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Diagnóstico em Cabos de Média Tensão Utilizando o Método de Descargas Parciais
ALEXANDRE GROSSI, GERALDO LANA, DEIVISON LIMA
GERDAU – Unidade Ouro Branco
Rodovia MG-443 Km 07 - 36420-000 - Ouro Branco MG – Brasil.
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected]
PAULO OKUMTOTO
TECHIMP BRASIL - Monitoramento Global de Sistemas de Energia Ltda.
Av. Vereador José Diniz 3651 - cj 103 - 04603-003 - São Paulo - Brasil.
E-mails: [email protected]
Abstract - This work aims to present the actividad of online diagnostics of power cables in medium voltage (4.16 kV), which feed Steelmaking Gerdau - Ouro Branco unit through the method of partial discharge on line partial discharges
The technical report was the necessary basis for the knowledge of the current state of the circuit and prepare a plan for
maintenance based on condition. The online partial discharge method was adopted, since it allows detecting the presence of faults due to aging so as to imperfections in the manufacturing of the insulation system.
Resumo - Este trabalho tem como objetivo principal apresentar a atividade de diagnostico online dos cabos de
distribuição energia em média tensão (4,16 KV), que alimentam a Aciaria da Gerdau – unidade Ouro Branco através do
método online de descargas parciais. O parecer técnico foi a base necessária para o conhecimento do estado atual dos circuitos e elaboração de um plano para manutenção baseada na condição. O método online de descargas parciais foi
adotado, pois permite detectar a presença de falhas devida tanto ao envelhecimento quanto a imperfeições na fabricação
do sistema isolante.
Introdução
De acordo com diversos fabricantes, a vida
útil média de condutores elétricos, trabalhando
em condições normais de operação, é de 25
anos.
Suas características construtivas apresentam
diversas formas e tipos de fabricação, com
características específicas. Este é um processo
que requer cuidados para manter um nível de
qualidade que satisfaça as normas em vigor. Sua
isolação não é diferente.
As isolações sólidas são fabricadas a partir
de materiais como os termoplásticos (PVC) e os
termofixos (polietileno reticulado – XLPE e
borracha etileno-propileno – EPR), sendo este
último com alta resistência ao surgimento do
treeing.
Treeing ou arborescência é assinalada como
o principal responsável por falhas em XLPE em
isolações sólidas dos cabos de distribuição
(Júnior, 2008). Este processo de degradação
quando submetido a diversos processos
estressores como estresse elétrico, térmico,
mecânico ou ambiental, sendo estes em
operação, tem como consequência a ruptura do
material.
A fabricação dos cabos apresenta
atualmente um bom resultado em seu processo
quanto a minimização deste fenômeno, mas a
degradação da camada isolante ainda é a
principal causa de falha (Lima, 2008). Um dos
fenômenos relacionados a falha por degradação
é conhecida como descarga parcial (Silva,
2005).
Assim com intuito de minimizar a presença
desta anomalia nos cabos, torna-se necessário
predizer quais as condições operacionais da
isolação de cabos elétricos.
Técnicas existentes e a medição das descargas
parciais
Avaliar as condições de degradação da
isolação dos cabos elétricos vem tendo a
observação do setor tanto de fornecimento de
energia, como o setor industrial. A idéia é
estabelecer um procedimento que venha
permitir um monitoramento em condição de
funcionamento.
Em (Teixeira, 2003) o trabalho apresentado
investiga as principais metodologias
empregadas no diagnóstico do estado
operacional da isolação de cabos elétricos. Duas
metodologias são chamadas a atenção para
nosso estudo.
A primeira está relacionada ao fator de
dissipação ou tangente delta (tang. δ). Está
técnica chama a atenção para as perdas na
isolação observadas no ângulo formado pela
corrente capacitiva da corrente de fuga que flui
através desta isolação. Ainda em (Teixeira,
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2003) o autor indica como dificuldade do
método a possibilidade dos resultados estar com
diagnósticos errados.
A segunda seria o método da medição da
resistência da isolação. Este teste é usado com o
intuito de determinar a integridade do cabo a ser
analisado. Quando os valores da resistência
estiverem abaixo dos valores estabelecidos,
existe aí a característica de que a isolação do
cabo está perdendo suas características elétricas.
A dificuldade do método encontra-se para
medições em cabos com longas distâncias. Para
estes casos as correntes de fuga capacitiva
dependentes do tempo irão levar os medidores a
alterações em suas leituras tornando impossível
a obtenção de uma leitura estável e apurada
(Vortex).
Definição e classificação das descargas
parciais
Descarga parcial é uma descarga elétrica
que ocorre numa região do espaço sujeita a um
campo elétrico, cujo caminho condutor formado
pela descarga não une os dois eletrodos de
forma completa. Podem ser classificadas como:
PD interna, PD superficial ou PD corona.
Diversos autores vêm chamando a atenção
para este fenômeno. Em (Filho, 2005) o autor
mostra sua definição através do conceito de
gradiente de tensão. Sabe-se que gradiente de
tensão é a relação existente entre tensão
aplicada ao dielétrico e sua espessura. Se o valor
assumido por este gradiente ultrapassa valores
capazes de gerar uma ruptura na isolação dos
cabos, entende-se que este gradiente ultrapassou
a rigidez dielétrica deste isolante no cabo.
No processo de fabricação de um cabo, o
aparecimento de bolhas ou vazios se dá por
causas distintas, que dependem da natureza do
material na maioria dos casos. Para o caso dos
termoplásticos sua falha pode ocorrer na
presença de ar no processo de injeção do
polímero. Já nos termofixos a falha se justifica
no processo químico de cura do elemento
isolante.
Em ambos os casos o surgimento destas
falhas ou bolhas leva a uma baixa rigidez
dielétrica neste ponto localizado, permite uma
acentuada solicitação elétrica, levando a sua
ruptura por estresse elétrico. Como todo o cabo
está submetido ao mesmo gradiente de tensão da
isolação, neste ponto localizado surge uma
descarga elétrica denominada descarga parcial
(PD - do inglês Partial Discharges).
Um aprofundamento maior sobre as
condições de ocorrência das descargas parciais e
conceitos matemáticos correlatos encontra-se
em (Silva, 2005).
As medições de Descargas de Parciais – DP
são testes realizados em diferentes tipos de
equipamentos elétricos, como cabos, geradores,
motores, a fim de avaliar o estado do sistema
isolante.
Estas medições permitem detectar a
presença de defeitos devidos tanto a um
processo de degradação como a imperfeições na
fabricação do sistema isolante.
Em comparação a outros testes dielétricos
(isto é, a medição do fator de dissipação ou
resistência de isolamento) o caráter
diferenciador das medições de descargas
parciais é a localização de pontos localizados de
degradação do sistema de isolação avaliado.
O fenômeno das Descargas Parciais está
baseado no principio de que a maioria dos
materiais isolantes possui micro-cavidades, seja
por sua estrutura intrínseca, seja por sua
manipulação durante o processo de fabricação.
Quando esses materiais isolantes são
submetidos a um campo elétrico de alto
gradiente podem ocorrer descargas internas nas
micro-cavidades que gradualmente provocam a
“erosão” de suas paredes até que essa micro-
cavidade tenha uma dimensão igual à espessura
do material isolante, resultando então em uma
descarga total e consequente falha do
isolamento do cabo.
As Descargas Parciais em um sistema
isolante são o primeiro sintoma de que alguma
anomalia está ocorrendo no material e por
consequência a sua identificação permite, com
antecedência, preverem-se possíveis falhas
futuras.
Desta forma, a avaliação qualitativa de uma
rede de cabos de média ou alta tensão pode ser
executada através da metodologia da medição
de Descargas Parciais.
Metodologia empregada na medição das DP’s
A empresa TECHIMP desenvolveu um
método de medição dessas DP’s de modo que a
sua identificação, com separação e rejeição de
ruídos, permite a observação de seus parâmetros
online (sistema energizado) ou offline (sistema
desernezidado).
As medições on-line de descargas parciais
adéquam vantagens operacionais e técnicas com
relação às técnicas off-line. O sistema de
alimentação das cargas não é interrompido
durante os testes.
O contexto mais importante dentro da visão
técnica, é que o cabo pode ser monitorado
através de sinal emitido constantemente, de
modo que a variação em função do tempo e
atividades de DP intermitentes podem ser
detectadas, incluindo as conseqüências das
condições operacionais, como sobre-tensões e
variações de carga.
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Uma vantagem da técnica offline seria a
possibilidade de obtermos um sinal externo com
mínimo possível de ruído, com a utilização de
uma fonte auxiliar de tensão. Para estes casos
devemos levar em consideração que a potência
desta fonte é proporcional a capacitância do
cabo conforme a equação:
Diante deste indicativo o gestor vem a
tomar sua decisão para intervenção no sistema
através de uma manutenção baseada na
condição (CBM – Condition Based
Maintenance), bem como uma noção correta de
riscos definindo assim caminhos e ferramentas
para mitigá-los.
Para uma rede de distribuição subterrânea e
cabos de média tensão, a medição das
Descargas Parciais é feita através do adequado
posicionamento de sensores indutivos tipo
transformadores de corrente de alta frequência
(HFCT – High Frequency Current
Transformers) instalados no aterramento da
blindagem metálica do cabo e/ou ao redor do
mesmo, ou na sua indisponibilidade, por meio
de sensores tipo manta flexível (FMC – Flexible
Magnetic Coupler) que recobrem diretamente
uma porção do cabo sob teste. Sua instalação é
mostrada na figura1.
Figua 1 – Instalação dos sensores ao redor do cabo
HFCT
A sensibilidade dos sensores possibilita a
identificação de sinais de Descargas Parciais
originadas em pontos distantes dos mesmos e a
sua adequada localização pode ser feita através
do reposicionamento desses sensores ao longo
da linha, nas câmaras de emendas.
Os sinais de Descargas Parciais são
conduzidos por cabos coaxiais que interligam os
sensores até o equipamento de detecção (PPDC -
Portable PDCheck) que por sua vez é conectado
a um notebook e assim, permite a leitura e
avaliação dos resultados.
O arranjo geral da cadeia de medição é
apresentado na Figura 2.
Figura 2: Arranjo geral da cadeia de medição de DP
on-line TECHIMP
O equipamento de detecção através de seu
software fornece um padrão de separação em
função da forma de onda do pulso, classificando
assim os fenômenos de DP’s e ruídos.
A identificação de defeitos é realizada por
um sistema de inferência fuzzy que processa os
marcadores para estimar a natureza do defeito
subjacente. Este reconhece defeitos pertencentes
à macro-categorias, como DP interna, DP
superficial e DP corona.
O ponto de partida da identificação é um
grupo de rotinas, realizada por um equipamento
de análise de inferência fuzzy, que extrai
indicadores estatísticos dos sub-padrões de
PRPD (Phase Resolved PD Pattern). Esta
resposta proporciona uma primeira indicação de
criticidade do defeito.
As figuras 3,4 e 5 mostram a forma como o
software apresenta os padrões (patterns) das
DP’s que possam estar presentes.
Figura 3: exemplo DP interna
Figura 4: exemplo DP superficial
Figura 5: exemplo DP corona
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Estratégia de manutenção
O objetivo da gestão da manutenção passa
pela busca de ferramentas que lhe traga melhor
retorno, maior disponibilidade e desempenho de
seus equipamentos.
Para (Mendes, 2011) poucas são as
empresas que se utilizam de técnicas de
predição para gestão dos ativos e que estão
disponíveis através de novas tecnologias.
Por definição as técnicas preditivas são
aquelas que se utilizam dos recursos de
monitoramento da condição para evitar falhas
eminentes.
Ainda é sabido que tal técnica, aliada a
outras já conhecidas reduz custo de manutenção,
reduz a indisponibilidade, aumentando a
confiabilidade da planta (Mendes, 2011).
Como já relatado anteriormente a técnica de
descargas parciais parte por um monitoramento
das condições do sistema isolante analisado.
Para o estudo em questão pode-se definir
três estratégias de manutenção, sendo um
monitoramento permanente, testes on-line
periódicos, e manutenção planejada após a
avaliação das tendências para avaliação da
manutenção imediata.
Uma das recomendações de avaliar a real
condição do isolamento do cabo é avaliar as
mudanças na tendência da DP. Para fazer isso, é
necessário realizar medições repetitivas. A
identificação dos defeitos é fundamental porque
diferentes tipos de defeitos têm diferentes taxas
de degradação, mesmo que tenham a mesma
amplitude.
A técnica proposta passa ainda por um
critério de “semáforo”, que seleciona o grau de
criticidade da falha, conforme figura 6.
Figura 6: Seleção do grau de criticidade
A observação da figura 5 nos leva a
concluir que a luz verde índica níveis normais
não sendo requerida nenhuma ação corretiva; a
luz amarela requer medições mais freqüentes
para avaliação de tendências; a luz vermelha
sugere imediata intervenção naquele trecho de
cabo de onde foram originadas as descargas.
Sendo assim a análise dos resultados
amarelos e vermelhos faz-se através de uma
tendência da evolução da DP. Assim é
necessário realizar uma segunda medição para
avaliar a Tendência ou Taxa de Incremento da
DP, determinando o intervalo de medição
conforme figura 7.
Figura 7: Avaliação de tendências após segunda
medição
A equipe de manutenção pode ainda estar
interessada em efetuar a manutenção do circuito
do cabo logo que detecta cabos afetados por DP,
sem avaliar a tendência. Esta é uma vantagem
de utilizar as medições online.
Lembramos que estas observações são
sugestivas sendo de responsabilidade da equipe
de manutenção qual real ação a tomar.
Existe ainda o monitoramento permanente
dos cabos. A detecção pode ser feita através de
uma sala de controle, com sinais enviados por
cabos óticos tendo em vista uma avaliação
remota.
Desenvolvimento do trabalho
A rede de alimentação analisada encontra-
se situada na empresa GERDAU – Unidade
Ouro Branco, ramo siderúrgico, mais
precisamente na Aciaria. É nesta etapa do
processo onde ocorre o refinamento do gusa, e
conseguinte a obtenção do aço.
Seu sistema elétrico é composta de 6
painéis de média tensão divididos em EV1,
EV2, EV3, EV4, EV5 e EV6 com tensão e
freqüências nominais em 4,16kV e 60Hz. A este
sistema temos cargas como lingotamentos,
responsáveis pela solidificação do aço; pontes
rolantes, para transporte de cargas líquidas;
convertedores, formados por fornos refratários
responsáveis pela transformação do gusa em
aço; além de cargas de iluminação, no-breaks,
fornos-panela, máquinas de solda entre outros.
As perdas operacionais relacionados a falha
do cabo que alimenta os convertedores,
alimentado pelo EV4 está relacionados a perdas
de corrida do aço por tempo parado para cada
convertedor, sendo dois convertedores.
O trabalho foi executado através da técnica
online em agosto de 2013. Optou-se por esta
ferramenta devido à ausência de uma fonte de
tensão auxiliar necessária a aplicação da técnica
offline. Para o caso em questão seria necessária
uma fonte externa de potência adequada para
geração de um sinal oriundo desta fonte.
Os cabos de alimentação dos painéis e suas
características são apresentados na tabela 1. Na
maioria deles sua vida útil estimada gira em
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torno de 27 anos, evidenciando assim início de
depreciação do mesmo.
Tab. 1: Características elétricas dos cabos
Os cabos analisados são os alimentadores
principais de cada painel sem levar em contar os
cabos de interligação. A justificativa é que os
cabos de interligação não são solicitados com
freqüência, podendo não sofrer, portanto
situações de estresse que levariam a falhas por
DP’s.
Os diagramas esquemáticos dos
alimentadores para cada circuito testado estão
representados no diagrama 1. Aqui está sendo
representado somente o EV1, mas os demais
seguem a mesma configuração.
Diagrama 1: diagrama de montagem de medição EV1,
em carga
Os resultados conclusivos das medições são
apresentados na tabela 2.
Tab.2: Resultados conclusivos
Em um dado momento do ensaio foi
detectado a presença de uma descarga interna
existente no alimentador EV2, Fase T, cabo T3
mais precisamente próximo a uma emenda do
cabo. Este resultado pode ser observado na
tabela 3.
Tab.3: Resultados conclusivos – presença de DP’s
internas no alimentador EV2
A presença das DP pode ser observada nos
gráficos da figura 8.
Figura 8: Análise dos dados referente à Fase T – EV2
– cabo 1, Descargas internas.
Foi notada ainda a presença de descargas
corona. Essas normalmente ocorrem em fontes
externas como equipamentos adjacentes como
motores, painéis, disjuntores entre outros. Estas
observações são detalhadas na tabela 4 e nas
figuras 9 (referência).
Tab.4: Resultados conclusivos – presença de DP’s
corona nos alimentados EV1 e EV2
Figura 9: Análise dos dados referente à Fase T – EV1
– cabo 2, Descargas corona.
Recomendações para a manutenção
Onde o sistema é livre de descargas
parciais (Alarme Verde), sugere-se repetir
as medições após um ano a fim de se
verificar o estado geral do sistema e se
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observar a possível presença de novos
fenômenos de descargas parciais.
Onde descargas parciais foram detectadas
(alarme amarelo), recomenda-se repetir as
medições dentro de um intervalo de 06
meses a fim de se avaliar a amplitude e
taxa de repetição das tendências das
atividades de DP e planejar uma
manutenção baseada na condição.
Nos circuitos alimentadores EV1, EV2
foram detectadas descargas corona e
distúrbios com alta amplitude. Sugere-se
estender as medições aos demais circuitos
e cubículos destes alimentadores a fim de
se localizar a origem dos fenômenos.
No alimentador EV2 sugere-se inspecionar
a emenda existente na fase T e também
verificar a continuidade da blindagem
metálica do cabo.
Conclusões
Até o momento dentro da planta da Gerdau
– unidade Ouro Branco a única referência que a
gestão de manutenção dispunha para análise dos
riscos operacionais junto às falhas em cabos
elétricos seria a técnica de medição de isolação.
Por não ser uma técnica baseada em condição e
também não conclusiva, várias falhas são
detectadas ao longo do tempo.
Através das medições online de DP’s foi
possível predizer ações futuras para os cabos e
assim elaborarmos os planos de manutenção
baseados em sua condição (planos CBM).
Outro ganho observado é a possibilidade de
criação de rotas de manutenção, pois á técnica
permite ser realizada com equipamento
energizado.
Ainda, com os resultados encontrados foi
disponibilizado aquisição do equipamento.
Dentro do conceito de sinergia é possível
atendimento as demais empresas do grupo e
uma maior integração da técnica.
Agradecimentos
Agradecemos a Gerdau – unidade Ouro
Branco setor de Aciaria, através do gestor Altair
Marcelo e seus colaboradores Deivison de
Souza lima, Ronaldo Miranda e equipe a
liberdade para podermos executar o serviço
dentro de um prazo satisfatório e com toda
segurança necessária.
À equipe de engenharia da manutenção
central que creditou todo o trabalho a nossa
responsabilidade e confiança técnica.
À TECHIMP BRASIL - Monitoramento
Global de Sistemas de Energia Ltda., pela
brilhante execução do serviço.
Ao engenheiro José Paulo Okumoto,
obrigado por todo conhecimento.
Bibliografia
Filho, J. M. (2005). Manual de Equipamentos
elétricos. Rio de Janeiro: LTC - Livros
Técnicos e Científicos Editora S.A.
Júnior, S. R. (2008). Análise da ruptura
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2D e 3D. Dissertação de mestrado .
Curitiba: UTFPR.
Lima, F. n. (2008). Uma contribuição à
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sob a ação das arborescências. Tese de
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Mendes, A. A. (2011). Manutenção Centrada
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Silva, G. C. (2005). descargas Parciais
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Teixeira, M. D. (Agosto de 2003). Avaliação do
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Aracaju.
Vortex, E. (s.d.). retirado de:
www.vortex.com.br/notas/resistencia_%20i
solamento.pdf.
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