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 DETECÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM EQUIPAMENTOS ISOLADOS EM SF6, EM CAMPO W.R. Bacega* H. Tatizawa** F. Bacega* * Companhia de Transmissão de energia Elétrica Paulista - CTEEP **Instituto de Eletrotécnica e energia da USP - IEEUSP RESUMO Este artigo apresenta os resultados de uma pesquisa visando ao desenvolvimento de técnicas de detecção de descargas parciais no ambiente de subestações, através da medição de componentes de alta frequência da corrente de fuga no condutor de aterramento desses equipamentos. Esse procedimento foi utilizado na avaliação de equipamentos energizados e em funcionamento normal. Este artigo enfoca principalmente ensaios realizados em disjuntores isolados em SF6, de até 460kV. Os pulsos de corrente associados às descargas parciais foram detectados utilizando-se um transformador de alta frequência, e medidos através de um osciloscópio. A identificação das descargas parciais foi realizada com base em resultados obtidos previamente em laboratório, onde foi realizada a caracterização das assinaturas das descargas parciais no domínio do tempo. As assinaturas de descargas parciais foram obtidas através de células de ensaios desenvolvidas de forma a simular configurações de eletrodos, ou defeitos, passíveis de ocorrer em situações reais, em equipamentos isolados em SF6. Foram obtidos resultados promissores, mostrando a factibilidade da detecção de descargas parciais em laboratório e em campo utilizando-se desta técnica. PALAVRAS-CHAVE descargas parciais, disjuntores, hexafluoreto de enxofre, SF6, manutenção preditiva, testes em isolação, subestações, IEC 60270, testes em equipamentos energizados. 1. INTRODUÇÃO Este artigo apresenta resultados de uma pesquisa objetivando o desenvolvimento de técnica de detecção de descargas parciais para utilização em campo, mantendo-se o equipamento energizado, através da utilização de um TC de alta frequência instalado no condutor de aterramento do equipamento, para a medição dos pulsos associados às descargas parciais. Os pulsos de alta frequência foram medidos através de um osciloscópio. O osciloscópio permite a caracterização do perfil eletromagnético emitido pelas descargas parciais, caracterizando dessa forma os pulsos de descarga parcial no domínio do tempo. Os perfis no domínio do tempo obtidos foram comparados com resultados laboratoriais obtidos em modelos de tamanho reduzido. Neste trabalho, são enfocadas medições realizadas em equipamentos de alta tensão utilizando isolação em SF6 (hexafluoreto de enxofre). Considerando as grandes dimensões dos disjuntores utilizados no segmento da transmissão, e dificuldades associadas aos circuitos de gás isolante desse equipamento, as 1 / 8

2 medições laboratoriais foram realizadas em células de ensaios confeccionadas especialmente para essa finalidade, contendo variadas configurações de eletrodos imersas em gás SF6 pressurizado, com a finalidade de simular condições presentes em equipamentos reais. Utilizando esse tipo de modelo reduzido, assinaturas das descargas parciais ocorrendo nesse meio isolante constituído por gás SF6 pressurizado foram obtidas. Este artigo mostra algumas medições no campo realizadas nesses equipamentos, onde foram obtidos resultados promissores no que se refere à técnica de medição. 2. RESULTADOS LABORATORIAIS OBTIDOS EM MODELOS REDUZIDOS CONTENDO GAS SF6 PRESSURIZADO Com a finalidade de se obter maior experiência com essa técnica na medição de descargas parciais no meio dielétrico gás SF6 pressurizado, foram realizados inicialmente testes laboratoriais em célula de ensaio especialmente confeccionada para esse fim. A célula de ensaio é constituída por uma caixa de alumínio contendo internamente um eletrodo de alta tensão, na qual SF6 pressurizado foi aplicado através de uma válvula de controle e manômetro. A alta tensão foi aplicada ao eletrodo através de um cabo isolado de alta tensão. Todas as aberturas foram cuidadosamente seladas, utilizando-se uma tampa parafusada com o-ring, a fim de manter o gás SF6 a uma pressão aproximada de 10 bar. A fig. 1 mostra a célula de ensaio contendo gás SF6 pressurizado. Fig. 1 Célula de ensaios para testes de descargas parciais em SF6. A Fig. 2 mostra detalhes da célula de ensaio contendo os eletrodos de alta tensão. Fig. 2 Célula de ensaios para testes de descargas parciais em SF6, com eletrodos de alta tensão. 2 / 8

3 As Figs. 3 e 4 mostram a montagem experimental básica utilizada. Fig. 3 Montagem experimental básica utilizada, com a célula de ensaio e o transformador de alta tensão. Fig. 4 Montagem experimental básica utilizada, com a célula de ensaio, o transformador de alta tensão e aparelhagem de medição. Utilizando-se essa montagem experimental, diferentes configurações de eletrodos, sob gás SF6 pressurizado, foram testadas. As Fig. 5 e 6 mostram testes realizados utilizando-se configuração de eletrodos tipo ponta-plano, onde foi aplicada alta tensão ao eletrodo ponta e mantendo-se o eletrodo plano aterrado. 3 / 8

4 Fig. 5 Eletrodo plano ao potencial de terra e eletrodo ponta sob alta tensão, em ambiente pressurizado com SF6 à pressão de 6 bar. A Fig. 6 mostra a assinatura de descarga parcial obtida utilizando-se a configuração de eletrodos mostrada na Fig. 5. Fig. 6 Assinatura de descarga parcial obtida utilizando-se a configuração de eletrodos ponta plano (eletrodo plano aterrado), espaçamento entre eletrodos 2,5mm, SF6 à pressão de 6 bar. Escalas 200ns/div e 10mV/div. As Fig. 7 e 8 mostram testes realizados utilizando-se a configuração de eletrodos ponta plano, aplicando-se alta tensão ao eletrodo plano e mantendo-se o eletrodo ponta sob alta tensão. Fig. 7 Eletrodo plano submetido à alta tensão, mantendo-se o eletrodo ponta sob alta tensão em ambiente com gás SF6 à pressão de 6 bar. A Fig. 8 mostra a assinatura de descarga parcial utilizando-se a configuração de eletrodos mostrada na Fig / 8

5 Fig. 8 Assinatura de descarga parcial obida utilizando-se a configuração de eletrodos ponta plano da Fig. 7, submetendo o eletrodo plano a alta tensão e mantendo o eletrodo ponta ao potencial de terra, em ambiente com gás SF6 à pressão de 6 bar. A fim de se simular uma situação passível de ocorrência em equipamentos contendo isolação a SF6, outra variante de configuração de eletrodo foi utilizada, aplicando-se pequenas partículas isolantes entre os eletrodos, conforme mostrado nas Fig. 9 e 10. Fig. 9 Eletrodo plano submetido à alta tensão, mantendo-se o eletrodo ponta sob alta tensão em ambiente com gás SF6 à pressão de 6 bar, e aplicando-se pequenas partículas isolantes de fibra de vidro entre os eletrodos. Fig. 10 Assinatura de descarga parcial obtida utilizando-se configuração de eletrodos ponta plano (eletrodo plano aterrado) da Fig. 9, espaçamento de 2,5 mm, gás SF6 à pressão de 2 bar, tensão de ensaio de 10 kv. Escalas 200ns/div e 10mV/div. Para simular outra possível situação real, as Fig. 11 e 12 mostram o eletrodo ponta sob alta tensão e próximo a partículas metálicas depositadas sobre superfície isolante de silicone. Fig. 11 Eletrodo ponta sob alta tensão próximo a partículas metálicas sobre superfície isolante de silicone. Fig. 12 Assinatura de descarga parcial utilizando-se eletrodo ponta ao potencial de 3,5kV próximo a partículas metálicas, conforme Fig. 11, SF6 à pressão de 5 bar. Escalas 200ns/div e 20mV/div. Outra possível situação presente em equipamentos reais é mostrada nas Fig. 13 e 14, onde o eletrodo ponta sob alta tensão é posicionado próximo a partículas metálicas colocadas sobre superfície metálica aterrada. 5 / 8

6 Fig. 13 Eletrodo ponta sob alta tensão próximo a particular metálicas colocadas sobre superfície metálica aterrada. Fig. 14 Assinatura de descargas parciais obtidas utilizando-se eletrodo ponta ao potencial de 3,5kV, conforme Fig. 13, e próximo a partículas metálicas sobre superfície metálica aterrada, SF6 à pressão de 6 bar. Escalas 100ns/div e 50mV/div. Objetivando verificar a factibilidade desse método de medição de descargas parciais no campo, em equipamentos isolados em SF6, foram realizadas medições em disjuntores a SF6. Com essa finalidade, medições exploratórias foram realizadas em subestações com histórico de falha desse equipamento. As Fig. 15 a 17 mostram exemplos de medições realizadas. Fig. 15 Disjuntor a SF6, tensão 145 kv. Fig. 16 TC de alta frequência aplicado ao condutor de aterramento. 6 / 8

7 Fig. 17 Resultado de ensaio Medição no domínio do tempo utilizando-se TC de alta frequência aplicado ao condutor de aterramento do disjuntor. Medição realizada com osciloscópio (escalas 500 ns/div e 2 mv/div canal azul, escalas 500 ns/div e 10 mv/div canal vermelho) As Fig. 18, 19 e 20 mostram outros exemplos de medições em campo, em disjuntores a SF6 de 460 kv. Também neste caso, os TCs de alta frequência foram instalado no condutor de aterramento. Fig. 18 Disjuntor a SF6, tensão 460 kv. Fig. 19 Medição realizada instalando-se TC de alta frequência no aterramento do disjuntor a SF6 de 460 kv, possível origem descargas corona (escalas 100 mv/div e 2us/div canal amarelo., 100 mv/div e 2us/div canal verde, 50 mv/div e 2us/div canal azul). 7 / 8

8 Fig. 20 Medição realizada instalando-se TC de alta frequência no aterramento do disjuntor a SF6 de 460 kv (escalas 100 ns/div e 100mV/div canal azul). As Fig. 17 e 20 mostram oscilogramas apresentando compatibilidade com assinaturas de descargas parciais, obtidas em laboratório em células de ensaios de modelo reduzido. 3. CONCLUSÕES Neste artigo, utilizando-se células de ensaio de modelos reduzidos, assinaturas de descargas parciais no meio isolante SF6 foram obtidas. Utilizando-se os modelos reduzido, várias situações de falhas passíveis de serem encontradas em disjuntores a SF6 foram simuladas. As assinaturas de descargas parciais obtidas em laboratório foram utilizadas para o reconhecimento de padrões similares, obtidas em medições em disjuntores reais isolados em SF6, nos ensaios em campo no ambiente de subestação. Assinaturas suspeitas foram encontradas nas medições em campo. O grau de risco ao qual o equipamento está submetido poderá ser estimado, na medida em que maior experiência for obtida com este tipo de medição. Na continuidade desta pesquisa, medições em campo adicionais estão previstas, buscando-se correlacionar a amplitude das assinaturas com o risco de falha do equipamento. Uma vantagem importante desta técnica reside no fato de que o sensor, o TC de alta frequência, é aplicado no aterramento do equipamento, permitindo que as medições sejam realizadas em condições seguras, e sem a necessidade do desligamento do equipamento. Conforme esperado, a presença de interferências eletromagnéticas durante essas medições é muito comum, porém os ensaios em campo realizados mostram sua factibilidade, como por exemplo nas medições no disjuntor de 460 kv mostrado no artigo. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]Tatizawa H., Bacega W.R. et al. Evaluation at Field of Aged 345kV Class ZnO Surge Arresters. In: 2010 IEEE PES Transmission & Distribution Conference and Exposition, 2010, New Orleans. Proceedings of the 2010 IEEE PES Transmission & Distribution Conference and Exposition, p [2]Tatizawa H.; Bacega W.R., Soletto K. T. Proposal of a Partial Discharge Detection Method for Laboratory and Field Conditions... In: 2008 IEEE PES Transmission & Distribution Conference and Exposition, 2008, Chicago. Proceedings of the 2008 IEEE PES Transmission & Distribution Conference and Exposition, p [3]International Electrotechnical Commission, IEC Standard, [4]Kuffel E, Zaengl WS, High Voltage Engineering Fundamentals, Pergamon International Library, [5]Bartnikas R, McMahon EJ (editors), Engineering Dielectrics Vol.I, Corona measurement and interpretation, ASTM STP 669, / 8