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Centro de Engenharia Elétrica e Informática
Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Proposta de Pesquisa – Primeiro Projeto
Doutoramento
Pedro Henrique Venske da Rocha
Campina Grande, Paraíba
Março, 2015
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Caracterização da degradação em isoladores poliméricos de
230 kV a partir do espectro eletromagnético irradiado.
Proposta de Projeto e Pesquisa apresentada à
Coordenação do Curso de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica da Universidade Federal de
Campina Grande, em cumprimento às exigências do
Programa de Doutoramento em Engenharia Elétrica.
Pedro Henrique Venske da Rocha
Orientando
Edson Guedes da Costa, D. Sc.
Orientador
Campina Grande, Paraíba.
Março de 2015
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SUMÁRIO
1 Título do Projeto ............................................................................................................ 4
2 Descrição do Projeto ...................................................................................................... 5
3 Revisão Bibliográfica .................................................................................................... 8
4 Objetivos ...................................................................................................................... 11
5 Cronograma de Atividades .......................................................................................... 12
Referências ..................................................................................................................... 13
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1 Título do Projeto
Caracterização da degradação em isoladores poliméricos de 230 kV a partir do
espectro eletromagnético irradiado.
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2 Descrição do Projeto
As linhas de transmissão (LT) transportam energia elétrica aos grandes centros
de carga, fazendo a conexão entre o local em que é gerada essa energia (usinas
hidrelétricas, termoelétricas, etc.), e os centros de distribuição (concessionárias
distribuidoras e/ou grandes consumidores). As LTs têm sua importância ampliada em
virtude, principalmente, da alta potência transportada e das novas resoluções
determinadas pelas agências regulamentadoras.
Os isoladores de tensão, utilizados nas LTs, têm por função principal garantir o
isolamento elétrico entre seus terminais e, secundariamente, mas não menos importante,
fornecer a sustentação física dos condutores elétricos a eles conectados
(ROCHA, 2014). A primeira função básica diz respeito à garantia de que não haja fuga
de corrente do isolador para a terra. Desse modo, evitam-se as perdas de energia e, em
casos extremos, a ocorrência de curtos-circuitos, os quais acarretam prejuízos tanto de
natureza econômica como social, uma vez que o fornecimento de energia elétrica é
interrompido a milhares de pessoas.
Já a segunda função desempenhada pelo isolador de LT é a sustentação física
dos condutores elétricos. Situados no alto das torres de transmissão, os isoladores são
expostos às mais variadas intempéries climáticas e a ação de vandalismo
(YANAGUIZAWA, 2011), necessitando assim que sejam fabricados a partir de materiais
com características específicas. Por exemplo, devem suportar alto esforço mecânico,
originado pela própria sustentação dos cabos de energia, e também pelos esforços de
dilatação e contração, originados a partir da intensa variação de temperatura a que são
submetidos.
Como todo equipamento, os isoladores necessitam também de uma rotina de
manutenção, seja ela preventiva ou corretiva, que tem como objetivo evitar anomalias
no funcionamento dos mesmos (ROCHA, 2014). Em especial, os isoladores de LTs de
230 kV estão situados a aproximadamente 30 m do solo, de modo que o procedimento
de inspeção, ou intervenção, se torne uma tarefa complexa. Além da elevada altura
envolvida, também há dificuldade em se chegar à base de uma torre de transmissão, pois
as mesmas não se fazem presentes nas margens das estradas, estando na maioria das
vezes entre vegetações e morros.
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Atualmente, a principal forma de inspecionar isoladores de LTs é por meio
visual (CAPELINI, 2012), com auxílio de binóculo, no qual o inspetor observa o estado
físico do mesmo, avaliando o nível de poluição e também a ocorrência de descargas
parciais externas, por meio de centelhas nas aletas do isolador. Esse tipo de avaliação
tem por característica ser bastante subjetivo, dependente unicamente da avaliação visual
de cada inspetor, podendo ocorrer análises imprecisas de acordo com o nível de
tolerância de cada observador.
No presente contexto, entende-se que os isoladores de tensão, localizados nas
LTs, desempenham papel de suma importância para a garantia do fornecimento
ininterrupto de energia elétrica a milhares de consumidores. Dada a sua relevância,
justifica-se o estudo e o desenvolvimento de técnicas e mecanismos que possam tornar
mais eficiente o processo de manutenção em isoladores de LTs.
Portanto, neste trabalho, pretende-se investigar uma nova forma de mensurar o
grau de degradação de isoladores poliméricos de LTs de 230 kV, a partir da análise da
interferência eletromagnética irradiada por esses isoladores. Caso seja possível, o
espectro eletromagnético irradiado será tratado com o objetivo de identificar padrões de
irradiação de radiofrequência (RF), e correlacioná-los a graus de degradação física do
isolador. Dessa forma, almeja-se a utilização dessa técnica para realizar a inspeção em
isoladores poliméricos com mais objetividade, não sendo necessária exclusivamente a
avaliação visual humana ou meios invasivos.
A etapa experimental deste trabalho será realizada no Laboratório de Alta
Tensão (LAT) da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), no qual serão
ensaiados isoladores poliméricos, utilizados em uma LT de 230 kV, de diferentes níveis
de degradação (poluição, corrosão metálica, fissuras, etc.). Deverão ser utilizados nos
ensaios também isoladores em bom estado de conservação, os quais servirão de
referência.
Nos ensaios, cada isolador será colocado a uma altura de 3 m do solo e
sustentado pela parte de cima por uma estrutura fixada na parede. No terminal inferior
do isolador será conectado o condutor energizado. A antena bicônica, cuja faixa de
frequência ressoante é de 20 MHz a 330 MHz, estará situada a 5 m do condutor
energizado. A configuração (setup) do ensaio é ilustrada na Figura 1.
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A antena bicônica será conectada a um analisador de espectro, que tem como
função coletar o espectro do sinal de RF e depois salvar em arquivo. O tratamento do
espectro coletado será realizado no ambiente Matlab®.
Figura 1: Setup do ensaio com isolador.
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3 Revisão Bibliográfica
Os isoladores poliméricos, também denominados de compósitos ou não
cerâmicos, foram inicialmente comercializados na década de 60. Sendo empregado
principalmente nas linhas de transmissão, tornaram-se atraentes devido ao seu peso
reduzido e menor dimensão física em relação aos cerâmicos. Entretanto, no início de
sua produção, surgiram muitos relatos de falhas estruturais e de isolamento, devido
principalmente aos processos rudimentares de fabricação e aos materiais utilizados na
composição do dielétrico (QUEIRÓS, 2013). Atualmente, os isoladores poliméricos já
conquistaram a confiabilidade necessária para substituírem os isoladores vítreos,
empregados desde o início, prova disso é o crescente aumento na quantidade de
poliméricos presentes. Por exemplo, no sistema CHESF, em 1998, os isoladores de
polimérico representavam apenas 2% do total empregado em LTs, já em 2004, esse
percentual subiu para 23% (CAVALTANTI, 2004).
A ocorrência de descargas parciais (DP), em isoladores, é um problema que
necessita de uma atenção constante, por parte dos técnicos responsáveis pela
manutenção das LTs. As DPs são descargas elétricas que ocorrem em algum meio
dielétrico, gás, líquido ou sólido, de curtas durações, na ordem de nanosegundo,
originadas a partir da ionização de uma região do dielétrico (COSTA et al., 1996). O
aumento da quantidade e da intensidade dessas DPs acarreta a diminuição da rigidez
dielétrica do material isolante (OLIVEIRA, 2008), pois, essas descargas provocam o
envelhecimento do material, rachaduras/erosão, redução da resistência mecânica e
também a produção de subprodutos químicos (Brunt, 1994).
Vários são os tipos de inspeção em isoladores, elencam-se a seguir seis técnicas
(QUEIRÓS, 2013):
Inspeção visual: O inspetor faz uma observação, com auxílio de binóculo, do
isolador instalado no alto da LT. São identificadas características acerca da
superfície do isolador, tais como: grau de hidrofobia, grau de poluição,
integridade do dielétrico e exposição do núcleo de isoladores poliméricos.
Termografia: Através do aparelho termovisor, o qual opera como uma câmera
infravermelha, obtém-se a temperatura do isolador ao longo de toda sua
superfície. Assim, é possível identificar a presença de pontos quentes, os quais
indicam fuga de corrente, relacionados diretamente com ocorrência de descargas
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parciais. Esta técnica é sensível a variações climáticas locais, tais como,
temperatura e ocorrência de ventos, sendo portanto recomendável sua aplicação
em períodos noturnos.
Raio-X: Através de equipamentos portáteis, ou fixos, de raio-X, é possível
identificar danos estruturais internos que podem comprometer o funcionamento
do isolador. Por exemplo, quebras no núcleo de fibra de vidro em isoladores
poliméricos e separação do núcleo com os terminais metálicos.
Medição de campo elétrico: A medição de campo elétrico ao longo do isolador
é influenciada pela permissividade e condutividade dos materiais envolvidos e
sua geometria. Assim, uma elevada variação entre o campo medido e o
esperado, pode indicar um aumento de umidade no interior de isoladores
poliméricos e/ou separação do revestimento e do núcleo.
Medição de corrente de fuga: O monitoramento da corrente de fuga faz com
que seja possível identificar anomalias de funcionamento quando essa corrente
se torna elevada. Na ocorrência de acúmulo excessivo de poluentes sobre a
superfície do isolador, acarreta-se uma diminuição da resistividade e hidrofobia,
bem como, facilita-se a passagem de corrente pelo isolador, e assim, aumenta o
nível da corrente de fuga.
Detecção por interferência de rádio: Na ocorrência de descargas parciais,
ocorre a irradiação de ondas eletromagnéticas possíveis de serem medidas. A
partir da detecção dessas interferências, através da presença de picos de curta
duração e em faixas de frequência específicas, quando se analisa o espectro do
sinal, é possível inferir que esteja ocorrendo DP tanto externa como interna.
Embora existam várias possibilidades de se mensurar o estado de degradação do
isolador, muitas dessas técnicas se tornam inviáveis para serem realizadas em campo,
sendo aplicadas apenas em estudos em laboratório (BARROS, 2011). Isso se dá,
principalmente, pela dificuldade em se realizar tais procedimentos, necessitando muitas
vezes o transporte de equipamentos de difícil manuseio e/ou alta complexidade. Por
isso, a principal técnica utilizada em inspeção de isoladores é a visual. No sistema
CHESF, a manutenção em isoladores de LT está toda baseada na observação visual
(OLIVEIRA, 2008). Este tipo de inspeção, visual, está sujeita a erros devido à grande
distância entre o ponto de medição e a cadeia de isolador (FERREIRA, 2011).
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Além desses fatores que tornam o processo difícil de ser executado, em nenhuma
dessas técnicas se têm, atualmente, um sistema automático, no qual seja capaz de avaliar
o isolador de maneira inteligente e objetiva, de forma que ainda não existe uma técnica
consolidada de monitoramento de isoladores (NERI, 2005).
Focando-se na inspeção de isoladores através da irradiação de RF, Fontgalland
et al. (2004) realizaram ensaios em laboratório com isoladores vítreos, utilizados em
LTs de 69 kV, nos quais foram possíveis constatar, experimentalmente, alterações no
espectro irradiado pelos isoladores de diferentes níveis de poluição. Estudos mais
recentes buscaram relacionar padrões de espectros de isoladores vítreos limpos e
poluídos, como pode ser observado em Moura et al. (2013), no qual foi feita uma
análise do espectro captado a partir dos parâmetros estatísticos média e desvio padrão.
Já no trabalho de Rocha (2014), é proposto um sistema inteligente para
reconhecer padrões de irradiação de isoladores vítreos, utilizados em LTs de 69 kV. Na
referida pesquisa, foram empregadas técnicas de processamento de sinais, como a
análise Wavelet, e de inteligência artificial com as redes neurais artificiais (RNA).
Neste projeto, pretende-se investigar o sinal de RF irradiado de isoladores
poliméricos, utilizados em LTs de 230 kV, com o intuito de estimar o seu estado de
degradação física, a partir das alterações das irradiações eletromagnéticas, ocasionadas,
principalmente, pela ocorrência de DP no isolador. Ressalta-se o caráter inovador da
pesquisa, principalmente pelo estudo de isoladores através de RF, fato comprovado
pelas poucas publicações existentes sobre o tema, sendo então, uma área, ainda, pouco
explorada.
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4 Objetivos
É proposto como objetivo geral deste projeto investigar e reconhecer padrões
de irradiação de RF originados a partir de isoladores poliméricos de 230 kV,
correlacionando-os ao estado de degradação física no qual se encontra o isolador sob
teste. Pretende-se também criar uma base de dados, a partir da qual poderá ser possível
a implementação futura de um sistema reconhecedor de padrões, que de forma
inteligente, avalie o estado de degradação física do isolador, por meio da coleta do
espectro de RF irradiado.
Para uma descrição mais detalhada dos objetivos envolvidos na pesquisa,
elencam-se os seguintes objetivos específicos:
Revisar a literatura sobre os principais tipo de degradação física em isoladores
poliméricos, utilizados em LTs de 230 kV;
Estudar os métodos mais utilizados para tratamento de sinais, avaliando seu
desempenho com o tipo de sinal de que trata este projeto;
Realizar ensaios em laboratório com isoladores, captando o espectro
eletromagnético irradiado, quando submetidos à tensão nominal de operação;
Avaliar faixas do espectro de RF coletado no intervalo entre 30 MHz a 330
MHz, e complementarmente, estender-se até 3 GHz;
Programar um algoritmo no ambiente Matlab®, que realize o tratamento dos
dados obtidos e o processamento do reconhecedor de padrões.
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5 Cronograma de Atividades
A seguir, são enumeradas as atividades a serem executadas no decorrer da
pesquisa. Na Tabela 1, é apresentado o Cronograma de Atividades Proposto para este
projeto de pesquisa.
1- Revisão bibliográfica;
2- Definição da metodologia empregada nos experimentos de medições;
3- Realização dos experimentos de medição em laboratório;
4- Análise e processamento dos dados obtidos no experimento de medição;
5- Avaliação do algoritmo e realização de testes;
6- Defesa do primeiro projeto de pesquisa.
Tabela 1: Cronograma de atividades.
Atividades Meses de 2015
Mar Abr Mai Jun Jul
1 X X X X
2 X X
3 X X X X
4 X X X
5 X X X
6 X
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Referências
BARROS, W. P. P., Análise do Efeito Corona para Diagnóstico de Isoladores
Poliméricos, Campina Grande: Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade
Federal de Campina Grande, 2011. Dissertação de Mestrado.
BRUNT, R. J. V., Physics and Chemistry of Partial Discharge and Corona –
Recent Advances and Future Challenges, IEEE Transactions on Dielectrics and
Electrical Insulation, vol. 1, no. 5, pp. 761-784, October 1994.
CAPELINI, R. M. et al. Localização de cadeias de isoladores danificadas em linhas de
transmissão através da análise de descargas parciais de corona. In: XIX Congresso
Brasileiro de Automática, CBA 2012. Campina Grande. Anais. Campina Grande, p.
4581-4587, 2012.
CAVALCANTI, F. J. M. M., Controle e Análise de Desempenho de Isolamento de
Linhas de Transmissão em Ambientes com Poluição, Visando Ações Preventivas.
Recife: Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Pernambuco,
2004. Dissertação de Mestrado.
COSTA, E. G.; NEVES, W. L. A. Guia de Experimento: Descargas Parciais.
Universidade Federal de Campina Grande. Dezembro, 1996.
FERREIRA, T. V. Estimação Inteligente da Poluição de Isolamentos Elétricos
Baseada nos VECSE do Ruído Ultrassônico. Campina Grande: Departamento de
Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande, 2011. Tese de
Doutorado.
HILEMAN, A. R. Insulator Coordination for Power Systems. New York: Marcel
Dekker, Inc, 1999. 767 p.
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MOURA, E.; LEITE, A.; ALBERT,B.; FALCÃO G.; FONTGALLAND G.; Reading
the RF spectrum of insulators for classification of pollution levels, 16th International
Symposium on Applied Electromagnetics and Mechanics, 2013, Quebec City, Canada,
pp 319 – 320.
NERI, M. G. G.; COSTA, E. G.; GARCIA, R. W. S.; PAIVA O. L. S., Avaliação de
Técnicas de Monitoramento de Isoladores Poliméricos, 6º Encuentro de Potencia,
Instrumentación y Medidas. 2005, Montevideo, Uruguay.
OLIVEIRA, S. C. Sistema de Detecção Óptica de Descargas Parciais em Cadeias de
Isoladores de Linhas de Transmissão de Alta Tensão. Recife: Universidade Federal
de Pernambuco, 2008. Tese de Doutorado.
QUEIRÓS, J. P. M. Análise comparativa do comportamento dielétrico dos
isoladores compósitos com isoladores em materiais convencionais. Porto: Faculdade
de Engenharia, Universidade do Porto, Portugal, 2013. Dissertação de Mestrado.
ROCHA, P. H. V. Classificação de isoladores de vidro de alta tensão a partir do
espectro eletromagnético irradiado. Campina Grande: Departamento de Engenharia
Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande, 2014. Dissertação de Mestrado.
YANAGUIZAWA, J. A.; SHINOHARA, A H. Isolamento mínimo em cadeias de
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Revista de Ciência, Tecnologia e Humanidades do IFPE, Recife, v. 03, n. 01, p.132-
142, 01 Jul. 2011. Anual.