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Centro de Engenharia Elétrica e Informática

Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica

Proposta de Pesquisa – Primeiro Projeto

Doutoramento

Pedro Henrique Venske da Rocha

Campina Grande, Paraíba

Março, 2015

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Caracterização da degradação em isoladores poliméricos de

230 kV a partir do espectro eletromagnético irradiado.

Proposta de Projeto e Pesquisa apresentada à

Coordenação do Curso de Pós-Graduação em

Engenharia Elétrica da Universidade Federal de

Campina Grande, em cumprimento às exigências do

Programa de Doutoramento em Engenharia Elétrica.

Pedro Henrique Venske da Rocha

Orientando

Edson Guedes da Costa, D. Sc.

Orientador

Campina Grande, Paraíba.

Março de 2015

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SUMÁRIO

1 Título do Projeto ............................................................................................................ 4

2 Descrição do Projeto ...................................................................................................... 5

3 Revisão Bibliográfica .................................................................................................... 8

4 Objetivos ...................................................................................................................... 11

5 Cronograma de Atividades .......................................................................................... 12

Referências ..................................................................................................................... 13

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1 Título do Projeto

Caracterização da degradação em isoladores poliméricos de 230 kV a partir do

espectro eletromagnético irradiado.

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2 Descrição do Projeto

As linhas de transmissão (LT) transportam energia elétrica aos grandes centros

de carga, fazendo a conexão entre o local em que é gerada essa energia (usinas

hidrelétricas, termoelétricas, etc.), e os centros de distribuição (concessionárias

distribuidoras e/ou grandes consumidores). As LTs têm sua importância ampliada em

virtude, principalmente, da alta potência transportada e das novas resoluções

determinadas pelas agências regulamentadoras.

Os isoladores de tensão, utilizados nas LTs, têm por função principal garantir o

isolamento elétrico entre seus terminais e, secundariamente, mas não menos importante,

fornecer a sustentação física dos condutores elétricos a eles conectados

(ROCHA, 2014). A primeira função básica diz respeito à garantia de que não haja fuga

de corrente do isolador para a terra. Desse modo, evitam-se as perdas de energia e, em

casos extremos, a ocorrência de curtos-circuitos, os quais acarretam prejuízos tanto de

natureza econômica como social, uma vez que o fornecimento de energia elétrica é

interrompido a milhares de pessoas.

Já a segunda função desempenhada pelo isolador de LT é a sustentação física

dos condutores elétricos. Situados no alto das torres de transmissão, os isoladores são

expostos às mais variadas intempéries climáticas e a ação de vandalismo

(YANAGUIZAWA, 2011), necessitando assim que sejam fabricados a partir de materiais

com características específicas. Por exemplo, devem suportar alto esforço mecânico,

originado pela própria sustentação dos cabos de energia, e também pelos esforços de

dilatação e contração, originados a partir da intensa variação de temperatura a que são

submetidos.

Como todo equipamento, os isoladores necessitam também de uma rotina de

manutenção, seja ela preventiva ou corretiva, que tem como objetivo evitar anomalias

no funcionamento dos mesmos (ROCHA, 2014). Em especial, os isoladores de LTs de

230 kV estão situados a aproximadamente 30 m do solo, de modo que o procedimento

de inspeção, ou intervenção, se torne uma tarefa complexa. Além da elevada altura

envolvida, também há dificuldade em se chegar à base de uma torre de transmissão, pois

as mesmas não se fazem presentes nas margens das estradas, estando na maioria das

vezes entre vegetações e morros.

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Atualmente, a principal forma de inspecionar isoladores de LTs é por meio

visual (CAPELINI, 2012), com auxílio de binóculo, no qual o inspetor observa o estado

físico do mesmo, avaliando o nível de poluição e também a ocorrência de descargas

parciais externas, por meio de centelhas nas aletas do isolador. Esse tipo de avaliação

tem por característica ser bastante subjetivo, dependente unicamente da avaliação visual

de cada inspetor, podendo ocorrer análises imprecisas de acordo com o nível de

tolerância de cada observador.

No presente contexto, entende-se que os isoladores de tensão, localizados nas

LTs, desempenham papel de suma importância para a garantia do fornecimento

ininterrupto de energia elétrica a milhares de consumidores. Dada a sua relevância,

justifica-se o estudo e o desenvolvimento de técnicas e mecanismos que possam tornar

mais eficiente o processo de manutenção em isoladores de LTs.

Portanto, neste trabalho, pretende-se investigar uma nova forma de mensurar o

grau de degradação de isoladores poliméricos de LTs de 230 kV, a partir da análise da

interferência eletromagnética irradiada por esses isoladores. Caso seja possível, o

espectro eletromagnético irradiado será tratado com o objetivo de identificar padrões de

irradiação de radiofrequência (RF), e correlacioná-los a graus de degradação física do

isolador. Dessa forma, almeja-se a utilização dessa técnica para realizar a inspeção em

isoladores poliméricos com mais objetividade, não sendo necessária exclusivamente a

avaliação visual humana ou meios invasivos.

A etapa experimental deste trabalho será realizada no Laboratório de Alta

Tensão (LAT) da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), no qual serão

ensaiados isoladores poliméricos, utilizados em uma LT de 230 kV, de diferentes níveis

de degradação (poluição, corrosão metálica, fissuras, etc.). Deverão ser utilizados nos

ensaios também isoladores em bom estado de conservação, os quais servirão de

referência.

Nos ensaios, cada isolador será colocado a uma altura de 3 m do solo e

sustentado pela parte de cima por uma estrutura fixada na parede. No terminal inferior

do isolador será conectado o condutor energizado. A antena bicônica, cuja faixa de

frequência ressoante é de 20 MHz a 330 MHz, estará situada a 5 m do condutor

energizado. A configuração (setup) do ensaio é ilustrada na Figura 1.

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A antena bicônica será conectada a um analisador de espectro, que tem como

função coletar o espectro do sinal de RF e depois salvar em arquivo. O tratamento do

espectro coletado será realizado no ambiente Matlab®.

Figura 1: Setup do ensaio com isolador.

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3 Revisão Bibliográfica

Os isoladores poliméricos, também denominados de compósitos ou não

cerâmicos, foram inicialmente comercializados na década de 60. Sendo empregado

principalmente nas linhas de transmissão, tornaram-se atraentes devido ao seu peso

reduzido e menor dimensão física em relação aos cerâmicos. Entretanto, no início de

sua produção, surgiram muitos relatos de falhas estruturais e de isolamento, devido

principalmente aos processos rudimentares de fabricação e aos materiais utilizados na

composição do dielétrico (QUEIRÓS, 2013). Atualmente, os isoladores poliméricos já

conquistaram a confiabilidade necessária para substituírem os isoladores vítreos,

empregados desde o início, prova disso é o crescente aumento na quantidade de

poliméricos presentes. Por exemplo, no sistema CHESF, em 1998, os isoladores de

polimérico representavam apenas 2% do total empregado em LTs, já em 2004, esse

percentual subiu para 23% (CAVALTANTI, 2004).

A ocorrência de descargas parciais (DP), em isoladores, é um problema que

necessita de uma atenção constante, por parte dos técnicos responsáveis pela

manutenção das LTs. As DPs são descargas elétricas que ocorrem em algum meio

dielétrico, gás, líquido ou sólido, de curtas durações, na ordem de nanosegundo,

originadas a partir da ionização de uma região do dielétrico (COSTA et al., 1996). O

aumento da quantidade e da intensidade dessas DPs acarreta a diminuição da rigidez

dielétrica do material isolante (OLIVEIRA, 2008), pois, essas descargas provocam o

envelhecimento do material, rachaduras/erosão, redução da resistência mecânica e

também a produção de subprodutos químicos (Brunt, 1994).

Vários são os tipos de inspeção em isoladores, elencam-se a seguir seis técnicas

(QUEIRÓS, 2013):

Inspeção visual: O inspetor faz uma observação, com auxílio de binóculo, do

isolador instalado no alto da LT. São identificadas características acerca da

superfície do isolador, tais como: grau de hidrofobia, grau de poluição,

integridade do dielétrico e exposição do núcleo de isoladores poliméricos.

Termografia: Através do aparelho termovisor, o qual opera como uma câmera

infravermelha, obtém-se a temperatura do isolador ao longo de toda sua

superfície. Assim, é possível identificar a presença de pontos quentes, os quais

indicam fuga de corrente, relacionados diretamente com ocorrência de descargas

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parciais. Esta técnica é sensível a variações climáticas locais, tais como,

temperatura e ocorrência de ventos, sendo portanto recomendável sua aplicação

em períodos noturnos.

Raio-X: Através de equipamentos portáteis, ou fixos, de raio-X, é possível

identificar danos estruturais internos que podem comprometer o funcionamento

do isolador. Por exemplo, quebras no núcleo de fibra de vidro em isoladores

poliméricos e separação do núcleo com os terminais metálicos.

Medição de campo elétrico: A medição de campo elétrico ao longo do isolador

é influenciada pela permissividade e condutividade dos materiais envolvidos e

sua geometria. Assim, uma elevada variação entre o campo medido e o

esperado, pode indicar um aumento de umidade no interior de isoladores

poliméricos e/ou separação do revestimento e do núcleo.

Medição de corrente de fuga: O monitoramento da corrente de fuga faz com

que seja possível identificar anomalias de funcionamento quando essa corrente

se torna elevada. Na ocorrência de acúmulo excessivo de poluentes sobre a

superfície do isolador, acarreta-se uma diminuição da resistividade e hidrofobia,

bem como, facilita-se a passagem de corrente pelo isolador, e assim, aumenta o

nível da corrente de fuga.

Detecção por interferência de rádio: Na ocorrência de descargas parciais,

ocorre a irradiação de ondas eletromagnéticas possíveis de serem medidas. A

partir da detecção dessas interferências, através da presença de picos de curta

duração e em faixas de frequência específicas, quando se analisa o espectro do

sinal, é possível inferir que esteja ocorrendo DP tanto externa como interna.

Embora existam várias possibilidades de se mensurar o estado de degradação do

isolador, muitas dessas técnicas se tornam inviáveis para serem realizadas em campo,

sendo aplicadas apenas em estudos em laboratório (BARROS, 2011). Isso se dá,

principalmente, pela dificuldade em se realizar tais procedimentos, necessitando muitas

vezes o transporte de equipamentos de difícil manuseio e/ou alta complexidade. Por

isso, a principal técnica utilizada em inspeção de isoladores é a visual. No sistema

CHESF, a manutenção em isoladores de LT está toda baseada na observação visual

(OLIVEIRA, 2008). Este tipo de inspeção, visual, está sujeita a erros devido à grande

distância entre o ponto de medição e a cadeia de isolador (FERREIRA, 2011).

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Além desses fatores que tornam o processo difícil de ser executado, em nenhuma

dessas técnicas se têm, atualmente, um sistema automático, no qual seja capaz de avaliar

o isolador de maneira inteligente e objetiva, de forma que ainda não existe uma técnica

consolidada de monitoramento de isoladores (NERI, 2005).

Focando-se na inspeção de isoladores através da irradiação de RF, Fontgalland

et al. (2004) realizaram ensaios em laboratório com isoladores vítreos, utilizados em

LTs de 69 kV, nos quais foram possíveis constatar, experimentalmente, alterações no

espectro irradiado pelos isoladores de diferentes níveis de poluição. Estudos mais

recentes buscaram relacionar padrões de espectros de isoladores vítreos limpos e

poluídos, como pode ser observado em Moura et al. (2013), no qual foi feita uma

análise do espectro captado a partir dos parâmetros estatísticos média e desvio padrão.

Já no trabalho de Rocha (2014), é proposto um sistema inteligente para

reconhecer padrões de irradiação de isoladores vítreos, utilizados em LTs de 69 kV. Na

referida pesquisa, foram empregadas técnicas de processamento de sinais, como a

análise Wavelet, e de inteligência artificial com as redes neurais artificiais (RNA).

Neste projeto, pretende-se investigar o sinal de RF irradiado de isoladores

poliméricos, utilizados em LTs de 230 kV, com o intuito de estimar o seu estado de

degradação física, a partir das alterações das irradiações eletromagnéticas, ocasionadas,

principalmente, pela ocorrência de DP no isolador. Ressalta-se o caráter inovador da

pesquisa, principalmente pelo estudo de isoladores através de RF, fato comprovado

pelas poucas publicações existentes sobre o tema, sendo então, uma área, ainda, pouco

explorada.

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4 Objetivos

É proposto como objetivo geral deste projeto investigar e reconhecer padrões

de irradiação de RF originados a partir de isoladores poliméricos de 230 kV,

correlacionando-os ao estado de degradação física no qual se encontra o isolador sob

teste. Pretende-se também criar uma base de dados, a partir da qual poderá ser possível

a implementação futura de um sistema reconhecedor de padrões, que de forma

inteligente, avalie o estado de degradação física do isolador, por meio da coleta do

espectro de RF irradiado.

Para uma descrição mais detalhada dos objetivos envolvidos na pesquisa,

elencam-se os seguintes objetivos específicos:

Revisar a literatura sobre os principais tipo de degradação física em isoladores

poliméricos, utilizados em LTs de 230 kV;

Estudar os métodos mais utilizados para tratamento de sinais, avaliando seu

desempenho com o tipo de sinal de que trata este projeto;

Realizar ensaios em laboratório com isoladores, captando o espectro

eletromagnético irradiado, quando submetidos à tensão nominal de operação;

Avaliar faixas do espectro de RF coletado no intervalo entre 30 MHz a 330

MHz, e complementarmente, estender-se até 3 GHz;

Programar um algoritmo no ambiente Matlab®, que realize o tratamento dos

dados obtidos e o processamento do reconhecedor de padrões.

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5 Cronograma de Atividades

A seguir, são enumeradas as atividades a serem executadas no decorrer da

pesquisa. Na Tabela 1, é apresentado o Cronograma de Atividades Proposto para este

projeto de pesquisa.

1- Revisão bibliográfica;

2- Definição da metodologia empregada nos experimentos de medições;

3- Realização dos experimentos de medição em laboratório;

4- Análise e processamento dos dados obtidos no experimento de medição;

5- Avaliação do algoritmo e realização de testes;

6- Defesa do primeiro projeto de pesquisa.

Tabela 1: Cronograma de atividades.

Atividades Meses de 2015

Mar Abr Mai Jun Jul

1 X X X X

2 X X

3 X X X X

4 X X X

5 X X X

6 X

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Referências

BARROS, W. P. P., Análise do Efeito Corona para Diagnóstico de Isoladores

Poliméricos, Campina Grande: Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade

Federal de Campina Grande, 2011. Dissertação de Mestrado.

BRUNT, R. J. V., Physics and Chemistry of Partial Discharge and Corona –

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CAPELINI, R. M. et al. Localização de cadeias de isoladores danificadas em linhas de

transmissão através da análise de descargas parciais de corona. In: XIX Congresso

Brasileiro de Automática, CBA 2012. Campina Grande. Anais. Campina Grande, p.

4581-4587, 2012.

CAVALCANTI, F. J. M. M., Controle e Análise de Desempenho de Isolamento de

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Recife: Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Pernambuco,

2004. Dissertação de Mestrado.

COSTA, E. G.; NEVES, W. L. A. Guia de Experimento: Descargas Parciais.

Universidade Federal de Campina Grande. Dezembro, 1996.

FERREIRA, T. V. Estimação Inteligente da Poluição de Isolamentos Elétricos

Baseada nos VECSE do Ruído Ultrassônico. Campina Grande: Departamento de

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Doutorado.

HILEMAN, A. R. Insulator Coordination for Power Systems. New York: Marcel

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pp 319 – 320.

NERI, M. G. G.; COSTA, E. G.; GARCIA, R. W. S.; PAIVA O. L. S., Avaliação de

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OLIVEIRA, S. C. Sistema de Detecção Óptica de Descargas Parciais em Cadeias de

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