Rede subterrânea didática COPEL e localização de defeitos em cabos isolados.

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1 XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétri SENDI a 10 de novembro Curitiba - PR - Brasil Guilherme Cunha da Silva Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento cunha@lactec.org.br Sebastião Ribeiro Junior Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento ribeiro@lactec.org.br Vitoldo Swinka Filho Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento vitoldo@lactec.org.br Fernando Araujo de Azevedo Copel Distribuição S.A. fernando.azevedo@copel.com Rede subterrânea didática COPEL e localização de defeitos em cabos isolados. Palavras-chave cabos isolados localização de falhas redes subterrâneas refletometria Resumo Entre os objetivos do projeto de P&D ANEEL Desenvolvimento de metodologia para manutenção corretiva e preventiva de cabos de média tensão utilizados em redes subterrâneas de distribuição constam o desenvolvimento de uma rede subterrânea didática e de metodologias para localização de falhas e diagnóstico de cabos isolados. Neste artigo estão apresentados alguns aspectos de projeto e construtivos de uma rede subterrânea didática. Ainda, é dada ênfase aos aspectos relacionados com localização de falhas, com apresentação de alguns resultados obtidos com a utilização da técnica de refletometria. 1. Introdução Os sistemas de distribuição subterrâneos são responsáveis pelo fornecimento de energia elétrica para áreas de grande importância, tais como centros comerciais, industriais, administrativos, saídas de subestações e hospitais. Por este motivo é de vital importância que falhas nos circuitos sejam localizadas e reparadas no menor tempo possível. Para que 1/10

2 isso seja viável é imprescindível que o setor responsável por esta atividade conte com equipamentos próprios para este fim, bem como engenheiros e técnicos qualificados e experientes. A localização de falhas envolve diferentes técnicas e procedimentos, uma vez que cada falha tem suas características próprias. Falha, por definição, é a ocorrência de uma alteração das características elétricas ou mecânicas dos cabos isolados e acessórios que ocasiona a interrupção de sua operação normal. Sendo assim, é fundamental que o pessoal responsável pela operação de cabos e equipamentos da rede subterrânea tenha pleno conhecimento das regras de segurança inerentes, bem como da operação dos equipamentos de localização de falhas [1]. Outro aspecto importante com relação a manutenção de redes subterrâneas é o diagnóstico de cabos isolados. Existem diversas técnicas para diagnóstico de cabos isolados, dependendo do tipo de mecanismo de degradação que está em avaliação. O LACTEC e a COPEL tem desenvolvido em conjunto, no âmbito do programa de pesquisa e desenvolvimento da ANEEL, projetos relacionados aos temas cabos isolados, localização de defeitos e diagnóstico de falhas. Alguns dos produtos resultantes destes projetos foram: Para localização de falhas: especificação de equipamento para localização de defeitos e posterior aquisição de gerador de impulsos e refletômetro; Para diagnóstico: desenvolvimento, em nível nacional, de protótipos de equipamentos e técnicas para diagnóstico de cabos, entre as quais está a análise de descargas parciais. Vale reforçar que localização de falhas e diagnóstico são dois itens distintos. A localização de falhas consiste em uma vez ocorrido o defeito, localizar com precisão e no menor tempo possível o local da ocorrência para posterior manutenção corretiva. Uma das técnicas utilizadas para localização de falhas em cabos isolados é a refletometria no domínio do tempo. Este método tem como base a injeção de pulsos de alta frequência no objeto de teste e a verificação do tempo de propagação de possíveis reflexões resultantes do ponto da falha. Esta técnica é bastante eficiente para faltas de baixa impedância (< 150?) [2, 3]. A tensão de saída utilizada na refletometria no domínio do tempo é na ordem de 50 V, tornando difícil a localização de faltas de alta impedância. Esta dificuldade pode ser tecnicamente superada usando um queimador para diminuir a impedância de falta ou acoplando um gerador de impulso ao refletometro. Esta técnica é chamada de método de reflexão de arco [2]. Por outro lado, o diagnóstico consiste em utilizar técnicas de manutenção preventiva ou preditiva para avaliar o estado de degradação de cabos isolados e definir critérios para a substituição destes antes da ocorrência da falha. Diversas técnicas de diagnóstico tem sido desenvolvidas, tais como: medidas de perdas dielétricas, medidas de tensão de retorno, medidas de corrente de relaxação e medidas de descargas parciais [4-7]. Atualmente, a técnica mais utilizada para diagnóstico é a medição de descargas parciais, tendo em vista a possibilidade de detectar falhas incipientes, como defeitos na isolação e processos de degradação [4, 8]. Vários métodos de diagnóstico de descargas parciais têm sido aplicados em campo, entre os quais tensão AC (50/60 Hz) com circuitos ressonantes sintonizados indutivamente, tensão AC (15 a 0 Hz) com circuito ressonante sintonizado em frequência, tensão VLF (0,1 Hz) com gerador/ amplificador de onda senoidal a 0,1 Hz e tensão AC amortecida (50 a 0 Hz) com fontes de excitação de ondas oscilantes (OWTS) [8, 9]. Tendo em vista os equipamentos que a COPEL dispõe atualmente, entre os quais um laboratório móvel com equipamentos para localização de falhas e teste de cabos isolados, surgiu a necessidade da concessionária dispor de um ambiente, que não fosse a própria rede subterrânea, para desenvolver metodologias e procedimentos para localização de falhas e para diagnóstico de cabos isolados de média tensão utilizados em redes subterrâneas. Para tanto foi desenvolvido um projeto de P&D intitulado Desenvolvimento de metodologia para manutenção corretiva e preventiva de cabos de média tensão utilizados em redes subterrâneas de distribuição que teve como objetivos principais: a) montagem e desenvolvimento de uma rede subterrânea didática (RSD), b) desenvolvimento de metodologia e realização dos testes de localização de falhas, c) desenvolvimento de metodologia e realização de testes 2/10

3 de diagnóstico e d) treinamento e capacitação das equipes da concessionária. Neste artigo será dado ênfase a montagem e desenvolvimento da RSD e de resultados obtidos com a técnica de refletometria. 2. Desenvolvimento Rede Subterrânea Didática (RSD) Para desenvolvimento e montagem da RSD foi primeiramente definido em conjunto com a COPEL o local para instalação desta rede, a saber: pólo Atuba/COPEL, localizado na cidade de Curitiba, estado do Paraná. A COPEL e o LACTEC desenvolveram os projetos civil e elétrico da RSD. Após definido o local e de posse do projeto civil e elétrico foi iniciado processo para contratação de empresa, credenciada pela COPEL, que executaria a obra civil. Uma vez contratada esta empresa foi iniciada construção da RSD. A Figura 1 apresenta uma imagem do local da RSD antes do início da obra. Figura 1. Local da RSD antes do início das obras. As Figuras 2 a 5 apresentam algumas imagens da RSD após execução da obra civil e elétrica. Figura 2. Local da RSD após finalização da obra. 3/10

4 Figura 3. Laboratório de testes. Figura 4. Detalhe do interior do laboratório de testes. Figura 5. Exemplo de casa de terminações. A RSD é constituída de diversos circuitos de cabos isolados em XLPE e EPR, com bitolas de 50 mm 2 e 400 mm 2. Os circuitos contam com cabos isolados novos, retirados de operação e alguns com defeitos fabricados artificialmente. Para realização dos testes de localização de defeitos e de diagnóstico a RSD conta com um laboratório de testes (mostrado nas figuras 3 e 4). Este possui espaço para abrigar o laboratório móvel da COPEL ou equipamentos compactos para aplicação de diferentes técnicas experimentais. Ainda, é neste laboratório de testes que está localizada a saída dos cabos para o restante da RSD e nos quais podem ser aplicados os testes com segurança e sem a necessidade de contato direto com a rede. Este é abrigado para que os testes possam ser realizados independe da condição climática. A RSD também conta com três casas de terminações em distintos pontos. Estas casas de terminações permitem tanto a conexão de diferentes circuitos para simulação, por exemplo, de um circuito radial, com também a simulação de falhas, como por exemplo, um gap, um circuito aberto ou um curto-circuito. Durante o desenvolvimento e montagem da RSD 4/10

5 foram realizados treinamentos de atividades diversas, como o lançamento de cabos isolados e a montagem de emendas e terminações. Localização de falhas em cabos isolados Para localização de falhas em cabos isolados foi desenvolvida metodologia utilizando a técnica de refletometria. O desenvolvimento desta metodologia ocorreu em dois estágios: a) em laboratório e b) na RSD. Em laboratório foi montado um arranjo experimental para simulações de falhas em cabos isolados e validação da técnica de refletometria em baixa tensão para as condições de circuito aberto e curto-circuito (Figura 6). Figura 6. Arranjo experimental para testes de refletometria. Para os testes em laboratório foram utilizados dois tipos de cabos isolados: Cabo isolado em EPR, novo, bitola 50 mm 2, com 197,8 m de comprimento; Cabo isolado em XLPE, novo, bitola 50 mm 2, com 150 m de comprimento. O equipamento utilizado foi um refletômetro Teleflex MX. Para os testes na RSD foi utilizado o laboratório móvel da COPEL, o qual também conta com refletometro Teleflex MX. Em laboratório também foi realizada avaliação do comportamento do cabo isolado frente às seguintes situações: a. Casamento de impedância no final do cabo; b. Casamento de impedância na falha; c. Impedância na falha igual a 1,5 a impedância característica do cabo; d. Impedância na falha igual a 0,5 a impedância característica do cabo; e. Curto-circuito franco entre condutor e blindagem no ponto de defeito. Para tanto foi utilizado o cabo isolado em EPR supracitado, o qual possui impedância característica de 36? e defeito entre condutor e blindagem com impedância variável no ponto 150 m. Para variação da impedância do defeito foi utilizado um potenciômetro. As refletometrias do cabo isolado em EPR nas condições de circuito aberto e curto-circuito estão apresentadas nas Figuras 7 e 8. 5/10

6 Figura 7. Cabo EPR: refletograma do cabo na condição de circuito aberto. Figura 8. Cabo EPR: refletograma do cabo na condição de curto circuito. O cabo isolado em EPR apresentou refletogramas típicos encontrados na literatura [1] para as condições de circuito aberto e curto-circuito. Os mesmos padrões de refletometria foram obtidos para o cabo isolado em XLPE, indicando a eficiência desta técnica para localização de falhas do tipo circuito aberto e curto-circuito em cabos novos. Os resultados obtidos para o segundo teste realizado em laboratório estão apresentados nas Figuras 9 a 13. 6/10

7 a. Casamento de impedância no final do cabo: pelo teorema da máxima transferência de potência o pulso emitido deveria ser completamente absorvido no final do cabo. Todavia, pode ser observado que o pulso é quase completamente absorvido e sinais de muito baixa amplitude são detectados no final do cabo pelo fato do casamento de impedância não ser perfeito. Figura 9. Casamento de impedância no final do cabo. b. Casamento de impedância na falha: na região da falha foi inserida uma impedância, simulando a condição em que a impedância do defeito é igual a impedância do cabo. Neste caso metade do pulso é refletido na falha, com polaridade negativa (falha na isolação entre cabo e blindagem) e a outra metade é refletida no final do cabo, com polaridade positiva (circuito aberto). Este fato decorre devido ao pulso emitido interagir com a impedância equivalente resultante da impedância do defeito em paralelo com a impedância característica do cabo pós-defeito. Figura 10. Casamento de impedância no final do cabo. c. Impedância da falha igual a 1,5 a impedância característica do cabo: a impedância da falha foi aumentada para 1,5 do valor da impedância do cabo. Neste caso o pulso refletido no final do cabo (com polaridade positiva devido à condição de circuito aberto) possui amplitude maior do que o pulso refletido na falha (com polaridade negativa). Deste resultado pode ser observado que quando a impedância da falha for muito maior do que a impedância característica do cabo a 7/10

8 tendência é de que o ponto de falha não seja visualizado com o pulso de baixa tensão. Para este caso é necessário utilizar a refletometria com pulso de alta tensão, a fim de baixar o valor de impedância da falha e facilitar a localização do mesmo. Figura 11. Impedância do defeito igual a 1,5 a impedância característica do cabo. d. Impedância da falha igual a 0,5 a impedância característica do cabo: a impedância da falha foi reduzida para 0,5 do valor da impedância do cabo. Neste caso o pulso refletido no final do cabo (com polaridade positiva devido à condição de circuito aberto) possui amplitude menor do que o pulso refletido na falha (com polaridade negativa). Figura 12. Impedância do defeito igual a 0,5 a impedância característica do cabo. e. Curto-circuito franco entre condutor e blindagem: neste caso o pulso é totalmente refletido negativamente no ponto de falha (condição de curto-circuito). 8/10

9 Figura 13. Curto-circuito franco entre condutor e blindagem. Após realização de testes em laboratório e na RSD foram elaborados dois procedimentos na forma de MIT Manual de Instrução Técnica/ COPEL, a saber: a) MIT Operação do Laboratório Móvel, a qual prescreve os procedimentos necessários para operacionalizar o laboratório móvel e b) MIT Refletometria em baixa tensão para localização de defeitos em cabos isolados. Estes documentos serão utilizados pelas equipes de manutenção da COPEL quando da utilização do laboratório móvel e da técnica de refletometria para localização de defeitos em cabos isolados. 3. Conclusões Foi desenvolvida e montada rede subterrânea didática no pólo Atuba-COPEL, em Curitiba-PR, a qual foi utilizada para desenvolvimento de metodologias para localização de falhas e diagnóstico de cabos isolados e para treinamento e capacitação da equipe da concessionária. Alguns resultados secundários da montagem da RSD foram treinamento e capacitação de equipes COPEL no lançamento de cabos isolados e montagem de emendas e terminações. A técnica de refletometria em baixa tensão se mostrou adequada para avaliação de cabos isolados novos na condição de circuito aberto e curto-circuito. Manuais de instrução técnica foram desenvolvidos para que as equipes da concessionária possam operar com segurança o laboratório móvel e os equipamentos associados ao mesmo, como por exemplo, o refletometro. 4. Referências bibliográficas [1] Comitê de Distribuição. Procedimentos para a localização de falhas em redes subterrâneas de distribuição. CODI 17-01, [2] Bascom, E. C.; von Herrmann, M. J.; Zhao, T. Power Cable Failure Modes and Fault Location Methods, Practices and Strategies. Transmission and Distribution Conference and Exposition, p. 1-5, [3] Fischer, E.; Weindl, C. Perspective on Spatially-Resolved Diagnostic Methods for Power Cables. IEEE Electrical Insulation Conference, p , [4] Dong, X.; Zhou, C.; Wallace, P. et al. Analysis of Cable Failure Modes and Cable Joint Failure Detection via Sheath 9/10

10 Circulating Current. IEEE Electrical Insulation Conference, p , [5] Putter, H. T.; Gotz, D.; Petzhold, F.; Oetjen, H. Innovative Solutions for On-site Diagnosis of Distribution Power Cables. Transmission and Distribution Conference and Exposition, p. 1-6, [6] Nagao, M.; Tokoro, T.; Yokoyama, A. et al. New approach to diagnostic method of water trees. IEEE International Symposium on Electrical Insulation, p , [7] Werelius, P.; Tharning, R.; Eriksson, R. et al. Dielectric Spectroscopy for Diagnosis of Water Tree Deterioration in XLPE Cables. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, v. 8, p , [8] Gulski, E.; Smit, J. J.; Wester, F. J. PD Knowledge Rules for Insulation Condition Assessment of Distribution Cables. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, v. 12, n. 2, p , [9] Petzold, F.; Schlapp, H.; Gulski, E.; Seitz, P. P.; Quak, B. Advanced Solution for On-site Diagnosis of Distribution Power Cables. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, v. 15, n. 6, p , /10