12ª Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos COTEQ2013-340 DETECÇÃO E CONTROLE DE POLUIÇÃO EM ISOLADORES DE ALTA TENSÃO ATRAVÉS DE TERMOGRAFIA Laerte dos Santos 1, Marcelo O. Morais Filho 2, Rodolfo V. Silva 3 Copyright 2013, ABENDI, ABRACO e IBP. Trabalho apresentado durante a 12ª Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos. As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es). Sinopse Este trabalho mostra como a Eletrobras Furnas, através de testes em laboratório e em campo, conseguiu determinar entre dois métodos de Ensaios Não Destrutivos, Termografia e Detecção de Corona por Ultravioleta, qual é o método de inspeção mais adequado para detectar poluição em isoladores de alta tensão. Através desses testes foi ainda possível definir qual método detecta mais precocemente a poluição em isoladores, possibilitando assim, determinar através de um procedimento específico, qual o melhor momento para limpá-los e evitar falhas ao sistema elétrico. A grande vantagem dessa metodologia é ser totalmente não invasiva ao Sistema, obtendo o diagnóstico com os equipamentos em operação e sem nenhuma necessidade de contato. 1 Doutor em Engenharia Elétrica, PMO ELETROBRAS FURNAS 2 Técnico em Eletrotécnica, PMO ELETROBRAS FURNAS 3 Técnico em eletrônica, PMO ELETROBRAS FURNAS
DETECÇÃO E CONTROLE DE POLUIÇÃO EM ISOLADORES DE ALTA TENSÃO ATRAVÉS DE TERMOGRAFIA Laerte dos Santos, Marcelo O. Morais Filho, Rodolfo V. Silva Sinopse Este trabalho mostra como a Eletrobras Furnas, através de testes em laboratório e em campo, conseguiu determinar entre dois métodos de Ensaios Não Destrutivos, Termografia e Detecção de Corona por Ultravioleta, qual o método de inspeção é mais adequado para detectar poluição em isoladores de alta tensão. Através desses testes foi ainda possível definir qual método detecta mais precocemente a poluição em isoladores, possibilitando assim, determinar através de um procedimento específico, qual o melhor momento para limpá-los e evitar falhas ao sistema elétrico. A grande vantagem dessa metodologia é ser totalmente não invasiva ao sistema, obtendo o diagnóstico com os equipamentos em operação e sem nenhuma necessidade de contato. Introdução O Sistema Elétrico de Potência se utiliza de isoladores de alta tensão para isolar eletricamente equipamentos e condutores. Os isoladores estão presentes em todas as etapas, desde a geração à transmissão de energia elétrica. A confiabilidade e segurança do sistema elétrico dependem consideravelmente deles e, quando eles falham, uma grave falha pode ocorrer no sistema. Uma das principais causas de falha em isoladores está diretamente ligada a poluentes que se depositam sobre eles durante períodos secos do ano. Com o aumento da umidade, seja pelo orvalho, chuva fina ou nevoeiro, esses poluentes podem se tornar condutivos e promover a produção de descargas na superfície do isolador, iniciando um processo que poderá levar a uma falha total do isolador. A Figura 1 mostra uma subestação, visualizada pelo Detector de Corona por UV, com alto nível de poluição em seus isoladores e com a ocorrência de diversas descargas elétricas. Figura 1 Subestação com poluição em seus isoladores e ocorrência de descargas elétricas
Este trabalho mostra como a Eletrobras Furnas, através de testes em laboratório e em campo, conseguiu determinar entre os métodos de Ensaios Não Destrutivos e capazes de detectar poluição em isoladores, qual o método de inspeção é mais adequado para detectá-la mais precocemente, indicando qual o melhor momento de realizar a limpeza dos isoladores. Utilizando o método mais adequado e desenvolvendo um procedimento de inspeção específico, a Eletrobras Furnas reverteu um histórico de falhas em uma de suas subestações, a qual possui um importante papel no sistema elétrico brasileiro. Além de indicar o melhor momento para a limpeza dos isoladores e prevenir as falhas, os testes em campo também ajudaram a determinar se o procedimento de limpeza tinha sido satisfatório ou se havia vestígios de poluição. Motivação Alguns anos atrás, falhas, devido à poluição de isoladores, estavam ocorrendo em uma das subestações de Furnas. Para se evitar essas falhas, periodicamente todos os isoladores da subestação tinham de ser limpos. Um dos problemas era determinar quando executar a limpeza. Se a opção fosse por períodos curtos, a probabilidade de falha era reduzida, em compensação o custo era alto. Se a opção fosse por períodos mais longos, diminuía-se o custo, porém, a probabilidade de falha aumentava. Como determinar o nível de poluição e qual a melhor hora para realizar a limpeza? Um dos métodos para determinação do nível de poluição é o método de Densidade de Depósito de Sal DDS, mas para ser realizado é necessário que o isolador seja levado para o laboratório, o que implica no desligamento do circuito no qual ele está instalado ou na sua substituição com a linha energizada. Era então necessário desenvolver uma metodologia mais simples e menos invasiva. Assim sendo, a termografia por infravermelho e a Detecção de Corona por Ultravioleta foram escolhidas para buscar uma alternativa mais prática e com menor custo. Métodos de END Utilizados na Detecção da Poluição em Isoladores Termografia por Infravermelho A Termografia por Infravermelho é o método que detecta a radiação infravermelha emitida por todos os objetos em função da temperatura de suas superfícies e a transforma em imagens chamadas de termogramas. Quanto maior a temperatura de uma superfície, maior a radiação emitida por ela e, portanto, os termogramas, devidamente tratados, podem fornecer sua temperatura e sua distribuição térmica. Aproveitando essa característica da Termografia é possível visualizar alterações térmicas em componentes elétricos. Devido ao efeito Joule, os componentes elétricos aquecem quando submetidos a uma corrente elétrica. No caso de um isolador, quando sua corrente de fuga aumenta devido à poluição, sua temperatura também aumenta, possibilitando a visualização pela termografia, Figura 2.
Isolador sob inspeção Imagem Visível Termovisor Imagem térmica - Termograma Radiação Infravermelha Figura 2 Conversão da imagem visível em imagem térmica através da termografia. Detecção de Corona por Ultravioleta (UV) A Detecção de Corona por UV se fundamenta em outro fenômeno físico denominado de efeito Corona. O efeito Corona é definido como sendo um tipo de descarga elétrica localizada, resultante da ionização transitória de gases em um sistema de isolamento quando a tensão aplicada excede um valor crítico. Quando esta ionização ocorre no ar, o valor crítico, ou seja, a tensão disruptiva varia com as condições atmosféricas. Durante o processo de ionização, os elétrons do gás ganham e liberam energia continuamente. Quando os elétrons liberam energia, ondas de luz são emitidas. O comprimento de onda dessa luz está relacionado ao gás que está sendo ionizado. No caso do ar, que contém cerca de 80% de gás nitrogênio, seu espectro de luz é em sua maior parte ultravioleta. A tecnologia de Detecção de Corona por Ultravioleta explora o fato de o efeito corona emitir radiação ultravioleta. Através da detecção dessa radiação, simultaneamente com a detecção da radiação visível é gerada uma imagem composta, na qual se pode observar a exata origem do efeito corona (descarga elétrica), Figura 3. Devido ao alto campo elétrico, equipamentos de alta tensão podem gerar corona. A atividade de corona nesses equipamentos pode indicar poluentes, corrosão e degradação acelerada de isoladores poliméricos e cerâmicos. Isolador sob inspeção Imagem Visível Imagens Visível e Ultravioleta combinadas Detector de Corona por UV Radiação Ultravioleta Figura 3 Combinação da imagem visível e da radiação UV pela Detecção de Corona por UV.
Testes em campo e em laboratório. Nos testes em campo, os isoladores foram monitorados através de Termografia e Detecção de Corona por UV. A monitoração foi realizada no início do período chuvoso e em horários em que a umidade relativa do ar tendia a aumentar ao longo da monitoração. Foi observado que nos mesmos pontos em que a Detecção de Corona por UV visualizava atividade elétrica, a termografia visualizava um aumento de temperatura, mas o contrário nem sempre ocorria. Isso indicava que a termografia estava detectando anomalias que a Detecção de Corona não estava. Foi observado também, que com o aumento da umidade relativa do ar, a Termografia detectava aumento de temperatura em um determinado isolador poluído, mas o Detector de Corona só detectava uma atividade elétrica, nesse mesmo isolador, quando a umidade atingia valores mais altos. Isso indicava que a Termografia teria detectava a poluição em estágios mais incipientes. Para comprovar essa afirmação, testes em laboratório foram realizados. Nos testes realizados no laboratório de alta tensão foram utilizadas duas cadeias de isoladores com quatro isoladores cada. Uma cadeia foi retirada da subestação poluída e a outra, de mesmo modelo e fabricante, foi montada com isoladores novos. Ambas foram expostas a tensões crescentes de 0 kv a 80 kv. A tensão foi aplicada paralelamente às duas cadeias de isoladores. O teste foi monitorado por Termografia e Detecção de Corona por UV, por um período de 1 hora. A temperatura ambiente era de 25 ºC e a umidade relativa do ar variou de 68% a72%. A Figura 4 apresenta o esquema montado para os testes no laboratório de alta tensão e a Figura 5 mostra as cadeias de isoladores testadas (poluída e nova), bem como uma vista parcial do laboratório de alta tensão. Figura 4 - Esquema dos testes no laboratório de alta tensão
Figura 5 - Cadeias de isoladores testados (esquerda) e vista parcial do teste em laboratório (direita). Os resultados em laboratório ratificaram os resultados de campo e mostraram que um aumento de temperatura é registrado antes do efeito corona ser detectado pelo Detector de Corona, Figura 6. Essa observação, em conjunto com diversas medições de temperatura realizadas em isoladores poluídos, serviu para desenvolver um procedimento de inspeção. Nesse procedimento, o nível de poluição foi relacionado a valores de temperatura no corpo do isolador, deste modo foi possível definir o momento mais adequado para realizar a limpeza dos isoladores sem colocar o sistema em risco. 50,0 1000 47,5 900 45,0 42,5 Isolador 2 da cadeia poluída 800 Temperatura dos Isoladores TemperaturadoIsolador 40,0 37,5 35,0 32,5 30,0 27,5 25,0 22,5 20,0 Co rona 10:00 10:0 9 10:10 10:12 10:13 10:14 10:15 10:17 10:18 10:19 10:21 10:22 10:23 10:25 10:26 10:27 10:29 10:30 10:31 10:33 Horário Isolador 4 da cadeia poluída Isolador 3 da cadeia poluída Isolador 1 da cadeia poluída 10:34 10:35 10:37 10:38 10:40 10:41 10:42 10:44 10:45 10:46 10:48 10:49 10:51 10:52 10:53 10:5 5 10:56 10:58 10:59 Isol 4 Isol 3 Iso l 2 Iso l 1 Isol Novo Co rrente de Fuga Instante em que o Detector de Corona visualizou atividade elétrica Isolador 1, 2, 3 e 4 da cadeia nova Figura 6 Gráfico dos resultados obtidos nos testes no laboratório de alta tensão 700 600 500 400 300 200 100 Corrente de Fuga (µa)
A Figura 7 mostra as imagens capturadas, por Termografia e Detecção de Corona por UV, das cadeias de isoladores poluída e nova, durante os testes. Figura 7 - Imagens capturadas por Termografia e Detecção de Corona por UV durante os testes. Conclusão Este trabalho apresentou, de forma sintetizada, como a Eletrobras Furnas, através de testes em laboratório e em campo, conseguiu determinar entre dois métodos de Ensaios Não Destrutivos, Termografia e Detecção de Corona por Ultravioleta, qual o método de inspeção é mais adequado para detectar poluição em isoladores de alta tensão. Através desses testes definiu-se que a Termografia por Infravermelho é capaz de detectar mais precocemente a poluição em isoladores, apesar da Detecção de Corona por UV ser a mais conhecida para esta finalidade. Os resultados dos testes, tanto em laboratório como em campo, mostraram que um aumento de temperatura é registrado antes de aparecer o efeito corona. Essa observação, em conjunto com diversas medições de temperatura realizadas em isoladores poluídos, serviu para desenvolver um procedimento de inspeção. Nesse procedimento, o nível de poluição foi relacionado a valores de temperatura no corpo do isolador, deste modo foi possível definir o momento mais adequado para realizar a limpeza dos isoladores sem colocar o sistema em risco. A grande vantagem dessa metodologia é ser totalmente não invasiva ao sistema, obtendo o diagnóstico com os equipamentos em operação e sem nenhuma necessidade de contato. Referências bibliográficas Mello, D. R.; Costa Jr., R. T. D.; Batista, J. T.; Melo, M. E.; Avaliação do Grau de Poluição em Instalações de Transmissão, Subestações e Distribuição, Visualizado no site http://www.aneel.gov.br/biblioteca/citenel2001/trabalhos%5c33.pdf Santos, Laerte, Classificação e Modelagem de Fatores de Influência sobre Inspeções Termográficas em Ambientes Desabrigados ; Tese (Doutorado) Universidade Federal de Itajubá, 20012.
Santos, Laerte; Santos D. F.; Bortoni E. C.; Estendendo a Visão Humana além do Espectro Visível para Aprimorar a Detecção de Falhas em Equipamentos de Alta Tensão ; V CORENDE Patagonia, Argentina, 2005. Santos, Laerte; Morais Filho, M. O.; Silva, R. V.; Bortoni, E. C.; Tecnologias de Imagem por Infravermelho e Ultravioleta Aplicadas a Sistemas Elétricos de Alta Tensão ; XX SNPTEE, 2009.