Décimo Quinto Encontro Regional Ibero-americano do CIGRÉ Foz do Iguaçu-PR, Brasil 19 a 23 de maio de 2013

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1 MEDIÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM CABOS EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE DISTRIBUIÇÃO DE MÉDIA TENSÃO L. B. GIACCHETTA * M. E. C. PAULINO **, Adimarco, Rio de Janeiro, Brasil. RESUMO Este trabalho mostra que modernos sistemas digitais de detecção de descargas parciais utilizam um sistema de aquisição síncrono multicanal, onde é possível obter dados a partir de fontes separadas descargas parciais e diferenciar as origens das descargas. A análise do teste realizado no cabo de média tensão conclui que a ferramenta de separação dos diferentes tipos de descargas parciais é de fundamental importância para a realização de testes em ambientes ruidosos ou em casos no qual se tem outros tipos de descargas como descarga superficial ou corona, que podem ser interpretadas como descargas internas se não utilizarmos os algoritmos de separação. PALAVRAS-CHAVE Descargas parciais, cabos, supressão de ruído, 3CFRD, 3PARD, teste e ensaio. 1. INTRODUÇÃO Cabos elétricos representam um ativo de alta importância na grande maioria das instalações em todos os tipos de plantas e a necessidade de saber até que ponto o isolamento dos mesmos está apto para operar com segurança, sem que haja interrupções na transmissão de energia, vem crescendo à medida que o numero de ocorrências de falhas alertam para um cuidado maior na avaliação de matérias isolantes extrudados. Guiados pelos novos padrões de qualidade na avaliação de isolamentos de cabos elétricos em campo, atualmente, se faz cada vez mais necessário à utilização de ferramentas de hardware e software de alta tecnologia para a realização de testes em ambientes com altos níveis de ruídos e elementos atenuadores de sinais. A medição de descargas parciais em cabos representa o método mais eficaz para avaliação da condição do isolamento, mas, em contrapartida, nos obriga a realizar um dos testes mais complexos do ponto de vista de medição e análise que o mercado já exigiu até os dias de hoje. Para a medição em campo é apresentada uma solução inteiramente digital, na qual se tem ferramentas de alta tecnologia que permite o usuário a medir em uma ampla faixa de frequência, com larguras de banda variáveis, mudar as configurações de filtros digitais em tempo real e separar um ou mais eventos que ocorrem durante os testes (1). Com o desenvolvimento contínuo de unidades de teste e monitoramento de descargas parciais, os sistemas de análise precisam se tornar mais eficazes e automáticos. Esse trabalho mostra um sistema de aquisição síncrono multicanal de descargas parciais, onde é possível obter dados a partir de fontes separadas descargas parciais, a fim de fazer medições mais confiáveis. No teste de descargas parciais, a separação de múltiplas fontes de ruídos é importante para uma análise adequada de descargas parciais. Sistemas de medição de múltiplos canais sincronizados fornecem novas e avançadas técnicas de avaliação de descargas parciais como 3CFRD e 3PARD. 1 / 8

2 Neste trabalho também são apresentadas ferramentas de hardware e software necessárias para tornar possível a medição em campo, mesmo frente a altos níveis de ruídos e os parâmetros de avaliação necessários para que se faça uma avaliação mais completa e detalhada do objeto sob teste. O trabalho mostra exemplo de testes de aplicação da técnica descrita com casos práticos de medição em campo de descargas parciais. 2. DEFINIÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS Uma Descarga Parcial (DP) é caracterizada como uma descarga elétrica de pequena intensidade que ocorre em uma região de imperfeição de um meio dielétrico sujeita a um campo elétrico, onde o caminho formado pela descarga não une as duas extremidades dessa região de forma completa. A ocorrência de descarga parcial depende da intensidade do campo aplicado nas extremidades desse espaço, além do tipo de tensão de teste aplicada (tensão alternada, tensão contínua, sinal transitório ou impulso). A norma IEC [2] faz referência à medida de descargas parciais em sistemas e equipamentos elétricos com tensões alternadas de até 400 Hz. Nesses equipamentos tem-se a ocorrência de avalanches de elétrons nos espaços vazios. Assim, descargas em dielétricos podem ocorrer somente em espaços gasosos ou fissuras nos materiais sólidos ou bolhas no dielétrico líquido. Portanto, descargas parciais são iniciadas geralmente se a intensidade do campo elétrico dentro do espaço vazio exceder a intensidade do campo do gás contido nesse espaço. O pulso de carga criado geralmente tem valores em torno de alguns pc até na ordem de nc, dependendo do aparato que está sendo analisado. A norma IEC define Descarga Parcial como: Descargas elétricas localizadas que simplesmente faz a ligação parcial entre dois condutores através do isolamento. Descarga Parcial é, em geral, a consequência de uma concentração de tensão elétrica local no isolamento ou sobre uma superfície de isolamento. Geralmente, tais descargas aparecem como pulsos com a duração menor que 1 μs. As descargas parciais podem ser classificadas de acordo com a natureza da sua origem. Podem ser do tipo superficial, corona, buraco interno, contaminante em resinas, bolhas de gases em dielétricos líquidos entre outros. 3. CIRCUITOS PARA MEDIDAS DE DESCARGAS PARCIAIS A norma IEC define três circuitos básicos para que se tenha o melhor desempenho possível para um circuito acoplador. Isto é realizado para garantir a repetibilidade das medidas. Eles se diferenciam pelo arranjo físico fazendo com que cada um tenha características especificas sendo recomendado de acordo com características do objeto medido, comportamento do ruído ambiente, viabilidade de desconexão do objeto medido, entre outros. Este trabalho trata apenas do circuito com acoplamento capacitivo utilizado nas medições apresentadas. Esse acoplamento é o mais trabalhado devido sua alta eficiência e o mais indicado para as medições. O acoplamento capacitivo formar um divisor de tensão que reduz o nível de tensão que está sendo aplicado no objeto testado. A figura 1 mostra o circuito com acoplamento capacitivo onde o capacitor de acoplamento C k deve ser dimensionado para transferir todos os sinais com espectro de frequência superior a frequência de corte que ocorram nos terminais da capacitância em teste C a para o quadripolo D c. Figura 1: Circuito com acoplamento capacitivo. 2 / 8

3 Esse capacitor de acoplamento também deve estar livre de ocorrência de descargas parciais para valores de tensão superior às tensões de teste utilizadas. A qualidade deste elemento deve ser assegurada posto que os valores medidos durante os testes em materiais resinado são muito baixos, em torno de 3 a 5 [pc]. Ele também deve ter baixa indutância a fim de transmitir os pulsos de alta frequência sem provocar a ocorrência de distúrbios oscilatórios e sua capacitância deve ser a maior possível para diminuir a influência das capacitâncias parasitas na diminuição da amplitude dos pulsos de alta frequência captados quadripolo D c. A relação entre as capacitâncias de acoplamento e do equipamento medido deve ser, no mínimo, maior que 0,1. C C K a 0,1 4. CONSIDERAÇÕES SOBRE MEDIDAS DE DESCARGAS PARCIAIS EM CABOS O circuito apresentada na figura 1 pode ser utilizada no ensaio em cabos. O tratamento detalhado das medições de descargas parciais em objetos com elementos distribuídos devem ser realizado dada a ocorrência de fenômenos complexos no acoplamento indutivo e capacitivo como ondas viajantes. Devido a atenuação e distorção dos sinais viajantes nos cabos, a amplitude da carga aparente medida pode diferir da amplitude do ponto de origem da ocorrência. Isso ocorre devido o efeito de ressonâncias ou reflexão e é especialmente importante se o instrumento usado tem uma resposta de frequência de banda estreita. A solução para eliminar as consequências desse efeito é a medida em várias frequências que ainda será apresentado neste trabalho. A figura 2 mostra uma representação desse efeito. (1) Figura 2: Reflexão de onda em cabo sob teste. Vários métodos podem ser utilizados para localizar descargas parciais em objetos de teste com elementos distribuídos, como os cabos. A seguir são apresentadas soluções para a realização das medidas e posterior análise. 5. SISTEMAS DIGITAIS PARA MEDIDAS DE DESCARGAS PARCIAIS O uso de sistemas digitais de medida de descargas parciais melhorou a sensibilidade e possibilitou a repetibilidade das medidas. Sua principal característica é a aplicação de processamento síncrono de sinais dessas descargas em múltiplos canais em uma larga banda de frequências. Isto torna possível e mais eficaz a discriminação entre os eventos, sejam descargas parciais ou ruídos. Capacita também o sistema de teste para identificação dos tipos de falhas e sua localização Os instrumentos digitais possuem larga faixa de frequência, com ajuste das frequências de corte inferior e superior realizadas de acordo com a escolha do usuário. Em comparação com os instrumentos convencionais analógicos de banda estreita, a resolução para medida dos pulsos de descargas parciais foi significativamente aperfeiçoada. Geralmente esses instrumentos analógicos consistiam em um filtro de passagem de banda e um indicador de nível de pico, não possibilitando a separação de eventos. A figura 3 mostra um exemplo de projeto para um sistema de medição. O projeto desse sistema é modular, constituído de mais de uma unidade de aquisição de dados. Essas unidades podem ser conectadas a um computador. A conexão de fibra ótica permite grandes distâncias entre a unidade de aquisição e o computador, inclusive entre as outras unidades conectadas ao sistema em teste. 3 / 8

4 Figura 3: Representação de esquema microprocessado de medida de descargas parciais. A figura 4 mostra o esquema dos componentes do sistema de teste utilizado. Figura 4: Representação esquema de componentes do sistema de teste de descargas parciais. 6. DIAGRAMA DE RELAÇÃO DE AMPLITUDE EM 3 FASES (3-PHASE- AMPLITUDE-RELATION-DIAGRAM - 3PARD) A aquisição síncrona de dados de descargas parciais para diversos pontos de medida em um cabo ou em um equipamento de alta tensão permite uma comparação da amplitude de cada pulso aquisitados. As relações das amplitudes dos pulsos são constantes para diferentes fontes de descargas parciais e para diferentes fontes de ruído. Isto ocorre devido o caminho original de propagação dos pulsos. Para ocorrências internas específicas os pulsos aquisitados apresentam diferenças. Assim, a primeira etapa para a localização de descargas parciais é a separação das fontes. Durante a medição de descarga parcial, em tempo real, são criados Diagramas Trifásicos de Relação de Amplitude (do inglês 3-Phase- Amplitude-Relation-Diagram - 3PARD). Vale ressaltar que a aquisição de dados síncrona de descarga parcial é imprescindível para avaliação dos dados com 3PARD. O sistema utilizado neste trabalho possui um método de medição sequencial de três canais múltiplos [8]. A primeira etapa é calcular o logaritmo do valor absoluto de todos os três pulsos das descargas. Na segunda, cada pulso é transformado em um fasor relacionado à sua fase de origem. A figura 5 mostra o mecanismo de geração do 3PARD. À direita os sinais de tensão de cada fase são observados. Quando os fasores relativos a cada fase medida são transportados para o diagrama, é obtida a localização da fonte de descarga parcial interna pela soma vetorial, conforme mostrado no quadro a esquerda. Um único sinal de descarga parcial é representado por um ponto. Cada agregação de pontos calculados (clusters) representa a única fonte de descarga parcial. Posteriormente, cada grupo podem ser facilmente separados e mostrados sem efeitos de sobreposição, transformado em uma PRPD clássica ou de qualquer outro diagrama de pulso para avaliação em tempo real. O sistema de teste utilizado fornece a ferramenta de criação de cluster, ou seja, áreas determinadas no 3PARD de onde são separados os sinais que, a priori, aparecem sobrepostos. Figura 5: Criação de 3PARD usando sinais de tensão de descargas parciais. 4 / 8

5 6.2 Diagrama de Relação de Freqüências em 3 Canais (3-Center-Frequency- Relation-Diagram - 3CFRD) O diagrama da relação de frequências correlaciona a medida de descarga parcial realizada em três frequências simultaneamente. As amplitudes do sinal são medidas em cada frequência. Assim, o sinal de saída de três filtros com diferentes frequências centrais e/ou larguras de banda permite análise do pulso em cada um dos três pontos de medida. Isto se deve ao fato de que, devido à descarga física, diferentes tipos de descargas parciais ou pulsos de ruído têm espectros de energia diferentes. Em contraposição aos métodos 3PARD e 3PTRD, a avaliação pelo 3CFRD não exige necessariamente três unidades independentes de aquisição, pois pode ser usado com uma única unidade de aquisição. Em geral, o primeiro filtro de passagem de banda deve ser sintonizado para uma frequência central baixa, para possibilitar o atendimento às normas técnicas IEC ou IEEE. A segunda e terceira passagens de banda são sintonizadas para frequências mais elevadas, determinadas pelo usuário. Mediante a escolha correta das frequências para passagem de banda, torna-se possível efetuar medições de descargas parciais em conformidade com as normas técnicas. Ao mesmo tempo se remove praticamente toda a interferência sobreposta. O 3CFRD correlaciona a saída dos três filtros de passagem de banda de uma maneira semelhante ao 3PARD com a utilização das amplitudes de pulso de 3 canais de descarga parcial. A figura 6 mostra um exemplo de representação FFT de pulsos de descarga parcial com a determinação de três filtros de passagem de banda. Figura 6: Exemplo de representação FFT para classificação dos pulsos de descargas parciais com a determinação de três filtros de passagem de banda. 7. ESTUDO DE CASOS PARA DIAGNÓSTICO DE CABOS DE MÉDIA TENSÃO UTILIZANDO AVALIAÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS As medidas descritas a seguir utilizam os métodos mostrados anteriormente, utilizando um sistema de aquisição síncrono multicanal de descargas parciais, onde é possível obter dados a partir de fontes separadas descargas parciais, a fim de fazer medições mais confiáveis. 7.1 Medições de Descarga Parcial em Cabo de Média Tensão em Laboratório Com o objetivo de exemplificar as técnicas descritas nesse trabalho, foram realizadas, em laboratório, medidas de pulsos de descargas parciais em um cabo para teste. O ensaio teve como objetivo principal gerar e separar cada fonte de descarga. Desta forma, pode-se observar o processo de separação dos eventos. A princípio, a primeira preocupação para a realização do ensaio, é o nível de ruído de fundo. Neste caso o ruído apresentou-se bastante elevado, em torno de 50 [pc]. O ensaio de descargas parciais foi realizado em um cabo de medida tensão com o circuito de medição disposto conforme a norma IEC 60270, ou seja, com acoplamento capacitivo. Artificialmente foi criada uma fonte de descarga tio corona. Foi adicionado na extremidade livre do cabo um fio de secção bem fina para criar o efeito durante o teste. Isto pode ser visto em detalhe na figura a seguir: 5 / 8

6 Cluster 2 Corona Cluster 1 Ruído de fundo Visão Geral DP sobrepostos Décimo Quinto Encontro Regional Figura 7: Conexão para geração de descarga do tipo corona durante o teste O circuito de teste montado utilizando-se como acoplador um elemento capacitivo de 4 [nf]. A figura a seguir mostra os resultados obtidos. No primeiro registro é mostrada a visão geral com todos os eventos sobrepostos. Neste caso, essa sobreposição de eventos com o ruído de fundo torna a leitura ou detecção de outros eventos de descarga parcial praticamente impossível. Deve-se então utilizar uma ferramenta de filtro como o 3CFRD, como apresentada anteriormente. Foi realizada a análise do ruído no ambiente de teste mostrado na segunda linha, Cluster 1. Localizado no centro da estrela, os eventos referentes ao ruído foram completamente separados dos outros eventos. Pode-se observar a carga medida de cerca de 3,3 [pc]. Conforme descrito anteriormente, a descarga do tipo corona foi gerada de maneira proposital colocando-se um fio de secção capilar na extremidade do objeto sob teste. Para efetuar a medida da descarga do tipo corona, mostrado na terceira linha, em Cluster 2 no diagrama estrela do 3CFRD, foi gerado um cluster bem definido próximo do centro da estrela e uma vez separado foi possível observar o perfil bastante característico de corona, ou seja, ocorre somente no semiciclo negativo e com amplitude constante. Neste caso, o valor medido foi de aproximadamente de 1,9 [pc]. Depois do estudo e eliminação dos fenômenos indesejados, é realizada a análise de duas regiões localizadas próximo a frequência central. A linha do Cluster 3 mostra a primeira região, evidenciando um sinal característico de descarga parcial interna cujo valor encontrado foi de aproximadamente 284 [pc], ou seja, um valor além dos limites estabelecidos pela norma para este tipo de objeto sob teste. Por fim, temos a análise de outra região, mostrada na linha Cluster 4. Mais uma vez encontramos a ocorrência de descarga parcial interna com um valor superior aos 400 pc de descarga, ou seja, mais uma vez o elemento sob teste foi reprovado. Vale ressaltar que essas duas regiões foram identificadas como descarga parcial através da análise do perfil no diagrama Phase Resolved, apresentando um formato de arco e ocorrendo nos dois semi ciclos da forma de onda de tensão. 3CFRD PRPD 6 / 8

7 Cluster 4 Descarga Parcial Interna 2 Cluster 3 Descarga Parcial Interna 1 Décimo Quinto Encontro Regional Figura 8: Resultados de teste em cabo de media tensão 7.2 Medições de Descarga Parcial em Cabo de Média Tensão em Campo Foram realizados testes para medição de descargas parciais em cabos de média tensão em campo em um grupo de cabos tipo EPR (isolação de borracha etileno propileno) de 12 [KV], responsáveis pela alimentação de uma planta industrial. A figura a seguir mostra a instalação de teste: Figura 9: Instalação para avaliação de descargas parciais em campo cabos de 12[KV]. A avaliação de cabos do tipo EPR segundo a norma IEC (2000) aponta valores permitidos de até 5 [pc] para ocorrência de descargas parciais. O ensaio realizado foi determinante para a localização e quantificação dos níveis de descarga nos cabos testados. Foi encontrada uma fonte de descarga interna com valores consideráveis e bastante acima do valor limite especificados. A fonte de descarga medida indicou uma carga média de 100 [pc] durante o teste a vazio, resultando da retirada de serviço do cabo. Também foi observada a taxa de repetição dos pulsos de descargas parciais medidos no cabo defeituoso. Foram encontradas taxas de 200 pulsos por segundo. Isto indica uma quantidade significativa de energia sendo dissipada pela falha no dielétrico do cabo. A seguir são mostrados os resultados de teste. A figura 20 mostra a leitura do medidor da fase com falha antes da separação do ruído de fundo antes da separação do ruído e da medida de descarga. Assim é possível observar uma fonte de descarga interna, porém ainda não se pode determinar o valor da carga em [pc]. Figura 10: Diagrama geral com superposição de sinais no canal referente à fase com falha. 7 / 8

8 Após a separação do ruído, é possível observar de forma clara e definida a descarga interna. A figura 11 mostra o exposto: Figura 11: Diagrama com separação do sinal de descarga interna. 8. CONCLUSÃO O trabalho mostrou que modernos sistemas digitais de detecção de descargas parciais utilizam um sistema de aquisição síncrono multicanal, onde é possível obter dados a partir de fontes separadas descargas parciais e discriminá-las de outras origens. A análise do teste realizado no cabo de média tensão conclui que a ferramenta de separação dos diferentes tipos de descargas parciais 3FREQ é de fundamental importância para a realização de testes em ambientes ruidosos ou em casos no qual se tem outros tipos de descargas como descarga superficial ou corona, que podem ser interpretadas como descargas internas se não utilizarmos os algoritmos de separação. Outro importante fator para a eliminação de ruídos é a utilização de fibra óptica para transmissão dos dados aquisitados na unidade de medição até o computador. No teste de descargas parciais, a separação de múltiplas fontes de ruídos é importante para uma análise adequada de descargas parciais. Foi mostrado que com técnicas de avaliação de descargas parciais como 3FREQ e 3PARD é possível realizar uma análise adicional e localizar descargas parciais mesmo em ambientes com alto nível de ruído como testes em campo, por exemplo. BIBLIOGRAFIA (1) F. H. Krueger. Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment. 1.ed. London: Butterworths, (2) IEC 60270: High-voltage test techniques Partial discharge measurements, third edition, 2000 (3) L. A. Dissado; J. C. Fothergille. Electrical Degradation and Breakdown in Polymers. London: Peter Peregrinus Ltd., (4) Lemke, E. on behalf of WG D1.33: Guide for Partial Dicharge Measurements in Comliance to IEC CIGRÉ WG D1.33, Technical Brochure 366, Paris, (5) Cigré WG 21.03: Recognition of Discharges, Electra magazine, no. 11, Paris, (6) W. Koltunowicz, R. Plath, P. Winter: Developments in Measurements of Partial Discharge, OMICRON electronics GmbH, Austria, (7) Omicron electronics: MPD 600 User Manual, Version: MPD600.AE.2, Austria, (8) K.-D.Plath, R.Plath, Emanuel and Kalkner: "Synchrone dreiphasige Teilentladungsmessung an Leistungstransformatoren vor Ort und im Labor", ETG conference on Diagnosic, Berlin, Germany, 2002 (9) Weissenberg, Farid, Plath, Rethmeier, Kalkner: "On-Site PD Detection at Cross-Bonding Links of HV Cables", CIGRE Session Paris, France, 2004 (10) Kalkner, Obralic, Plath, Kaufhold, Betghe: "Synchronous 3-Phase Partial Discharge Detection on Rotating Machines", CIGRE Session Paris, France, 2006 (11) Küchler: "High Voltage Engineering basics, technology, application", Springer Verlag Berlin-Heidelberg, Germany, 2005 (12) Paulino, M. E. C., "Estado da Arte da Medição com Múltiplos Canais Sincronizados para Avaliação de Descargas Parciais" in Proc IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conf., São Paulo, SP, Brazil, / 8