LOCALIZAÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM GIS - METODOLOGIA ACÚSTICA - PARTE 1: ESTADO DA ARTE Autores Alain F. S. Levy Renato T. Verdolin Alexandre N. da Silva Data 08 de agosto de 1997
ÍNDICE 1. Introdução 3 2. A Acústica na Medição de DP - Conceitos 3 3. Características das Instalações Blindadas 5 4. Metodologia de Medição e Instrumentação 6 5. Comentários e Conclusões 9 6. Literatura 10 2
1. Introdução Em continuação à execução das atividades previstas no Projeto CEPEL 1165 - Localização de descargas parciais em subestações blindadas isoladas a gás SF 6, esse módulo do trabalho trata da medição de descargas parciais pelo método acústico, nas instalações blindadas. As atividades referentes à metodologia elétrica estão apresentadas nos documentos [1], [2], [3], e [4]. As descargas parciais (DP), ao serem geradas no interior dos diversos equipamentos, apresentam diversas manifestações físicas tais como luminescência, vibrações mecânicas no espaço em volta, alterações químicas dos elementos dielétricos ao redor, emitem ondas eletromagnéticas radiadas e conduzidas, etc. Ao se pretender quantificar ou localizar tais descargas é preciso identificar uma ou várias manifestações e prover acopladores, sensores e instrumentos de medição compatíveis. Esse quadro formado pela ocorrência de DP de diversas intensidades, em diversas localizações, no seio de diversos dielétricos e em combinação com diversas configurações de eletrodos, é que torna necessária a combinação de diversas técnicas de medição que se complementem, para se ter maior confiança no controle das condições de isolamento das instalações. Além disso, limitações trazidas por ruídos ambientes, acopladores de pequena sensibilidade, ocorrência de descargas múltiplas, e até mesmo o local de ocorrência das DP, são fatores que justificam a adoção de um sistema de medição complementar capaz de aumentar o grau de confiança do que se deseja medir. No caso específico das instalações isoladas à gás SF 6, como tratado nesse projeto, as condições físicas dessas instalações (formadas por cilindros concêntricos), são em teoria favoráveis à adoção de técnicas de ondas eletromagnéticas viajantes na localização das DP. A complementação desse tipo de medição, também proposto no âmbito desse projeto, é via método acústico. Este método tem como principal objetivo o de confirmar a ocorrência de descargas no local identificado pelo método elétrico. 2. A Acústica na Medição de DP - Conceitos Ao serem geradas, DP produzem ondas de choque, - vibrações mecânicas ou emissões acústicas - no meio onde se formam. As ondas de choque se propagam em todas as direções e se refletem e refratam nos demais componentes da instalação (tipicamente espaçadores, condutores e invólucro). 3
A acústica é a ciência, que de modo geral, trata do estudo dos sons no ambiente e cobre sobretudo a faixa de frequência desde alguns hertz até centenas de kilo-hertz. Frequências até 20 khz são identificadas como sônicas e se referem tipicamente às características auditivas dos seres humanos e outros animais. Frequências acima de 20 khz até centenas de khz são identificadas como ultrasônicos e é nesse domínio de frequências que trabalhamos quando medimos DP via métodos acústicos. Para se ter uma idéia do potencial do uso da acústica na detecção de DP, cita-se a referência [5] que atribui ser possível ao ouvido humano detectar emissões acústicas emitidas no ar por descargas equivalentes a 40 pc, em uma distância de 1 m. Estima-se uma potência acústica da ordem de 10-17 W envolvida nessas descargas. Com a utilização de sensores especiais e com uma adequada escolha das faixas de frequência, é possível teoricamente registrar no ar, DP de amplitudes a partir de 10 pc. A medição de sinais acústicos, na faixa ultrasônica, é efetuada via utilização de sensores de nível de pressão do som. Por se tratar de ondas que traduzem ruídos ou sons, os níveis de pressão (S) são quantificados em decibéis pela equação: S = 20 log (P/P ref ), onde P se refere ao nível de pressão efetivo e P ref é um nível de pressão de referência. Ambas as pressões podem ser quantificadas, por exemplo em Pascal ou em micro-bar. Na prática, não se trata de medir diretamente a pressão sonora visto que o princípio de medição pelo método acústico em instalações blindadas envolve a utilização de transdutores piezoelétricos muito sensíveis nas frequências ultrasônicas. Esses transdutores têm a propriedade de transformar ondas de pressão de pequenas amplitudes, em definidas quantidades de cargas elétricas. As correntes elétricas geradas então pelo fluxo de cargas, ao passar por um circuito elétrico e pré-amplificadores, se apresenta como uma onda de tensão em um analisador de espectro ou osciloscópio. Os sensores piezoelétricos são fabricados de tal forma a apresentarem uma resposta constante numa ampla faixa de frequência, ou resposta ressonante numa dada frequência dentro de sua faixa, garantindo maior sensibilidade na medição. Normalmente, a frequência de ressonância do sensor fica na faixa de 60 a 300 khz. Grosso modo, há maior chance de se encontrar ruídos nas frequências até algumas dezenas de khz, devidos à operação contínua de uma subestação e, até 60 khz, devido à geração de ruídos magnéticos provenientes dos núcleos de transformadores; acima de 300 khz os sinais são significativamente atenuados. Logo, devem ser evitadas medições nestas faixas. Uma das mais importantes características desses sensores é sua sensibilidade, definida pela relação micro-volts por micro-bar (µv/µbar), sendo normalmente fornecida em db referenciado a 1 V/µbar. É mais comum encontrar-se sensores com sensibilidade entre 30 µv/µbar e 2000 µv/µbar [6]. 4
Descargas parciais invariavelmente se formam pela disrupção elétrica em um meio gasoso. A partir de seu ponto de formação, as ondas acústicas criadas vão se propagar através dos diversos materiais (dielétricos e condutores) adjacentes até alcançar um sensor, normalmente na parte externa dos equipamentos. A sensibilidade de uma determinada medição será então função também da impedância característica dos materiais envolvidos nas trajetórias das ondas ultrasônicas. Essa impedância será função da densidade do material e da velocidade do som em seu meio. Esses parâmetros definem os coeficientes de reflexão e refração os quais vão definir qual é a parcela de potência sonora total que será detectada em determinado sensor, devido às diversas mudanças de meio. Além disso existe também a atenuação dos sinais no meio de propagação devido à difusão, colisões moleculares, viscosidade, etc. Assim, dentre os fatores que afetam a sensibilidade da medição via sensores piezoelétricos, além dos ruídos ambientes, destacam-se as características do sensor (faixa de frequência); a qualidade do contato do sensor ao equipamento; as características físicas dos materiais por onde as ondas ultrasônicas devem passar e a distância entre as descargas e o sensor, para citar os fatores mais importantes. 3. Características das Instalações Blindadas Descargas parciais em instalações blindadas podem ser de diversos tipos e ocorrer em diversas regiões no interior desses sistemas. Podem ser citados, como exemplos [7]: DP devido a partículas/impurezas, produzidas por desgastes mecânicos, que se fixam aos espaçadores, e que permanecem flutuantes ou se depositam no invólucro aterrado; formação de geometrias locais críticas ( protuberâncias ), normalmente originadas de montagens mal executadas; contatos elétricos mal feitos ou perda de contato elétrico entre os componentes metálicos, devido, por exemplo, a pressões mecânicas insuficientes; defeitos nos espaçadores isolantes; qualidade do gás SF 6, sobretudo no que concerne seu nível de umidade. Dentre esses vários tipos de defeitos estima-se que uma grande parcela esteja relacionada a contatos elétricos mal feitos e à existência de partículas internas de diversos tipos e em diversos locais da instalação. Uma DP ocorrendo no condutor de alta tensão terá que atravessar o isolamento de SF 6 e o invólucro metálico, antes de ser detectada por um sensor, enquanto que uma DP ocorrendo devido a partículas sedimentadas no invólucro estarão mais próximas do sensor precisando apenas atravessar o invólucro. Logo, além das potências sonoras geradas pelas DP em cada caso, a sensibilidade da detecção será extremamente afetada pela localização dessas descargas. Para complicar, as ondas acústicas devido às DP, que se manifestam próximas aos espaçadores, se propagam tanto pelo SF 6 quanto pelos próprios espaçadores, acrescentando mais uma variável que afeta a sensibilidade da medição. Os pulsos de corrente característicos das DP têm um tempo de duração muito pequeno. Esses pulsos liberam uma energia local em um ambiente gasoso acarretando, do ponto de vista mecânico, uma explosão local a qual emite ondas acústicas com frequências de até diversos MHz [8]. Outro fator importante vem do fato que o gás SF 6 possui constante de absorção 5
elevada. Isto acarreta em atenuações importantes dos sinais acústicos, particularmente para as componentes de frequências mais elevadas ( acima de 40 khz ). Portanto, a análise dos tipos de sensores a utilizar ( frequência ressonante ) e a análise do possível defeito com o qual estamos lidando ( o sinal está atravessando ou não vários dielétricos ), são fatores a serem considerados com muita cautela. Complementando a coletânea de parâmetros que afeta os sinais acústicos desde o seu ponto de formação, deve-se também considerar a dispersão nos caminhos de propagação e nas velocidades de propagação das ondas acústicas que variam em função de suas diversas componentes de frequência. Esses aspectos vão acarretar que as várias componentes de frequência sejam registradas em tempos diferentes pelo instrumento de medição. 4. Metodologia de Medição e Instrumentação A medição de DP pelo método acústico pode ser realizada sem a necessidade de se intervir na operação contínua da instalação. O circuito de medição de sinais acústicos é de certa forma simples e se constitui normalmente de um ou mais sensores piezoelétricos, uma unidade de processamento dos sinais e pré-amplificadores. Na figura 1 está apresentado um diagrama geral envolvendo as diversas técnicas de medição conforme utilizadas no caso das instalações blindadas. Os sensores baseados no efeito piezoelétrico são os mais frequentementes utilizados nesse tipo de medição, sendo estes denominados de acelerômetros, quando sua resposta em frequência se situa próximo a faixa sonora, ou sensores de emissão acústica quando possuem resposta para frequências na faixa ultrasônica. Os acelerômetros têm resposta relativamente plana até uma frequência de ressonâcia normalmente entre 20 e 40 khz. Para frequências mais altas a resposta desses sensores é muito atenuada. Essa característica dos acelerômetros pode implicar em problemas de interferências devido aos ruídos ambientes naturais à faixa sonora. Esses ruídos podem ser minimizados durante as medições utilizando-se sensores que tenham frequência ressonante mais elevada ( entre 30 e 50 khz ) e introduzindo filtros passa-faixa capazes de bloquear as frequências sonoras. No entanto, como a sensibilidade desses sensores se reduz com o aumento de suas frequências ressonantes, existe um compromisso de parâmetros para se otimizar as características dos sensores a serem utilizados. Em nosso caso específico, tem-se disponível um acelerômetro com frequência ressonante de 35 khz, o qual deverá ser utilizado nas atividades experimentais desse projeto. Os sensores de emissão acústica, os quais têm resposta em frequência não linear, trabalham essencialmente em uma frequência de ressonância normalmente centrada em valores acima de 80 khz. Como os ruídos ambientes estão substancialmente nas frequências mais baixas, esses sensores são teoricamente mais adequados quando se tem por principal problema os ruídos ambientes na medição. O CEPEL dispõe de um sensor piezoelétrico ressonante na frequência de 150 khz o qual deverá ser utilizado na etapa experimental desse trabalho. 6
Ambos os sensores, acelerômetros e emissão acústica, têm suas vantagens e desvantagens em função de sua sensibilidade, das amplitudes dos sinais que alcançarão os sensores e dos níveis de ruído ambiente. Rc Ck TR Zm Cc BF SA DP Osc Ct SF 6 TR - Transformador de alta tensão Ck - Capacitor de acoplamento Rc - Resistor de carga Zm - Impedância de medição Ct - Célula de teste Cc - Acoplador capacitivo BF - Casador de impedância + Filtro 60 Hz SA - Sensor de emissão acústica DP - Sistema de medição de descargas parciais Osc - Osciloscópio digital Figura 1 - Diagrama geral dos circuitos de ensaio e medição de DP A combinação dos dois primeiros parâmetros fornece uma amplitude útil do sinal que pode vir a ser registrada pela instrumentação. A relação sinal/ruído será um parâmetro importante na escolha dos sensores a serem utilizados uma vez que na comparação entre sensores, os acelerômetros possuem maior sensibilidade e são mais afetados por ruídos, enquanto que os sensores de emissão acústica possuem menos sensibilidade, mas são pouco afetados por ruídos. A despeito dessa análise teórica sobre o comportamento dos diversos tipos de sensores, alguns resultados apresentados em artigos internacionais [9-13] tem demonstrado que não existe um consenso sobre a melhor característica de um determinado sensor para a detecção de descargas parciais em instalações blindadas. Isso implica no pré-requisito de se alcançar uma vivência mínima na execução de atividades experimentais nas instalações que se deseja acompanhar o desempenho. 7
O instrumento de medição pode ser tanto um sistema dedicado de processamento quanto um simples osciloscópio digital. Sistemas dedicados são utilizados para fins de monitoramento de equipamentos que requer o acúmulo de um banco de informações (banco de dados) para processamento futuro e pelo uso de vários sensores simultaneamente. Já o uso do osciloscópio é mais versátil, mais econômico e simplifica a obtenção dos resultados experimentais. Além disso, os resultados das medições podem ser aquisitados diretamente por unidade de disco incorporada, visando análise via aplicativos comerciais. As medições dos sinais acústicos previstas no âmbito desse projeto devem ser processadas pelo uso do mesmo osciloscópio digital usado nas etapas elétricas. O sensor é colocado em contato com o invólucro aterrado, o mais próximo possível dos locais suspeitos de ocorrência de DP. Para melhorar o contato é comum a aplicação de uma fina camada de graxa especial na face do sensor, quando este for de emissão acústica. Mecanicamente o sensor é sustentado por ímãs permanentes ou fitas adesivas. Ressalta-se que, no caso particular dos acelerômetros, o uso de ímãs permanentes pode reduzir a sensibilidade da medição. A quantificação das DP, quando tratamos de medições acústicas, deve ser considerada com certa cautela. Nesse caso os valores absolutos das amplitudes, seja em mv ou em db, não podem ser usados de forma independente, visto que, para uma mesma intensidade de energia gerada por uma DP no interior de uma blindada, a pressão acústica medida externamente pode ter diversas amplitudes conforme suas peculiaridades no que tange sobretudo sua localização e os meios físicos por onde as ondas de pressão efetivamente se propagam. No entanto, as intensidades acústicas podem fornecer subsídios importantes no que se refere ao acompanhamento da evolução da ocorrência de descargas na instalação, conhecendo-se um histórico de medições realizadas em condições controladas. Pretendendo-se localizar uma fonte de descarga, é mais adequado posicionar o sensor em vários pontos da blindada e comparar as intensidades registradas em cada posição. Quanto maior a amplitude registrada, mais próximo da fonte de descarga estará o sensor. Para uma determinada posição do sensor é possível fazer uma calibração por comparação desses sensores, usando-se simultaneamente um circuito de medição de carga aparente, calibrado na forma convencional. Assim é possível associar razoavelmente um nível de DP em pc com os registros em mv medidos pelo sensor acústico. Nesse caso, uma fonte representativa do defeito esperado deve ser simulada na instalação. Obviamente, esse tipo de procedimento não pode ser realizado em instalações reais de modo genérico visto as dimensões dessas instalações e as variedades de defeitos que podem ocorrer. A finalidade de tais verificações é prover maior sensibilidade nos reais níveis de descarga que o sensor de emissão acústica é capaz de detectar. A forma dos sinais medidos pode ser avaliada em função de sua distribuição no tempo (com osciloscópio) ou em função de sua distribuição em frequência com o auxílio de um analisador de espectro. A distribuição em frequência tanto dos sinais de DP quanto dos ruídos ambientes, favorece a investigação sobre a sensibilidade que se pode esperar de um determinado sensor 8
em função das características de cada tipo de defeito, sobretudo porque o espectro de frequência é relativamente independente da tensão aplicada. Outra vantagem da análise em frequência é a possibilidade de se conhecer quais são as componentes de frequência dos ruídos ambientes o que permitiria a utilização de filtros especiais para o bloqueio dessas componentes. A distribuição no domínio do tempo é mais adequada para se qualificar, e algumas vezes quantificar, as descargas e para reconhecimento do padrão das descargas de forma estatística, nos casos em que as condições das medições não sofrem alterações, ou seja, mesmos locais de medição e mesma instrumentação. Atualmente, técnicas de inteligência artificial são cada vez mais utilizadas no tratamento da informação seja em substituição às tradicionais técnicas estatísticas, seja para análise mais aprimorada de um banco de dados com potenciais conclusivos aparentemente precários. Essas técnicas têm potencial tendendo ao didático quando tratamos, por exemplo, do reconhecimento de padrões de descargas parciais geradas por vários tipos de defeitos dentro de uma instalação blindada, sejam esses defeitos medidos via metodologias elétricas ou acústicas. Dentre as técnicas existentes, as redes neurais (RN) e a lógica nebulosa são as mais utilizadas nesse campo de aplicação. Estima-se que em um futuro próximo, diversos trabalhos práticos devem ser publicados sobre o assunto. 5. Comentários e Conclusões A medição de descargas parciais pelo método acústico tem por finalidade no contexto desse projeto, de auxiliar e confirmar a localização dessas descargas obtida pelo software LOCAFALHA que se baseia nos princípios das ondas eletromagnéticas trafegantes no interior das blindadas. Se por um lado a metodologia acústica é amplamente explorada para se obter informações sobre o estado dos isolamentos elétricos no que concerne a ocorrência de descargas parciais, observa-se por outro lado que as metodologias adotadas são bem variadas e que os resultados normalmente encontrados não apresentam muitos pontos em comum se analisados em conjunto. Essa característica, de certa forma já poderia ser esperada visto que os sinais acústicos se alteram bastante durante seu trajeto até os sensores, conforme visto anteriormente, e que não existem procedimentos específicos normalizados que tratem de circuitos de medição e das características dos sensores e instrumentação. Sob esse enfoque, as metodologias elétricas de medição são tradicionalmente mais sensíveis e confiáveis. Entre os aspectos mais importantes relacionados com a medição acústica estima-se ser importante identificar quais são os tipos de defeitos que podem ser efetivamente detectados por essa técnica e qual é o grau de sensibilidade da medição em cada caso, ou seja, que estágio de geração de descargas parciais estamos realmente detectando. 9
A metodologia acústica tem as vantagens de poder ser realizada sem interferir na operação contínua da instalação, posto que todo circuito de medição é montado no lado aterrado, e de requerer a montagem de um circuito relativamente simples e de custo não muito elevado. Nas instalações blindadas, uma grande variedade de defeitos podem ser encontrados, cada qual com peculiaridades que se refletem de diferentes modos ao serem detectados pela instrumentação. Em particular, há maior tendência de serem encontrados defeitos relacionados a contatos elétricos mal executados e à existência de partículas que podem estar fixas ou que se movimentam dentro da blindada. Esses dois tipos de defeitos são mais comuns e por isso boa parte da literatura a eles se refere. Sob esse enfoque a medição acústica já apresenta suas primeiras discrepâncias uma vez que os defeitos de mal contato, sistematicamente no lado de alta tensão, são mais atenuados do que aqueles devido a partículas, geralmente depositadas no invólucro aterrado. Referente aos sensores piezoelétricos, verifica-se na literatura internacional que tanto os acelerômetros quanto os sensores de emissão acústica são utilizados nos diversos trabalhos, não havendo nenhuma frequência em especial que apresentasse vantagem sobre as demais. Quanto a instrumentos de medição os analisadores de espectro e sobretudo os osciloscópios digitais são largamente utilizados nos desenvolvimentos experimentais. 6. Literatura [1] Verdolin, R.T.; Cerqueira, W.R.; Experiências CEPEL/ITAIPU em Um Trecho de Instalação Blindada Isolada a SF 6 ; RT DPP/TEC, março/94. [2] Meirelles, M.P.; Verdolin, R.T.; Cerqueira, W.R.; Localização de DP em Subestações Blindadas - 2 a Etapa de Medições em ITAIPU; RT DPP/TEC, out/94. [3] Verdolin, R.T.; Cerqueira, W.R.; Localização de DP s em S.I.G. - 3 a Etapa de Medições em ITAIPU; RT DPP/TEC, set/95. [4] Verdolin, R. T. e outros; Análise de Sinais Provocados por Descargas Parciais e sua Localização em Subestações Blindadas ; RT CEPEL a ser publicado. [5] Austen, A.E.W.; Hacket, W.; Journal Institution of Electrical Engineers ; vol. 91, part I, pp. 298-322; 1944. [6] Bartnikas,R.; McMahon, E.J.; Engineering Dieletrics - Vol 1 - Corona Measurements and Interpretation, ASTM Publication; 1979 [7] Petit, A.; Girordet, A.; Heimes, J.; Maulat, C.; Taillebois, J.P.; La Surveillance par Méthode UHF des Postes sous Enveloppe Metállique ; RGE, No 6/93, Juin 1993 [8] Lundgaard, L.E.; Partial Discharge - Part XIV; Acoustic Partial Discharge Detection - Pratical Application ; IEEE Electric Ins. Magazine; Vol 8; No 5; Sep/Oct 1992. 10
[9] Lundgaard, L.E. e outros; Acoustic Diagnostis of Gas Insulated Substations: A Theoretical and Experimental Basis. ; IEEE on PD, Vol. 5, N o 4, Nov/1990 [10] Bargigia, A.; Detection of Partial Discharges in Gas Insulated Substations. ; IEEE on PES, Summer Meeting, San Diego, Cal.; Jul-Aug/1991 [11] Working Group 15-03; Diagnostic Methods for GIS Insulating Systems. ; CESI Technical Issue N o 92/6; 1992 [12] Schlemper, H.D. et all; Sensitivity of Acoustic PD Detection in GIS. Laboratory Experiments and on-site Experience ; Conference Record of IEEE on EI; Montreal, Can.; Jun/1996 [13] Okabe, S. et all; Recent Developments in Diagnostic Techniques for substation Equipment ; CIGRE 1996: 15/21/33-08 11