Teoria das Descargas Parciais

Quando uma tensão é aplicada aos terminais de um equipamento elétrico que possui isolamento elétrico (dielétricos - ar, SF6, óleo isolante, fenolite, resinas, vidros, etc.) entre as partes energizadas, irão ocorrer descargas em parte desse dielétrico. Elas ocorrerão nos pontos onde houver maior intensidade de campo elétrico ou onde a constante dielétrica ( ε ) for menor do que o restante do material isolante, como no caso de pequenas cavidades gasosas no interior de um isolante sólido. Fisicamente, as Descargas Parciais se caracterizam por um processo de ionização em ambiente gasoso no interior dos materiais dielétricos, causado por um intenso campo elétrico. A partir desse processo, diversas grandezas físicas são geradas no local, tais como, pulsos eletromagnéticos conduzidos e radiados, luminosidade, ruído acústico, acréscimo de temperatura e reações químicas localizadas [2]. Para efeito de compreensão pode-se dizer que as Descargas Parciais são descargas disruptivas ocorrendo em pequena parte de um sistema isolante que não chegam a percorrer todo o caminho dentro do material isolante colocado entre os condutores submetidos a uma diferença de potencial. No caso de dielétricos sólidos essas descargas são produzidas pela ionização de pequenas cavidades de ar no interior do dielétrico; no caso dos líquidos, pela ionização de bolhas de gás no seu interior; no caso dos gases, pela ionização das moléculas de gás que se encontram nos pontos de maior gradiente de potencial [1].

Figura 1 - Exemplo de uma Anomalia no interior do dielétrico

Em barras estatóricas de geradores há na literatura o consenso que quatro são as possíveis fontes de Descargas Parciais, como demonstrado na Figura 2 a seguir:

1. Descargas na Superfície da Tinta Semicondutora2. Descargas em Bolhas no Isolamento Principal

3. Delaminação Interna - Bolhas entre o Cobre e a Superfície do Isolamento4. Enrolamento Frouxo

Figura 2 – Tipo de fontes de Descargas Parciais em estatores

A ocorrência de Descargas Parciais nos sistemas isolantes dos equipamentos de alta tensão é um sintoma de fragilidade na suportabilidade dielétrica e cuja evolução pode vir a acarretar graves conseqüências para esses equipamentos e para o sistema elétrico. A detecção de Descargas Parciais ocorrendo no interior de um sistema isolante é de fundamental importância para se avaliar o estado operativo de praticamente todos os sistemas de isolamento utilizados em alta tensão. A detecção é importante visto que as Descargas Parciais são um dos fenômenos que mais prematuramente consegue diagnosticar uma futura queda de suportabilidade elétrica dos materiais. Tradicionalmente as Descargas Parciais têm sido substancialmente avaliadas pela medição dos pulsos elétricos de alta freqüência conduzidos em um circuito de medição específico, conforme os procedimentos descritos na Norma IEC 270 [3]. O circuito tradicional de medição de Descargas Parciais é demonstrado na figura 3 a seguir:

onde:

- C2 e C3 compõe o divisor capacitivo de tensão, necessário para a referência de tensão;

- C1 é o capacitor de acoplamento, no caso de Tucuruí 80 pF; - Z é a impedância de medição, representada pela caixa terminal.

Figura 3 – Circuito de Medição de Descargas Parciais A necessidade dos ensaios de Descargas Parciais vem do fato que estas descargas são uma fonte contínua de deterioração do material isolante, ou seja, modificam suas propriedades dielétricas, além de poderem, dependendo de sua intensidade, gerar interferências. Dependendo da intensidade das Descargas Parciais, a vida útil do material poderá ser reduzida drasticamente. Inclusive, um dos itens a que se propõe o ensaio de Descargas Parciais é o de contribuir na determinação da relação existente entre as grandezas que regem as Descargas Parciais e a expectativa de duração útil do dielétrico, ou na melhor das hipóteses, definir uma duração mínima de vida dos equipamentos antes que seja necessário alguma intervenção. DESCARGAS PARCIAIS E MANUTENÇÃO Identificar se há ocorrência ou não de DP é o primeiro passo para se avaliar o desempenho do sistema isolante. Porém, em particular, para o pessoal envolvido com a manutenção dos geradores, as questões fundamentais a serem respondidas seriam:

- As amplitudes das Descargas Parciais ou, alternativamente, sua estatística de ocorrência está dentro de patamares aceitáveis?

- Outros parâmetros monitorados, tipicamente as grandezas térmicas, mecânicas e operacionais, guardam relação com as Descargas Parciais?

- Havendo Descargas Parciais, o quão grave é o problema? O gerador pode continuar operando com níveis atuais de descargas? Em quais casos deve-se

fazer uma intervenção para se fazer medições/verificações complementares de tal forma a se obter um diagnóstico mais detalhado e preciso?

- Havendo Descargas Parciais, em que região, em quais barras, em quais fases essas Descargas estão ocorrendo? Ou seja, é possível localizá-las? Com qual grau de precisão?

- Havendo Descargas Parciais, é possível identificar o tipo de defeito que está ocorrendo? E é possível saber quais foram as causas desse defeito?

- Uma vez controladas as Descargas Parciais, posso concluir que não haverá nenhuma falha associada ao sistema isolante?

Pelas questões acima é possível concluir que a avaliação do estado operativo do enrolamento estatórico requer um externo trabalho envolvendo a aquisição da informação e sua análise. Tipicamente, as fases são:

1. Identificar as grandezas que guardam relação com o desempenho do dielétrico;

2. Verificar quais grandezas podem ser efetivamente medidas (no caso são as Descargas Parciais pela metodologia elétrica);

3. Estabelecer como essa grandeza pode ser medida (acoplamentos com a alta tensão, circuitos de medição, cabeamento, instrumentação mais apropriada etc);

4. Estabelecer como os sinais devem ser pré-tratados, como devem ser organizados, como devem ser armazenados e que outros parâmetros devem acompanhar o banco de dados;

5. Criar mecanismos que facilitem uma rápida visualização dos dados para se fazer verificações do processo e análises preliminares;

6. Estabelecer as ferramentas e desenvolver as técnicas para compactação e análise da informação;

7. Desenvolver ferramentas para fins de diagnóstico do estado operativo e regras que propiciem a tomada de decisões por parte do pessoal da operação e manutenção;

8. Desenvolver ferramentas e regras que propiciem antever possíveis falhas de isolamento e tentar obter uma expectativa de desempenho e vida útil do conjunto isolante.

METODOLOGIA DE MEDIÇÃO DE DP’S EM GERADORES

Do ponto de vista prático os enrolamentos estatóricos podem ser simulados por parâmetros distribuídos R, L, C, tais como no caso de linhas de transmissão ou enrolamentos de transformadores de potência. Como as descargas parciais são sinais de corrente de alta frequência, sua intensidade é variável em função do local geográfico ao longo do enrolamento onde foi posicionado o acoplamento de alta tensão e do local onde a descarga está ocorrendo. Assim, para um hidrogerador de grande porte, que possui uma grande quantidade de barras por fase e com vários enrolamentos por fase, as empresas costumam instalar uma quantidade grande de pontos de medição. Na figura 4 ilustra-se um circuito de medição para um único acoplador instalado em uma fase.

CaboC1

680pF

R1680R

Figura 4 - Circuito de medição de DP. À esquerda, temos um circuito de uma das fases, onde se

conecta um capacitor de acoplamento. À direita, temos a impedância de medição.

Os acopladores capacitivos são capacitores de alta tensão com classe de isolamento bem acima da tensão nomimal de operação dos geradores. Os acopladores mais tradicionais eram constituídos por pequenos trechos de cabos blindados. Os capacitores atuais são pequenas unidades de resina ou outros dielétricos sólidos similares. Comercialmente existem acopladores com capacitância de 80pF, 145pF ou 500pF. Na maioria das usinas brasileiras foram instalados acopladores de 80pF. Em princípio, em função das características de cada gerador deveria-se fazer um trabalho mais completo para se definir o melhor acoplador a ser utilizado em cada caso e onde este deveria ser posicionado, posto que existe uma relação entre o espectro de frequência dos sinais de DP´s em cada ponto do enrolamento e as sensibilidades de medição em função da capacitância dos acopladores. No caso especial da Usina Tucuruí os acopladores já se encontravam instalados, sendo assim foi possível utilizar as instalações da usina nos moldes como essa se encontrava. No lado de baixa tensão de cada capacitor, ou seja, em sua blindagem é conectado um cabo de medição que encaminha o sinal de corrente das DP´s até uma caixa de terminais localizada na parte externa do gerador (Figura 3). Nessa caixa de terminais há um resistor em paralelo no valor de cerca de 690 Ω para cada cabo coaxial vindo de cada acoplador. Na figura 5 mostra-se uma caixa com 24 terminais de um dos geradores da Usina de Tucuruí.

Figura 5 - Instalação da caixa terminal.

A partir dessa caixa de terminais são lançados os cabos até a entrada do sistema de monitoramento montado em um rack padrão 19”. A instrumentação proposta pelo sistema IMA-DP, que compõe o sistema de monitoramento, foi desenvolvido numa plataforma comercial PXI de tal maneira que se pudesse desenvolver um produto o mais aberto possível obedecendo a critérios tais como:

- montagem de hardware modular de tal forma que seja mais fácil de se atualizar o sistema e envolver custos menores de manutenção ao longo dos anos;

- Facilidade de desenvolvimento de software, separando-se os desenvolvimentos dos processos de aquisição dos processos de armazenamento, análise e ferramentas de diagnóstico;

- Redução de custo de instalação posto que um sistema pode atender até duas máquinas sem que haja uma limitação do número de acopladores que podem ser instalados.

A medição de Descargas Parciais é realizada no domínio do tempo com uma instrumentação digital com capacidade de amostragem de até 100 MS/s. Como o ambiente de usina possui diversas fontes de ruídos eletromagnéticos com as mais variadas faixas de freqüência, foi necessário um condicionamento intermediário de sinais de tal forma que apenas as componentes de interesse alcançassem o instrumento de medição. Na verdade esse condicionamento de sinais deveria ser mais customizado e realizado de diferentes maneiras conforme as características de cada enrolamento estatórico que se quizesse monitorar visto que é mais importante a sensibilidade de medição em detrimento do valor absoluto da grandeza comparada entre os diversos geradores. A seguir um diagrama esquemático das ligações físicas estabelecidas nas máquinas 1 e 2 de Tucuruí.

Fase

Neutro

R = 690Ω

Circ. n

DP

Sinc.

Acopladores

Intranet

Circ. 1

Circ. 2

Enrolamentos

C1

C2

TP

R R R

Terminais

Ck1

100% 92% 85% 78% 71%F

Ck2 Ckn

T1

IMA-DP

T2 TnUsuários

Basede

Dados

F

Sist. de AquisiçãoIMA-DP

Figura 6 – Diagrama Esquemático das ligações realizadas em Tucuruí

Processamento dos Sinais Como já foi dito, as Descargas Parciais são pulsos de corrente ao longo do tempo, com alta taxa de repetição e de velocidade altíssima, originando uma quantidade de pulsos muito grande ao longo do tempo de medição, que pode ser um minuto por exemplo. Desta forma, armazenar toda essa informação seria imprudente do ponto de vista

computacional. Desta forma foi estabelecido o denominada mapa estatísticos representativos das DP. Este mapa na realidade possui três grandezas que são armazenadas conjuntamente, Amplitude da Descargas (mV ou pC) – eixo y, ângulo da tensão com relação ao sinal de referência de 60 Hz – eixo x e o número de Descagas – eixo z (repetição), representada pelo gráfico em cores. O esquema do processamento realizado pelo IMA-DP está apresentado na Figura 7 a seguir.

Hardware deMedição

Aquisição do Sinalno Tempo.

Mapa Estatísticode DP

Figura 7 – Esquema do Processamento de Sinais de DP É com base nesses mapas que se realizarão as análises e os diagnósticos onde se pretende estabelecer regras capazes de auxiliar na tomada de decisão com base na ocorrência de DP nos barramentos estatóricos de uma determinada máquina.