Estimativa do estado de degradação de cabos isolados por meio da

Estimativa do estado de degradação de cabos isolados
por meio da medição de indicadores de desempenho
Edição 62 - Março / 2011
Por Loana Velasco, Luiz Carlos de Freitas, José Carlos de Oliveira, Darizon de Andrade, Fernando de Lima e Antônio Finazzi
O desenvolvimento de um protótipo que viabiliza a detecção de corrente de fuga e tensão de operação para
empregar uma metodologia para o diagnóstico do estado operacional deste componente via indicadores de
desempenho.
No que tange à confiabilidade operacional das redes elétricas ressalta-se a grande influência que os cabos isolados
exercem sobre a qualidade dos suprimentos, com destaque aos indicadores de continuidade. À luz destes fatos,
torna-se imprescindível a realização de pesquisas voltadas para identificação, modelagem e outros aspectos que
esclareçam e quantifiquem os efeitos atrelados com as principais causas responsáveis pela degradação destes
componentes de rede, a exemplo da denominada arborescência (water tree), tema este que têm merecido a atenção
de pesquisadores internacionais.
Visando meios práticos para a avaliação dos efeitos finais do fenômeno da arborescência sobre a degradação
precoce dos cabos e observando, de forma pontual, os estudos sobre a modelagem e métodos de diagnósticos,
diversos trabalhos [1-9], têm sido desenvolvidos para a detecção deste tipo de falha e extração de informações e
parâmetros de desempenho sobre o nível de degradação da camada de isolação de cabos. Estes, de um modo
geral, contemplam investigações para a obtenção de meios e ferramentas práticas que auxiliem a manutenção
preditiva por meio do acompanhamento do estado operacional dos cabos. Os métodos encontrados nas
mencionadas referências possuem abordagens diferentes quanto ao mecanismo para os registros das informações,
como apresentado em [8].
As pesquisas iniciadas pelo presente grupo de trabalhos foram conduzidas e reportadas nas referências [6-9]. Tais
contribuições técnicas primaram pelo estabelecimento de modelos matemáticos destinados à representação e à
simulação do fenômeno da arborescência e, a partir dos sinais obtidos, foram contemplados meios para a obtenção
de parâmetros de desempenho do estado operacional de cabos isolados.
Prosseguindo nesta direção, o presente artigo encontra-se direcionado para a apresentação e discussão de avanços
obtidos para se atingir indicadores representativos do estado de degradação dos cabos isolados a partir de
medições diretas da tensão de suprimento e corrente de fuga. Utilizando tais informações, obtidas por um
instrumento especialmente concebido para tal fim, são então determinados indicadores de estado utilizados, de
modo clássico, para o diagnóstico do estado de operação destes componentes. Resultados experimentais
realizados em um ambiente laboratorial e empregando trechos de cabos comerciais são também considerados no
trabalho para fins de avaliação global da
operacionalidade do protótipo de equipamento de
medição em questão.
Concepção física do sistema de medição e
características básicas do protótipo
A Figura 1 representa a estratégia de medição a ser
empregada para os fins aqui almejados. No arranjo
apresentado, o bloco associado com a medição local é
responsável pela aquisição das amostras de tensão
aplicada ao cabo e à corrente de fuga. Esta unidade
constitui-se um dos pontos mais críticos do projeto do
hardware, visto que utilizará tensões de valores
elevados, mesmo levando em conta a presença dos
transformadores de potencial e correntes de baixas
magnitudes. Outro ponto relevante está na
simultaneidade da aquisição dos sinais, pois os ângulos
de fase têm influência relevante no processo de
diagnóstico [1-9].
FIGURA 1 – ESTRUTURA DO SISTEMA DE MEDIÇÃO IDEALIZADO.
Em consonância com a metodologia concebida, a Figura 2 mostra o arranjo físico a ser utilizado para os registros
das grandezas, a saber, tensão aplicada e corrente de fuga. Como pode ser observado, a tensão é aplicada entre o
condutor e a blindagem, enquanto que a corrente de fuga é determinada através de um sensor de corrente. A
amostra do sinal de tensão aplicado sobre a isolação do cabo e o sinal de corrente fuga são registrados, utilizandose um equipamento especialmente desenvolvido para os propósitos desta pesquisa e, por fim, enviados a um
computador onde são gerados arquivos para posterior análise e aplicação da metodologia de diagnóstico.
Uma vez que os sinais de tensão são extraídos diretamente dos transformadores de potencial existentes nas
instalações elétricas industriais,
quanto aos problemas de
monitoração das correntes em
cabos de alimentação, como já
esclarecido, optou-se pelo
emprego de um alicate
amperímetro de alta precisão.
Tal dispositivo fornece, em seus
terminais de saída um sinal de
tensão diretamente proporcional
ao valor da corrente medida,
tornando possível a medição, a
visualização e a análise do sinal
desejado, quando utilizado em
conjunto com instrumentos de
medição e análise adequados.
FIGURA 2 – ARRANJO FÍSICO PARA AS MEDIÇÕES.
Para os registros que se fazem necessários, também foi especificado um equipamento comercial designado por
multimedidor e analisador de energia produzido por um fabricante nacional.
Protótipo de equipamento – Hardware
Dentre as propriedades contempladas pelo instrumento de medição concebido ressaltam-se os seguintes pontos
principais:
•
Portabilidade: devido à necessidade de seu deslocamento para os pontos onde se fizerem necessários os
registros;
•
Simplicidade operativa: possibilitar medições com o menor número possível de manobras, de preferência com o
cabo com suprimento de tensão e carregamento normal (ou a vazio);
•
Adequação aos padrões de tensão: ser apropriado ao registro de tensões com valores compatíveis com as
saídas típicas dos TPs comerciais;
•
Adequação aos níveis de corrente de fuga: possuir mecanismo de medição de corrente de fuga que não
interfira nas conexões das blindagens aos pontos de aterramentos;
•
Hardware/software: primar por recursos de hardware comercialmente aprovados e em uso no setor elétrico,
assim como softwares de comunicação e gerenciamento das ações.
A Figura 3 mostra o produto final
especificado e adquirido de um fabricante
nacional de instrumentação elétrica.
Dentre as principais características para o
medidor construído ressaltam-se os
seguintes pontos básicos:
•
Equipamento portátil;
•
Registrador de formas de onda de
tensão e corrente, com display de
cristal líquido e dispositivo para
programação local;
•
Entradas para terra e neutro com, no
mínimo, uma entrada para sinal de
tensão de (10 mV a 500 VCA) e uma
entrada para sinal de corrente (1 mA a
10 A-CA) com capacidade de aquisição
simultânea desses dois sinais;
•
Alimentação 110/220 VCA, 50/60 Hz;
•
Resposta apropriada a frequências de
até 4 KHz;
•
Medições realizadas por amostragem
digital com duração programável de 1s
até 1 h.
FIGURA 3 – PROTÓTIPO DE EQUIPAMENTO PARA O DIAGNÓSTICO
DO ESTADO OPERACIONAL DE CABOS ISOLADOS.
Estrutura do aplicativo para o cálculo
dos indicadores de desempenho – Software
•
Em atenção aos objetivos anteriormente delineados,
foram realizadas atividades associadas ao
desenvolvimento de um software, no
ambiente MATLAB®, para a determinação dos
indicadores de estado operacional de cabos isolados.
•
•
crescentes à medida que o grau da deterioração
aumenta, como reportado em [3];
Potência dissipada - ?P – A potência dissipada é
um indicador de estado que está diretamente
associado à densidade da deterioração [3];
Corrente de terceira harmônica - I3 – A
magnitude desta componente tende a crescer
com o incremento da degradação [2];
Ângulo de fase da terceira harmônica - θ3 –
Trata-se de um indicador de estado que tende a
zero com o aumento do grau de deterioração da
camada isolante [1].
FIGURA 5 – METODOLOGIA PARA DETERMINAÇÃO
DOS INDICADORES DE ESTADO.
FIGURA 4 – FLUXOGRAMA DO APLICATIVO PARA
DETERMINAÇÃO DOS INDICADORES DE ESTADO.
O aplicativo desenvolvido, cujo fluxograma é
apresentado na Figura 4, apresenta as seguintes
funções básicas:
•
Determinação dos espectrogramas dos sinais de
tensão de suprimento e de corrente de fuga;
•
Verificação se o sinal de suprimento apresenta
distorções em níveis que possa conduzir a
diagnósticos que não reflitam o nível de
degradação presente na isolação do cabo;
•
Eliminação, quando for o caso, da influência da
distorção da tensão de suprimento na corrente
de fuga;
•
Recuperação do espectrograma do sinal de
corrente de fuga devido, tão-somente, à
presença de degradação da camada isolante.
Por fim, vale ressaltar que, em vista da complexidade
do fenômeno enfocado, as experiências obtidas até
então indicam que é desejável e necessário proceder
à análise conjunta dos indicadores empregados.
Assim agindo acredita-se ser possível a emissão de
diagnósticos confiáveis, no sentido de retratar, com
maior confiabilidade, a situação operativa real com
que se encontra um cabo isolado.
Estudos de casos e validação da estrutura de
medição e diagnóstico
Para a avaliação do desempenho do equipamento
foram realizadas atividades de testes experimentais
em ambiente controlado, a fim de validar a estrutura
de hardware e software desenvolvida. Para tal fim
foram utilizadas diversas amostras de cabos isolados
de classe de tensão de 8,7/15 KV, com isolação
XLPE. Neste trabalho são apresentados os
resultados obtidos para três amostras de cabos
utilizados por uma empresa concessionária.
Quanto ao nível de tensão utilizado para a realização
dos testes, foi empregada a tensão de 8 KV, que
corresponde ao valor nominal das amostras (cabos
comerciais de 13,8 kV).
Com tais premissas em mente, o diagrama ilustrado
na Figura 5 apresenta a estrutura do aplicativo
desenvolvido e implementado no produto final desta
pesquisa.
A partir da aquisição das formas de onda de tensão e
corrente, torna-se possível o calculo dos indicadores
para a determinação do estado operacional de um
cabo, em consonância com os indicadores de
desempenho abaixo descritos:
•
Distorção harmônica total da corrente de fuga DHTI – esta grandeza apresenta valores
A Tabela I apresenta as fotos e algumas
características das amostras utilizadas.
A Fig. 6 apresenta o arranjo laboratorial
implementado para realização dos ensaios, onde
observa-se: o equipamento de medição, o notebook,
o osciloscópio, a amostra sob teste, o transformador
elevador e o divisor capacitivo utilizado para a
amostragem da tensão.
De posse das grandezas monitoradas procede-se a
aplicação da metodologia para a obtenção dos
indicadores de desempenho dos cabos ensaiados.
Estas grandezas, que se destinam a permitir a
avaliação do estado operacional, são aquelas
comentadas no texto e obtidas de acordo com os
procedimentos contidos em [8], os quais requerem,
para alguns cálculos, o pré-conhecimento das
parcelas ativa e reativa das correntes de fuga, motivo
pelo qual procede-se, na sequência, a determinação
desta primeira parcela [6].
A Fig. 10 apresenta as formas de onda da
componente ativa da corrente de fuga para as
amostras de cabos, contemplando até a harmônica
de terceira ordem. A opção pela limitação a esta
ordem harmônica se fundamenta nas exigências dos
métodos empregados. Ressalta-se, ainda, que a
forma de onda de tensão não está em escala e se
destina tão somente a evidenciar que a corrente de
fuga encontra-se em fase com a tensão de
suprimento.
Apresentam-se, a seguir, as formas de onda
resultantes dos ensaios realizados. Para cada teste
foram obtidas as formas de onda da tensão e
corrente de fuga.
A Tabela II apresenta, de forma consolidada, os
resultados obtidos para os distintos indicadores de
estado dos três cabos contemplados anteriormente.
Maiores informações sobre os cálculos das
grandezas apresentadas podem ser obtidas em [8].
Não obstante os valores constantes da tabela anterior
expressem os resultados obtidos para as distintas
grandezas a serem empregadas para os estudos de
diagnóstico das condições operativas com que se
encontram as amostras de cabos testados, há de se
reconhecer, para o presente momento, a inexistência
de um banco de dados que venha a permitir uma
avaliação crítica e conclusiva sobre o tema. De fato,
inspeções visuais e comparativas entre os valores
não podem ser feitas em virtude de se tratar de
trechos de cabos comerciais distintos, utilizados sob
condições e tempo desconhecidos, enfim, não há
valores de referência para o estabelecimento de uma
base comparativa.
Apesar disso, de um modo geral pode-se verificar
que, muito embora os desempenhos obtidos tenham
sido similares, devido ao menor comprimento da
amostra 3 e o fato de a corrente de fuga se
apresentar em níveis próximos aos das demais, isto
sugere que este cabo possa se apresentar em um
estado de degradação mais avançado, observação
esta corroborada com os indicativos atrelados ao
ângulo da corrente de ordem 3 e ao respectivo valor
das perdas.
Conclusões
O presente trabalho contemplou as bases de um
instrumento, tanto no que se refere à estrutura de
hardware quanto software, direcionado à
determinação dos parâmetros de desempenho que
expressem o estado operacional de cabos isolados
no que tange aos padrões de degradação a que
possam estar sujeitos no momento da monitoração.
Fundamentando nestes princípios foi então
construído e testado um protótipo de equipamento
visando ao registro das correntes de fuga e
respectivas tensões de operação, em que pese o fato
de que os trabalhos de campo não exigem o
desligamento dos cabos, mas tão apenas a
desconexão das suas respectivas cargas. Esta
situação operativa exigida para os trabalhos de
medição são factíveis de obtenção durante os
programas de manutenção preditiva dos mais
distintos complexos elétricos.
Quanto aos parâmetros focados como possíveis
grandezas para o processo avaliativo, o trabalho
buscou atender aos diversos procedimentos
recomendados e encontrados na literatura, sem,
todavia, apontar para um ou outro como sendo a
melhor opção. De fato, seguindo as tendências mais
atuais, os autores, no momento, são concordantes ao
estabelecimento de uma metodologia de cruzamento
de informações, estratégia esta que desponta como a
mais promissora para uma avaliação mais
consistente do processo.
Visando a ilustrar a utilização dos recursos obtidos,
ensaios experimentais foram então realizados em um
ambiente laboratorial através de três amostras de
cabos comerciais distintos de média tensão. Muito
embora os valores numéricos para os indicadores de
desempenho discutidos no texto tenham sido obtidos,
novamente, ressalta-se que, diante da ausência de
um banco de dados de referências (por exemplo:
ensaios em cabos novos), os valores extraídos não
podem ser explorados de forma conclusiva.
Não obstante as ressalvas anteriores, os
desempenhos obtidos aparentemente são indicativos
que os cabos mostram comportamento similares, o
que aponta para o fato que os mesmos, no que se
refere a degradação de seus isolantes, sugerem a
ausência de fenômenos severos afetando suas
características físicas.
Agradecimentos
Os autores expressam seus agradecimentos à
CAPES e ao CNPq pelas bolsas de mestrado e de
doutorado no programa de pós-graduação da FEELTUFU e outros apoios financeiros que viabilizaram a
pesquisa.
Referência
[1] Y. Yagi, H. Tanaka, H. Kimuna, “Study on Diagnostic Method for
Water Treed XLPE Cable by Loss Current Measurement”, Electrical
Insulation and Dielectric Phenomena, 1998. Annual Report.
Conference on, Atlanta, GA, USA, vol. 2, pp.653-656, Oct, 1998.
[2] T. Tsujimoto, M. Nakade, Y. Yagi, K. Adachi, H. Tanaka,
“Development of ON-SITE Diagnostic for XLPE Cable by Harmonics
in AC Loss Current”, Proceedings of the 7th International Conference
on Properties and Applications of Dielectric Materials, June 1-52003, Nagoya, Vol. 1, pp 73-76.
[3] A. T. Bulinsky, E. So, S. S. Bamji, “Measurement of the Harmonic
Distortion of the Insulation Loss Current as a Diagnostic Tool for High
Voltage Cable Insulation”. Power Engineering Society Meeting, 2000,
IEEE, vol.3, pp. 1615-1620, Jan, 2000.
[4] T. Furuhashi, K. Tohyama, T. Imai, Y. Murata, “Dissipation
Current Waveform of Water Tree Deteriorated Low Density
Polyethylene Sheet”, Electrical Insulation and Dielectric Phenomena,
2006 IEEE Conference on, 15-18 Oct. 2006, pp 529-532.
[5] S. Masuda, S. Tsuboi, A. Fujita, K. Tohyama, T. Imai, Y. Murata,
M. Kanaoka, “Dissipation Current Waveform Observation of Water
Tree Deteriorated LDPE”, Electrical Insulation and Dielectric
Phenomena, 2005. CEIDP '05. 2005 Annual Report Conference on.
16-19 Oct. 2005, pp 233-236
[6] F. N. Lima, J. C. Oliveira, D. A. Andrade, R. M. T. Silva, A. P.
Finazzi, “Proposta de Modelo para Representação de
Arborescências e Avaliação do Nível de Degradação de Cabos
Isolados por meio da Análise da Corrente de Fuga”, VII CBQEE –
Conferência Brasileira sobre Qualidade de Energia Elétrica, Santos,
Brasil, Agosto de 2007, p 86.
[7] F. N. Lima, J. C. Oliveira, D. A. Andrade, et. al, “Modeling Water
Tree Phenomenon for Insulated Cable Loss Current Estimation”, In:
IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition:
Latin America, Bogotá, Colombia, Aug.13-15, pp. 1-6, 2008.
[8] F. N. Lima. - "Uma Contribuição À Estimativa de Indicadores de
Desempenho do Estado Operacional de Cabos Isolados Sob a Ação
das Arborescências" Tese de Doutorado em Engenharia Elétrica,
Universidade Federal de Uberlândia, 2008.Orientador: Professor
José Carlos De Oliveira.
[9] M. D. Teixeira, J. C. Oliveira, C. R. Pacheco, O. C. Souto,
“Avaliação do Estado Operacional de Cabos Isolados sob Condições
Adversas: Estratégias e Proposta de Diagnóstico”, V SBQEE –
Seminário Brasileiro sobre Energia Elétrica, Aracajú, Brasil, Agosto
de 2003.
LOANA NUNES VELASCO é engenheira eletricista e mestre pela
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – Ilha
Solteira. Atualmente, é aluna de doutorado do programa de pósgraduação na área de Qualidade e Racionalização da Energia
Elétrica na Universidade Federal de Uberlândia-Brasil.
LUIZ CARLOS GOMES DE FREITAS é engenheiro eletricista,
mestre e doutor pela Universidade Federal de Uberlândia –
Faculdade de Engenharia Elétrica (UFU-FEELT). Atualmente é
professor adjunto nível I da Faculdade de Engenharia Elétrica da
UFU.
JOSÉ CARLOS DE OLIVEIRA é engenheiro eletricista, mestre pela
Universidade Federal de Itajubá e Ph.D pelo Institute of Science
Technology, de Manchester (UK). É pesquisador no Departamento
de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia.
DARIZON ALVES DE ANDRADE é engenheiro eletricista, mestre
pela Universidade Federal de Uberlândia e Ph.D pela The University
of Leeds (UK). É professor titular e pesquisador no Departamento de
Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia.
FERNANDO NOGUEIRA DE LIMA é engenheiro eletricista, mestre
pela Universidade Federal da Paraíba e doutor pela Universidade
Federal de Uberlândia. Atualmente, é professor e pesquisador do
Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de
Mato Grosso.
ANTONIO DE PÁDUA FINAZZI é engenheiro eletricista e mestre
pela Universidade Federal de Santa Catarina. Atualmente, é
professor e pesquisador do Departamento de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Mato Grosso.
Este artigo foi baseado no trabalho originalmente apresentado
durante a 9th IEEE/IAS International Conference on Industry
Applications – Induscon 2010, que aconteceu de 8 a 10 de novembro
de 2010, em São Paulo (SP).