
3. Emissão de relatório, com a identificação das falhas e o nível de urgência para
o seu reparo.
4. Revisão termográfica para avaliar a eficácia da manutenção realizada para a
correção da falha.
1.3.3.
Câmera de Termografia ou Termovisor
A luz visível, parte do espectro eletromagnético que os nossos olhos são capazes de
perceber, compreende uma pequena parte do espectro, como pode ser observado Figura I.4.
Assim, aquilo que está fora do alcance dos nossos olhos, necessita de recursos especiais para
poder ser detectados e visto.
Figura I.4. - Espectro eletromagnético.
Para podermos “enxergar” no INFRAVERMELHO devemos utilizar câmeras especiais
denominadas de TERMOVISORES e assim, a Termografia, é a tecnologia que permite
“enxergar” nessa parte invisível para nossos olhos do espectro eletromagnético.
O termovisor é um equipamento destinado a aquisição e representação de uma imagem
originária da recepção e tratamento de ondas eletromagnéticas dentro da faixa do
infravermelho. A Figura I.5 mostra os principais blocos funcionais de uma câmera termográfica.
13
Figura I.5 - Elementos básicos da estrutura de um termovisor.
A Figura I.6 mostra uma câmera de termografia modelo P60 do fabricante FLIR
utilizada nos experimentos deste trabalho.
Figura I.6 - Câmera de termografia ou termovisor P60 da FLIR.
1.4.
Efeito Corona e o Mecanismo de Descargas Parciais
Descargas corona ou parciais é um termo cotidianamente utilizado desde o passado.
Sua base consolidou-se no começo dos anos de 1920, onde, já era considerado como um
campo de pesquisa desenvolvido. Sua preeminente importância ferramental tem crescido para
assistir na qualidade e no desempenho característico dos equipamentos de alta tensão [10]. O
termo “efeito corona” é, atualmente, considerado como um fenômeno particular de descargas
parciais (DPs), em gases ou líquidos, que ocorrem ao redor de condutores submetidos a
elevados campos elétricos, e que estão distantes de qualquer dielétrico sólido [11]. Este termo
não deve ser aplicado a outras formas de descargas parciais. O “efeito corona” ou
simplesmente corona é definido como o rompimento ou descarga em torno de um elemento
energizado, sob a influência de um campo elétrico. O corona ocorre quando o gradiente de
potencial em torno de um elemento energizado supera um determinado valor crítico e que, para
14
o ar, está em torno de 30 kV/cm [12]. As vibrações produzidas por estas descargas vão desde
centenas de kHz até centenas de MHz. Ruído audível, ultra-sônico e radio interferência são
conseqüências do efeito corona. Para a detecção desta classe especial de “descargas parciais”
foram desenvolvidas ao longo dos anos uma série de técnicas. A aplicação da técnica de ultrasom utilizando microfones seletivos direcionais com alta sensibilidade acima da faixa audível
acoplados a sistemas de aquisição e processamento digital de sinais pode ser empregado para
detecção e caracterização das descargas de corona [11] e [13].
Descargas parciais podem ser sintetizadas como sinais elétricos pulsantes incompletos,
intermitentes e rápidos, da ordem dos nanosegundos, que ocorrem pela proximidade entre
duas partes condutoras de eletricidade e o meio isolante, através do efeito de ionização em
cavidades gasosas, no interior dos materiais isolantes e nas interfaces condutor-isolante ou
isolante-isolante [2].
Corona é uma descarga elétrica auto-sustentada causada pela ionização de um gás ao redor
de um condutor energizado, e ocorre quando o gradiente de potencial excede certo valor, mas
as condições são insuficientes para causar uma disrupção elétrica completa ou arco elétrico.
Próximo à superfície do condutor o campo elétrico é mais intenso e quando alcança valores da
ordem de 30 kV/cm inicia-se um processo conhecido como avalanche de Townsed [13], onde
os elétrons são arrancados dos átomos do dielétrico em próximo do condutor. Neste processo
ocorre à ionização das moléculas dos gases, e são ejetados elétrons e fótons. A ocorrência de
corona no ar atmosférico leva à formação de ozônio (O3) e dióxido de nitrogênio (NO2). Na
Figura I.7 é mostrada a formação de uma nuvem de elétrons acelerados e íons das moléculas
dos gases dielétricos na região de fronteira do condutor.
Figura I.7 – Avalanche de Townsed na superfície de um condutor fino
15
Na figura I.9 abaixo é mostrada com o uso de uma câmara de ultravioleta – Corocam II, a
ocorrência de corona intenso na superfície de três cabos de uma linha de transmissão de alta
tensão (500 kV) da Companhia Hidroelétrica do São Francisco – Chesf. Devido à queda da
linha de transmissão original, construída com cabos de feixe expandido (4 cabos por fase
montados na aresta de um quadrado com 30 cm de lado), foi provisoriamente reconstruído o
trecho da linha caído utilizando-se apenas um cabo por fase. Devido ao reduzido diâmetro de
apenas um condutor (~2,5 cm), quando comparado com o diâmetro equivalente do feixe de
quatro cabos da linha original, o elevado o campo elétrico resultante na superfície superior ao
necessário para a ocorrência de corona.
Figura I.8 – Imagem de UV de uma linha de transmissão de 500 kV
A realização de uma medição de DPs (em qualquer de suas formas) em equipamentos de
alta tensão não só é dificultada pela acessibilidade e complexidade dos circuitos internos dos
equipamentos, como também por diversas fontes de ruído poluentes, que se acoplam ao sinal
e ao sistema de medição. Ao longo dos anos, ocorreram avanços significativos na eliminação
de alguns tipos de ruídos, através de técnicas de processamento digital dos sinais obtidos;
porém, estes avanços tecnológicos estão conduzindo para a diversificação que, se por um lado
abre novas formas possíveis de ver o fenômeno de DPs, por outro, inibe o estabelecimento de
procedimentos padrões com relação à identificação de fontes características de DPs.
O ruído pode ser extraído dos sinais-fontes de forma aproximada. Utilizam-se sistemas
artificiais e inteligentes (Redes Neurais, Simulated Annealing, Algoritmos Genéticos etc.),
métodos ICA/BSS (Análise de Componentes Independentes e separação cega de sinal), PCA
16
(Análise de Componentes Principais), estatísticas de alta ordem (HOSA) entre outros, com a
finalidade de encontrar características que, muitas vezes, não são observáveis ou exploradas
pelos métodos tradicionais. É evidente que estes métodos podem ser complementares e
cooperativos, a partir de uma análise de componentes independentes (ICA). Este método é
uma das ferramentas em expansão por seu potencial de aplicabilidade em diversos campos de
pesquisa, tais como processamento de sinais, imagens, telecomunicações, reconhecimento de
voz, biomédica, separação cega de fontes etc. Em particular, investiga-se a extração cega de
ruídos em sinais de descarga parcial.
O ICA é um método de processamento de sinal para extrair fontes independentes a
partir de misturas de fontes desconhecidas, adquiridas por medição (observações). O ICA
busca direções coordenadas entre componentes mais independentes e não necessariamente
ortogonais que representem as observações.
Novas ferramentas e técnicas vêem sendo adaptadas para tratar a informação obtida de
uma medição de DP e sua distribuição angular na tensão aplicada (ver Figuras I.9 (b) e (c)).
Entre elas está o reconhecimento de padrões de DP, feito a partir de modelos experimentais
amplamente descritos em [14] e [15].
(a)
(b)
(c)
Figura 1.9: Mapas de Sinais de DP: (a) Pulsos intermitentes medidos em ultra-alta freqüência,
(b) DP em 3-D e (c) Mapa característico de DP.
17
Nas primeiras experiências praticadas, a detecção de DPs (aproximadamente há cinco
décadas) era feita através do teste de tensão de rádio interferência (TRI). Já na década de
noventa as técnicas de medição foram melhoradas pelas novas tecnologias no processamento
de sinais. Apesar do surgimento de novos instrumentos para detecção de descargas parciais, o
ruído ainda é pouco tratável e de difícil eliminação. Mesmo assim, a detecção de DPs vem
sendo cada vez mais utilizada como técnica preditiva para manutenção em motores, geradores,
transformadores, pára-raios, interruptores e até em bancos de capacitores.
Para que se possa melhor entender o complexo fenômeno das DPs, é importante
conhecer alguns princípios físicos, químicos e elétricos envolvidos. Serão abordados
sucintamente os mecanismos da ionização dos átomos de um material isolante, conceitos
importantes sobre campo elétrico, características, causas e conseqüências das DPs.
1.4.1.
Ionização dos Átomos de um Material Isolante
Para compreender o fenômeno de descargas parciais é preciso entender como são
ionizados os átomos de um material dielétrico [14], [16]. O processo de ionização e avalanche
(inicio de descargas) satisfaz as relações de Paschen e Townsed [17]. Porém, em ensaios
práticos de DPs, as “impurezas” e “imperfeições internas” no dielétrico, distorcem as equações
de Townsed, fazendo com que a tensão de inception possa ocorrer em tensões menores do
que a tensão nominal.
Para casos práticos e de simples ionização, deve-se estabelecer a relação entre a
r
diferença de potencial entre dois pontos (Vab) e o campo elétrico ( E ). Essa relação está
implícita na Equação (2.1), onde se considera um dielétrico com comportamento linear,
isotrópico e sistema homogêneo (a permissividade ε do meio é estática ou é considerada
constante para baixas freqüências [17].
r
∇V = ∇φ = − E
(2.1)
Admitindo que o campo seja uniforme, as linhas de campo são paralelas e a diferença
de potencial por unidade de comprimento é constante. Logo, as linhas equipotenciais, que são
ortogonais às linhas de campo, estarão espaçadas uniformemente e quanto maior a diferença
de potencial entre dois pontos, mais intenso é o campo. Uma formulação mais completa da
Equação (2.1) incluindo o efeito do potencial vetor de campo pode ser encontrada em [18]. A
Equação (2.2) representa sistemas não-homogêneos, onde o potencial escalar
corresponde a cargas estáticas ou fenômenos lentos,
∇φ
∂A
é o componente para cargas
∂t
dinâmicas ou fenômenos rápidos e A` é o potencial vetor de uma fonte totalmente externa à
18
região considerada (assume tipicamente valor nulo). Assim, os potenciais das cargas são
representados por φ (escalar) e A (vetorial) [2]. Além disso, ε tem dependência da pressão,
temperatura e freqüência [8].
r
∂A 1
E = −∇ φ −
− ∇ × A*
∂t
ε
(2.2)
Em relação ao caso simples e prático, quando um campo elétrico é aplicado a um
condutor, os elétrons da camada externa de seus átomos são facilmente “arrancados” e
migram prontamente de átomo para átomo. Porém, os elétrons de um material dielétrico estão
bem “presos” perto de suas posições de equilíbrio e não podem ser “arrancados” facilmente.
Quando um campo elétrico é aplicado a um material dielétrico, este é polarizado, ou seja, há
um deslocamento de cargas positivas e negativas da sua posição de equilíbrio, embora não
haja migração de carga neste caso. Em geral, este fato faz com que os materiais dielétricos
(resinas, vidro, mica etc.) se comportem como bons isolantes.
Os átomos individuais na presença de um campo elétrico têm o elétron negativamente
carregado, sujeito a uma força no sentido contrário ao campo F= qE e o núcleo positivamente
carregado, sujeito a uma força no mesmo sentido do campo. Essas forças distorcem a
estrutura do átomo de maneira que o núcleo fica à direita do seu centro efetivo. Os átomos se
comportam então como dipolos, ou seja, podem ser considerados como duas cargas pontuais
+Q e –Q, representando respectivamente o núcleo e a carga eletrônica. Diz-se, então, que o
material dielétrico está polarizado.
A Figura I.10 ilustra um átomo de um material dielétrico e o deslocamento do elétron
com relação ao núcleo quando na presença de um campo elétrico. Como foi mostrado pela
Equação (2.1), se a diferença de tensão entre os eletrodos é aumentada, o campo elétrico irá
aumentar até um ponto onde as forças externas exercidas no elétron serão maiores que as
forças internas e, o elétron será então “arrancado” da sua órbita. O átomo estará então
ionizado, ou seja, se tornará um íon positivo.
Figura 1.10 – Átomo de um material dielétrico a) Átomo não polarizado b) Forças no átomo
quando se aplica E
19
O processo de ionização principal, no entanto, é a ionização por colisão entre um
elétron e um átomo ou molécula neutra. Se o elétron livre está submetido a um campo elétrico,
ele é acelerado e colide com átomos de nitrogênio, oxigênio e outros gases presentes. A
velocidade do elétron está diretamente ligada à intensidade do campo elétrico. Se o campo
elétrico não for muito intenso, estas colisões serão elásticas, similares a colisões entre bolas de
bilhar, e não haverá transferência de energia. Se por outro lado a intensidade do campo
elétrico exceder um valor crítico, qualquer elétron livre presente nesse campo irá adquirir uma
velocidade suficiente para tornar a colisão com uma molécula de ar inelástica, o que significa
que o elétron terá energia para deslocar outro elétron de sua órbita e ionizar o átomo. A Figura
I.11 ilustra o processo de avalanche de elétrons iniciado a partir de um eletrodo negativo.
Figura I.11 – Processo de avalanche de elétrons iniciado a partir de um eletrodo
negativo a) Inicio. b) Formação de um par de elétrons – impacto de um elétron com um átomo
neutro libera um elétron adicional e deixa um íon positivo para trás. c) Multiplicação – Os
elétrons se movem criando íons positivos quando se multiplicam.
O elétron inicial − que perdeu a maior parte da sua velocidade na colisão − e o elétron
expelido da molécula do gás − que também tem uma velocidade baixa − é acelerado pelo
campo elétrico, e na próxima colisão cada elétron é capaz de ionizar uma nova molécula do
gás. Após a segunda colisão, existem quatro elétrons capazes de ionizar outros átomos e
assim sucessivamente, com o número de elétrons dobrando a cada colisão. Este processo é
conhecido como avalanche de elétrons, sendo sempre iniciado com um elétron livre submetido
a um campo elétrico intenso. A Figura I.11 ilustra a seqüência da ionização dos átomos.
Os íons positivos deixados para trás no processo da avalanche de elétrons se movem
na direção do eletrodo negativo. No entanto, eles se movem muito vagarosamente, devido à
sua massa, que é aproximadamente cinqüenta mil vezes a massa do elétron [14], [17]. Tendo
uma carga positiva, esses íons atraem elétrons que estão vagando e, quando algum elétron
livre consegue ser capturado, forma-se outra molécula neutra do gás. O nível de energia de
uma molécula neutra é menor do que o do íon positivo correspondente, logo, quando um
20
elétron livre é capturado, um quantum de energia é emitido pela molécula. Esse quantum de
energia é exatamente igual em magnitude à energia que inicialmente foi requerida para
deslocar o elétron inicial fora de sua molécula. Uma onda eletromagnética é irradiada e, para
moléculas de gases como oxigênio ou nitrogênio, essa radiação está dentro da faixa visível de
luz. Portanto, um observador pode ver essa radiação como uma luz violeta clara, que ocorre
principalmente na recombinação de íons de nitrogênio com elétrons livres. Se não houver mais
a fonte de energia, o processo de ionização cessará; mas a recombinação continuará até que
não haja mais elétrons livres nem íons positivos.
Os elétrons e íons positivos provenientes deste processo são suficientes para conduzir
corrente entre os eletrodos e absorver uma quantidade relativamente grande de potência da
fonte, fazendo com que uma centelha surja entre os eletrodos. Quando ocorre o
centelhamento, diz-se que há uma ruptura do material dielétrico. Como essa centelha
normalmente não atravessa completamente o material dielétrico entre os eletrodos, é chamada
de descarga parcial.
A avalanche de elétrons descrita na Figura I.11 possui certo número de elétrons por
segundo, que pode variar de centenas de elétrons por segundo até 1022 elétrons por segundo
em um período típico de 100 nanosegundos. Para quantificar melhor a carga, utiliza-se como
unidade o Coulomb, que é equivalente a uma carga de 6,02 x 1018 elétrons. Como um Ampère
é definido como um fluxo de carga de um Coulomb por segundo, a corrente da avalanche
eletrônica pode variar de 10-17A até alguns milhares de Ampères.
A energia da descarga, no entanto, é extremamente pequena quando se tenta medir a
amplitude da tensão de um pulso de descarga.
Se a descarga ocorrer no ar, em torno de um elemento condutor, é denominada de
efeito corona, assim como “streamer” ou “descarga auto-sustentada”.
O movimento de elétrons para o eletrodo positivo, Figura I.10 (a) e o movimento de íons
positivos para o eletrodo negativo, Figura I.10 (b) significa um fluxo de elétrons através do
gerador entre os dois terminais.
Se uma impedância for introduzida entre o gerador e os terminais, a diferença de
potencial não será mais constante e irá decrescer linearmente com o aumento da corrente.
Ajustando o valor dessa impedância, pode-se variar a taxa de dissipação de energia na
descarga ou a potência consumida.
21
1.4.2.
Algumas Considerações sobre o Campo Elétrico
Como foi visto anteriormente, o campo elétrico tem um papel fundamental no
surgimento das descargas parciais, pois influencia diretamente o processo de ionização dos
átomos de um material dielétrico. Podem ocorrer descargas nos pontos do material dielétrico
onde houver maior intensidade de campo elétrico, o que torna muito importante um estudo
mais detalhado sobre as circunstâncias em que isso ocorre.
A intensidade do campo elétrico está relacionada basicamente com o valor de tensão,
com o meio em que ele se encontra e com a geometria do conjunto eletrodos/dielétrico em que
ele atua. Como descrito na Equação (2.1), o campo elétrico é diretamente proporcional à
tensão aplicada, ou seja, aumenta para valores maiores de tensão. As outras duas situações
serão vistas a seguir.
1.4.2.1.
O Campo Elétrico e o Meio em que ele se Encontra
Para compreender como o campo varia devido ao meio em que ele se encontra, é
preciso analisar as relações de fronteira entre dois meios dielétricos diferentes, pois o campo
elétrico pode variar abruptamente, tanto em intensidade como em direção. Essa análise é feita
em duas partes, considerando, em primeiro lugar, a relação entre os campos tangentes à
fronteira, e em segundo lugar, os campos normais a ela.
Estas relações de fronteira levam em consideração uma característica muito importante
nos materiais dielétricos: a permissividade ou constante dielétrica (ε). Como a permissividade
de um dielétrico é sempre maior do que a permissividade do vácuo, muitas vezes é
conveniente usar a permissividade relativa do dielétrico, isto é, a razão entre sua
permissividade e a do vácuo. Assim,
εr
ε
ε0
(2.3)
Onde, εr é a permissividade relativa do dielétrico, ε é a permissividade do dielétrico e ε0
é permissividade do vácuo = 8 , 85 pFm
−1
Enquanto que ε e ε0 são expressos em farads por metro F ⋅ m − 1 ,a permissividade
relativa εr é uma razão adimensional e é o valor dado geralmente em tabelas. A permissividade
relativa de alguns meios está apresentada na Tabela I.1, onde os valores referem-se a campos
estáticos (ou em baixas freqüências) e são aproximados, exceto para o vácuo ou ar. Observe
que εr para o ar está tão próximo da unidade que, na maioria dos casos, podemos considerar o
ar equivalente ao vácuo [19].
22
Tabela I.1. Permissividade relativa de alguns meios [2].
Permissividade dos meios dielétricos
Meio
Permissividade relativa (εr)
Vácuo
1
Ar (pressão atmosférica)
1,0006
Espuma de poliestireno (Styrofoam)
1,03
Parafina
2,1
Madeira compensada
2,1
Poliestireno
2,7
Âmbar
3
Borracha
3
Plexigas
3,4
Solo arenoso seco
3,4
Nylon (sólido)
3,8
Enxofre
4
Quartzo
5
Baquelita
5
Fórmica
6
Vidro com maior composição de chumbo(Lead Glass)
6
Mica
6
Mármore
8
Cristal (Flint glass)
10
Amônia (líquida)
22
Glicerina
50
Água (destilada)
81
Titânio de bário (BaTiO3)
1200
Titanato de bário e estrôncio (2BaTiO3: 1SrTiO3)
10000
Titanato e zirconato de bário (4BaTiO3: 1BaZrO3)
13000
Estanho e titanato de bário (9BaTiO3: 1BaSnO3)
20000
A permissividade relativa é um indicador do nível de isolamento elétrico de um material
dielétrico. Quanto maior a permissividade relativa do material, melhor a suportabilidade de
tensão desse material, considerando um campo elétrico uniforme e uma temperatura de 20 ºC.
Para faixas de freqüência muito amplas, os materiais podem apresentar variações da
permissividade ε caracterizadas por componente real ε ' e imaginaria ε '', os quais dependem
da freqüência e podem apresentar diversos modos ressonantes causados pelos diversos
modos de vibração [18], [19].
23
Considerando dois meios dielétricos de permissividade ε1 e ε2 separados por uma
fronteira plana, e supondo que os dois meios são isolantes perfeitos, tem-se que as
componentes tangenciais do campo elétrico são iguais nos dois lados da fronteira, como
mostram a Figura I.12. Isso significa que o campo elétrico tangencial é contínuo através dessa
fronteira.
Figura I.12 – Fronteira entre dois meios diferentes
Para tratar das componentes normais, será utilizada a densidade de fluxo, cuja
componente normal é contínua através da fronteira desprovida de cargas entre dois dielétricos,
como pode ser visto nas equações (2.4) e (2.5).
Dn1 = Dn2 ..............(2.4)
ε 1 En1 = ε 2 En2 .........(2.5)
De acordo com a Equação (2.5), verificamos que os campos elétricos normais à
fronteira estão inversamente relacionados com as permissividades relativas ε1 e ε2. Se o meio
1 tiver uma permissividade relativa menor que a do meio 2, o campo elétrico no meio 1 será
maior que no meio 2.
Esse tipo de situação ocorre, por exemplo, com pequenas cavidades de ar no interior de
materiais dielétricos sólidos ou bolhas de gás no interior de materiais dielétricos líquidos. Como
o ar tem uma permissividade-relativa menor que a do material dielétrico (sólido ou líquido), o
campo elétrico no ar é maior, o que favorece a ionização dos elétrons e conseqüentemente a
ocorrência de descargas parciais. A produção de descargas também se dá no ar pela ionização
das moléculas que se encontram nos pontos de maior gradiente de potencial.
A intensidade máxima de campo que um dielétrico pode suportar sem que ocorram
centelhamentos é a rigidez dielétrica. A Tabela 2.2 relaciona os valores de rigidez dielétrica de
vários materiais dielétricos. A rigidez dielétrica refere-se a um campo uniforme e os materiais
estão listados em ordem crescente de rigidez [19].
24
Tabela I.2 - Rigidez dielétrica de diversos materiais isolantes comuns[2].
Rigidez dielétrica de diversos materiais comuns
Rigidez Dielétrica (MV m-1)
Material
1.4.2.2.
Ar (pressão atmosférica)
3
Óleo (mineral)
15
Papel (impregnado)
15
Poliestireno
20
Borracha (dura)
21
Baquelita
25
Vidro (placa)
30
Parafina
30
Quartzo (fundido)
30
Mica
200
O Campo Elétrico e a Geometria dos Eletrodos
A geometria dos eletrodos influencia diretamente a distribuição da intensidade do
campo elétrico. O gradiente de tensão aumenta quanto menor for a área do eletrodo. Se o
formato do eletrodo for uma ponta, o gradiente de tensão é alto. Se, para o mesmo nível de
tensão aplicada, o eletrodo tiver um formato plano, o gradiente de tensão é bem menor. A
Figura I.13 ilustra um exemplo de eletrodo ponta-plano tendo um gás como dielétrico.
Figura I.13 – Eletrodo ponta-plano
Perto da ponta, como o gradiente de potencial é maior, a intensidade do campo elétrico
é maior, como foi mostrado pela Equação (2.1). O elétron que está perto da ponta pode então
ser acelerado até adquirir energia cinética suficiente para causar uma ionização. Perto do
plano, a intensidade do campo elétrico é menor e o elétron pode não adquirir energia cinética
suficiente para causar uma ionização. Logo, a descarga é limitada a um volume perto da ponta.
O volume de gás restante entre o plano e a descarga funciona como uma excelente
resistência, limitando o centelhamento.
25
A estrutura de eletrodos cilíndricos, onde o cilindro interno é bem menor que o cilindro
externo, funciona exatamente da mesma maneira, sendo a descarga adjacente ao cilindro
interno, que tem o maior gradiente de potencial.
Outro exemplo de eletrodos seria o de duas agulhas (separadas de aproximadamente
0,5 cm) e um plano. Se a tensão é ajustada para fornecer uma descarga pequena perto da
ponta, as duas agulhas irão centelhar. Se, no entanto, a tensão é aumentada para fornecer
descargas maiores, somente uma agulha irá centelhar. Para fazer com que as duas agulhas
sofram as descargas, é necessário adicionar uma resistência série em cada agulha, como
mostra a Figura I.14. Quando as descargas são pequenas, as impedâncias presentes no
volume de gás não ionizado entre as pontas e o plano atuam, limitando a corrente.
Figura I.14 – Eletrodos: duas pontas paralelas com resistores e um eletrodo plano
Se o campo for uniforme (linhas de campo paralelas em toda parte) e se for aumentado
gradualmente, ocorrerão centelhas no ar quase que imediatamente após um valor crítico do
campo ter sido ultrapassado; mas se o campo não for uniforme (linhas de campo divergentes)
poderá ocorrer inicialmente uma descarga, e depois, com o aumento de E, uma descarga
ininterrupta.
1.4.3. Tipos de Descargas Parciais
Descargas parciais podem ocorrer em qualquer ponto do material dielétrico; na junção
de dois materiais dielétricos diferentes ou adjacentes ao eletrodo, seguidamente em vários
pontos do dielétrico e até mesmo sem eletrodos, em uma cavidade do material dielétrico.
A idéia errônea de que eletrodos metálicos são necessários decorre da sua larga
utilização em demonstrações de laboratório, seja através de eletrodos ponta-plano ou um
condutor e um plano. Descargas parciais podem ocorrer entre dois isolantes agindo como
eletrodos; essas descargas sem eletrodos são problemáticas em alguns veículos espaciais.
O termo descargas parciais envolve um amplo grupo de fenômenos de descarga tal
como descargas internas, superficiais e descargas corona [20]. Descargas internas podem
26
ocorrer em cavidades em dielétricos sólidos ou bolhas em dielétricos líquidos, descargas
superficiais podem ocorrer na interface de isolamentos ou condutores e descargas corona são
relativos a descargas em dielétricos gasosos se estão presentes elevados campos elétricos
não-homogêneos. Por último o impacto das descargas em dielétricos sólidos podem formar-se
canais de descarga chamados treeing. A Figura I.15 mostra algumas descargas típicas
baseadas em arranjos isolantes simples.
Figura I.15 – Tipos de DPs em arranjos básicos a) Descargas tipo corona. b) Descargas na
superfície. c) Descargas em material laminado. d) Descargas internas. e) Descargas entre
espiras em enrolamentos de máquinas elétricas girantes.
Descargas tipo efeito corona (Figura I.15.a) ocorrem em eletrodos tipo ponta ou
condutores finos conectados a um alto potencial ou à terra, particularmente em instalações
isoladas com ar/gás ou com materiais isolantes líquidos. Descargas na superfície (Figura
I.15.b) e descargas em materiais laminados (Figura I.15.c) ocorrem nas interfaces entre
materiais isolantes diferentes, como por exemplo, entre gás/sólido.
Descargas em pequenas cavidades de ar (Figura I.15.d) ocorrem em líquidos tanto
quanto em materiais isolantes sólidos. Descargas tipo Slot ocorrem em máquinas girantes: os
modelos se baseiam em barras de geradores, nas quais possuem ranhuras para reprodução
do defeito (Figura I.15.e) [21]. Em materiais isolantes sólidos podem ocorrer também as
descargas contínuas que deterioram parcialmente o material isolante geralmente denominado
descargas treeing ou treeing channels (ver Figura I.16).
27
Os treeing channels se propagam em volta do isolamento sólido similar aos encontrados
em barras de gerador. Estudos experimentais advertem que este processo pode ser reduzido
por pesquisa de parâmetros elétricos, térmicos e carregamento mecânico [22], [23]. Porém,
muitos destes estudos se tornam inviáveis quando aplicado a equipamento real, devido a
restrições de acesso e limitações de implementação. Assim estes estudos têm sido realizados
em ambientes e laboratórios especiais com a finalidade de determinar o comportamento do
material sob condições adversas aplicadas.
Figura I.16 – Descargas em materiais isolantes sólidos (treeing channels): Trajetória de
propagação de uma treeing channels em torno de uma barreira de mica.
Em aplicações práticas, é feita uma distinção entre “DP interna” e “DP externa”.
Descargas externas são definidas como processos que ocorrem fora do equipamento, por
exemplo, em armaduras; e descargas internas são definidas como processos que ocorrem
dentro de sistemas fechados. Essa distinção é apropriada para os sistemas de medição
utilizados, pois descargas externas (em linhas de alimentação ou eletrodos) podem ser
distintas de descargas internas ocorrendo no objeto a ser testado.
Descargas parciais são de curta duração em relação ao período da senóide de tensão aplicada
(da ordem de nanosegundos), são repetitivas, têm sua frente muito íngreme e muito
acentuada, podendo ser consideradas como uma função impulso.
1.4.4. Conceito de Descargas Parciais
As DPs são sucessões de descargas elétricas incompletas, rápidas e intermitentes da
ordem de nanosegundos (ver Figura I.17.a), que ocorrem pela proximidade entre duas partes
condutoras de eletricidade e um meio isolante, pelo efeito de ionização em cavidades gasosas
no interior dos materiais isolantes sólidos e líquidos. Tais descargas também podem ocorrer na
zona de contato de isolantes sólidos (dielétricos) e superfícies metálicas submetidas à tensão
elétrica [24]. Esta definição coloca em evidência algumas características notáveis do fenômeno
físico das DPs, como:
28
• Realizam-se rapidamente, considerando a sua curta duração em relação ao
semiperíodo da tensão referencial aplicada (60 Hz).
• São fenômenos intermitentes, determinando sobre os circuitos elétricos impulsos com
frentes muito íngremes e discretas no tempo.
• Caracterizam-se por elevadas freqüências espectrais (da ordem de megahertz).
• O ambiente onde se desenvolvem as disrupções é de natureza gasosa. O espaço onde
se realizam as DPs restringe-se a uma zona limitada do dielétrico, não chegando a
curto-circuitar os dois eletrodos, pois quando tal se verifica ocorre a disrupção do
dielétrico e, portanto a sua deterioração.
Figura I.17 – Sinais de DPs: (a) Pulsos intermitentes medidos em ultra-alta freqüência. (b)
Queda de potencial por DPs em cavidades. (c) e (d) mapeamentos típicos de DPs gerados por
modelos experimentais.
A Figura I.17.b mostra um modelo típico de medição e simulação de DPs em cavidades
gasosas e dielétricos sólidos, onde V(t), U10 e U1 são os valores máximos das tensões de
referência, da cavidade e de descarga, respectivamente e, Uz+ e Uz- são níveis de tensão de
início de descarga em cavidades gasosas, maiores detalhes da Figura I.17.b encontra-se em
[14], [20]. As Figura I.17.c e d são mapas digitais dos pulsos máximos de DPs, obtidos por
instrumentos de medição de DPs sob um modelo experimental.
29
Como foi exposta acima, a ocorrência de DPs é favorecida em cavidades gasosas no
interior de materiais isolantes. Essas cavidades são as responsáveis pelas falhas mais comuns
no material dielétrico, e são geralmente introduzidas durante as várias etapas de fabricação
dos materiais isolantes e outras solicitações durante o seu envelhecimento. Elas podem ocorrer
também devido a uma aplicação inadequada de vácuo durante o ciclo de impregnação, como é
o caso em sistemas de papéis isolantes impregnados a óleo usados em cabos, capacitores e
transformadores. Nos geradores, particularmente nas barras estatóricas, elas ocorrem entre a
camada de verniz e um condutor elementar, entre camada de pintura semicondutora e a
isolação principal (efeito ranhura).
1.4.5.
Detecção e Medição de Descargas Parciais
Existem várias técnicas de detecção de DPs: elétrica, acústica, óptica, química etc.
Porém, a maioria destas são usadas apenas para complementar a detecção elétrica, embora
algumas destas técnicas sejam mais aplicáveis a certos casos. Por exemplo, a técnica acústica
de medição por ultra-som está ganhando maior interesse, no aspecto de localização, por
triangulação de pulsos e reflexões acústicas, da ocorrência de descargas
internas em
transformadores de potência. Infelizmente, medições de descargas parciais no campo ainda é
alvo de ruídos e interferências, visto que, os sinais acústicos podem sofrer forte atenuação,
como nos casos de medição de DPs próximas dos enrolamentos de transformadores [25]. A
seguir são listadas algumas das técnicas utilizadas para detecção de descargas parciais [14],
[26]:
Método Óptico ou Visual – DP pode ser observada visualmente em ambientes
escuros, após acostumar os olhos à escuridão. O observador pode utilizar binóculos de grande
alcance, se necessário. Alternativamente, registros fotográficos ultra-rápidos podem ser feitos
e, para fins especiais, são usados intensificadores de imagem.
Método Químico – A presença de DPs em óleo ou equipamentos com isolantes a gás
pode ser detectada, em alguns casos, pela análise da decomposição de produtos dissolvidos
no óleo ou no gás. Esses produtos se acumulam durante operações prolongadas. A análise
química pode também ser usada para estimar a degradação do isolamento causada pela
ocorrência de DPs.
Método Acústico – Este procedimento é baseado no ruído audível ou ultra-sônico
gerado pelas DPs, isto é, ruído no ar ou vibrações em materiais adjacentes à fonte de
descarga. A técnica acústica consiste em utilizar sensores piezelétricos ou transdutores, que
podem ser conectados dentro ou fora do equipamento, de preferência em ambientes com baixo
nível de ruído. Medidas acústicas feitas com microfones ou outros transdutores, em conjunto
com amplificadores e instrumentos de registro adequados, podem ser úteis para localizar a
30
descarga no equipamento. Diversos sensores, com alta sensibilidade para faixas de freqüência
acima da faixa audível, são usados para localizar descargas corona no ar. Transdutores
também podem ser usados para localizar descargas em subestações isoladas a gás (SIGs) ou
equipamentos imersos em óleo, como transformadores. Esta técnica é a mais adequada para
localizar fisicamente a ocorrência de descargas e estão sendo utilizadas em diversos
equipamentos tal como grandes transformadores.
Método da Tensão de Rádio Interferência – O teste de tensão de rádio interferência
(TRI) é baseado no fato de que DPs geram ondas eletromagnéticas na forma de interferência
estática. O receptor é calibrado em micro-volts para medir o valor do sinal de entrada. Este
método não é adequado para localizar fisicamente, dentro do equipamento, o local onde
ocorrem descargas e sim para quantificar o valor das descargas. A medição de TRI é usada
tanto em equipamentos de alta tensão como em linhas de transmissão. Nos equipamentos, os
sinais de descarga são detectados através de uma resistência, enquanto que em linhas de
transmissão, a interferência em radiofreqüência (RF) gerada pelas descargas, é detectada
usando-se uma antena.
Método Elétrico - Essa técnica faz com que o instrumento de detecção de descargas
se torne parte do circuito elétrico, incluindo o equipamento onde as descargas estão ocorrendo.
Neste método as descargas são medidas normalmente em pico Coulombs. Esse procedimento
de medição é o mais utilizado em geradores, transformadores, cabos de alta tensão,
capacitores, entre outros. Uma impedância de detecção RLC (resistiva, indutiva e capacitiva)
ou RC (resistiva e capacitiva) pode ser usada, sendo a RLC para um modo de detecção de
banda estreita de freqüência e a RC para um modo de detecção de banda larga de freqüência.
O método elétrico é, sem dúvida, o mais utilizado para quantificar DPs. As normas IEC
60270 e IEEE P1434 [27], [28] são entidades que tentam unificar e consolidar procedimentos
para medição de DPs e fornecem várias alternativas de circuitos de ensaio e terminologia
apropriada para realizar medição de DPs. Cabe ressaltar que ainda não se têm procedimentos
confiáveis e fáceis para situações bem específicas se aplicados num determinado modelo ou
equipamento.
31
1.5.
Manutenção Preditiva Utilizando Técnica de Ultra-som.
As propriedades do ultra-som já estão sendo estudadas há mais de um século e
o resultado da sua aplicação em sistemas de medição, detecção, monitoramento e em ensaios
não-destrutivos continuam oferecendo um bom retorno aos investimentos empregados. Como o
ultra-som está fora da faixa de freqüência audível ao homem (compreendida entre 20 Hz 20KHz), ele pode ser empregado com intensidade bastante alta.
As aplicações de alta intensidade têm como objetivo produzir alteração do meio através
do qual a onda se propaga, como exemplo, a terapia médica, atomização de líquidos, ruptura
de células biológicas, solda e homogeneização de materiais.
Já as aplicações do ultra-som de baixa intensidade têm como propósito transmitir ou
receber a energia através de um meio e com isso obter informações do mesmo. Como exemplo
pode-se citar o ensaio não destrutivo de materiais, medida das propriedades elásticas dos
materiais e diagnose médica [29].
1.5.1. Aplicação do Ultra-som na Manutenção
A técnica de ultra-som se destaca pelos excelentes resultados proporcionados à
importância das ações preditivas no quadro de esforços para garantir a continuidade da
operação industrial a custos mais baixos.
A inspeção por ultra-som é baseada na detecção dos sons produzidos por operações
mecânicas (rolamentos danificados), emissões elétricas (faíscamento, arco elétrico, efeito
corona) e fluxo de fluidos (vazamentos para atmosfera, válvulas, purgadores). A detecção por
ultra-som permite encontrar falhas em praticamente todos os equipamentos existentes num
ambiente fabril como, por exemplo, a detecção de trincas em sólidos etc. e comprova ser o
processo mais versátil para a localização de vazamentos numa instalação industrial.
A técnica de detecção por ultra-som completa o grupo de tecnologias que definem a
manutenção preditiva: Termografia, Análise de Óleos e a Análise de Vibrações.
1.6.
No
Conclusões
atual
cenário
do
mercado
de
energia
elétrica
brasileiro,
envolvendo
desregulamentação e privatização, os níveis de manutenção se tornaram indicadores de
reestruturação e qualidade gerencial nas empresas concessionárias de energia elétrica. A
redução da manutenção a níveis ótimos é o desafio que as empresas têm que buscar
continuamente com novas condições de operação do SEP.
32
Em relação à aplicação de técnicas de manutenção preditiva, de um modo geral, pode-se
afirmar que em indústrias de processo ou energia, sua aplicação resulta, a médio e longo
prazo, em reduções da ordem de 2/3 nos prejuízos com interrupções inesperadas de produção
e/ou continuidade dos serviços de transmissão, por exemplo, e de 1/3 nos gastos com a
manutenção, após uma fase inicial de investimentos.
Uma das técnicas de manutenção preditiva que ao longo dos últimos anos passou a ser
uma das mais utilizadas por parte das empresas é a termografia infravermelha. Esta técnica
permite a redução dos tempos de interrupção e a diminuição da probabilidade de saída de
serviço não prevista e, portanto, não programada. Os benefícios incluem a redução de custos
com demandas não atendidas, economia de energia, proteção de pessoas e equipamentos,
velocidade da inspeção e reparação.
A detecção e análise dos sinais de descargas parciais DP´s em equipamentos elétricos de
alta tensão consolidou-se no começo dos anos de 1920, onde, já era considerado como um
campo de pesquisa desenvolvido. Sua preeminente importância ferramental tem crescido para
assistir na qualidade e no desempenho característico dos equipamentos de alta tensão [10]. O
termo “efeito corona” é, atualmente, considerado como um fenômeno particular de descargas
parciais (DPs), em gases ou líquidos, que ocorrem ao redor de condutores submetidos a
elevados campos elétricos, e que estão distantes de qualquer dielétrico sólido [11]. Este termo
não deve ser aplicado a outras formas de descargas parciais. Existem várias técnicas de
detecção de DPs: elétrica, acústica, óptica, química etc. Porém, a maioria destas é usada
apenas para complementar a detecção elétrica, embora algumas destas técnicas sejam mais
aplicáveis a certos casos.
Neste trabalho propõem-se o uso da técnica de ultra-som para detecção dos sinais de
corona com o objetivo de detectarem-se temperaturas anormais em componentes da parte
ativa de equipamentos elétricos de alta tensão.
33
CAPÍTULO II
MATERIAIS E MÉTODOS - PROPOSTA E ESTUDO DE UMA NOVA METODOLOGIA
PARA MANUTENÇÃO EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA
2.1.
Metodologia
Este capítulo descreve a proposta de uma nova metodologia para detecção de pontos
quentes com o uso do ultra-som. Esta pesquisa consistiu da realização de dois conjuntos de
experimentos com vista à comprovação das possíveis correlações entre ocorrência de pontos
quentes em conexões e contatos elétricos que operam na alta-tensão e a possibilidade de
detecção destes pontos quentes, a partir da medição das variações das grandezas associadas
ao fenômeno, com a utilização da técnica de ultra-som associada ao processamento digital de
sinais.
2.2.
Técnica de Detecção
A ocorrência de uma região pontual com elevada temperatura em um dado componente
elétrico (um contato elétrico com elevada resistência de contato, por exemplo), provocará o
aquecimento do ar atmosférico das regiões de fronteira em torno deste ponto quente. Nesta
situação, estando este componente em um elevado potencial, o ar que o envolve se comporta
como o dielétrico. A elevação da temperatura do ar na região próxima ao componente afetará,
entre outros fatores, a sua permissividade e conseqüentemente as condições de ocorrência do
processo de ionização e subseqüentes ocorrências de descargas parciais.
Figura II.1 - Imagem de UV de isolador
Figura II.2 - Imagem de IR de
isolador
As Figuras II.1 e II.2 mostram a ocorrência de corona em coluna isoladora e a câmara de
infravermelho indica temperatura anormal nos mesmos pontos da coluna onde ocorre o corona.
34
O tipo de correlação que se propõe analisar para a detecção de pontos quentes em
conexões ou contatos elétricos da parte ativa de equipamentos de alta tensão, é a
comparação, a partir do uso de ultra-som, entre os padrões espectrais de ruído ultra-sônico das
descargas parciais que ocorrem em componentes operando em temperaturas normais de
serviço submetidos a uma dada tensão e os padrões obtidos nestes componentes operando
em altas temperaturas (ocorrência de pontos quentes) submetidos à mesma tensão.
2.3.
Métodos e Equipamentos Utilizados para o Primeiro Conjunto de Ensaios
Inicialmente pretendia-se realizar um conjunto de medições de padrões ultra-sônicos
produzidos por descargas parciais, de um equipamento elétrico de alta tensão, no pátio de uma
subestação do sistema elétrico de Furnas, ou seja, em condições reais de operação.
Devido à grande quantidade e diversidade de ruídos interferentes que ocorrem no pátio
de uma subestação, e que poderiam mascarar significativamente o tipo de correlação que era
esperada, optou-se pela realização de experimentos iniciais em condições controladas de
forma a eliminar ou minimizar esta série de interferências que ocorrem no “campo". Por
exemplo, realizando-se as medições em ambiente fechado do laboratório, evitou-se a influência
de correntes de ar variáveis, no ponto em alta temperatura, as quais provocariam variações
inaceitáveis no controle de temperatura do elemento de referência sob medida. Internamente
ao laboratório, foi possível uma grande redução das várias fontes de ruído, tais como, trechos
de barramentos de grandes comprimentos os quais também se encontram submetidos à alta
tensão e consequentemente são fontes produtoras de ruídos ultra-sônicos gerados pelo efeito
corona em suas superfícies.
Para este propósito, foi necessário a especificação, projeto e desenvolvimento de um
sistema experimental, o qual basicamente inclui uma célula de ensaio com respectivo controle
à distância a partir da qual, puderam-se realizar as medições, minimizando as várias
interferências que ocorrem normalmente em um pátio de uma subestação de alta-tensão e
simultaneamente realizar o controle da temperatura de um elemento térmico de referência –
ETR, da célula o qual representa o contato elétrico sob diagnóstico.
Desta forma, estando este elemento de referência submetido a um elevado potencial
fixo escolhido, poderá ser variada a temperatura do mesmo, simulando a possível ocorrência
de um ponto quente em um contato elétrico. O efeito corona ocorrerá sempre que o ETR
estiver situado em um elevado potencial, independentemente de o mesmo estar à temperatura
ambiente ou mais elevada. Para um dado potencial fixo aplicado ao mesmo, o que se busca
detectar e caracterizar são as diferenças entre os padrões espectrais de ruído ultra-sônico
produzido pelas descargas parciais (efeito corona na superfície do ETR) para duas
35
temperaturas diferentes. Após a obtenção e correlação destes padrões, para várias
temperaturas do ETR, estando a célula submetida à um valor constante de tensão, uma dada
temperatura ajustada no ETR poderá ser conhecida a partir do padrão de ruído espectral obtido
para esta condição, dentro de uma margem de erro a ser estabelecida.
2.4.
Etapas de Execução da Pesquisa
2.4.1.
Especificação, projeto e construção de uma célula para ensaio em alta tensão;
2.4.2.
Testes operativos da célula de ensaio em condições de bancada, (calibração
do elemento térmico de referência – “ETR”);
2.4.3.
Testes operativos da célula de ensaio com fonte de média tensão AC e
freqüência industrial (60Hz), ensaio preliminar de média-tensão - 10 kV, para
verificar o correto funcionamento do circuito de controle remoto de temperatura
do “ETR” em condições de interferência eletromagnética provocada por efeito
corona;
2.4.4.
Testes de correlação com a célula de ensaio com fonte de 10 kV e freqüência
industrial (60Hz), no laboratório da empresa DSP, em Santa Rita do Sapucaí;
Descrição Detalhada das Etapas
Etapa 2.4.1 – (a) Especificação, (b) Projeto e Construção da Célula de Ensaio para
Simulação de Ponto Quente em Equipamento de Alta Tensão
(a) Especificação da Célula de Ensaio a ser Construída:
Para obtenção do tipo de correlação esperada, era necessário que se satisfizessem as
seguintes condições:
(1) ser possível monitorar um sensor metálico chamado “elemento térmico de referência”
(ETR), o qual irá representar um contato elétrico isolado da terra, ou seja, que possa ser
submetido a um elevado potencial em relação à terra;
(2) este ETR deverá ser submetido a um elevado potencial que possa ser escolhido e mantido
fixo durante cada medição, simulando as condições reais de operação de um componente da
parte ativa de um equipamento elétrico de alta tensão;
36
(3) este ETR deverá oferecer a possibilidade de ter sua temperatura variada em uma ampla
faixa de temperaturas. Desde a temperatura ambiente até uma temperatura elevada o
suficiente para representar as condições de ocorrência real de um ponto quente em um
componente elétrico que opera em alta tensão.
(4) o circuito interno de controle da célula, deve ser capaz de manter fixa a temperatura
ajustada no ETR, por um período de tempo suficiente para o registro dos padrões de ruído
ultrassônicos pelo sistema de processamento digital de sinais;
(5) os circuitos internos da célula devem possuir sistema de alimentação elétrica independentes
de qualquer alimentação externa, pois o sistema como um todo deve operar instalado na alta
tensão e isolado de terra;
(6) a célula não deve ter peso excessivo, pois deverá ser suspensa ao barramento de saída de
uma fonte alta tensão para a execução dos ensaios.
NOTA: Posteriormente, durante a execução dos ensaios, optou-se pela instalação de um
voltímetro preso à tampa traseira da célula que mede a voltagem sobre o resistor do elemento
térmico de referência.
A Figura II.3 mostra diagrama de blocos da célula de ensaio construída para realização dos
ensaios em condições de laboratório
Figura II.3 – Diagrama de blocos da célula de ensaio
(b) Projeto e Execução da Célula de Ensaio:
Para o atendimento às especificações anteriores, foi projetado um circuito eletrônico de
controle que pudesse ser instalado no interior de um recipiente de alumínio que permitiu a
sustentação dos elementos internos (circuito de controle e alimentação elétrica) e externos
(elemento térmico de referência) da célula e realizou a blindagem eletromagnética necessária
37
para o correto funcionamento do sistema de controle remoto sob condições de ocorrência de
efeito corona na superfície do recipiente. Este conjunto integrado foi denominado célula de
ensaio.
(c) Projeto e Execução do Elemento Térmico de Referência – ETR, Suporte e Defletor de
Ultra-som.
Foi definida uma faixa de variação de temperatura para o elemento térmico de referência
entre 25 0C e aproximadamente 600 0C. Após a experimentação de diversos componentes, tais
como resistores de diversos valores e potências que pudessem suportar estas elevadas
temperaturas, optou-se pela utilização de um resistor de fio de 1,3 ohms e 10 Watts, o qual
apresentou os melhores resultados em termos de suportabilidade e durabilidade às altas
temperaturas de operação. A Figura II.4 mostra o resistor utilizado para o ETR, após a sua
preparação para instalação no suporte e defletor do ETR.
Figura II.4 – Resistor de fio utilizado como ETR
Suporte para o ETR - foram experimentados diversos materiais que pudessem suportar as
elevadas temperaturas de ensaio programadas. Os melhores resultados foram obtidos
utilizando-se um suporte de porcelana para encaixe do ETR, retirado de um antigo rádio à
válvulas. Para a sustentação desta base de porcelana, foi utilizado um tubo de porcelana com
diâmetro de 18,0 mm e comprimento de 80,0 mm. A Figura II.5 mostra o tubo utilizado.
38
tubo
base
Figura II.5 – Base de válvula e tubo de porcelana para suporte do ETR
Defletor de ultra som para o ETR - foi utilizada uma forma de alumínio cobreado, na qual foi
realizada um furo com diâmetro de 18 mm, para passagem e fixação do tubo de porcelana de
sustentação da base do ETR. A Figura II.6 mostra a foto do defletor, a Figura II.7 mostra uma
vista em corte do conjunto montado e as figuras Figura II.8 e II.9 o conjunto montado.
Figura II.6 – Defletor de ultra-som metálico
Figura II.7 – Conjunto montado – ETR – suportes de porcelana e defletor
39
Figura II.8 – Resistor e defletor de ultra-som
Figura II.9 – Conjunto do ETR completo
(d) Projeto e Execução do Circuito de Controle da Temperatura
Devido à necessidade de isolamento elétrico entre a célula de ensaio e a terra, o
controle de variação da temperatura do ETR foi realizado via radiofreqüência. Para o módulo
transmissor e receptor de sinais, foi utilizado um controle remoto que opera em freqüência
modulada (FM) na faixa de 27MHz. Os circuitos (cartões) eletrônicos do transmissor e receptor
foram reaproveitados de um sistema de controle remoto comercial. As Figura II.10 e II.11
mostram os cartões de controle do receptor e transmissor. A alimentação elétrica do
transmissor é realizada por bateria de 9 volts.
Figura II.10 – Circuito eletrônico do receptor
Figura II.11 –Transmissor de
controle remoto
40
A Figura II.12 apresenta o diagrama do circuito eletrônico para o controle de variação da
temperatura do ETR e opera da seguinte forma:
Figura II.12 – Diagrama do circuito de controle da célula de ensaio.
O regulador de tensão de 5V CI1 (CI7805), fornece a alimentação de 5 volts para o cartão
receptor de controle remoto. O transmissor de controle remoto possui dois canais de controle
que foram utilizados respectivamente, um canal para a elevação da temperatura do ETR e o
segundo canal para redução da temperatura do ETR. Quando ocorre o comando, para
aumento ou redução da temperatura do ETR no transmissor, a saída do cartão receptor
(pontos x1 e x2) apresenta uma tensão DC de 5 volts com uma polaridade que é função do
canal comandado. Dois opto-acopladores (4N27) tem as suas entradas ligadas à saída do
receptor de forma complementar. Quando ocorre um comando no transmissor, por exemplo,
para aumentar a temperatura do ETR, a saída do opto-acoplador correspondente aciona o
carregamento do capacitor C2. Este capacitor está ligado à entrada do amplificador operacional
AOP1 (CI4). A elevação da tensão na sua entrada não-inversora produz a elevação da tensão
em sua saída com um ganho unitário, devido ao mesmo estar ligado na configuração de
seguidor. Esta tensão de saída no pino 6 que é proporcional à elevação da tensão na sua
entrada (pino 3) eleva a tensão sobre o resistor do ETR R10 através dos transistores de
potência T5 e T6. O aumento da tensão sobre este resistor, produz consequentemente o
aumento da potência dissipada no mesmo, elevando a sua temperatura.
O comando de redução da temperatura no transmissor aciona a saída correspondente do
optoacoplador OP2 que descarrega o capacitor C2, provocando a redução proporcional da
tensão sobre o resistor R10 do ETR e o abaixamento de sua temperatura. Quando nenhum
comando é executado no transmissor, o capacitor C2 mantém a tensão na entrada não
inversora do operacional praticamente constante, devido à alta impedância desta entrada não
41
descarregar o capacitor. Desta forma a tensão de saída que é aplicada ao ETR mantém-se
praticamente constante. Realizando-se os ensaios com a célula em ambiente fechado, onde
praticamente
não
ocorrem
correntes
de
ar,
a
temperatura
do
ETR
permanece
aproximadamente constante. A Figura II.13 mostra a placa de circuito impresso padrão, com a
disposição dos componentes.
Figura II.13 – Placa de circuito de controle da célula
A alimentação interna da célula é provida por uma bateria chumbo-ácido regulada por válvula,
com tensão de 12 Volts e capacidade de 14Ah. A Figura II.14 mostra o conjunto dos elementos
do circuito de controle e alimentação da célula de ensaio: (a) bateria chumbo-ácido; (b)
dissipador de calor de alumínio dos transistores de potência; (c) placa de controle principal; (d)
placa de resistores de equalização de corrente; (e) multímetro para monitoração de tensão de
saída.
Figura II.14 - Elementos do circuito de controle e alimentação da célula de ensaio
42
Figura II.15 mostra a célula de ensaio aberta com os respectivos elementos internos, após a
montagem dos mesmos no chassi e na posição de encaixe.
Figura II.15 - Célula de ensaio aberta com os elementos internos
A Figura II.16 mostra a célula de ensaio vista por trás, onde foi montado um voltímetro DC para
monitoramento da tensão aplicada sobre o resistor do elemento térmico de referência.
Figura II.16 - Célula de ensaio vista pela parte traseira com o voltímetro digital
43
A Figura II.17 mostra o elemento térmico de referência aquecido à máxima temperatura
alcançada pelo sistema de controle (temperatura aproximada de 6000C, medida posteriormente
com o termovisor FLIR). Durante os ensaios o elemento térmico de referência foi mantido o
menor tempo necessário para a medição nesta máxima temperatura, com o objetivo de
prolongamento de sua vida útil.
Figura II.17 – Teste do ETR sob a máxima tensão de controle da célula
A Figura II.18 mostra a célula de ensaio construída para realização dos ensaios, instalada
no case de alumínio, acoplada ao seu elemento térmico de referência.
Figura II.18 – Célula de ensaio acoplada ao “ETR”
44
A Figura II.19 mostra a fonte de alimentação regulada utilizada para carga das baterias
chumbo-ácidas da célula de ensaio e bateria auxiliar
Figura II.19 - Fonte AC utilizada para carga da bateria chumbo-ácido da célula de ensaio
Etapa 2.4.2 - Testes Operativos da Célula de Ensaio em Condições de Bancada,
(Calibração do Elemento Térmico de Referência – “ETR”)
Após a revisão geral dos circuitos de controle e conexões internas da célula de ensaio,
procedeu-se aos testes operativos da célula em condições de baixa tensão, ou seja, estando a
mesma completamente isolada de qualquer fonte de tensão externa.
2.4.2.1. Seqüência de Procedimentos para Execução dos Testes em Baixa Tensão
a)
proceder a carga completa da bateria interna da célula de ensaio;
b)
desconectar o cabo de carga da bateria;
c)
ligar as chaves de alimentação da célula e do controle remoto;
d)
acionar o botão de AUMENTAR a temperatura no controle remoto - deverá acender o led
vermelho e poderá ser constatado o aumento da temperatura do ETR com o termopar e
medidor digital - registrar os valores de temperatura ajustados no ETR e respectivas
tensões sobre o resistor do ETR para cada uma das temperaturas;
e)
acionar o botão de REDUZIR a temperatura no controle remoto - deverá acender o led
verde e poderá ser constatada a redução da voltagem sobre o ETR;
f)
desligar as chaves de alimentação da célula e do controle remoto;
g)
registrar a temperatura ambiente.
45
2.4.3. Testes Operativos com Fonte de Média Tensão AC e Freqüência Industrial (60Hz)
Ensaio preliminar de média-tensão - 10 kV, para verificar o correto funcionamento do
circuito de controle remoto de temperatura do “ETR” em condições de interferência
eletromagnética provocada por efeito corona;
NOTA: Para ensaios com média e alta tensão, foram seguidos todos os procedimentos para
trabalhos de medição em alta tensão. Todos os participantes dos ensaios estavam plenamente
habilitados conforme as mais recentes normas regulamentadoras para execução de serviços
em eletricidade [31].
2.4.3.1. Seqüência de Procedimentos para Execução dos Testes em Média Tensão
a) proceder a carga completa da bateria interna da célula de ensaio;
b) desconectar o cabo de carga da bateria;
c) montar a célula de ensaio sobre uma base isolante com capacidade de isolamento para
a classe 15 kV – foi utilizado uma placa de isopor de 5 cm de espessura;
d) conectar a célula de ensaio à bucha de saída de um transformador de alta tensão
(10kV) com cabo isolado para a classe 15 kV;
e) conectar a carcaça do transformador de alta tensão à terra;
f)
ligar as chaves de alimentação da célula e do controle remoto;
g) Ligar remotamente o primário do transformador de alta tensão à rede de alimentação
CA de 127 volts;
h) acionar o botão de AUMENTAR a temperatura no controle remoto - deverá acender o
led vermelho e poderá ser constatado o aumento da temperatura do ETR visualmente à
uma dada distância de segurança;
i)
acionar o botão de REDUZIR a temperatura no controle remoto - deverá acender o led
verde e poderá ser constatada a redução da voltagem sobre o ETR;
j)
desligar a alimentação CA do transformador de alta tensão;
k) desligar as chaves de alimentação da célula e do controle remoto;
Análise do resultado: O resultado do teste foi satisfatório. Ao realizar-se o comando de
aumento ou redução da temperatura do ETR, o respectivo comando foi realizado,
independentemente da ocorrência de corona audível na superfície do case da célula de ensaio.
46
2.4.4. Descrição dos Testes de Correlação com a Célula de Ensaio com Fonte de 10 kV e
Freqüência Industrial (60Hz), Realizados no Laboratório da Empresa DSP, em
Santa Rita do Sapucaí- 1ª Conjunto de Ensaios
2.4.4.1. Relação dos sistemas de medição utilizados para aquisição e registro dos sinais de
descargas parciais gerados na superfície do “ETR”:
(b)
Pistola de ultra-som Ultraprobe 2000 da Instronic - O Ultraprobe® é um equipamento
de detecção de ruído ultra-sônico que opera pelo principio de batimento entre as freqüências
do sinal ultra-sônico captado, com a freqüência de um oscilador interno que pode ser variada,
de forma a obter-se em sua saída um sinal na faixa audível de 2,5 kHz.
A Figura II.20 mostra a pistola de ultra som Ultraprobe® 2000 e seu conjunto de acessórios
(fones de ouvido, sensores para diversos tipos de detecção, carregador de baterias, etc.).
Figura II.20 - Pistola de ultra-som Ultraprobe® 2000 e acessórios
A Figura II.21 mostra a vista traseira da pistola de ultra-som onde se encontra o ajuste de
sensibilidade e o conector de saída de áudio P2 e o medidor de intensidade do sinal.
Ajuste de
sensibilidade
Figura II.21 – Parte traseira da pistola de ultra-som
47
(b)
Osciloscópio Tektronix TDS 2014B – Figura II.22
Utilizado para visualização, registro e processamento dos sinais na faixa audível, obtidos após
o batimento de freqüências do sinal de ruído ultra-sônico captado, com o sinal do oscilador
interno da pistola de ultra-som Ultraprobe 2000.
Figura II.22 – Osciloscópio Tektronix TDS 2014B
(c) Transformador de alta tensão (10kV) – Utilizado para fornecer a alta tensão necessária ao
ensaio, ou seja, produzir os gradientes de campo elétrico suficientemente intensos na
superfície do ETR, de forma a produzir o surgimento do efeito corona e conseqüente geração
do ruído ultra-sônico.
Figura II.23 – Transformador de alta tensão (10 kV) utilizado para realização da primeira bateria
de ensaios em média tensão.
48
(d) Divisor resistivo para medição de alta tensão com relação de 1:100 – Utilizado para permitir
a medição da tensão AC de saída do transformador de alta tensão. Foi construído com
resistores de precisão de filme metálico e aferido com base em padrão de tensão da Analog
Device.
Figura II.24 – Divisor resistivo para medição de alta tensão.
(e) Bateria chumbo-ácido auxiliar para alimentação da célula
Devido à duração dos ensaios ter se prolongado por um período de 2 dias, na empresa
DSP telecomunicações, constatou-se a necessidade de utilização de bateria auxiliar ligada em
paralelo com a bateria interna da célula de ensaio, para evitar que houvesse variação da
tensão e consequentemente da temperatura do ETR durante as medições. A figura II.22 mostra
a Blindagem de alumínio utilizada para proteção da bateria auxiliar, quanto a possíveis riscos
de ignição do hidrogênio normalmente presente na parte superior das baterias chumbo-àcidas
provocada pelo efeito do corona nos bornes da bateria. Durante os ensaios, esta bateria fica ao
mesmo potencial (alta tensão) da célula de ensaio.
Figura II.25 – Blindagem de alumínio para proteção da bateria auxiliar
49
2.4.4.2. Descrição das condições de execução do primeiro conjunto de ensaios com tensão de
10kV em corrente alternada – 60 Hz.
A célula de ensaio foi montada sobre uma base isolante (placa de isopor tamanho padrão)
com 5 cm de espessura. Sobre a mesma base foi colocado o transformador de alta tensão de
10 kV. O chassi da célula foi ligado à bucha de saída de AT (H2 do enrolamento de alta tensão)
do transformador. O lado H1 do enrolamento de alta tensão, foi conectado à um plano terra
artificial simulado por uma placa de circuito impresso de cobre de 40 x 40 cm. Esta placa foi
instalada abaixo do cone defletor de ultra som do ETR à uma distância de 50 cm. Na parte de
baixo da bancada, foi instalada a bateria auxiliar sobre uma placa de madeira de 4 cm de
espessura e esta bateria foi conectada em paralelo com a bateria da célula de ensaio com o
cuidado para que estes condutores de interligação fossem afastados da bancada. No cabo de
alimentação de corrente alternada do enrolamento de baixa tensão do transformador, foi
instalado um interruptor, de forma que o transformador possa ser ligado e desligado à uma
distância de segurança da bancada.
As figuras II.24
e II.25
apresentam a disposição dos equipamentos na bancada de
geração de sinais ultra-sônicos e a figura II.26 a disposição dos instrumentos na bancada de
aquisição dos sinais gerados neste primeiro conjunto de ensaios.
Figura II.26 – Disposição dos equipamentos na bancada de geração de sinais
50
Figura II.27 – Leiaute dos equipamentos para ensaio à distância de 1 metro entre ETR e
sensor de ultra som
Figura II.28 – Disposição dos equipamentos na bancada de aquisição de sinais
A iluminação ambiente, que utiliza reatores magnéticos geradores de ruído ultra-sônico, foi
desligada, e o laboratório foi fechado de forma a evitar-se ao máximo a circulação de
51
correntes de ar que dificultariam o controle de temperatura do ETR. A figura II.26 apresenta
a disposição dos instrumentos para a distância de 9m entre a pistola de ultra som e o ETR.
Figura II.29 – Ambiente com iluminação fluorescente desligada e ETR a 9m do sensor
Foram realizadas as medidas da temperatura ambiente e umidade do ar e pré-testados o
funcionamento do controle remoto de temperatura da célula e dos sistemas de medição e
registro.
Medição das temperaturas de superfície do ETR e das tensões de referência
Devido à indisponibilidade de uma câmara de termografia para medição das temperaturas de
superfície do ETR durante a execução desta primeira bateria de ensaios, foi utilizado um
termopar. Antes de cada registro de padrão espectral de ruído, desligou-se a alta tensão,
registrando-se simultâneamente a temperatura da superfície do ETR e a respectiva tensão DC
aplicada ao resistor (Tabela II.1). Estes valores de tensão foram utilizados como referência
para ajuste rápido da temperatura do ETR, fazendo-se o refinamento do ajuste de temperatura
de superfície com o termopar, antes da conexão da alta tensão para a realização do registro
dos respectivos padrões de ruído ultra-sônico.
52
Tabela II.1. Tensão aplicada ao resistor e temperaturas medidas no ETR
Tensões Aplicadas ao Resistor e Temperaturas medidas no ETR
Tensão
Volts
Temperatura
Distância em metros
0
C
1,0
3,0
9,0
0
20
3 reg.
3 reg.
3 reg.
1,30
80
3 reg.
3 reg.
3 reg.
1,95
100
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3,15
290
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3,92
350
3 reg.
3 reg.
3 reg.
4,60
395
3 reg.
3 reg.
3 reg.
5,40
492
3 reg.
3 reg.
3 reg.
6,50
526
3 reg.
3 reg.
3 reg.
7,26
592
3 reg.
3 reg.
3 reg.
2.4.4.3. Descrição do Ambiente de Medidas.
a) Condição inicial: Célula de ensaio com bateria interna
e
externa
carregada
temperatura do ETR em equilíbrio com ambiente.
b) Ajustes do Sensor de ultra-som:
- Equipamento: ULTRAPROBE 2000.
- Sensibilidade (linear, banda aberta, nível 9)
- Ajuste: 8
- Medidor:
Com “Alta tensão” desligada: 4.
Com “Alta tensão” ligada: 20.
- Sensor de ultra-som: 40 kHz.
c) Ajustes do Analisador de Espectro de Freqüência:
- Equipamento: Osciloscópio Digital Tektronix modelo TDS2014B com modulo de FFT. Serial Number, C010174
789.14141, -74.94850,
- FFT de 2048 pontos
- Filtro de média com 128 pontos;
- Janela Retangular.
d) Características do ambiente:
- Temperatura: 20 graus centígrados.
- Umidade Relativa: 81%.
- Iluminação com Lâmpadas Fluorescentes: Desligada.
- Distância do ETR ao terra virtual: 0,5 m
- Distância do ETR ao transdutor ultra-sônico: 1,0; 3,0 e 9,0 m
e
53
2.5.
Conclusões
Este capítulo descreveu o projeto e construção de uma célula de ensaio para simular a
ocorrência de um ponto quente em um componente instalado na alta tensão e a realização de
um primeiro conjunto de experimentos com vista à comprovação da correlação proposta, ou
seja; a possibilidade de detecção de pontos quentes, a partir da medição das variações das
grandezas associadas ao fenômeno de descargas parciais (corona), com a utilização da
técnica de ultra-som associada ao processamento digital de sinais. A célula projetada e a
instrumentação de detecção de registro utilizada apresentaram bons resultados durante a
realização dos ensaios. Foram realizados os registros dos padrões ultra-sônicos gerados sob
diversas condições de temperatura do elemento térmico de referência, aplicando-se 10 kV à
célula de ensaio.
54
CAPÍTULO III
RESULTADOS OBTIDOS DO PRIMEIRO CONJUNTO DE ENSAIOS EM SANTA
RITA DO SAPUCAÍ/MG
As medições foram realizadas para 9 condições de temperatura do elemento térmico de
referência, na tensão CA fixa de 10 kV; 60Hz , aplicada à célula de ensaio. As 9 condições de
ajuste de temperatura do ETR, foram repetidas para as distâncias de 1m, 3m entre o sensor
de ultra-som da pistola Ultraprobe® e o elemento térmico de referência da célula. Para a
distância de 9 metros foram realizados registros apenas para as temperaturas de 200C, 800C,
3500C e 5920C. Procurou-se obter padrões de ruídos espectrais das descargas parciais para as
várias temperaturas do ETR, mantendo-se constante, na medida do possível as outras
variáveis. Para cada temperatura do ETR, foram realizados 3 registros de medição, com o
objetivo de compensar principalmente, pequenas variações da tensão da alimentação CA do
transformador de média tensão e que naturalmente se refletem como variações de tensão no
lado de 10 KV do transformador.
A Tabela III.1 abaixo apresenta a estrutura geral de registro dos arquivos digitais,
utilizada para armazenamento dos diversos resultados de medição para as várias condições
ensaiadas. Na coluna “Ajuste Temperatura/Tensão” foram fixados os valores de tensão
aplicados no resistor do ETR e respectiva temperatura obtida na medição de referência (item
2.4.2.1).
Tabela III.1 – Estrutura geral de registro para arquivos de dados gerados
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Tensão da rede: 123 VCA
Escala: X dB/div
Hora: XX:YY
Item
Ajuste
Temperatura/Tensão
1
Referência,
temperatura
ambiente de 200C
2
VR = 1,30 volts
TR = 800C
3
VR = 1,95 volts
TR = 1000C
4
VR = 3,15 volts
TR = 2900C
Nome do Pasta/Arquivo
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
55
5
VR = 3,92 volts
TR = 350 oC
6
VR = 4,60 volts
TR = 395 oC
7
VR = 5,40 volts
TR = 492 oC
8
VR = 6,50 volts
TR = 526 oC
9
VR = 7,26 volts
TR = 592 oC
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
ALL0XX
Nota: Todos os arquivos digitais dos diversos registros encontram-se à disposição com o autor
no email [email protected], para possível aplicação de outras técnicas de
processamento de sinais que a utilizada neste trabalho, e que por sua vez possam apresentar
maior eficiência na discriminação dos padrões de ruído ultra-sônico obtidos para diferentes
temperaturas do ETR.
3.1.
Primeiro Conjunto de Ensaios – Laboratório da Empresa DSP Telecomunicações
– Registro Parcial das Medições:
Registro da medição realizada para caracterização do padrão de ruído espectral ambiente com
o ETR na temperatura de 20 oC com a alta tensão e iluminação desligadas.
Curva medida – arquivo: ALL004.
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL004
Alta tensão desligada
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 20 0C (Tamb.)
Tensão DC no sensor = 0 Volts
16-Nov-07
Hora: 17:07
100 kS/s
5dB/div – vert.
5kHz/div-horiz.
Oscilador local em
37,5 kHz
56
Registro dos padrões com a coleta de três padrões espectrais consecutivos para cada
temperatura ajustada no elemento térmico de referência.
Tabela III.2 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados – distância 1 m
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Tensão da rede: 123 VCA
Escala: 5 dB/div
Hora: 21:45
Item
Ajuste Temperatura/
Nome do Pasta/Arquivo
Tensão
1
Referência,
temperatura
ambiente de 200C
ALL018
ALL019
ALL020
2
VR = 1,30 volts
TR = 800C
ALL021
ALL022
ALL023
3
VR = 1,95 volts
TR = 1000C
ALL024
ALL025
ALL026
4
VR = 3,15 volts
TR = 2900C
ALL027
ALL028
ALL029
5
VR = 3,92 volts
TR = 3500C
ALL030
ALL031
ALL032
6
VR = 4,60 volts
TR = 3950C
ALL033
ALL034
ALL035
7
VR = 5,40 volts
TR = 4920C
ALL036
ALL37
ALL038
8
VR = 6,50 volts
TR = 5260C
ALL039
ALL40
ALL041
9
VR = 7,26 volts
TR = 5920C
ALL046
ALL47
ALL048
NOTA: Devido à limitação de espaço, só estão incluídos neste trabalho o primeiro dos três
registros FFT do espectro ultra-sônico para cada uma das temperaturas ajustadas no ETR.
57
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL018
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Alta tensão ligada
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 20 0C (Tamb.)
Tensão DC no sensor = 0 Volts
16-Nov-07
Hora: 21:51
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL021
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Escala: 5 dB/div
Tensão DC no sensor = 1,306 Volts
16-Nov-07
Hora: 21:56
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL024
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Escala: 5 dB/div
Tensão DC no sensor = 1,952 Volts
16-Nov-07
Hora: 22:01
58
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL027
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 123 VCA
Tensão DC no sensor = 3,150 Volts
16-Nov-07
Hora: 22:05
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL030
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 123 VCA
Tensão DC no sensor = 3,920 Volts
16-Nov-07
Hora: 22:08
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL033
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 123 VCA
Tensão DC no sensor = 4,600 Volts
16-Nov-07
Hora: 22:14
59
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL036
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 123 VCA
Tensão DC no sensor = 5,400 Volts
16-Nov-07
Hora: 22:18
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL039
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 123 VCA
Tensão DC no sensor = 6,500 Volts
16-Nov-07
Hora: 22:24
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL046
Distancia da fonte ao medidor: 1 metro
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 123 VCA
Tensão DC no sensor = 7,260 Volts
16-Nov-07
Hora: 22:52
60
Tabela III.3 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados – distância 3 m
Distancia da fonte ao medidor: 3 metros
Tensão da rede: 127 VCA
Escala: 5 dB/div
Item
Ajuste
Temperatura/Tensão
1
Referência,
temperatura
ambiente de 200C
ALL064
ALL065
ALL066
2
VR = 1,30 volts
TR = 800C
ALL067
ALL068
ALL069
3
VR = 1,95 volts
TR = 1000C
ALL070
ALL071=72
ALL073
4
VR = 3,15 volts
TR = 2900C
ALL074
ALL075
ALL076
5
VR = 3,92 volts
TR = 3500C
ALL077
ALL078
ALL079
6
VR = 4,60 volts
TR = 3950C
ALL080
ALL081
ALL082
7
VR = 5,40 volts
TR = 4920C
ALL083
ALL084
ALL085=86
8
VR = 6,50 volts
TR = 5260C
ALL087
ALL088
ALL089
9
VR = 7,26 volts
TR = 5920C
ALL090
ALL091
ALL092
Nome do Pasta/Arquivo
61
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL064
Distancia da fonte ao medidor: 3 m
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 127 VCA
Tensão DC no sensor = 0 Volts
16-Nov-07
Hora: 23:29
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL067
Distancia da fonte ao medidor: 3 m
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 127 VCA
Tensão DC no sensor = 1,306 Volts
16-Nov-07
Hora: 23:32
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL070
Distancia da fonte ao medidor: 3 m
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 127 VCA
Tensão DC no sensor = 1,952 Volts
16-Nov-07
Hora: 23:35
62
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL074
Distancia da fonte ao medidor: 3 m
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 127 VCA
Tensão DC no sensor = 3,150 Volts
16-Nov-07
Hora: 23:40
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL077
Distancia da fonte ao medidor: 3 m
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 127 VCA
Tensão DC no sensor = 3,920 Volts
16-Nov-07
Hora: 23:44
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL080
Distancia da fonte ao medidor: 3 m
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 127 VCA
Tensão DC no sensor = 4,600 Volts
16-Nov-07
Hora: 23:48
63
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL083
Distancia da fonte ao medidor: 3 m
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 127 VCA
Tensão DC no sensor = 5,400 Volts
16-Nov-07
Hora: 23:53
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL087
Distancia da fonte ao medidor: 3 m
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 127 VCA
Tensão DC no sensor = 6,500 Volts
16-Nov-07
Hora: 23:58
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL090
Distancia da fonte ao medidor: 3 m
Escala: 5 dB/div
Tensão da rede: 127 VCA
Tensão DC no sensor = 7,260 Volts
17-Nov-07
Hora: 00:02
64
Tabela III.4 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados – distância 9 m
Distancia da fonte ao medidor: 9 metros
Tensão da rede: 127 VCA
Escala: 5 dB/div
Item
Ajuste
Temperatura/
Nome do Pasta/Arquivo
Tensão
1
Referencia,
temperatura
ambiente de 200C
ALL105
ALL106
ALL107
2
VR = 1,30 volts
TR = 800C
ALL108
ALL109
ALL110
4
VR = 3,92 volts
TR = 3500C
ALL111
ALL112
ALL113
5
VR = 7,26 volts
TR = 5920C
ALL114
ALL115
ALL116
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL0105
Distancia da fonte ao medidor: 9 m
Alta tensão ligada
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 20 0C (Tamb.)
Tensão DC no sensor = 0 Volts
17-Nov-07
Hora: 00:39
65
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL108
Distancia da fonte ao medidor: 9 m
Escala: 5 dB/div
Tensão DC no sensor = 1,306 Volts
17-Nov-07
Hora: 00:43
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL111
Distancia da fonte ao medidor: 9 m
Escala: 5 dB/div
Tensão DC no sensor = 3,920 Volts
17-Nov-07
Hora: 00:47
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL0114
Distancia da fonte ao medidor: 9 m
Escala: 5 dB/div
Tensão DC no sensor = 7,260 Volts
17-Nov-07
Hora: 00:51
C
66
3.2.
Conclusões
Neste primeiro conjunto de ensaios, foram realizadas medições dos padrões de ruído
ultra-sônico para 9 condições de temperatura do elemento térmico de referência, na tensão CA
fixa de 10 kV; 60Hz. As medições foram repetidas para as distâncias de 1m, 3m e 9m entre o
sensor de ultra-som da pistola Ultraprobe® e o elemento térmico de referência da célula.
Procurou-se manter-se constante, as outras variáveis que pudessem interferir no fenômeno de
interesse. Foi criada uma estrutura de registro dos arquivos de sinais obtidos para as várias
condições de ensaiadas.. No capítulo IV é descrita a técnica utilizada para registrar e analisar o
espectro dos sinais ultra-sônicos obtidos, deste primeiro conjunto de ensaios e os resultados
obtidos.
67
CAPÍTULO IV
DISCUSSÃO - ANÁLISE COMPARATIVA DOS RESULTADOS DO PRIMEIRO
CONJUNTO DE ENSAIOS
4.1.
Introdução
Este capítulo descreve a técnica utilizada para registrar e analisar o espectro dos sinais
ultra-sônicos obtidos, no primeiro conjunto de ensaios realizados no laboratório da empresa
DSP Telecomunicações.
A técnica de classificação de padrões tem-se mostrado como uma ferramenta eficaz para
avaliar a condição operativa de equipamentos e tem sido utilizada com sucesso em
identificação de uma série de processos [32]. Como discutido neste trabalho, propõem-se mais
uma aplicação, através da comparação de padrões de espectro ultra-sônico, para auxiliar as
equipes de manutenção avaliar a condição operativa dos equipamentos dos sistemas elétricos
de potência em relação à possível ocorrência de pontos quentes em seus componentes.
4.2.
Descrição da Técnica da Obtenção do Espectro Ultra-sônico.
A Figura IV.1 mostra o diagrama de blocos do ensaio utilizado para a realização dos
experimentos. Vamos definir o sinal de ultra-som s(t), dentro da faixa em torno de 40 kHz,
como o sinal recebido pelo detector de ultra-som e o sinal x(t) como o sinal de saída do
detector ultra-sônico aplicado à entrada do osciloscópio. O sinal x(t) é o sinal processado pelo
detector de ultra-som e está contido dentro da faixa espectral de sinal de áudio.
Figura IV.1 – Visão Geral do Sistema de Ensaio
68
Como descrito no capítulo II, os módulos para simular pontos quentes são o gerador de
alta tensão (módulo de 10 kVolts), e a célula de ensaio com respectivo controle remoto,
desenvolvida especificamente para este trabalho. Os módulos de medida para avaliar o
espectro do sinal ultra-sônico são, o detector ultra-sônico modelo ULTRAPROBE 2000 e o
osciloscópio digital modelo TDS 2014B equipado com o módulo FFT.
A Figura IV.2 mostra o diagrama de blocos do detector ultra-sônico para o tratamento
de sinais. O sinal processado pelo detector de ultra-som ULTRAPROBE 2000 é um sinal na
faixa de áudio, que pode ser auscultado por um fone de ouvido ou ser aplicado à entrada de
um sistema de processamento de sinais, como um osciloscópio, por exemplo.
Figura IV.2 – Diagrama de blocos do processamento de sinais do detector ultra-sônico.
O sinal ultra-sônico detectado, s(t), com espectro de freqüência representado por S(f) na figura
IV.3 (a) será mixado com um sinal cosenoidal de 37 kHz. A figura IV.3 (b) mostra o espectro
ideal do sinal de 37 kHz. O resultado da mixagem é mostrado na figura IV.3 (c), onde o sinal
ultra-sônico estará presente em dois pontos do espectro, a primeira em torno de S(f)+37 kHz e
a segunda em torno de S(f)-37 kHz, sinal denominado de R(f). Após o mixer o sinal é aplicado
em um filtro passa baixa, ainda dentro do detector ultra-sônico, para selecionar como saída do
detector o sinal na faixa de áudio, denominado de X(f) correspondente ao domínio do tempo
x(t), como mostrada na Figura IV.3 (d).
69
Figura IV.3 – Processamento espectral no detector ultra-sônico.
O sinal x(t) é aplicado à entrada do osciloscópio digital equipado com o modulo de FFT
para o processamento digital do sinal. Antes de calcular a FFT o sinal passa por uma janela
Retangular – Figura IV.4.
Figura IV.4 – Diagrama de blocos de processamento do sinal x(t)
70
O sinal x(t) antes de ser aplicado no modulo da transformada de Fourier passa por uma
janela retangular para minimizar o efeito do fenômeno de Gibbs, oscilações próximas ao inicio
e final do processo transformado.
w( n) = 1,
0 ≤ n ≤ N −1
Após a janela Retangular é calculado a FFT com 2048 pontos, expressa pela equação
4.2.
X (k ) =
∑ x(n) ⋅ e
− j 2 π . kn / N
Onde k =0,1,2,... N-1 representa o numero de bits processados pela DFT e
n=0,1,2,...,N-1 representa o numero de amostras de sinais no domínio do tempo.
O espectro obtido na saída do modulo da FFT é a representação do padrão espectral
ultra-sônico. O resultado do processamento foi salvo, através de uma memória USB externa,
para ser analisado.
4.3.
Análise dos Resultados
São apresentadas a seguir (Figura IV.5, IV.6 e IV.7) os padrões espectrais do ruído
ultra-sônico obtido, para a condição de tensão AC aplicada de 10 kV, estando o ETR nas
temperaturas de 200C, 1000C e 5920C. Foi aplicada a função de média móvel do programa
Microsoft Excel com período 2, nos valores das amplitudes em dB para estes espectros de
freqüências. A função de média móvel, com período 2 foi a que forneceu melhores resultados
para discriminação entre os padrões das diferentes temperaturas. Todos os outros parâmetros
de influência no fenômeno, foram, dentro das possibilidades, mantidos constantes. A Figura
IV.8 apresenta a sobreposição das curvas anteriores.
71
Padrão espectral para Tamb. 200C
-40,00
Amplitude relativa
-45,00
-50,00
-55,00
-60,00
-65,00
-70,00
-75,00
-80,00
-85,00
-90,00
1000
3000
5000
7000
Amostras/segundo
Figura IV.5 - Padrão espectral para tensão de 10 kV e temperatura ambiente de 200C.
Amplitude relativa
Padrão espectral para 1000C
-40,00
-45,00
-50,00
-55,00
-60,00
-65,00
-70,00
-75,00
-80,00
-85,00
-90,00
1000
3000
5000
7000
Amostras/segundo
Figura IV.6 - Padrão espectral para tensão de 10 kV e temperatura do ETR de 100 0C.
72
Padrão espectral para 5920C
Amplitude relativa
-40,00
-45,00
-50,00
-55,00
-60,00
-65,00
-70,00
-75,00
-80,00
-85,00
1000
3000
5000
7000
Amostras/segundo
Figura IV.7 - Padrão espectral para tensão de 10 kV e temperatura do ETR de 592 0C.
Amplitudes relativas
Padrão espectral comparativo entre 20, 100 e 5920C
-40,00
-45,00
-50,00
-55,00
-60,00
-65,00
-70,00
-75,00
-80,00
-85,00
-90,00
1000
3000
5000
7000
Amostras/segundo
Figura IV.8 – Sobreposição dos padrões espectrais para tensão de 10 kV e
temperaturas do ETR de 20 0C, 100 0C e 592 0C.
73
4.4.
Conclusões Sobre os Resultados Obtidos no Primeiro Conjunto de Ensaios
a) Como pode ser observado na Figura IV.8, onde foram sobrepostos (na mesma escala)
os padrões espectrais obtidos para as temperaturas de 20 0C, 100 0C e 592 0C (Figuras
IV.5, IV.6 e IV.7), ocorre uma identificável alteração das amplitudes (dB) entre os
padrões espectrais obtidos para as três temperaturas do ETR à mesma tensão aplicada;
b) Para outras condições de medição realizadas neste primeiro conjunto de ensaios, na
DSP TELECOMUNICAÇÕES, tais como; variação da distância do ETR ao detector da
pistola de ultra-som até a distância de 9 metros e tensão AC aplicada ao ETR de 10 kV,
também foi possível a identificação dos diferentes padrões, relativos à cada uma das
temperaturas ajustadas ao ETR;
c) Neste primeiro conjunto de ensaios, não foi possível variar a tensão AC aplicada ao
ETR, por não se dispor de transformador de alta tensão com possibilidade de ajuste do
valor de tensão aplicada. Novos ensaios foram então programados no laboratório de
alta tensão da empresa FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A.
d) Durante a execução dos diversos ensaios na empresa DSP Telecomunicações,
constatou-se de forma inequívoca que, a execução de comandos para aumentar ou
diminuir a temperatura do elemento térmico de referência, com o controle remoto da
célula, sempre produzia variações perceptíveis dos padrões espectrais na tela do
osciloscópio. Este fato provocou, ao longo do período de 2 dias de realização destes
ensaios, uma capacitação do operador do osciloscópio, de inferir sobre o tipo de
variação que estava em andamento num dado momento (aumento ou redução da
temperatura do ETR), e propor uma estimativa da ordem de grandeza desta variação,
com uma excelente margem de acerto na maioria dos casos.
74
CAPÍTULO V
MÉTODOS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA O SEGUNDO CONJUNTO DE
ENSAIOS
Foram realizados nos dias 17 e 18 de dezembro de 2007, no laboratório de medidas
elétricas do Centro Técnico de Ensaios da empresa Furnas Centrais Elétricas S.A. em
Passos/MG, testes de correlação de padrões espectrais, com a célula de ensaio, aplicando-se
tensões de freqüência industrial de até 200kV, e com possibilidade de variar o valor da tensão
AC (ensaio de alta-tensão a freqüência industrial).
Local de realização dos ensaios: Endereço: Centro Técnico de Ensaios e Medições –
CTE.O/Passos - MG
5.1.
Metodologia
Para a realização deste segundo conjunto de ensaios no laboratório de medidas
elétricas do Centro Técnico de Ensaios da empresa Furnas Centrais Elétricas, além dos
sistemas de medição utilizados na primeira bateria de ensaios na empresa DSP, foram
acrescentados os seguintes equipamentos:
(a) A Figura V.1 mostra uma câmera de ultravioleta DayCor® Superb. É um dispositivo
projetado para gerar imagens visíveis de ultravioleta (UV) à luz do dia, com o objetivo de
detectar fontes emissoras de UV, tais como arco elétrico e corona. O objetivo de sua utilização
nos ensaios foi obter padrões comparativos de imagem de descargas parciais no ETR à uma
dada tensão aplicada para duas ou mais temperaturas diferentes.
Figura V.1 - Câmera de ultravioleta DayCor® Superb
75
A Figura V.2 mostra o resultado de uma simulação de ocorrência de corona em uma das saias
de um isolador de vidro, tal como poderia ser visualizado com uma câmara de ultra-violeta.
Figura V.2 – Simulação de ocorrência de corona em saia de isolador
(b) A Figura V.3 mostra uma câmera de termo visão utilizada para a medição e registro
(termogramas) de temperaturas à distância, na técnica de termografia ou termo visão baseada
na detecção das radiações eletromagnéticas com comprimentos de onda na faixa do
infravermelho.
Figura V.3 – Câmara de termo-visão FLIR P60
76
(c) A Figura V.4 mostra a fonte de alta tensão HIPOTRONICS de até 300 kV rms, 60Hz –
utilizada para ensaios gerais de alta tensão em equipamentos.
Figura V.4 – Fonte de Alta Tensão HIPOTRONICS
5.2.
Condições de Execução dos Ensaios
Para a execução dos ensaios visando a simulação de uma condição real normal e
anormal de operação de um dado contato elétrico, os seguintes passos foram realizados:
(a) Foi escolhido um equipamento de alta tensão de referência – Figura V.5 (secionador RD
500 da Bouthorpe Power Equipment – tensão nominal 362 kV) utilizado amplamente em
sistemas de transmissão de energia elétrica em alta tensão [9], a partir do qual foram
identificadas as distâncias de isolação entre fases e fase e fase e terra em que seus
componentes são instalados. A distância fase-terra foi utilizada para definir o espaçamento
entre o ETR e o piso do laboratório, de forma a apresentar condições de campo elétrico faseterra semelhante, em relação à situação real de operação do equipamento.
77
Figura V.5 - Secionador RD 500 da Bouthorpe Power Equipment
(b) A célula de ensaio foi então instalada no barramento de saída da fonte de alta tensão de
345kV HIPOTRONICS (Figura V.6) do laboratório do Centro Técnico de Ensaios em uma altura
em relação ao piso representativa das condições reais de operação. As Figuras V.7 e V.8
apresentam o leiaute dos sistemas de aquisição e registro utilizados nos ensaios e as Figuras
V.9 e V.10
o leiaute com o posicionamento do ETR em relação aos sistemas de aquisição e
ao piso do laboratório
Figura V.6 – Célula de ensaio fixada ao barramento da fonte de alta tensão HIPOTRONICS
78
Cone receptor da
pistola Ultraprobe
Figura V.7 – Disposição dos equipamentos na bancada de instrumentos
Figura V.8 – Leiaute dos sistemas de aquisição de sinais para execução dos ensaios.
79
Figura V.9 – Leiaute do posicionamento do ETR em relação ao piso e detector de ultra-som
(c) A iluminação ambiente, que utiliza reatores magnéticos para as lâmpadas a vapor de
mercúrio do laboratório, geradores de ruído ultra-sônico, foi desligada, e o laboratório foi
fechado de forma a evitar-se ao máximo a circulação de correntes de ar que dificultariam a
estabilização da temperatura do ETR.
Figura V.10 – Ambiente do laboratório com a iluminação desligada
80
5.3.
Descrição do Ambiente de Medidas
a) Condição inicial: Célula de ensaio com bateria interna carregada e temperatura do ETR
em equilíbrio com ambiente.
b) Ajustes do detector de ultra-som
- Equipamento: ULTRAPROBE 2000
- Sensibilidade (linear, banda aberta, nível 9)
- Ajuste: 8
- Freqüência de ressonância do transdutor ultra
sônico: 40 kHz.
c) Ajustes do Analisador de Espectro de Freqüência:
- Equipamento: Osciloscópio Digital Tektronix modelo TDS2014B com modulo de FFT.
- FFT de 2048 pontos
- Filtro de média com 128 pontos;
- Janela Retangular.
d) Características do ambiente:
- Temperatura: 30 graus centígrados.
- Umidade Relativa: 81%.
- Iluminação desligada
- Distância do ETR ao solo: 3,30 m
- Distância do ETR ao transdutor ultra-sônico: 5,00 m
5.4.
Execução dos Ensaios
Ajuste do termovisor - Inicialmente, com a fonte de alta tensão desligada, procedeu-se o ajuste
de emissividade do termovisor FLIR (Figura V.11), aplicando-se um termopar (Figura V.12)
diretamente ao ETR da célula, e variando-se a sua temperatura, realizando a leitura e ajuste
desta temperatura no termovisor. Para o alinhamento do cone da pistola de ultra-som com o
ETR, foi utilizado o laser de uma trena ultra-sônica (Figura V.12).
81
Figura V.11 – Termovisor FLIR direcionado para elemento térmico da célula
Figura V.12 – Termopar digital e trena ultra-sônica para medição de distâncias
82
5.5. Conclusões
Embora os resultados obtidos no primeiro conjunto de ensaios tenham sido satisfatórios
em termos da comprovação de correlação proposta, os ensaios realizados naquela etapa não
permitiam variar o valor da tensão AC aplicada à célula de ensaio. O capítulo anterior
descreveu os procedimentos e instrumentação adicionais utilizadas para o segundo conjunto
de ensaios. Neste segundo conjunto de ensaios, foi possível elevar o valor da tensão AC
aplicada através de uma fonte de alta tensão ajustável, e verificar a influência deste aumento
nos níveis de ruído interferentes ao processo de comparação dos padrões espectrais para
detecção da elevação da temperatura do ETR.
No capítulo VI são apresentados os resultados obtidos neste segundo conjunto de ensaios.
83
CAPÍTULO VI
REGISTRO DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS REALIZADOS NO LABORATÓRIO
DO CENTRO TÉCNICO DE ENSAIOS – FURNAS - 20 CONJUNTO DE ENSAIOS
A Figura VI.1 mostra um termograma obtido do elemento térmico de referência para a
temperatura de 283 0C ajustada por controle remoto e medida com a câmara FLIR.
Ar1
Figura VI.1 – Termograma do ETR à temperatura de 283 0C.
A Figura VI.2 apresenta a imagem de um padrão de descargas parciais obtido com a
câmara de ultravioleta DAYCOR, aplicando-se uma tensão de 100kV na blindagem da célula
de ensaio e uma temperatura de 100 oC ajustada na superfície do ETR.
fótons
Figura VI.2 – Padrão de descarga parcial (Imagem de UV) com uso de câmera DAYCOR
84
6.1.
Registro dos Padrões de Ruído Ultra-sônico para os Diversos 5 Valores de
Tensão Aplicada à Célula de Ensaio e 5 Temperaturas Ajustadas na Superfície do
ETR
As medições foram realizadas para 5 valores de temperaturas do elemento térmico de
referência e 5 valores de tensões AC aplicadas à célula de ensaio, de forma a obter os padrões
de ruídos espectrais das descargas parciais para várias classes de tensão de operação usuais
para os equipamentos dos sistemas elétricos de potência. A tabela VI.1 resume estes
resultados.
Tabela VI.1 – Registros de padrões ultra-sônicos para diversas tensões e temperaturas
Tensões Aplicadas à Célula de Ensaio e Temperaturas do ETR
V
Tensão AC
Tensão AC fase-
Temp. Temp. Temp.
Temp.
Temp.
fase-fase (kV)
terra (kV)
30oC
70oC
100oC
283oC
442oC
V1
17
10
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3 reg.
V2
69
39,2
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3 reg.
V3
138
76,9
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3 reg.
V4
230
132,8
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3 reg.
V5
345
199
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3 reg.
3 reg.
Para cada temperatura do ETR, a uma dada tensão fixa aplicada, foram realizados os
seguintes registros:
a) 01 registro do termograma do ETR;
b) 01 registro da tensão AC aplicada;
c) 01 registro da imagem de ultravioleta do ETR;
d) 01 registro da temperatura e umidade ambiente;
e) 03 registros dos espectros de freqüências do ruído ultra-sônico obtido para cada condição
de ensaio.
85
6.2.
Descrição do Ambiente de Medidas
a) Equipamento Simulador de Descargas Parciais e Aquecimento
testado e montado no local de ensaio.
b) Ajustes do Sensor de ultra-som:
- Equipamento: ULTRAPROBE 2000.
- Sensibilidade (linear, banda aberta, nível 9)
- Sensor de ultra-som: 40 kHz.
c) Ajustes do Analisador de Espectro de Freqüência:
- Equipamento: Osciloscópio Digital Tektronix modelo TDS2014B com modulo de FFT.
- FFT de 2048 pontos
- Filtro de média com 128 pontos;
- Janela Retangular.
d) Características do ambiente:
- Temperatura: 30 graus centígrados.
- Umidade Relativa: 81%.
- Iluminação com Vapor de mercúrio: Desligada.
e) Sinal de Batimento – arquivo: ALL000/001
6.3. Registro de Curvas com o Ajuste de Tensão Variável - Medição e Ajuste de
Temperatura do ETR com a Flir (inicio às 9:55 horas)
A Tabela VI.2, apresenta o registro de curvas com o ajuste de tensão variável e temperatura
ambiente de 30oC na superfície do ETR.
Tabela VI.2 - Tensão variável e temperatura ambiente de 30oC na superfície do ETR.
Temperatura Ambiente = 30oC.
Tensão
Espectro de Freqüência
Daycor II
Flir
(Osciloscópio)
V1
ALL 30/31/32
1 - ganho = 100.
V2
ALL 27/28/29
2 - ganho = 100.
V3
ALL 24/25/26
3 - ganho = 100.
V4
ALL 21/22/23
4,6 - ganho = 100.
V5
ALL 18/19/20
5 – ganho = 30.
181207_001
86
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL030
Tensão da rede: 10 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 30 0C (Tamb.)
Tensão DC no sensor = 0 Volts
18-Dez-07
Hora: 10:31
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL027
Tensão da rede: 39 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 30 0C (Tamb.)
Tensão DC no sensor = 0 Volts
18-Dez-07
Hora: 10:28
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL024
Tensão da rede: 80 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 30 0C (Tamb.)
Tensão DC no sensor = 0 Volts
18-Dez-07
Hora: 10:25
87
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL021
Tensão da rede: 132 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 30 0C (Tamb.)
Tensão DC no sensor = 0 Volts
18-Dez-07
Hora: 10:22
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL018
Tensão da rede: 200 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 30 0C (Tamb.)
Tensão DC no sensor = 0 Volts
18-Dez-07
Hora: 10:19
6.3.1. Espectro Somente do Oscilador Local: ALL017
A Tabela VI.3, apresenta o registro de curvas com o ajuste de tensão variável e temperatura
ajustada em 72oC na superfície do ETR.
Tabela VI.3- Tensão variável e temperatura de 72oC na superfície do ETR.
Temperatura = 72oC.
Tensão
Espectro de Freqüência
Décor II
Flir
(Osciloscópio)
V1
ALL 33/34/35
7 - ganho = 100.
V2
ALL 37/38/39
8 - ganho = 100.
V3
ALL 43/44/45
9 - ganho = 100.
V4
ALL 46/47/48
10 - ganho = 100.
V5
ALL 50/51/52
11 – ganho = 30.
181207_001
88
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL033
Tensão da rede: 10 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 72 0C
18-Dez-07
Hora: 10:35
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL037
Tensão da rede: 39 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 72 0C
18-Dez-07
Hora: 10:39
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL043
Tensão da rede: 80 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 72 0C
18-Dez-07
Hora: 10:47
89
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL046
Tensão da rede: 132 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 72 0C
18-Dez-07
Hora: 10:51
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL050
Tensão da rede: 200 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 72 0C
18-Dez-07
Hora: 10:56
A Tabela VI.4, apresenta o registro de curvas com o ajuste de tensão variável e temperatura
ajustada em 100oC na superfície do ETR.
Tabela VI.4- Tensão variável e temperatura de 100oC na superfície do ETR.
Temperatura = 100oC.
Tensão
Espectro de Freqüência
(Osciloscópio)
V1
ALL 71/72/73
V2
ALL 67/68/69
V3
ALL 64/65/66
V4
ALL 59/60/61
V5
ALL 55/56/57
Daycor
Flyr
90
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL071
Tensão da rede: 10 kV
Escala: 2 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 100 0C
18-Dez-07
Hora: 11:18
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL067
Tensão da rede: 39 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 100 0C
18-Dez-07
Hora: 11:14
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL064
Tensão da rede: 80 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 100 0C
18-Dez-07
Hora: 11:10
91
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL059
Tensão da rede: 132 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 100 0C
18-Dez-07
Hora: 11:05
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL055
Tensão da rede: 200 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 100 0C
18-Dez-07
Hora: 11:01
6.3.2. Medida do Espectro Ambiente as 13:30 horas: ALL 074
A Tabela VI.5, apresenta o registro de curvas com o ajuste de tensão variável e temperatura
ajustada em 282oC na superfície do ETR.
Tabela VI.5- Tensão variável e temperatura de 282oC na superfície do ETR.
Temperatura = 282oC.
Tensão
Espectro de Freqüência
(Osciloscópio)
V1
ALL 75/76/77
V2
ALL 79/80/81
V3
ALL 83/84/85
V4
ALL 87/88/89
V5
ALL 91/92/93
Daycor
Flir
92
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL075
Tensão da rede: 10 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 282 0C
18-Dez-07
Hora: 13:44
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL079
Tensão da rede: 39 kV
Escala: 2 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 282 0C
18-Dez-07
Hora: 13:50
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL083
Tensão da rede: 80 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 282 0C
18-Dez-07
Hora: 13:54
93
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL087
Tensão da rede: 132 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 282 0C
18-Dez-07
Hora: 13:59
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL091
Tensão da rede: 200 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 282 0C
18-Dez-07
Hora: 14:04
A Tabela VI.6, apresenta o registro de curvas com o ajuste de tensão variável e temperatura
ajustada em 442oC na superfície do ETR.
Tabela VI.6- Tensão variável e temperatura de 442oC na superfície do ETR
Temperatura = 442oC.
Tensão
Espectro de Freqüência
(Osciloscópio)
.
V1
ALL 109/110
V2
ALL 106/107/108
V3
ALL 103/104/105
V4
ALL 100/101/102
V5
ALL 94/95/96
Daycor
Flir
94
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL109
Tensão da rede: 10 kV
Escala: 2 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 442 0C
18-Dez-07
Hora: 14:28
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL106
Tensão da rede: 39 kV
Escala: 2 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 442 0C
18-Dez-07
Hora: 14:25
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL103
Tensão da rede: 80 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 442 0C
18-Dez-07
Hora: 14:21
95
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL100
Tensão da rede: 132 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 442 0C
18-Dez-07
Hora: 14:16
NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO
ALL094
Tensão da rede: 200 kV
Escala: 5 dB/div
Ajuste Temperatura sensor = 442 0C
18-Dez-07
Hora: 14:08
96
CAPÍTULO VII
DISCUSSÃO - ANÁLISE COMPARATIVA DOS RESULTADOS DO SEGUNDO
CONJUNTO DE ENSAIOS E PROPOSTAS DE DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
São apresentadas a seguir (Figuras VII.1, VII.2 e VII.3) os padrões espectrais do ruído
ultra-sônico obtidos, para a condição de tensão AC aplicada de 10 kV, estando o ETR nas
temperaturas de 300C, 720C e 1000C. Foi aplicada a função de média móvel do programa
Microsoft Excel com período 2, nos valores das amplitudes em dB para estes espectros de
freqüências. Todos os outros parâmetros de influência no fenômeno foram, dentro das
possibilidades, mantidos constantes. A Figura VII.4 apresenta a sobreposição das curvas
anteriores.
0
Amplitude relativa
Padrão espectral para 10 kV - 30 C
-70
-72
-74
-76
-78
-80
-82
-84
-86
-88
-90
0
50
100
150
200
250
Amostras/segundo
Figura VII.1 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV – 30 0C
97
0
Amplitude relativa
Padrão espectral para 10 kV - 72 C
-70
-72
-74
-76
-78
-80
-82
-84
-86
-88
-90
0
50
100
150
200
250
Amostras/segundo
Figura VII.2 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV – 72 0C
0
Amplitude relativa
Padrão espectral para 10 kV - 100 C
-70
-72
-74
-76
-78
-80
-82
-84
-86
-88
-90
0
50
100
150
200
250
Amostras/segundo
Figura VII.3 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV – 100 0C
98
0
Amplitudes relativas
Padrão espectral para 10 kV - 30, 72 e 100 C
-70
-72
-74
-76
-78
-80
-82
-84
-86
-88
-90
0
50
100
150
200
250
Amostras/segundo
Figura VII.4 – Comparação dos padrões espectrais – 10kV – 30, 72 e 1000C
São apresentadas a seguir (Figuras VII.5, VII.6 e VII.7) os padrões espectrais do ruído
ultra-sônico obtidos, para a condição de tensão AC aplicada de 39 kV, estando o ETR nas
temperaturas de 300C, 100 e 2820C. Foi aplicada a função de média móvel do programa
Microsoft Excel com período 2, nos valores das amplitudes em dB para estes espectros de
freqüências. Todos os outros parâmetros de influência no fenômeno foram, dentro das
possibilidades, mantidos constantes. A Figuras VII.8 apresenta a sobreposição das curvas
anteriores.
99
0
Padrão espectral para 39kV - 30 C
-55
Amplitude relativa
-60
-65
-70
-75
-80
-85
0
50
100
150
200
250
Amostras/segundo
Figura VII.5 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV – 30 0C
Padrão espectral para 39kV 100 0 C
- 55
Amplitude relativa
- 60
- 65
- 70
- 75
- 80
- 85
0
50
100
150
200
250
Amostras/segundo
Figura VII.6 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV – 100 0C
100
0
Padrão espectral para 39kV - 282 C
-55
Amplitude relativa
-60
-65
-70
-75
-80
-85
0
50
100
150
200
250
Amostras/segundo
Figura VII.7 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV – 282 0C
Padrão espectral para 39kV - 30, 100 e 282 0C
-55
Amplitudes relativas
-60
-65
-70
-75
-80
-85
0
50
100
150
200
250
Amostras/segundo
Figura VII.8 – Comparação dos padrões espectrais – 39kV – 30, 100 e 282 0C
101
7.1.
a)
Conclusão Sobre os Resultados Obtidos no Segundo Conjunto de Ensaios
A Figura VII.4 mostra a sobreposição dos padrões espectrais do ruído ultra-sônico
produzido na superfície do ETR, estando este submetido à tensão de 10 kVolts AC, tendo
sido ajustadas as temperaturas de
30, 72 e 100 0C. Constata-se uma identificável
alteração das amplitudes (dB) entre os padrões espectrais obtidos para as três
temperaturas do ETR à mesma tensão aplicada;
b)
A Figura VII.8 mostra a sobreposição dos padrões espectrais do ruído ultra-sônico
produzido na superfície do ETR, estando este submetido à tensão de 39 kVolts AC, tendo
sido ajustadas as temperaturas de
30, 100 e 2820C. Constata-se também uma
identificável alteração das amplitudes (dB) entre os padrões espectrais obtidos para as
três temperaturas do ETR à esta mesma tensão aplicada.
102
CONCLUSÕES FINAIS E ANÁLISE DOS RESULTADOS
A ocorrência de pontos quentes em conexões e contatos elétricos em geral, é um
problema presente desde os primórdios da implantação dos sistemas de geração, transmissão
e distribuição de energia elétrica em todo o mundo.
O fenômeno de descarga parcial é pesquisado por mais de sete décadas, e sua
preeminente importância ferramental tem crescido para assistir na qualidade e, no
desempenho de vários equipamentos em alta tensão. Assim, detectar e medir DPs, através de
várias técnicas, numa etapa mais prematura possível e buscar sua caracterização, nesses
equipamentos, têm sido uma busca incessante. Porém, os ruídos-parasitas vêm sendo um dos
principais obstáculos. O ultra-som é uma técnica bastante adequada para localizar fisicamente
a ocorrência de descargas parciais e está sendo utilizada em diversos equipamentos elétricos,
tais como grandes transformadores de potência.
O que este trabalho procurou mostrar foi a possibilidade de utilização de um caminho
indireto, via detecção por ultra-som da alteração dos padrões de DPs, para identificação da
ocorrência de pontos quentes.
Nesta conclusão é feito um resumo dos resultados dos ensaios e propostas de
trabalhos futuros para a continuidade desta pesquisa.
a)
Da comparação dos resultados obtidos para as outras tensões constantes aplicadas ao
ETR, relacionadas (76,9kV; 132,8kV e 199kV, tensões fase e terra correspondentes às
classes de tensão fase-fase de 138kV; 230kV e 345kV respectivamente), variando-se a
temperatura do ETR nas faixas anteriormente indicadas, também pôde ser detectada
variações identificáveis nas respectivas amplitudes (dB) entre os padrões espectrais
correspondentes às várias temperaturas ajustadas no ETR para uma dada tensão;
b)
Nas medições dos padrões espectrais obtidos em tensões AC mais elevadas aplicadas ao
ETR, o ruído ultra-sônico produzido pela elevação do nível de corona nos outros
componentes obrigatoriamente também submetidos à alta tensão, tais como; barramento
da fonte de AT, chassi da célula de ensaio, etc., provoca um mascaramento
acentuadamente progressivo (com a elevação da tensão), dos padrões espectrais obtidos
para duas diferentes temperaturas. Este efeito, embora inicialmente indique uma redução
da capacidade de utilização desta técnica para detecção de pontos quentes, poderá ser
suficientemente atenuado a partir da aplicação de adequadas técnicas de processamento
digital de sinais, viáveis para caracterizar fontes de sinais de descargas parciais tais como,
ICA (análise de componentes independentes), BSS (separação cega de sinais), PCA
(análise de componentes principais), HOSA (estatísticas de alta ordem), entre outros [3];
103
c)
Em uma aplicação mais geral, esta técnica poderá ser aplicada para estimação da
temperatura em locais de difícil acesso, mediante a instalação de eletrodos isolados nos
quais seriam aplicados uma alta tensão de referência (10kV por exemplo) e remotamente
registram-se os padrões de ruídos ultra-sônicos a partir dos quais pode-se estimar a
temperatura;
d)
A realização de medições de padrões de ruído ultra-sônico produzidos por DP´s para
identificação de falhas em equipamentos de alta tensão em condições reais de operação
dos equipamentos, será dificultada pela influência dos inúmeros fatores, tais como
flutuações no valor da tensão aplicada, influência da temperatura ambiente, bem como por
diversas fontes de ruído poluentes, que se acoplam ao sinal e ao sistema de medição;
e)
Este trabalho apenas apresenta o estado da arte quanto à possibilidade de utilização de
uma nova correlação para medição de temperaturas a distância. Após a realização de
novos ensaios e aplicação de adequadas técnicas de processamento dos sinais obtidos, a
mesma tem potencial para ser utilizada de forma prática, dentro das limitações a serem
estabelecidas.
PROPOSTAS PARA PESQUISA & DESENVOLVIMENTO DE APLICAÇÃO DA TÉCNICA
Como proposta final para um trabalho de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) sobre o tema
desta dissertação, lista-se abaixo as possíveis etapas de desenvolvimento de um sistema de
detecção de pontos quentes a partir do ruído ultra-sônico:
a.
Projeto de um hardware específico para a captura dos sinais ultra-sônicos. A aquisição de
sinais ultra-sônicos foi realizada com o equipamento comercial ULTRAPROBE 2000 o qual
limita, por característica própria de seu projeto, a faixa de freqüências de captura em torno
de 40 kHz. O desenvolvimento de um hardware específico para detecção dos sinais de
ruído ultra-sônico ampliaria a largura de faixa do sinal representativo das alterações de
padrões relativas às variações de temperatura;
b.
Projeto e aperfeiçoamento de um hardware específico para executar o processamento
digital dos sinais detectados, de forma a aumentar a precisão das curvas de padrões
obtidos, eliminando a necessidade de utilização do osciloscópio como módulo de FFT;
c.
Devido à necessidade de melhorar a interpretação das medições dos sinais de corona,
deverá ser enfatizado o tratamento dos ruídos, na etapa de pós-processamento do sistema
de medição, utilizando ferramentas emergentes e até algumas já consolidadas em vários
104
campos, tal como inteligência artificial. O ruído pode ser extraído dos sinais-fontes de
forma aproximada. Utilizam-se atualmente sistemas artificiais e inteligentes (Redes
Neurais, Simulated Annealing, Algoritmos Genéticos etc.), métodos ICA/BSS (Análise de
Componentes Independentes e separação cega de sinal), PCA (Análise de Componentes
Principais), estatísticas de alta ordem (HOSA) entre outros, com a finalidade de encontrar
características que, muitas vezes, não são observáveis ou exploradas pelos métodos
tradicionais;
d.
Definição dos parâmetros de hardware.
105
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Calibração de um Termovisor para Planejamento da Produção - Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo
Programa de Pós-Graduação em Metrologia da PUC-Rio. Área de Concentração:
Metrologia para Qualidade e Inovação - Paulo Roberto da Fonseca Santos - INMETRO
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Huamán Cuenca, Walter Martin – Caracterização dos Sinais de Descargas Parciais em
Equipamentos de Alta Tensão a partir de Modelos Experimentais [Rio de Janeiro] 2005
XIV, 140p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, D.Sc.,Engenharia Elétrica 2005), Tese –
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Sinais de Descargas Parciais em Equipamentos de Alta Tensão - Walter M. Cuenca 1, 2,
Alain F. Levy 1, José M. Seixas 2, Sandoval Carneiro Jr 2 1.
CEPEL/ACET,
PO Box 68007 CEP 21941-590 Rio de Janeiro – Brasil 2. COPPE/UFRJ C. P. 68504,
CEP 21945-970 Rio de Janeiro – Brasil
{martin,
alain}@cepel.br,
[email protected], [email protected]
[4]
Desenvolvimento de Sensor para Monitoração de Deformações em Cabos de
Energia
Elétrica, Jean Carlos Cardozo da Silva e Hypolito José Kalinowski,
Centro
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Educação Tecnológica do Paraná, Av. Sete de Setembro,
3165 –
[email protected]
80230- 901 Curitiba, PR - e-mail: [email protected] [5]
Desenvolvimento de um Sensor de Temperatura Óptico para uso em Transformadores de
Potência, Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC, edital ct-energ/cnpq 18/2004,
CNPQ, ct-energia, Antonio Carlos
Zimmermann
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Verlag/Berlin/Gottingen/Heidelberg, 1958
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Danilo M. Zanello Guerisoli - Copyright 1997 - Departament of Restorative Dentistry
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[9]
Sistema de Detecção de Falhas de Manobras em Secionadores de Alta Tensão
Baseado em Processamento Digital de Sinais, Projeto de P&D – Ciclo 2000/2001
ESCOLA FEDERAL DE
ENGENHARIA DE ITAJUBÁ - EFEI & FURNAS
CENTRAIS ELÉTRICAS S.A, Gabriel Ângelo de Barros Vieira.
Holm
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Else
Holm
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[11] NBR 6940 – TÉCNICAS DE ENSAIOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO MEDIÇÃO
DE DESCARGAS PARCIAIS, NOV/1981
[12] Levantamento Estatístico de Desligamentos Programados e Não Programados de
Equipamentos Elétricos de Alta Tensão no Sistema de FURNAS CENTRAIS
ELÉTRICAS S.A Provocados por Ocorrências de Pontos Quentes e seu Impacto
na
Receita Devido à Aplicação da Parcela Variável por Indisponibilidade – Marcos Jose
Barra Ferreira, FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A, Agosto 2007.
106
[13] Descargas parciais em Equipamentos de alta tensão - REVISTA SIEMENS III (1983) N0
Siemens - São Paulo/SP
1 – Engo José R. de Barros, Nelson R. Brant
[14]
Bartnicas R, Corona Discharge Processes in Voids. In: R Bartnicas, E.
Engineering Dielectrics: Corona Measurement and Interpretation Vol.
Philadelphia, ASTM, 1979.
McMahon,
I, Chapter
2,
[15] Walter M. Cuenca, Alain F. Levy, José M. Seixas e Sandoval Carneiro Jr, "Análise
de
Componentes Independentes para Extração Cega de Ruídos dos Sinais de Descargas
Parciais em Equipamentos de Alta Tensão", XVII SNPTEE, 2003.
[16] DETECÇÃO E MEDIÇÃO DAS DESCARGAS PARCIAIS – Marcio Antônio
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Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – CEPEL, Rio de Janeiro,
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[19] Kraus, John D., Eletromagnetismo, Guanabara Dois, 1978
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Application to Partial Discharge Measurements, MSc. thesis, February 1997.
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IEEE Trans. Elec. Insul., Vol.22, No.5, pp. 629–653, 1987.
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Third Edition, 2000.
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[28] IEEE P1434, Guide to the Measurement of Partial Discharges in Rotating Machinery,
Electrical Machinery Committee of the IEEE Power Society, 1997.
[29] Ensaio por Ultra-Som, Andreucci Ricardo – 3ª edição/Julho 2002
[30] http://www.uesystems.com
107
[31] SEGURANÇA LABORATORIAL DURANTE A EXECUÇÃO DE SERVIÇOS DE
CALIBRAÇÃO EM ALTA TENSÃO E ALTA CORRENTE Ademir Martins de França1,
Patrícia Cals de Oliveira Vitorio1,
Ana Maria R. Franco1, Luiz Napoleão Pereira1,
Giselle Cobiça Moreira1, Marcos Vinicius Barroso1 ENQUALAB-2005 – Encontro para a
Qualidade de Laboratórios - Rede Metrológica do Estado de São Paulo – REMESP 07
a 09 de junho de 2005, São Paulo, Brasil
[32] The
Scientist
and
By
Steven
W.
ISBN 0-9660176-3-3
Engineer's
Smith,
Guide
Ph.D.
to
-
Digital
Hard
Signal
Processing
Cover,
1997
[33] NBR 6940 – TÉCNICAS DE ENSAIOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO –
MEDIÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS, NOV/1981
108
Anexo 1
Anexo 1 - Lista de componentes do circuito de controle
CI1 =REGULADOR DE TENSÃO 7805
CI2, CI3 = OPTOCOUPLER 4N27
CI4 = AMPOP CA3140E
B1 =BATERIA CHUMBO-ÁCIDO DE 12 V – 7Ah
R1, R5, R6, R7 =1 KOHMS x 1 W
R2, R3, R4= 470 OHMS x 1 W
R8, R9 = 0,1 OHM x 5W
R10 (ETR) = 1,3 OHMS x 5 W
D1, D2, D3, D4 = 1N4001
Z1 = ZENER 5,1V x 400 mW
C1 =100 Uf x 25V
C2 = 1000 uF x 25V
C3 = 100 uF x 25V
LD1 =LED VERMELHO
LD2 =LED VERMELHO
LD3 =LED VERDE
RC = RECEPTOR RÁDIO CONTROLE 27 MHz
T1, T2, T3 = BC547
T4 = TIP 121
T5, T6 = 2N3055
Multímetro digital DT-820C (fixado à tampa traseira da célula de ensaio)
ψ
ψ
ψ
109