apostila sobre descargas parciais 2014

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Descargas Parciais Profs. Edson Guedes da Costa Washington L. Araújo Neves UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DE ALTA TENSÃO

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Descargas coronaDescargas superficiaisdescargas parciaisumidaderadiação uv

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1.0 - INTRODUO

UFCG/CEEI/DEE

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDECENTRO DE ENGENHARIA ELTRICA E INFORMTICADepartamento de Engenharia eltrica

LaBoratrio de alta tenso

Descargas ParciaisProfs. Edson Guedes da Costa

Washington L. Arajo Neves

Dezembro de 1996

NDICE1 - Introduo 03

2 - Definio 03

3 - Modelo de Descarga Parcial 03

4 - Definio de Carga Aparente e Carga Medida 05

5 - Circuitos de Ensaios 07

6 - Interpretao de Descargas Parciais 08

6.1 - Diagnsticos da Origem das Descargas 09

7 - Fontes de Interferncias 15

7.1 - Identificaes das Fontes de Interferncias 16

8 - Calibrao 20

9 - Parte Experimental 21

10 - Bibliografia 22

1 - INTRODUO

Antigamente a qualidade da isolao dos equipamentos era avaliada atravs da medio da resistncia de isolamento e da tenso de ruptura. O isolamento do equipamento ensaiado era submetido a tenses C.A. e de surto, com nveis mais elevados do que o de operao. A grande desvantagem destes testes, era a possibilidade de destruio completa do objeto ensaiado se o mesmo estivesse com defeito. Trabalhos de pesquisa levaram ao desenvolvimento de testes no destrutivos que permitem a deteco e monitorao de defeitos nos isolamentos de alta-tenso. As tcnicas de ensaios no destrutivos mais utilizadas so:

Medio da resistncia de isolamento sobretenso em C.C;

Determinao do fator de perdas ( tg ( ) e da capacitncia;

Medio de descargas parciais ( DP ).

Mesmo em tenses relativamente baixas podem existir microdescargas em pequenas fissuras ou cavidades dos isolamentos, que no afetem o fator de perdas e a resistncia do isolamento. As tcnicas de medio dessas microdescargas tm evoludo muito nos ltimos anos. A medio e monitorao dos nveis de descargas parciais, alm de serem eficientes na verificao da qualidade da isolao eltrica, podem tambm fornecer informaes sobre a expectativa de vida do equipamento.

2 - CLASSIFICAO DAS DESCARGAS PARCIAIS E DEFINIODe acordo com a norma IEC 60270 (IEC 60270, 2000), as descargas parciais podem ser classificadas em trs classes dependendo da sua localizao: descargas internas, corona e de superfcie.

Descargas internas: ocorrem em uma ou mais cavidades no interior de um material dieltrico isolante. Dentre as principais razes para o aparecimento de descargas internas no interior de cavidades, pode-se citar as menores rigidez dieltrica e permissividade dieltrica dos gases quando comparadas s dos isolamentos lquidos ou slidos e a consequente intensicao do campo eltrico no interior da cavidade com menor tenso de ruptura. As descargas parciais internas podem ocorrer em qualquer parte do dieltrico, como por exemplo, na juno de dois materiais dieltricos diferentes e nas regies adjacentes ao eletrodo. Contudo, torna-se necessrio a presena de uma cavidade no dieltrico, conforme exemplicado na Figura 1. Alm disso, as descargas parciais so de curta durao em relao ao perodo da tenso senoidal aplicada, so repetitivas e tm o tempo de subida muito curto, podendo ser modeladas idealmente como uma funo impulso ou delta de Dirac (t) (ZINGALES, 2000).

Figura 1 Exemplo de isolamento com falhas que podem causar descargas parciais. Descargas de superfcie: ocorrem na superfcie do dieltrico, principalmente em buchas, terminaes de cabos ou em enrolamentos de geradores. Uma representao grca de um possvel local de ocorrncia de descargas de superfcie em um isolador eltrico apresentada na Figura 2.

Figura 2 Exemplo de isolamento com falha que pode causar descargas superciais.

Descargas corona: ocorrem em meios gasosos quando h uma intensicao do campo eltrico nas proximidades de um eletrodo, quando o gradiente eltrico excede um determinado limiar, mas as condies ainda so insucientes para causar um arco eltrico (TANAKA; GREENWOOD, 1983). A tenso de iniciao das descargas depende do raio de curvatura da ponta do eletrodo e da tenso aplicada. Uma possvel congurao de eletrodos capaz de gerar descargas tipo corona apresentada na Figura 3.

Figura 3 Exemplo de congurao que pode gerar descargas tipo corona.Assim, e por definio descargas parciais so descargas eltricas que curto-circuitam parcialmente a isolao. As descargas parciais podem aparecer em cavidades gasosas, em meio isolante slido ou lquido, ou ao longo de uma superfcie ao redor de pontas. As descargas parciais em gases, em torno de um condutor, so conhecidas como corona.

As descargas parciais so decorrentes da ionizao de uma determinada regio do dieltrico. A ionizao provocada pelo campo eltrico, cuja intensidade depende da forma do eletrodo, das caractersticas do dieltrico e da tenso aplicada. Devido no-uniformidade do campo eltrico, pequenas regies do isolamento podem ser submetidas a solicitaes superiores a sua rigidez dieltrica, resultando em descargas parciais.

Mtodos de Medio de Descargas Parciais

Existem diversos mtodos de medio de descargas parciais que diferem entre si, em funo dos diversos fenmenos fsicos e qumicos originados a partir da ocorrncia das descargas. Dessa forma, possvel se analisar diversas caractersticas que auxiliam na deteco. Podendo-se citar, por exemplo (KEMP, 1995), (JAMES et al., 2008), (AGARWAL et al., 1995):

Fenmenos eltricos;

Radiao eletromagntica;

Emisso de luz;

Variaes trmicas (calor);

Variaes mecnicas;

Transformaes qumicas;

Rudo acstico.

A representao grca dos fenmenos fsicos e os mtodos de deteco associados ocorrncia das descargas parciais apresentada na Figura XXXX.

Figura XXXX Fenmenos associados ocorrncia de descargas parciais.Os mtodos de medio de descargas parciais podem ser classicados em dois tipos: os mtodos eltricos e os mtodos no-eltricos. Os principais mtodos no-eltricos so os mtodos acsticos (SERRANO et al., 2012), ptico (MUHR et al., 2004), qumico (HAO; LEWIN; SWINGLER, 2008) e de radiofrequncia (TRUONG et al., 2011). Por outro lado, o mtodo eltrico, consiste no acoplamento de um circuito de medio bastante sensvel ao equipamento no qual as descargas parciais esto ocorrendo (IEC 60270, 2000; HAO; LEWIN; SWINGLER, 2008).

MTODOS ELTRICOS DE MEDIO DE DESCARGAS PARCIAIS

3 - MODELO DE DESCARGA PARCIAL:

As descargas parciais, para um melhor entendimento, podem ser estudadas atravs do circuito eltrico equivalente da Figura 1.

Figura 1: Formao das Descargas Parciais

a) Material sob ensaio;

b) Diagrama do circuito equivalente.

No circuito equivalente, C1 representa a capacitncia da cavidade do dieltrico, C2 a capacitncia em srie com a cavidade e C3 a capacitncia restante da amostra.

A Figura 2 ilustra as formas de onda aplicadas a amostra. A tenso da fonte de alimentao representada por Ut(t). U1(t) a forma de onda da tenso aparente na cavidade (isto, se ela no existisse) e U+ (U-) a tenso disruptiva da cavidade. V+ (V-) a tenso residual na cavidade aps a descarga.

Quando a tenso U1(t) atinge o valor de U+, ocorre uma descarga na cavidade reduzindo a tenso para V+. O fenmeno pode se repetir vrias vezes durante cada ciclo. A durao da descarga da ordem de 10-7s, sendo um tempo curto comparado com o perodo da onda de 60 Hz.

Figura 2: Processo de descargas parciais em um dieltrico.

4 - DEFINIES DE CARGA APARENTE E CARGA MEDIDA:

A queda de tenso (U1, provocada pela corrente de descarga i1 na cavidade, libera uma carga (q1, onde

. (1)

A corrente local i1 no pode ser medida, mas a descarga provoca uma queda de tenso (U1 em C1 e uma transferncia de carga para C2. Assim, a carga transferida :

, (2)

sendo redistribuda entre C2 e C3. Logo,

.

Assim, a queda de tenso resultante (U pode ser obtida por:

EMBED Equation.2 . (3)

Baseado em estimativas empricas para C2 e C3, os valores de (U so da ordem de mV, enquanto que (U1 da ordem de kV. Substituindo a equao (1) em (3) tem-se:

. (4)

Como os valores precisos para C2 e C3 so normalmente desconhecidos, (U1 e (q1 no podem ser determinados diretamente.

A medio de descargas parciais pode ser feita com o auxlio do circuito da Figura 3, onde Ck a capacitncia de acoplamento e Ct a capacitncia equivalente da amostra.

Como os valores precisos para C2 e C3 so normalmente desconhecidos, (U1 e (q1 no podem ser determinados diretamente.

Da equao (1) em (2) tem-se:

(5)

A carga q denominada de carga aparente" do pulso de descarga parcial porque ele somente relacionada com (q1 atravs da razo de capacitncias C2/C1.

Considerando-se o circuito da Figura 3 sem o capacitor de acoplamento, a carga transferida para o objeto de teste devido ocorrncia de descargas parciais :

. (6)

Figura 3: Circuito simplificado de medio

Ck : Capacitncia de acoplamento

Ct : Capacitncia da amostra.

Incluindo o capacitor de acoplamento, a carga redistribuda entre Ck e Ct, sendo

, (7)

onde (U representa a queda de tenso residual aps a transferncia de carga. A carga qm, liberada pelo capacitor de acoplamento, pode agora ser medida e comparada com a carga q no objeto de teste. Assim,

(8)

e

. (9)

A Figura 4 ilustra a influncia do capacitor de acoplamento na relao qm/q, que uma quantidade essencial para medio de sensibilidade nos ensaios. No caso ideal Ck >> Ct,, porm na prtica essa condio geralmente no satisfeita. No economicamente vivel a utilizao de capacitores de acoplamento com capacitncias elevadas por sobrecarregarem a fonte de alimentao. Por outro lado, a sensibilidade na medio reduzida se os capacitores de acoplamentos forem apenas um pouco maiores do que Ct.

Figura 4: Influncia do capacitor de acoplamento Ck sobre a relao qm/q

5 - CIRCUITOS DE ENSAIOS:

Na medio de carga (q), trs circuitos bsicos podem ser utilizados, conforme indicado nas Figuras 5, 6 e 7.

Figura 5 - Impedncia de medio em srie com o capacitor de acoplamento.

vantagem: se ocorrer ruptura em Ct, o circuito de medio no estar sujeito alta tenso

desvantagem: medio indireta dos pulsos. Preciso depende da relao Ck/Ct.

Figura 6 - Impedncia de medio em srie com a amostra.

vantagem: medio direta dos pulsos na amostra sob ensaio.

desvantagem: se ocorrer ruptura em Ct, o circuito de medio estar sujeito alta tenso

Figura 7 - Circuito Balanceado.

vantagem: elimina o rudo externo.

desvantagem: se ocorrer ruptura em Ct, o circuito de medio estar sujeito alta tenso

O circuito da Figura 7 apresenta como principal vantagem a eliminao do rudo externo, entretanto, exige que o capacitor de acoplamento Ck seja isento de descargas parciais na tenso de ensaio, bem como para um bom balanceamento (Ck = Ct,). Tem-se ainda, para uma falha em Ct, alta tenso sobre o circuito de medio.

O circuito da Figura 6 apresenta a vantagem de detectar todo pulso de descarga oriundo da amostra sob ensaio, entretanto caso ocorra alguma falha em Ct, o circuito de medio ficar submetido alta tenso.

O circuito da Figura 5 tem como principal deficincia a medio indireta dos pulsos de descarga oriundos de Ct, e a sua preciso depende da relao Ck/Ct, conforme demonstrado anteriormente, entretanto a sua principal vantagem que se houver ruptura em Ct, no ocorrer alta tenso sobre o circuito de medio.

O procedimento de medio eltrica o mtodo mais utilizado em geradores,

transformadores, cabos de alta tenso, capacitores, entre outros (MA; ZHOU; KEMP,

2002). A impedncia de medio Z m pode ser implementada tanto por um circuito do

tipo RLC (resistor, indutor e capacitor) quanto por um circuito do tipo RC (resistor e

capacitor). O circuito RLC usado no modo de deteco em banda estreita e o circuito

RC para um modo de deteco em banda larga.

As representaes grcas dos tipos de impedncia de medio podem ser

observadas nas Figuras 12 e 13.

Figura 12 Impedncia de medio do tipo RC.

Figura 13 Impedncia de medio do tipo RLC.

O circuito de medio em banda estreita (RLC) possui uma maior imunidade aos

rudos externos, pois ele pode ser sintonizado em uma faixa de frequncia que minimiza

os efeitos das interferncias de banda estreita, como por exemplo, as estaes de rdio. No

entanto, impedncias de medio de banda estreita podem causar erros devido a efeitos de

integrao (sobreposio) dos pulsos de descarga parcial, quando vrios pulsos ocorrerem

simultaneamente (MA; ZHOU; KEMP, 2002).

Devido s componentes de alta frequncia contidas nos pulsos de descargas

parciais, em alguns casos, o tempo de subida dos pulsos podem chegar a ordem de 1

a 2 ns (BARTNIKAS, 2002) e, dessa maneira, necessria uma taxa de amostragem

sucientemente alta para que se possa realizar medies de descargas parciais utilizando

sistemas digitais. Assim, a banda passante dos detectores de descargas parciais um

parmetro fundamental para a classicao das descargas parciais pelos sistemas de

diagnstico automtico de isolamentos eltricos. Segundo (HAPPE; KRANZ; KRAUSE,

2005), os sistemas de medio de descargas parciais modernos vm utilizando tcnicas

digitais para adquirir e armazenar os dados das descargas. Eles so capazes de operar em

uma faixa de frequncia de at alguns GigaHertz.

A norma IEC 60270 (IEC 60270, 2000) recomenda que sistemas analgicos de

medio de descargas parciais de banda estreita possuam frequncias de largura de banda

entre 9 kHz e 30 kHz com frequncia central idealmente na faixa entre 50 kHz e 1 MHz.

Para os sistemas de banda larga, a norma estabelece como limite inferior as frequncias

entre 30 kHz e 100 kHz, frequncia superior menor ou igual a 500 kHz e tambm devem

apresentar largura de banda entre 100 kHz e 400 kHz. A norma omissa quanto aos limites

de frequncia superior, inferior e largura de banda dos sistemas de banda ultralarga.

Com uma largura de banda de 400 kHz, conforme recomenda a IEC 60270, no

existem diferenas signicativas entre a forma de uma descarga parcial e de distrbios

como as descargas de corona (HAPPE; KRANZ; KRAUSE, 2001). Essa armao pode

ser observada nas Figuras 14 e 15, nas quais possvel observar as formas de onda das

descargas de corona e parcial, detectadas com diferentes sistemas. Em cada gura, no

canal 1 exibida a forma das descargas detectadas com um sistema de banda ultra larga

(banda passante de 50 MHz), enquanto no canal 2, as descargas foram detectadas por

meio de um ltro passa-baixas com frequncia de corte de 2 MHz. Quando detectadas

por meio de um sistema de banda ultra larga as descargas apresentam formas de onda

completamente diferentes (canal 1 da Figura 14 e canal 1 da Figura 15), entretanto quando

detectadas por meio de um sistema com um ltro passa-baixas de 2 MHz as formas de onda

so praticamente idnticas (canal 2 da Figura 14 e canal 2 da Figura 15). Ou seja, com

os sistemas de medio recomendados pela norma IEC 60270 no possvel distinguir as

descargas de corona das descargas parciais pelas suas formas de onda (KRAUSE; KRANZ,

2003). Para efeitos comparativos, pretende-se realizar de forma simultnea as medies das

descargas utilizando o mtodo eltrico e um transformador de corrente de alta frequncia,

conforme ser apresentado a seguir.

Figura 14 Descarga tipo corona detectada por meio de um sistema de Banda Ultra

Larga (canal 1) e medida utilizando um ltro passa-baixas com frequncia de

corte de 2 MHz (canal 2).

Figura 15 Descarga tipo corona detectada por meio de um sistema de Banda Ultra

Larga (canal 1) e medida utilizando um ltro passa-baixas com frequncia de

corte de 2 MHz (canal 2).

Os autores (KRAUSE; KRANZ, 2003) preferem realizar as medies de descargas

parciais na faixa de VHF (30 MHz - 300 MHz). Nessa faixa de frequncia claramente

possvel distinguir entre os sinais de descargas parciais e outros distrbios, como descargas

de corona, pela investigao de suas formas de onda. Porm, a distino dos sinais de descargas parciais e distrbios pode ser realizada com um detector de descargas parciais

com banda-passante acima de 20 MHz (HAPPE; KRANZ; KRAUSE, 2005).

MTODO ELTRICO DE MEDIO NO-INVASIVA USANDO TRANSFORMADORES DE CORRENTES INDUTIVOSOutra possibilidade de realizar a medio eltrica de descargas parciais baseada

na conexo no-invasiva de um sensor indutivo de alta frequncia, HFCT (High Frequency

Current transformer) e alta permeabilidade magntica ao cabo que liga o equipamento

sob teste malha de terra (HAO; LEWIN; SWINGLER, 2008). O esquema de medio

utilizando um HFCT est representado na Figura 16.

Figura 16 Arranjo de medio de descargas parciais utilizando um sensor de corrente indutivo.

Neste arranjo de medio, o HFCT conectado de forma no invasiva ao cabo de

conexo ao terra do equipamento sob teste, C prova . Neste caso, o nvel de segurana da

equipe responsvel pela medio maximizado, pois, caso haja a falha do equipamento

sob teste, o sensor de corrente ir saturar e o mesmo no conduzir alta tenso aos

equipamentos de medio.

AJUSTE DO SISTEMA DE MEDIO BASEADO NA NORMA IEC 60270/2000

A norma IEC 60270 estabelece a necessidade de ajustar (calibrao) o sistema de

medio de descargas parciais em um momento anterior a medio. A ideia bsica consiste

em injetar no arranjo de medio um pulso de curta durao com carga conhecida e que

possa ser detectado pela impedncia de medio. O objetivo da calibrao vericar se

o sistema de medio capaz de medir corretamente uma determinada amplitude dos

pulsos de descargas parciais. O processo consiste em determinar a relao entre o valor

de pico da tenso adquirida pelo sistema de medio e a carga transferida pelas descargas

parciais. A calibrao do sistema deve ser feita todas as vezes que se altere o equipamento

sob teste, pois cada equipamento eltrico possui uma capacitncia caracterstica, ou seja,

a cada ensaio, a capacitncia total do arranjo de medio alterada, o que resulta em

modicaes na sensibilidade do sistema de medio (IEC 60270, 2000). A injeo dos

pulsos de calibrao deve ser realizada de acordo com a Figura 17.

Figura 17 Arranjo de calibrao do sistema de medio de descargas parciais.Em um trabalho recente, os autores (CAVALLINI; MONTANARI; TOZZI, 2010),

apresentaram algumas das principais limitaes dos mtodos convencionais de medio de

descargas parciais; so elas: erros de integrao, limitao de calibrao, alm da atenuao

dos pulsos durante a medio.

Mesmo com essas limitaes, as tcnicas baseadas na norma IEC 60270 tm sido

vastamente utilizadas por concessionrias de energia eltrica e fabricantes em testes em

campo e laboratrio. Porm, as medies em campo so prejudicadas pela diculdade em

realizar a calibrao da medio e pela susceptibilidade dos sinais de descargas parciais a

interferncias no ambiente de medio.

6 - Interpretao de Descargas Parciais

As descargas parciais tm um efeito prejudicial no desempenho do sistema de isolamento de equipamentos de alta tenso, principalmente nos isolamentos constitudos a base de material orgnico. Portanto, o diagnstico do nvel de degradao dos isolamentos de interesse tanto para fabricantes dos equipamentos quanto para as concessionrias de energia eltrica.

O uso de tcnicas de reconhecimento de padres de descargas parciais na identicao da degradao e no monitoramento de isolamentos de equipamentos de alta tenso consolidado. Contudo a determinao do parmetro ou parmetros que permitam, com alto grau de conabilidade, o diagnstico da severidade do estado de degradao da isolao ainda requer estudos. Dessa maneira, o desenvolvimento de tcnicas padronizadas de processamento e anlise dos sinais, como tambm tcnicas de identicao dos diferentes tipos de descargas parciais de forma sistematizada tm se tornado cada vez mais importante. Classicao de Sinais de Descargas Parciais por Inspeo Visual.

No seu artigo clssico, (NATTRASS, 1988) criou os primeiros mecanismos de classicao de descargas parciais. Ele mostrou vrios arranjos ou conguraes de isolamentos com defeitos e as correlacionou com as atividades das descargas parciais, tais como: intensidade, durao, localizao no tempo, materiais isolantes, dentre outras.

A partir da correlao foi possvel criar padres associados a cada tipo de falha do isolamento. A avaliao dos padres obtidos a partir da medio de descargas parciais foi feita de forma visual, por meio da representao grca dos sinais de corrente e tenso utilizando osciloscpios. A interpretao dos sinais de descargas parciais (geralmente representados em formas de elipses (por meio da representao grca dos sinais do canal 1 versus o canal 2 de um osciloscpio) era fortemente dependente da experincia de especialistas, o que limitava razoavelmente o diagnstico de equipamentos de alta tenso em operao. Um exemplo de defeito em isolamento e o respectivo padro visual obtido utilizando-se um detector de descargas parciais de banda larga que produz um sinal em uma base senoidal, como mostrado na Figura 8. O mesmo sinal tambm pode ser visto sob uma base elptica, Figura 9. Em ambos os casos, torna-se necessrio localizar as posies dos picos e zeros da tenso. Isto pode ser obtido eletronicamente com auxlios de alguns detectores que utilizam indicadores de zeros e picos, como mostrados na Figura 10.

Na ausncia de indicadores, os picos e zeros da tenso podem ser localizados utilizando-se um eletrodo tipo ponta conectado alta tenso, para produzir descarga no ar. Elevando-se a tenso lentamente at a tenso de iniciao de descargas, pode-se observar na tela do osciloscpio a manifestao do corona. Os sinais de corona estaro concentrados no pico negativo da tenso. Por outro lado, se um eletrodo tipo ponta-aterrado se aproximar dos terminais de alta tenso, os sinais do corona aparecero no pico positivo da tenso.

Figura 8

Figura 9

Figura 10

6.1 - Diagnsticos da Origem das Descargas

Muitas vezes, o reconhecimento da fonte geradora de descargas parciais no pode ser feito pela simples observao em osciloscpio. Um diagnstico mais preciso deve ser feito monitorando-se os padres de descargas, o tempo e a tenso de ensaio. Um outro procedimento auxiliar substituir o objeto de teste por outro e comparar padres de descargas.

A seguir sero apresentadas algumas configuraes de materiais isolantes que apresentam descargas parciais e os respectivos padres.

Caso 1

A Figura 11 mostra uma cavidade confinada em um dieltrico slido. O padro das descargas internas mostrado na Figura 12. As descargas ocorrem na subida da onda de tenso (positiva e negativa) com aproximadamente mesma amplitude e nmero, contudo diferenas de intensidade de 3:1 so normais. A tenso de iniciao est bem definida e acima do valor mnimo de deteco. H pouca ou nenhuma variao na intensidade com o crescimento da tenso. A tenso de extino de descarga igual ou levemente inferior tenso de iniciao. O tempo de tenso aplicada geralmente pouco afeta o padro durante um nico ensaio (~10min).

Figura 11

Figura 12

Caso 2

A Figura 13 mostra uma fissura confinada em um isolante elastmero. O padro das descargas internas pode ser visto na Figura 14. As descargas tambm podem ocorrer dentro de uma cavidade circular em termoplsticos contendo inibidores e/ou plasticidas. Este fenmeno tpico de alguns problemas encontrados em cabos. As descargas ocorrem na subida da onda de tenso (positiva e negativa) com aproximadamente mesma amplitude e nmero, contudo diferenas de intensidade de 3:1 so normais. H pouco ou nenhuma variao da intensidade das descargas com o crescimento e decrescimento rpido da tenso. O fenmeno parece similar ao Caso 1, entretanto se um nvel de tenso mximo mantido por cerca de 30 minutos, a intensidade das descargas decresce, a tenso de extino superior tenso de iniciao.

Figura 13

Figura 14

Caso 3

A Figura 15 mostra trs configuraes que podem ser encontradas em isolamentos eltricos. O padro das descargas internas pode ser visto na Figura 16. Primeiro, descargas internas podem ocorrer em cavidades de tamanhos e formas diferentes dentro do dieltrico (Figura 15a). Segundo, descargas podem ocorrer em superfcies dieltricas externas que separam dois condutores, como mostrado na Figura 15b. Terceiro, as descargas podem ocorrer em superfcie dieltrica externa em reas onde o campo eltrico intenso (Figura 15c).

As descargas so normalmente da mesma intensidade nas tenses de pico positivo e negativo, entretanto diferenas de 3:1 podem ser vistas entre os dois semiciclos. A iniciao apresenta padro definido, mas o nmero e a amplitude das descargas aumentam, com o aumento da tenso, eventualmente tornando indefinido o padro de descargas. As descargas tm iniciao definidas com intensidades acima do mnimo detectvel.. A aplicao da tenso por tempo inferior a 10 minutos tem pouca influncia nos resultados.

Figura 15

Figura 16

Caso 4

Processamento defeituoso freqentemente produz cavidades em sistemas isolantes moldados em resinas. A Figura 17 mostra este tipo de sistema. O padro das descargas internas pode ser visto na Figura 18. A ao de descargas sobre a resina, dentro da cavidade, pode resultar na formao de produtos condutores (carbono ou gases). As descargas so normalmente do mesmo nmero e intensidade nas tenses de pico positivo e negativo. O padro na iniciao das descargas definido, mas pode rapidamente tornar-se indefinido quando a tenso cresce. A tenso de iniciao normalmente clara e bem definida. Se tenso for mantida em nvel mximo, a intensidade das descargas decresce gradualmente. As tenses de extino e de reiniciao sero bem maiores do que a original.

Figura 17

Figura 18

Caso 5

A Figura 19 mostra uma cavidade em contato com o eletrodo. O padro das descargas internas mostrado na Figura 20. As descargas ocorrem na subida da onda de tenso (positiva e negativa). As descargas so assimtricas em amplitude (10:1) e nmero comparando-se os dois semiciclos. A Figura 20 mostra o padro com um pequeno nmero de grandes descargas no pico negativo e um grande nmero de pequenas descargas no pico positivo. Para este padro, a cavidade geralmente se encontra em contato com o eletrodo aterrado. Se o padro apresenta-se com um grande nmero de pequenas descargas no pico negativo e com um pequeno nmero de grandes descargas no pico positivo, a cavidade se encontra em contato com o eletrodo de alta tenso. A tenso de iniciao de descargas bem definida, e a sua intensidade permanece inalterada quando a tenso de ensaio aumentada. A aplicao da tenso por tempo inferior a 10 minutos praticamente no afeta os resultados.

Figura 19

Figura 20

Caso 6

A Figura 21 mostra uma ramificao provocada por queima de matria orgnica. O padro das descargas internas pode ser visto nas Figuras 22 e 23. As descargas esto localizadas simetricamente nos dois semiciclos da tenso. A localizao e a intensidade podem ser irregulares. O padro pode estar definido em tenses de ensaios baixas, contudo se torna indefinido com o aumento da tenso. A tenso de iniciao varivel, com extino abaixo da iniciao. A intensidade aumenta rapidamente com a tenso. Variaes grandes e no repetidas na intensidade podem ocorrer particularmente em altas tenses. Se a manifestao das descargas for similar apresentada na Figura 22, a intensidade provavelmente permanecer estvel por minutos ou mais. Por outro lado, se a manifestao similar mostrada na Figura 23, ento o padro irregular, com variaes rpidas e substanciais na intensidade no decorrer de poucos minutos.

Figura 21

Figura 22

Figura 23

7 - FONTES DE INTERFERNCIAS

As interferncias nas indicaes dos instrumentos de medio de descargas parciais podem ser causadas por fontes internas e externas ao circuito de medio.

As interferncias internas ocorrem somente quando o circuito de ensaio est energizado (no ocorrem no objeto sob ensaio) e geralmente aumentam com a tenso de ensaio. Elas so causadas por descargas parciais no transformador de ensaio, nos condutores de alta tenso, em buchas (que no faam parte do objeto sob ensaio) e por descargas em objetos vizinhos no aterrados. Elas podem tambm ser causadas por conexes imperfeitas do lado de alta tenso ou do lado aterrado, por descargas em blindagens introduzidas para fins de segurana ou entre blindagens e por harmnicos de ordens superiores, includos na faixa de medio do instrumento. Descargas parciais no circuito de baixa tenso podem tambm causar interferncias, quando transferidas atravs do transformador de ensaio ou atravs de outras ligaes.

As interferncias externas so aquelas que ocorrem quando o circuito de ensaio est desenergizado e so causadas por operao de manobra em outros circuitos, mquinas de comutao, ensaios de alta tenso nas vizinhanas, rdio transmisso, rudo inerente ao prprio instrumento de medio, etc. As interferncias externas tambm podem ocorrer mesmo quando a fonte de alimentao estiver ligada ao circuito de ensaio com tenso nula.

7.1 - Identificaes das Fontes Interferncias

O nvel de interferncias dado pelo valor lido no instrumento com circuito de ensaio desenergizado. No se deve subtrair o nvel de interferncias do valor da intensidade de descargas parciais medida. O uso de um osciloscpio como instrumento de auxlio ao observador essencial. Mtodos no eltricos de deteco so freqentemente utilizados para localizao de corona nos condutores de alta tenso ou na rea de ensaio. Eles podem tambm fornecer uma confirmao independente a respeito da localizao das descargas.

A reduo dos nveis de interferncias pode ser obtida pela anlise de padres. A seguir sero apresentados alguns exemplos que podem ajudar no diagnstico.

Exemplo 1

Um exemplo clssico de manifestao de corona mostrado na Figura 24. A descarga no ar ou em outros gases est acontecendo em eletrodos tipo ponta ou borda em campos eltricos altos. O padro bem definido e as descargas corona so distribudas uniformemente ao redor do pico negativo da tenso. Caso contrrio, com a manifestao do corona ao redor do pico positivo da tenso, tem-se a indicao de um campo eltrico intenso em um eletrodo tipo ponta no potencial de terra.

Figura 24

Exemplo 2

Este caso similar ao apresentado no Exemplo 1, mas a ponta ou borda est imersa em lquido isolante ao invs do ar ou gases. A Figura 25 mostra a manifestao das descargas em um osciloscpio. Neste caso, com o aumento da tenso, primeiramente aparecem as descargas maiores. Quando a tenso abaixada, a tenso de extino coincide com a de iniciao. A iniciao pode levar alguns segundos para se manifestar aps a estabilizao da tenso, ficando em seguida estvel. Se as descargas provocarem eroso, a intensidade alterada.

Figura 25

Exemplo 3

A seguir, sero apresentados exemplos de alguns problemas freqentemente encontrados:

a) Retificadores a arco de mercrio ou a tiristores, ou circuitos de controle produzem interferncias de altos nveis. Um padro tpico de um retificador a arco de mercrio a seis vlvulas mostrado na Figura 26, e um padro de interferncia por tiristores mostrado na Figura 27;

b) Lmpadas fluorescentes podem ser uma fonte severa de interferncia (Figura 28);

c) Mquinas assncronas podem causar interferncias considerveis, como pode ser vista na Figura 29.

Figura 26

Figura 27

Figura 28

Figura 29

Exemplo 4

Infelizmente, alguns laboratrios ou indstrias so localizados perto de fontes geradoras de altas freqncias.

a) A recepo de sinais de radio, sinais de radiao de amplificador de potncia em alta freqncia, sinais produzidos por oscilador, pode interferir na medio com um padro tpico mostrado na Figura 30;

b) Transmissores de radio difuso produzem uma interferncia diferente, mostrada na Figura 31;

c) Outro tipo de interferncia pode vir de equipamentos industriais de alta freqncia tais como, aquecedores por induo e geradores de ultra-som, que produzem uma banda de interferncia como mostrada na Figura 32.

Figura 30

Figura 31

Figura 32

A reduo das interferncias pode ser obtida pela adoo de aterramentos adequados de todas as estruturas condutoras nas vizinhanas dos ensaios e pela colocao de filtros de entrada nas fontes dos circuitos de ensaio e de medio. Consegue-se o nvel mnimo de perturbaes, efetuando-se o ensaio num recinto eletromagneticamente blindado, no qual todas as estruturas condutoras que nele penetram como tubulaes ou cabos, devem ser aterrados ou providos de filtros. A Tabela I sumariza as providencias a serem tomadas para uma reduo significativa das interferncias.

Tabela I - Interferncia: fontes e providncias

ProblemaFonte da PerturbaoAo Corretiva

Fonte de alimentaoUsar filtros nos alimentadores / alta tenso e de circuito detector balanceado

Interferncia devido a fontes externasFonte de alta tensoUsar filtro de alta tenso ou checar as terminaes de alta tenso (pontas ou bordas)

Sinais de radio ou ondas eletromagnticasUsar sala blindada

Descarga no circuito de testeFonte de alta tensoUsar fonte livre de descarga, filtro de linha, toroides metlicos, blindagem. Circuito balanceado.

Capacitor de acoplamentoUsar capacitor livre de descargas

Rudo de contatoRudo no circuito de ensaio, entre placas e terminais em capacitores. Rudo em buchas, taps.Checar bem todos os contatos antes do ensaio. Conexes e aterramentos bem feitos. Aplicar pulsos de corrente.

8 - CALIBRAO:

Nos ensaios de descargas parciais, a carga aparente q dos pulsos de corrente das descargas medidas normalmente especificada. Contudo, cada sistema de medio pode somente detectar a carga mensurvel qm, que depende do tamanho do capacitor de acoplamento Ck, sendo apenas uma frao da carga aparente.

A calibrao correta do circuito de ensaio torna-se parte essencial da medio das descargas parciais. O processo de calibrao deve ser repetido para cada arranjo de ensaio ou sempre que grandes variaes no circuito forem feitas.

O gerador de calibrao pode ser parte integrante do instrumento de medio ou uma unidade independente, operado por bateria. Na maioria dos casos simples, ele consiste de um gerador de onda quadrada com amplitude ajustvel Uo. Os pulsos de calibrao qo, de magnitude bem definida, so emitidos atravs de um capacitor pequeno Co. O tempo de subida deve estar em torno de 50 a 100ns para assegurar que os pulsos tenham um espectro de freqncia similar aos pulsos de descargas parciais.

CALIBRAO DIRETA:

No mtodo de calibrao direta, os pulsos com carga qo so alimentados atravs do objeto de teste Ct no circuito de alta tenso. A leitura no instrumento de medio pode agora ser calibrada para o valor qo. Durante os ensaios de descargas parciais, o valor medido indicado corresponde diretamente carga aparente q. importante remover o gerador de calibrao do circuito de ensaio antes da energizao da fonte de alta tenso.

Figura 33 - Calibrao do circuito de ensaio

CALIBRAO INDIRETA:

No mtodo de calibrao indireta, os pulsos de calibrao so acoplados atravs da impedncia de medio (impedor) Zm ou atravs de um ramo do circuito balanceado. Esta calibrao pode ser efetuada tambm durante o ensaio em alta tenso. Os pulsos de calibrao podem ser visualizados juntos com os sinais de descargas parciais no osciloscpio, que uma soluo muito conveniente. Para garantir uma medio livre de erros torna-se necessrio efetuar a calibrao direta no incio das medies em todos os casos.

9 - PARTE EXPERIMENTAL1. Faa a calibrao direta e indireta. Mea os nveis de DPs detetor e osciloscpio. Relacione-os.

2. Determine os nveis de rudo ambiental com a fonte de tenso desligada.

3. Determine os nveis de rudo ambiente com fonte energizada (U ( Z. tenso de ensaio), sem objeto de teste.

4. Identifique e indique nas curvas (senide e elipse) as descargas de corona positiva e negativa.

5. Monte o circuito de deteco de descargas parciais (um ramo) e:

5.l - Instale no circuito os seguintes arranjos:

a)

5.2 - Observe e anote as formas das descargas na elipse e senide.

6 - Instale como objeto de teste um TP:

6.l - Verifique as calibraes (direta e indireta)

6.2 - Mea o rudo ambiente sem tenso e com tenso:

6.3 -Mea as descargas parciais observando as normas.

10 - BIBLIOGRAFIA:

D. A. NATRASS, Partial Discharge Measurement and Interpretation , IEEE Electrical Insulation - Magazine, 1988, May / June, Vol. 4. No.3.

Anais do I Encontro Nacional de Descargas Parciais - COBEI / ABNT, 1982.

Tetrex Information 21, Partial Discharge Measuring Techniques

High Voltage Engeneering - Fundamental, E. KUFFEL e W. S. ZAENGL, Pergamon Press, 1992.

Tcnicas de Ensaios em Alta Tenso - Medio de Descargas Parciais, Norma ABNT.

Zm

Zm

posio alternativa para Zm

Zm

Medidor

de

descargas

Zm

Z

Ck

Ct

posio alternativa para Zm

Zm

Medidor

de

descargas

Zm

Z

Ck

Ct

cabo coaxial

posio alternativa para Zm

Zm

Medidor

de

descargas

Zm

Z

Ct

Ck

Ut (t)

B

Z

i(t)

Ct

Ck

A

Objeto de teste

Ut

U1

C1

B

A

C3

C2

Objeto de teste

Ut

U1

i1(t)

R1

C1

B

A

C3

C2

B

A

C3

C3

C2

C1

C2

Ct

Ck

Zm

Zm

U0

C0

U0

C0

calibrao direta

calibrao indireta

243

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