INSTRUMENTAÇÃO PARA O MONITORAMENTO E ANÁLISE DE TRASNSFORMADORES DE POTÊNCIA COM BASE NA MEDIÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS NO CAMPO

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1 INSTRUMENTAÇÃO PARA O MONITORAMENTO E ANÁLISE DE TRASNSFORMADORES DE POTÊNCIA COM BASE NA MEDIÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS NO CAMPO Hélio Amorim *, Alain Levy *, André Tomaz *, Orsino Borges *, José Cardoso *, Jacques Sanz + e Lídio Nascimento + * Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Cepel + Centrais Elétricas do Norte do Brasil - Eletronorte Rio de Janeiro / Brasil SUMARIO Sabendo que um dos grandes impeditivos para a adoção de uma metodologia de monitoramento de equipamentos elétricos de alta tensão é o elevado custo envolvendo os sistemas de monitoramento, o Cepel vem, ao longo desses últimos anos, desenvolvendo um Sistema de Medição de Descargas Parciais para a Análise e Diagnóstico desses equipamentos. Ele é denominado IMA-DP (Instrumentação para o Monitoramento e Análise de Equipamentos Elétricos). A proposta baseia-se em uma arquitetura econômica versátil, integrada e que permite a agregação de novas grandezas sem a necessidade de reengenharia. Pretende-se com isso viabilizar a disseminação deste tipo de medição e tornando esta prática, do ponto de vista econômico, mais acessível às empresas do Grupo Eletrobrás e do Setor Elétrico Brasileiro em geral. O objetivo do trabalho é apresentar o estado atual do desenvolvimento do sistema IMA-DP aplicado em transformadores de potência e os resultados alcançados a partir de um histórico recente de informações contendo medições reais de DP tanto registradas em modelos e equipamentos no laboratório quanto no campo, onde três transformadores da própria subestação do Cepel foram utilizados. PALAVRAS CHAVE Descargas Parciais, Monitoramento e Transformadores de Potência. Hélio Amorim, amorim@cepel.br

2 1.0 INTRODUÇÃO As Descargas Parciais (DP) são fenômenos ocasionados pela degradação do material isolante, e são originadas pelo processo de ionização do meio gasoso submetido a um elevado campo elétrico [3]. Elas são tidas como potenciais fontes de defeitos nos isolamentos elétricos e, inicialmente ocorrem no isolamento elétrico de forma parcial. Com o tempo existe a tendência de se tornar total, o que causaria um curto-circuito entre as partes energizadas e o terra, danificando o equipamento elétrico. Portanto, é conveniente que os níveis de ocorrência de DP sejam avaliados ao longo de toda a vida útil do equipamento. No entanto, a medição de descargas parciais em transformadores de grande porte sempre apresenta discussões intensas e opiniões divergentes nos grupos técnicos especializados. O estado da arte em termos de diagnóstico efetivo de equipamentos de alta tensão tem evoluído muito pouco nos últimos anos. Ainda não é possível elaborar recomendações e procedimentos normativos universais. Essa estabilização tecnológica acarreta numa diversidade de soluções de monitoramento conforme a filosofia de manutenção e conhecimento técnico de cada empresa, indo desde a inexistência de uma metodologia até o excesso dela, seja por motivos econômicos ou desconhecimento técnico. Existe, no entanto, um consenso entre os especialistas que é a percepção de que os equipamentos elétricos de alta tensão devem ser submetidos a processos de avaliações com certa periodicidade, principalmente aqueles que possuam sistemas dielétricos com maior probabilidade de ocorrência de anomalias. Assim, a medição de descargas parciais pode, pois ainda não o é, se tornar uma ferramenta fundamental para estabelecer uma avaliação consistente do desempenho de um sistema de isolamento elétrico. Além disto, a padronização poderá servir para a criação de um banco de dados com informações consistentes, aumentando a confiabilidade dos resultados. Esse banco de dados poderá ser integrado com outras informações pertinentes ao equipamento (análise de óleo, temperatura, etc), de forma que o diagnóstico possa ser o mais detalhado possível, como é o propósito de um outro importante projeto do Cepel junto ao Grupo Eletrobrás, o Diane. 2.0 METODOLOGIA A obtenção de sinais característicos de DP pode ser realizada por uma grande variedade de instrumentos, cada qual registrando diversas grandezas e com periodicidade diferente. Nada disso, no entanto, é impeditivo para que uma padronização na metodologia de análise e diagnóstico seja adotada. Há sim, a necessidade da existência de um banco de dados, definindo-se certas grandezas a serem medidas, de acordo com a norma internacional IEC-270 [5]. Desta forma, numa primeira fase do trabalho procurou-se entender os principais fatores que afetam a qualidade da análise e diagnóstico do estado operativo dos equipamentos elétricos de alta tensão baseado numa coletânea de aquisições de descargas parciais. Entre esses fatores citam-se as faixas de freqüência de medição, a forma de armazenamento dos sinais registrados, tipos de impedância de medição, entre outras. A combinação dos sinais registrados com as condições de operação do equipamento elétrico, tais como: temperatura e sobrecarga, são fatores que também devem ser considerados.

3 Baseado nessas informações iniciais, optou-se por desenvolver um sistema que pudesse ser flexível a ponto de propiciar um grau de adaptação às características de cada instalação ou parte desta. Notadamente, as faixas de freqüência de medição e a consideração de valores limites de descargas parciais, são exemplos de parâmetros que podem ser diferentes para diferentes equipamentos elétricos. Do ponto de vista da análise da informação foi desenvolvido um procedimento que facilita a visualização da evolução das descargas parciais em vários níveis tal como pela média global em um determinado período de medição. Outra meta importante foi a utilização de equipamentos modulares comerciais de fácil aquisição no mercado e que tornaram o custo final do sistema muito reduzido quando comparados com sistemas no mercado internacional [1]. Este fato viabiliza os processos de manutenção, barateando os reparos e futuras atualizações do sistema. Foram acrescentados ao sistema, processos matriciais de multiplexação das grandezas a serem monitoradas que permitem estabelecer diferentes configurações. 3.0 SISTEMA DE MEDIÇÃO A ocorrência de DP no isolamento de um equipamento elétrico manifesta-se na forma de um trem de pulsos de alta freqüência, podendo haver amplitudes da ordem de alguns mv até alguns volts, superpostos à tensão aplicada no equipamento [3, 4]. Tratando-se de um sinal de alta freqüência, o sinal de DP pode ser medido através do circuito de medição clássico mostrado na Figura 1 (norma IEC 270) [5]. O fenômeno de DP, manifestado por meio de pulsos de corrente, é captado através do capacitor de acoplamento e medido sobre uma impedância de medição constituída essencialmente por uma resistência da ordem de algumas dezenas ou centenas de Ohms. No entanto, para a caracterização do defeito no isolamento, é conveniente registrar os pulsos de DP em função da fase da senóide em que estes ocorreram. Para tanto, utiliza-se o divisor capacitivo, de modo a obter-se um sinal de sincronismo pela fase de alimentação. Ambos os sinais, de DP e de sincronismo, seguem para o equipamento de medição, onde serão registrados e processados. Onde 1 Fonte de alta tensão; 2 Divisor de tensão capacitivo; 3 Voltímetro; 4 Filtro π para altas freqüências; 5 Capacitor de acoplamento; 6 Medidor de Descargas Parciais (DP); 7 Impedância de medição; 8 Item sob ensaio. Figura 1 - Circuito Típico de Medição de Descargas Parciais utilizado em Laboratório

4 No campo, os sinais de descargas parciais podem ser medidos a partir dos taps capacitivos existentes nas próprias buchas capacitivas, as quais, nesse caso, atuam como capacitor de acoplamento. Além disso, os sinais provenientes do tap capacitivo contêm componente em 60 Hz de baixa amplitude, na ordem de 30 V no caso estudado, o que pode servir como sinal de referência, desde que usemos um filtro sintonizado em 60 Hz. Esse comportamento faz com que os sinais correspondentes às descargas tenham diferentes amplitudes em função de seu local de ocorrência. Para caracterizar satisfatoriamente a ocorrência de DP e sendo esse um fenômeno tipicamente estatístico, faz-se necessário a aquisição do sinal durante vários ciclos da rede. A forma adotada para registrar a ocorrência de DP foi a construção do mapa estatístico de descargas parciais, representado na Figura 2. Neste gráfico, o eixo horizontal representa fase, o eixo vertical representa amplitude, e a cor indica o número de ocorrências de DP (com determinada amplitude e em determinada fase) ao longo de vários ciclos de aquisição. Destes registros, denominados mapas estatísticos, podem ser extraídas muitas outras informações usualmente registradas pelos sistemas digitais de medição de DP, que serão empregadas nas etapas de análise e diagnóstico do equipamento. Figura 2 - Mapas estatísticos de DP. À esquerda é mostrado um mapa unipolar, e à direita um mapa bipolar SISTEMA DE MEDIÇÃO O sistema foi concebido de forma que, virtualmente, não houvesse quaisquer limitações no número de sinais monitorados. Todo o hardware de medição pode, portanto, ser redimensionado pelo sistema de operação, de modo que o número de canais de medição possa ser expandido conforme o número de buchas que se queira monitorar. O hardware de medição pode ser constituído por uma ou mais unidades independentes de medição: computadores industriais padrão PXI. Cada chassi PXI pode possuir um módulo

5 controlador independente, e diversos cartões digitalizadores com características adequadas a cada utilização (Figura 3). Alternativamente, microcomputadores convencionais com barramento PCI ou PCI-E ou até mesmo notebooks podem ser utilizados em sistemas de monitoramento que não requeiram muitos canais. a) Módulo controlador; b) Cartão digitalizador e c) Entrada do sinal de trigger externo; Figura 3 Unidade do hardware de medição: chassis PXI. 5.0 ESTUDO DE CASO Além das experiências em laboratório tão comuns em desenvolvimentos tais como este, houve a oportunidade de realizar medições em três transformadores de potência existente na própria subestação do Cepel. As características construtivas desses equipamentos são: Potência Nominal: kva Tensão Nominal: 145 / 13,8 kv Ano de Fabricação: 1979 Dados das Buchas MICAFIL dos Transformadores: C1 da bucha: 273 pf C2 da Bucha: 840 pf O circuito de ensaio utilizado contou com os seguintes equipamentos: Fonte de Alta Tensão série ressonante de fabricação HIPOTRONICS com valores nominais 300kV, 2,5A; Divisor de tensão (DT) formado pelo C1 da bucha MICAFIL do transformador sob ensaio e C2 da impedância de medição de DP (Fator de escala: 8641/1); Capacitor de Acoplamento (Ck) C1 das buchas H1 e H2 do transformador sob ensaio. Impedância de medição de descargas parciais tripla (Zm) e Medidor de descargas parciais (DP), no caso o IMA-DP. O arranjo físico é demonstrado na Figura 4.

6 fonte 60Hz D.T. Ck IE CAL. Zm D.P. Figura 4 Arranjo do Circuito de Ensaio de Descargas Parciais A seguir, figura 5, detalhes do Objeto de ensaio e da impedância de medição o conectada ao tap capacitivo da bucha. Figura 5 Objeto sob Ensaio e Detalhe da Impedância de Medição conectada ao Tap Capacitivo O ensaio foi realizado com a aplicação de uma tensão crescente até 80 kv estando as Buchas H1 e H2 curto-circuitadas e a carcaça aterrada. Os sinais de descargas parciais e de sincronismo foram registrados a partir dos taps capacitivos das buchas H1 e H2. Foi realizada a calibração aplicando um sinal de 100 pc nos terminais de H1 e obtido um fator de escala de amplitude para os sinais que foram quantificados em mv. Uma dificuldade notória em trabalhos desta natureza no campo é a existência de ruídos eletromagnéticos no ambiente o que dificulta a identificação dos sinais de descargas parciais. Sempre haverá um nível de ruído bastante elevado e devemos ter métodos eficientes para minimizá-los ou mesmo eliminá-los, sob pena de não conseguirmos informação útil sobre as condições do dielétrico. Para tanto, foram utilizados filtros analógicos passa-alta que tiveram como função, eliminar componentes de baixa freqüência que, no caso, foram os principais ruídos encontrados no ambiente. Uma coleção de filtros, com freqüências de corte distintas é fundamental para se obter sucesso em ambientes ruidosos como o de uma subestação.

7 Uma vez que se trata de filtros muito simples, estes puderam ser confeccionados no próprio Cepel. As medições convencionais de descargas parciais em laboratório são normalmente realizadas em faixas de freqüência entre 20 e 200 khz. Em nosso caso, optou-se por freqüências acima de 2 MHz. Outra opção possível no campo seria a utilização da medição diferencial, uma vez que duas buchas similares puderam ser ensaiadas simultaneamente. Nessas circunstâncias, outras faixas de freqüência inferiores poderiam ser consideradas. O nível de ruído ambiente estava em torno de 100 pc e com a utilização dos filtros foi possível identificar e registrar sinais de descargas parciais a partir de 100 pc o que, para o objetivo pretendido, se mostrou suficiente. Os níveis de DP nos três transformadores de potência foram então considerados baixos pelo grupo de pesquisadores uma vez que apenas pequena amostragem de descargas entre 100 e 200 pc puderam ser verificadas, tendo-se como resultado final a liberação desses equipamentos para operar normalmente. Um mapa resultante da medição de DP é mostrado na figura 6. É plano futuro, estabelecer um projeto piloto de forma que o transformador esteja monitorado em tempo real. Figura 6 Mapa da Medição de DP realizada no Transformador de Potência do Cepel 6.0 COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES O desenvolvimento de um sistema de monitoramento de descargas parciais, denominado (IMA-DP) teve como motivação os seguintes aspectos: - Propiciar uma análise mais detalhada do comportamento das descargas parciais nos equipamentos sob monitoramento; - Nacionalizar os estágios que incluem o entendimento do fenômeno e também das técnicas de aquisição de dados;

8 - Reduzir os custos dos sistemas de monitoramento, bem como na atualização de software e hardware, de tal forma que seja viável sua instalação em um grande número de transformadores de potência. Flexibilizando o custo total do sistema em função do interesse específico em se monitorar mais intensamente algumas unidades em detrimento de outras. - Simplificar os estágios de monitoramento, formatação da informação, análise das descargas parciais, diagnóstico dos transformadores criando assim conhecimento e potencial de análise em cada empresa que seja suficiente para decisões de manutenção desse tipo de instalação; - Disponibilizar as informações obtidas ao longo do tempo, em ambientes corporativos das empresas, tal como o sistema DianE, de tal modo que avaliações possam ser realizadas com maior grau de confiabilidade. - Permitir que outras grandezas, como exemplo capacitância e tangente delta, possam ser agregadas ao mesmo sistema sem a necessidade de reengenharia quer seja para redefinição de hardware ou de desenvolvimento de software. Os resultados obtidos pelo sistema de medição IMA-DP a partir de medições laboratoriais, bem como nos transformadores de potência de 138 kv da própria subestação do Cepel, foi considerado importantíssimo para o aprofundamento e entendimento das nuances que cercam este tipo de medição. Acreditamos que o sistema esteja em uma fase de operacionalidade que viabiliza a instalação de unidades em transformadores de potência, o que corresponde aos trabalhos futuros previstos pelo Cepel nesse assunto. 6. BIBLIOGRAFIA [1] Carvalho, A. T., Levy, A. F. S., Amorim, H. P. Jr, Rocha, R. O., Sans, J. e Nascimento, L. - Sistema para Medição e Análise e Diagnóstico de Descargas Parciais - Uma Proposta de Arquitetura Econômica Versátil e Integrada II ENAM 2004 Belém - PA Brasil [2] Amorim, H. P. Jr., Levy, A. F. S., Vellasco, M.M.B.R e Lima, A.G.G., Recognition of Partial Discharge of High Voltage Electrical Equipament Using Neural Network, ISAP 99, Rio de Janeiro. Brazil [3] Curdts, E.B., "Fundamentals of Partial-Discharge Detection: System Sensitivity and Calibration", Engineering Dieletrics Volume I: Corona Measurement and Interpretation. ASTM Special Publication 699, Philadelphia, 1979, pp [4] Perkins, J.R., Some general remarks on corona discharges, Engineering Dieletrics Volume I: Corona Measurement and Interpretation. ASTM Special Publication 699, Philadelphia, 1979, pp [5] Zaengl, IEC TC 42 WG CD Sepetember 95 Partial Discharge Measurements