UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

MONITORAMENTO E DIAGNSTICO DE BUCHAS DE ALTA TENSO

Leonardo Nunes Alves da Silva

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Rio de Janeiro RJ 2007

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

MONITORAMENTO E DIAGNSTICO DE BUCHAS DE ALTA TENSO

Leonardo Nunes Alves da Silva

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

rea de concentrao: Sistemas de potncia Orientador: Orsino Borges de Oliveira Filho.

Rio de Janeiro RJ 2007

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

MONITORAMENTO E DIAGNSTICO DE BUCHAS

DE ALTA TENSO

Leonardo Nunes Alves da Silva PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

_____________________________________

Eng. Orsino Borges de Oliveira Filho, M.Sc (Orientador)

______________________________________

Prof. Ivan Herszterg, M.Sc (Co-Orientador)

______________________________________

Prof. Alessandro Manzoni, D.Sc.

Rio de Janeiro RJ 2007

DA SILVA, LEONARDO NUNES ALVES. Monitoramento e Diagnstico de Buchas de Alta Tenso. Rio de Janeiro 2007. 88 pginas. Monografia, Universidade Federal do Rio de Janeiro.

iii

minha me e minha av, pelo carinho e dedicao.

iv iv

AGRADECIMENTOS

Gostaria de comear agradecendo a minha me Isaura e minha av Rosa,

por terem me proporcionado todos os meios para que eu chegasse at aqui. Com

certeza no alcanaria tal objetivo sem as bases slidas da educao recebida por

elas.

Agradeo tambm ao meu irmo Leandro por nossas saudosas memrias de

infncia e por sua contagiante alegria em viver cada momento intensamente.

Agradeo a minha irm Marita por todo carinho, zelo e preocupao que

sempre teve comigo e meu irmo. Grandes valores morais foram aprendidos com

ela.

Agradeo a todos meus familiares por cada palavra de incentivo e apoio na

longa e difcil jornada ate aqui.

Agradeo a todos os meus amigos que direta ou indiretamente contriburam

para que eu chegasse nesse momento, em especial aos meus amigos da

graduao. Os cinco anos de convivncia que tive com eles nunca sero

esquecidos.

Agradeo a todos os professores da UFRJ, em especial aos professores

Alessandro Manzoni e Ivan Herszterg, pela contribuio que deram para a realizao

desse trabalho.

Agradeo aos engenheiros Alain Levy, Andr Tomaz, Jos Cardoso e Hlio

Amorim, colegas que sempre se mostraram dispostos a ajudar.

Por fim gostaria de fazer um agradecimento especial ao Engenheiro Orsino

Borges, por sua inestimvel ajuda no desenvolvimento desse trabalho e pelo apoio e

ateno que sempre teve comigo durante os dois anos em que trabalhamos juntos

no CEPEL.

v

DA SILVA, Leonardo Nunes Alves. Monitoramento e Diagnstico de Buchas de Alta Tenso. Rio de Janeiro 2007. 88 pginas. Monografia, Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Resumo

Esta monografia tem como objetivo a apresentao de um sistema de

monitoramento e diagnstico on-line de buchas de alta tenso. dada nfase ao

monitoramento de trs grandezas em especial: capacitncia, tangente de delta e

descargas parciais, por serem consideradas as grandezas mais importantes no

diagnstico de buchas.

Os captulos iniciais do trabalho explanam de uma forma geral sobre assuntos

pertinentes a buchas de alta tenso e o captulo 4 trata especificamente das

grandezas capacitncia, tangente de delta e descargas parciais, mostrando o

programa de monitoramento que foi desenvolvido para elas no centro de pesquisas

de energia eltrica - CEPEL. O capitulo 1 uma introduo sobre a motivao e a

importncia do desenvolvimento de sistemas de monitoramento on-line de buchas

de alta tenso. O capitulo 2 fala sobre os tipos de buchas existentes, focando sobre

seus aspectos construtivos e de funcionamento, e por fim apresenta os principais

ensaios de buchas de alta tenso. O captulo 3 discute a medio de outras

grandezas complementares para fins de diagnstico de buchas de alta tenso, alm

das grandezas principais focadas nesse trabalho. As grandezas capacitncia,

tangente de delta e descargas parciais so apresentadas de forma apenas

qualitativa no capitulo 3. O captulo 4 mostra com riqueza de detalhes as grandezas

capacitncia, tangente de delta e descargas parciais, bem como mostra passo a

passo o desenvolvimento dos sistemas de medio e do programa de

monitoramento on-line para essas grandezas.

Por fim, no capitulo 5 pode-se ver que o sistema de monitoramento

apresentado nesse trabalho, em relao aos sistemas comerciais disponveis no

mercado, tm algumas vantagens tais como uma maior facilidade para calibrao,

portabilidade e integrao dos resultados de diferentes grandezas monitoradas, o

que gera base para um diagnstico mais efetivo para o desempenho dieltrico de

buchas de alta tenso.

vi

Sumrio

AGRADECIMENTOS RESUMO

1. INTRODUO 1

2. BUCHAS DE ALTA TENSO 6

2.1. INTRODUO 6

2.2. TIPOS DE BUCHAS 6

2.2.1. BUCHAS NO-CAPACITIVAS 6

2.2.2. BUCHAS CAPACITIVAS 8

2.2.2.1. BUCHAS DE PAPEL RESINADO (RBP) 10

2.2.2.2. BUCHAS DE PAPEL IMPREGNADO EM LEO (OIP) 11

2.2.2.3. BUCHAS DE PAPEL IMPREGNADO EM RESINA (RIP) 12

2.3. PROJETO DE BUCHAS DE AT 13

2.3.1. DIMENSO DO LADO DA BUCHA NO AR 15

2.3.2. DIMENSO DO LADO DA BUCHA NO LEO 19

2.3.3. GRADIENTES RADIAIS 19

2.4. APLICAES PARA BUCHAS DE AT 20

2.4.1. BUCHAS PARA TRANSFORMADORES E REATORES 20

2.4.2. BUCHAS PARA SUBESTAES ISOLADAS A GS 27

2.4.3. BUCHAS PARA AT EM CORRENTE CONTNUA (ATCC) 28

2.5. ENSAIOS EM BUCHAS DE AT 30

2.5.1. MEDIDA DE CAPACITNCIA E TANGENTE DE DELTA 32

2.5.2. ENSAIOS DE SUPORTABILIDADE E DE DESCARGAS PARCIAIS 32

2.5.3. ENSAIOS DE IMPULSO DE TENSO 33

2.5.4. ENSAIOS DE ESTABILIDADE TRMICA 34

2.5.5. ENSAIO DE AUMENTO DE TEMPERATURA 34

2.5.6. OUTROS ENSAIOS 35

3. DIAGNSTICO DE BUCHAS 36

3.1. MEDIO DE CAPACITNCIA E TANGENTE DE DELTA 37

3.1.1. CUIDADOS RECOMENDADOS 37

3.1.2. EQUIPAMENTOS DE MEDIO 37

3.1.3. PROCEDIMENTOS DE MEDIO 38

3.1.4. CORREO DE TEMPERATURA 39

3.1.5. INTERPRETAO DAS MEDIDAS 40

3.1.5.1. COMENTRIOS SOBRE A TANGENTE DE DELTA PARA BUCHAS OIP 40

3.1.5.2. COMENTRIOS SOBRE A TANGENTE DE DELTA PARA BUCHAS RIP 41

3.1.5.3. ANLISE DAS VARIAES DE TANGENTE DE DELTA EM BUCHAS OIP E RIP: 42

3.1.5.4. COMENTRIOS SOBRE A TANGENTE DE DELTA PARA OS TAPS CAPACITIVOS DE BUCHAS OIP E RIP 43

3.1.5.5. COMENTRIOS SOBRE A CAPACITNCIA 43

3.2. MEDIDAS DE DESCARGAS PARCIAIS 44

3.3. ANLISE DE GASES DISSOLVIDOS (DGA) 44

3.3.1. RETIRADA DE AMOSTRAS DE LEO DE BUCHAS DE AT 44

3.3.1.1. PROCEDIMENTO DE RETIRADA DE LEO PARA GOB, GOE E GOH. 45

3.3.1.2. PROCEDIMENTO DE RETIRADA DE LEO PARA GOEK, GOM E SIMILARES: 47

3.3.1.3. PROCEDIMENTO DE RETIRADA DO LEO PARA GOA, GOC E GOG: 47

3.3.2. ANLISE DE UMIDADE 48

3.3.3. INTERPRETAO DAS ANLISES 49

3.4. INSPEO DA SUPERFCIE DO ISOLADOR - HIDROFOBICIDADE 49

3.4.1. CLASSES DE HIDROFOBICIDADE 49

3.4.1.1. EQUIPAMENTOS DE ENSAIO 50

3.4.1.2. PROCEDIMENTO DE ENSAIO 50

3.4.1.3. CLASSIFICAO DA HIDROFOBICIDADE 50

3.5. TERMOVISO 53

4. SISTEMA DE MONITORAMENTO DE BUCHAS AT EM DESENVOLVIMENTO NO CEPEL 54

4.1. INTRODUO 54

4.2. OBJETIVOS E MOTIVAO PARA O DESENVOLVIMENTO DO PROJETO 54

4.3. SISTEMA DE MEDIO DE CAPACITNCIA, TANGENTE DE DELTA E DESCARGAS PARCIAIS. 58

4.3.1. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE MEDIO 58

4.3.2. SISTEMAS DE MEDIO PROPRIAMENTE DITOS 60

4.3.2.1. SISTEMA PARA MEDIO DE DESCARGAS PARCIAIS 60

4.3.2.2. SISTEMA PARA MEDIO DE CAPACITNCIA E TANGENTE DE DELTA 63

4.3.2.3. PROGRAMA DESENVOLVIDO 67

4.3.2.4. SIMULAES REALIZADAS EM BANCADA 67

4.3.2.5. ENSAIOS REALIZADOS EM LABORATRIO 68

4.3.3. ESTRUTURA E INSTALAO DO SISTEMA INTEGRADO DESENVOLVIDO 69

4.3.3.1. SISTEMA DE MEDIO 71

4.3.3.2. SISTEMA DE OPERAO 72

4.3.3.3. SISTEMA DE ANLISE 73

5. CONCLUSES GERAIS 74

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 76

7. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 77

1

1. Introduo

As buchas de alta tenso so partes importantes que integram os grandes

equipamentos de alta tenso presentes em todas as plantas de gerao e

subestaes de transmisso, distribuio e de grandes consumidores de energia

eltrica. So equipamentos hermeticamente fechados e projetados para trabalhar ao

tempo ou abrigados, submetidos s solicitaes eltricas e mecnicas normais de

regime permanente ou anormais e transitrias previstas de ocorrerem em servio.

Entretanto, fatores tais como possveis falhas de projeto em termos de

dimensionamento e controle de campos eltricos, falhas nas execues desses

projetos, m qualidade de materiais, armazenamentos inadequados no caso de

buchas reservas colocadas em servio, penetrao de umidade devida a defeitos na

vedao, bem como solicitaes eltricas ou mecnicas imprevistas, podem levar a

ocorrncia de falhas das buchas e, conseqentemente, dos equipamentos dos quais

elas fazem parte. Alguns aspectos atuais, como por exemplo: necessidade de

projetos cada vez mais compactados e operao dos equipamentos em regime

permanente de carga mxima ou at mesmo em sobrecarga, tm tambm

contribudo para ocorrncia de falhas tanto das buchas como dos equipamentos.

Soma-se a esses aspectos tambm a idade j avanada de grande parte dos

equipamentos em servio no sistema eltrico brasileiro.

Do ponto de vista prtico, em todas as empresas de gerao, transmisso e

distribuio de energia eltrica do setor eltrico brasileiro h registros de diversas

ocorrncias de exploses de equipamentos tais como transformadores de potncia,

transformadores para instrumentos e reatores em servio. Mais recentemente, tm

ocorrido vrias falhas de transformadores de potncia e reatores estratgicos para o

bom funcionamento do sistema eltrico brasileiro, com indicativos de terem sido as

buchas de alta tenso desses equipamentos as principais envolvidas nas falhas.

Essas falhas envolvem riscos elevados de acidentes envolvendo vidas

humanas e causam, entre outros inconvenientes, interrupes prolongadas de

fornecimento de energia, custos elevados na troca ou reparos dos equipamentos ou

parte deles e aumento nos valores dos contratos de seguros. Nas figuras 1.1, 1.2,

1.3 e 1.4, esto apresentados exemplos de falhas e incndios envolvendo buchas de

alta tenso de transformadores de potncia.

2

Figura 1.1 - Bucha de alta tenso aps ocorrncia de falha.

Figura 1.2 - Bucha de alta tenso em chamas aps ocorrncia de falha.

3

Figura 1.3 - Bucha de alta tenso e transformador em chamas aps ocorrncia

de falha.

Figura 1.4 Tcnicos visitando rea aps ocorrncia de falha e incndio em

bucha de alta tenso

4

Tem sido crescente, portanto, o interesse dessas empresas por sistemas para

monitoramento e diagnstico sobre o estado operativo de buchas de alta tenso dos

equipamentos em servio, de tal maneira que seja possvel ter informaes que

subsidiem as tomadas de deciso sobre a necessidade de retirada ou no dos

equipamentos de servio, antes que falhas importantes aconteam, evitando os seus

efeitos e prejuzos.

Vrias tcnicas de monitoramento e diagnstico aplicadas em buchas de alta

tenso em servio podem ser aplicadas para se identificar seu estado de

funcionamento e eventuais riscos ao sistema no qual ela opera e assim adotar uma

sistemtica de avaliao on-line das buchas de alta tenso, visando dar maior

consistncia ao diagnstico dos equipamentos.

Atualmente, j h no mercado alguns sistemas para monitoramento e

diagnsticos de buchas de alta tenso em servio ou on line. Todos eles so

baseados em grandezas relacionadas com o estado do sistema isolante das buchas,

sobretudo nas medies de capacitncia e tangente de delta, que podem indicar

falhas internas e aumento de perdas no dieltrico da bucha, e na medio de

descargas parciais, que indicam incio de ocorrncia de descargas internas que

podem progredir para falhas completas. Integram esses equipamentos tambm o

monitoramento tradicional de gases dissolvidos no leo e outros ensaios

complementares.

Dentre os mtodos existentes, aqueles que utilizam os taps capacitivos das

buchas para fazer o monitoramento on-line da capacitncia e tangente de delta e

das descargas parciais so os mais promissores. Essas grandezas, quando

integradas numa anlise conjunta com outros dados sobre as buchas, processadas

e analisadas por meio de sistemas inteligentes, so capazes de fornecer

informaes teis sobre desempenho das buchas de alta tenso, contribuindo para

evitar as falhas e suas conseqncias.

Por toda essa importncia das buchas de alta tenso e pelo interesse em sua

integridade no sistema eltrico, esse trabalho tem como objetivo principal apresentar

informaes sobre sistemas utilizados para monitoramento e diagnstico de buchas,

mas apresenta tambm informaes mais aprofundadas sobre buchas de alta

tenso em geral nos captulos iniciais, com o intuito de fazer uma introduo mais

5

detalhada para aqueles que no tm total domnio do assunto, alm de

complementar o presente trabalho com material pertinente ao foco principal. Com

isso acredita-se que o assunto apresentado de forma a propiciar um entendimento

mais didtico e consistente para os interessados no tema.

6

2. Buchas de Alta Tenso

2.1. Introduo

Uma bucha de alta tenso (AT) um dispositivo utilizado para fazer a

passagem de um condutor eletricamente energizado em AT atravs de alguma

barreira aterrada ou em potencial eltrico muito diferente do potencial eltrico do

condutor. Exemplos de tais barreiras so paredes que abrigam uma subestao e

tanques de metal utilizados em equipamentos de AT tais como transformadores,

reatores e disjuntores. Uma bucha de AT deve fornecer isolamento eltrico para a

tenso nominal e eventuais sobretenses do sistema e tambm serve como suporte

mecnico para os condutores e conexes externas.

2.2. Tipos de buchas

As caractersticas que definem os tipos de buchas de AT dependem da

tenso nominal, dos materiais e meios isolantes e do ambiente no qual ela ser

instalada. Em termos gerais, as buchas so divididas em dois tipos: As buchas no-

capacitivas e as buchas capacitivas aterradas.

2.2.1. Buchas no-capacitivas

De uma forma bem simplificada, uma bucha no-capacitiva nada mais do

que um condutor revestido por material ou meio isolante tais como porcelana, vidro,

resina, papel, etc. como mostrado na figura 2.1. O raio a funo da tenso

eltrica no condutor, das caractersticas do material isolante e da geometria dos

eletrodos e o raio b funo do ambiente no qual a bucha utilizada.

Como mostrado na figura 2.2, a distribuio do campo eltrico nas buchas

no linear atravs de sua camada isolante e nem ao longo de sua superfcie. A

concentrao de campo eltrico no meio isolante pode levar ocorrncia de

descargas parciais e comprometer a vida til da bucha. Por outro lado, altos campos

axiais podem resultar em trilhamento e descargas na superfcie do isolamento.

7

Conforme a tenso nominal aumenta, as dimenses da bucha, resultantes de

consideraes sobre campo eltrico e possibilidade de descargas, podem aumentar

de tal forma a tornar impraticvel a sua construo.

Figura 2.1 - Buchas no-capacitivas [1].

Figura 2.2 - Distribuio de tenso nas buchas no-capacitivas [1].

A no-uniformidade do campo eltrico numa bucha pode ser minimizada por

meio de mecanismos de controle considerados na etapa de projeto. Em buchas com

isolador de resina, um eletrodo de controle eletricamente ligado ao flange de

montagem pode revestir o prprio isolador, reduzindo o campo da interface do

8

flange. (figura 2.3). A funo do eletrodo de controle, que tem forma de tubo,

reduzir o gradiente do potencial no flange e ao longo da superfcie da bucha.

Figura 2.3 - Controle de campo usando tubo de controle [1].

2.2.2. Buchas Capacitivas

Para tenses nominais acima de 50 kV, o princpio da bucha capacitiva

aterrada geralmente usado, como mostrado na figura 2.4. O material isolante mais

utilizado para esse tipo bucha papel com resina ou leo, sob as seguintes

denominaes:

Papel resinado (RBP)

Papel impregnado em leo (OIP)

Papel impregnado em resina (RIP)

9

Figura 2.4 - Bucha Capacitiva [1].

O papel disposto em camadas em volta do condutor central da bucha,

formando capacitores concntricos entre o tubo e o flange de montagem. O dimetro

e o comprimento de cada camada so escolhidos de acordo com as capacitncias

parciais, resultando numa distribuio uniforme do campo eltrico axial e um controle

de campo radial dentro dos limites do material isolante (figura 2.5).

Figura 2.5 Linhas de potencial em buchas capacitivas e no-capacitivas [1].

10

2.2.2.1. Buchas de Papel Resinado (RBP)

Atualmente, o campo de atuao das buchas RBP est limitado baixa

tenso, particularmente em chaves de manobra, devido s caractersticas dieltricas

do RBP. Nas buchas RBP, o papel primeiramente coberto com resina fenlica ou

epxica, para depois ser moldado, atravs de calor e presso, em sua forma

cilndrica e camada por camada, tendo cada camada uma densidade apropriada. A

utilizao dessas buchas limitada pela espessura e qualidade do material que foi

fabricada e pelo risco de instabilidade trmica em seu isolamento, que pode ocorrer

devido s perdas dieltricas geradas pela componente resistiva da corrente que

passa pelo material isolante. Essas buchas RBP so projetadas para operar com um

campo radial mximo de aproximadamente 20 kV/cm [1].

O isolamento das buchas RBP, simplificadamente, nada mais do que um

laminado de papel e resina. A bucha, conseqentemente, pode possuir uma

considervel quantidade de ar distribudo entre as lminas, o que estabelece um

ponto fraco do sistema isolante quanto possibilidade de descargas parciais.

Eventuais erros cometidos durante o processo de fabricao das buchas RBP

podem provocar rachaduras em formatos de circunferncias no isolamento,

possibilitando um aumento do campo eltrico, o que torna ainda mais provvel a

ocorrncia de descargas parciais.

Quando em operao, a entrada de umidade pode provocar a delaminao,

que o processo de separao involuntria das camadas de papel, assim como o

aumento e a instabilidade das perdas dieltricas no isolamento das buchas RBP.

Descargas que ocorrem nos finais das camadas de laminado provocam a

produo de carbono, que se estendem axialmente. J descargas no espao vazio

entre uma camada e outra, produzem disrupo radial entre elas. Ambas as formas

de descargas parciais so progressivas e tm efeito cumulativo. Quando

combinadas e com seus efeitos em estgio avanado levam a falha completa do

isolamento, seja por instabilidade trmica do sistema isolante ou por solicitaes

geradas por sobretenses transitrias.

11

2.2.2.2. Buchas de Papel Impregnado em leo (OIP)

A isolao do tipo OIP largamente utilizada em buchas de AT para

transformadores de potncia, reatores e transformadores de instrumentos, que

operam em sistemas das mais altas tenses de operao existentes. Buchas OIP

so fabricadas com papel disposto em camadas e sua impregnao com leo feita

aps secagem a vcuo.

Geralmente, o papel usado em sua fabricao do tipo Kraft puro, que um tipo

de papel normalmente amarronzado e feito a partir da polpa dos troncos de madeira

tipo eucalipto e tratado com uma soluo de sulfato de sdio, que est disponvel em

largura de at 5 metros. Essa largura adequada para a maioria das aplicaes,

mas para buchas de ultra-alta tenso, vrios mtodos de alongar o comprimento da

camada capacitiva so utilizados, tais como a tcnica de construo multi-pedaos

ou com a utilizao de fitas de papel. de extrema importncia que o papel seja

suficientemente poroso, para permitir eficiente secagem e impregnao, garantindo

caractersticas de suportabilidade dieltrica adequada. A figura 2.6 mostra as etapas

no processo de fabricao de uma bucha capacitiva do tipo OIP.

E n rro lla r c on p ro ce so M on ta je . P ro ceso d e v a c o y E n sayo d e ru tin aE n ro la r c om p ro c es sod e s e cag em

M on ta g em P ro ce s so d e vcuo eim p reg na o c om leo

E n s a io d e ro tin a

C am ad a d e a lum n io

P ap e l k ra f t

Figura 2.6 Processo de fabricao de uma bucha tipo OIP [3].

O leo utilizado um leo mineral do mesmo tipo que se utiliza em

transformadores. Antes da impregnao com o leo, deve ser realizado um processo

para garantir condies de baixa umidade e baixo volume de gs, como tambm alta

suportabilidade dieltrica. Em certas aplicaes, outras propriedades tambm podem

ser importantes, como por exemplo, resistividade e contedo de fibra para buchas

utilizadas em corrente contnua (cc).

12

A fabricao da bucha pode ser realizada por uma montagem completa em

autoclaves ou em locais apropriados que permitam a aplicao de vcuo durante o

processo antes de sua impregnao com leo. Defeitos de fabricao so

geralmente detectados em ensaios de rotina. No caso de uma montagem correta

das buchas OIP, nenhum tipo de substncia gasosa ser encontrado no seu interior

e, como conseqncia dos cuidados adicionais tomados no processo de fabricao,

atividades de descargas parciais ocorrero para nveis muito mais altos de campo

eltrico, quando comparados com as buchas RBP. Assim, as buchas OIP so

designadas para trabalhar com campos radiais de valores tpicos de 45 kV/cm [1].

2.2.2.3. Buchas de Papel Impregnado em Resina (RIP)

A isolao do tipo RIP foi desenvolvida na dcada de 60 para ser utilizada em

equipamentos de manobra em sistemas de distribuio e isolao de barramentos.

Mais recentemente, desenvolvimentos cientficos aumentaram seu campo de

aplicao em equipamentos e estruturas com tenses de at 800 kV.

No processo de fabricao das buchas RIP, fitas ou folhas de papel crepe so

enroladas sobre um condutor. Camadas condutoras so montadas umas aps as

outras, de uma determinada maneira que permita o controle da distribuio de

capacitncias. O isolamento de papel, ainda sem nenhum tipo de tratamento, seco

em uma autoclave, num processo controlado de calor e vcuo. Aps esse processo,

a resina epxi ento adicionada na fabricao. Como as buchas projetadas para

nveis elevados de tenso, da ordem de centenas de kV, podem ter comprimento

acima de 6 metros, de suma importncia que a resina tenha baixa viscosidade

para assegurar total impregnao. Durante o ciclo de cura da resina, eventuais

encolhimentos no comprimento original so controlados para evitar o aparecimento

de futuras fissuras, devido a esforos mecnicos internos. O produto resultante do

ciclo de cura ento submetido a um processo de secagem e retirada de gs, o que

faz com que a bucha tenha caractersticas de baixas perdas dieltricas e bom

desempenho em relao a descargas parciais. A figura 2.7 mostra o processo de

fabricao de uma bucha capacitiva do tipo RIP.

13

E n ro la r S eca g em e im p re g n a ocom re s in a s o b v cu o

U s in ag em M on ta g em e e n sa iod e ro t in a

C am ad a d e a lu m n io

P ap e l c rep e

Figura 2.7 Processo de fabricao de uma bucha tipo RIP [3].

Durante a fabricao, as camadas condutoras seguem a forma do papel

crepe. O espao entre as camadas varia de acordo com salincias e depresses da

estrutura do papel crepe. O espaamento das camadas das buchas RIP ,

conseqentemente, maior do que o das buchas RBP e OIP. As buchas do tipo RIP

so projetadas para operar com campo radial de aproximadamente 36 kV/cm [1].

2.3. Projeto de Buchas de AT

O tipo de bucha de maior interesse para aplicao em alta tenso o tipo

capacitivo e, por isso, seu projeto e aplicaes so abordadas a seguir,

particularmente o caso de buchas utilizadas em transformadores de potncia e

reatores.

essencial que uma bucha de at seja projetada para suportar as solicitaes

que so impostas tanto em regime permanente quanto em regime transitrio. As

solicitaes mais provveis para buchas de at so mostradas na tabela 2.1.

Um parmetro determinante das dimenses de uma bucha de AT o campo

eltrico. A ao do campo eltrico se d tanto radialmente, atravs da isolao,

quanto axialmente, ao longo de sua superfcie. A determinao do mximo campo

permissvel para cada material utilizado na isolao de buchas de AT tem sido feita

por experincia e por meio de ensaios laboratoriais, considerando uma expectativa

de vida til de aproximadamente 40 anos.

14

Tabela 2.1 - Solicitaes provveis para buchas de AT

Eltrico Sobre-tenses de impulso atmosfrico Sobre-tenses de manobra Tenso de freqncia nominal

Trmico Perdas Condutivas

Perdas Dieltricas Radiao Solar

Mecnica Esforos devidos a conexes externas Esforos mtuos devidos a ngulos de montagem Foras provocadas por fenmenos naturais Foras provocadas por curto-circuito

Ambientais Temperatura Natureza do meio circundante (ar, leo, gs). Poluio

O projeto da parte capacitiva da bucha tem o objetivo de controlar as

solicitaes de campos eltricos internos, mantendo-os abaixo de nveis

considerados seguros. A distribuio desses campos dependente de quatro

fatores, conforme mostrado na figura 2.8.

0r , raio do condutor.

nr , raio da camada exterior.

ll , comprimento da primeira camada capacitiva.

nl , comprimento da ltima camada capacitiva.

Figura 2.8 Corte longitudinal simplificado de buchas capacitivas [1].

15

Nas sees 2.3.2 e 2.3.3 ir se abordar de forma quantitativa a dependncia

da distribuio do campo em relao a esses quatro parmetros.

Um desenho de uma bucha OIP tpica, com uma extremidade operando no ar

e outra operando no leo, mostrado na figura 2.9.

Enrolamento Capacitivo Porcelana do lado de Ar Porcelana do lado de leo Flange Cabea da Bucha Tubo Central Proteo contra Corona Apoio do transformador

Figura 2.9 - Seco de uma bucha tpica de transformador [1].

2.3.1. Dimenso do lado da bucha no ar

Para uso em recintos fechados, com poluio e umidade moderados, buchas

que utilizam materiais isolantes que tm como composio fundamental resina no

precisam de protees externas adicionais. Buchas que utilizam leo, gs ou papel

16

impregnado em leo como isolante sempre exigem que a isolao seja protegida do

meio externo. Esta proteo geralmente feita por porcelana, mas invlucros de

isoladores polimricos vm sendo tambm utilizados.

O comprimento do isolador determinado considerando-se as solicitaes

relacionadas a impulsos atmosfricos e de manobra. O projeto da bucha deve ser tal

que o campo axial ao longo da superfcie do isolador seja o mais uniforme possvel.

O comprimento tambm afetado pelo ambiente no qual a bucha exposta. Em

ambientes poludos, a ocorrncia de descargas superficiais em condies de alta

umidade e tenso normal de operao dependente da distncia da superfcie

isoladora, como por exemplo, o comprimento da superfcie isoladora entre a alta

tenso e a terra [6]. A norma IEC 60815 [6] fornece maiores detalhes tcnicos sobre

o projeto de isoladores para utilizao em atmosferas poludas.

As informaes sobre a severidade da poluio no ambiente onde a bucha vai

ser utilizada definem uma distncia de escoamento mnima especificada (l), como

indicado na tabela 2.2. A distncia de escoamento mnima total (L) para a bucha,

relativa a tenso, determinada por [1]:

L = dK * rU * l

Onde:

dK = Fator de correo do dimetro para aumento da distncia de escoamento, com

o dimetro mdio do isolador mD

mD < 300 mm dK =1

300 < mD < 500 mm dK =1,1

mD > 500 mm dK =1,2

rU = Tenso nominal da bucha (kV)

Em certas reas desertas ou costeiras, uma combinao de condies

climticas adversas, como longos perodos sem chuva, freqentes neblinas,

tempestades de areia, maresia, entre outras, leva a acumulao de poluentes

condutores e ocorrncias de arcos eltricos entre pontos na superfcie isoladora.

17

Para combater tais condies, as distncias de escoamento so aumentadas para

valores acima 40 mm/kV [1].

Projetos modernos de isoladores de porcelana geralmente usam um perfil de

saias alternadas longas e curtas (ALS) no isolador. Esse perfil resulta num

desempenho superior para climas adversos, como por exemplo, a neblina e permite

uma limpeza mais fcil dos isoladores sob condies de chuva e vento.

A fabricao dos isoladores de porcelana para buchas de AT, quando feita

em uma nica pea, limitada pela tendncia de encurvamento durante o processo

de queima, se a bucha tiver uma relao elevada entre sua altura e o dimetro do

furo interno por onde passa o condutor. Para buchas de AT, essa relao

tipicamente maior do que 6. Para resolver esse problema, a pea subdividida em

sees e cada uma delas submetida ao processo de queima. A bucha completa

montada a partir da colagem das seces com adesivo epxi. Por exemplo, a

porcelana que fica ao ar livre em buchas de 420 kV montada, tipicamente, com

trs sees para dar uma altura global de 3,5 m, com uma relao entre sua altura e

o dimetro do furo de aproximadamente 10. Utilizando-se materiais adesivos de boa

qualidade adequadamente ajustados nas juntas das sees, pode-se considerar a

montagem como se fosse uma pea nica.

A utilizao de isoladores compostos polimricos est restrita, no momento,

devido as grandes preocupaes com estabilidade a longo prazo. Eles tm muitas

vantagens sobre os isoladores de porcelana, sendo mais leve, resistente exploso

e tendo melhor hidrofobicidade devido ao composto de borracha com silicone

moldado sobre suas saias.

18

Tabela 2.2 - Nveis de Poluio, Severidades dos ambientes e mnimas distncias de

escoamento [1].

Severidade Equivalente dos Ambientes (Valores de Referncia) Mtodo da nvoa salina

Mtodo da camada slida

Vapor-Neblina

Kieselguhr

Nveis de Poluio e Ambientes tpicos

Salinidade

(kg/ 3m )

Densidade do Sal Depositado

(mg/ 2cm )

Condutividade da Camada (S)

Mnima Distncia de escoamento especificada l (mm/kV)

I - Luz - Ventos constantes e / ou Chuva - Agrcola - Montanhoso (> 10 km acima do nvel do mar, sem ventos martimos).

5 -14 0,03 - 0,06 15 -20 16

II - Normal - Indstrias sem fumaa poluidora - Grandes quantidades de casas com ventos e / ou chuvas, expostos a ventos martimos no muito prximos.

14 - 40 0,1 - 0,2 24 - 35 20

III - Pesado - Grande densidade de indstrias - Subrbios de grandes cidades (perto do mar)

40 - 112 0,3 - 0,6 36 25

IV - Muito Pesado - Condutores empoeirados, Fumaa. - Fortes ventos midos do mar - Deserto

> 160 31

19

2.3.2. Dimenso do lado da bucha no leo

O lado da bucha com isolador no leo (figura 2.9, item 3) normalmente uma

porcelana cnica ou uma armao de resina fundida. A graduao axial interna das

camadas capacitivas dependente da tenso de ensaio a freqncia nominal que

resulta em um campo de aproximadamente 12 kV/cm. Isso determina a dimenso c

(figura 2.9). As dimenses b e c juntas com as exigncias fsicas do flange de

montagem e a corrente do transformador, determinam as dimenses nr e nl das

camadas capacitivas, vide figura 2.8 [1].

2.3.3. Gradientes Radiais

Ainda que seja possvel projetar uma bucha com gradiente radial constante,

isso somente pode ser alcanado custa de um gradiente axial varivel. Na maioria

dos casos, um gradiente axial constante desejvel enquanto que o gradiente radial

pode variar e atinge o mximo no condutor ou para a camada no potencial de terra.

Os valores dos campos no condutor ( 0E ) e na camada de potencial de terra

( nE ) so dados pelas equaes abaixo [1]:

0

0

( 1)

2 log

V aE

ar b

+=

1

( 1)

2 logn

n

V aE

ar b

+=

Onde l

n

la

l= e

0

nrbr

= .

0E mximo quando a < b e nE mximo quando a > b .

O raio 0r dependente da corrente nominal, do mtodo de conexo entre a

bucha e o enrolamento do transformador e da forma como a bucha construda. Um

valor timo de nr pode ser calculado.

Tendo determinado as dimenses das camadas capacitivas extremas, as

camadas intermedirias podem ser calculadas. O mtodo detalhado do clculo pode

variar, mas o objetivo sempre conseguir campo radial aceitvel em cada uma das

20

camadas capacitivas parciais e campo axial uniforme, com o mnimo nmero de

camadas.

Desde que, como exposto, o gradiente axial varia ao longo de toda a

espessura do isolador, o espaamento entre as camadas capacitivas para tenso

constante entre quaisquer duas camadas, que formam um capacitor parcial, tambm

deve variar.

No necessrio que as camadas capacitivas cubram 100% do comprimento

do lado de ar do isolador. Na prtica, com 60 % ou menos da graduao interna por

meio de camadas capacitivas, j se tem uma adequada graduao para a maioria

das buchas.

2.4. Aplicaes para Buchas de AT

2.4.1. Buchas para transformadores e reatores

Os transformadores para alta tenso necessitam de buchas terminais para

todos os enrolamentos de AT, e os reatores shunt precisam de buchas para a

entrada dos terminais de alta tenso. Dependendo da configurao do sistema, a

parte exterior pode operar no ar, leo ou gs. Nas figuras 2.10 a, b, c e d, esto

mostrados exemplos de buchas de alta tenso utilizadas em transformadores de

grande importncia no sistema eltrico brasileiro.

21

a) b)

c) d)

a) Transformador, 13,8/500 kV, 186 MVA, CHESF, UHE Luiz Gonzaga, uma fase da geradora, b)

Transformador 13,8/500 kV, GERASUL, UHE Salto Santiago, uma fase da geradora em GIS, c)

Maior transformador da Amrica Latina, 16/500 kV, 416,5 MVA, TRACTBEL, UHE de

Machadinho, em laboratrio para ensaios de localizao de descargas parciais pelo mtodo de

emisso acstica. d) Autotransformadores, 230/500 kV, ELETRONORTE, SE de Vila do Conde.

Figura 2.10 - Exemplos de buchas em transformadores e reatores de AT.

[Cortesia CEPEL].

22

Para tenses de at 50 kV, buchas do tipo no-capacitivas geralmente so

usadas. No caso dos transformadores do tipo secos (os que no utilizam nenhum

liquido para auxiliar no isolamento), elas so normalmente de resina moldada. J

com transformadores que utilizam meios isolantes lquidos, buchas com isoladores

de porcelana so normalmente utilizadas para aplicaes ao ar livre e com resina

moldada para conexes abrigadas.

As buchas capacitivas foram desenvolvidas para aplicaes em tenses at

1600 kV. Buchas de transformadores e reatores no so exclusivamente do tipo

OIP, sendo as buchas do tipo RIP e algumas do tipo RBP tambm utilizadas,

particularmente para tenses acima de 245 kV. [1].

Em alguns casos, os cabos que vm do enrolamento do transformador so

passados atravs do tubo da bucha e terminam na sua cabea. Esse tipo de

conexo, chamado condutor guiado, limitado a uma corrente nominal de

aproximadamente 1250 A, devido s limitaes das dimenses de cabos flexveis.

No caso de correntes mais elevadas, um tipo de conexo diferente pode ser

utilizado, fazendo com que o prprio tubo suporte da bucha seja o condutor,

conforme mostrado na figura 2.11.

Como as buchas que utilizam o sistema isolante do tipo RIP tm suas

camadas impregnadas em resina, que forma um conjunto slido, elas no

necessitam de um tubo de suporte. No caso de conexes do tipo condutor guiado

utilizar cabos isolados a papel, a blindagem para o campo eltrico no terminal do

transformador no necessria, permitindo assim uma reduo de material utilizado

no terminal inferior da bucha.

A extremidade a leo da bucha pode ser de duas formas: convencional e do

tipo reentrante. As buchas consideradas at agora nesse texto so do tipo

convencional. Atravs da comparao das duas formas, mostradas na figura 2.12,

pode ser visto que a parte que fica no leo da bucha do tipo reentrante mais curta

e, como no existe a necessidade de blindagem de campo, tem-se tambm uma

reduo de material utilizado no terminal inferior da bucha. As buchas reentrantes

apresentam grande dificuldade em sua instalao, pois os condutores dos

transformadores devem ser isolados com papel para aproximadamente 30% da

tenso de operao, sendo possvel o surgimento de gases em sua superfcie

interna. Nas figuras 2.13, 2.14 e 2.15 esto mostrados detalhes de buchas de alta

tenso tipo capacitivas utilizadas em transformadores e reatores, incluindo um

23

detalhe de falha de isolamento na regio do condutor, que deve suportar os 30% da

tenso total da bucha.

Figura 2.11 - Conexes em buchas de transformadores. (a) Tipo condutor guiado (b) Tipo conexo terminal

Figura 2.12 - Figuras do campo no lado do transformador de conexes de

buchas. (a) Tipo Convencional (b) Tipo reentrante

24

Figura 2.13 - Parte interna de uma bucha tipo capacitiva convencional, 500 kV,

utilizada na UHE da Itaipu Binacional [2].

Figura 2.14 - Bucha completa tipo capacitiva convencional, 550 kV, utilizada em

transformadores da GERASUL [2].

25

a) b) c) d)

a) Falha por descarga no isolamento papel-leo, b) Reparo com fitas de papel,

c) Fase intermediria do reparo e d) Terminal do cabo pronto para ser inserido

na bucha para processo de secagem, vcuo e impregnao.

Figura 2.15 - Parte interna do final do condutor preparado para uma bucha capacitiva tipo reentrante. O isolamento dessa parte final do condutor deve

suportar cerca de 30% da tenso [2].

Para o flange de montagem da bucha, uma conexo com a ltima camada

capacitiva trazida ao exterior atravs de um tap capacitivo. Este tap utilizado

para medies de grandezas eltricas relacionadas ao transformador e bucha,

como por exemplo, tenso, descargas parciais, capacitncia e tangente de delta.

Como a capacitncia da bucha muito menor que a capacitncia entre a ltima

camada e o terra, para prevenir a gerao de alta tenso e centelhamento no tap

capacitivo de suma importncia que ele seja mantido curto-circuitado quando a

bucha estiver em servio e o tap no estiver sendo utilizado. Em casos particulares,

um tap de potencial intermedirio pode ser necessrio. Nesse caso camadas extras

so includas para estabelecer um divisor de tenso com fator de escala diferente.

Este tipo de tap tem alta capacitncia quando comparado a parte principal da bucha

26

e pode ser usado em operao para disponibilizar uma tenso de at 5 kV e com

uma potncia de sada tpica de 100 VA. Essa sada de tenso pode ser utilizada

para alimentar rels e para a conexo de impedncias de medio de sistemas de

monitoramento e diagnstico. Na figura 2.16 esto mostrados alguns detalhes de

taps capacitivos e conexes de impedncias de medio nesses taps.

a) b)

c) d)

a) Tap capacitivo com tampa original que o mantm curco-circuitado. b) Tap

capacitivo aberto, c) Adaptador conectado ao tap capacitivo, d) Fixao de

uma caixa de impedncia de medio conectada ao tap capacitivo de uma

bucha.

Figura 2.16 - Detalhes de tap capacitivo de bucha de transformador,

500 kV [Cortesia CEPEL].

27

2.4.2. Buchas para subestaes isoladas a gs

As buchas de entrada para subestaes isoladas a gs (GIS) de AT

freqentemente utilizam porcelana pressurizada. O gs isolante dentro da bucha o

mesmo dos dutos. O controle do campo feito atravs de um arranjo de eletrodos

perfilados entre o flange e o condutor. A porcelana dimensionada para resistir a

altas presses do gs utilizado na GIS e apresenta complicaes ao sistema se

sofrer algum tipo de dano em operao. Uma melhoria de projeto feita por meio da

chamada bucha de presso-dupla, onde um tubo reforado de material polimrico

usado coaxialmente no interior da bucha ao longo da porcelana e suporta a maior

parte da presso exercida pelo gs. O intervalo entre o tubo e a porcelana faz com

que a porcelana esteja submetida a uma presso reduzida.

As buchas do tipo RIP de gs para ar so fabricadas para tenses at 525 kV.

As camadas capacitivas do tipo RIP lacram a GIS e a porcelana pode ser preenchida

com um material composto ou gs em baixa presso. Isso possibilita a utilizao de

uma porcelana bem leve para ser usada e operada em qualquer ngulo sem

modificao. Para esse tipo de bucha, pesquisas esto sendo realizadas com o

intuito de substituir a porcelana por um isolador composto ou para modelar saias de

borracha com silicone diretamente sobre a superfcie tipo RIP. Como o lado a gs da

bucha pode ser usado diretamente dentro ou muito perto de disjuntores, os

componentes da bucha devem apresentar boa resistncia aos produtos da

decomposio do 6SF , particularmente o fluoreto de hidrognio (HF). Isto pode ser

feito cobrindo as buchas RIP com uma espcie de esmalte rico em alumnio. Um

exemplo de bucha de alta tenso isolada a gs, mas com isolamento feito de

material polimrico mostrado na figura 2.17 [1].

Em GIS, transientes muito rpidos (VFTs), resultantes de chaveamentos,

geram grandes problemas para conexes externas das buchas. Devido velocidade

de propagao de um VFT, possvel o aparecimento de altas tenses entre o

condutor e a primeira camada da bucha capacitiva. Atualmente no existem ensaios

de rotina que demonstrem com preciso o comportamento dinmico das buchas

para tais transientes. Entretanto, ensaios tm sido desenvolvidos atravs da

aplicao de impulsos atmosfricos cortados dentro do duto da GIS a

aproximadamente 70% do nvel bsico de isolamento do sistema [1].

28

Figura 2.17 - Buchas para GIS [1].

2.4.3. Buchas para AT em corrente contnua (ATCC)

O projeto de uma bucha para ATCC fortemente influenciado pela

resistividade dos vrios materiais que so usados em sua construo, em oposio

ao que acontece com a sua permissividade no caso de ATCA. Enquanto as

permissividades do papel, leo, porcelana, entre outros materiais, variam

praticamente na mesma ordem de grandeza, suas resistividades variam numa

escala maior do que 10000:1. Conseqentemente, importante para o projeto de

buchas para ATCC o estudo da distribuio da tenso no corpo e no entorno da

bucha. Exemplos dessa distribuio so mostrados na figura 2.18. A primeira figura

na parte superior mostra o efeito do campo em corrente alternada numa bucha de

transformador do tipo papel impregnado em leo. Um campo concntrico

produzido no leo entre os isoladores de papel e a parede protetora do

29

transformador. Na segunda figura ao centro, a distribuio em corrente contnua

para o mesmo arranjo mostrada, onde a alta resistividade do papel comparada

com a do leo, concentra o campo na parte dos isoladores. Para reduzir essa

concentrao de campo bem como o campo da superfcie de porcelana, cilindros

concntricos so colocados em volta da bucha. O resultado dessa tcnica

construtiva ilustrado pela terceira figura na parte inferior da figura 2.18. Na prtica,

um grande nmero de cilindros e barreiras cnicas pode ser necessrio para que se

alcance um controle de campo satisfatrio. Como a relao entre as resistividades

dos diferentes materiais varia com a temperatura, estudos de campo so feitos para

valores acima dos valores nominais de operao do transformador, para tornar

possvel conhecer o seu comportamento e o de suas buchas de AT com respeito

distribuio de campo em condies crticas de solicitaes.

Figura 2.18 - Figura de campos em Buchas HVDC [1].

Em um sistema ATCC, efeitos danosos de poluio e riscos de falhas com

ocorrncia de incndios so motivos de preocupao. Para reduzi-los, as buchas de

ATCC so desenvolvidas para trabalhar horizontalmente, levando diretamente os

condutores para dentro das construes ou equipamentos. Esquemas de solues

alternativas com buchas horizontais so mostradas na figura 2.19. A poluio em

30

sistemas de ATCC pode provocar descargas superficiais na bucha, que por sua vez

em contato com alguma substncia inflamvel pode provocar incndios. Como

agravante a essa situao, uma exposio chuva da superfcie isolante da bucha

poluda no uniformemente pode aumentar ainda mais os riscos de descargas.

Quando um isolador poludo parcialmente protegido da chuva por algum tipo de

construo, a diferena na resistividade da superfcie seca para a molhada reduz

drasticamente a tenso de descarga superficial. Outros mtodos para melhoria de

desempenho de buchas em ATCC usando saias reforadas e materiais isolantes

que absorvem menos a umidade tm sido desenvolvidos.

Figura 2.19 - Arranjos alternativos para transformadores

(a) Buchas Externas (b) Buchas de parede

2.5. Ensaios em buchas de AT

Ensaios adequados so essenciais para se ter certeza de que os

equipamentos vo operar com bom desempenho durante toda a vida til

especificada. Os equipamentos eltricos de AT so ensaiados de acordo com

normas tcnicas ou com especificaes tcnicas que levam em considerao

condies particulares dos sistemas onde os equipamentos vo operar. Do ponto de

vista eltrico, equipamentos tais como buchas de alta tenso so ensaiados para

31

avaliao do desempenho dieltrico: ensaios que envolvem aplicao de alta tenso

e do desempenho eletromecnico: ensaios que envolvem aplicao de correntes

mais elevadas, por exemplo: ensaios de curto circuito e de arco de potncia. H

tambm os ensaios para determinao ou verificao de parmetros caractersticos

de projeto, como por exemplo, o ensaio para medio de capacitncia e tangente de

perdas de uma bucha de alta tenso. Para possibilitar o ensaio de buchas em

laboratrio de alta tenso nas condies representativas da instalao real no

tanque do transformador ou reator, um tanque de ensaio com dimenses adequadas

ao nvel de tenso da bucha e com leo isolante utilizado. A figura 2.20 mostra um

desenho desse tipo de tanque e uma bucha de transformador sendo preparada para

ensaio.

2300

3150

TANQUE DE

LEO

OBS.: Medidas em "mm"

4200

1000

1365

395

505

430

280

980

175

400

495

METLICO

EPOXI

650

Figura 2.20 - Bucha de papel impregnado sendo prepara no tanque de ensaios

em laboratrio de alta tenso [2].

32

2.5.1. Medida de capacitncia e tangente de delta

Este ensaio o mais aplicado mundialmente, quando se pensa em ensaios

em buchas de alta tenso e sistemas de isolao como um todo. O instrumento mais

comumente utilizado para essa medio baseado na ponte de Schering e seus

resultados (para maiores detalhes, ver referncia em [7]), principalmente o valor do

fator de dissipao, tambm chamado de fator de perdas ou tangente de delta, d

uma indicao da qualidade do projeto, processo de fabricao e dos materiais

utilizados na bucha. Fator de dissipao ou tangente de delta uma grandeza

associada s perdas no isolamento e relaciona a componente resistiva com a

componente capacitiva da corrente total que circula pela bucha. Com isso, pode

indicar aspectos do estado operativo ou da qualidade da estrutura isolante ou de

quantidade de umidade de uma bucha RBP e OIP. Um aumento contnuo na

tangente de delta indicativo de deteriorao do isolamento eltrico em operao

que pode estar acompanhado ou no do aumento de descargas parciais internas.

Por isso esses parmetros so importantes para diagnsticos sobre o estado

operativo das buchas de alta tenso em servio.

2.5.2. Ensaios de Suportabilidade e de descargas parciais

Embora classificados como ensaios separados, o ensaio de suportabilidade

em ATCA e a medio de descargas parciais so freqentemente realizados em um

ensaio s. A forma mais simples de se quantificar descargas parciais por meio da

medio de uma grandeza chamada carga aparente, medida em pC.

Descargas parciais so a maior causa de falhas em buchas de AT. Elas

possuem um efeito muito mais danoso nas buchas tipo OIP e por isso o limite de 10

pC para 1,5* 3rU foi estabelecido para restringir seus possveis efeitos.

Geralmente, em condies de bom projeto, materiais adequados e bom processo de

fabricao, isolaes do tipo RIP e OIP apresentam nveis de descargas parciais

inferiores a 10 pC.

Modernos sistemas de medio digitais que detectam as descargas parciais

foram desenvolvidos para melhorar a sensibilidade das medidas. Sistemas

33

desenvolvidos para monitoramento a partir de medidas de corrente no tap capacitivo

de buchas, podem mostrar os sinais associados s descargas parciais em terminais

de vdeo, na forma de uma elipse ou distribudos de forma sincronizada ao longo da

senide do sinal de tenso em corrente alternada do sistema. Descargas parciais

aparecem como pequenos pulsos, que podem ser medidos atravs de sua

comparao com outros pulsos j calibrados. Pela posio do pulso de descarga na

elipse ou ao longo da senide, possvel identificar alguns tipos de falta que j so

catalogados.

Figura 2.21 - Buchas sendo ensaidas em laboratrio de AT

[1] e [Cortesia CEPEL]

2.5.3. Ensaios de impulso de tenso

Sobretenses geradas por descargas atmosfricas e por manobras de

circuitos, representam transitrios que podem ocorrer em qualquer sistema de alta

tenso. Ensaios com tenses de impulso so realizados para se conhecer o

desempenho de equipamentos aos transitrios de alta freqncia. Solicitaes

representativas de impulsos atmosfricos so aplicadas em buchas de todos os tipos

34

utilizadas em todos os nveis de alta tenso e solicitaes representativas de

impulsos de manobra so aplicadas para buchas que trabalhem com um valor

nominal de tenso acima de 300 kV. Esses ensaios so realizados em laboratrios

de alta tenso durante o final da etapa de fabricao ou durante a fase de

recebimento do equipamento. H casos de realizao desses ensaios tambm aps

reparos significativos. Por causa da infra-estrutura requerida em termos de

geradores de impulso e sistemas de medio, ensaios de impulsos so muito

raramente realizados no campo e por isso tambm no so utilizados para efeito de

monitoramento do estado operativo de buchas em servio [1].

2.5.4. Ensaios de estabilidade trmica

Este ensaio aplicado a buchas de transformadores de tenso nominal

superior a 300 kV. Com ele pretende-se demonstrar que perdas dieltricas no

levam a um aquecimento contnuo que indique possibilidade de instabilidade trmica

da bucha em operao. O ensaio realizado com a bucha imersa em leo aquecido

a 90C. Uma tenso igual mxima sobretenso temporria projetada para a bucha

ento aplicada e por meio de medies peridicas de capacitncia e tangente de

delta, o desempenho trmico da bucha analisado. A bucha, em condies normais

de estabilidade trmica, deve ser capaz de dissipar o calor gerado pelas suas

perdas, o que indicado por uma estabilizao ou crescimento muito lento do valor

da tangente de delta ao longo do tempo. Caso contrrio, a tangente de delta

aumenta continuamente at que um sobreaquecimento fora de controle ocorre,

resultando em um colapso da isolao. Devido ao baixo valor de tangente de delta

inerente s buchas OIP e RIP, a estabilidade trmica no normalmente um

problema. Somente em certas aplicaes, como de buchas leo para gs onde o

resfriamento restrito, dada uma ateno especial ao ensaio de estabilidade

trmica [1].

2.5.5. Ensaio de aumento de temperatura

O objetivo desse ensaio demonstrar a propriedade das buchas em

conduzirem correntes nominais sem exceder as limitaes trmicas da isolao. As

buchas do tipo OIP e RIP so restritas para uma temperatura mxima de 105C e

120C, respectivamente. A mais alta taxa trmica do material das buchas RIP no

35

significa necessariamente que condutores de bitolas menores podem ser usados. O

Material das buchas RIP um bom isolante trmico e o projeto das buchas OIP

permite mais prontamente um resfriamento dos condutores por conveco dentro do

leo da bucha. As condies de operao de diferentes tipos de bucha,

particularmente as buchas de altas correntes usadas em arranjos de dutos de fase

isolada, devem ser cuidadosamente consideradas. Num ensaio tpico, uma bucha

alcana valores nominais de corrente de 10 kA sob condies de ensaio padro

seguindo especificaes tcnicas, enquanto que em um ambiente com a

temperatura do ar elevada, o que equivale ao ambiente interno de dutos, por

exemplo, a mxima corrente reduzida para 7 kA. Isso causa bvias dificuldades na

especificao e uso desse tipo de buchas [1].

2.5.6. Outros Ensaios

Em conjunto com os principais ensaios eltricos apresentados anteriormente,

outros ensaios ou clculos podem ser requeridos para anlise de outras

propriedades das buchas. Alguns deles so:

Ensaios de vazamento: resistncia a vazamento por presses internas

e externas de leo ou gs.

Ensaios de esforos mtuos: demonstram a capacidade da bucha em

suportar foras impostas por conexes, curtos-circuitos, entre outros.

Ensaios de curto-circuito: realizados para comprovar uma capacidade

trmica adequada e prevenir superaquecimentos e danos isolao

durante ocorrncia de curto-circuito.

36

3. Diagnstico de buchas

Existem muitos mtodos utilizados para realizar diagnsticos sobre estado

operativo de buchas de alta tenso, a partir do monitoramento de grandezas

relacionadas com o desempenho da sua isolao em servio.

As principais grandezas eltricas monitoradas para fins de diagnsticos de

buchas e do prprio transformador so a capacitncia, tangente de delta e as

descargas parciais.

Por estarem diretamente ligadas ao assunto principal desse trabalho, as

medies de capacitncia, tangente de delta e descargas parciais sero abordadas

com um maior refinamento de detalhes no captulo 4 e por isso nesse capitulo sero

feitas apenas anlises qualitativas sobre essas grandezas.

Tendo em vista uma tendncia metodolgica atual de se ter um sistema

integrado para monitorar vrias grandezas relacionadas ao estado operativo de

buchas de AT, procurou-se nesse captulo analisar outras grandezas que no

fossem as do foco principal do trabalho. Essas outras grandezas do informaes

complementares sobre o estado operativo das buchas de AT e com isso possibilitam

um diagnstico mais consistente e seguro desse equipamento. As grandezas e

ensaios complementares abordadas nesse captulo so: Anlise de gases

dissolvidos no leo isolante da bucha, anlise de umidade no interior da bucha,

classificao de hidrofobicidade e a termoviso.

As tcnicas utilizadas para medio dessas grandezas so realizadas no

campo e podem ser feitas tanto com o equipamento fora de servio como com o

equipamento em servio, sendo esse ltimo o caso mais desejado por representar a

realidade da operao e no requerer desenergizao para realizao da medio.

A seguir so mostrados alguns procedimentos utilizados para medio das

principais grandezas que servem como base para diagnstico de buchas de

transformadores de potncia, dando-se maior ateno aos que podem ser realizados

por meio de instrumentos j disponveis comercialmente.

37

3.1. Medio de capacitncia e tangente de delta

3.1.1. Cuidados Recomendados

Para iniciar qualquer trabalho que exija conexo de instrumentos nos

transformadores no campo, como o caso da medio de capacitncia e tangente

de delta das suas buchas de AT, deve-se ter certeza que o transformador est

desenergizado ou fora de servio e adequadamente aterrado.

Como j foi observado anteriormente, o tap capacitivo das buchas no deve

ser deixado em aberto durante a operao do transformador. Os taps capacitivos

das buchas de AT j vm equipados com uma tampa que serve para vedar o tap

contra a penetrao de umidade, bem como para mant-lo curto-circuitado. Para

conexo de impedncias de medio ou instrumentos no tap capacitivo da bucha,

essa tampa deve ser removida com o transformador desenergizado e aterrado. As

impedncias que so conectadas no tap devem ter componentes de proteo contra

sobretenso para o caso de alguma falha que possa colocar os terminais do tap em

condies de circuito aberto.

No caso de se tratar de substituio da bucha por uma bucha reserva, antes

de se colocar a bucha reserva em servio, a sua capacitncia e a tangente de delta

devem ser medidas, preferencialmente em laboratrio, e comparadas com os

valores referenciados em avaliao tcnica ou com relatrios de ensaios anteriores.

Se os resultados mostrarem que a bucha reserva est em boas condies, aps a

sua instalao completa no transformador, a conexo eltrica entre o tanque e o

flange de montagem deve ser verificada.

3.1.2. Equipamentos de Medio

Pontes adequadas para medio de capacitncia e tangente de delta no

campo esto disponveis em diversos modelos de vrios fabricantes e so, na sua

maioria, baseadas no princpio da ponte de Schering.

Para conectar a ponte no tap capacitivo, um adaptador especial deve ser

usado para certos tipos de buchas. Este dispositivo descrito nas informaes do

produto para cada tipo de bucha.

38

As pontes de medio comerciais de capacitncia e tangente de delta,

normalmente j possuem fonte de tenso embutida. A tenso deve ser ajustada em

10 KV no mnimo e o sinal de tenso dever estar livre de harmnicos. Para evitar

problemas, quando se ajusta o zero do indicador, a tenso deve ser sincronizada

com a tenso na rede.

3.1.3. Procedimentos de medio

Se a medio for feita em uma bucha por meio do tap capacitivo, no

preciso que se desconecte o topo da bucha, sendo necessria apenas a abertura da

chave seccionadora que isola o transformador de todo o sistema.

Por medida de segurana e para se reduzir a influncia da indutncia dos

enrolamentos do transformador, todos eles devero ser curto-circuitados.

Enrolamentos que no esto sendo utilizados na medio devem ser aterrados.

A ponte dever ser colocada numa base livre de vibraes. Se o capacitor

padro utilizado como referncia para a medio for separado do instrumento, ele

deve ser colocado numa base isolada para no afetar o sinal que deve circular pela

impedncia de medio.

Dependendo de qual isolamento est sendo ensaiado, a fonte de tenso ser

conectada at o topo da bucha ou do tap capacitivo por cabos separados

Condutores para a aplicao de tenso ou para o retorno de terra no devem ser

iguais aos utilizados para as conexes do medidor. Os condutores do circuito de

medio devem ser os menores possveis e no devem tocar em objetos aterrados.

Todos cabos utilizados na medio devem estar limpos e secos. Isto tambm se

aplica para as buchas que esto sendo ensaiadas e para o capacitor padro. Se a

bucha est em sua caixa de transporte, devem ser evitados ambientes mais midos.

O tap capacitivo tambm deve ser limpo e seco.

Condies de muito baixa umidade podem ser necessrias do tap capacitivo

para uma medio da tangente de delta com melhor exatido em cima de 2C . Nesse

caso, um equipamento especial para retirar umidade do ar deve ser utilizado.

39

3.1.4. Correo de temperatura

O valor medido de tan deve ter seu valor corrigido por causa do efeito da

temperatura, de acordo com os fatores de correo dados pela figura 3.1 e tabela

3.1. xGO representa todas as buchas capacitivas do tipo papel impregnado de leo

(OIP) e xGS representa as buchas capacitivas do tipo papel impregnado de resina

(RIP). Assume-se que todas as buchas tm a mesma temperatura do leo que est

no topo do transformador. A medio deve ser executada na temperatura mais alta

possvel e correes sero feitas para 20 C.

Figura 3.1 - Tangente de delta como funo da temperatura [10].

Atualmente existem instrumentos de medio digitais disponveis no mercado

que j apresentam os resultados de tangente de delta com as devidas correes de

acordo com a temperatura informada. Esses instrumentos tambm apresentam os

resultados de capacitncia e tm o mesmo princpio de funcionamento dos

instrumentos analgicos, a menos da automao do procedimento para ajustes e da

digitalizao dos sinais.

40

Tabela 3.1 Fatores de correo para tan

3.1.5. Interpretao das Medidas

3.1.5.1. Comentrios sobre a tangente de delta para buchas OIP

A tangente de delta uma propriedade crtica em buchas OIP. determinada

principalmente pelo nvel de umidade no papel e pelo grau de contaminantes no

sistema de isolao. Aliados a esses fatores, a tangente de delta tem grande

dependncia da temperatura. O comportamento principal est mostrado na figura 3.2

para diferentes temperaturas e graus de umidade.

41

Figura 3.2 -tan em funo do nvel de umidade e temperatura em buchas OIP [10].

Para o fabricante do corpo capacitivo da bucha, o objetivo alcanar o fator

de dissipao mais baixo possvel, da ordem de 10-4. A contribuio para o fator de

dissipao advinda de contaminantes evitada pelo prprio controle do material,

bem como por altas exigncias de limpeza nos locais de fabricao. A quantidade de

umidade na bucha determinada pela tcnica de enrolamento e pelo processo de

secagem do corpo que forma a parte isolante da bucha.

3.1.5.2. Comentrios sobre a tangente de delta para buchas RIP

Quando se mede tan em buchas RIP antes da bucha ser colocada em

servio, podem aparecer divergncias do valor de tan comparado com os valores

nominais. A razo disso, provavelmente, penetrao de umidade na camada de

superfcie da bucha RIP. Isto pode ocorrer, por exemplo, se uma bucha

armazenada sem sua bolsa protetora devidamente lacrada, permitindo que ar com

alto grau de umidade penetre na camada da superfcie exterior da bucha.

Normalmente o valor de tan ir diminuir em relao ao seu valor inicial de

placa se a bucha for armazenada num local fechado com umidade controlada

42

durante uma semana. Se o transformador for energizado e a bucha for posta em

operao, o valor ir cair dentro de algumas poucas horas [10].

3.1.5.3. Anlise das variaes de tangente de delta em buchas OIP e RIP:

De acordo com os principais fabricantes de buchas de AT do tipo OIP e RIP,

os resultados de medio de tangente de delta realizados aps a bucha ser

colocada em servio devem ser analisados luz de suas variaes ao longo do

tempo. A periodicidade de medio depende da evoluo dos resultados e,

atualmente, com o desenvolvimento de sistemas digitais de monitoramento das

buchas com os transformadores em servio, esses resultados podem ser

acompanhados continuamente e informados remotamente aos tcnicos

responsveis via software e redes de comunicao.

As principais decises e aes recomendadas pelos fabricantes de acordo

com as variaes observadas so:

Aumento de 0-25%:

O valor registrado. Nenhuma ao adicional recomendada.

Aumento de 25-40%:

O circuito de medida verificado para ver se existe algum tipo de interferncia

externa.

Influncias externas podem ser, por exemplo, influncias de correntes

prximas alimentando equipamentos ou barras de algum circuito. Se a diferena

permanecer, as gaxetas do plug do nvel de leo so trocadas de acordo com a

informao do produto para as buchas. O valor de medida registrado e a bucha

pode ser retornada em servio.

Aumento de 40-75%:

Medidas sero repetidas dentro de um ms ou acompanhadas

atenciosamente em um sistema de monitoramento contnuo.

43

Mais do que 75%:

A bucha deve ser colocada fora de servio, a menos que se tenha certeza

que o valor absoluto da tangente de delta seja menor do que 0,4%.

3.1.5.4. Comentrios sobre a tangente de delta para os Taps capacitivos de Buchas OIP e RIP

Alguns usurios tambm querem usar a capacitncia do tap capacitivo ( 2C ) e

a tangente de delta medida para o tap capacitivo como parmetros para diagnstico.

Baseados em experincias anteriores, recomenda-se que isso seja evitado. Existem

inmeras razes para que esses valores no sejam utilizados, tais como:

O tap capacitivo conectado camada aterrada mais externa no corpo da

bucha. A camada slida da camada aterrada contm um adesivo junto com

celulose. Isto significa que a contribuio para a tangente de delta daquela

parte difere da celulose pura no isolamento principal da bucha. Isto tambm

significa que esta parte no pode ser usada para propsitos de diagnsticos,

pois o adesivo afeta o valor da tangente de delta.

Como a camada externa aterrada, conseqentemente o isolamento entre a

camada externa e o flange de montagem no est sujeito a campos eltricos

no causando assim quaisquer perdas dieltricas.

provvel que se a bucha for colocada num local contaminado, impurezas

externas afetem o resultado. Umidade na proximidade dos taps capacitivos

tambm pode afetar as medidas.

Levando em conta todas as variaes da tangente de delta em cima do

isolamento do tap capacitivo, devem-se considerar possveis variaes de 0,4

a 3,0 % nos seus valores medidos.

3.1.5.5. Comentrios sobre a Capacitncia

O valor medido da capacitncia 1C deve ser comparado com o valor nominal

da bucha ou com relatrios de ensaios anteriores. Se um aumento de mais de 3%,

comparado com o valor medido em fbrica, for observado, deve-se entrar em

contato com o fabricante. J o valor da capacitncia 2C influenciado pelo modo no

qual as buchas so montadas nos transformadores e por isso no deve ser usado

para diagnsticos.

44

3.2. Medidas de Descargas Parciais

Medies de descargas parciais so normalmente realizadas em ensaios de

rotina, podendo indicar efeito corona externo ou degradao do isolamento interno

das buchas de AT. Descargas resultantes de atividades eltricas no interior dos

transformadores ou reatores ou nas proximidades das conexes da bucha podem

ser evitadas conectando-se enrolamentos de medidas externos, restringindo assim a

medio somente das descargas parciais que ocorrerem nas prprias buchas. A

fonte de descargas parciais pode ser localizada por meio de mtodos que utilizam

sensores acsticos.

3.3. Anlise de Gases dissolvidos (DGA)

Esta anlise atua de forma complementar s medies de capacitncia e

tangente de delta de buchas de AT, para auxiliar num diagnstico integrado do

estado operativo das buchas.

Esta anlise pode ser usada unicamente nas chamadas buchas preenchidas

por lquido, como por exemplo, as buchas do tipo xGO . Normalmente no se

recomenda a retirada de amostras de leo de buchas de AT, pois elas so lacradas

e qualquer retirada de leo significa sua abertura em condies que nem sempre

esto de acordo com as normas para preservar suas caractersticas originais. Alm

disso, corre-se o risco de fechamento incorreto da bucha, o que possibilita a entrada

de umidade e contaminates, comprometendo seu desempenho dieltrico. Entretanto,

quando um problema reconhecido pelas caractersticas do leo, por exemplo, um

alto fator de potncia em cima de 1C , a retirada de amostras de leo necessria

para a anlise dos gases.

3.3.1. Retirada de Amostras de leo de Buchas de AT

Amostras de leo devem ser retiradas preferencialmente em condies de

clima seco. Se por alguma razo urgente a retirada tenha que ser feita em qualquer

outra condio climtica, os seguintes procedimentos devem ser observados:

Secar e limpar a rea em volta do plug de coleta de leo antes de retirada

da amostra

Proteger a rea do plug de eventuais condies de chuva.

45

A presso interna da bucha de AT no deve ser alterada com a retirada da

amostra de leo, pois foi fabricada para trabalhar num determinado intervalo fixo de

presso. Sendo assim, o leo removido da bucha deve ser substitudo pelo mesmo

volume de leo novo.

A antiga gaxeta tambm deve ser substituda por uma nova aps a retirada da

amostra de leo da bucha de AT.

3.3.1.1. Procedimento de Retirada de leo para GOB, GOE e GOH.

A retirada da amostra de leo da bucha feita atravs de um plug no topo da

bucha, com uma mangueira de borracha equipada com uma espcie de seringa

especial conectada em sua ponta que vai direto ao plug.

A localizao desse plug dada na figura 3.3. A dimenso da gaxeta dada

na tabela 3.2 e seu material de um tipo especial de borracha que resiste ao

contato direto com o leo dos transformadores de potncia.

46

Figura 3.3 Localizao dos Plugs de retirada para GOA, GOB, GOC, GOE,

GOH e GOG.

Tabela 3.2 Dimenso para as gaxetas

47

3.3.1.2. Procedimento de Retirada de leo para GOEK, GOM e similares:

Deve-se conectar a extremidade da mangueira no bocal, e este na vlvula no

flange, para que o procedimento da retirada de amostras de leo seja realizado

corretamente. De acordo com a temperatura do ambiente externo bucha, a

presso em seu interior pode ser acima ou abaixo da presso atmosfrica. Depois

da retirada do leo, a bucha no deve ser energizada por 12 horas no mnimo.

3.3.1.3. Procedimento de Retirada do leo para GOA, GOC e GOG:

Nas buchas GOA, GOC e GOG, as amostras de leo devem ser retiradas

atravs de um plug de nvel de leo, localizado no topo da bucha de acordo com as

figuras 3.4 e 3.5. Se a bucha est verticalmente montada, o nvel de leo est

compatvel com o nvel do plug para uma temperatura de 20 C e a amostra

retirada por uma simples seringa. Entretanto, se a temperatura do leo mais alta

do que 20 C, o nvel do leo ser maior que o nvel do plug e a mangueira, onde

fica a seringa que retira as amostras de leo, equipada com um bocal especial

para prover uma melhor conexo, conforme ilustrado na figura 3.4. Por fim, se a

temperatura est abaixo de 20 C, o nvel de leo ser abaixo do nvel do plug e a

amostra retirada de acordo com a figura 3.5..

Figura 3.4 Retirada de amostras de leo em GOA para T > 20 C

48

Figura 3.5 Retirada de amostras de leo em GOA para T < 20 C

3.3.2. Anlise de Umidade

Dependendo do tipo de manipulao que a bucha submetida, o ambiente no

qual est operando ou ainda a forma como foi estocada, umidade pode aparecer em

seu interior, o que pode comprometer suas propriedades dieltricas. Aliados aos

ensaios de capacitncia e tangente de delta, a anlise de umidade atua tambm

como um complemento no diagnstico do estado operativo de buchas de AT.

Esta anlise usada somente nas chamadas buchas preenchidas por

lquido, como exemplo temos as buchas do tipo xGO . Como j foi dito, no se

recomenda retirada de amostras de leo de buchas de AT, salvo em casos

excepcionais onde o conhecimento de seu grau de umidade decisivo para se

conhecer o estado operativo da bucha.

Comparada com um transformador a bucha tem uma relao papel-leo bem

mais elevada. Isso significa que, indiferentemente do processo de fabricao da

bucha, existir sempre muito mais umidade no papel do que no leo. No papel a

umidade medida em %, enquanto que no leo a umidade medida em ppm,

partes por milho.

Dependendo da temperatura da bucha, a umidade ir passar do papel pra o

leo ou vice-versa, de acordo com as chamadas curvas de equilbrio de umidade

leo-papel. Devido a isto, a bucha sempre ir mostrar uma umidade mais elevada no

leo, depois de certo tempo de servio em altas temperaturas. Conseqentemente,

para se chegar a valores vlidos, a amostra de leo deve ser retirada pelo menos 48

horas depois da bucha inteira ter alcanado a temperatura do local onde est

localizada.

A retirada de amostras de leo de buchas de AT executada de forma similar

anlise de gases dissolvidos (DGA) citada anteriormente.

49

3.3.3. Interpretao das Anlises

A bucha entregue pelo fabricante com a umidade de seu isolamento a leo

de no mximo 3 ppm. Se concentraes de umidade mais altas forem medidas,

sinal de que o sistema que lacrava a bucha de contato com o meio externo est

danificado.

Para concentraes maiores do que 10 ppm, executada a medio de tan ,

conforme descrito no item 3.1.3, e a retirada das amostras de leo, obedecendo as

recomendaes da seo 3.1.5. As buchas de AT que possurem concentraes de

umidade em seu leo maiores do que 20 ppm so retiradas de operao.

3.4. Inspeo da superfcie do Isolador - Hidrofobicidade

Sabe-se que uma superfcie isoladora que possua grande aderncia gua

est sujeita a ocorrncia de descargas superficiais, o que pode conseqentemente

comprometer sua qualidade isolante. Por isso, de grande importncia se conhecer

esse grau de aderncia, o que se chama de classificao de hidrofobicidade.

3.4.1. Classes de Hidrofobicidade

Um melhor desempenho dieltrico de isoladores tem como origem a chamada

hidrofobicidade, que a capacidade que um material possui de repelir a gua de sua

superfcie. Essa propriedade sofre mudanas com o passar do tempo, devido

exposio a condies climticas externas e a desgastes eltricos provocados por

descargas parciais.

Sete classes de hidrofobicidade (HC 1-7) so conhecidas. HC 1 corresponde

a uma superfcie completamente hidrofbica, repelente a gua, e HC 7, a uma

superfcie completamente hidrfila, onde a gua facilmente aderida camada

externa da superfcie.

Com essa classificao, pode-se fazer uma precisa, rpida e fcil

identificao de hidrofobicidade dos isoladores inspecionados no campo.

50

3.4.1.1. Equipamentos de Ensaio

O nico equipamento necessrio para classificar a hidrofobicidade de

isoladores no campo uma garrafa comum de spray capaz de produzir uma boa

nvoa. A garrafa de spray utiliza gua corrente e que no contenha nenhum tipo de

contaminante qumico, tais como detergentes e solventes.

Podem-se utilizar tambm equipamentos auxiliares tais como uma lente de

aumento e uma lmpada para auxiliar na visualizao da superfcie isoladora e uma

fita mtrica, para a medio de dimenses.

3.4.1.2. Procedimento de ensaio

A rea a ser ensaiada de 50 100 2cm e se por algum motivo essa

exigncia no puder ser satisfeita, deve-se fazer meno no relatrio final.

Borrifa-se a gua numa freqncia de 1-2 vezes por segundo a uma distncia

de 25 10 cm, mantendo-se o processo durante 20-30 segundos. A classificao de

hidrofobicidade dada dentro dos 10 segundos depois de encerrado o tempo de

ensaio.

A classificao de hidrofobicidade pode ser dificultada por ventos fortes ou

outros fatores meteorolgicos, e nesse caso tambm se deve fazer meno no

relatrio final.

3.4.1.3. Classificao da Hidrofobicidade

A aparncia do isolador aps o ensaio analisada de acordo com uma das

sete classificaes de hidrofobicidade (HC), conforme dito anteriormente. O critrio

para tais classificaes dado pela tabela 3.3.

Tambm se deve levar em considerao a forma no qual feito o contato

entre as gotas de gua e a superfcie do isolador, o que definido na figura 3.6.

Nesta figura, pode-se observar que existem 2 tipos de ngulo de contato: o ngulo

de contato avanado ( a ) e o ngulo de contato atrasado ( r ). Uma gota de gua

exibe esses ngulos numa superfcie inclinada.

O ngulo de contato atrasado o mais importante para avaliar as

propriedades de hidrofobicidade da superfcie de um isolador. O ngulo de

inclinao da superfcie afeta r .

51

Tabela 3.3 Critrio para a classificao de hidrofobicidade

HC Descrio 1 Somente algumas gotas discretas so formadas

r >> 80 ou maior para a maioria das gotas

2 Somente algumas gotas discretas so formadas 50< r < 80 para a maioria das gotas

3 Somente algumas gotas discretas so formadas

20< r < 80 para a maioria das gotas e normalmente no ficam durante muito tempo com o aspecto circular

4 Gotas discretas e Rastros molhados de fluxo de gua j so

Observveis (como exemplo r = 0). reas completamente molhadas < 2 2cm . Juntos cobrem < 90% da rea testada.

5 Algumas das reas completamente molhadas > 2 2cm e cobrem

< 90% da rea testada.

6 reas completamente molhadas cobrem > 90%, mas pequenas reas secas ainda so observadas

7 Uma contnua camada de gua cobre toda a rea testada

Plano Inclinado

Plano Horizontal

Figura 3.6 Definio de ngulos de Contato

Fotos tpicas de superfcies de isoladores em ensaio de hidrofobicidade so

mostradas na figura 3.7. O HC deve ser analisado para diferentes posies: ao longo

do isolador e ao longo da superfcie em cada uma das seqncias de caminho (no

topo, na base, nas saias maiores, nas saias menores). Diferentes caminhos em volta

52

da circunferncia do isolador devem ser considerados para uma mais detalhada e

fcil coleta de dados durante o ensaio.

Figura 3.7 Exemplos Tpicos de superfcies com HC de 1 at 6 [3].

53

3.5. Termoviso

Um aumento excessivo da temperatura na cabea da bucha, quando

provocado pela passagem de correntes eltricas muito superiores s nominais, pode

ser um indicativo de problemas oriundos do sistema eltrico. Solicitaes desse tipo,

se ocorrerem com freqncia muito alta durante um determinado intervalo de tempo,

podem determinar uma menor vida til da bucha de AT.

Pontos quentes podem indicar tambm resistncias de contato elevadas nas

conexes da bucha.

O monitoramento contnuo da temperatura da cabea da bucha e seu

entorno, tambm geram informaes importantes que podem contribuir para o

diagnstico do seu estado operativo.

A termoviso uma tcnica realizada por meio de cmeras com sensores

trmicos, conforme mostrado na figura 3.8, que possibilita a visualizao do espectro

trmico da superfcie da bucha. Para a mxima corrente nominal, o terminal da

bucha apresenta uma temperatura por volta de 35 - 45 C acima do ar ambiente.

Temperaturas mais altas so indicativas de condies anormais de funcionamento e

atravs de monitoramento contnuo podem ser levadas em considerao para o

diagnostico das buchas.

Figura 3.8 Espectro trmico de uma bucha energizada

54

4. Sistema de monitoramento de buchas AT em desenvolvimento no CEPEL

4.1. Introduo

Este captulo tem como objetivo demonstrar a evoluo e desenvolvimento de

uma parte do projeto de monitoramento de buchas de alta tenso de

transformadores de potncia que est sendo desenvolvido pelo Centro de Pesquisas

de Energia Eltrica - CEPEL. A princpio, o assunto ir ser introduzido atravs de

uma breve explanao sobre os objetivos motivadores do projeto e sua respectiva

trajetria at o desenvolvimento do software de monitoramento on-line de buchas

capacitivas de alta tenso para transformadores de potncia.

4.2. Objetivos e Motivao para o desenvolvimento do Projeto

H muitos anos, diversos centros de pesquisa vm se dedicando a pesquisar

e desenvolver sistemas para fins de medio, armazenamento e anlise, bem como

de modelos para fins de avaliao operativa e diagnstico de equipamentos eltricos

de alta tenso. O primordial objetivo nesses projetos estabelecer sistemas de

monitoramento simples e modulares, confiveis, eficientes e amigveis, de tal

maneira que os estgios de monitoramento, processamento e armazenamento da

informao, anlise e diagnstico do equipamento eltrico possam ser

eficientemente realizados e ainda integrados por meio da utilizao de diferentes

grandezas, criando assim conhecimento e potencial de anlise para que cada

empresa tenha capacidade para decises sobre intervenes em seus

equipamentos.

Aspectos relacionados ao desempenho dieltrico do isolamento, traduzido

pela medio e avaliao de grandezas que caracterizam suas condies, esto

sendo implementados pouco a pouco. Neste trabalho dar-se- destaque a duas das

principais tcnicas de avaliao de buchas capacitivas: a medio da Capacitncia e

Tangente Delta (CTD) e medio de descargas parciais (DP).

55

Segue uma breve explanao a respeito do processo de desenvolvimento do

sistema de monitoramento de buchas realizado no CEPEL, tendo como foco

principal os seguintes objetivos:

Estudo dos parmetros mais importantes e representativos relativos s

medies do fator de perdas e das descargas parciais

Definio das montagens e circuitos alternativos de medio conforme

as caractersticas de cada instalao

Definio da instrumentao simples e apropriada nesse caso

particular

As medies do fator de perdas so realizadas tradicionalmente em

laboratrio e nas indstrias, seja para verificar se os valores esto dentro de certos

limites normalizados, seja para fins de controle da variao das caractersticas de

determinado equipamento aps uma seqncia de ensaios dieltricos. No projeto

desenvolvido, esse segundo enfoque foi o adotado, uma vez que se pretende

acompanhar a evoluo das perdas ao longo da operao das buchas.

O fator de perdas (ou tangente de delta) uma das grandezas que pode

indicar falhas dieltricas internas em buchas, alm de fornecer informaes

qualitativas quanto ao estado de envelhecimento do meio isolante. A deteriorao

dos materiais componentes da estrutura isolante um processo natural e contnuo

ao longo da vida til dos equipamentos, e causado por alteraes fsicas, pela

absoro de contaminantes, ou por reaes qumicas entre materiais, as quais

podem ser aceleradas por um conjunto de solicitaes mecnicas, eltricas ou

trmicas.

O fator de perdas um parmetro que quantifica o fluxo de corrente resistiva

(corrente de perdas) freqncia industrial, pelo meio que atua como isolamento

para tenses elevadas. Isto , o fator de perdas est diretamente associado com

uma determinada caracterstica de qualidade do sistema isolante.

O modelo eltrico simplificado, do ponto de vista dieltrico, de uma bucha de

alta tenso est apresentado na figura 4.1. Junto a ele, um diagrama fasorial

demonstra as correntes envolvidas no interior do objeto, sendo tambm mostrado o

ngulo (delta), pelo qual se estabelece a tangente (denominado fator de perdas).

56

Figura 4.1 - Circuito Eltrico simplificado para o isolamento de uma Bucha e o

Diagrama Fasorial de Corrente e Tenso [4].

O fator de perdas, que uma grandeza medida na freqncia industrial, j

bem conhecido nas avaliaes de rotina de equipamentos e nas avaliaes de tipo

realizadas em laboratrios de ensaio de AT. As diferenas propostas, no caso

particular desse projeto, esto nos seguintes aspectos:

A medio deve ser realizada no campo em ambiente ruidoso e sem a

aparelhagem convencional normalmente utilizada;

Busca-se identificar uma evoluo dos valores de perdas, a partir de

uma condio previamente conhecida e bem definida e no um

determinado valor absoluto;

Podem ser feitas comparaes de leituras realizadas para as diversas

buchas de um mesmo transformador;

O sinal medido deve ser obtido a partir de uma impedncia de medio

que permita o compartilhamento com a medio do sinal de Descargas

Parciais e suas necessidades de sincronismo;