21 a 25 de Agosto de 2006Belo Horizonte - MG

Inspeção de Pára-Raios em Campo de Circuitos de Média-Tensão

Msc. Hermes R.P.M. de Oliveira

AES Sul - Distribuidora Gaúcha de Energia Planejamento e Engenharia

hermes.oliveira@aes.com

Tec. Fernanda Pelizan AES Sul - Distribuidora Gaúcha de Energia Planejamento e Engenharia

fernanda.pelizan@aes.com

Msc. Credson de Salles Msc. Cícero Lefort

Eng. Isaac G. Campos Jr. Prof. Manuel L. B. Martinez

Eng. Ricardo G. de Oliveira Jr. Laboratório de Alta Tensão

Universidade Federal de Itajubá ricardo@lat-efei.org.br

martinez@lat-efei.org.br

RESUMO

Este trabalho tem como objetivo definir os passos adotados no processo de estabelecimento de um procedimento de campo que seja eficaz na determinação do estado de pára-raios convencionais e, deste modo, auxiliar a manutenção das redes de distribuição e a substituição de pára-raios defeituosos. Considerando a questão técnica-econômica, foram utilizadas duas tecnologias de custo relativamente baixo e de fácil operação – Ultra-som e Rádio-Interferência. Os resultados obtidos em campo são comparados com os diversos ensaios realizados no Laboratório de Alta Tensão da Universidade Federal de Itajubá e, a partir desses resultados, é feita uma análise sobre a eficácia de cada tecnologia empregada na pesquisa de campo.

PALAVRAS-CHAVE

Avaliação de Desempenho, Inspeção de Campo, Pára-raios Convencionais, Rádio-Interferência, Ultra-som.

1. INTRODUÇÃO

Os equipamentos para os sistemas de distribuição, em sua grande maioria, principalmente na área rural, são protegidos por pára-raios convencionais a Carboneto de Silício com centelhadores e invólucros em porcelana. O pára-raios, neste contexto, é um dispositivo para a proteção dos sistemas elétricos de potência contra surtos de tensão capazes de vir a causar danos aos equipamentos evitando interrupções intempestivas no fornecimento de energia elétrica. Objetivando aumentar a proteção aos equipamentos da rede de distribuição e, assim, diminuir o número de interrupções do sistema, há uma grande tendência a substituir, de forma indiscriminada, os pára-raios convencionais por pára-raios a óxido metálico sem centelhadores. Como o número de pára-raios em condição pré-falta, ainda em operação, é desconhecido, o procedimento de substituição tecnológica indiscriminada é considerado anti-econômico, pois unidades sãs, que poderiam ser

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recolocadas quando da sua substituição por unidades de melhor perfil tecnológico, são sumariamente descartadas. Assim, um procedimento de campo eficaz na inspeção de pára-raios, capaz de permitir o estabelecimento de uma rotina para a substituição escalonada se faz necessária. Uma vez que não se pode medir de maneira fácil e separada as correntes de fuga dos pára-raios de distribuição em campo e os equipamentos de termovisão são considerados anti-econômicos, e ineficazes, pois somente detectam condições de falha pronunciadas, os equipamentos que indicam ruídos eletromagnéticos e sonoros aparecem como uma alternativa para a inspeção de campo. Como a eficácia de tais equipamentos na avaliação do estado dos pára-raios de distribuição não é conhecida, um outro estudo complementar se faz necessário. Logo, a partir dos resultados dos ensaios realizados em laboratório os resultados de ambas as tecnologias são comparados e estabelecidos índices positivos, negativos, falsos positivos, falsos negativos e acerto com base no universo ensaiado. Deste modo, o equipamento e a técnica que apresentar o maior índice de acerto é o considerado como mais adequado para o monitoramento das condições operativas dos pára-raios convencionais instalados em campo.

2. PROJETOS DE PÁRA-RAIOS DE MÉDIA TENSÃO

Os pára-raios devem ser capazes de suportar as solicitações de corrente e energia impostas aos sistemas elétricos que podem ser de origem interna – surtos de manobra e sobretensões sustentadas – ou de origem externa – surtos atmosféricos –. Estas solicitações impõem problemas de ordem mecânica, elétrica e de materiais. O projeto de um pára-raios, de modo global, pode ser dividido em várias etapas a seguir:

2.1. Projeto do Invólucro O invólucro de um pára-raios, no caso específico de distribuição, pode ser de porcelana ou em material polimérico. A escolha do tipo de invólucro é função específica dos custos de manufatura envolvidos que acabam por estar intimamente relacionados com o volume de produção e comercialização existentes. O projeto do invólucro inclui algumas distâncias que são basicamente determinadas por problemas de suportabilidade dielétrica. No caso dos pára-raios de distribuição, as distâncias são determinadas por solicitações em freqüência industrial e solicitações devido a descargas de origem atmosférica definidas pelos seguintes ensaios: - Ensaio de Suportabilidade do Invólucro frente à Tensão sob Freqüência Industrial a Seco; - Ensaio de Suportabilidade do Invólucro frente à Tensão de Impulso Atmosférico Normalizado. A suportabilidade do invólucro de um pára-raios sob condições de poluição deve levar em conta uma série de fenômenos de caráter permanente (longa duração) e de caráter transitório (curta duração) que são de extrema importância. É importante ressaltar que este desempenho é função do projeto da parte ativa.

2.2. Projeto da Parte Interna Ativa O projeto da parte interna ativa de um pára-raios, no caso de pára-raios a carboneto de silício, centelhadores e resistores não lineares, é virtualmente responsável pela característica de proteção oferecida pelos mesmos, ou seja, sua principal função. Deste modo, o mesmo deve ser elaborado sob pena de comprometer, de forma irremediável, o desempenho do conjunto.

2.3. Projeto dos Centelhadores Um centelhador é constituído por eletrodos espaçados intencionalmente, podendo ou não apresentar elementos de equalização de potencial, cuja principal função é proteger os resistores não lineares do pára-raios contra os esforços impostos pela tensão em freqüência industrial, entre fase e terra do sistema a qual o pára-raios está conectado.

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Os centelhadores dos pára-raios são construídos por eletrodos estampados em latão, cobre ou aço inox, sendo separados do eletrodo adjacente por espaçadores, geralmente cerâmicos, permitindo a formação de pequenos centelhadores individuais que apresentam implicações no projeto de pára-raios, sendo algumas delas citadas a seguir: - Utilizando-se pequenos centelhadores em série, diminui-se o atraso do tempo para uma pequena disrupção do centelhador, permitindo-se atenuar determinados problemas em centelhadores com grande espaçamento, quando solicitados por impulsos íngrimes; - Com a técnica de equalização de potencial, a resposta do centelhador, sendo solicitado por formas distintas de impulsos, é controlada através da tensão aplicada a cada pequeno centelhador individualmente; - Com os eletrodos intermediários, é possível aumentar a queda de tensão do arco e, assim, atuar na capacidade de interrupção das correntes subseqüentes do centelhador; - A capacidade de interrupção da corrente subseqüente sofre um incremento adicional, sendo que o espaçamento em ar, em cada conjunto formado por dois pequenos centelhadores, permite, através da interrupção do arco, um intercalamento de uma grande massa de metal frio, eletrodos intermediários, facilitando assim uma rápida desionização do centelhador.

2.4. Projeto dos Resistores Não-Lineares Os resistores não lineares apresentam coeficiente de variação de temperatura, relacionado com o seu mecanismo de condução de corrente, negativo, ou seja, a resistência oferecida decresce com o aumento da temperatura. Deste modo, a resistência efetiva é reduzida em função dos aumentos da corrente de descarga. Embora a tensão residual para correntes elevadas seja, de certo modo, também elevada, a relação entre as amplitudes de corrente de descarga de alta e baixa intensidade e a tensão residual é inferior a que existe nos resistores lineares. As descargas de correntes de longa duração podem implicar em aquecimento do material que compõem os resistores, fato que resulta na redução da resistência oferecida pelos mesmos e permite, assim, descargas de correntes subseqüentes com amplitudes mais elevadas. Devido a aumentos anormais de temperatura, como conseqüência de imperfeições na estrutura cristalina dos resistores, ocorrem decréscimos na resistência dos mesmos e, caso este decréscimo seja muito elevado, os centelhadores podem não interromper a corrente subseqüente levando o pára-raios ao modo de falha. Enfim, os resistores não lineares, no caso de Carboneto de Silício possuem uma margem de sobrecarga muito pequena, podendo facilmente ser destruídos caso sejam solicitados por descargas que resultem em um volume total de energia absorvida maior que o limite de projeto. Geralmente, em resistores bem projetados, os processos de destruição são resultantes da descarga de corrente de impulso atmosférico ou de manobra, denominada solicitação principal, e a solicitação imposta pela existência de corrente subseqüente.

2.5. Projeto da Vedação A vedação de um pára-raios é parte importante de seu projeto visto que praticamente quase todas as falhas de pára-raios envolvem falhas de vedação. Apesar do projeto de sistema de vedação ser uma particularidade de cada fabricante, alguns princípios básicos devem ser observados, como: - Material da gaxeta de vedação resistente a ozônio; - Tratamento superficial da porcelana e peças de apoio; - Pressão imposta à gaxeta. Além destes princípios outros devem ser observados e, neste caso, entra o grau de conhecimento e familiaridade de cada fabricante. Existem vários métodos para melhorar o processo de vedação do invólucro, mas a validade destes métodos só pode ser efetivamente comprovada através de inspeções

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periódicas de campo.

2.6. Projeto de seus Acessórios Dentre os acessórios de relevada importância no desempenho de campo de um pára-raios de distribuição, se encontra o desligador automático, um dispositivo para desconectar um pára-raios defeituoso do sistema ao qual o mesmo está conectado, podendo ou não evitar a sua explosão. O principal problema associado ao projeto de um desligador automático é a sua coordenação com os dispositivos de proteção usualmente utilizados na distribuição, ou seja, os elos fusíveis. O que se objetiva no caso é a atuação dos elos, mas não se deve perder de vista a coordenação interna entre desligador e pára-raios que, em alguns casos, pode vir a ser comprometida. O desempenho do desligador automático frente à poluição é negligenciado e deve ser sempre objeto de consultas ao fabricante sendo que de um modo geral, um desligador formado por um centelhador interno, de modo a apresentar um bom desempenho frente à poluição, deve ser sempre incorporado ao corpo do pára-raios.

3. FALHAS DE PÁRA-RAIOS DE MÉDIA TENSÃO

Os pára-raios, principalmente, os de classe de distribuição, possuem uma reputação de apresentarem um comportamento duvidoso, bem como, de entrarem em modo de falha sem, para tanto, apresentarem razões que evidenciem os fenômenos envolvidos neste processo. A partir de alguns estudos feitos por parte de algumas concessionárias de energia elétrica [1], verificou-se que, dentre as principais causas de falhas em pára-raios convencionais, a penetração de umidade no invólucro é a principal. Dentre as causas de falha destacam-se:

3.1. Falhas devido à perda de vedação A perda de vedação e subseqüente penetração da umidade no invólucro, responsável pela maior parte das falhas em pára-raios, pode ser atribuída a um dos seguintes fatores: - Projeto deficiente e/ou materiais inadequados; - Defeitos de fabricação e/ou controle de qualidade; - Deterioração do material das gaxetas; - Danos durante a instalação do pára-raios; - Envelhecimento da vedação. Excetuando-se os casos relativos a danos durante a instalação, como por exemplo, devido à aplicação excessiva de torque, quando da conexão de terminais e abraçadeiras, todos os fatores são passíveis de serem resolvidos somente pelos fabricantes. O problema está no fato de que a penetração de umidade necessita somente de uma pequena falha de vedação, que possibilite a comunicação contínua entre o interior do invólucro do pára-raios e o meio ambiente, seguida de variações de temperatura que permitam o desenvolvimento do chamado “Efeito Bombeamento”. Pequenas quantidades de umidade no interior do invólucro de um pára-raios atuam no sentido de perturbar os esforços dielétricos internos aos centelhadores; fato que, pode resultar em sua disrupção e falha subseqüente. Deste modo, é comum que ocorram falhas devido à presença de umidade no interior de um pára-raios, por exemplo, durante religamentos, mesmo em dias de tempo bom, pois o disparo dos centelhadores é oriundo da redistribuição de tensão devido a variações de temperatura.

3.2. Falhas devido a descargas atmosféricas Existem estudos [2] que demonstram que os pára-raios de distribuição podem ser submetidos a níveis de correntes de descargas mais severas que as existentes nas normas. Com relação às falhas devido a descargas atmosféricas, tem-se a relatar que um terço destas causas foram ocasionadas por falha de operação dos desligadores automáticos, fato comum no Brasil onde era usual fazer compras em separado de pára-raios e desligadores automáticos. Além disso, outras falhas comuns são descargas

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internas ao pára-raios, em seus resistores não-lineares e vaporização dos eletrodos.

3.3. Falhas devido à poluição atmosférica As falhas devido à poluição atmosférica não foram relevantes e são divididas em descargas externas, com danos ao invólucro de porcelana e descargas internas, oriundas da sobre-solicitação térmica ou dielétrica dos centelhadores. lag

3.4. Falhas devido a erro de aplicação As falhas originárias de erros de aplicação são, geralmente, muito reduzidas. O que se encontra, em raras ocasiões, são erros conceituais a respeito do termo “Tensão nominal de um pára-raios”. Este tipo de erro conduz, por exemplo, a utilização de um pára-raios de 9 kV de tensão nominal em sistemas de 13,8 kV, ao invés de pára-raios de 12 kV ou, ainda, de pára-raios de 21 kV de tensão nominal em sistemas de 34,5 kV, ao invés de pára-raios de 27 kV.

4. ENSAIOS DE CAMPO

Quando há falha na vedação do pára-raios, ocorre um processo de absorção de umidade que atua nos centelhadores e resistores dos pára-raios convencionais a Carboneto de Silício de modo a conduzi-los à eminência de falha. Sob estas condições os pára-raios emitem ruídos eletromagnéticos e sonoros. Assim, foram escolhidos dois equipamentos para serem utilizados, de forma conjunta e se possível complementar, pelas equipes de inspeção/manutenção da AES Sul: o Mini Localizador de Rádio Interferência – Modelo M-330 fabricado pela empresa Radar Engineers, e o Sistema de Inspeção Ultra-sônico – Modelo Ultraprobe 2000 fabricado pela empresa EU Systems, Inc. Esses equipamentos, que utilizam diferentes tecnologias, são relativamente baratos e de operação extremamente fácil.

4.1. Tecnologia de detecção de ruídos eletromagnéticos Uma simples fonte de descarga elétrica gera interferências em rádio freqüência variando de 1 MHz até 1000 MHz. As freqüências mais baixas podem se propagar através de uma linha de distribuição por grandes distâncias a partir do poste fonte (em alguns casos, por muitos quilômetros de linha). As freqüências mais altas decrescem (atenuam) rapidamente durante sua propagação na linha. Consequentemente, as freqüências mais altas podem, geralmente, ser detectadas somente em postes próximos à fonte. A detecção de ruídos relativos a descargas elétricas na região entre 320 e 340 MHz indica que a fonte está em uma área de 3 ou 4 postes. A comparação do nível de ruído medido entre postes conduz o operador ao poste fonte (ou estrutura). O M-330 – Radar Engineers, conforme a Figura 1, consiste em um receptor sintonizável e uma antena com uma faixa de freqüência entre 320 e 340 MHz. Normalmente, a maior parte das causas está relacionada com fontes de descarga nas linhas de distribuição, incluindo descargas internas ao pára-raios na situação pré-falha.

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Figura 1 – Utilização de um Equipamento M-330 para Inspeção de Redes de Distribuição.

4.2. Tecnologia de detecção de ruídos sonoros A tecnologia do ultra-som está relacionada com ondas sonoras que ocorrem acima da percepção humana. A freqüência máxima média perceptível ao ouvido humano é 16,5 kHz, embora a freqüência mais alta que algumas pessoas podem escutar chegue a 21,0 kHz. A tecnologia do ultra-som trata de freqüências acima de 20,0 kHz. Uma vez que o ultra-som trata de altas freqüências, ele é um sinal de ondas curtas e suas propriedades são diferentes do som audível ou sons de baixa freqüência que demanda menos energia para se propagar por uma mesma distância, que um som de alta freqüência. O Sistema de Inspeção Ultra-sônico – Modelo Ultraprobe 2000 da EU Systems, Inc., conforme Figura 2, converte as altas freqüências recebidas em uma faixa audível e amplifica o sinal. A amplificação é muito importante nesse processo, dadas as baixas amplitudes dos sinais de ultra-som. Descargas elétricas, bem como arcos e corona apresentam fortes componentes ultra-sônicos que podem ser facilmente detectados. Estes tipos de problemas podem ser detectados pelo Ultraprobe mesmo em ambientes barulhentos. No entanto, nos pára-raios existe o fenômeno de redução do nível de ruídos internos devido à presença das paredes de porcelana do invólucro.

Figura 2 – Utilização de um Similar ao Modelo Ultraprobe 2000 para Inspeção de Redes de

Distribuição.

5. METODOLOGIA

O enfoque deste trabalho é relacionado com as técnicas utilizadas na avaliação de inspeções de campo e a sua correlação com ensaios de laboratório. Logo, para que o processo seja confiável é necessário que sejam aplicadas técnicas de avaliação estatística de resultados. Deste modo, foi escolhida uma

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série de conjuntos de pára-raios que foram inspecionados com técnicas não intrusivas de baixo custo. A partir de medições de campo foram realizados ensaios de recebimento em laboratório e assim foi determinada a correlação entre as medidas originalmente obtidas e os resultados dos ensaios de recebimento. Os pára-raios convencionais com centelhadores possuem projetos e parâmetros distintos, dependentes da tensão nominal, logo, as análises estatísticas realizadas consideram esta divisão. Deste modo, os projetos de pára-raios apresentam comportamento em radiofreqüência, térmico e sônico específico. Logo, neste caso o grau de complexidade da análise dos pára-raios é extremamente elevado. Finalmente, a análise estatística dos resultados para os pára-raios contemplou uma divisão que respeitou a tensão nominal dos equipamentos. A metodologia para a execução deste projeto contemplou as seguintes etapas:

5.1. Identificação da área de abrangência do projeto. Nesta fase objetivou-se trabalhar com o maior número possível de fabricantes e uma razoável dispersão de datas de fabricação e tecnologias.

5.2. Realização de ensaios não destrutivos em campo. A avaliação do desempenho dos pára-raios implica na adoção de técnicas, a princípio de baixo custo e não intrusivas para detecção em campo de unidades na condição de pré-falha. Os principais pontos associados com esta tarefa são relacionados com o tipo de técnica a ser utilizada. Para pára-raios convencionais com centelhadores, as técnicas que combinam os processos de detecção de fontes de ultra-som e rádio-interferência são, a princípio, as mais eficazes. Deste modo, quando possível, devido às condições de disponibilidade dos equipamentos de inspeção, foram realizadas medidas conjuntas com as duas tecnologias. As técnicas de rádio – interferência por serem mais abrangentes com respeito à facilidade de aplicação, pois são não direcionais, foram utilizadas de forma a fornecer uma primeira varredura das redes que foi posteriormente refinada com a aplicação das técnicas que fazem uso de ultra-sons, que possuem como característica a direcionalidade, o que permite uma melhor definição da fonte de ruído. As técnicas de ultra-sons, a princípio, foram consideradas como não eficazes para a inspeção dos pára-raios, uma vez que a amplitude do sinal associado à fonte de ruído interna ao invólucro é reduzida pelas paredes de porcelana, dupla em alguns tipos de projetos. Estas técnicas possuem boa potencialidade quando aplicadas aos pára-raios poliméricos, principalmente, quando ocorre espalhamento do silicone entre as superfícies de contato dos resistores no processo de manufatura. As técnicas que trabalham com a detecção de pontos quentes não foram consideradas, pois o incremento de temperatura do invólucro, segundo cálculos de fluxo de calor, não deve ser superior, no caso de pára-raios com centelhadores, a 1◦ C. Este fato foi observado em laboratório em um conjunto de pára-raios com 10 vezes a corrente média de fuga medida para seu tipo e ano de fabricação. Os equipamentos necessários para as etapas de inspeção de campo, além de potencialmente eficazes, são pouco sofisticados e de operação relativamente simples. Portanto, são adequados para o trabalho rotineiro das equipes de manutenção de rede, bem como apresentam custos de aquisição reduzidos em relação aos equipamentos de termovisão.

5.3. Remoção dos pára-raios de campo para a aferição em laboratório e correlação de resultados. Os pára-raios inspecionados em campo sob condições satisfatórias ou sob suspeita, na razão de sua freqüência na estrutura, uma vez que todos os pára-raios de uma determinada estrutura foram removidos quando foi verificado que pelo menos uma unidade apresentava condições duvidosas, foram retirados de campo e substituídos por unidades equivalentes. Estes equipamentos foram enviados para o Laboratório de Alta Tensão da Universidade Federal de Itajubá para cadastramento,

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na forma de um banco de dados, e para serem submetidos a ensaios. Os pára-raios, de vários fabricantes e datas de fabricação, foram submetidos aos seguintes ensaios em laboratório: - Inspeção visual; - Resistência de isolamento; - Corrente de Fuga, sob tensão fase – terra e tensão nominal; - Tensão disruptiva sob freqüência industrial - Tensão disruptiva sob impulso atmosférico normalizado; - Tensão residual; e - Abertura e inspeção interna Após estes ensaios foi realizada uma correlação estatística entre os resultados de ensaios de campo, laboratório. A correlação estatística trabalhou com as seguintes hipóteses: - Definir um valor limite para o nível de ruído determinando uma região limite entre as unidades em perfeitas condições e sob falha. - Verificar para as unidades em perfeita condição quantas foram aprovadas e quantas reprovadas após os ensaios de recepção no laboratório. Deste modo, são definidos respectivamente, índices: Positivo e Falso Positivo para Unidades Sãs. - Verificar para as unidades sob falha, quantas foram reprovadas e quantas foram aprovadas após os ensaios de recepção no laboratório. Deste modo, são definidos respectivamente, índices: Positivo e Falso Positivo para Unidades Defeituosas. - Variar o nível limite para o ruído que define a região limite entre as unidades em perfeitas condições e sob falha. - Definir com base no universo de pára-raios o índice de acerto das tecnologias utilizadas.

6. RESULTADOS OBTIDOS

Com relação aos ensaios de campo realizados na AES SUL é possível tecer os seguintes comentários: - Este trabalho teve por meta testar a eficácia dos equipamentos para detecção de ruídos de ultra- sons e de rádio interferência na aferição da qualidade e do desempenho de pára-raios instalados nas redes distribuição de média tensão. Estes equipamentos foram selecionados por seu baixo custo e facilidade de utilização. - Um dos problemas associados com os M-330 é o relacionado com a possibilidade de indicação, entre outros, da presença de conexões inadequadas entre partes metálicas e isolantes, como, por exemplo, entre parafusos e cruzetas de madeira. Estes sinais de rádio freqüência são associados ao envelhecimento natural das estruturas das linhas devido à ação do tempo e intempéries e não a presença de equipamentos sob condição de defeito na rede. Logo, algumas fontes de ruídos detectadas podem não ter sua origem nos equipamentos inspecionados. Os resultados obtidos com os pára-raios que foram enviados ao Laboratório de Alta Tensão da Universidade Federal de Itajubá, permitem retirar as seguintes conclusões: - Foram observadas tendências particulares com relação ao fabricante e ao ano de fabricação de alguns tipos de pára-raios o que demonstra que o grau de degradação dos pára-raios está ligado às condições de manufatura e inspeção de recepção dos equipamentos, bem como a possíveis problemas ligados ao conceito de “menor custo”. - Os 3.245 pára-raios com centelhadores recebidos pelo Laboratório de Alta Tensão são divididos em 1.455 pára-raios de 12 kV, 270 pára-raios de 15 kV, 1.122 pára-raios de 21 kV e 398 pára-raios de 24 kV. Destes, 801 não apresentaram condições para ensaios e foram descartados. Entre os problemas levantados se encontram danos de grande monta nos invólucros, terminais danificados no processo de remoção e transporte do campo, e ausência de identificação no corpo do pára-raios. De um modo

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geral, por meio de inspeção das amostras é possível inferir que 35% desses casos, ou seja, 283 unidades perderam sua identificação por problemas de acondicionamento e transporte. Deste modo, visando melhorar a qualidade da informação recebida de campo foram desenvolvidos programas para Palms para cadastro e inspeção de campo. No entanto, a aplicação deste processo foi reduzida a menos de 25% da amostra total. Logo, em condições de comparação entre laboratório e campo foram entregues ao Laboratório de Alta Tensão 2444 pára-raios, sendo 1082 pára-raios de 12 kV, 236 pára-raios de 15 kV, 863 pára-raios de 21 kV e 263 pára-raios de 24 kV. Os ensaios determinantes na definição da condição operacional dos pára-raios são os de corrente de fuga, tensão disruptiva sob freqüência industrial e, em menor escala, tensão residual. Qualquer falha nestes ensaios implica em falha do pára-raios. Conforme demonstrado os resultados dos ensaios e das análises estatísticas podem ser considerados conclusivos, principalmente, em termos dos ensaios de corrente de fuga e tensão disruptiva sob freqüência industrial. Com respeito a corrente de fuga, como mostra as Tabelas 1 e 2, os para pára-raios sob suspeita de falha em um nível de ruído na faixa de 0 a 15 dB, apresentaram índices de acerto médio da ordem de 60% e 66%, para os detectores de Ultra-sons e Rádio freqüência, respectivamente. De modo independente, quando se considera a tensão nominal dos pára-raios, os índices de acerto variam de 42% a 76%. Este fato pode ser atribuído ao número de amostras por nível de tensão, atingindo valores máximos para os pára-raios de 12 kV e 21 kV, que compõem a maior parte da amostra.

Tabela 1 - Resultado do ensaio de corrente de fuga para a tecnologia de Ultra Som. Faixas 0 a 5 dB 0 a 15 dB 0 a 30 dB 0 a 50 dB

Situação No. Amostras Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros

Aprovados 1532 358 1174 1050 482 1419 113 1475 57

Reprovados 405 323 82 108 297 16 389 8 397

ÍNDICES (%) 35% 65% 60% 40% 74% 26% 77% 23%

Tabela 2 - Resultado do ensaio de corrente de fuga para a tecnologia de Rádio Interferência.

Faixas 0 a 5 dB 0 a 15 dB 0 a 30 dB 0 a 50 dB Situação Nº

Amostras Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros

Aprovados 576 241 335 447 129 536 40 547 29

Reprovados 159 90 69 35 124 8 151 3 156

ÍNDICES (%) 45% 55% 66% 34% 74% 26% 75% 25%

Com relação à tensão disruptiva sob freqüência industrial, conforme as Tabelas 3 e 4, os para pára-raios sob suspeita de falha e um nível de ruído entre 0 e 15 dB, apresentaram índices de acerto da ordem de 57% e 70% para os detectores de Ultra-sons e Rádio freqüência, respectivamente. Novamente, esta variação pode ser atribuída ao número de amostras por nível de tensão, atingindo valores máximos para os pára-raios de 12 kV e 21 kV, que compõem a maior parte da amostra.

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Tabela 3 - Resultado do ensaio de tensão disruptiva para a tecnologia de Ultra Som. Faixas 0 a 5 dB 0 a 15 dB 0 a 30 dB 0 a 50 dB

Situação Nº Amostras Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros

Aprovados 1076 231 845 797 279 1006 70 1045 31

Reprovados 861 652 209 310 551 59 802 34 827

ÍNDICES (%) 46% 54% 57% 43% 55% 45% 56% 44%

Tabela 4 - Resultado do ensaio de tensão disruptiva para a tecnologia de Rádio Interferência.

Faixas 0 a 5 dB 0 a 15 dB 0 a 30 dB 0 a 50 dB Situação Nº

Amostras Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros

Aprovados 430 208 222 379 51 412 18 422 8

Reprovados 272 176 96 113 159 29 243 23 249

ÍNDICES (%) 55% 45% 70% 30% 63% 37% 63% 37%

Finalmente, é possível concluir que em termos de tensão residual, como mostra as Tabelas 5 e 6, as inspeções não são conclusivas, uma vez que os ruídos internos aos pára-raios não dependem das condições dos resistores não lineares.

Tabela 5 - Resultado do ensaio de tensão residual para a tecnologia de Ultra Som. Faixas 0 a 5 dB 0 a 15 dB 0 a 30 dB 0 a 50 dB

Situação Nº Amostras Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros

Aprovados 1514 377 1137 1052 462 1410 104 1462 52

Reprovados 396 335 61 102 294 26 370 11 385

ÍNDICES (%) 37% 63% 60% 40% 75% 25% 77% 23%

Tabela 6 - Resultado do ensaio de tensão residual para a t tecnologia de Rádio

Interferência. Faixas 0 a 5 dB 0 a 15 dB 0 a 30 dB 0 a 50 dB

Situação Nº Amostras Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros

Aprovados 620 260 360 474 146 573 47 589 31

Reprovados 125 73 52 17 108 0 125 0 125

ÍNDICES (%) 45% 55% 66% 34% 77% 23% 79% 21%

Conforme observado existe correlação entre os índices de acerto para as condições de pára-raios em boas condições e pára-raios sob suspeita de falha, sendo a faixa entre 0 e 15 dB a escolhida como a mais apropriada para a análise das condições operativas em campo. Mesmo considerando que os ensaios de corrente de fuga e tensão residual apresentam índices satisfatórios para a faixa de 0 a 30 dB, uma análise mais profunda revela que esta opção permite a permanência de um número maior de

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pára-raios sob suspeita de falha no campo. Neste caso, na comparação dos índices mostrados nas Tabelas 1 a 4 foi dado prioridade ao acerto em termos de tensão disruptiva sob freqüência industrial, em detrimento do acerto em termos de corrente de fuga. Isto procura contemplar duas condições associadas à degradação dos centelhadores, ou seja: - Remover pára-raios que não apresentam centelhadores com condições dielétricas adequadas para suportar as solicitações impostas pelo sistema podendo falhar de forma intempestiva. - Considera-se que os ruídos sônicos e de radiofreqüência são associados à existência de descargas nos centelhadores degradados apresentando uma correlação menor com a amplitude da corrente de fuga. As Tabelas 7 e 8 mostram um resumo dos resultados obtidos neste trabalho.

Tabela 7 - Resultado geral para a tecnologia de Ultra Som.

Corrente de fuga Tensão disruptiva Tensão residual Faixa

Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros

0 a 5 dB 35% 65% 46% 54% 37% 63%

0 a 15 dB 60% 40% 57% 43% 60% 40%

0 a 30 dB 74% 26% 55% 45% 75% 25%

0 a 50 dB 77% 23% 56% 44% 77% 23%

Tabela 8 - Resultado geral para a tecnologia de Rádio Interferência.

Corrente de fuga Tensão disruptiva Tensão residual Faixa

Acertos Erros Acertos Erros Acertos Erros

0 a 5 dB 45% 55% 55% 45% 45% 55%

0 a 15 dB 66% 34% 70% 30% 66% 34%

0 a 30 dB 74% 26% 63% 37% 77% 23%

0 a 50 dB 75% 25% 63% 37% 79% 21%

A Tabela 9 mostra a consolidação final dos ensaios em laboratório onde é possível observar a preponderância das falhas por tensão disruptiva em freqüência industrial o que atua no sentido de confirmar a faixa de 0 a 15 dB com a mais adequada para inspeções de campo.

Tabela 9 – Consolidação dos Resultados de Laboratório Resultado de Laboratório – Pára-raios Submetidos a Todos os Ensaios

Número de pára-raios Ensaiados 2444 [%] Número de Pára-raios com Defeito 1365 56%

Corrente de Fuga 587 43% Tensão Disruptiva – 60 Hz 1046 76%

Corrente de Fuga e Tensão Disruptiva – 60 Hz 381 28% Tensão Residual 599 44%

Número de Pára-raios com Defeito

Reprovados em Todos os Ensaios de Laboratório 153 11% Número de pára-raios Aprovados 1079 44%

7. COMENTARIOS FINAIS

Deste modo, as conclusões que podem ser retiradas deste projeto são:

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“REMOVER QUALQUER PÁRA-RAIOS QUE APRESENTAR RUÍDO SUPERIOR A 15 dB EM CAMPO”.

“AMBOS OS MÉTODOS DE INSPEÇÃO FORAM EFETIVOS, SENDO QUE OS DETECTORES DE RADIO INTERFERÊNCIA APRESENTARAM UM DESEMPENHO LIGEIRAMENTE SUPERIOR”.

“OCORRE UMA REDUÇÃO NA EFICIÊNCIA DOS MÉTODOS DE INSPEÇÃO DE CAMPO EM FUNÇÃO DA CLASSE DE TENSÃO NOMINAL DOS PÁRA-RAIOS”.

De modo complementar observou-se: - Os ensaios realizados nos pára-raios demonstraram que em torno de 9% dos pára-raios suportaram os ensaios apresentando, no entanto, durante o ensaio de tensão residual ocorreu falha do desligador automático. - Em torno de 44% dos pára-raios retirados de campo apresentam condições de operação satisfatória, mesmo tendo em mente que possuem vida útil média da ordem de 15 anos. Finalmente, de um modo geral, a qualidade dos resultados das inspeções de campo determina a qualidade da avaliação final de laboratório. Um ponto importante não listado foi o relacionado com a tendência de comportamento dos resultados de ensaios realizados nos pára-raios de alguns fabricantes. Nestes casos, foi observada uma tendência de degradação pronunciada em unidades com fabricação recente, fato a princípio inusitado, caso o projeto e a qualidade da manufatura fossem mantidos constantes. Observou-se que a partir do momento da privatização ocorreu um grande aumento no número de unidades sob falha. Isto permite inferir que ocorreram problemas ou com os procedimentos de compra ou ainda inspeção de fábrica e acompanhamento dos ensaios de recepção. Este projeto permitiu delinear características mínimas para a inspeção de pára-raios no campo, conforme mostrado a seguir: De um modo geral, o detector de radiofreqüência é a melhor ferramenta para ser utilizada em campo no momento. As unidades de ultra-sons são aparentemente adequadas para este tipo de inspeção de campo. No entanto, a aquisição de unidades de rádio interferência específicas, mais elaboradas, bem como sua aplicação em campo deve ser realizada antes de assumir esse comentário como definitivo.

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

- M. L. B. Martinez, M. Kubota, R. C. Maciel, S. Aita, A. R. Pizarro, O. S. Manalli, “Medição de Corrente de Fuga – Uma Alternativa para a Manutenção Preventiva de Pára-Raios”, X Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, Curitiba, Paraná, 1989. - LAT, M.V. et alli.; “Application Guide for Surge Arresters on Distribution Systems”; Ontario Hydro Research Division; First Edition. Toronto, 1988. - NBR 5287 Pára-Raios de Resistor Não Linear a Carboneto de Silício SiC para Sistemas de Potência – Especificação, ABNT, 1991. - NBR 5309 Pára-Raios de Resistor Não Linear a Carboneto de Silício SiC para Sistemas de Potência – Método de Ensaio, ABNT, 1991. - Doble Engineering Company; “Arrester Field-Test Guide”; Doble Client Committee on Arresters, Capacitor and Insulators; Fourth Edition; Watertown – 1975.