Medição de Descargas Parciais - Engenharia Eletrica

MEDIÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS
Eng. José Teixeira Junior
1) INTRODUÇÃO
O ensaio de descargas parciais é um ensaio não destrutivo cuja finalidade é medir o nível de
descargas parciais em um determinado equipamento numa dada tensão, onde existem diversos tipos de
isolamentos envolvidos (sólido, líquido e gasoso).De maneira geral, o nível de descarga parcial medido
deve estar abaixo de um valor prefixado por norma ou especificação do equipamento ensaiado.
O fenômeno das descargas parciais ocorrem em cavidades ou inclusões de constante dielétrica
diferente da do material que a rodeia. Quando submetemos este material a um campo elétrico, este se
distribui pelo material, submetendo a cavidade ou inclusão a um gradiente de tensão em excesso ao
gradiente máximo suportável pela mesma. Este fenômeno dará origem a pequenas descargas
disruptivas no interior da cavidade, acarretando um processo temporal de deterioração progressivo do
material e eventualmente a falha do equipamento. Logo, é importante a detecção das descargas parciais
em equipamentos como controle de qualidade não destrutivo.
2) NOMENCLATURA
O termo descarga parcial é um termo genérico dentro do grupo de descargas em gases, como
podemos ver no diagrama a seguir:
IONIZAÇÃO : qualquer processo pelo
qual um átomo torna-se eletricamente
carregado, tal como solução de sal na água
DESCARGA EM GÁS : passagem
de corrente através de um gás por
avalanche de elétrons
Todos
os
outros
processos envolvendo
ionização
Todas
as
outras
descargas em gases
DESCARGA PARCIAL : descarga
em gás que não une os eletrodos
completamente
DESCARGA INTERNA : DESCARGA SUPERFICIAL :
descarga ocorrendo em inclusões descarga ocorrendo na superfície
de um isolante
ou cavidades dentro do isolante
DESCARGA EXTERNA : descarga
ocorrendo em torno de pontas agudas
e extremidades de eletrodos -Corona
Como podemos ver, o termo ionização, que muitas vezes é utilizado para referir-se a descargas
parciais internas é incorreto, pois sua abrangência é muita ampla. Já o termo descarga parcial refere-se
a uma descarga incompleta, que tanto pode ser uma descarga interna, uma descarga superficial ou
mesmo uma descarga externa, a qual é referendada pelo termo “Corona”. O termo “descarga parcial DP”, apesar de um tanto genérico, foi consagrado pelo uso e pela literatura para referir-se ao termo
correto, que seria descarga parcial interna.
1
i.exe
Figura 1 . Exemplo de Descarga Parcial Interna.
Figura 2 . Exemplo de Descarga Parcial Superficial
Nas figuras 1 e 2 temos exemplos de descargas parciais interna e superficial. Na figura 3 a
seguir, temos o exemplo de descarga parcial externa, onde o termo “descarga corona” é preferível ao
termo anterior, por ser já consagrado pelo uso. Na figura 4 temos um tipo de descarga misto entre
superficial e interna e na figura 5 temos uma combinação de descarga parcial externa ou “corona” e uma
descarga parcial superficial.
Figura 3 . Exemplo de Descarga Parcial
Externa ou Corona
Figura 4 . Exemplo de Descarga Parcial
Interna e Superficial
Figura 5 . Exemplo de Descarga Parcial Externa e Superficial
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3) INÍCIO DAS DESCARGAS PARCIAIS INTERNAS
As descargas parciais internas ocorrem no interior de um material isolante, em cavidades ou
inclusões. Estas cavidades ou inclusões podem apresentar falha a um gradiente de tensão pequeno se
comparado ao gradiente de tensão suportado pelo material isolante a sua volta. Além do mais, se a
constante dielétrica do material presente na cavidade ou inclusão for menor que a constante dielétrica do
material do sistema isolante a distribuição de tensão será maior no cavidade ou inclusão ser o ar, o que
forçará sobremaneira a disrupção da inclusão. Este fato é bastante comum, levando-se em conta que a
maioria dos sistemas isolantes são de plástico extrudado, resinas, papel impregnado com resinas, etc,
ou as cavidade podem estar preenchidas com óleo, as quais ocorrem entre camadas de papel isolante
impregnado com óleo, tais como em enrolamentos de transformadores e cabos. Já as inclusões são
formadas por sujeiras, papel, fibras têxteis e outros corpos estranhos, geralmente em materiais formados
por plástico extrudado e resinas moldadas.
Nas cavidades preenchidas com gás, a suportabidade depende do tipo de gás, da pressão do
mesmo e das dimensões da cavidade. Em alguns casos, pode-se calcular o gradiente de tensão na
cavidade, como exemplo, numa cavidade achatada, perpendicular ao campo elétrico, o gradiente de
tensão será ε vezes o gradiente de tensão no material, sendo ε a constante dielétrica no material
isolante. Já para uma cavidade esférica, este fator será de 3ε/(1+2ε), tendendo a 1,5 se ε for grande. Se
a cavidade for longa e paralela ao campo elétrico, o gradiente de tensão na cavidade tende a ser igual
ao do material isolante.
Nas cavidades preenchidas com óleo, a suportabilidade, além de depender do tipo de óleo e das
dimensões físicas da cavidade, dependerá também do grau de contaminação do mesmo. Após o
processo de descarga se iniciar, teremos também a formação de bolhas de ar dentro do óleo, as quais
poderão também dar origem a descargas, uma vez que, os líquidos são capazes de absorver gases,
teremos um equilíbrio entre a formação de bolhas pelas descargas e a absorção das bolhas pelo líquido.
Como conseqüência as descargas podem aumentar, diminuir ou cessar completamente.
Nas inclusões, os corpos estranhos possuem suportabilidade menor que o resto do material.
Quando existe descargas nestes elementos, gases são produzidos e cavidades preenchidas com gás
são formadas, propiciando novas descargas. Partículas metálicas agudas imersas em um material
isolante podem dar origem a uma região onde o gradiente de tensão é muito grande, causando
descargas no material isolante em sua volta, o que causará a formação de gases e a criação de
cavidades preenchidas com gás.
4) DESCARGAS PARCIAIS INTERNAS EM TENSÃO ALTERNADA
Através do circuito equivalente simplificado de uma seção de material isolante possuindo uma
cavidade preenchida com gás, podemos compreender o comportamento das descargas parciais internas
em materiais submetidos a uma tensão alternada senoidal. No circuito da figura 6 a seguir, a
capacitância da cavidade é representada por c e a capacitância do material isolante em série por b. O
resto do material é representado pela capacitância a.
Figura 6 . Material Isolante com uma cavidade.
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Na figura 6 temos a representação de um material isolante com uma cavidade em seu interior. A
parte I representa a seção onde existe a cavidade e a parte II corresponde a parte não afetada do
material. Va é a tensão aplicada nos terminais do material e Vc é a tensão sobre a cavidade.
Figura 7 . Recorrência das descargas internas.
Com auxílio da figura 7 acima, vemos que quando Vc atinge o valor da tensão de descarga da
cavidade U+ , uma descarga disruptiva ocorre na cavidade. A tensão então cai quase a zero (existe uma
pequena tensão residual não considerada no desenho da figura 7). Esta queda de tensão leva cerca de
menos que 0,1 µs, o que extremamente curto comparado com a duração de uma onda de tensão em
freqüência industrial (τ = 16,7 ms). Podemos considerar esta queda de tensão como uma função degrau.
Após a descarga ter sido extinta, a tensão volta a crescer na cavidade, e quando este atinge novamente
o valor U+ uma nova descarga ocorre. Isto ocorre várias vezes, até que a tensão Vc seja inferior a U+ .
Após a tensão Vc ter atingido seu valor de crista positivo, a mesma diminui até atingir o valor U- onde
uma nova descarga ocorre. Assim sucessivamente temos a recorrência das descargas parciais internas.
As descargas na cavidade produzem um corrente impulsiva nos terminais do material submetido
a tensão CA, como podemos ver na parte inferior da figura 7. Pode-se constatar que as descargas
aparecem nas regiões onde a variação da tensão é maior. A tensão na qual inicia-se as descargas
parciais é conhecida como tensão de início e a tensão onde as descargas cessam de tensão de
extinção.
Após a descarga na cavidade ter-se iniciado, descargas podem continuar ocorrendo mesmo
quando a tensão impressa na cavidade é inferior a tensão de início de DP. Na figura 8 a seguir vamos
admitir que a primeira descarga ocorre devido a uma sobretensão devido a um transitório qualquer. A
tensão Vc , geralmente menor que a tensão de início de descarga, atinge um valor superior a U+ dando
origem a primeira descarga, que se repetirá a cada meio-ciclo.
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Figura 8 . Ocorrência das descargas internas abaixo da tensão de início.
A tensão de extinção das descargas parciais (tensão de crista) pode ser calculada como sendo
aproximadamente menor que U+/2 , contudo na prática, a tensão de extinção varia entre 0 a 25% menor
que a tensão de início. Em materiais isolantes compostos de papel impregnado a tensão de extinção é
freqüentemente muita menor devido a rápida formação de gases.
Outros padrões de recorrência de descargas existem, dependendo do tipo de cavidade existente
no material. Temos um padrão de descargas intermitente sempre que as cavidades possuem grande
assimetria com U+ ≠ U- , neste caso as descargas persistem por algum tempo e cessam. Outra
seqüência se inicia e cessa, formando um padrão de descargas intermitentes. Outro tipo de ocorrência é
a descarga transversa, a qual ocorre em cavidades cujo formato físico propicia descargas em mais de
um ponto. Este comportamento pode levar a um padrão de descargas onde amplitudes pequenas e
grandes se sucedem.
De maneira geral, um material possui várias cavidades, de diferentes formatos físicos e com
diferentes tensões de início e extinção, logo quando visualizamos as descargas produzidas pelas
cavidades numa tela de osciloscópio, teremos uma figura complexa onde as descargas produzidas pelas
diversas cavidades se sobrepõem umas as outras.
7) DETERIORAÇÃO DOS DIELÉTRICOS
As descargas parciais internas causam deterioração progressiva do material isolante e
eventualmente podem levar a perfuração completa do mesmo. Os mecanismos de deterioração podem
ser causados por vários fenômenos, tais como:
1. Bombardeamento iônico e eletrônico, causando aquecimento do anodo e catodo, erosão destas
superfícies e processos químicos na superfície (polimerização, quebra de moléculas, formação de
gases, etc);
2. Formação de produtos químicos no gás ionizado, tais como, ácido nítrico, ozônio, etc;
3. Formação de irradiação ultravioleta e raio-X suave.
Estes efeitos são acumulativos e causam a deterioração progressiva e acelerada do dielétrico.
Dependendo do tipo de material, um efeito será mais agressivo que outros. Por exemplo, em alguns
tipos de plástico, a degradação térmica é mais acentuada, já em bobinas de alternadores, onde o
material utilizado é a mica, o mecanismo principal é o bombardeamento iônico. Em estudos de
descargas em papel isolante impregnado com óleo, cavidades próximas ao condutor atacam o isolante e
após perfurar as primeiras camadas de papel, descargas superficiais ocorrem ao longo destas camadas,
formando arvorejamento e trilhamento, as quais são formados nos pontos mais fracos do isolamento.
Este processo conduz a um sobreaquecimento local e a perfuração completa do dielétrico.
A deterioração e a expectativa de vida útil do dielétrico dependem de muitas variáveis. Elas são
diretamente proporcionais ao número de descargas e portanto a freqüência, a amplitude a ao gradiente
da tensão aplicada. Ela depende também da magnitude da descarga e da natureza do dielétrico. No
caso onde tensão contínua é aplicada podemos esperar uma expectativa de vida bem maior do que para
tensões alternadas, uma vez que o número de descargas será muito menor, mesmo quando o gradiente
de tensão é maior que o gradiente de tensão usual para tensão alternada.
Na figura 10 a seguir, temos o exemplo da expectativa de vida útil em função do gradiente de
tensão obtido com cavidades artificiais em polietileno excitado com uma freqüência de 150 kHz [Mason],
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e com cavidades naturais [Davis] em cabos de polietileno excitados com pulsos unidirecionais a 500 Hz
Todos os resultados foram convertidos para o equivalente a anos em 50 Hz.
Vida Útil em 50 Hz [Anos]
100
10
1
Mason
Davis
0,1
0,01
0,001
1
10
100
Gradiente de Tensão [kV/mm]
Figura 10 . Expectativa de Vida Útil.
A magnitude da descarga aumenta com a espessura da cavidade e com a área da seção
transversal, contudo não é fácil correlacionar vida útil em relação à magnitude da descarga. Kreuger
estudou esta questão em cabos isolados com PVC, onde descargas de diferentes amplitudes foram
mantidas no mesmo gradiente de tensão [6 kV/mm]. Os resultados apresentados na figura 11 indicam
pouca correlação, porém, quando a magnitude das descargas é bem elevado, a vida útil é
definitivamente menor.
10000
DP [pC]
1000
100
10
1
1
10
100
1000
10000
Vida Útil [horas]
Figura 11 . Magnitude da descarga e Vida Útil para cabos isolados com PVC
8) MÉTODOS DE DETEÇÃO
As descargas parciais dão origem a uma série de fenômenos físicos e químicos, os quais podem
ser utilizados para detecção da presença das descargas parciais. Estes fenômenos estão apresentados
a seguir :
⇒ Fenômenos Elétricos (perdas dielétricas e impulsos elétricos)
⇒ Radiação Eletromagnética
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⇒ Luz
⇒ Calor
⇒ Ruído Acústico
⇒ Pressão de Gases
⇒ Transformações Químicas
Destes fenômenos, o mais freqüentemente utilizado para detecção é o fenômeno elétrico, por
sua sensibilidade maior. Utiliza-se também, em aplicações especiais, o fenômeno do ruído acústico,
como por exemplo, para detecção e localização de DP em grandes transformadores de força e o
fenômeno das transformações químicas, gerando gases, que podem ser detectados em análises de
gases dissolvidos em óleo isolante de transformadores, indicando assim a presença das DP. Em
qualquer dos casos acima, é preciso estar atento as seguintes aspectos:
DETEÇÃO: determinar a ausência ou a presença de descargas e a tensão na qual as mesmas
aparecem. Existe vários métodos elétricos para realizar esta detecção.
MEDIÇÃO : a magnitude das descargas deve ser medido, processo este que requer algum tipo
de calibração do sistema de medida.
LOCALIZAÇÃO : A localização das descargas compreende a determinação do local físico de
ocorrência das DP, a escolha do método depende do tipo de material isolante e do equipamento no qual
o mesma é utilizado. Métodos acústicos são muito empregados para localização provável de DP em
transformadores de força de alta tensão. Em cabos de força, é possível rastrear a localização das DP,
por propagação de pulsos de DP.
AVALIAÇÃO : Consiste em determinar o perigo produzido pelas descargas parciais e avaliar a
vida útil em função das mesmas. Geralmente, esta avaliação é muito difícil.
8.1) METÓDOS NÃO ELÉTRICOS
DETEÇÃO POR LUZ : As descargas parciais internas podem ser vistas se o material isolante for
translúcido. A radiação é muito tênue, contudo esta pode ser intensificado pelo aumento da freqüência
da tensão aplicada. Com este método é possível observar descargas parciais superficiais e externas
(Corona).
DETEÇÃO POR CALOR : O aumento da temperatura provocado pelas descargas pode ser
medido por termoacopladores dispostos ao longo do dielétrico. É possível também sentir o aumento da
temperatura na superfície de cabos e buchas submetidos a ensaios de alta tensão por contato manual.
Este método é bastante insensível e a magnitude das descargas não pode ser medido.
DETEÇÃO POR RUÍDO ACÚSTICO : A detecção aural é um método bastante antigo e é
possível escutar descargas superficiais em buchas e cabos. A sensibilidade deste método é em torno de
50 a 80 pF. Utiliza-se, no caso de transformadores de potência de alta tensão, microfones operando na
faixa do ultrasom imersos no óleo isolante. A sensibilidade deste método é limitada pelo fenômeno de
magnetostrição do núcleo do transformador, que gera ruído na mesma faixa de freqüência. Em ensaios
em cabos é possível utilizar microfones de contado fixados na superfície do cabo. Deste modo, com
auxílio de amplificadores e osciloscópios determinar a localização de descargas ao longo do cabo.
PRESSÃO DE GÁS : Pode medir a pressão do ar na cavidade onde ocorre a descarga. Devido
às reações químicas a pressão do gás descresse logo que as descargas ocorrem. Este método é muito
restrito e a sensibilidade não é conhecida.
TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS : A ocorrência de produtos químicos e trilhamento produzidos
pelas descargas pode ser utilizado para detecção e localização. Muitas vezes o material dielétrico tem
que ser demolido para verificação. Descargas em óleo isolante geram gases específicos, os quais
podem indicar a presença de descargas.
8.2) MÉTODOS ELÉTRICOS
A detecção dos impulsos elétricos causados pelas descargas parciais é um dos métodos mais
populares e existe uma grande variedade de circuitos em uso para detectar estas descargas, este
circuitos são baseados em um modelo básico, que apresentamos na figura 12 a seguir:
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FIGURA 12. Circuito básico de detecção de impulsos elétricos
Os elementos básicos do circuito da figura 12 são : uma fonte de alta tensão alternada U, um
capacitor de acoplamento k, isento de descargas parciais na tensão de ensaio e que facilitará a
circulação dos impulsos de corrente de alta freqüência, o objeto de teste a, apresentando descargas
parciais, uma impedância de medição Z por onde os impulsos de corrente gerarão um queda de tensão
que será amplificada pelo amplificador A e visualizada no osciloscópios O. A seguir temos mais alguns
detalhes destes componentes:
8.2.1) IMPEDÂNCIA DE MEDIÇÃO : A impedância de detecção Z pode ser conectada em série
com o objeto de teste ou em série com o capacitor de acoplamento. No que diz respeito a queda de
tensão causada pelos impulsos de corrente, sua posição é irrelevante. Na prática, contudo, a posição de
Z pode ser de importância. Freqüentemente Z é colocada em série com o capacitor de acoplamento k,
que tem capacitância definida. Muitas vezes o objeto de teste apresenta uma capacitância muito alta,
portanto Z pode não suportar a corrente em freqüência fundamental que circulará pela impedância de
medição.
Geralmente a impedância de medição é um circuito RC, dando origem a impulsos de tensão
unidirecionais ou é um circuito RLC, com resposta oscilatória. A resposta de ambos pode ser facilmente
calculada com auxílio da transformada de Laplace. Na figura 13 a seguir temos o circuito básico de
medição de DP utilizando uma impedância de medição do tipo RC.
FIGURA 13 . Circuito básico de medição de DP com Impedância RC de Medição
Através da tela do detector de DP é possível localizar e algumas vezes identificar a origem dos
pulsos apresentados na tela pela análise do padrão formado. Sabemos que as descargas parciais
internas em uma cavidade ocorrem em regiões particulares da onda de impulso senoidal, como
podemos ver na figura 7, com formações entre as regiões de maior ingremidade da onda de tensão, ou
seja, na região em torno de 0° e de 180º graus elétricos. Nos detectores atuais é possível sincronizar os
pulsos de DP com a alta tensão aplicada ao objeto de teste, permitindo assim mais um recurso na
identificação da ocorrência das DP.
Num osciloscópio de base elíptica o seguinte padrão de descargas parciais internas a uma
cavidade no dielétrico fica conforme figura 14 a seguir.
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FIGURA 14 . DP em uma cavidade em um osciloscópio de base elíptica
Alguns tipos de perturbação possuem também um padrão ou assinatura bastante conhecida,
principalmente o fenômeno corona, como podemos ver na figura 15. Outros tipos de ruídos encontrados
na literatura foram compilados na figura 16.
FIGURA 15 . Descargas Corona no osciloscópio de base elíptica
FIGURA 16 . Perturbações mais comuns apresentadas no osciloscópio de base elíptica;
a) distorção harmônica; b) objeto flutuante ao redor; c) motores elétricos;
d) lâmpadas fluorescentes, e) mau contado; f) retificador
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