CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA CEFET/RJ

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1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA CEFET/RJ DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO COORDENADORIA DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA DISSERTAÇÃO ESTUDO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE ULTRA-SOM ASSOCIADA AO PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS (PDS) PARA DETECÇÃO DA OCORRÊNCIA DE PONTOS QUENTES EM EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO Gabriel Ângelo de Barros Vieira DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE PÓS- GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM TECNOLOGIA. Carlos Henrique Figueiredo Alves, D.Sc. Orientador RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL OUTUBRO / 2008

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3 ii SUMÁRIO INTRODUÇÃO 1 Capítulo I REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1. Conceitos de Manutenção Manutenção Corretiva Manutenção Preventiva Manutenção Preditiva O Atual Cenário da Indústria de Energia Elétrica no Brasil Manutenção Preditiva Utilizando Técnica de Termografia Infravermelha A Técnica de Termografia Infravermelha Processo de Inspeção Termográfica Câmera de Termografia ou Termovisor Efeito Corona e o Mecanismo de Descargas Parciais Ionização dos átomos de um material isolante Algumas Considerações sobre o Campo Elétrico O campo elétrico e o meio em que ele se encontra O campo elétrico e a geometria dos eletrodos Tipos de Descargas Parciais Conceito de Descargas Parciais Detecção e Medição de Descargas Parciais Manutenção Preditiva utilizando Técnica de Ultra-som Aplicação do Ultra-som na Manutenção Conclusões 31 Capítulo II MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Metodologia Técnica de Detecção Métodos e Equipamentos utilizados para o primeiro conjunto de ensaios Etapas de Execução da Pesquisa (a) Especificação, (b) projeto e construção da célula de ensaio Testes operativos da célula de ensaio em condições de bancada Testes operativos da célula de ensaio com fonte de média tensão AC Descrição dos Testes de Correlação com a Célula de Ensaio Conclusões 53 Capítulo III Resultados obtidos do primeiro conjunto de ensaios Tabela III.1 Estrutura geral de registro para arquivos de dados Primeiro conjunto de ensaios registro parcial das medições 54 Tabela III.2 Estrutura de registro para arquivos de dados distância 1 m 56 Tabela III.3 Estrutura de registro para arquivos de dados distância 3 m 60 Tabela III.4 Estrutura de registro para arquivos de dados distância 9 m Conclusões 66

4 iii Capítulo IV Discussão Análise Comparativa dos Resultados 4.1. Introdução Descrição da Técnica da Obtenção do Espectro Ultra-sônico Análise dos Resultados Conclusões sobre os resultados obtidos no primeiro conjunto de ensaios 73 Capítulo V Métodos e Equipamentos Utilizados 5.1. Metodologia Condições de Execução dos Ensaios Descrição do Ambiente de Medidas Execução dos Ensaios Conclusões 82 Capítulo VI Registro dos Resultados dos Ensaios Realizados no Laboratório do CTE Registro dos Padrões de Ruído Ultra-sônico Descrição do Ambiente de Medidas Registro de Curvas com o Ajuste de Tensão Variável Espectro somente do oscilador local Medida do espectro ambiente 91 Capítulo VII Discussão Análise Comparativa dos Resultados do Segundo Conj. Ensaios Conclusão sobre os resultados obtidos no segundo conjunto de ensaios 101 Conclusões Finais e Análise dos Resultados 102 Propostas para Pesquisa & Desenvolvimento 103 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 105 ANEXOS 108

5 iv Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Central do CEFET/RJ V658 Vieira, Gabriel Ângelo de Barros Estudo da viabilidade de utilização da técnica de ultra-som associada ao processamento digital de sinais para detecção da ocorrência de pontos quentes em equipamentos elétricos de alta tensão/ Gabriel Ângelo de Barros Vieira f.+ Anexo: il.col., tabs.;enc. Dissertação (Mestrado) Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, Bibliografia: f Engenharia elétrica 2.Equipamentos elétricos de alta tensão 3.Ultra-som 4.Processamento digital de sinais I.Título CDD 621.3

6 v Dedico este trabalho aos meus pais Gabriel (in memoriam) e Marlene, que nunca mediram esforços para me proporcionar o acesso ao saber e à educação, e à minha amada Família Alessandra, Nathalia, Thainá e Gabriel, pela paciência nos meus vários momentos de ausência e, principalmente, por todo amor e carinho doados sem restrição.

7 vi Agradecimentos - A Deus por mais este caminho. - Ao longo deste trabalho recebi o auxilio de várias pessoas, seja através de informações, discussões técnicas, empréstimo de equipamentos, apoio efetivo, enfim a todos meu muito obrigado. - Ao meu orientador Professor Carlos Henrique Figueiredo Alves, D.Sc. CEFET/RJ, pelo estímulo e parceria ao longo de todo o processo criativo e aperfeiçoamento da técnica proposta neste trabalho. - A todos os amigos e familiares por celebrarem cada conquista e apoiarem em cada dificuldade encontrada. - Agradeço também aos professores: Dr. Mauricio Saldanha Motta (CEFET/RJ), Dr. Cesar Ramos Rodrigues (UFSM), Dr. Francisco Martins Portelinha (UNIFEI/MG), membros da banca examinadora por terem lido, analisado e criticado este trabalho no intuito de contribuir para o progresso e o desenvolvimento científico. - À Direção, a todos os professores do Departamento do Centro Federal de Educação Tecnológica, que me apoiaram e cooperaram de forma essencial para que este trabalho fosse possível. - Agradeço aos amigos Marco Aurélio Ribeiro Gonsalves por sempre me incentivar a realizar a pós graduação, e aos amigos Saulo Telles de Souza e Leandro Lima pelas constantes discussões construtivas na etapa final de elaboração desta dissertação, e incentivo permanente. - À FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A., representada pela Sra. Márcia Janeiro Pereira por me proporcionar a oportunidade de realização deste curso de mestrado e apoio incondicional em todas as etapas. - À Empresa INSTRONIC INSTRUMENTOS DE TESTE Ltda, pelo empréstimo do equipamento de ultra-som, fundamental para a realização de todas as medições. - A todos, o meu mais sincero obrigado.

8 vii Resumo da dissertação submetida ao PPTEC/CEFET-RJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de mestre em tecnologia (M.T.). ESTUDO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE ULTRA-SOM ASSOCIADA AO PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS (PDS) PARA DETECÇÃO DA OCORRÊNCIA DE PONTOS QUENTES EM EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO Gabriel Ângelo de Barros Vieira Outubro de 2008 Orientador: Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc. Programa: PPTEC Esta dissertação apresenta os primeiros resultados da aplicação de uma nova técnica para detecção de pontos quentes em equipamentos elétricos de alta tensão. Temperaturas anormalmente elevadas em componentes elétricos tais como: conexões e contatos elétricos em geral são comumente conhecidas como pontos quentes e apresentam-se como uma das principais causas de desligamentos programados e não programados de equipamentos elétricos de alta tensão, o que reduz a confiabilidade e disponibilidade operativa dos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica em todo o mundo. Esta técnica de detecção proposta é baseada na comparação dos diferentes padrões espectrais do ruído ultrasônico produzido por descargas parciais (DP s) que ocorrem em um dado componente elétrico instalado na alta tensão, para diferentes temperaturas de operação. Estão descritos neste trabalho os procedimentos e instrumentação utilizados para detecção e registro destes padrões, a metodologia de processamento de sinais utilizada para comparação dos padrões, o desenvolvimento do sistema de ensaio para simulação das condições de ocorrência de um ponto quente em um componente de um equipamento elétrico que opera em alta tensão e os resultados dos ensaios realizados sob diversas condições operativas. Foram realizados ensaios em dois diferentes laboratórios, sob diversas condições operativas do elemento em ensaio. O primeiro conjunto de ensaios foi realizado no laboratório da Empresa DSP TELECOMUNICAÇÕES em Santa Rita do Sapucaí com tensão de 10 kv e o segundo foi posteriormente realizado com tensões de 10 kv a 200 kv, no laboratório de Alta Tensão do Centro Técnico de Ensaios e Medições, de FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. Os resultados obtidos foram satisfatórios e a técnica demonstra potencial para desenvolvimento e possível utilização de forma prática para detecção de pontos quentes, dentro de algumas limitações estabelecidas. Palavras chave: Ultra-som, Detecção de ponto quente, Descargas parciais, Processamento Digital de Sinais (PDS).

9 viii Abstract of dissertation submitted to PPTEC/CEFET/RJ as partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Technology (M.T.). VIABILITY STUDY OF ULTRA-SOUND TECHNIQUE USE ASSOCIATED WITH DIGITAL SIGNAL PROCESSING (DSP) TO DETECT THE OCCURRENCE OF HOT SPOTS IN HIGH VOLTAGE ELECTRIC EQUIPAMENT Gabriel Ângelo de Barros Vieira October of 2008 Supervisor: Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc. Program: PPTEC This dissertation shows the first results of the application of a new technique for high voltage electrical equipment hot spot detection. Abnormal elevated temperatures in electrical components such as: connections and electric contacts in general are commonly known as hot spots and are one of the major causes of scheduled and non-scheduled shutting down of high voltage electrical equipment, which lessen the operative reliability and availability of the generation, transmission and distribution systems all over the world. The detection technique herein intended is based in the comparison of the different spectral patterns of the ultrasonic noise produced by partial discharges (PD`s) which occur in a certain electrical component installed in high voltage, for different operating temperatures. The procedures and instrumentation used for detection and registering of these patterns are described in this work, as well as the signal processing methodology used to compare patterns, the testing system development to simulate occurring conditions of a hot spot in an electrical equipment component which operates in high voltage and finally the results of the tests made under various operating conditions. Those tests were made in two different laboratories under various conditions of the object in test. The first set of tests was made in the DSP TELECOMUNICAÇÕES laboratory in Santa Rita do Sapucaí with 10kV voltage and the second was made with voltages going from 10kV to 200kV, in the High Voltage laboratory of the Centro Técnico de Ensaios e Medições (Technical Test and Measurements Center), owned by FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. The results obtained were satisfactory to hot spot detection and the technique demonstrates potential to development and possibility of use in a practical way, considering some previously established limitations. Key words: Ultrasound, Hot spot detection, Partial discharges, Digital Signal Processing (DSP)

10 ix LISTA DE FIGURAS Pág. Figura I.1 - Corrente nominal circulando pela haste de acionamento 6 Figura I.2 - Simulação de ponto quente em secionador de 13,8 kv 6 Figura I.3 - Imagem termográfica - câmera FLIR 8 Figura I.4 - Espectro eletromagnético 12 Figura I.5 - Elementos básicos da estrutura de um termovisor 13 Figura I.6 - Câmera de termografia ou termovisor P60 da FLIR 13 Figura I.7 - Avalanche de Townsed na superfície de um condutor fino 14 Figura I.8 Imagem de UV de uma linha de transmissão de 500 kv 15 Figura I.9 - Mapas de Sinais de DP 16 Figura I.10 - Átomo de um material dielétrico 18 Figura I.11 - Processo de avalanche de elétrons 19 Figura I.12- Fronteira entre dois meios diferentes 23 Figura I.13 - Eletrodo ponta-plano 24 Figura I.14 - Eletrodos: duas pontas paralelas com resistores e um eletrodo plano 25 Figura I.15 - Tipos de DPs em arranjos básicos 26 Figura Descargas em materiais isolantes sólidos 27 Figura Sinais de DP 28 Figura II.1 - Imagem de UV de isolador 33 Figura II.2 - Imagem de IR de isolador 33 Figura II.3 - Diagrama de blocos da célula de ensaio 36 Figura II.4 - Resistor de fio utilizado como ETR 37 Figura II.5 - Base de válvula e tubo de porcelana para suporte do ETR 38 Figura II.6 - Defletor de ultra-som metálico 38 Figura II.7 - Conjunto montado ETR suportes de porcelana e defletor 38 Figura II.8 - Resistor e defletor de ultra-som 39 Figura II.9 - Conjunto do ETR completo 39 Figura II.10 - Circuito eletrônico do receptor 39 Figura II.11 - Transmissor de controle remoto 39 Figura II.12 - Diagrama do circuito de controle da célula de ensaio 40 Figura II.13 - Placa de circuito de controle da célula 41 Figura II.14 - Elementos do circuito de controle e alimentação da célula de ensaio 41 Figura II.15 - Célula de ensaio aberta com os elementos internos 42

11 x Figura II.16 - Célula de ensaio vista pela parte traseira com o voltímetro digital 42 Figura II.17 - Teste do ETR sob a máxima tensão de controle da célula 43 Figura II.18 - Célula de ensaio acoplada ao ETR 43 Figura II.19 - Fonte AC utilizada para carga da bateria chumbo-ácido 44 Figura II.20 - Pistola de ultra-som Ultraprobe 2000 e acessórios 46 Figura II.21 - Parte traseira da pistola de ultra-som 46 Figura II.22 Osciloscópio Tektronix TDS 2014B 47 Figura II.23 Transformador de alta tensão (10 kv) 47 Figura II.24 Divisor resistivo para medição de alta tensão. 48 Figura II.25 Blindagem de alumínio para proteção da bateria auxiliar 48 Figura II.26 Disposição dos equipamentos na bancada de captação de sinais 49 Figura II.27 Leiaute dos equipamentos para ensaio à distância de 1 metro 50 Figura II.28 Disposição dos equipamentos na bancada de aquisição de sinais 50 Figura II.29 Ambiente com iluminação fluorescente desligada e ETR a 9 metros 51 Figura IV.1 Visão Geral do Sistema de Ensaio 67 Figura IV.2 Diagrama de blocos do processamento de sinais do detector ultra- 68 Figura IV.3 Processamento espectral no detector ultra-sônico. 69 Figura IV.4 Diagrama de blocos de processamento do sinal x(t) 69 Figura IV.5 - Padrão espectral para tensão de 10 kv e temperatura do ETR de 30 0 C 71 Figura IV.6 - Padrão espectral para tensão de 10 kv e temperatura do ETR de C 71 Figura IV.7 - Padrão espectral para tensão de 10 kv e temperatura do ETR de C 72 Figura IV.8 - Sobreposição dos padrões espectrais para tensão de 10 kv 72 Figura V.1 - Câmera de ultravioleta DayCor Superb 74 Figura V.2 Simulação de ocorrência de corona em saia de isolador 75 Figura V.3 Câmara de termo-visão FLIR P60 75 Figura V.4 Fonte de Alta Tensão HIPOTRONICS 76 Figura V.5 - secionador RD 500 da Bouthorpe Power Equipment 77 Figura V.6 Célula de ensaio fixada ao barramento da fonte de alta tensão 77 Figura V.7 Disposição dos equipamentos na bancada de instrumentos 78 Figura V.8 Leiaute dos sistemas de aquisição de sinais para execução dos ensaios 78 Figura V.9 Leiaute do posicionamento do ETR em relação ao piso 79 Figura V.10 Ambiente do laboratório com a iluminação desligada 79 Figura V.11 Termovisor FLIR direcionado para elemento térmico da célula 81 Figura V.12 Termopar digital e trena ultra-sônica para medição de distâncias 81 Figura VI.1 Termograma do ETR à temperatura de C 83

12 xi Figura VI.2 Padrão de descarga parcial (Imagem de UV) 83 Figura VII.1 Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV 30 0 C 96 Figura VII.2 Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV 72 0 C 97 Figura VII.3 Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV C 97 Figura VII.4 Comparação dos padrões espectrais 10kV 30, 72 e C 98 Figura VII.5 Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV 30 0 C 99 Figura VII.6 Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV C 99 Figura VII.7 Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV C 100 Figura VII.8 Comparação dos padrões espectrais 39kV 30, 100 e C 100

13 xii LISTA DE TABELAS Pág. Tabela I.1. Permissividade relativa de alguns meios 22 Tabela I.2 - Rigidez dielétrica de diversos materiais isolantes comuns 24 Tabela II.1. Tensão aplicada ao resistor e temperaturas medidas no ETR 52 Tabela III.1 Estrutura de registro para arquivos de dados gerados 54 Tabela III.2 Estrutura de registro para arquivos de dados gerados distância 1 m 56 Tabela III.3 Estrutura de registro para arquivos de dados gerados distância 3 m 60 Tabela III.4 Estrutura de registro para arquivos de dados gerados distância 9 m 64 Tabela VI.1 Registros de padrões ultra-sônicos para diversas tensões e temperaturas 84 Tabela VI.2 - Tensão variável e temperatura ambiente de 30 o C na superfície do ETR87 85 Tabela VI.3- Tensão variável e temperatura de 72 o C na superfície do ETR 87 Tabela VI.4- Tensão variável e temperatura de 100 o C na superfície do ETR 89 Tabela VI.5- Tensão variável e temperatura de 282 o C na superfície do ETR 91 Tabela VI.6- Tensão variável e temperatura de 442 o C na superfície do ETR 93

14 xiii LISTA ABREVIATURAS E SÍMBOLOS Abreviatura / Símbolo Significado Unidade M mega - k kilo - khz medida de freqüência kilohertz MHz medida de freqüência megahertz Hz medida de freqüência hertz m espaço metros m/s velocidade metros por segundo s tempo segundo mm medida milímetro C Temperatura relativa Graus Celsius V Voltagem volt ε permissividade F/m ε r Permissividade relativa - Z o Impedância acústica kg m -2 s -1 ou Rayl LUS Laboratório de Ultra-Som - CEFET Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca - DEPPG Departamento de Pesquisa e Pós-Graduação - RJ Rio de Janeiro - END Ensaio Não Destrutivo - C capacitância Farad c velocidade de propagação m/s t espessura µm λ Comprimento de onda m CTE Centro Técnico de Ensaios - ETR Elemento Térmico de Referência - SEP Sistema Elétrico de Potência -

15 1 INTRODUÇÃO Este trabalho apresenta uma nova técnica para detecção de pontos quentes em componentes de equipamentos elétricos de alta tensão. Esta técnica é baseada na detecção e comparação dos padrões espectrais de ruído ultra-sônico produzido por descargas parciais que ocorrem em componentes elétricos operando em temperaturas normais de serviço submetidos a um dado potencial (alta tensão) e os padrões obtidos nestes componentes operando em altas temperaturas (ocorrência de pontos quentes) submetidos à mesma tensão. No Capítulo I iremos analisar os conceitos e técnicas de manutenção aplicadas em Sistemas Elétricos de Potência SEP no auxílio à manutenção corretiva, preventiva e preditiva tais como termografia e ultra-som. É descrito também o conceito de descarga parcial (DP). No Capítulo II é descrita a proposta de uma nova metodologia a ser aplicada na manutenção de Sistemas Elétricos de Potência, a saber, a detecção de pontos quentes em componentes de equipamentos elétricos de alta tensão. Esta pesquisa consistiu da realização de dois conjuntos de experimentos com vista à comprovação das possíveis correlações entre ocorrência de pontos quentes em conexões e contatos elétricos e a possibilidade de detecção destes pontos quentes, a partir da medição das variações das grandezas associadas ao fenômeno, com a utilização da técnica de ultra-som associada ao processamento digital de sinais. No Capítulo III são apresentados os resultados obtidos do primeiro conjunto de ensaios realizados no laboratório da DSP TELECOMUNICAÇÕES, em Santa Rita do Sapucaí. As medições foram realizadas para várias condições de ajuste de temperatura do elemento térmico de referência, na tensão CA fixa de 10 kv; 60Hz. No Capítulo IV são discutidos os resultados obtidos no primeiro conjunto de ensaios e descrita à técnica utilizada para registrar e analisar o espectro dos sinais ultra-sônicos. A técnica de classificação de padrões tem-se mostrado como uma ferramenta eficaz para avaliar a condição operativa de equipamentos e tem sido utilizada com sucesso em identificação de uma série de processos. Como será discutido neste trabalho, propõem-se mais uma técnica, do ultra-som, para auxiliar as equipes de manutenção avaliar a condição operativa dos equipamentos dos sistemas elétricos de potência em relação à possível ocorrência de pontos quentes em seus componentes.

16 2 No Capítulo V são discutidos os MÉTODOS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA O SEGUNDO CONJUNTO DE ENSAIOS, os quais foram realizados nos dias 17 e 18 de dezembro de 2007, no laboratório de medidas elétricas do Centro Técnico de Ensaios da empresa Furnas Centrais Elétricas S.A. em Passos/MG. Estes ensaios foram realizados aplicando-se à célula de ensaio tensões de freqüência industrial de até 200kV, com a possibilidade de variar o valor da tensão AC (ensaio de alta-tensão a freqüência industrial). No Capítulo VI apresentados os resultados obtidos no segundo conjunto de ensaios. Foram realizadas medições para 5 valores de temperaturas do elemento térmico de referência e 5 valores de tensões AC aplicadas à célula de ensaio, de forma a obter os padrões de ruídos espectrais das descargas parciais para várias classes de tensão de operação usuais para os equipamentos dos sistemas elétricos de potência. São apresentados os padrões espectrais do ruído ultra-sônico obtido, para as condições de tensão AC aplicada de 10 kv e 39 kv, estando o ETR nas temperaturas de 30 0 C, 72 0 C e C e 30 0 C, 100 e C respectivamente. Foi aplicada a função de média móvel do programa Microsoft Excel com período 2, nos valores das amplitudes em db para estes espectros de freqüências. Todos os outros parâmetros de influência no fenômeno foram, dentro das possibilidades, mantidos constantes. Na Conclusão final é feito um resumo e análise dos resultados obtidos nos dois conjuntos de ensaios realizados. Na Proposta para Pesquisa & Desenvolvimento são relacionados os desenvolvimentos que podem ser aplicados no sistema de medição e diagnóstico com o objetivo de refinamento da técnica, de forma que a mesma possa ser utilizada para estimação de temperaturas em locais de difícil acesso, tais como a parte ativa de equipamentos elétricos de alta tensão.

17 3 CAPÍTULO I REVISÃO BIBLIOGRÁFICA - TÉCNICAS DE MANUTENÇÃO APLICADAS EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA. Neste capítulo iremos analisar os conceitos de manutenção e as técnicas aplicadas em Sistemas Elétricos de Potência SEP no auxilio a manutenção corretiva, preventiva e preditiva tais como, termografia e ultra-som. È descrito também o conceito de descarga parcial. 1.1 Conceitos De Manutenção Atualmente as técnicas de manutenção devem ser necessariamente desenvolvidas sob a estratégia da redução dos tempos de intervenção nos equipamentos, buscando obter o menor tempo de indisponibilidade dos mesmos. Para se alcançar essas estratégias utilizam-se os seguintes conceitos [1] Manutenção Corretiva Ocorre sempre de forma não prevista ou planejada, gerando grandes perdas de produção e esforços da equipe de manutenção. Podemos destacar os seguintes pontos negativos deste conceito: necessita de uma equipe de manutenção super dimensionada e não tem controle sobre a disponibilidade dos equipamentos de produção Manutenção Preventiva Trabalha de acordo com uma programação pré-estabelecida, normalmente em função da estatística da vida útil média dos componentes dos equipamentos. Pontos negativos: substituição prematura de componentes, com alto impacto nos custos de manutenção e não leva em conta a real evolução da vida útil dos equipamentos com alto impacto na disponibilidade dos equipamentos de produção Manutenção Preditiva A manutenção preditiva se baseia na análise da evolução supervisionada de parâmetros significantes da deterioração do componente, permitindo alongar e planejar intervenções. Conceito ainda pouco aplicado no país, a manutenção preditiva pode significar uma economia igual a 30 vezes o valor investido. Apesar de esse número variar conforme a utilização do sistema e tipo de indústria, esse ganho financeiro ocorre devido ao menor tempo perdido com máquinas paradas.

18 4 A Manutenção preditiva consiste no planejamento antecipado das intervenções corretivas, a partir da aplicação sistemática de uma ou mais técnicas de monitoração, como: Análise de vibrações de equipamentos rotativos e alternativos Análise da corrente elétrica e fluxo magnético de motores elétricos Análise de óleos lubrificantes (tribologia e ferrografia) Análise de óleos isolantes (análise da presença de gases e furfurais) Termografia de sistemas elétricos e mecânicos Ultra-som para detecção de vazamentos e defeitos de válvulas e purgadores, etc. Essas técnicas são capazes de prever eventuais falhas de funcionamento sem a necessidade de interrupção do processo produtivo de modo que a intervenção corretiva possa ser programada com antecedência suficiente proporcionando os seguintes benefícios: Aumento da segurança e da disponibilidade dos equipamentos, com redução dos riscos de acidentes e interrupções inesperadas da produção; Eliminação da troca prematura de componentes com vida útil remanescente ainda significativa; Redução dos prazos e custos das intervenções, pelo conhecimento antecipado dos defeitos a serem corrigidos; Aumento da vida útil das máquinas e componentes pela melhoria das condições de instalação e operação. A análise estatística dos dados coletados pela manutenção preditiva permite ainda: Identificar equipamentos com problemas crônicos e orientar a sua correção; Avaliar a eficácia e a qualidade dos serviços corretivos e propor programas de treinamento e a adoção de novas tecnologias, visando o seu aprimoramento.

19 O Atual Cenário da Indústria de Energia Elétrica no Brasil O atual cenário do mercado de energia elétrica brasileiro, envolvendo desregulamentação e privatização, implantação do sistema de penalização por Parcela Variável PV para os desligamentos de equipamentos não planejados, trouxe novos desafios visando maior utilidade e drástica redução nos custos de manutenção dos equipamentos dos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Os níveis de manutenção se tornaram indicadores de reestruturação e qualidade gerencial nas empresas concessionárias de energia elétrica. A redução da manutenção a níveis ótimos é o desafio que as empresas têm que buscar continuamente. Para este propósito, estender o tempo de serviço (vida útil) e o tempo entre manutenções dos equipamentos de alta tensão (geradores, transformadores, equipamentos de manobra, etc.) são imposições para novas condições de operação do SEP. Conseqüentemente, essas novas condições, somadas a um possível crescimento da demanda, podem fazer com que os equipamentos trabalhem em determinados períodos em condições de sobrecarga. Além disso, projetos de equipamentos, atrelados a normas deficientes, em alguns casos impostas pelos fabricantes, fazem com que nem sempre estes equipamentos estejam adequados para condições críticas de operação. Por conseguinte, estes e outros fatores podem conduzir a um aumento dos riscos de falha, degradando seus componentes ativos, tais como contatos e isolações principais, causando a perda de suas propriedades elétricas e mecânicas e reduzindo consequentemente a vida útil destes equipamentos. Neste cenário de mudanças, cada vez mais o uso de técnicas adequadas de medição, monitoração e diagnóstico do estado operativo dos sistemas e equipamentos elétricos, com a finalidade de melhorar sua confiabilidade e reduzir o número de paradas programadas e não programadas faz-se necessário. Atualmente, as empresas de energia elétrica estão prestando cada vez mais atenção na preservação de seus equipamentos mais importantes, especialmente transformadores de potência, disjuntores e geradores, para garantir um serviço contínuo de energia elétrica, ainda com uma tímida inversão no monitoramento e automação de suas subestações [2]. A transmissão de grandes blocos de energia através dos SEP, é realizada em altas e extras altas tensões utilizando equipamentos elétricos de grande porte, tais como transformadores, disjuntores, secionadores, barramentos e linhas de transmissão. As classes de tensões usuais para transmissão de grandes blocos de energia elétrica são , , , , VCA e +/ VCC. Estão sendo conduzidos no Brasil, pelo CEPEL/RJ, estudos para viabilização da transmissão de energia elétrica das bacias da região Amazônica para a região Sudeste em tensões de até Volts.

20 6 As conexões elétricas internas aos equipamentos de alta tensão, e conexões entre equipamentos, (barramentos, conectores, cordoalhas, etc.), partes ativas, conduzem correntes da ordem de 100 a ampères, ficando sujeitas a elevações anormais de temperatura quando ocorrer um mau contato nestas conexões. Estes maus contatos são devidos ao surgimento de oxidações ou afrouxamentos entre os pontos conectados. Estas elevações anormais de temperatura em regiões pontuais das partes ativas destes equipamentos são normalmente conhecidas como pontos quentes. A Figura I.1 mostra a montagem de um ensaio para a simulação de ocorrência de superaquecimento em haste de acionamento de um secionador de média tensão ( Volts) sob ensaio no Centro Técnico de Ensaios de FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. A corrente elétrica circulou pela haste de acionamento devido à elevada resistência elétrica de seus contatos principais. Figura I.1 - Corrente nominal circulando pela haste de acionamento. Desconectando-se a haste de acionamento e aplicando-se 2000 ampères com fonte de corrente AC de baixa tensão, como mostra a Figura I.2, verificamos a ocorrência de um ponto com elevada temperatura em um dos dedos do conjunto de contatos fixo. Figura I.2 Simulação de ponto quente em secionador de 13,8 kv.

21 7 A ocorrência deste ponto quente foi provavelmente devido a um conjunto de fatores, tais como: mau ajuste da pressão de contato entre os dedos e lâmina na fase de fabricação e/ou montagem, o que inicialmente provoca má distribuição da corrente total entre os dedos; acúmulo de contaminantes na região de contato, o que leva à formação de camadas oxidas com elevada resistência; periodicidade de manutenção inadequada, o que favorece a evolução do problema de aquecimento localizado devido à ocorrência de alta resistência de contato não corrigida a tempo. A Figura I.1 apresenta uma condição limite, quando todos os dedos apresentam elevada resistência entre estes a lâmina e praticamente toda a corrente nominal do secionador circula pela haste de acionamento do secionador (fabricada com aço e conseqüentemente com elevada resistividade), atingindo temperatura da ordem de 850 o C. Os desligamentos dos equipamentos sejam de forma programada para correção destes pontos quentes, ou de forma intempestiva, devidos à elevação súbita da temperatura (avalanche térmica) e subseqüente falha dos equipamentos reduz a confiabilidade e a disponibilidade operativa, dos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica em todo o mundo [3]. Há, portanto, necessidade de monitorar periodicamente a temperatura destas conexões para realizar a manutenção preditiva e evitar falhas na transmissão de energia, com os conseqüentes prejuízos para as empresas do setor elétrico e a sociedade. A grande dificuldade na detecção de pontos de temperatura elevada, em conexões e contatos elétricos em geral o que configura uma condição operativa anormal, está ligada à necessidade de isolação elétrica entre o instrumento (transdutor) utilizado para a medição da temperatura e os pontos nos quais se deseja monitorar em relação à ocorrência de altas temperaturas. Este fato dá lugar a técnicas baseadas em detecção à distância. A principal técnica em uso atualmente é baseada em termografia. A termografia detecta e registra as radiações eletromagnéticas com comprimentos de onda na faixa do infravermelho naturalmente emitidas por qualquer corpo, com intensidade proporcional a sua temperatura. Exceção a esta regra se faz aos sensores de temperatura baseados na tecnologia de fibras ópticas, que se encontra em pleno desenvolvimento e já tem apresentado bons resultados em algumas aplicações em sistemas elétricos de potência, tal como a medição direta da temperatura de cabos das linhas de transmissão em alta e extra alta tensão [4], medição direta em tempo real da temperatura em reatores de filtro de harmônicos como na subestação de Ibiúna da Empresa FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A, e medição da temperatura em enrolamentos de transformadores de alta tensão [5]. A técnica de termografia, com sensores colocados distantes do ponto de monitoramento, é adequada para monitor conexões nos sistemas de energia elétrica.

22 8 Atualmente as empresas do setor elétrico utilizam esta técnica, detectando as radiações eletromagnéticas com comprimentos de onda na faixa do infravermelho [6], [7], [8]. Embora seja uma técnica extremamente eficaz, sua grande desvantagem está associada principalmente aos custos dos equipamentos disponíveis e suas aplicações práticas em sistemas de potência, dependem da correta interpretação dos dados por parte do operador do equipamento termografia. A Figura I.3. apresenta uma imagem de termograma obtida a partir da câmara de infravermelho FLIR, que registrou a ocorrência de um ponto quente, com 132º.C em um conjunto de contatos fixos+móvel de um secionador de 600kV do sistema de transmissão de HVDC de Itaipu, responsável pela transmissão de uma potência da ordem de 1,5 GWatts. Figura I.3 - Imagem termográfica - câmera FLIR. O desenvolvimento de novas técnicas que permitam identificar de forma preventiva e preditiva, preferencialmente a baixo custo, a ocorrência de eventuais pontos quentes em contatos e conexões elétricas que possam ocasionar desligamentos dos sistemas elétricos associados, é de extrema utilidade para as empresas do setor energia elétrica em qualquer região ou país. Os contatos elétricos e conexões de interesse para detecção de possíveis ocorrências de pontos quentes são instalados em pontos com elevados potenciais, como os anteriormente citados. Um secionador de alta tensão, por exemplo, responsável pela condução de correntes da ordem de 600 a 5000 Ampères possue vários contatos em sua parte ativa, a qual se encontra instalada em um elevado potencial em relação a terra [9]. Os contatos da quase totalidade deste tipo de equipamento, por exemplo, não são instalados abrigados em câmaras de extinção, como ocorre nos disjuntores de potência, mas expostos em contato direto com o ar atmosférico. Com o equipamento energizado, nos cantos e bordas destes contatos ocorrerá

23 9 o efeito corona devido ao elevado campo elétrico nas regiões de fronteira entre estes componentes que se encontram em elevados potenciais e o ar atmosférico que os envolve Manutenção Preditiva Utilizando Técnica de Termografia Infravermelha O Problema da Medição de Temperaturas à Distância. Uma das técnicas de manutenção preditiva que ao longo dos últimos anos passou a ser uma das mais utilizadas por parte das empresas é a Termografia infravermelha. Em geral uma falha eletromecânica é antecedida pela geração e troca de calor. Este calor se traduz habitualmente em uma elevação de temperatura que pode ser repentina, mas que em geral, dependendo do objeto, a temperatura começa a aumentar em pequenas variações. Se for possível detectar estas variações, muitas das falhas poderão ser previstas no início do seu surgimento e que poderão produzir no futuro próximo ou em médio prazo uma parada programada do equipamento. Isto permite a redução dos tempos de interrupção e a diminuição da probabilidade de saída de serviço não prevista e, portanto, não programada. Os benefícios incluem a redução de custos com demandas não atendidas, economia de energia, proteção de pessoas e equipamentos, velocidade da inspeção e reparação. Entre os problemas possíveis de serem detectados destacam-se: Altas resistências de contato; Circulação de correntes indevidas entre componentes com falha na isolação e que produza aquecimento no ponto de contato; Circuitos abertos; Aquecimento indutivo; Desbalanceamento de carga; Sobrecarga de corrente; Componentes instalados incorretamente; Níveis de óleo incorretos;

24 A Técnica de Termografia Infravermelha Com a técnica tradicional de limpar e apertar se efetua procedimentos para corrigir conexões frouxas e contatos pobres, desta forma todas as conexões, pontos e junções de contato, recebem fisicamente manutenção, necessitando ou não. Geralmente esse procedimento não permite determinar se a falha foi corrigida. A inspeção termográfica é genericamente definida como a técnica de inspeção não destrutiva, que se baseia na detecção de radiação infravermelha naturalmente emitida pelos corpos, permitindo assim a medição de temperaturas sem contato físico com os mesmos. Através da utilização de sistemas infravermelhos torna-se possível a observação de padrões diferenciais de distribuição de calor num componente, com o objetivo de proporcionar informações relativas à condição operacional deste. As variações térmicas sofridas pelos elementos elétricos podem ser: 1. Diferenças na Temperatura Real Elevações de temperaturas causadas pela energia infravermelha irradiada da superfície do elemento. Elas podem ser causadas por: incremento da resistência, uma vez que a energia térmica gerada por um componente elétrico é diretamente proporcional ao quadrado da corrente multiplicado pela resistência, sobrecargas, correntes harmônicas não previstas no projeto, aquecimento indutivo, convecção, capacitância térmica e evaporação. 2. Diferenças na Temperatura Aparente - Temperaturas criadas por fatores diferentes das variações da superfície. Podem ter as seguintes causas: Emitância, refletância, transmitância e variações geométricas. Em relação as causas relacionadas com as Diferenças na Temperatura Real apenas três indicam problemas em um sistema elétrico: Incremento da resistência, harmônicos e aquecimento por indução. As restantes farão mudanças reais de temperatura na superfície do componente, mas não indicam falhas elétricas. Com a termografia se focalizam os problemas que devem ser corrigidos utilizando as técnicas convencionais e podendo encontrar outros problemas que em circunstancias normais não seriam detectados. Dado que a termografia infravermelha é um meio que permite identificar, sem contatos direto, componentes elétricos e mecânicos mais quentes do que deveriam estar (pontos quentes), constituindo provavelmente uma área de falha e indicando também perdas excessivas de calor.

25 11 Entre as vantagens desta técnica, nós podemos mencionar: A inspeção é realizada a distância, sem contato físico com o elemento em condições normais de funcionamento. Não necessitando dessa forma a retirada de serviço do equipamento; Trata-se de uma técnica que permite a identificação precisa do elemento defeituoso, ao permitir a medição da temperatura de qualquer ponto dentro do campo de uma imagem termográfica; Ela é uma técnica aplicável a diferentes equipamentos elétricos: bornes de transformadores de potência, seccionadoras, cabos, barramentos e partes de conexões, etc.; É aplicada para o acompanhamento de defeitos em tempo quase real, o que permite quantificar a gravidade do defeito e a extensão das variações de carga sobre o mesmo, possibilitando assim programação da manutenção necessária e o momento mais oportuno para executá-la (o que pode representar uma grande economia, se levarmos em conta os custos atuais de desligamentos de equipamentos de alta tensão enquadrados no sistema de faturamento com parcela variável) ou a intervenção imediata antes que o defeito possa produzir um colapso da instalação. Em relação a manutenção tradicional, o uso da inspeção termográfica propicia uma redução dos riscos para as pessoas, a redução de indisponibilidades para manutenção e um menor custo. Realiza a inspeção de muitos itens em pouco tempo. Entre as desvantagens ou inconvenientes temos: Capacidade limitada para a identificação de defeitos internos na medida em que o mesmo não pode ser exteriorizado pelo aumento de temperatura; A contaminação da atmosfera através de poluentes e/ou outras fontes de irradiação pode confundir a análise do defeito; O estado de carga do elemento sob análise pode influir na determinação de anomalias. Custo ainda elevado para os equipamentos de termografia.

26 Processo de Inspeção Termográfica estágios: No processo de inspeção termográfica é possível definir, de forma geral, os seguintes 1. Planejamento da inspeção nos períodos de demanda máxima. 2. Avaliação e classificação dos pontos quentes detectados. 3. Emissão de relatório, com a identificação das falhas e o nível de urgência para o seu reparo. 4. Revisão termográfica para avaliar a eficácia da manutenção realizada para a correção da falha Câmera de Termografia ou Termovisor A luz visível, parte do espectro eletromagnético que os nossos olhos são capazes de perceber, compreende uma pequena parte do espectro, como pode ser observado Figura I.4. Assim, aquilo que está fora do alcance dos nossos olhos, necessita de recursos especiais para poder ser detectados e visto. Figura I.4. - Espectro eletromagnético. Para podermos enxergar no INFRAVERMELHO devemos utilizar câmeras especiais denominadas de TERMOVISORES e assim, a Termografia, é a tecnologia que permite enxergar nessa parte invisível para nossos olhos do espectro eletromagnético. O termovisor é um equipamento destinado a aquisição e representação de uma imagem originária da recepção e tratamento de ondas eletromagnéticas dentro da faixa do infravermelho. A Figura I.5 mostra os principais blocos funcionais de uma câmera termográfica.

27 13 Figura I.5 - Elementos básicos da estrutura de um termovisor. A Figura I.6 mostra uma câmera de termografia modelo P60 do fabricante FLIR utilizada nos experimentos deste trabalho. Figura I.6 - Câmera de termografia ou termovisor P60 da FLIR Efeito Corona e o Mecanismo de Descargas Parciais Descargas corona ou parciais é um termo cotidianamente utilizado desde o passado. Sua base consolidou-se no começo dos anos de 1920, onde, já era considerado como um campo de pesquisa desenvolvido. Sua preeminente importância ferramental tem crescido para assistir na qualidade e no desempenho característico dos equipamentos de alta tensão [10]. O termo efeito corona é, atualmente, considerado como um fenômeno particular de descargas parciais (DPs), em gases ou líquidos, que ocorrem ao redor de condutores submetidos a elevados campos elétricos, e que estão distantes de qualquer dielétrico sólido [11]. Este termo não deve ser aplicado a outras formas de descargas parciais. O efeito corona ou simplesmente corona é definido como o rompimento ou descarga em torno de um elemento energizado, sob a influência de um campo elétrico. O corona ocorre quando o gradiente de potencial em torno de um elemento energizado supera um determinado valor crítico e que, para

28 14 o ar, está em torno de 30 kv/cm [12]. As vibrações produzidas por estas descargas vão desde centenas de khz até centenas de MHz. Ruído audível, ultra-sônico e radio interferência são conseqüências do efeito corona. Para a detecção desta classe especial de descargas parciais foram desenvolvidas ao longo dos anos uma série de técnicas. A aplicação da técnica de ultrasom utilizando microfones seletivos direcionais com alta sensibilidade acima da faixa audível acoplados a sistemas de aquisição e processamento digital de sinais pode ser empregado para detecção e caracterização das descargas de corona [11] e [13]. Descargas parciais podem ser sintetizadas como sinais elétricos pulsantes incompletos, intermitentes e rápidos, da ordem dos nanosegundos, que ocorrem pela proximidade entre duas partes condutoras de eletricidade e o meio isolante, através do efeito de ionização em cavidades gasosas, no interior dos materiais isolantes e nas interfaces condutor-isolante ou isolante-isolante [2]. Corona é uma descarga elétrica auto-sustentada causada pela ionização de um gás ao redor de um condutor energizado, e ocorre quando o gradiente de potencial excede certo valor, mas as condições são insuficientes para causar uma disrupção elétrica completa ou arco elétrico. Próximo à superfície do condutor o campo elétrico é mais intenso e quando alcança valores da ordem de 30 kv/cm inicia-se um processo conhecido como avalanche de Townsed [13], onde os elétrons são arrancados dos átomos do dielétrico em próximo do condutor. Neste processo ocorre à ionização das moléculas dos gases, e são ejetados elétrons e fótons. A ocorrência de corona no ar atmosférico leva à formação de ozônio (O3) e dióxido de nitrogênio (NO2). Na Figura I.7 é mostrada a formação de uma nuvem de elétrons acelerados e íons das moléculas dos gases dielétricos na região de fronteira do condutor. Figura I.7 Avalanche de Townsed na superfície de um condutor fino

29 15 Na figura I.9 abaixo é mostrada com o uso de uma câmara de ultravioleta Corocam II, a ocorrência de corona intenso na superfície de três cabos de uma linha de transmissão de alta tensão (500 kv) da Companhia Hidroelétrica do São Francisco Chesf. Devido à queda da linha de transmissão original, construída com cabos de feixe expandido (4 cabos por fase montados na aresta de um quadrado com 30 cm de lado), foi provisoriamente reconstruído o trecho da linha caído utilizando-se apenas um cabo por fase. Devido ao reduzido diâmetro de apenas um condutor (~2,5 cm), quando comparado com o diâmetro equivalente do feixe de quatro cabos da linha original, o elevado o campo elétrico resultante na superfície superior ao necessário para a ocorrência de corona. Figura I.8 Imagem de UV de uma linha de transmissão de 500 kv A realização de uma medição de DPs (em qualquer de suas formas) em equipamentos de alta tensão não só é dificultada pela acessibilidade e complexidade dos circuitos internos dos equipamentos, como também por diversas fontes de ruído poluentes, que se acoplam ao sinal e ao sistema de medição. Ao longo dos anos, ocorreram avanços significativos na eliminação de alguns tipos de ruídos, através de técnicas de processamento digital dos sinais obtidos; porém, estes avanços tecnológicos estão conduzindo para a diversificação que, se por um lado abre novas formas possíveis de ver o fenômeno de DPs, por outro, inibe o estabelecimento de procedimentos padrões com relação à identificação de fontes características de DPs. O ruído pode ser extraído dos sinais-fontes de forma aproximada. Utilizam-se sistemas artificiais e inteligentes (Redes Neurais, Simulated Annealing, Algoritmos Genéticos etc.), métodos ICA/BSS (Análise de Componentes Independentes e separação cega de sinal), PCA

30 16 (Análise de Componentes Principais), estatísticas de alta ordem (HOSA) entre outros, com a finalidade de encontrar características que, muitas vezes, não são observáveis ou exploradas pelos métodos tradicionais. É evidente que estes métodos podem ser complementares e cooperativos, a partir de uma análise de componentes independentes (ICA). Este método é uma das ferramentas em expansão por seu potencial de aplicabilidade em diversos campos de pesquisa, tais como processamento de sinais, imagens, telecomunicações, reconhecimento de voz, biomédica, separação cega de fontes etc. Em particular, investiga-se a extração cega de ruídos em sinais de descarga parcial. O ICA é um método de processamento de sinal para extrair fontes independentes a partir de misturas de fontes desconhecidas, adquiridas por medição (observações). O ICA busca direções coordenadas entre componentes mais independentes e não necessariamente ortogonais que representem as observações. Novas ferramentas e técnicas vêem sendo adaptadas para tratar a informação obtida de uma medição de DP e sua distribuição angular na tensão aplicada (ver Figuras I.9 (b) e (c)). Entre elas está o reconhecimento de padrões de DP, feito a partir de modelos experimentais amplamente descritos em [14] e [15]. (a) (b) (c) Figura 1.9: Mapas de Sinais de DP: (a) Pulsos intermitentes medidos em ultra-alta freqüência, (b) DP em 3-D e (c) Mapa característico de DP.

31 17 Nas primeiras experiências praticadas, a detecção de DPs (aproximadamente há cinco décadas) era feita através do teste de tensão de rádio interferência (TRI). Já na década de noventa as técnicas de medição foram melhoradas pelas novas tecnologias no processamento de sinais. Apesar do surgimento de novos instrumentos para detecção de descargas parciais, o ruído ainda é pouco tratável e de difícil eliminação. Mesmo assim, a detecção de DPs vem sendo cada vez mais utilizada como técnica preditiva para manutenção em motores, geradores, transformadores, pára-raios, interruptores e até em bancos de capacitores. Para que se possa melhor entender o complexo fenômeno das DPs, é importante conhecer alguns princípios físicos, químicos e elétricos envolvidos. Serão abordados sucintamente os mecanismos da ionização dos átomos de um material isolante, conceitos importantes sobre campo elétrico, características, causas e conseqüências das DPs Ionização dos Átomos de um Material Isolante Para compreender o fenômeno de descargas parciais é preciso entender como são ionizados os átomos de um material dielétrico [14], [16]. O processo de ionização e avalanche (inicio de descargas) satisfaz as relações de Paschen e Townsed [17]. Porém, em ensaios práticos de DPs, as impurezas e imperfeições internas no dielétrico, distorcem as equações de Townsed, fazendo com que a tensão de inception possa ocorrer em tensões menores do que a tensão nominal. Para casos práticos e de simples ionização, deve-se estabelecer a relação entre a diferença de potencial entre dois pontos (V ab ) e o campo elétrico ( E r ). Essa relação está implícita na Equação (2.1), onde se considera um dielétrico com comportamento linear, isotrópico e sistema homogêneo (a permissividade ε do meio é estática ou é considerada constante para baixas freqüências [17]. r V = φ = E (2.1) Admitindo que o campo seja uniforme, as linhas de campo são paralelas e a diferença de potencial por unidade de comprimento é constante. Logo, as linhas equipotenciais, que são ortogonais às linhas de campo, estarão espaçadas uniformemente e quanto maior a diferença de potencial entre dois pontos, mais intenso é o campo. Uma formulação mais completa da Equação (2.1) incluindo o efeito do potencial vetor de campo pode ser encontrada em [18]. A Equação (2.2) representa sistemas não-homogêneos, onde o potencial escalar corresponde a cargas estáticas ou fenômenos lentos, φ A é o componente para cargas t dinâmicas ou fenômenos rápidos e A` é o potencial vetor de uma fonte totalmente externa à

32 18 região considerada (assume tipicamente valor nulo). Assim, os potenciais das cargas são representados por φ (escalar) e A (vetorial) [2]. Além disso, ε tem dependência da pressão, temperatura e freqüência [8]. r A 1 E = φ A * t ε (2.2) Em relação ao caso simples e prático, quando um campo elétrico é aplicado a um condutor, os elétrons da camada externa de seus átomos são facilmente arrancados e migram prontamente de átomo para átomo. Porém, os elétrons de um material dielétrico estão bem presos perto de suas posições de equilíbrio e não podem ser arrancados facilmente. Quando um campo elétrico é aplicado a um material dielétrico, este é polarizado, ou seja, há um deslocamento de cargas positivas e negativas da sua posição de equilíbrio, embora não haja migração de carga neste caso. Em geral, este fato faz com que os materiais dielétricos (resinas, vidro, mica etc.) se comportem como bons isolantes. Os átomos individuais na presença de um campo elétrico têm o elétron negativamente carregado, sujeito a uma força no sentido contrário ao campo F= qe e o núcleo positivamente carregado, sujeito a uma força no mesmo sentido do campo. Essas forças distorcem a estrutura do átomo de maneira que o núcleo fica à direita do seu centro efetivo. Os átomos se comportam então como dipolos, ou seja, podem ser considerados como duas cargas pontuais +Q e Q, representando respectivamente o núcleo e a carga eletrônica. Diz-se, então, que o material dielétrico está polarizado. A Figura I.10 ilustra um átomo de um material dielétrico e o deslocamento do elétron com relação ao núcleo quando na presença de um campo elétrico. Como foi mostrado pela Equação (2.1), se a diferença de tensão entre os eletrodos é aumentada, o campo elétrico irá aumentar até um ponto onde as forças externas exercidas no elétron serão maiores que as forças internas e, o elétron será então arrancado da sua órbita. O átomo estará então ionizado, ou seja, se tornará um íon positivo. Figura 1.10 Átomo de um material dielétrico a) Átomo não polarizado b) Forças no átomo quando se aplica E

33 19 O processo de ionização principal, no entanto, é a ionização por colisão entre um elétron e um átomo ou molécula neutra. Se o elétron livre está submetido a um campo elétrico, ele é acelerado e colide com átomos de nitrogênio, oxigênio e outros gases presentes. A velocidade do elétron está diretamente ligada à intensidade do campo elétrico. Se o campo elétrico não for muito intenso, estas colisões serão elásticas, similares a colisões entre bolas de bilhar, e não haverá transferência de energia. Se por outro lado a intensidade do campo elétrico exceder um valor crítico, qualquer elétron livre presente nesse campo irá adquirir uma velocidade suficiente para tornar a colisão com uma molécula de ar inelástica, o que significa que o elétron terá energia para deslocar outro elétron de sua órbita e ionizar o átomo. A Figura I.11 ilustra o processo de avalanche de elétrons iniciado a partir de um eletrodo negativo. Figura I.11 Processo de avalanche de elétrons iniciado a partir de um eletrodo negativo a) Inicio. b) Formação de um par de elétrons impacto de um elétron com um átomo neutro libera um elétron adicional e deixa um íon positivo para trás. c) Multiplicação Os elétrons se movem criando íons positivos quando se multiplicam. O elétron inicial que perdeu a maior parte da sua velocidade na colisão e o elétron expelido da molécula do gás que também tem uma velocidade baixa é acelerado pelo campo elétrico, e na próxima colisão cada elétron é capaz de ionizar uma nova molécula do gás. Após a segunda colisão, existem quatro elétrons capazes de ionizar outros átomos e assim sucessivamente, com o número de elétrons dobrando a cada colisão. Este processo é conhecido como avalanche de elétrons, sendo sempre iniciado com um elétron livre submetido a um campo elétrico intenso. A Figura I.11 ilustra a seqüência da ionização dos átomos. Os íons positivos deixados para trás no processo da avalanche de elétrons se movem na direção do eletrodo negativo. No entanto, eles se movem muito vagarosamente, devido à sua massa, que é aproximadamente cinqüenta mil vezes a massa do elétron [14], [17]. Tendo uma carga positiva, esses íons atraem elétrons que estão vagando e, quando algum elétron livre consegue ser capturado, forma-se outra molécula neutra do gás. O nível de energia de uma molécula neutra é menor do que o do íon positivo correspondente, logo, quando um

34 20 elétron livre é capturado, um quantum de energia é emitido pela molécula. Esse quantum de energia é exatamente igual em magnitude à energia que inicialmente foi requerida para deslocar o elétron inicial fora de sua molécula. Uma onda eletromagnética é irradiada e, para moléculas de gases como oxigênio ou nitrogênio, essa radiação está dentro da faixa visível de luz. Portanto, um observador pode ver essa radiação como uma luz violeta clara, que ocorre principalmente na recombinação de íons de nitrogênio com elétrons livres. Se não houver mais a fonte de energia, o processo de ionização cessará; mas a recombinação continuará até que não haja mais elétrons livres nem íons positivos. Os elétrons e íons positivos provenientes deste processo são suficientes para conduzir corrente entre os eletrodos e absorver uma quantidade relativamente grande de potência da fonte, fazendo com que uma centelha surja entre os eletrodos. Quando ocorre o centelhamento, diz-se que há uma ruptura do material dielétrico. Como essa centelha normalmente não atravessa completamente o material dielétrico entre os eletrodos, é chamada de descarga parcial. A avalanche de elétrons descrita na Figura I.11 possui certo número de elétrons por segundo, que pode variar de centenas de elétrons por segundo até elétrons por segundo em um período típico de 100 nanosegundos. Para quantificar melhor a carga, utiliza-se como unidade o Coulomb, que é equivalente a uma carga de 6,02 x elétrons. Como um Ampère é definido como um fluxo de carga de um Coulomb por segundo, a corrente da avalanche eletrônica pode variar de A até alguns milhares de Ampères. A energia da descarga, no entanto, é extremamente pequena quando se tenta medir a amplitude da tensão de um pulso de descarga. Se a descarga ocorrer no ar, em torno de um elemento condutor, é denominada de efeito corona, assim como streamer ou descarga auto-sustentada. O movimento de elétrons para o eletrodo positivo, Figura I.10 (a) e o movimento de íons positivos para o eletrodo negativo, Figura I.10 (b) significa um fluxo de elétrons através do gerador entre os dois terminais. Se uma impedância for introduzida entre o gerador e os terminais, a diferença de potencial não será mais constante e irá decrescer linearmente com o aumento da corrente. Ajustando o valor dessa impedância, pode-se variar a taxa de dissipação de energia na descarga ou a potência consumida.

35 Algumas Considerações sobre o Campo Elétrico Como foi visto anteriormente, o campo elétrico tem um papel fundamental no surgimento das descargas parciais, pois influencia diretamente o processo de ionização dos átomos de um material dielétrico. Podem ocorrer descargas nos pontos do material dielétrico onde houver maior intensidade de campo elétrico, o que torna muito importante um estudo mais detalhado sobre as circunstâncias em que isso ocorre. A intensidade do campo elétrico está relacionada basicamente com o valor de tensão, com o meio em que ele se encontra e com a geometria do conjunto eletrodos/dielétrico em que ele atua. Como descrito na Equação (2.1), o campo elétrico é diretamente proporcional à tensão aplicada, ou seja, aumenta para valores maiores de tensão. As outras duas situações serão vistas a seguir O Campo Elétrico e o Meio em que ele se Encontra Para compreender como o campo varia devido ao meio em que ele se encontra, é preciso analisar as relações de fronteira entre dois meios dielétricos diferentes, pois o campo elétrico pode variar abruptamente, tanto em intensidade como em direção. Essa análise é feita em duas partes, considerando, em primeiro lugar, a relação entre os campos tangentes à fronteira, e em segundo lugar, os campos normais a ela. Estas relações de fronteira levam em consideração uma característica muito importante nos materiais dielétricos: a permissividade ou constante dielétrica (ε). Como a permissividade de um dielétrico é sempre maior do que a permissividade do vácuo, muitas vezes é conveniente usar a permissividade relativa do dielétrico, isto é, a razão entre sua permissividade e a do vácuo. Assim, ε ε ε r (2.3) 0 Onde, ε r é a permissividade relativa do dielétrico, ε é a permissividade do dielétrico e ε 0 é permissividade do vácuo = 8,85 pfm 1 Enquanto que ε e ε 0 são expressos em farads por metro F m 1,a permissividade relativa ε r é uma razão adimensional e é o valor dado geralmente em tabelas. A permissividade relativa de alguns meios está apresentada na Tabela I.1, onde os valores referem-se a campos estáticos (ou em baixas freqüências) e são aproximados, exceto para o vácuo ou ar. Observe que ε r para o ar está tão próximo da unidade que, na maioria dos casos, podemos considerar o ar equivalente ao vácuo [19].

36 22 Tabela I.1. Permissividade relativa de alguns meios [2]. Permissividade dos meios dielétricos Meio Permissividade relativa (ε r ) Vácuo 1 Ar (pressão atmosférica) 1,0006 Espuma de poliestireno (Styrofoam) 1,03 Parafina 2,1 Madeira compensada 2,1 Poliestireno 2,7 Âmbar 3 Borracha 3 Plexigas 3,4 Solo arenoso seco 3,4 Nylon (sólido) 3,8 Enxofre 4 Quartzo 5 Baquelita 5 Fórmica 6 Vidro com maior composição de chumbo(lead Glass) 6 Mica 6 Mármore 8 Cristal (Flint glass) 10 Amônia (líquida) 22 Glicerina 50 Água (destilada) 81 Titânio de bário (BaTiO 3 ) 1200 Titanato de bário e estrôncio (2BaTiO 3 : 1SrTiO 3) Titanato e zirconato de bário (4BaTiO 3 : 1BaZrO 3 ) Estanho e titanato de bário (9BaTiO 3 : 1BaSnO 3 ) A permissividade relativa é um indicador do nível de isolamento elétrico de um material dielétrico. Quanto maior a permissividade relativa do material, melhor a suportabilidade de tensão desse material, considerando um campo elétrico uniforme e uma temperatura de 20 ºC. Para faixas de freqüência muito amplas, os materiais podem apresentar variações da permissividade ε caracterizadas por componente real ε ' e imaginaria ε '', os quais dependem da freqüência e podem apresentar diversos modos ressonantes causados pelos diversos modos de vibração [18], [19].

37 23 Considerando dois meios dielétricos de permissividade ε1 e ε2 separados por uma fronteira plana, e supondo que os dois meios são isolantes perfeitos, tem-se que as componentes tangenciais do campo elétrico são iguais nos dois lados da fronteira, como mostram a Figura I.12. Isso significa que o campo elétrico tangencial é contínuo através dessa fronteira. Figura I.12 Fronteira entre dois meios diferentes Para tratar das componentes normais, será utilizada a densidade de fluxo, cuja componente normal é contínua através da fronteira desprovida de cargas entre dois dielétricos, como pode ser visto nas equações (2.4) e (2.5). Dn 1 1 = Dn 1 2 ε En = ε En 2...(2.4) 2...(2.5) De acordo com a Equação (2.5), verificamos que os campos elétricos normais à fronteira estão inversamente relacionados com as permissividades relativas ε1 e ε2. Se o meio 1 tiver uma permissividade relativa menor que a do meio 2, o campo elétrico no meio 1 será maior que no meio 2. Esse tipo de situação ocorre, por exemplo, com pequenas cavidades de ar no interior de materiais dielétricos sólidos ou bolhas de gás no interior de materiais dielétricos líquidos. Como o ar tem uma permissividade-relativa menor que a do material dielétrico (sólido ou líquido), o campo elétrico no ar é maior, o que favorece a ionização dos elétrons e conseqüentemente a ocorrência de descargas parciais. A produção de descargas também se dá no ar pela ionização das moléculas que se encontram nos pontos de maior gradiente de potencial. A intensidade máxima de campo que um dielétrico pode suportar sem que ocorram centelhamentos é a rigidez dielétrica. A Tabela 2.2 relaciona os valores de rigidez dielétrica de vários materiais dielétricos. A rigidez dielétrica refere-se a um campo uniforme e os materiais estão listados em ordem crescente de rigidez [19].

38 24 Tabela I.2 - Rigidez dielétrica de diversos materiais isolantes comuns[2]. Rigidez dielétrica de diversos materiais comuns Material Rigidez Dielétrica (MV m -1 ) Ar (pressão atmosférica) 3 Óleo (mineral) 15 Papel (impregnado) 15 Poliestireno 20 Borracha (dura) 21 Baquelita 25 Vidro (placa) 30 Parafina 30 Quartzo (fundido) 30 Mica O Campo Elétrico e a Geometria dos Eletrodos A geometria dos eletrodos influencia diretamente a distribuição da intensidade do campo elétrico. O gradiente de tensão aumenta quanto menor for a área do eletrodo. Se o formato do eletrodo for uma ponta, o gradiente de tensão é alto. Se, para o mesmo nível de tensão aplicada, o eletrodo tiver um formato plano, o gradiente de tensão é bem menor. A Figura I.13 ilustra um exemplo de eletrodo ponta-plano tendo um gás como dielétrico. Figura I.13 Eletrodo ponta-plano Perto da ponta, como o gradiente de potencial é maior, a intensidade do campo elétrico é maior, como foi mostrado pela Equação (2.1). O elétron que está perto da ponta pode então ser acelerado até adquirir energia cinética suficiente para causar uma ionização. Perto do plano, a intensidade do campo elétrico é menor e o elétron pode não adquirir energia cinética suficiente para causar uma ionização. Logo, a descarga é limitada a um volume perto da ponta. O volume de gás restante entre o plano e a descarga funciona como uma excelente resistência, limitando o centelhamento.

39 25 A estrutura de eletrodos cilíndricos, onde o cilindro interno é bem menor que o cilindro externo, funciona exatamente da mesma maneira, sendo a descarga adjacente ao cilindro interno, que tem o maior gradiente de potencial. Outro exemplo de eletrodos seria o de duas agulhas (separadas de aproximadamente 0,5 cm) e um plano. Se a tensão é ajustada para fornecer uma descarga pequena perto da ponta, as duas agulhas irão centelhar. Se, no entanto, a tensão é aumentada para fornecer descargas maiores, somente uma agulha irá centelhar. Para fazer com que as duas agulhas sofram as descargas, é necessário adicionar uma resistência série em cada agulha, como mostra a Figura I.14. Quando as descargas são pequenas, as impedâncias presentes no volume de gás não ionizado entre as pontas e o plano atuam, limitando a corrente. Figura I.14 Eletrodos: duas pontas paralelas com resistores e um eletrodo plano Se o campo for uniforme (linhas de campo paralelas em toda parte) e se for aumentado gradualmente, ocorrerão centelhas no ar quase que imediatamente após um valor crítico do campo ter sido ultrapassado; mas se o campo não for uniforme (linhas de campo divergentes) poderá ocorrer inicialmente uma descarga, e depois, com o aumento de E, uma descarga ininterrupta Tipos de Descargas Parciais Descargas parciais podem ocorrer em qualquer ponto do material dielétrico; na junção de dois materiais dielétricos diferentes ou adjacentes ao eletrodo, seguidamente em vários pontos do dielétrico e até mesmo sem eletrodos, em uma cavidade do material dielétrico. A idéia errônea de que eletrodos metálicos são necessários decorre da sua larga utilização em demonstrações de laboratório, seja através de eletrodos ponta-plano ou um condutor e um plano. Descargas parciais podem ocorrer entre dois isolantes agindo como eletrodos; essas descargas sem eletrodos são problemáticas em alguns veículos espaciais. O termo descargas parciais envolve um amplo grupo de fenômenos de descarga tal como descargas internas, superficiais e descargas corona [20]. Descargas internas podem

40 26 ocorrer em cavidades em dielétricos sólidos ou bolhas em dielétricos líquidos, descargas superficiais podem ocorrer na interface de isolamentos ou condutores e descargas corona são relativos a descargas em dielétricos gasosos se estão presentes elevados campos elétricos não-homogêneos. Por último o impacto das descargas em dielétricos sólidos podem formar-se canais de descarga chamados treeing. A Figura I.15 mostra algumas descargas típicas baseadas em arranjos isolantes simples. Figura I.15 Tipos de DPs em arranjos básicos a) Descargas tipo corona. b) Descargas na superfície. c) Descargas em material laminado. d) Descargas internas. e) Descargas entre espiras em enrolamentos de máquinas elétricas girantes. Descargas tipo efeito corona (Figura I.15.a) ocorrem em eletrodos tipo ponta ou condutores finos conectados a um alto potencial ou à terra, particularmente em instalações isoladas com ar/gás ou com materiais isolantes líquidos. Descargas na superfície (Figura I.15.b) e descargas em materiais laminados (Figura I.15.c) ocorrem nas interfaces entre materiais isolantes diferentes, como por exemplo, entre gás/sólido. Descargas em pequenas cavidades de ar (Figura I.15.d) ocorrem em líquidos tanto quanto em materiais isolantes sólidos. Descargas tipo Slot ocorrem em máquinas girantes: os modelos se baseiam em barras de geradores, nas quais possuem ranhuras para reprodução do defeito (Figura I.15.e) [21]. Em materiais isolantes sólidos podem ocorrer também as descargas contínuas que deterioram parcialmente o material isolante geralmente denominado descargas treeing ou treeing channels (ver Figura I.16).

41 27 Os treeing channels se propagam em volta do isolamento sólido similar aos encontrados em barras de gerador. Estudos experimentais advertem que este processo pode ser reduzido por pesquisa de parâmetros elétricos, térmicos e carregamento mecânico [22], [23]. Porém, muitos destes estudos se tornam inviáveis quando aplicado a equipamento real, devido a restrições de acesso e limitações de implementação. Assim estes estudos têm sido realizados em ambientes e laboratórios especiais com a finalidade de determinar o comportamento do material sob condições adversas aplicadas. Figura I.16 Descargas em materiais isolantes sólidos (treeing channels): Trajetória de propagação de uma treeing channels em torno de uma barreira de mica. Em aplicações práticas, é feita uma distinção entre DP interna e DP externa. Descargas externas são definidas como processos que ocorrem fora do equipamento, por exemplo, em armaduras; e descargas internas são definidas como processos que ocorrem dentro de sistemas fechados. Essa distinção é apropriada para os sistemas de medição utilizados, pois descargas externas (em linhas de alimentação ou eletrodos) podem ser distintas de descargas internas ocorrendo no objeto a ser testado. Descargas parciais são de curta duração em relação ao período da senóide de tensão aplicada (da ordem de nanosegundos), são repetitivas, têm sua frente muito íngreme e muito acentuada, podendo ser consideradas como uma função impulso Conceito de Descargas Parciais As DPs são sucessões de descargas elétricas incompletas, rápidas e intermitentes da ordem de nanosegundos (ver Figura I.17.a), que ocorrem pela proximidade entre duas partes condutoras de eletricidade e um meio isolante, pelo efeito de ionização em cavidades gasosas no interior dos materiais isolantes sólidos e líquidos. Tais descargas também podem ocorrer na zona de contato de isolantes sólidos (dielétricos) e superfícies metálicas submetidas à tensão elétrica [24]. Esta definição coloca em evidência algumas características notáveis do fenômeno físico das DPs, como:

42 28 Realizam-se rapidamente, considerando a sua curta duração em relação ao semiperíodo da tensão referencial aplicada (60 Hz). São fenômenos intermitentes, determinando sobre os circuitos elétricos impulsos com frentes muito íngremes e discretas no tempo. Caracterizam-se por elevadas freqüências espectrais (da ordem de megahertz). O ambiente onde se desenvolvem as disrupções é de natureza gasosa. O espaço onde se realizam as DPs restringe-se a uma zona limitada do dielétrico, não chegando a curto-circuitar os dois eletrodos, pois quando tal se verifica ocorre a disrupção do dielétrico e, portanto a sua deterioração. Figura I.17 Sinais de DPs: (a) Pulsos intermitentes medidos em ultra-alta freqüência. (b) Queda de potencial por DPs em cavidades. (c) e (d) mapeamentos típicos de DPs gerados por modelos experimentais. A Figura I.17.b mostra um modelo típico de medição e simulação de DPs em cavidades gasosas e dielétricos sólidos, onde V(t), U 10 e U 1 são os valores máximos das tensões de referência, da cavidade e de descarga, respectivamente e, Uz+ e Uz- são níveis de tensão de início de descarga em cavidades gasosas, maiores detalhes da Figura I.17.b encontra-se em [14], [20]. As Figura I.17.c e d são mapas digitais dos pulsos máximos de DPs, obtidos por instrumentos de medição de DPs sob um modelo experimental.

43 29 Como foi exposta acima, a ocorrência de DPs é favorecida em cavidades gasosas no interior de materiais isolantes. Essas cavidades são as responsáveis pelas falhas mais comuns no material dielétrico, e são geralmente introduzidas durante as várias etapas de fabricação dos materiais isolantes e outras solicitações durante o seu envelhecimento. Elas podem ocorrer também devido a uma aplicação inadequada de vácuo durante o ciclo de impregnação, como é o caso em sistemas de papéis isolantes impregnados a óleo usados em cabos, capacitores e transformadores. Nos geradores, particularmente nas barras estatóricas, elas ocorrem entre a camada de verniz e um condutor elementar, entre camada de pintura semicondutora e a isolação principal (efeito ranhura) Detecção e Medição de Descargas Parciais Existem várias técnicas de detecção de DPs: elétrica, acústica, óptica, química etc. Porém, a maioria destas são usadas apenas para complementar a detecção elétrica, embora algumas destas técnicas sejam mais aplicáveis a certos casos. Por exemplo, a técnica acústica de medição por ultra-som está ganhando maior interesse, no aspecto de localização, por triangulação de pulsos e reflexões acústicas, da ocorrência de descargas internas em transformadores de potência. Infelizmente, medições de descargas parciais no campo ainda é alvo de ruídos e interferências, visto que, os sinais acústicos podem sofrer forte atenuação, como nos casos de medição de DPs próximas dos enrolamentos de transformadores [25]. A seguir são listadas algumas das técnicas utilizadas para detecção de descargas parciais [14], [26]: Método Óptico ou Visual DP pode ser observada visualmente em ambientes escuros, após acostumar os olhos à escuridão. O observador pode utilizar binóculos de grande alcance, se necessário. Alternativamente, registros fotográficos ultra-rápidos podem ser feitos e, para fins especiais, são usados intensificadores de imagem. Método Químico A presença de DPs em óleo ou equipamentos com isolantes a gás pode ser detectada, em alguns casos, pela análise da decomposição de produtos dissolvidos no óleo ou no gás. Esses produtos se acumulam durante operações prolongadas. A análise química pode também ser usada para estimar a degradação do isolamento causada pela ocorrência de DPs. Método Acústico Este procedimento é baseado no ruído audível ou ultra-sônico gerado pelas DPs, isto é, ruído no ar ou vibrações em materiais adjacentes à fonte de descarga. A técnica acústica consiste em utilizar sensores piezelétricos ou transdutores, que podem ser conectados dentro ou fora do equipamento, de preferência em ambientes com baixo nível de ruído. Medidas acústicas feitas com microfones ou outros transdutores, em conjunto com amplificadores e instrumentos de registro adequados, podem ser úteis para localizar a

44 30 descarga no equipamento. Diversos sensores, com alta sensibilidade para faixas de freqüência acima da faixa audível, são usados para localizar descargas corona no ar. Transdutores também podem ser usados para localizar descargas em subestações isoladas a gás (SIGs) ou equipamentos imersos em óleo, como transformadores. Esta técnica é a mais adequada para localizar fisicamente a ocorrência de descargas e estão sendo utilizadas em diversos equipamentos tal como grandes transformadores. Método da Tensão de Rádio Interferência O teste de tensão de rádio interferência (TRI) é baseado no fato de que DPs geram ondas eletromagnéticas na forma de interferência estática. O receptor é calibrado em micro-volts para medir o valor do sinal de entrada. Este método não é adequado para localizar fisicamente, dentro do equipamento, o local onde ocorrem descargas e sim para quantificar o valor das descargas. A medição de TRI é usada tanto em equipamentos de alta tensão como em linhas de transmissão. Nos equipamentos, os sinais de descarga são detectados através de uma resistência, enquanto que em linhas de transmissão, a interferência em radiofreqüência (RF) gerada pelas descargas, é detectada usando-se uma antena. Método Elétrico - Essa técnica faz com que o instrumento de detecção de descargas se torne parte do circuito elétrico, incluindo o equipamento onde as descargas estão ocorrendo. Neste método as descargas são medidas normalmente em pico Coulombs. Esse procedimento de medição é o mais utilizado em geradores, transformadores, cabos de alta tensão, capacitores, entre outros. Uma impedância de detecção RLC (resistiva, indutiva e capacitiva) ou RC (resistiva e capacitiva) pode ser usada, sendo a RLC para um modo de detecção de banda estreita de freqüência e a RC para um modo de detecção de banda larga de freqüência. O método elétrico é, sem dúvida, o mais utilizado para quantificar DPs. As normas IEC e IEEE P1434 [27], [28] são entidades que tentam unificar e consolidar procedimentos para medição de DPs e fornecem várias alternativas de circuitos de ensaio e terminologia apropriada para realizar medição de DPs. Cabe ressaltar que ainda não se têm procedimentos confiáveis e fáceis para situações bem específicas se aplicados num determinado modelo ou equipamento.

45 Manutenção Preditiva Utilizando Técnica de Ultra-som. As propriedades do ultra-som já estão sendo estudadas há mais de um século e o resultado da sua aplicação em sistemas de medição, detecção, monitoramento e em ensaios não-destrutivos continuam oferecendo um bom retorno aos investimentos empregados. Como o ultra-som está fora da faixa de freqüência audível ao homem (compreendida entre 20 Hz - 20KHz), ele pode ser empregado com intensidade bastante alta. As aplicações de alta intensidade têm como objetivo produzir alteração do meio através do qual a onda se propaga, como exemplo, a terapia médica, atomização de líquidos, ruptura de células biológicas, solda e homogeneização de materiais. Já as aplicações do ultra-som de baixa intensidade têm como propósito transmitir ou receber a energia através de um meio e com isso obter informações do mesmo. Como exemplo pode-se citar o ensaio não destrutivo de materiais, medida das propriedades elásticas dos materiais e diagnose médica [29] Aplicação do Ultra-som na Manutenção A técnica de ultra-som se destaca pelos excelentes resultados proporcionados à importância das ações preditivas no quadro de esforços para garantir a continuidade da operação industrial a custos mais baixos. A inspeção por ultra-som é baseada na detecção dos sons produzidos por operações mecânicas (rolamentos danificados), emissões elétricas (faíscamento, arco elétrico, efeito corona) e fluxo de fluidos (vazamentos para atmosfera, válvulas, purgadores). A detecção por ultra-som permite encontrar falhas em praticamente todos os equipamentos existentes num ambiente fabril como, por exemplo, a detecção de trincas em sólidos etc. e comprova ser o processo mais versátil para a localização de vazamentos numa instalação industrial. A técnica de detecção por ultra-som completa o grupo de tecnologias que definem a manutenção preditiva: Termografia, Análise de Óleos e a Análise de Vibrações Conclusões No atual cenário do mercado de energia elétrica brasileiro, envolvendo desregulamentação e privatização, os níveis de manutenção se tornaram indicadores de reestruturação e qualidade gerencial nas empresas concessionárias de energia elétrica. A redução da manutenção a níveis ótimos é o desafio que as empresas têm que buscar continuamente com novas condições de operação do SEP.

46 32 Em relação à aplicação de técnicas de manutenção preditiva, de um modo geral, pode-se afirmar que em indústrias de processo ou energia, sua aplicação resulta, a médio e longo prazo, em reduções da ordem de 2/3 nos prejuízos com interrupções inesperadas de produção e/ou continuidade dos serviços de transmissão, por exemplo, e de 1/3 nos gastos com a manutenção, após uma fase inicial de investimentos. Uma das técnicas de manutenção preditiva que ao longo dos últimos anos passou a ser uma das mais utilizadas por parte das empresas é a termografia infravermelha. Esta técnica permite a redução dos tempos de interrupção e a diminuição da probabilidade de saída de serviço não prevista e, portanto, não programada. Os benefícios incluem a redução de custos com demandas não atendidas, economia de energia, proteção de pessoas e equipamentos, velocidade da inspeção e reparação. A detecção e análise dos sinais de descargas parciais DP s em equipamentos elétricos de alta tensão consolidou-se no começo dos anos de 1920, onde, já era considerado como um campo de pesquisa desenvolvido. Sua preeminente importância ferramental tem crescido para assistir na qualidade e no desempenho característico dos equipamentos de alta tensão [10]. O termo efeito corona é, atualmente, considerado como um fenômeno particular de descargas parciais (DPs), em gases ou líquidos, que ocorrem ao redor de condutores submetidos a elevados campos elétricos, e que estão distantes de qualquer dielétrico sólido [11]. Este termo não deve ser aplicado a outras formas de descargas parciais. Existem várias técnicas de detecção de DPs: elétrica, acústica, óptica, química etc. Porém, a maioria destas é usada apenas para complementar a detecção elétrica, embora algumas destas técnicas sejam mais aplicáveis a certos casos. Neste trabalho propõem-se o uso da técnica de ultra-som para detecção dos sinais de corona com o objetivo de detectarem-se temperaturas anormais em componentes da parte ativa de equipamentos elétricos de alta tensão.

47 33 CAPÍTULO II MATERIAIS E MÉTODOS - PROPOSTA E ESTUDO DE UMA NOVA METODOLOGIA PARA MANUTENÇÃO EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA 2.1. Metodologia Este capítulo descreve a proposta de uma nova metodologia para detecção de pontos quentes com o uso do ultra-som. Esta pesquisa consistiu da realização de dois conjuntos de experimentos com vista à comprovação das possíveis correlações entre ocorrência de pontos quentes em conexões e contatos elétricos que operam na alta-tensão e a possibilidade de detecção destes pontos quentes, a partir da medição das variações das grandezas associadas ao fenômeno, com a utilização da técnica de ultra-som associada ao processamento digital de sinais Técnica de Detecção A ocorrência de uma região pontual com elevada temperatura em um dado componente elétrico (um contato elétrico com elevada resistência de contato, por exemplo), provocará o aquecimento do ar atmosférico das regiões de fronteira em torno deste ponto quente. Nesta situação, estando este componente em um elevado potencial, o ar que o envolve se comporta como o dielétrico. A elevação da temperatura do ar na região próxima ao componente afetará, entre outros fatores, a sua permissividade e conseqüentemente as condições de ocorrência do processo de ionização e subseqüentes ocorrências de descargas parciais. Figura II.1 - Imagem de UV de isolador isolador Figura II.2 - Imagem de IR de As Figuras II.1 e II.2 mostram a ocorrência de corona em coluna isoladora e a câmara de infravermelho indica temperatura anormal nos mesmos pontos da coluna onde ocorre o corona.

48 34 O tipo de correlação que se propõe analisar para a detecção de pontos quentes em conexões ou contatos elétricos da parte ativa de equipamentos de alta tensão, é a comparação, a partir do uso de ultra-som, entre os padrões espectrais de ruído ultra-sônico das descargas parciais que ocorrem em componentes operando em temperaturas normais de serviço submetidos a uma dada tensão e os padrões obtidos nestes componentes operando em altas temperaturas (ocorrência de pontos quentes) submetidos à mesma tensão Métodos e Equipamentos Utilizados para o Primeiro Conjunto de Ensaios Inicialmente pretendia-se realizar um conjunto de medições de padrões ultra-sônicos produzidos por descargas parciais, de um equipamento elétrico de alta tensão, no pátio de uma subestação do sistema elétrico de Furnas, ou seja, em condições reais de operação. Devido à grande quantidade e diversidade de ruídos interferentes que ocorrem no pátio de uma subestação, e que poderiam mascarar significativamente o tipo de correlação que era esperada, optou-se pela realização de experimentos iniciais em condições controladas de forma a eliminar ou minimizar esta série de interferências que ocorrem no campo". Por exemplo, realizando-se as medições em ambiente fechado do laboratório, evitou-se a influência de correntes de ar variáveis, no ponto em alta temperatura, as quais provocariam variações inaceitáveis no controle de temperatura do elemento de referência sob medida. Internamente ao laboratório, foi possível uma grande redução das várias fontes de ruído, tais como, trechos de barramentos de grandes comprimentos os quais também se encontram submetidos à alta tensão e consequentemente são fontes produtoras de ruídos ultra-sônicos gerados pelo efeito corona em suas superfícies. Para este propósito, foi necessário a especificação, projeto e desenvolvimento de um sistema experimental, o qual basicamente inclui uma célula de ensaio com respectivo controle à distância a partir da qual, puderam-se realizar as medições, minimizando as várias interferências que ocorrem normalmente em um pátio de uma subestação de alta-tensão e simultaneamente realizar o controle da temperatura de um elemento térmico de referência ETR, da célula o qual representa o contato elétrico sob diagnóstico. Desta forma, estando este elemento de referência submetido a um elevado potencial fixo escolhido, poderá ser variada a temperatura do mesmo, simulando a possível ocorrência de um ponto quente em um contato elétrico. O efeito corona ocorrerá sempre que o ETR estiver situado em um elevado potencial, independentemente de o mesmo estar à temperatura ambiente ou mais elevada. Para um dado potencial fixo aplicado ao mesmo, o que se busca detectar e caracterizar são as diferenças entre os padrões espectrais de ruído ultra-sônico produzido pelas descargas parciais (efeito corona na superfície do ETR) para duas

49 35 temperaturas diferentes. Após a obtenção e correlação destes padrões, para várias temperaturas do ETR, estando a célula submetida à um valor constante de tensão, uma dada temperatura ajustada no ETR poderá ser conhecida a partir do padrão de ruído espectral obtido para esta condição, dentro de uma margem de erro a ser estabelecida Etapas de Execução da Pesquisa Especificação, projeto e construção de uma célula para ensaio em alta tensão; Testes operativos da célula de ensaio em condições de bancada, (calibração do elemento térmico de referência ETR ); Testes operativos da célula de ensaio com fonte de média tensão AC e freqüência industrial (60Hz), ensaio preliminar de média-tensão - 10 kv, para verificar o correto funcionamento do circuito de controle remoto de temperatura do ETR em condições de interferência eletromagnética provocada por efeito corona; Testes de correlação com a célula de ensaio com fonte de 10 kv e freqüência industrial (60Hz), no laboratório da empresa DSP, em Santa Rita do Sapucaí; Descrição Detalhada das Etapas Etapa (a) Especificação, (b) Projeto e Construção da Célula de Ensaio para Simulação de Ponto Quente em Equipamento de Alta Tensão (a) Especificação da Célula de Ensaio a ser Construída: Para obtenção do tipo de correlação esperada, era necessário que se satisfizessem as seguintes condições: (1) ser possível monitorar um sensor metálico chamado elemento térmico de referência (ETR), o qual irá representar um contato elétrico isolado da terra, ou seja, que possa ser submetido a um elevado potencial em relação à terra; (2) este ETR deverá ser submetido a um elevado potencial que possa ser escolhido e mantido fixo durante cada medição, simulando as condições reais de operação de um componente da parte ativa de um equipamento elétrico de alta tensão;

50 36 (3) este ETR deverá oferecer a possibilidade de ter sua temperatura variada em uma ampla faixa de temperaturas. Desde a temperatura ambiente até uma temperatura elevada o suficiente para representar as condições de ocorrência real de um ponto quente em um componente elétrico que opera em alta tensão. (4) o circuito interno de controle da célula, deve ser capaz de manter fixa a temperatura ajustada no ETR, por um período de tempo suficiente para o registro dos padrões de ruído ultrassônicos pelo sistema de processamento digital de sinais; (5) os circuitos internos da célula devem possuir sistema de alimentação elétrica independentes de qualquer alimentação externa, pois o sistema como um todo deve operar instalado na alta tensão e isolado de terra; (6) a célula não deve ter peso excessivo, pois deverá ser suspensa ao barramento de saída de uma fonte alta tensão para a execução dos ensaios. NOTA: Posteriormente, durante a execução dos ensaios, optou-se pela instalação de um voltímetro preso à tampa traseira da célula que mede a voltagem sobre o resistor do elemento térmico de referência. A Figura II.3 mostra diagrama de blocos da célula de ensaio construída para realização dos ensaios em condições de laboratório Figura II.3 Diagrama de blocos da célula de ensaio (b) Projeto e Execução da Célula de Ensaio: Para o atendimento às especificações anteriores, foi projetado um circuito eletrônico de controle que pudesse ser instalado no interior de um recipiente de alumínio que permitiu a sustentação dos elementos internos (circuito de controle e alimentação elétrica) e externos (elemento térmico de referência) da célula e realizou a blindagem eletromagnética necessária

51 37 para o correto funcionamento do sistema de controle remoto sob condições de ocorrência de efeito corona na superfície do recipiente. Este conjunto integrado foi denominado célula de ensaio. (c) Projeto e Execução do Elemento Térmico de Referência ETR, Suporte e Defletor de Ultra-som. Foi definida uma faixa de variação de temperatura para o elemento térmico de referência entre 25 0 C e aproximadamente C. Após a experimentação de diversos componentes, tais como resistores de diversos valores e potências que pudessem suportar estas elevadas temperaturas, optou-se pela utilização de um resistor de fio de 1,3 ohms e 10 Watts, o qual apresentou os melhores resultados em termos de suportabilidade e durabilidade às altas temperaturas de operação. A Figura II.4 mostra o resistor utilizado para o ETR, após a sua preparação para instalação no suporte e defletor do ETR. Figura II.4 Resistor de fio utilizado como ETR Suporte para o ETR - foram experimentados diversos materiais que pudessem suportar as elevadas temperaturas de ensaio programadas. Os melhores resultados foram obtidos utilizando-se um suporte de porcelana para encaixe do ETR, retirado de um antigo rádio à válvulas. Para a sustentação desta base de porcelana, foi utilizado um tubo de porcelana com diâmetro de 18,0 mm e comprimento de 80,0 mm. A Figura II.5 mostra o tubo utilizado.

52 38 tubo base Figura II.5 Base de válvula e tubo de porcelana para suporte do ETR Defletor de ultra som para o ETR - foi utilizada uma forma de alumínio cobreado, na qual foi realizada um furo com diâmetro de 18 mm, para passagem e fixação do tubo de porcelana de sustentação da base do ETR. A Figura II.6 mostra a foto do defletor, a Figura II.7 mostra uma vista em corte do conjunto montado e as figuras Figura II.8 e II.9 o conjunto montado. Figura II.6 Defletor de ultra-som metálico Figura II.7 Conjunto montado ETR suportes de porcelana e defletor

53 39 Figura II.8 Resistor e defletor de ultra-som Figura II.9 Conjunto do ETR completo (d) Projeto e Execução do Circuito de Controle da Temperatura Devido à necessidade de isolamento elétrico entre a célula de ensaio e a terra, o controle de variação da temperatura do ETR foi realizado via radiofreqüência. Para o módulo transmissor e receptor de sinais, foi utilizado um controle remoto que opera em freqüência modulada (FM) na faixa de 27MHz. Os circuitos (cartões) eletrônicos do transmissor e receptor foram reaproveitados de um sistema de controle remoto comercial. As Figura II.10 e II.11 mostram os cartões de controle do receptor e transmissor. A alimentação elétrica do transmissor é realizada por bateria de 9 volts. Figura II.10 Circuito eletrônico do receptor Figura II.11 Transmissor de controle remoto

54 40 A Figura II.12 apresenta o diagrama do circuito eletrônico para o controle de variação da temperatura do ETR e opera da seguinte forma: Figura II.12 Diagrama do circuito de controle da célula de ensaio. O regulador de tensão de 5V CI1 (CI7805), fornece a alimentação de 5 volts para o cartão receptor de controle remoto. O transmissor de controle remoto possui dois canais de controle que foram utilizados respectivamente, um canal para a elevação da temperatura do ETR e o segundo canal para redução da temperatura do ETR. Quando ocorre o comando, para aumento ou redução da temperatura do ETR no transmissor, a saída do cartão receptor (pontos x1 e x2) apresenta uma tensão DC de 5 volts com uma polaridade que é função do canal comandado. Dois opto-acopladores (4N27) tem as suas entradas ligadas à saída do receptor de forma complementar. Quando ocorre um comando no transmissor, por exemplo, para aumentar a temperatura do ETR, a saída do opto-acoplador correspondente aciona o carregamento do capacitor C2. Este capacitor está ligado à entrada do amplificador operacional AOP1 (CI4). A elevação da tensão na sua entrada não-inversora produz a elevação da tensão em sua saída com um ganho unitário, devido ao mesmo estar ligado na configuração de seguidor. Esta tensão de saída no pino 6 que é proporcional à elevação da tensão na sua entrada (pino 3) eleva a tensão sobre o resistor do ETR R10 através dos transistores de potência T5 e T6. O aumento da tensão sobre este resistor, produz consequentemente o aumento da potência dissipada no mesmo, elevando a sua temperatura. O comando de redução da temperatura no transmissor aciona a saída correspondente do optoacoplador OP2 que descarrega o capacitor C2, provocando a redução proporcional da tensão sobre o resistor R10 do ETR e o abaixamento de sua temperatura. Quando nenhum comando é executado no transmissor, o capacitor C2 mantém a tensão na entrada não inversora do operacional praticamente constante, devido à alta impedância desta entrada não

55 41 descarregar o capacitor. Desta forma a tensão de saída que é aplicada ao ETR mantém-se praticamente constante. Realizando-se os ensaios com a célula em ambiente fechado, onde praticamente não ocorrem correntes de ar, a temperatura do ETR permanece aproximadamente constante. A Figura II.13 mostra a placa de circuito impresso padrão, com a disposição dos componentes. Figura II.13 Placa de circuito de controle da célula A alimentação interna da célula é provida por uma bateria chumbo-ácido regulada por válvula, com tensão de 12 Volts e capacidade de 14Ah. A Figura II.14 mostra o conjunto dos elementos do circuito de controle e alimentação da célula de ensaio: (a) bateria chumbo-ácido; (b) dissipador de calor de alumínio dos transistores de potência; (c) placa de controle principal; (d) placa de resistores de equalização de corrente; (e) multímetro para monitoração de tensão de saída. Figura II.14 - Elementos do circuito de controle e alimentação da célula de ensaio

56 42 Figura II.15 mostra a célula de ensaio aberta com os respectivos elementos internos, após a montagem dos mesmos no chassi e na posição de encaixe. Figura II.15 - Célula de ensaio aberta com os elementos internos A Figura II.16 mostra a célula de ensaio vista por trás, onde foi montado um voltímetro DC para monitoramento da tensão aplicada sobre o resistor do elemento térmico de referência. Figura II.16 - Célula de ensaio vista pela parte traseira com o voltímetro digital

57 43 A Figura II.17 mostra o elemento térmico de referência aquecido à máxima temperatura alcançada pelo sistema de controle (temperatura aproximada de C, medida posteriormente com o termovisor FLIR). Durante os ensaios o elemento térmico de referência foi mantido o menor tempo necessário para a medição nesta máxima temperatura, com o objetivo de prolongamento de sua vida útil. Figura II.17 Teste do ETR sob a máxima tensão de controle da célula A Figura II.18 mostra a célula de ensaio construída para realização dos ensaios, instalada no case de alumínio, acoplada ao seu elemento térmico de referência. Figura II.18 Célula de ensaio acoplada ao ETR

58 44 A Figura II.19 mostra a fonte de alimentação regulada utilizada para carga das baterias chumbo-ácidas da célula de ensaio e bateria auxiliar Figura II.19 - Fonte AC utilizada para carga da bateria chumbo-ácido da célula de ensaio Etapa Testes Operativos da Célula de Ensaio em Condições de Bancada, (Calibração do Elemento Térmico de Referência ETR ) Após a revisão geral dos circuitos de controle e conexões internas da célula de ensaio, procedeu-se aos testes operativos da célula em condições de baixa tensão, ou seja, estando a mesma completamente isolada de qualquer fonte de tensão externa Seqüência de Procedimentos para Execução dos Testes em Baixa Tensão a) proceder a carga completa da bateria interna da célula de ensaio; b) desconectar o cabo de carga da bateria; c) ligar as chaves de alimentação da célula e do controle remoto; d) acionar o botão de AUMENTAR a temperatura no controle remoto - deverá acender o led vermelho e poderá ser constatado o aumento da temperatura do ETR com o termopar e medidor digital - registrar os valores de temperatura ajustados no ETR e respectivas tensões sobre o resistor do ETR para cada uma das temperaturas; e) acionar o botão de REDUZIR a temperatura no controle remoto - deverá acender o led verde e poderá ser constatada a redução da voltagem sobre o ETR; f) desligar as chaves de alimentação da célula e do controle remoto; g) registrar a temperatura ambiente.

59 Testes Operativos com Fonte de Média Tensão AC e Freqüência Industrial (60Hz) Ensaio preliminar de média-tensão - 10 kv, para verificar o correto funcionamento do circuito de controle remoto de temperatura do ETR em condições de interferência eletromagnética provocada por efeito corona; NOTA: Para ensaios com média e alta tensão, foram seguidos todos os procedimentos para trabalhos de medição em alta tensão. Todos os participantes dos ensaios estavam plenamente habilitados conforme as mais recentes normas regulamentadoras para execução de serviços em eletricidade [31] Seqüência de Procedimentos para Execução dos Testes em Média Tensão a) proceder a carga completa da bateria interna da célula de ensaio; b) desconectar o cabo de carga da bateria; c) montar a célula de ensaio sobre uma base isolante com capacidade de isolamento para a classe 15 kv foi utilizado uma placa de isopor de 5 cm de espessura; d) conectar a célula de ensaio à bucha de saída de um transformador de alta tensão (10kV) com cabo isolado para a classe 15 kv; e) conectar a carcaça do transformador de alta tensão à terra; f) ligar as chaves de alimentação da célula e do controle remoto; g) Ligar remotamente o primário do transformador de alta tensão à rede de alimentação CA de 127 volts; h) acionar o botão de AUMENTAR a temperatura no controle remoto - deverá acender o led vermelho e poderá ser constatado o aumento da temperatura do ETR visualmente à uma dada distância de segurança; i) acionar o botão de REDUZIR a temperatura no controle remoto - deverá acender o led verde e poderá ser constatada a redução da voltagem sobre o ETR; j) desligar a alimentação CA do transformador de alta tensão; k) desligar as chaves de alimentação da célula e do controle remoto; Análise do resultado: O resultado do teste foi satisfatório. Ao realizar-se o comando de aumento ou redução da temperatura do ETR, o respectivo comando foi realizado, independentemente da ocorrência de corona audível na superfície do case da célula de ensaio.

60 Descrição dos Testes de Correlação com a Célula de Ensaio com Fonte de 10 kv e Freqüência Industrial (60Hz), Realizados no Laboratório da Empresa DSP, em Santa Rita do Sapucaí- 1ª Conjunto de Ensaios Relação dos sistemas de medição utilizados para aquisição e registro dos sinais de descargas parciais gerados na superfície do ETR : (b) Pistola de ultra-som Ultraprobe 2000 da Instronic - O Ultraprobe é um equipamento de detecção de ruído ultra-sônico que opera pelo principio de batimento entre as freqüências do sinal ultra-sônico captado, com a freqüência de um oscilador interno que pode ser variada, de forma a obter-se em sua saída um sinal na faixa audível de 2,5 khz. A Figura II.20 mostra a pistola de ultra som Ultraprobe 2000 e seu conjunto de acessórios (fones de ouvido, sensores para diversos tipos de detecção, carregador de baterias, etc.). Figura II.20 - Pistola de ultra-som Ultraprobe 2000 e acessórios A Figura II.21 mostra a vista traseira da pistola de ultra-som onde se encontra o ajuste de sensibilidade e o conector de saída de áudio P2 e o medidor de intensidade do sinal. Ajuste de sensibilidade Figura II.21 Parte traseira da pistola de ultra-som

61 47 (b) Osciloscópio Tektronix TDS 2014B Figura II.22 Utilizado para visualização, registro e processamento dos sinais na faixa audível, obtidos após o batimento de freqüências do sinal de ruído ultra-sônico captado, com o sinal do oscilador interno da pistola de ultra-som Ultraprobe Figura II.22 Osciloscópio Tektronix TDS 2014B (c) Transformador de alta tensão (10kV) Utilizado para fornecer a alta tensão necessária ao ensaio, ou seja, produzir os gradientes de campo elétrico suficientemente intensos na superfície do ETR, de forma a produzir o surgimento do efeito corona e conseqüente geração do ruído ultra-sônico. Figura II.23 Transformador de alta tensão (10 kv) utilizado para realização da primeira bateria de ensaios em média tensão.

62 48 (d) Divisor resistivo para medição de alta tensão com relação de 1:100 Utilizado para permitir a medição da tensão AC de saída do transformador de alta tensão. Foi construído com resistores de precisão de filme metálico e aferido com base em padrão de tensão da Analog Device. Figura II.24 Divisor resistivo para medição de alta tensão. (e) Bateria chumbo-ácido auxiliar para alimentação da célula Devido à duração dos ensaios ter se prolongado por um período de 2 dias, na empresa DSP telecomunicações, constatou-se a necessidade de utilização de bateria auxiliar ligada em paralelo com a bateria interna da célula de ensaio, para evitar que houvesse variação da tensão e consequentemente da temperatura do ETR durante as medições. A figura II.22 mostra a Blindagem de alumínio utilizada para proteção da bateria auxiliar, quanto a possíveis riscos de ignição do hidrogênio normalmente presente na parte superior das baterias chumbo-àcidas provocada pelo efeito do corona nos bornes da bateria. Durante os ensaios, esta bateria fica ao mesmo potencial (alta tensão) da célula de ensaio. Figura II.25 Blindagem de alumínio para proteção da bateria auxiliar

63 Descrição das condições de execução do primeiro conjunto de ensaios com tensão de 10kV em corrente alternada 60 Hz. A célula de ensaio foi montada sobre uma base isolante (placa de isopor tamanho padrão) com 5 cm de espessura. Sobre a mesma base foi colocado o transformador de alta tensão de 10 kv. O chassi da célula foi ligado à bucha de saída de AT (H2 do enrolamento de alta tensão) do transformador. O lado H1 do enrolamento de alta tensão, foi conectado à um plano terra artificial simulado por uma placa de circuito impresso de cobre de 40 x 40 cm. Esta placa foi instalada abaixo do cone defletor de ultra som do ETR à uma distância de 50 cm. Na parte de baixo da bancada, foi instalada a bateria auxiliar sobre uma placa de madeira de 4 cm de espessura e esta bateria foi conectada em paralelo com a bateria da célula de ensaio com o cuidado para que estes condutores de interligação fossem afastados da bancada. No cabo de alimentação de corrente alternada do enrolamento de baixa tensão do transformador, foi instalado um interruptor, de forma que o transformador possa ser ligado e desligado à uma distância de segurança da bancada. As figuras II.24 e II.25 apresentam a disposição dos equipamentos na bancada de geração de sinais ultra-sônicos e a figura II.26 a disposição dos instrumentos na bancada de aquisição dos sinais gerados neste primeiro conjunto de ensaios. Figura II.26 Disposição dos equipamentos na bancada de geração de sinais

64 50 Figura II.27 Leiaute dos equipamentos para ensaio à distância de 1 metro entre ETR e sensor de ultra som Figura II.28 Disposição dos equipamentos na bancada de aquisição de sinais A iluminação ambiente, que utiliza reatores magnéticos geradores de ruído ultra-sônico, foi desligada, e o laboratório foi fechado de forma a evitar-se ao máximo a circulação de

65 51 correntes de ar que dificultariam o controle de temperatura do ETR. A figura II.26 apresenta a disposição dos instrumentos para a distância de 9m entre a pistola de ultra som e o ETR. Figura II.29 Ambiente com iluminação fluorescente desligada e ETR a 9m do sensor Foram realizadas as medidas da temperatura ambiente e umidade do ar e pré-testados o funcionamento do controle remoto de temperatura da célula e dos sistemas de medição e registro. Medição das temperaturas de superfície do ETR e das tensões de referência Devido à indisponibilidade de uma câmara de termografia para medição das temperaturas de superfície do ETR durante a execução desta primeira bateria de ensaios, foi utilizado um termopar. Antes de cada registro de padrão espectral de ruído, desligou-se a alta tensão, registrando-se simultâneamente a temperatura da superfície do ETR e a respectiva tensão DC aplicada ao resistor (Tabela II.1). Estes valores de tensão foram utilizados como referência para ajuste rápido da temperatura do ETR, fazendo-se o refinamento do ajuste de temperatura de superfície com o termopar, antes da conexão da alta tensão para a realização do registro dos respectivos padrões de ruído ultra-sônico.

66 52 Tabela II.1. Tensão aplicada ao resistor e temperaturas medidas no ETR Tensões Aplicadas ao Resistor e Temperaturas medidas no ETR Tensão Temperatura Distância em metros Volts 0 C 1,0 3,0 9, reg. 3 reg. 3 reg. 1, reg. 3 reg. 3 reg. 1, reg. 3 reg. 3 reg. 3, reg. 3 reg. 3 reg. 3, reg. 3 reg. 3 reg. 4, reg. 3 reg. 3 reg. 5, reg. 3 reg. 3 reg. 6, reg. 3 reg. 3 reg. 7, reg. 3 reg. 3 reg Descrição do Ambiente de Medidas. a) Condição inicial: Célula de ensaio com bateria interna e externa carregada e temperatura do ETR em equilíbrio com ambiente. b) Ajustes do Sensor de ultra-som: - Equipamento: ULTRAPROBE Sensibilidade (linear, banda aberta, nível 9) - Ajuste: 8 - Medidor: Com Alta tensão desligada: 4. Com Alta tensão ligada: Sensor de ultra-som: 40 khz. c) Ajustes do Analisador de Espectro de Freqüência: - Equipamento: Osciloscópio Digital Tektronix modelo TDS2014B com modulo de FFT. - Serial Number, C , , - FFT de 2048 pontos - Filtro de média com 128 pontos; - Janela Retangular. d) Características do ambiente: - Temperatura: 20 graus centígrados. - Umidade Relativa: 81%. - Iluminação com Lâmpadas Fluorescentes: Desligada. - Distância do ETR ao terra virtual: 0,5 m - Distância do ETR ao transdutor ultra-sônico: 1,0; 3,0 e 9,0 m

67 Conclusões Este capítulo descreveu o projeto e construção de uma célula de ensaio para simular a ocorrência de um ponto quente em um componente instalado na alta tensão e a realização de um primeiro conjunto de experimentos com vista à comprovação da correlação proposta, ou seja; a possibilidade de detecção de pontos quentes, a partir da medição das variações das grandezas associadas ao fenômeno de descargas parciais (corona), com a utilização da técnica de ultra-som associada ao processamento digital de sinais. A célula projetada e a instrumentação de detecção de registro utilizada apresentaram bons resultados durante a realização dos ensaios. Foram realizados os registros dos padrões ultra-sônicos gerados sob diversas condições de temperatura do elemento térmico de referência, aplicando-se 10 kv à célula de ensaio.

68 54 CAPÍTULO III RESULTADOS OBTIDOS DO PRIMEIRO CONJUNTO DE ENSAIOS EM SANTA RITA DO SAPUCAÍ/MG As medições foram realizadas para 9 condições de temperatura do elemento térmico de referência, na tensão CA fixa de 10 kv; 60Hz, aplicada à célula de ensaio. As 9 condições de ajuste de temperatura do ETR, foram repetidas para as distâncias de 1m, 3m entre o sensor de ultra-som da pistola Ultraprobe e o elemento térmico de referência da célula. Para a distância de 9 metros foram realizados registros apenas para as temperaturas de 20 0 C, 80 0 C, C e C. Procurou-se obter padrões de ruídos espectrais das descargas parciais para as várias temperaturas do ETR, mantendo-se constante, na medida do possível as outras variáveis. Para cada temperatura do ETR, foram realizados 3 registros de medição, com o objetivo de compensar principalmente, pequenas variações da tensão da alimentação CA do transformador de média tensão e que naturalmente se refletem como variações de tensão no lado de 10 KV do transformador. A Tabela III.1 abaixo apresenta a estrutura geral de registro dos arquivos digitais, utilizada para armazenamento dos diversos resultados de medição para as várias condições ensaiadas. Na coluna Ajuste Temperatura/Tensão foram fixados os valores de tensão aplicados no resistor do ETR e respectiva temperatura obtida na medição de referência (item ). Tabela III.1 Estrutura geral de registro para arquivos de dados gerados Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Tensão da rede: 123 V CA Escala: X db/div Hora: XX:YY Item Ajuste Temperatura/Tensão 1 Referência, temperatura ambiente de 20 0 C 2 V R = 1,30 volts T R = 80 0 C 3 V R = 1,95 volts T R = C 4 V R = 3,15 volts T R = C Nome do Pasta/Arquivo ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX

69 55 5 V R = 3,92 volts T R = 350 o C 6 V R = 4,60 volts T R = 395 o C 7 V R = 5,40 volts T R = 492 o C 8 V R = 6,50 volts T R = 526 o C 9 V R = 7,26 volts T R = 592 o C ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX ALL0XX Nota: Todos os arquivos digitais dos diversos registros encontram-se à disposição com o autor no gavieira@furnas.com.br, para possível aplicação de outras técnicas de processamento de sinais que a utilizada neste trabalho, e que por sua vez possam apresentar maior eficiência na discriminação dos padrões de ruído ultra-sônico obtidos para diferentes temperaturas do ETR Primeiro Conjunto de Ensaios Laboratório da Empresa DSP Telecomunicações Registro Parcial das Medições: Registro da medição realizada para caracterização do padrão de ruído espectral ambiente com o ETR na temperatura de 20 o C com a alta tensão e iluminação desligadas. Curva medida arquivo: ALL004. NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL004 Alta tensão desligada Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 20 0 C (T amb. ) Tensão DC no sensor = 0 Volts 16-Nov-07 Hora: 17:07 5dB/div vert. 100 ks/s Oscilador local em 37,5 khz 5kHz/div-horiz.

70 56 Registro dos padrões com a coleta de três padrões espectrais consecutivos para cada temperatura ajustada no elemento térmico de referência. Tabela III.2 Estrutura de registro para arquivos de dados gerados distância 1 m Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Tensão da rede: 123 V CA Escala: 5 db/div Hora: 21:45 Item Ajuste Temperatura/ Tensão Nome do Pasta/Arquivo 1 Referência, temperatura ambiente de 20 0 C 2 V R = 1,30 volts T R = 80 0 C 3 V R = 1,95 volts T R = C 4 V R = 3,15 volts T R = C 5 V R = 3,92 volts T R = C 6 V R = 4,60 volts T R = C 7 V R = 5,40 volts T R = C 8 V R = 6,50 volts T R = C 9 V R = 7,26 volts T R = C ALL018 ALL019 ALL020 ALL021 ALL022 ALL023 ALL024 ALL025 ALL026 ALL027 ALL028 ALL029 ALL030 ALL031 ALL032 ALL033 ALL034 ALL035 ALL036 ALL37 ALL038 ALL039 ALL40 ALL041 ALL046 ALL47 ALL048 NOTA: Devido à limitação de espaço, só estão incluídos neste trabalho o primeiro dos três registros FFT do espectro ultra-sônico para cada uma das temperaturas ajustadas no ETR.

71 57 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL018 Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Alta tensão ligada Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 20 0 C (T amb. ) Tensão DC no sensor = 0 Volts 16-Nov-07 Hora: 21:51 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL021 Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Escala: 5 db/div Tensão DC no sensor = 1,306 Volts 16-Nov-07 Hora: 21:56 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL024 Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Escala: 5 db/div Tensão DC no sensor = 1,952 Volts 16-Nov-07 Hora: 22:01

72 58 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL027 Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Escala: 5 db/div Tensão da rede: 123 V CA Tensão DC no sensor = 3,150 Volts 16-Nov-07 Hora: 22:05 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL030 Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Escala: 5 db/div Tensão da rede: 123 V CA Tensão DC no sensor = 3,920 Volts 16-Nov-07 Hora: 22:08 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL033 Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Escala: 5 db/div Tensão da rede: 123 V CA Tensão DC no sensor = 4,600 Volts 16-Nov-07 Hora: 22:14

73 59 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL036 Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Escala: 5 db/div Tensão da rede: 123 V CA Tensão DC no sensor = 5,400 Volts 16-Nov-07 Hora: 22:18 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL039 Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Escala: 5 db/div Tensão da rede: 123 V CA Tensão DC no sensor = 6,500 Volts 16-Nov-07 Hora: 22:24 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL046 Distancia da fonte ao medidor: 1 metro Escala: 5 db/div Tensão da rede: 123 V CA Tensão DC no sensor = 7,260 Volts 16-Nov-07 Hora: 22:52

74 60 Tabela III.3 Estrutura de registro para arquivos de dados gerados distância 3 m Distancia da fonte ao medidor: 3 metros Tensão da rede: 127 V CA Escala: 5 db/div Item Ajuste Temperatura/Tensão Nome do Pasta/Arquivo 1 Referência, temperatura ambiente de 20 0 C 2 V R = 1,30 volts T R = 80 0 C 3 V R = 1,95 volts T R = C 4 V R = 3,15 volts T R = C 5 V R = 3,92 volts T R = C 6 V R = 4,60 volts T R = C 7 V R = 5,40 volts T R = C 8 V R = 6,50 volts T R = C 9 V R = 7,26 volts T R = C ALL064 ALL065 ALL066 ALL067 ALL068 ALL069 ALL070 ALL071=72 ALL073 ALL074 ALL075 ALL076 ALL077 ALL078 ALL079 ALL080 ALL081 ALL082 ALL083 ALL084 ALL085=86 ALL087 ALL088 ALL089 ALL090 ALL091 ALL092

75 61 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL064 Distancia da fonte ao medidor: 3 m Escala: 5 db/div Tensão da rede: 127 V CA Tensão DC no sensor = 0 Volts 16-Nov-07 Hora: 23:29 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL067 Distancia da fonte ao medidor: 3 m Escala: 5 db/div Tensão da rede: 127 V CA Tensão DC no sensor = 1,306 Volts 16-Nov-07 Hora: 23:32 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL070 Distancia da fonte ao medidor: 3 m Escala: 5 db/div Tensão da rede: 127 V CA Tensão DC no sensor = 1,952 Volts 16-Nov-07 Hora: 23:35

76 62 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL074 Distancia da fonte ao medidor: 3 m Escala: 5 db/div Tensão da rede: 127 V CA Tensão DC no sensor = 3,150 Volts 16-Nov-07 Hora: 23:40 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL077 Distancia da fonte ao medidor: 3 m Escala: 5 db/div Tensão da rede: 127 V CA Tensão DC no sensor = 3,920 Volts 16-Nov-07 Hora: 23:44 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL080 Distancia da fonte ao medidor: 3 m Escala: 5 db/div Tensão da rede: 127 V CA Tensão DC no sensor = 4,600 Volts 16-Nov-07 Hora: 23:48

77 63 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL083 Distancia da fonte ao medidor: 3 m Escala: 5 db/div Tensão da rede: 127 V CA Tensão DC no sensor = 5,400 Volts 16-Nov-07 Hora: 23:53 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL087 Distancia da fonte ao medidor: 3 m Escala: 5 db/div Tensão da rede: 127 V CA Tensão DC no sensor = 6,500 Volts 16-Nov-07 Hora: 23:58 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL090 Distancia da fonte ao medidor: 3 m Escala: 5 db/div Tensão da rede: 127 V CA Tensão DC no sensor = 7,260 Volts 17-Nov-07 Hora: 00:02

78 64 Tabela III.4 Estrutura de registro para arquivos de dados gerados distância 9 m Distancia da fonte ao medidor: 9 metros Tensão da rede: 127 V CA Escala: 5 db/div Item Ajuste Temperatura/ Tensão Nome do Pasta/Arquivo 1 Referencia, temperatura ambiente de 20 0 C 2 V R = 1,30 volts T R = 80 0 C 4 V R = 3,92 volts T R = C 5 V R = 7,26 volts T R = C ALL105 ALL106 ALL107 ALL108 ALL109 ALL110 ALL111 ALL112 ALL113 ALL114 ALL115 ALL116 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL0105 Distancia da fonte ao medidor: 9 m Alta tensão ligada Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 20 0 C (T amb. ) Tensão DC no sensor = 0 Volts 17-Nov-07 Hora: 00:39

79 65 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL108 Distancia da fonte ao medidor: 9 m Escala: 5 db/div Tensão DC no sensor = 1,306 Volts 17-Nov-07 Hora: 00:43 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL111 Distancia da fonte ao medidor: 9 m Escala: 5 db/div Tensão DC no sensor = 3,920 Volts 17-Nov-07 Hora: 00:47 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL0114 Distancia da fonte ao medidor: 9 m Escala: 5 db/div Tensão DC no sensor = 7,260 Volts 17-Nov-07 Hora: 00:51 C

80 Conclusões Neste primeiro conjunto de ensaios, foram realizadas medições dos padrões de ruído ultra-sônico para 9 condições de temperatura do elemento térmico de referência, na tensão CA fixa de 10 kv; 60Hz. As medições foram repetidas para as distâncias de 1m, 3m e 9m entre o sensor de ultra-som da pistola Ultraprobe e o elemento térmico de referência da célula. Procurou-se manter-se constante, as outras variáveis que pudessem interferir no fenômeno de interesse. Foi criada uma estrutura de registro dos arquivos de sinais obtidos para as várias condições de ensaiadas.. No capítulo IV é descrita a técnica utilizada para registrar e analisar o espectro dos sinais ultra-sônicos obtidos, deste primeiro conjunto de ensaios e os resultados obtidos.

81 67 CAPÍTULO IV DISCUSSÃO - ANÁLISE COMPARATIVA DOS RESULTADOS DO PRIMEIRO CONJUNTO DE ENSAIOS 4.1. Introdução Este capítulo descreve a técnica utilizada para registrar e analisar o espectro dos sinais ultra-sônicos obtidos, no primeiro conjunto de ensaios realizados no laboratório da empresa DSP Telecomunicações. A técnica de classificação de padrões tem-se mostrado como uma ferramenta eficaz para avaliar a condição operativa de equipamentos e tem sido utilizada com sucesso em identificação de uma série de processos [32]. Como discutido neste trabalho, propõem-se mais uma aplicação, através da comparação de padrões de espectro ultra-sônico, para auxiliar as equipes de manutenção avaliar a condição operativa dos equipamentos dos sistemas elétricos de potência em relação à possível ocorrência de pontos quentes em seus componentes Descrição da Técnica da Obtenção do Espectro Ultra-sônico. A Figura IV.1 mostra o diagrama de blocos do ensaio utilizado para a realização dos experimentos. Vamos definir o sinal de ultra-som s(t), dentro da faixa em torno de 40 khz, como o sinal recebido pelo detector de ultra-som e o sinal x(t) como o sinal de saída do detector ultra-sônico aplicado à entrada do osciloscópio. O sinal x(t) é o sinal processado pelo detector de ultra-som e está contido dentro da faixa espectral de sinal de áudio. Figura IV.1 Visão Geral do Sistema de Ensaio

82 68 Como descrito no capítulo II, os módulos para simular pontos quentes são o gerador de alta tensão (módulo de 10 kvolts), e a célula de ensaio com respectivo controle remoto, desenvolvida especificamente para este trabalho. Os módulos de medida para avaliar o espectro do sinal ultra-sônico são, o detector ultra-sônico modelo ULTRAPROBE 2000 e o osciloscópio digital modelo TDS 2014B equipado com o módulo FFT. A Figura IV.2 mostra o diagrama de blocos do detector ultra-sônico para o tratamento de sinais. O sinal processado pelo detector de ultra-som ULTRAPROBE 2000 é um sinal na faixa de áudio, que pode ser auscultado por um fone de ouvido ou ser aplicado à entrada de um sistema de processamento de sinais, como um osciloscópio, por exemplo. Figura IV.2 Diagrama de blocos do processamento de sinais do detector ultra-sônico. O sinal ultra-sônico detectado, s(t), com espectro de freqüência representado por S(f) na figura IV.3 (a) será mixado com um sinal cosenoidal de 37 khz. A figura IV.3 (b) mostra o espectro ideal do sinal de 37 khz. O resultado da mixagem é mostrado na figura IV.3 (c), onde o sinal ultra-sônico estará presente em dois pontos do espectro, a primeira em torno de S(f)+37 khz e a segunda em torno de S(f)-37 khz, sinal denominado de R(f). Após o mixer o sinal é aplicado em um filtro passa baixa, ainda dentro do detector ultra-sônico, para selecionar como saída do detector o sinal na faixa de áudio, denominado de X(f) correspondente ao domínio do tempo x(t), como mostrada na Figura IV.3 (d).

83 69 Figura IV.3 Processamento espectral no detector ultra-sônico. O sinal x(t) é aplicado à entrada do osciloscópio digital equipado com o modulo de FFT para o processamento digital do sinal. Antes de calcular a FFT o sinal passa por uma janela Retangular Figura IV.4. Figura IV.4 Diagrama de blocos de processamento do sinal x(t)

84 70 O sinal x(t) antes de ser aplicado no modulo da transformada de Fourier passa por uma janela retangular para minimizar o efeito do fenômeno de Gibbs, oscilações próximas ao inicio e final do processo transformado. w ( n) = 1, 0 n N Após a janela Retangular é calculado a FFT com 2048 pontos, expressa pela equação X ( k ) = x( n) e j 2π. kn / N Onde k =0,1,2,... N-1 representa o numero de bits processados pela DFT e n=0,1,2,...,n-1 representa o numero de amostras de sinais no domínio do tempo. O espectro obtido na saída do modulo da FFT é a representação do padrão espectral ultra-sônico. O resultado do processamento foi salvo, através de uma memória USB externa, para ser analisado Análise dos Resultados São apresentadas a seguir (Figura IV.5, IV.6 e IV.7) os padrões espectrais do ruído ultra-sônico obtido, para a condição de tensão AC aplicada de 10 kv, estando o ETR nas temperaturas de 20 0 C, C e C. Foi aplicada a função de média móvel do programa Microsoft Excel com período 2, nos valores das amplitudes em db para estes espectros de freqüências. A função de média móvel, com período 2 foi a que forneceu melhores resultados para discriminação entre os padrões das diferentes temperaturas. Todos os outros parâmetros de influência no fenômeno, foram, dentro das possibilidades, mantidos constantes. A Figura IV.8 apresenta a sobreposição das curvas anteriores.

85 71 Padrão espectral para Tamb C Amplitude relativa -40,00-45,00-50,00-55,00-60,00-65,00-70,00-75,00-80,00-85,00-90, Amostras/segundo Figura IV.5 - Padrão espectral para tensão de 10 kv e temperatura ambiente de 20 0 C. Padrão espectral para C Amplitude relativa -40,00-45,00-50,00-55,00-60,00-65,00-70,00-75,00-80,00-85,00-90, Amostras/segundo Figura IV.6 - Padrão espectral para tensão de 10 kv e temperatura do ETR de C.

86 72 Padrão espectral para C Amplitude relativa -40,00-45,00-50,00-55,00-60,00-65,00-70,00-75,00-80,00-85, Amostras/segundo Figura IV.7 - Padrão espectral para tensão de 10 kv e temperatura do ETR de 592 0C. Padrão espectral comparativo entre 20, 100 e C Amplitudes relativas -40,00-45,00-50,00-55,00-60,00-65,00-70,00-75,00-80,00-85,00-90, Amostras/segundo Figura IV.8 Sobreposição dos padrões espectrais para tensão de 10 kv e temperaturas do ETR de 20 0 C, C e C.

87 Conclusões Sobre os Resultados Obtidos no Primeiro Conjunto de Ensaios a) Como pode ser observado na Figura IV.8, onde foram sobrepostos (na mesma escala) os padrões espectrais obtidos para as temperaturas de 20 0 C, C e C (Figuras IV.5, IV.6 e IV.7), ocorre uma identificável alteração das amplitudes (db) entre os padrões espectrais obtidos para as três temperaturas do ETR à mesma tensão aplicada; b) Para outras condições de medição realizadas neste primeiro conjunto de ensaios, na DSP TELECOMUNICAÇÕES, tais como; variação da distância do ETR ao detector da pistola de ultra-som até a distância de 9 metros e tensão AC aplicada ao ETR de 10 kv, também foi possível a identificação dos diferentes padrões, relativos à cada uma das temperaturas ajustadas ao ETR; c) Neste primeiro conjunto de ensaios, não foi possível variar a tensão AC aplicada ao ETR, por não se dispor de transformador de alta tensão com possibilidade de ajuste do valor de tensão aplicada. Novos ensaios foram então programados no laboratório de alta tensão da empresa FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. d) Durante a execução dos diversos ensaios na empresa DSP Telecomunicações, constatou-se de forma inequívoca que, a execução de comandos para aumentar ou diminuir a temperatura do elemento térmico de referência, com o controle remoto da célula, sempre produzia variações perceptíveis dos padrões espectrais na tela do osciloscópio. Este fato provocou, ao longo do período de 2 dias de realização destes ensaios, uma capacitação do operador do osciloscópio, de inferir sobre o tipo de variação que estava em andamento num dado momento (aumento ou redução da temperatura do ETR), e propor uma estimativa da ordem de grandeza desta variação, com uma excelente margem de acerto na maioria dos casos.

88 74 CAPÍTULO V MÉTODOS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA O SEGUNDO CONJUNTO DE ENSAIOS Foram realizados nos dias 17 e 18 de dezembro de 2007, no laboratório de medidas elétricas do Centro Técnico de Ensaios da empresa Furnas Centrais Elétricas S.A. em Passos/MG, testes de correlação de padrões espectrais, com a célula de ensaio, aplicando-se tensões de freqüência industrial de até 200kV, e com possibilidade de variar o valor da tensão AC (ensaio de alta-tensão a freqüência industrial). Local de realização dos ensaios: Endereço: Centro Técnico de Ensaios e Medições CTE.O/Passos - MG 5.1. Metodologia Para a realização deste segundo conjunto de ensaios no laboratório de medidas elétricas do Centro Técnico de Ensaios da empresa Furnas Centrais Elétricas, além dos sistemas de medição utilizados na primeira bateria de ensaios na empresa DSP, foram acrescentados os seguintes equipamentos: (a) A Figura V.1 mostra uma câmera de ultravioleta DayCor Superb. É um dispositivo projetado para gerar imagens visíveis de ultravioleta (UV) à luz do dia, com o objetivo de detectar fontes emissoras de UV, tais como arco elétrico e corona. O objetivo de sua utilização nos ensaios foi obter padrões comparativos de imagem de descargas parciais no ETR à uma dada tensão aplicada para duas ou mais temperaturas diferentes. Figura V.1 - Câmera de ultravioleta DayCor Superb

89 75 A Figura V.2 mostra o resultado de uma simulação de ocorrência de corona em uma das saias de um isolador de vidro, tal como poderia ser visualizado com uma câmara de ultra-violeta. Figura V.2 Simulação de ocorrência de corona em saia de isolador (b) A Figura V.3 mostra uma câmera de termo visão utilizada para a medição e registro (termogramas) de temperaturas à distância, na técnica de termografia ou termo visão baseada na detecção das radiações eletromagnéticas com comprimentos de onda na faixa do infravermelho. Figura V.3 Câmara de termo-visão FLIR P60

90 76 (c) A Figura V.4 mostra a fonte de alta tensão HIPOTRONICS de até 300 kv rms, 60Hz utilizada para ensaios gerais de alta tensão em equipamentos. Figura V.4 Fonte de Alta Tensão HIPOTRONICS 5.2. Condições de Execução dos Ensaios Para a execução dos ensaios visando a simulação de uma condição real normal e anormal de operação de um dado contato elétrico, os seguintes passos foram realizados: (a) Foi escolhido um equipamento de alta tensão de referência Figura V.5 (secionador RD 500 da Bouthorpe Power Equipment tensão nominal 362 kv) utilizado amplamente em sistemas de transmissão de energia elétrica em alta tensão [9], a partir do qual foram identificadas as distâncias de isolação entre fases e fase e fase e terra em que seus componentes são instalados. A distância fase-terra foi utilizada para definir o espaçamento entre o ETR e o piso do laboratório, de forma a apresentar condições de campo elétrico faseterra semelhante, em relação à situação real de operação do equipamento.

91 77 Figura V.5 - Secionador RD 500 da Bouthorpe Power Equipment (b) A célula de ensaio foi então instalada no barramento de saída da fonte de alta tensão de 345kV HIPOTRONICS (Figura V.6) do laboratório do Centro Técnico de Ensaios em uma altura em relação ao piso representativa das condições reais de operação. As Figuras V.7 e V.8 apresentam o leiaute dos sistemas de aquisição e registro utilizados nos ensaios e as Figuras V.9 e V.10 o leiaute com o posicionamento do ETR em relação aos sistemas de aquisição e ao piso do laboratório Figura V.6 Célula de ensaio fixada ao barramento da fonte de alta tensão HIPOTRONICS

92 78 Cone receptor da pistola Ultraprobe Figura V.7 Disposição dos equipamentos na bancada de instrumentos Figura V.8 Leiaute dos sistemas de aquisição de sinais para execução dos ensaios.

93 79 Figura V.9 Leiaute do posicionamento do ETR em relação ao piso e detector de ultra-som (c) A iluminação ambiente, que utiliza reatores magnéticos para as lâmpadas a vapor de mercúrio do laboratório, geradores de ruído ultra-sônico, foi desligada, e o laboratório foi fechado de forma a evitar-se ao máximo a circulação de correntes de ar que dificultariam a estabilização da temperatura do ETR. Figura V.10 Ambiente do laboratório com a iluminação desligada

94 Descrição do Ambiente de Medidas a) Condição inicial: Célula de ensaio com bateria interna carregada e temperatura do ETR em equilíbrio com ambiente. b) Ajustes do detector de ultra-som - Equipamento: ULTRAPROBE Sensibilidade (linear, banda aberta, nível 9) - Ajuste: 8 - Freqüência de ressonância do transdutor ultra sônico: 40 khz. c) Ajustes do Analisador de Espectro de Freqüência: - Equipamento: Osciloscópio Digital Tektronix modelo TDS2014B com modulo de FFT. - FFT de 2048 pontos - Filtro de média com 128 pontos; - Janela Retangular. d) Características do ambiente: - Temperatura: 30 graus centígrados. - Umidade Relativa: 81%. - Iluminação desligada - Distância do ETR ao solo: 3,30 m - Distância do ETR ao transdutor ultra-sônico: 5,00 m 5.4. Execução dos Ensaios Ajuste do termovisor - Inicialmente, com a fonte de alta tensão desligada, procedeu-se o ajuste de emissividade do termovisor FLIR (Figura V.11), aplicando-se um termopar (Figura V.12) diretamente ao ETR da célula, e variando-se a sua temperatura, realizando a leitura e ajuste desta temperatura no termovisor. Para o alinhamento do cone da pistola de ultra-som com o ETR, foi utilizado o laser de uma trena ultra-sônica (Figura V.12).

95 81 Figura V.11 Termovisor FLIR direcionado para elemento térmico da célula Figura V.12 Termopar digital e trena ultra-sônica para medição de distâncias

96 Conclusões Embora os resultados obtidos no primeiro conjunto de ensaios tenham sido satisfatórios em termos da comprovação de correlação proposta, os ensaios realizados naquela etapa não permitiam variar o valor da tensão AC aplicada à célula de ensaio. O capítulo anterior descreveu os procedimentos e instrumentação adicionais utilizadas para o segundo conjunto de ensaios. Neste segundo conjunto de ensaios, foi possível elevar o valor da tensão AC aplicada através de uma fonte de alta tensão ajustável, e verificar a influência deste aumento nos níveis de ruído interferentes ao processo de comparação dos padrões espectrais para detecção da elevação da temperatura do ETR. No capítulo VI são apresentados os resultados obtidos neste segundo conjunto de ensaios.

97 83 CAPÍTULO VI REGISTRO DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS REALIZADOS NO LABORATÓRIO DO CENTRO TÉCNICO DE ENSAIOS FURNAS - 20 CONJUNTO DE ENSAIOS A Figura VI.1 mostra um termograma obtido do elemento térmico de referência para a temperatura de C ajustada por controle remoto e medida com a câmara FLIR. Ar1 Figura VI.1 Termograma do ETR à temperatura de C. A Figura VI.2 apresenta a imagem de um padrão de descargas parciais obtido com a câmara de ultravioleta DAYCOR, aplicando-se uma tensão de 100kV na blindagem da célula de ensaio e uma temperatura de 100 o C ajustada na superfície do ETR. fótons Figura VI.2 Padrão de descarga parcial (Imagem de UV) com uso de câmera DAYCOR

98 Registro dos Padrões de Ruído Ultra-sônico para os Diversos 5 Valores de Tensão Aplicada à Célula de Ensaio e 5 Temperaturas Ajustadas na Superfície do ETR As medições foram realizadas para 5 valores de temperaturas do elemento térmico de referência e 5 valores de tensões AC aplicadas à célula de ensaio, de forma a obter os padrões de ruídos espectrais das descargas parciais para várias classes de tensão de operação usuais para os equipamentos dos sistemas elétricos de potência. A tabela VI.1 resume estes resultados. Tabela VI.1 Registros de padrões ultra-sônicos para diversas tensões e temperaturas Tensões Aplicadas à Célula de Ensaio e Temperaturas do ETR V Tensão AC fase-fase (kv) Tensão AC faseterra (kv) Temp. 30 o C Temp. 70 o C Temp. 100 o C Temp. 283 o C Temp. 442 o C V reg. 3 reg. 3 reg. 3 reg. 3 reg. V ,2 3 reg. 3 reg. 3 reg. 3 reg. 3 reg. V ,9 3 reg. 3 reg. 3 reg. 3 reg. 3 reg. V ,8 3 reg. 3 reg. 3 reg. 3 reg. 3 reg. V reg. 3 reg. 3 reg. 3 reg. 3 reg. Para cada temperatura do ETR, a uma dada tensão fixa aplicada, foram realizados os seguintes registros: a) 01 registro do termograma do ETR; b) 01 registro da tensão AC aplicada; c) 01 registro da imagem de ultravioleta do ETR; d) 01 registro da temperatura e umidade ambiente; e) 03 registros dos espectros de freqüências do ruído ultra-sônico obtido para cada condição de ensaio.

99 Descrição do Ambiente de Medidas a) Equipamento Simulador de Descargas Parciais e Aquecimento testado e montado no local de ensaio. b) Ajustes do Sensor de ultra-som: - Equipamento: ULTRAPROBE Sensibilidade (linear, banda aberta, nível 9) - Sensor de ultra-som: 40 khz. c) Ajustes do Analisador de Espectro de Freqüência: - Equipamento: Osciloscópio Digital Tektronix modelo TDS2014B com modulo de FFT. - FFT de 2048 pontos - Filtro de média com 128 pontos; - Janela Retangular. d) Características do ambiente: - Temperatura: 30 graus centígrados. - Umidade Relativa: 81%. - Iluminação com Vapor de mercúrio: Desligada. e) Sinal de Batimento arquivo: ALL000/ Registro de Curvas com o Ajuste de Tensão Variável - Medição e Ajuste de Temperatura do ETR com a Flir (inicio às 9:55 horas) A Tabela VI.2, apresenta o registro de curvas com o ajuste de tensão variável e temperatura ambiente de 30 o C na superfície do ETR. Tabela VI.2 - Tensão variável e temperatura ambiente de 30 o C na superfície do ETR. Temperatura Ambiente = 30 o C. Tensão Espectro de Freqüência (Osciloscópio) Daycor II V 1 ALL 30/31/ ganho = _001 V 2 ALL 27/28/ ganho = 100. V 3 ALL 24/25/ ganho = 100. V 4 ALL 21/22/23 4,6 - ganho = 100. V 5 ALL 18/19/20 5 ganho = 30. Flir

100 86 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL030 Tensão da rede: 10 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 30 0 C (Tamb.) Tensão DC no sensor = 0 Volts 18-Dez-07 Hora: 10:31 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL027 Tensão da rede: 39 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 30 0 C (Tamb.) Tensão DC no sensor = 0 Volts 18-Dez-07 Hora: 10:28 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL024 Tensão da rede: 80 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 30 0 C (Tamb.) Tensão DC no sensor = 0 Volts 18-Dez-07 Hora: 10:25

101 87 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL021 Tensão da rede: 132 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 30 0 C (Tamb.) Tensão DC no sensor = 0 Volts 18-Dez-07 Hora: 10:22 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL018 Tensão da rede: 200 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 30 0 C (Tamb.) Tensão DC no sensor = 0 Volts 18-Dez-07 Hora: 10: Espectro Somente do Oscilador Local: ALL017 A Tabela VI.3, apresenta o registro de curvas com o ajuste de tensão variável e temperatura ajustada em 72 o C na superfície do ETR. Tensão Tabela VI.3- Tensão variável e temperatura de 72 o C na superfície do ETR. Temperatura = 72 o C. Espectro de Freqüência (Osciloscópio) Décor II V 1 ALL 33/34/ ganho = _001 V 2 ALL 37/38/ ganho = 100. V 3 ALL 43/44/ ganho = 100. V 4 ALL 46/47/ ganho = 100. V 5 ALL 50/51/52 11 ganho = 30. Flir

102 88 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL033 Tensão da rede: 10 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 72 0 C 18-Dez-07 Hora: 10:35 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL037 Tensão da rede: 39 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 72 0 C 18-Dez-07 Hora: 10:39 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL043 Tensão da rede: 80 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 72 0 C 18-Dez-07 Hora: 10:47

103 89 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL046 Tensão da rede: 132 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 72 0 C 18-Dez-07 Hora: 10:51 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL050 Tensão da rede: 200 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = 72 0 C 18-Dez-07 Hora: 10:56 A Tabela VI.4, apresenta o registro de curvas com o ajuste de tensão variável e temperatura ajustada em 100 o C na superfície do ETR. Tabela VI.4- Tensão variável e temperatura de 100 o C na superfície do ETR. Temperatura = 100 o C. Tensão Espectro de Freqüência V 1 ALL 71/72/73 V 2 ALL 67/68/69 V 3 ALL 64/65/66 V 4 ALL 59/60/61 V 5 ALL 55/56/57 (Osciloscópio) Daycor Flyr

104 90 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL071 Tensão da rede: 10 kv Escala: 2 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 11:18 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL067 Tensão da rede: 39 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 11:14 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL064 Tensão da rede: 80 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 11:10

105 91 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL059 Tensão da rede: 132 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 11:05 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL055 Tensão da rede: 200 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 11: Medida do Espectro Ambiente as 13:30 horas: ALL 074 A Tabela VI.5, apresenta o registro de curvas com o ajuste de tensão variável e temperatura ajustada em 282 o C na superfície do ETR. Tabela VI.5- Tensão variável e temperatura de 282 o C na superfície do ETR. Temperatura = 282 o C. Tensão Espectro de Freqüência V 1 ALL 75/76/77 V 2 ALL 79/80/81 V 3 ALL 83/84/85 V 4 ALL 87/88/89 V 5 ALL 91/92/93 (Osciloscópio) Daycor Flir

106 92 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL075 Tensão da rede: 10 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 13:44 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL079 Tensão da rede: 39 kv Escala: 2 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 13:50 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL083 Tensão da rede: 80 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 13:54

107 93 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL087 Tensão da rede: 132 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 13:59 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL091 Tensão da rede: 200 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 14:04 A Tabela VI.6, apresenta o registro de curvas com o ajuste de tensão variável e temperatura ajustada em 442 o C na superfície do ETR.. Tensão Tabela VI.6- Tensão variável e temperatura de 442 o C na superfície do ETR Temperatura = 442 o C. V 1 ALL 109/110 Espectro de Freqüência (Osciloscópio) V 2 ALL 106/107/108 V 3 ALL 103/104/105 V 4 ALL 100/101/102 V 5 ALL 94/95/96 Daycor Flir

108 94 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL109 Tensão da rede: 10 kv Escala: 2 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 14:28 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL106 Tensão da rede: 39 kv Escala: 2 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 14:25 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL103 Tensão da rede: 80 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 14:21

109 95 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL100 Tensão da rede: 132 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 14:16 NÚMERO DE REGISTRO DO ENSAIO ALL094 Tensão da rede: 200 kv Escala: 5 db/div Ajuste Temperatura sensor = C 18-Dez-07 Hora: 14:08

110 96 CAPÍTULO VII DISCUSSÃO - ANÁLISE COMPARATIVA DOS RESULTADOS DO SEGUNDO CONJUNTO DE ENSAIOS E PROPOSTAS DE DESENVOLVIMENTOS FUTUROS São apresentadas a seguir (Figuras VII.1, VII.2 e VII.3) os padrões espectrais do ruído ultra-sônico obtidos, para a condição de tensão AC aplicada de 10 kv, estando o ETR nas temperaturas de 30 0 C, 72 0 C e C. Foi aplicada a função de média móvel do programa Microsoft Excel com período 2, nos valores das amplitudes em db para estes espectros de freqüências. Todos os outros parâmetros de influência no fenômeno foram, dentro das possibilidades, mantidos constantes. A Figura VII.4 apresenta a sobreposição das curvas anteriores. Padrão espectral para 10 kv C Amplitude relativa Amostras/segundo Figura VII.1 Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV 30 0 C

111 97 Padrão espectral para 10 kv C Amplitude relativa Amostras/segundo Figura VII.2 Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV 72 0 C Padrão espectral para 10 kv C Amplitude relativa Amostras/segundo Figura VII.3 Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV C

112 98 Padrão espectral para 10 kv - 30, 72 e C Amplitudes relativas Amostras/segundo Figura VII.4 Comparação dos padrões espectrais 10kV 30, 72 e C São apresentadas a seguir (Figuras VII.5, VII.6 e VII.7) os padrões espectrais do ruído ultra-sônico obtidos, para a condição de tensão AC aplicada de 39 kv, estando o ETR nas temperaturas de 30 0 C, 100 e C. Foi aplicada a função de média móvel do programa Microsoft Excel com período 2, nos valores das amplitudes em db para estes espectros de freqüências. Todos os outros parâmetros de influência no fenômeno foram, dentro das possibilidades, mantidos constantes. A Figuras VII.8 apresenta a sobreposição das curvas anteriores.

113 99-55 Padrão espectral para 39kV C -60 Amplitude relativa Amostras/segundo Figura VII.5 Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV 30 0 C -55 Padrão espectral para 39kV C -60 Amplitude relativa Amostras/segundo Figura VII.6 Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV C

114 Padrão espectral para 39kV C -60 Amplitude relativa Amostras/segundo Figura VII.7 Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV C -55 Padrão espectral para 39kV - 30, 100 e C -60 Amplitudes relativas Amostras/segundo Figura VII.8 Comparação dos padrões espectrais 39kV 30, 100 e C