CALIBRAÇÃO E RASTREABILIDADE DE SISTEMAS DE MEDIÇÃO EM ALTA TENSÃO

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1 CALIBRAÇÃO E RASTREABILIDADE DE SISTEMAS DE MEDIÇÃO EM ALTA TENSÃO O. B. Oliveira Filho* M. T. F. da Silva** L. C. de Azevedo** P. C. O. Vitorio*** L. A. A. de Souza*** *** Inmetro Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia **Cepel Centro de Pesquisas de Energia Elétrica *Consultor RESUMO Todos os ensaios em alta tensão requerem medições de grandezas elétricas e as análises sobre o desempenho dos equipamentos sob ensaio são diretamente dependentes dos resultados obtidos para tais grandezas. Para garantir a confiabilidade dos resultados dos ensaios é necessário que os sistemas de medição sejam calibrados e forneçam medidas com incertezas dentro de limites aceitáveis. Nesse trabalho são apresentadas informações sobre o universo de laboratórios de alta tensão, as grandezas a serem medidas nos ensaios e os procedimentos para calibração e garantia de rastreabilidade dos sistemas de medição utilizados, tendo como base a publicação IEC (2010) - High-voltage test techniques, Part 2: Measuring systems, com versão em português: ABNT NBR IEC /2016. PALAVRAS-CHAVE Ensaios em alta tensão, Medição em alta tensão, Grandezas elétricas em alta tensão, Sistemas de medição em alta tensão, Calibração, Rastreabilidade. 1. INTRODUÇÃO O Brasil, como consequência de seu vasto sistema elétrico de potência que envolve transmissão de energia elétrica em níveis de até 800 kv em corrente alternada (ca) e contínua (cc), possui um grande número de laboratórios com capacidade para gerar, para fins de ensaios, alta tensão até níveis de ±1000 kvcc, 1200 kvca, além de até 6,4 MV em impulso de tensão. Há também no país o Laboratório de Metrologia em Alta Tensão Lamat, do Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia Inmetro, e outros laboratórios com capacitação específica para medição em alta tensão. Em todo o universo de laboratórios de ensaio e medição em alta tensão (AT) há necessidade de se medir grandezas elétricas tais como tensão e corrente elétricas e as análises sobre o desempenho dos equipamentos sob ensaio são diretamente dependentes dos resultados obtidos para tais grandezas. Para garantir a confiabilidade dos resultados dos ensaios é necessário que os sistemas de medição em alta tensão (SMAT) sejam calibrados seguindo procedimentos normatizados e forneçam medidas com incertezas dentro de limites estabelecidos. Nesse trabalho são apresentadas informações sobre o universo de laboratórios de AT, as grandezas a serem medidas nos ensaios e os procedimentos para calibração e garantia de rastreabilidade dos SMAT utilizados, tendo como base a publicação ABNT NBR IEC /2016 [1]. 1 / 9

2 2. LABORATÓRIOS DE ENSAIO E MEDIÇÃO EM ALTA TENSÃO 2.1 Universo de laboratórios O universo de laboratórios envolvidos com ensaios, medição e pesquisa experimental em alta tensão pode ser dividido em quatro grupos, conforme descrito a seguir: Institutos Nacionais de Metrologia INM: Normalmente existe um INM em cada país, mas nem todos os países têm um. O INM brasileiro é o Inmetro Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia; Laboratórios Acreditados: São laboratórios que recebem essa condição por meio de um processo técnico e administrativo realizado pelo INM. Esse processo é baseado na publicação ISO/IEC com versão em português: ABNT NBR ISO/IEC [2]. O Inmetro mantem atualizadas em seu portal informações sobre os laboratórios acreditados no Brasil pertencentes à Rede Brasileira de Laboratórios Acreditados para Ensaios (RBLE) ou Calibração (RBC) [3]. Laboratórios de Ensaios: São laboratórios de instituições de ensino, pesquisa e desenvolvimento ou empresas que realizam ensaios envolvendo alta tensão para fins didáticos ou de prestação de serviço, avaliação de desempenho de equipamentos próprios de alta tensão ou parte experimental de projetos de P&D. Laboratórios de calibração não acreditados são incluídos nesse grupo, já que normalmente fazem parte de laboratórios que realizam ensaios. Laboratórios Industriais: São os laboratórios dos fabricantes de equipamentos elétricos de alta tensão, utilizados para ensaios de acordo com normas ou especificações técnicas dos usuários durante a fase de desenvolvimento ou de homologação dos equipamentos. Os sistemas de medição necessariamente fazem parte da infraestrutura desses laboratórios, desde aqueles que servem como referências nacionais presentes nos Institutos Nacionais de Metrologia INM até os dos laboratórios industriais. 2.2 Ensaios e grandezas a serem medidas em alta tensão Isolação elétrica é um dos pontos críticos considerados na engenharia de alta tensão, porque a confiabilidade dos sistemas elétricos de alta tensão depende diretamente de seu desempenho dielétrico. Por outro lado, níveis de tensão muito superiores aos normais de operação, as sobretensões, podem solicitar severamente as isolações elétricas, colocando em risco a integridade do sistema. Por isso os ensaios em alta tensão são tão necessários e importantes para a segurança operacional dos sistemas elétricos. Nesse contexto, as técnicas de ensaio em alta tensão, dentro das quais se inserem as técnicas de medição, requerem atenção especial no setor elétrico. Os sistemas de medição têm um papel fundamental para confiança nos resultados dos ensaios em alta tensão que servem como base para conclusões na avaliação de desempenho de equipamentos, que incluem fundamentalmente a suportabilidade dos seus sistemas isolantes diante de sobretensões. Os ensaios em alta tensão seguem procedimentos de normas ou especificações técnicas dos usuários, nos quais são incluídos requisitos para os sistemas de medição e respectivas incertezas. As nomenclaturas associadas às principais grandezas, sobretudo as elétricas, medidas em ensaios em AT são: Tensão: Alta tensão em corrente alternada (Crista e Eficaz) e em corrente contínua (Média e Ondulação) e impulso (Amplitude e Parâmetros de Tempo); Corrente: Corrente alternada e contínua, impulso de corrente e corrente de descarga de linhas de transmissão ou retangular (Amplitude e Parâmetros de Tempo). As principais formas de onda normatizadas e a serem medidas para impulsos são apresentadas nas Figuras 1 e 2. A publicação específica aplicada à medição de impulsos de corrente é a IEC 2 / 9

3 62475 (2010): High-current test techniques: Definitions and requirements for test currents and measuring systems, em cujo texto está baseada a norma ABNT NBR IEC /2016 [1]. Forma de onda de Impulso de Corrente 8/20µs a) b) c) Figura 1 Formas de onda normatizadas para impulsos atmosféricos: a) de tensão pleno T 1 /T 2 = 1,2/50 µs, b) tensão cortado e c) corrente T 1 /T 2 = 8/20 µs Figura 2 Formas de onda normatizadas para impulso de tensão de manobra T p /T 2 = 250/2500 µs e impulso de corrente de descarga de linhas de transmissão 3. SISTEMAS DE MEDIÇÃO EM ALTA TENSÃO NO BRASIL O Inmetro é o INM brasileiro reconhecido pelo BIPM - Bureau International des Poids et Mesures para calibração de alta tensão em corrente contínua (CC) até -150 kv e em corrente alternada (CA) até 200 kv. O Inmetro não possui a parte de alta tensão em CC polaridade positiva. Alguns laboratórios no país são acreditados ou estão em acreditação pela Coordenação Geral de Acreditação do Inmetro (Cgcre), para ensaios em AT ou para calibração de SMAT. As grandes empresas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica no país, bem como instituições de ensino, pesquisa e serviços tecnológicos também possuem laboratórios de alta tensão e os fabricantes renomados de equipamentos elétricos de alta tensão com unidades no Brasil também têm seus próprios laboratórios industriais de alta tensão. Todos os laboratórios possuem pelo menos um SMAT, que são formados pelos componentes básicos apresentados na Figura 3 [1]. O programa computacional utilizado para se obter os valores medidos também faz parte do SMAT [1]. Há normas específicas para os instrumentos e tais programas, as quais também devem ser consideradas no processo de calibração, dependendo da aplicação do SMAT: IEC (2001) - Instruments and software used for measurement in high-voltage impulse tests - Part 1: Requirements for instruments; IEC (2013) - Instruments and software used for measurement in high-voltage impulse tests - Part 2: Requirements for software for tests with impulse voltages and currents e IEC (previsão 2017) - Instruments and software used for measurements in high-voltage and high-current tests - Part 4: Requirements for instruments for tests with alternating and direct voltages and currents. 3 / 9

4 1 2 3 Figura 3 Componentes básicos de um SMAT. 1 - Dispositivo de conversão (Divisor de tensão, TP, R Shunt, TC), 2 - Sistema de transmissão de sinal (Cabo coaxial, Fibra ótica), 3 - Instrumento (Osciloscópio, Digitalizadores, Multímetro) Os laboratórios de alta tensão do país, mesmo os não acreditados, devem atender os requisitos normatizados para seus sistemas de medição, principalmente os requisitos de incerteza, mantendo-os calibrados de acordo com os procedimentos de norma, de modo a fornecer resultados confiáveis. Há, portanto, no Brasil centenas de sistemas de medição em alta tensão que precisam ter seus desempenhos metrológicos avaliados periodicamente e essa avaliação deve ser feita por laboratórios acreditados para essa atividade ou que tenham sistemas de medição rastreados a referências tecnicamente reconhecidas por equipes ou instituições especializadas em metrologia. 4. CALIBRAÇÃO E RASTREABILIDADE DE SMAT 4.1 Estrutura hierárquica para calibração e rastreabilidade em AT Na Figura 4.a é apresentada a estrutura baseada na ABNT NBR IEC /2016 [1] a ser seguida para calibração de SMAT, que resulta na hierarquia de rastreabilidade (Figura 4.b) entre os níveis associados às incertezas dentro do universo laboratorial. Os Institutos Nacionais de Metrologia (INM) possuem em sua infraestrutura os Padrões Nacionais das grandezas que servem para caracterizar, por meio de procedimentos próprios, os Sistemas de Medição de Referência de Transferência (SMR.T), que são os sistemas com as menores incertezas e, portanto, estão no topo da cadeia de rastreabilidade. Os Laboratórios Acreditados possuem os Sistemas de Medição de Referência Acreditados (SMR.A) que, em princípio, devem ser calibrados pelos INM e, nesse caso, são rastreados diretamente aos SMR.T, ficando um nível abaixo em termos de incerteza de medição. Os Laboratórios de Ensaios e os Industriais possuem os Sistemas de Medição de Referência Industriais (SMR.I) que devem, em princípio, ser calibrados pelos Laboratórios Acreditados e, nesse caso, são rastreados diretamente aos SMR.A, ficando um nível abaixo em termos de incerteza de medição. Os sistemas de medição utilizados nos ensaios são chamados de Sistemas de Medição Aprovados (SMA) e podem ser calibrados tanto internamente no próprio Laboratório pelos seus SMR.I, resultando em incerteza maior, quanto pelos Laboratórios Acreditados, por meio dos SMR.A, resultando em incerteza menor. Comparações horizontais entre os Sistemas de Medição no mesmo nível de incerteza também podem ser realizadas para verificações sobre desempenho em termos de incerteza, estabilidade e desempenho dinâmico, no caso de sistemas de medição de impulsos. 4 / 9

5 Estrutura para calibração e rastreabilidade de SMAT INSTITUTOS Padrão Nacional País 1 Padrão Nacional País 2 NACIONAIS DE Caracterização por procedimentos e METROLOGIA (INM) padrões próprios (V, A, s ) (ISO/IEC GUIDE 98-3) SMR.T 1 SMR.T 2 Hierarquia em Calibração e Rastreabilidade de SMAT Alemanha: Physikalisch- Technische Bundesanstalt (PTB), Reino Unido: Na9onal Physical Laboratory (NPL), INM Padrão Nacional EUA: Na9onal Ins9tute of Standards and Technology (NIST) Brasil: Ins9tuto Nacional de Qualidade e Metrologia (Inmetro) LABORATÓRIOS ACREDITADOS (IEC ) LABORATÓRIOS DE ENSAIOS/INDUSTRIAIS (IEC ) D.P. IEC SMR.A 1 SMR.A 2 Comparações Comparações SMR.I 1 SMR.I 2 Ensaio de desempenho SMA 1 Verificação de SMA 2 desempenho SMR.A 3 Laboratório Acreditado Sistema de Medição de Referência (SMR) Laboratório de Ensaio Sistema de Medição Aprovado (SMA 1 ) Laboratório Industrial Sistema de Medição Aprovado (SMA 2 ) SMR Sistema de Medição de Referência, T Transferência, C Acreditado, I - Industrial 4.a) Estrutura de rastreabilidade 4.b) Hierarquia de acordo com incertezas Figura 4 Estrutura hierárquica para calibração e rastreabilidade em Alta Tensão. SMR Sistema de Medição de Referência, T Transferência, A Acreditado, I Industrial, SMA Sistema de Medição Aprovado, D.P.IEC Dispositivo Padronizado pela IEC (Centelhador padrão) 4.2 Caracterização de sistemas de medição em alta tensão As características principais de um SMAT são: Básicas: Tipo (Resistivo, Capacitivo ou Misto); Tensão ou corrente nominal e faixa da grandeza que mede; Fator de escala e incerteza, Comportamento dinâmico (Resposta em frequência ou Resposta ao degrau); Comportamento elétrico (Isolamento, Potência); Condições ambientais de operação Complementares: Linearidade; Estabilidade (Curto e longo prazo); Imunidade a Interferências Eletromagnéticas Um SMAT é qualificado por meio de ensaios e verificações descritos na ABNT NBR IEC /2016 [1] e, para ser considerado um SMAT aprovado (SMA), tem que passar por [1]: Ensaios de Tipo: Realizados pelo fabricante no sistema completo ou seus componentes, amostrados da produção. Têm o objetivo de demonstrar que o projeto está correto e em conformidade com requisitos técnicos especificados para: o Fator de escala, linearidade e desempenho dinâmico o Estabilidade de curto e médio prazos o Efeito da temperatura ambiente o Efeito de proximidade (objetos aterrados ou energizados) o Efeito do instrumento e software na dispersão dos resultados o Suportabilidade (110 % da tensão de operação) Ensaios de Rotina: Realizados pelo fabricante em cada SMAT ou em cada um de seus componentes. Têm o objetivo de demonstrar que o sistema foi fabricado corretamente e que há conformidade com os requisitos técnicos especificados para: o Fator de escala, linearidade e desempenho dinâmico o Suportabilidade (110 % da tensão de operação) Ensaios de Desempenho: Realizados anualmente pelo usuário no SMAT completo. Tem o objetivo de caracterizar o SMAT no local e nas condições de operação por meio da determinação de: o Fator de escala, linearidade e desempenho dinâmico o Estabilidade a longo prazo (resultados de sucessivos ensaios de desempenho) o Efeito de proximidade o Interferência eletromagnética Nota: Dependendo do histórico de estabilidade das características do SMAT determinadas pelo usuário, a periodicidade do Ensaio de Desempenho pode ser aumentada para até uma vez a cada cinco anos / 9

6 II CMDT Verificação de Desempenho: É um procedimento simples usualmente por comparação com outro SMAT aprovado ou com um centelhador padrão para garantir que o resultado do Ensaio de Desempenho mais recente ainda está válido. O usuário é responsável por realizar a Verificação de Desempenho em caso de qualquer dúvida ou pelo menos anualmente. 4.3 Calibração de um sistema de medição de alta tensão Os principais parâmetros determinados no processo de calibração de um SMAT são [1]: Fator de Escala do Sistema de Medição (F): Preferencialmente determinado em alta tensão por comparação com um Sistema de Medição de Referência (SMR). Pode também ser determinado a partir de medições de parâmetros individuais em baixa tensão. Desempenho Dinâmico do Sistema de Medição (Impulso, Variação de tensão, Harmônicos, Ondulação): Preferencialmente determinado também por comparação com um SMR. Pode também ser determinado em baixa tensão por meio da Resposta Amplitude x Frequência ou da Resposta ao Degrau. Linearidade: É determinada, quando possível, pela calibração do SMAT por comparação em cinco níveis de tensão uniformemente distribuídos dentro da faixa de medição. O procedimento preferencial para calibração de um SMAT deve ser realizado por comparação com um sistema de referência [1]. Na Figura 5.a é mostrado o diagrama simplificado para a calibração por comparação em alta tensão de um sistema a ser aprovado (SMA) com um SMR e na Figura 5.b é apresentado um caso de comparação no laboratório. O Fator de Escala Fx é determinado por: V1 = FN. VN = FX. VX, logo: FX = (FN. VN)/VX (1) Quando a tensão nominal do SMR é maior do que a do SMA, a calibração é realizada em cinco níveis de tensão dentro da faixa de operação do SMA, de tal forma a se determinar também a linearidade do sistema. Quando a tensão nominal do SMR é menor do que a do SMA, a calibração é realizada em dois níveis de tensão, sendo um igual ou superior à 20 % da tensão do SMA e outro igual ao limite do SMR. Nesse caso, a linearidade é determinada por meio de ensaios adicionais, sendo necessários mais quatro níveis acima do limite do SMR, utilizando, por exemplo, sensores de campo elétrico e tensão de carga de gerador de impulso [1]. Calibração por Comparação (SMR x SMA) Sistema de Medição de Referência (SMR) FN V1 Sistema de Medição sob Calibração (SMA) Fx V 1 = F N. VN = F X. VX FX = (FN. VN)/VX VN VX 85 5.a) 5.b) Figura 5 Diagrama (a) e arranjo no laboratório (b) para calibração de SMAT de impulso de tensão, por comparação (Laboratório de Calibração AT do Cepel) 6/9

7 Pode-se determinar um fator de escala individual para cada nível de tensão calibrado ou um fator de escala para uma faixa de operação do SMA. Em todos os casos deve-se estimar a incerteza associada ao fator de escala determinado, considerando as orientações específicas da ABNT NBR IEC /2016 [1], que tem como base a publicação ISO/IEC GUIDE 98-3 [5], que é um guia a ser seguido pelos Institutos Nacionais de Metrologia - INM Fator de escala médio e incerteza do tipo A em um nível de tensão Conforme Figura 5, na calibração por comparação um SMR deve ser conectado em paralelo ao sistema de medição a ser aprovado (SMA). Medições simultâneas são realizadas com os dois sistemas. O valor da alta tensão obtido para cada medição feita pelo SMR é dividido pela correspondente leitura no instrumento do SMA, para se obter o valor F i do fator de escala. Essas medições são repetidas n vezes, obtendo-se n leituras independentes, para se determinar o valor médio do fator de escala F g do SMA em um determinado nível de tensão. Não se considera necessário realizar mais do que 10 leituras independentes [1]. O valor médio F g e o seu respectivo desvio padrão s g são dados por: (2) (3) e a incerteza padrão relativa do Tipo A (u g ) do valor médio do fator de escala F g é dada por: (4) Fator de escala e incerteza do tipo B para uma faixa de tensão do sistema de medição: O fator de escala para o SMA pode ser determinado para uma faixa específica ou para toda a faixa de tensão na qual o SMA será qualificado. Nesse caso, a calibração inclui a determinação do fator de escala global (F) a ser atribuído ao SMA e a análise de sua linearidade. A determinação do fator de escala F g é feita por comparação direta com o SMR nos níveis mínimos e máximos da faixa de tensão declarada para o SMA e, pelo menos, em três níveis aproximadamente igualmente distribuídos entre esses extremos. O fator de escala global F atribuído ao SMA é o valor médio dos valores F g obtidos em h níveis de tensão, para h 5: A incerteza padrão do fator de escala global F é obtida pela maior das incertezas do Tipo A calculadas para F g em cada nível de tensão. (5) (6) O efeito da não-linearidade de F é estimado como uma incerteza padrão do Tipo B, dada por: 7 / 9

8 (7) 4.4 Requisitos para incerteza de SMAT Os requisitos para incerteza de SMAT para os diferentes tipos de tensão são os apresentados na Tabela 1 [1]. Para os Sistemas de Medição de Referência de Transferência (SMR.T), o requisito é que a sua incerteza seja menor ou igual a metade da incerteza do SMR mostrada na Tabela 1. Tabela 1 Requisitos para incerteza de SMAT [1] 5. CONCLUSÃO Os resultados dos ensaios em AT devem ter confiabilidade comprovada, pois eles são a base para as conclusões sobre o desempenho dos equipamentos sob ensaio que, caso não sejam corretamente avaliados, podem impactar a confiabilidade dos sistemas elétricos nos quais serão utilizados. Para garantir a qualidade técnica dos resultados dos ensaios em AT, os sistemas de medição devem ser periodicamente calibrados e ter suas incertezas estimadas por meio de procedimentos tecnicamente fundamentados e reconhecidos como válidos por normas ou organismos especializados em metrologia. A ABNT NBR IEC /2016 estabelece os procedimentos para calibração e estimativa da incerteza aplicados a SMAT e a cadeia de rastreabilidade para metrologia em AT tem origem nos padrões dos Institutos Nacionais de Metrologia, passa por referências em laboratórios acreditados para calibração e chega até aos SMA dos laboratórios de ensaios industriais. O usuário deve elaborar e manter à disposição de inspetores de ensaios, se for o caso, um registro de desempenho contendo a descrição técnica detalhada do sistema e o histórico dos resultados de todos os ensaios e verificações de desempenho. É recomendável que os inspetores de ensaios em AT tenham capacitação nas técnicas de medição aplicadas, incluindo o processo de calibração e rastreabilidade dos SMAT, considerando os requisitos técnicos normatizados que devem ser garantidos e verificando adequadamente a integridade dos resultados, de tal forma que não comprometam a análise de conformidade do equipamento sob ensaio. O Brasil possui atualmente apenas cinco laboratórios oficialmente acreditados para calibração em AT corrente alternada, um laboratório acreditado para impulso de AT e um em fase final de acreditação 8 / 9

9 para AT em corrente contínua. Essa infraestrutura é considerada insuficiente para a implementação adequada no Brasil da ABNT NBR IEC /2016 e, consequentemente, pode impactar negativamente a confiabilidade dos ensaios em alta tensão no país. BIBLIOGRAFIA [1] ABNT NBR IEC / Técnicas de ensaios elétricos de alta-tensão Parte 2: Sistemas de medição. [2] ABNT NBR ISO/IEC 17025: Requisitos Gerais para Competência de Laboratórios de Ensaio e Calibração. [3] Listas RBLE e RBC. [4] Wolfgang Hauschild and Eberhard Lemke, HV Test and Measuring Techniques, Springer, [5] ISO/IEC GUIDE 98-3/Suppl. 1. Uncertainty of measurement. Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement. 9 / 9