XIV SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA CRITÉRIOS E INSTRUMENTAÇÃO PARA DETEÇÃO DE ISOLADORES PERFURADOS EM LD'S

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XIV SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

CRITÉRIOS E INSTRUMENTAÇÃO PARA DETEÇÃO DE ISOLADORES

PERFURADOS EM LD'S

JOSÉ ARINOS TEIXEIRA JR, JOSÉ CARLOS DO NASCIMENTO, ANGELO BANNACK, ALEXANDRE CEOLIN HAUSEN, CLAUDIO BEHLING – LACTEC – INSTITUTO DE TECNOLOGIA PARA O

DESENVOLVIMENTO

VANDO GARCIA GONÇALVES, EDSON SARDETO, EDEN LUIZ WALEWSKI, EDUARDO OTTO FILHO – COPEL – COMPANHIA PARANAENSE DE ENERGIA

Palavras-chave: isolador, perfuração, manutenção

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I ) INTRODUÇÃO

Este trabalho aborda um projeto de pesquisa aplicada que se iniciou em meados de 1995, visando estabelecer critérios para a detecção de isoladores perfurados. Um dos métodos mais eficazes utilizados no campo é a medida, por meio de uma ponta de prova de alta tensão, da diferença de potencial dos isoladores dispostos em cadeia nas LD’s, com auxílio de um dispositivo denominado isolometro. Através de ensaios de laboratório e campo foi possível quantificar qual é a indicação do instrumento que detecta o isolador faltoso com boa probabilidade de acerto. Uma nova etapa do projeto foi o desenvolvimento de um equipamento específico, microprocessado, que indica, baseado em critério obtido anteriormente, a diferença de potencial no isolador testado e um diagnóstico de isolador “Bom” ou “Ruim”. A medida é realizada no isolador e através de um aviso sonoro já é possível saber que a medida foi realizada, se o isolador está bom ou ruim e que a esta medida é transmitida para uma unidade remota, onde pode ser lida facilmente pelo operador. Neste trabalho é apresentado os dados obtidos no laboratório e no campo, bem como, o instrumento desenvolvido e seu processo de medição.

II ) DESENVOLVIMENTO

II – A) ENSAIOS DE LABORATÓRIO UTILIZANDO O ISOLOMETRO

Com a finalidade de estabelecer limites de operação para isoladores de LD’s utilizando o isolometro, foi elaborada a seguinte experiência de laboratório, como segue:

A primeira etapa do trabalho foi efetuada no laboratório de alta tensão do LACTEC através da construção de um trecho de linha de distribuição, procurando simular de maneira mais próxima possível, uma LD real. Esta linha foi conectada a um fonte de alta tensão alternada, podendo aplicar a tensão fase-terra necessária para simular linhas de 34,5 e 13,8 kV, utilizadas na distribuição de energia elétrica. O número de isoladores de disco conectados em cadeia foi determinado de acordo com o utilizado no sistema de distribuição da Copel, conforme tabela 1 a seguir:

Tabela 1. Número de Isoladores em Cadeia

Tensão Nominal Nº de Isoladores em cadeia

Observações

34,5 kV 4 e 3 Tronco (4), ramal (3) 13,8 kV 3 e 2 LD difícil acesso (3)

Os isoladores utilizados nos ensaios foram isoladores retirados de operação de LD’s reais da COPEL, através da inspeção realizada pelas áreas responsáveis pela manutenção das linhas, utilizando diversas técnicas, tais como, isolometro, ultra-som, rádio, etc. Estes isoladores, suspeitos de perfuração, foram submetidos ao ensaio de resistência de isolamento (5 kVdc) e tensão disruptiva AC a seco e sob chuva, para comprovação de seu estado. Nesta etapa foram ensaiados cerca de 17 isoladores de disco. Os resultados destes ensaios podem ser vistos no anexo 01.

Com estes resultados, foram montadas cadeias de isoladores, procurando abranger as possíveis variações de isoladores perfurados em uma cadeia. As combinações realizadas foram conforme a tabela a seguir:

Tabela 2. Combinações testadas em laboratório

Tensão Nominal Configuração Observações 34,5 kV ABCD, XABC, XYAB

ABC, XAB, X, Y – Isol. Perfurados A,B,C,D – Isol. Bons

13,8 kV ABC, XAB

AB, XA

Os isoladores perfurados foram testados em várias posições dentro da cadeia. O isolometro utilizado foi conforme é mostrado na figura a seguir:

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Figura 1. Medida da d.d.p. com Isolometro

As medidas através do isolometro são basicamente medidas de d.d.p. (diferença de potencial) através do isolador. Se houver uma d.d.p. normal no isolador, uma corrente fluirá no circuito formado pelos dois resistores de 12 MΩ e o amperímetro. Esta corrente é da ordem de dezenas a algumas centenas de µA, o que multiplicado pela resistência total (24 MΩ) nos dá o valor aproximado da d.d.p. Como a impedância desta ponteira de alta tensão é muito menor que a resistência de isolamento do isolador, a inserção da ponteira muda a distribuição de tensão de forma substancial, com a redução da d.d.p. no isolador sendo medido e o aumento da d.d.p. nos isoladores restantes da cadeia, portanto, quando se soma a d.d.p. medida ao longo da cadeia, utilizando os valores obtidos pelo isolometro, o valor obtido é menor que a tensão sendo aplicada. Na tabela 3, apresentamos uma simulação de um circuito equivalente com 3 isoladores, realizada pelo PSPICE. Notamos que as ddp somadas em cada caso são iguais ao valor de tensão aplicada (~20 kV) e a ddp’s dadas pelo isolometro são inferiores, resultando, se somadas (valores em vermelho na diagonal), em um valor bem menor.

Tabela 3 - Diferenças de Potencial (ddp) calculadas pelo PSPICE.

Cadeia Com 3 isol. ddp sem isolometro ddp com isolometro no Isolador 1 ddp com isolometro no Isolador 2 ddp com isolometro no Isolador 3 OBS. U 3 2 1 Rt 0,36 0,60 0,57 0,67 2,03 1,47 3,24 3,74 5,11 5,15 2,29 9,41 12,43 12,60 13,62 5,93 Σ = 19,93 kV Σ = 19,82 kV Σ = 19,72 kV Σ = 19,75 kV ΣΣΣΣd = 10,05 kV

A seguir, apresentamos os resultados de ensaios de laboratório realizados com linhas de 34,5 kV com 3 e 4 isoladores e para linhas de 13,8 kV com 2 e 3 isoladores, onde isoladores bons foram mesclados com isoladores perfurados e medidas com o isolometro conforme figura 1 utilizando como micro-amperímetro, um instrumento digital. II-A.1) ENSAIOS EM LD’S DE 13,8 kV Micro-amperímetro Digital CA Ω Ω Ω Ω 12 M 12 MΩΩΩΩ

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Na simulação de LD de 13,8 kV, foram executados os ensaios em cadeia com 3 e 2 isoladores, procurando determinar quais são os valores de corrente / tensão indicados pelo isolometro, que apontariam o isolador perfurado, que idealmente, teria uma ddp igual a zero e corrente praticamente nula. Apresentaremos a seguir os resultados para uma cadeia com dois isoladores, ver tabela 4 e para cadeia com 3 isoladores, ver tabela 5, onde a tensão aplicada foi de 10 kVef. e os isoladores A, B e C são bons e os isoladores 1 e 5 perfurados.

Tabela 4 - Resultados para LD de 13,8 kV com 2 isoladores.

Constituição da

Cadeia Isol. I [µA] U [kV]

AB A 136 3,27 B 99 2,38 A1 1 2,7 0,06 A 436 10,46 1A 1 12 0,30 A 426 10,22 A5 A 167 4,01 5 84 2,02

Constituição da

Cadeia Isol. I [µA] U [kV] ABC A 100 2,40 B 52 1,25 C 56 1,34 1AB 1 7 0,17 A 121 2,90 B 95 2,28 A1B A 141 3,38 1 0 0,00 B 101 2,42 AB1 A 142 3,41 B 97 2,33 1 0 0,00 AB5 A 85 2,04 B 60 1,44 5 43 1,03

Nos casos das tabelas 4 e 5, constatamos que é bem evidente a detecção do isolador perfurado, onde a corrente é bem reduzida (< 7 µA) e existe uma pequena tensão residual (~ 0,17 kV). Contudo, muitas vezes, o isolador perfurado não apresenta o comportamento do isolador n.º 1, que conforme a tabela do anexo 1, apresenta resistência de isolamento bem pequena e tensão de descarga nula. Podermos ver, p. ex., o isolador n.º 5, que possui ainda um pequeno nível de tensão de descarga 60 Hz. Este isolador é o mais difícil de ser detectado, uma vez que em condições de tempo ensolarado, o mesmo apresenta algum nível de isolamento. Com condições de tempo chuvoso, o isolador pode ter suas características totalmente degradadas (ver anexo 01). O seu comportamento na cadeia de isoladores é apresentado nas tabelas 4 e 5.

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II-A.2) ENSAIOS EM LD’S DE 34,5 kV

Na simulação de LD de 34,5 kV, foram executados os ensaios em cadeia com 4 e 3 isoladores, procurando determinar quais são os valores de corrente / tensão indicados pelo isolometro, que apontariam o isolador perfurado, que idealmente, teria uma ddp igual a zero e corrente praticamente nula. Apresentaremos a seguir os resultados para uma cadeia com três isoladores, ver tabela 6 e para cadeia com 4 isoladores, ver tabela 7, onde a tensão aplicada foi de 20 kVef. e os isoladores A, B, C e D são bons e o isolador 1 e 5 perfurados.

Constituição da

Cadeia Isol. I [µA] U [kV] ABC A 191 4,58 B 98 2,35 C 108 2,59 1AB 1 14 0,34 A 240 5,76 B 186 4,46 A1B A 288 6,91 1 0 0,00 B 211 5,06 AB1 A 290 6,96 B 200 4,80 1 0 0,00 AB5 A 187 4,49 B 124 2,98 5 85 2,04

Constituição da

Cadeia Isol. I [µA] U [kV] ABCD A 161 3,86 B 82 1,97 C 62 1,49 D 76 1,82 1ABC 1 16 0,38 A 191 4,58 B 98 2,35 C 110 2,64 A1BC A 203 4,87 1 0,00 0,00 B 105 2,52 C 101 2,42 AB1C A 179 4,29 B 103 2,47 1 1 0,02 C 110 2,64 ABC1 A 192 4,61 B 99 2,38 C 111 2,66 1 0 0,00 ABC5 A 153 3,67 B 91 2,18 C 84 2,02 5 53 1,27

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Similarmente ao que foi feito para cadeias de 13,8 kV, um isolador perfurado cujas características elétricas ainda apresentam valores de resistência de isolamento e tensão de descarga substanciais, tal como, o isolador n.º 5, p. ex., foi ensaiado. Os resultados estão apresentados nas tabelas 6 e 7.

II.B) DEFINIÇÃO DO NÍVEL DE CORRENTE / TENSÃO

Analisando os resultados obtidos, procurou-se determinar um nível de corrente / tensão abaixo da qual, considerar-se-ia o isolador como perfurado, devendo o mesmo ser retirado de operação e submetido ao ensaio de resistência de isolamento e tensão de descarga 60 Hz a seco e sob chuva, para confirmar seu estado.

Procurou-se, primeiramente, definir um único valor, que pudesse ser utilizado tanto em LD’s de 13,8 como em LD’s de 34,5 kV, de modo, a simplificar e facilitar a utilização do isolometro para o pessoal de campo. Procurou-se então, com base nos resultados de laboratório, definir um nível mínimo de corrente / tensão, da seguinte maneira:

• Isoladores bons, com o maior número de isoladores na cadeia, 4 para 34,5 kV e 3 para 13,8 kV, produzindo assim uma d.d.p., cujos níveis seriam indicativos de isoladores bons;

• Isoladores imperfeitamente perfurados, apresentando indicações com valores que os permitiam serem confundidos com isoladores bons, uma vez que os isoladores perfeitamente perfurados apresentam leituras próximas de zero.

Escolheu-se, com base nestes critérios, o valor de 50 µA / 1,2 kV, como valores mínimos para que um determinado isolador fosse considerado adequado. Caso contrário, o isolador seria considerado suspeito de perfuração, retirado de operação e submetido a outros ensaios.

Evidentemente, este critério não é o ideal, porque as d.d.p.’s nos isoladores dependem do número de isoladores na cadeia, da tensão de operação da LD, da posição do isolador dentro da cadeia e de outros parâmetros, tais como, impedância de aterramento, se o poste está ou não aterrado, do tipo de cruzeta, de condições atmosféricas, etc.

II.C) OUTRAS CONSIDERAÇÕES SOBRE O ISOLOMETRO

Com base na experiência das equipes de campo, outros problemas foram abordados em relação a utilização do isolometro comercial de um fabricante idôneo. Dois deles se destacaram, ou seja:

1. Dificuldade de leitura, uma vez que o instrumento é colocado na ponta da vara de manobra e muitas vezes bem distante do operador;

2. A ponteira de alta tensão tem seus resistores queimados em algumas situações, principalmente em LD’s de 13,8 com 2 isoladores com um deles perfurado ou em LD’s de 34,5 com 3 isoladores e com 2 deles perfurados.

II.D) DESENVOLVIMENTO DE UM ISOLOMETRO ELETRÔNICO

Procurando solucionar os problemas das equipes de campo, desenvolveu-se um equipamento composto de um transmissor e um receptor, o primeiro, instalado na ponta da vara de manobra e o segundo, junto ao operador, sendo que os valores medidos são transmitidos via rádio, para leitura na segunda unidade, junto ao operador. Incorporou-se também, um programa em EPROM que apresenta um diagnóstico de isolador “BOM” ou isolador “RUIM” baseado no critério adotado. Um aviso sonoro diferenciado, emitido por ambas unidades permitem também a identificação de isolador perfurado. A unidade remota apresenta também o valor da d.d.p. do isolador sendo medido, quando esta leitura se estabiliza suficientemente, diretamente em kV.

Em relação a ponteira de alta tensão, calculou-se qual a potência mínima que seria preciso para não haver problemas de queima de resistores. O caso mais crítico seria da tensão de 34,5 / √3 = 20 kV aplicada na ponteira (R = 24 MΩ), ou seja,

24 20000

=

I

= 833 µA (1) adotando dois resistores de 12 MΩ em cada braço da ponteira, a potência necessária seria:

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Desta maneira, foram adotados para o projeto, dois resistores de alta tensão, de 12 MΩ, 10 W da Caddock, de maneira de possibilitar suficiente potência para as medidas. Nas figuras a seguir, apresentamos o sistema desenvolvido.

(a)

(b)

Figura 2. a) Isolometro com a unidade transmissora, b) unidade receptora com diagnóstico

(a)

(b)

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Figura 4. Resistor utilizado na ponteira de alta tensão – 12 MΩ, 10 W (2 pçs.)

II.E) ENSAIOS COM O ISOLOMETRO ELETRONICO

Apresentamos a seguir resultados de experiências de laboratório e de campo com a instrumentação envolvida, onde compara-se os valores obtidos com micro-amperímetro digital com os obtidos com o isolometro. Ver tabela 8 a seguir, onde os valores encontrados foram considerados adequados.

Tabela 8 - Resultados comparativos

Constituição da Cadeia Tensão de Ensaio Isolador U [kV] com Micro-amperímetro digital U [kV] com o Isolometro desenvolvido AB 13,8/√3 A 3,27 3,16 B 2,38 2,38 A1 13,8/√3 1 0,06 0,08 A 10,46 10,20 A5 13,8/√3 A 4,01 3,79 5 2,02 1,96 AB5 13,8/√3 A 2,16 2,06 B 1,43 1,41 5 1,05 0,97 ABC 13,8/√3 A 2,09 2,07 B 1,32 1,25 C 1,34 1,31 AB5 34,5/√3 A 4,49 4,62 B 2,99 3,18 5 2,05 2,05 1AB 34,5/√3 1 0,28 0,62 A 3,08 3,00 B 2,31 2,28 ABC5 34,5/√3 A 3,66 3,49 B 2,18 2,18 C 2,00 2,09 5 1,27 1,19

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II.f) DETALHES DO CIRCUITO ELETRÔNICO DO ISOLOMETRO

O Isolometro é composto por dois módulos: transmissão e recepção. O módulo de transmissão é composto de um circuito eletrônico microcontrolado alimentado com baterias, um transmissor de rádio, LED’s e um

buzzer para informar o estado dos isoladores.

Figura 5. Módulo de Transmissão

Conforme podemos ver na figura acima, o teclado liga todo o sistema, que imediatamente testa a bateria, informando seu estado para o módulo receptor, além de acionar o buzzer. Então o isolometro entra em regime de operação, medindo constantemente a tensão no isolador, informando ao módulo receptor seu estado e o respectivo valor de tensão, acionando também o buzzer para indicar o estado do isolador (1 bipe indica estado bom, vários bips estado ruim).

O módulo de recepção possui um display de cristal líquido e um receptor de rádio, além de LED’s e um

buzzer.

Figura 6. Módulo de Recepção

Teclado Inicializar _Sistema

Desligar Sistema Timer TX Buzzer LED Organization function Organization function Testar Bateria Tensão Isolador Organization function Organization function Testar Isolador Inicializar

Sistema Bateria Testar

Driver Display Buzzer Display Decodifica Mensagem Informa estado da bateria do módulo TX Informa estado do Isolador Teclado RX

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Conforme ilustrado na figura 6, após completa inicialização do sistema e teste das baterias, o módulo fica pronto para operação, aguardando mensagens enviadas pelo módulo transmissor. A mensagem principal indica a tensão do isolador, além de seu respectivo estado, permitindo ao módulo, mostrar no display estas informações

II.G) PRÓXIMA ETAPA

Os isolometros eletrônicos desenvolvidos (3 unidades) serão entregues a equipes de campo para verificação de seu funcionamento em aplicações normais de inspeção instrumental em LD’s em breve. Estima-se um período de 6 meses a um ano, para que possamos fazer a coleta completa de todos os problemas que porventura venham a ocorrer. Após este período de experiências de campo, as atualizações necessários serão executadas nas unidades restantes (mais 7 unidades) perfazendo um total de 10 unidades, as quais deverão passar por mais um período de 1 ano em testes de campo, para a completa validação do instrumento proposto.

III) CONCLUSÕES

Com os resultados coletados até a presente, gostaríamos de comentar o seguinte:

• Em relação ao critério adotado de isolador perfurado (valores acima de 50 µA / 1,2 kV), os resultados encontrados no campo têm sido satisfatórios, utilizando o isolometro com micro-amperímetro digital, indicando que os isoladores estavam realmente perfurados na grande maioria dos casos.

• A utilização de resistores de maior potência na ponteira de alta tensão apresentaram desempenho isento de queima, em 4 isolometros utilizados pelas equipes de campo a aproximadamente 10 meses. • Em relação a facilidade de leitura, os comentários dos usuários têm sido positivos.

IV) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Tradução de “Dispositivos para teste em linha viva – ITE”. Nojima, M. COPEL/SOM/DPPM, Curitiba, Julho de 1975.

2. RITZ-CHANCE, “Ferramentas para Linha Viva”, Catálogo de Produtos, Betim, MG, Janeiro de 1986.

3. CADDOCK, “High performance film resistors”, General Catalog, 26th edition, California, USA.

V) ENDEREÇO DO AUTOR PRINCIPAL

José Arinos Teixeira Jr.

mailto:arinos@lactec.org.br

LACTEC – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento Centro Politécnico da UFPr

Caixa Postal 19067

CEP 81531-990 – CURITIBA – PR

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VI) ANEXO 01

Tabela 9. Isoladores perfurados (1 a 17) e bons (A,B,C,D)

utilizados nos ensaios.

n.º LAC

Megger Tensão Descarga 5 kV a Seco sob

Chuva [MΩ] [kV] [kV] [1 min.] Média Média 1 0,08 0,0 2 0,38 0,0 3 12 7,0 1,0 4 0,93 3,3 12,0 (?) 5 0,49 3,0 6 0,21 2,0 7 3,6 18,7 8 6,96 22,3 9 5,7 21,0 10 8,83 19,3 20,0 11 22,4 22,3 16,0 12 28400 62,0 31,7 13 0,55 2,0 14 3,18 18,7 15 0,94 16,0 16 41000 62,0 40,3 17 11600 62,7 41,3 A 58,7 B 62,3 C 63,0 D 62,3