UMA ESTRATÉGIA PARA A MEDIÇÃO DE INDICADORES DO ESTADO DE DEGRADAÇÃO DE CABOS ISOLADOS

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1 UMA ESTRATÉGIA PARA A MEDIÇÃO DE INDICADORES DO ESTADO DE DEGRADAÇÃO DE CABOS ISOLADOS L. N. Velasco, MSc, J. C. Oliveira, PhD, L. C. G. Freitas, Dr, T.V. da Silva, Eng., C. A. Rocha. Universidade Federal de Uberlândia, , Uberlândia-MG, Brasil F. N. Lima, Dr, A. P. Finazzi, M.Sc Universidade Federal de Mato Grosso, 786-9, Cuiabá-MT, Brasil Resumo - As questões relacionadas com a qualidade de energia elétrica representam, efetivamente, desafios crescentes para o setor elétrico. No que tange ao fornecimento de energia com qualidade e confiabilidade, um dos problemas consiste na descontinuidade não programada do suprimento devido à ocorrência de falhas em componentes diversos da instalação, dentre os quais destacam-se os cabos elétricos isolados. Um dos principais problemas responsáveis pelas interrupções intempestivas nas instalações está relacionado com a degradação da isolação de cabos de potência, fato este que pode ocasionar o rompimento do material dielétrico e, por conseguinte, a interrupção do suprimento de energia elétrica. Neste contexto, o desenvolvimento de mecanismos, materializados na forma de equipamentos de medição e capazes de avaliar e indicar o estado operacional com que se encontram os cabos mostram-se altamente atrativos para a operação e manutenção de sistemas elétricos. Em vista do fato que o diagnostico do estado operacional de cabo isolado se mostra factível através de indicadores de estado associados com a corrente de fuga e tensão de operação, isto orienta para o desenvolvimento de um protótipo de equipamento que viabilize a detecção destas grandezas, estando o cabo energizado e sem carga e, a partir destas informações, empregar uma metodologia para o diagnostico do estado operacional deste componente via indicadores de desempenho. Palavras- chaves - Cabos Elétricos, Arborescências, Corrente de Fuga, Manutenção Preditiva. AN APPROACH TO IMPROVE POWER SUPPLY CONTINUITY THROUGHOUT THE ESTIMATION OF INSULATED POWER CABLE Abstract Questions related to power quality definitely challenges engineers all over the world. Amongst these the matter of supply reliability emerges as an important factor towards the improvement of continuity indexes such as the duration and frequency of interruptions. In such a way, information associated to the operational conditions of equipment such as transformers, cables, etc. have a relevant role in the overall electrical complex behavior. Focusing the insulated cables operational status, the occurrence of physical degradation phenomenon such as the so called water tree appears as a common cause for cable life expectance reduction. Having in mind this target, this paper considers the basis related to this effect and describes a procedure to estimate the actual conditions of a given cable. A hardware and software structure is then presented and first experimental results are described to highlight the proposal potentiality at finding operational indexes about the component life expectance. Keywords - Cable Insulation, Water Tree, Loss Current, Degradation, Diagnosys. I. INTRODUÇÃO No que tange a 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 a identificação, modelagem e outros aspectos que venham a esclarecer e quantificar 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, como ressaltam os resultados encontrados nas referências [1-5]. 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, a exemplo de [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 através 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 a representação e simulação do fenômeno da arborescência e, a partir dos

2 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 num ambiente laboratorial e empregando trechos de cabos comerciais são também considerados no trabalho para fins da avaliação global da operacionalidade do protótipo de equipamento de medição em questão. II. CONCEPÇÃO FÍSICA DO SISTEMA DE MEDIÇÃO E CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO PROTÓTIPO A Fig. 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 corrente de fuga. Esta unidade constitui-se num 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]. sinal de tensão aplicado sobre a isolação do cabo e o sinal de corrente fuga são registrados utilizando-se 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. Fig. 2 Arranjo físico para as medições. Uma vez que os sinais de tensão são extraídos diretamente dos transformadores de potencial existentes nas instalações elétricas industriais, no que tange 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 da saída, um sinal de tensão diretamente proporcional ao valor da corrente medida, tornando possível a medição, visualização e análise do sinal desejado, quando utilizado em conjunto com instrumentos de medição e análise adequados. 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. III. PROTÓTIPO DE EQUIPAMENTO - HARDWARE Fig. 1 Estrutura do sistema de medição idealizado. Em consonância com a metodologia concebida, a Fig. 2 mostra arranjo físico a ser utilizado para os registros das grandezas, a saber, tensão aplicada e corrente de fuga. Conforme 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 Dentre as propriedades contempladas pelo instrumento de medição concebido ressaltam-se os seguintes pontos principais: Portabilidade: devido a 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 TP s 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.

3 A Fig. 3 mostra o produto final especificado e adquirido de um fabricante nacional de instrumentação elétrica. Recuperação do espectrograma do sinal de corrente de fuga devido, tão-somente, à presença de degradação da camada isolante. Início Identificar as formas de onda da tensão de suprimento e da corrente de fuga total Calcular o Espectrograma da tensão de suprimento e da corrente de fuga total Determinar as componentes ortogonais da corrente de fuga total e seus Espectrogramas Calcular Req e Ceq utilizando a relação entre as fundamentais da tensão de suprimento e das correntes ativa e reativa Fig. 3 Protótipo de equipamento para o diagnóstico do estado operacional de cabos isolados. 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 possuindo, no mínimo, uma entrada para sinal de tensão de (1 mv a 5 V-C.A.) e uma entrada para sinal de corrente (1 ma a 1 A-C.A.) com capacidade de aquisição simultânea desses dois sinais; Alimentação 11/22 VCA, 5/6 Hz; Resposta apropriada a frequências de até 4 KHz; Medições realizadas por amostragem digital com duração programável de 1s até 1 h. IV. ESTRUTURA DO APLICATIVO PARA O CÁLCULO DOS INDICADORES DE DESEMPENHO - SOFTWARE Em atenção aos objetivos anteriormente delineados, foram realizadas atividades associadas com o desenvolvimento de um software, no ambiente MATLAB, para a determinação dos indicadores de estado operacional de cabos isolados. O aplicativo desenvolvido, cujo fluxograma é apresentado na Fig. 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; Tensão de suprimento distorcida? N Calcular os Indicadores de Estado e realizar o diagnóstico FIM S Identificar a contribuição harmônica da tensão distorcida para o circuito paralelo R eq // C eq Determinar as componentes ativa e reativa da corrente de fuga total Subtrair as harmônicas identificadas no circuito Req // Ceq da contribuição harmônica total Recuperar a corrente de fuga total devido às arborescências Fig. 4 Fluxograma do aplicativo para determinação dos indicadores de estado. Com tais premissas em mente, o diagrama ilustrado na Fig. 5 apresenta a estrutura do aplicativo desenvolvido e implementado no produto final desta pesquisa. Usuário INTERFACE A Medição Sinal De Tensão B D C Modulo para Tratamento dos Espectrogramas MATLAB Medição Sinal De Corrente Simulação para determinação dos indicadores de estado. A Determinação do Espectro de Tensão B Determinação do Espectro de Corrente C Eliminação dos harmônicos oriundos do suprimento D Recuperação da corrente de fuga devido a degradação Fig. 5 Metodologia para determinação dos indicadores de estado. 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

4 consonância com os indicadores de desempenho abaixo descritos: Distorção harmônica total da corrente de fuga - DHT I esta grandeza apresenta valores 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 Tratase de um indicador de estado que tende a zero com o aumento do grau de deterioração da camada isolante [1]. 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. V. 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 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. No que tange ao nível de tensão utilizado para a realização dos testes, foi empregado a tensão de 8 KV, que corresponde ao valor nominal das amostras (cabos comerciais de 13,8 kv). A Tabela I apresenta as fotos e algumas características das amostras utilizadas. TABELA I AMOSTRAS DE CABOS UTILIZADOS EM ENSAIOS LABORATORIAIS. Amostra Bitola (mm 2 ) Foto Comprimento (m) 1 1x95 2,3 2 1x4. 1,9 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. Fig. 6 Arranjo laboratorial utilizado para as medições. 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. Tensão AN ( V) Tensão no Cabo Corrente de Fuga -3,,2,4,6-2 Fig. 7 Corrente de fuga (1,16 ma RMS) e tensão no cabo (17,39V RMS) - Amostra 1 Tensão AN ( V) Tensão no Cabo Corrente de Fuga -3,,2,4,6 Fig. 8 Corrente de fuga (1,13 ma RMS) e tensão no cabo (16,75V RMS) - Amostra Corrente AN (ma) -1-2 Corrente AN (ma) 3 1x95 1,2

5 .8.6 Tensão de Alimentação Corrente de fuga ativa.4 Corrente (A) (b) Fig. 9 Corrente de fuga (1,35 ma RMS) e tensão no cabo (17,25V RMS) - Amostra 3 De posse das grandezas monitoras 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 seqüência, a determinação desta primeira parcela [6]. A Fig. 1 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. Corrente (A) Tensão de Alimentação Corrente de fuga ativa (a) Corrente (A) Tensão de Alimentação Corrente de fuga ativa (c) Fig. 1 Formas de onda da componente ativa da corrente de fuga: a) amostra 1; b) amostra 2 e c) amostra 3 Tensão aplicada de 8 KV. 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]. TABELA II SÍNTESE DOS RESULTADOS OBTIDOS ATRAVÉS DAS MEDIÇÕES Indicadores de Estado Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Corrente de Fuga (ma) 1,16 1,13 1,35 tgδ,254,253,241 DHT I (%) 17,2 14,8 15,2 P (W) θ3 ( ) -89,32-71,29-5,99 R (kω) 22,3 23,6 2,5 C (nf) 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 critica 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. Não obstante a isto, 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

6 fato da corrente de fuga se apresentar em níveis próximos aos das demais, isto sugere que este cabo possa se apresentar num estado de degradação mais avançado, observação esta corroborada com os indicativos atrelados com o ângulo da corrente de ordem 3 e a respectivo valor das perdas. VI. CONCLUSÕES O presente trabalho contemplou as bases de um instrumento, tanto no que se refere a 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 o registro das correntes de fuga e respectivas tensões de operação, em que pese o fato que os trabalhos de campo não exigem o desligamento dos cabos, mas tão apenas a desconexão das suas respectivas cargas. Este 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 ilustrar a utilização dos recursos obtidos, ensaios experimentais foram então realizados num ambiente laboratorial através de três amostrar 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. 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, Annual Report. Conference on, Atlanta, GA, USA, vol. 2, pp , Oct, [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 , Nagoya, Vol. 1, pp [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, 2, IEEE, vol.3, pp , Jan, 2. [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, 26 IEEE Conference on, Oct. 26, pp [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, 25. CEIDP '5. 25 Annual Report Conference on Oct. 25, pp [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 27, 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, 28. [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, 28.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 23. AGRADECIMENTOS Os autores expressam seus agradecimentos a CEB pelo projeto de P&D que apoiou e ofereceu os recursos necessários para a idealização e construção do primeiro protótipo do equipamento de medição. Ao CNPq pela bolsa de doutorado e projeto de pesquisa Edital MCT/CNPq 14/29 - Universal / Edital MCT/CNPq 14/29, Processo n /29- que aprimorou o instrumento e avançou o processo de análise.