CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA CEFET/RJ

DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

COORDENADORIA DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA

DISSERTAÇÃO

ESTUDO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE ULTRA-SOM ASSOCIADA AO PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS (PDS)

PARA DETECÇÃO DA OCORRÊNCIA DE PONTOS QUENTES EM EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO

Gabriel Ângelo de Barros Vieira

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS

PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM TECNOLOGIA.

Carlos Henrique Figueiredo Alves, D.Sc. Orientador

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL OUTUBRO / 2008

Livros Grátis

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SUMÁRIO INTRODUÇÃO 1 Capítulo I REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1. Conceitos de Manutenção 3 1.1.1. Manutenção Corretiva 3 1.1.2. Manutenção Preventiva 3 1.1.3. Manutenção Preditiva 3

1.2. O Atual Cenário da Indústria de Energia Elétrica no Brasil 5 1.3. Manutenção Preditiva Utilizando Técnica de Termografia Infravermelha 9 1.3.1. A Técnica de Termografia Infravermelha 10

1.3.2. Processo de Inspeção Termográfica 12

1.3.3. Câmera de Termografia ou Termovisor 12 1.4. Efeito Corona e o Mecanismo de Descargas Parciais 13 1.4.1. Ionização dos átomos de um material isolante 17 1.4.2. Algumas Considerações sobre o Campo Elétrico 21 1.4.2.1. O campo elétrico e o meio em que ele se encontra 21 1.4.2.2. O campo elétrico e a geometria dos eletrodos 24

1.4.3. Tipos de Descargas Parciais 25

1.4.4. Conceito de Descargas Parciais 27

1.4.5. Detecção e Medição de Descargas Parciais 29 1.5. Manutenção Preditiva utilizando Técnica de Ultra-som 31 1.5.1. Aplicação do Ultra-som na Manutenção 31

1.6. Conclusões 31

Capítulo II

MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. Metodologia 33

2.2. Técnica de Detecção 33

2.3. Métodos e Equipamentos utilizados para o primeiro conjunto de ensaios 34

2.4. Etapas de Execução da Pesquisa 35

2.4.1 – (a) Especificação, (b) projeto e construção da célula de ensaio 35 2.4.2 - Testes operativos da célula de ensaio em condições de bancada 44 2.4.3. Testes operativos da célula de ensaio com fonte de média tensão AC 45 2.4.4. Descrição dos Testes de Correlação com a Célula de Ensaio 46 2.5. Conclusões

53 Capítulo III

Resultados obtidos do primeiro conjunto de ensaios

Tabela III.1 – Estrutura geral de registro para arquivos de dados 54 3.1. Primeiro conjunto de ensaios – registro parcial das medições 54 Tabela III.2 – Estrutura de registro para arquivos de dados – distância 1 m 56 Tabela III.3 – Estrutura de registro para arquivos de dados – distância 3 m 60 Tabela III.4 – Estrutura de registro para arquivos de dados – distância 9 m 64 3.2. Conclusões

Capítulo IV

Discussão – Análise Comparativa dos Resultados

4.1. Introdução 67

4.2. Descrição da Técnica da Obtenção do Espectro Ultra-sônico 67

4.3. Análise dos Resultados 70

4.4. Conclusões sobre os resultados obtidos no primeiro conjunto de ensaios 73 Capítulo V

Métodos e Equipamentos Utilizados

5.1. Metodologia 74

5.2. Condições de Execução dos Ensaios 76

5.3. Descrição do Ambiente de Medidas 80

5.4. Execução dos Ensaios 80

5.5. Conclusões 82

Capítulo VI

Registro dos Resultados dos Ensaios Realizados no Laboratório do CTE 83 6.1. Registro dos Padrões de Ruído Ultra-sônico 84

6.2. Descrição do Ambiente de Medidas 84

6.3. Registro de Curvas com o Ajuste de Tensão Variável 85 6.3.1. Espectro somente do oscilador local 87

6.3.2. Medida do espectro ambiente 91

Capítulo VII

Discussão – Análise Comparativa dos Resultados do Segundo Conj. Ensaios 96 7.1. Conclusão sobre os resultados obtidos no segundo conjunto de ensaios 101

Conclusões Finais e Análise dos Resultados 102

Propostas para Pesquisa & Desenvolvimento 103

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 105

Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Central do CEFET/RJ V658 Vieira, Gabriel Ângelo de Barros

Estudo da viabilidade de utilização da técnica de ultra-som associada ao processamento digital de sinais para detecção da ocorrência de pontos quentes em equipamentos elétricos de alta tensão/ Gabriel Ângelo de Barros Vieira. – 2008

107f.+ Anexo: il.col., tabs.;enc.

Dissertação (Mestrado) Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, 2008.

Bibliografia: f. 105-107

1.Engenharia elétrica 2.Equipamentos elétricos de alta tensão 3.Ultra-som 4.Processamento digital de sinais I.Título

Dedico este trabalho aos meus pais Gabriel (in memoriam) e Marlene, que nunca mediram esforços para me proporcionar o acesso ao saber e à educação, e à minha amada Família Alessandra, Nathalia, Thainá e Gabriel, pela paciência nos meus vários momentos de ausência e, principalmente, por todo amor e carinho doados sem restrição.

Agradecimentos

- A Deus por mais este caminho.

- Ao longo deste trabalho recebi o auxilio de várias pessoas, seja através de informações, discussões técnicas, empréstimo de equipamentos, apoio efetivo, enfim a todos meu muito obrigado.

- Ao meu orientador Professor Carlos Henrique Figueiredo Alves, D.Sc. CEFET/RJ, pelo estímulo e parceria ao longo de todo o processo criativo e aperfeiçoamento da técnica proposta neste trabalho.

- A todos os amigos e familiares por celebrarem cada conquista e apoiarem em cada dificuldade encontrada.

- Agradeço também aos professores: Dr. Mauricio Saldanha Motta (CEFET/RJ), Dr. Cesar Ramos Rodrigues (UFSM), Dr. Francisco Martins Portelinha (UNIFEI/MG), membros da banca examinadora por terem lido, analisado e criticado este trabalho no intuito de contribuir para o progresso e o desenvolvimento científico.

- À Direção, a todos os professores do Departamento do Centro Federal de Educação Tecnológica, que me apoiaram e cooperaram de forma essencial para que este trabalho fosse possível.

- Agradeço aos amigos Marco Aurélio Ribeiro Gonsalves por sempre me incentivar a realizar a pós graduação, e aos amigos Saulo Telles de Souza e Leandro Lima pelas constantes discussões construtivas na etapa final de elaboração desta dissertação, e incentivo permanente.

- À FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A., representada pela Sra. Márcia Janeiro Pereira por me proporcionar a oportunidade de realização deste curso de mestrado e apoio incondicional em todas as etapas.

- À Empresa INSTRONIC INSTRUMENTOS DE TESTE Ltda, pelo empréstimo do equipamento de ultra-som, fundamental para a realização de todas as medições.

Resumo da dissertação submetida ao PPTEC/CEFET-RJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de mestre em tecnologia (M.T.).

ESTUDO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE ULTRA-SOM ASSOCIADA AO PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS (PDS)

PARA DETECÇÃO DA OCORRÊNCIA DE PONTOS QUENTES EM EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO

Gabriel Ângelo de Barros Vieira

Outubro de 2008

Orientador: Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc.

Programa: PPTEC

Esta dissertação apresenta os primeiros resultados da aplicação de uma nova técnica para detecção de “pontos quentes” em equipamentos elétricos de alta tensão. Temperaturas anormalmente elevadas em componentes elétricos tais como: conexões e contatos elétricos em geral são comumente conhecidas como “pontos quentes” e apresentam-se como uma das principais causas de desligamentos programados e não programados de equipamentos elétricos de alta tensão, o que reduz a confiabilidade e disponibilidade operativa dos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica em todo o mundo. Esta técnica de detecção proposta é baseada na comparação dos diferentes padrões espectrais do ruído ultra-sônico produzido por descargas parciais (DP´s) que ocorrem em um dado componente elétrico instalado na alta tensão, para diferentes temperaturas de operação. Estão descritos neste trabalho os procedimentos e instrumentação utilizados para detecção e registro destes padrões, a metodologia de processamento de sinais utilizada para comparação dos padrões, o desenvolvimento do sistema de ensaio para simulação das condições de ocorrência de um ponto quente em um componente de um equipamento elétrico que opera em alta tensão e os resultados dos ensaios realizados sob diversas condições operativas. Foram realizados ensaios em dois diferentes laboratórios, sob diversas condições operativas do elemento em ensaio. O primeiro conjunto de ensaios foi realizado no laboratório da Empresa DSP TELECOMUNICAÇÕES em Santa Rita do Sapucaí com tensão de 10 kV e o segundo foi posteriormente realizado com tensões de 10 kV a 200 kV, no laboratório de Alta Tensão do Centro Técnico de Ensaios e Medições, de FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. Os resultados obtidos foram satisfatórios e a técnica demonstra potencial para desenvolvimento e possível utilização de forma prática para detecção de pontos quentes, dentro de algumas limitações estabelecidas.

Palavras chave: Ultra-som, Detecção de ponto quente, Descargas parciais, Processamento Digital de Sinais (PDS).

Abstract of dissertation submitted to PPTEC/CEFET/RJ as partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Technology (M.T.).

VIABILITY STUDY OF ULTRA-SOUND TECHNIQUE USE ASSOCIATED WITH DIGITAL SIGNAL PROCESSING (DSP) TO DETECT THE OCCURRENCE

OF HOT SPOTS IN HIGH VOLTAGE ELECTRIC EQUIPAMENT

Gabriel Ângelo de Barros Vieira

October of 2008

Supervisor: Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc.

Program: PPTEC

This dissertation shows the first results of the application of a new technique for high voltage electrical equipment hot spot detection. Abnormal elevated temperatures in electrical

components such as: connections and electric contacts in general are commonly known as “hot spots” and are one of the major causes of scheduled and non-scheduled shutting down of high voltage electrical equipment, which lessen the operative reliability and availability of the generation, transmission and distribution systems all over the world. The detection technique herein intended is based in the comparison of the different spectral patterns of the ultrasonic noise produced by partial discharges (PD`s) which occur in a certain electrical component installed in high voltage, for different operating temperatures. The procedures and instrumentation used for detection and registering of these patterns are described in this work, as well as the signal processing methodology used to compare patterns, the testing system development to simulate occurring conditions of a hot spot in an electrical equipment component which operates in high voltage and finally the results of the tests made under various operating conditions. Those tests were made in two different laboratories under various conditions of the object in test. The first set of tests was made in the DSP TELECOMUNICAÇÕES laboratory in Santa Rita do Sapucaí with 10kV voltage and the second was made with voltages going from 10kV to 200kV, in the High Voltage laboratory of the Centro Técnico de Ensaios e Medições (Technical Test and Measurements Center), owned by FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. The results obtained were satisfactory to hot spot detection and the technique demonstrates potential to development and possibility of use in a practical way, considering some previously established limitations.

LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura I.1 -Corrente nominal circulando pela haste de acionamento ₆ Figura I.2 - Simulação de ponto quente em secionador de 13,8 kV ₆ Figura I.3 -Imagem termográfica - câmera FLIR ₈

Figura I.4 - Espectro eletromagnético ₁₂

Figura I.5 - Elementos básicos da estrutura de um termovisor ₁₃ Figura I.6 - Câmera de termografia ou termovisor P60 da FLIR ₁₃ Figura I.7 - Avalanche de Townsed na superfície de um condutor fino ₁₄ Figura I.8 – Imagem de UV de uma linha de transmissão de 500 kV ₁₅

Figura I.9 - Mapas de Sinais de DP ₁₆

Figura I.10 - Átomo de um material dielétrico ₁₈ Figura I.11 - Processo de avalanche de elétrons ₁₉ Figura I.12- Fronteira entre dois meios diferentes ₂₃

Figura I.13 - Eletrodo ponta-plano ₂₄

Figura I.14 - Eletrodos: duas pontas paralelas com resistores e um eletrodo plano ₂₅ Figura I.15 - Tipos de DPs em arranjos básicos ₂₆ Figura 1.16 - Descargas em materiais isolantes sólidos ₂₇

Figura 1.17 - Sinais de DP ₂₈

Figura II.1 - Imagem de UV de isolador ₃₃

Figura II.2 - Imagem de IR de isolador ₃₃

Figura II.3 - Diagrama de blocos da célula de ensaio ₃₆ Figura II.4 - Resistor de fio utilizado como ETR ₃₇ Figura II.5 - Base de válvula e tubo de porcelana para suporte do ETR ₃₈ Figura II.6 - Defletor de ultra-som metálico ₃₈ Figura II.7 - Conjunto montado – ETR – suportes de porcelana e defletor ₃₈ Figura II.8 - Resistor e defletor de ultra-som ₃₉

Figura II.9 - Conjunto do ETR completo ₃₉

Figura II.10 - Circuito eletrônico do receptor ₃₉ Figura II.11 - Transmissor de controle remoto ₃₉ Figura II.12 - Diagrama do circuito de controle da célula de ensaio ₄₀ Figura II.13 - Placa de circuito de controle da célula ₄₁ Figura II.14 - Elementos do circuito de controle e alimentação da célula de ensaio ₄₁ Figura II.15 - Célula de ensaio aberta com os elementos internos ₄₂

Figura II.16 - Célula de ensaio vista pela parte traseira com o voltímetro digital ₄₂ Figura II.17 - Teste do ETR sob a máxima tensão de controle da célula ₄₃ Figura II.18 - Célula de ensaio acoplada ao “ETR” ₄₃ Figura II.19 - Fonte AC utilizada para carga da bateria chumbo-ácido ₄₄ Figura II.20 - Pistola de ultra-som Ultraprobe® 2000 e acessórios ₄₆ Figura II.21 - Parte traseira da pistola de ultra-som ₄₆ Figura II.22 – Osciloscópio Tektronix TDS 2014B ₄₇ Figura II.23 – Transformador de alta tensão (10 kV) ₄₇ Figura II.24 – Divisor resistivo para medição de alta tensão. ₄₈ Figura II.25 – Blindagem de alumínio para proteção da bateria auxiliar ₄₈ Figura II.26 – Disposição dos equipamentos na bancada de captação de sinais ₄₉ Figura II.27 – Leiaute dos equipamentos para ensaio à distância de 1 metro ₅₀ Figura II.28 – Disposição dos equipamentos na bancada de aquisição de sinais ₅₀ Figura II.29 – Ambiente com iluminação fluorescente desligada e ETR a 9 metros ₅₁ Figura IV.1 – Visão Geral do Sistema de Ensaio ₆₇ Figura IV.2 – Diagrama de blocos do processamento de sinais do detector

ultra-sônico

68 Figura IV.3 – Processamento espectral no detector ultra-sônico. ₆₉ Figura IV.4 – Diagrama de blocos de processamento do sinal x(t) ₆₉ Figura IV.5 - Padrão espectral para tensão de 10 kV e temperatura do ETR de 30 0C ₇₁ Figura IV.6 - Padrão espectral para tensão de 10 kV e temperatura do ETR de 100 0C ₇₁ Figura IV.7 - Padrão espectral para tensão de 10 kV e temperatura do ETR de 442 0C ₇₂ Figura IV.8 - Sobreposição dos padrões espectrais para tensão de 10 kV ₇₂ Figura V.1 - Câmera de ultravioleta DayCor® Superb ₇₄ Figura V.2 – Simulação de ocorrência de corona em saia de isolador ₇₅ Figura V.3 – Câmara de termo-visão FLIR P60 ₇₅ Figura V.4 – Fonte de Alta Tensão HIPOTRONICS ₇₆ Figura V.5 - secionador RD 500 da Bouthorpe Power Equipment ₇₇ Figura V.6 – Célula de ensaio fixada ao barramento da fonte de alta tensão ₇₇ Figura V.7 – Disposição dos equipamentos na bancada de instrumentos ₇₈ Figura V.8 – Leiaute dos sistemas de aquisição de sinais para execução dos ensaios ₇₈ Figura V.9 – Leiaute do posicionamento do ETR em relação ao piso ₇₉ Figura V.10 – Ambiente do laboratório com a iluminação desligada ₇₉ Figura V.11 – Termovisor FLIR direcionado para elemento térmico da célula ₈₁ Figura V.12 – Termopar digital e trena ultra-sônica para medição de distâncias ₈₁ Figura VI.1 – Termograma do ETR à temperatura de 283 0C ₈₃

Figura VI.2 – Padrão de descarga parcial (Imagem de UV) ₈₃ Figura VII.1 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV – 30 0C ₉₆ Figura VII.2 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV – 72 0C ₉₇ Figura VII.3 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 10kV – 100 0C ₉₇ Figura VII.4 – Comparação dos padrões espectrais – 10kV – 30, 72 e 1000C ₉₈ Figura VII.5 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV – 30 0C ₉₉ Figura VII.6 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV – 100 0C ₉₉ Figura VII.7 – Padrão espectral do ruído para a tensão de 39kV – 282 0C ₁₀₀ Figura VII.8 – Comparação dos padrões espectrais – 39kV – 30, 100 e 282 0C ₁₀₀

LISTA DE TABELAS

Pág.

Tabela I.1. Permissividade relativa de alguns meios ₂₂ Tabela I.2 - Rigidez dielétrica de diversos materiais isolantes comuns ₂₄ Tabela II.1. Tensão aplicada ao resistor e temperaturas medidas no ETR ₅₂ Tabela III.1 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados ₅₄ Tabela III.2 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados – distância 1 m ₅₆ Tabela III.3 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados – distância 3 m ₆₀ Tabela III.4 – Estrutura de registro para arquivos de dados gerados – distância 9 m ₆₄ Tabela VI.1 – Registros de padrões ultra-sônicos para diversas tensões e temperaturas ₈₄ Tabela VI.2 - Tensão variável e temperatura ambiente de 30oC na superfície do ETR87 ₈₅ Tabela VI.3- Tensão variável e temperatura de 72oC na superfície do ETR ₈₇ Tabela VI.4- Tensão variável e temperatura de 100oC na superfície do ETR ₈₉ Tabela VI.5- Tensão variável e temperatura de 282oC na superfície do ETR ₉₁ Tabela VI.6- Tensão variável e temperatura de 442oC na superfície do ETR ₉₃

LISTA ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Abreviatura /

Símbolo Significado Unidade

M mega -

k kilo -

kHz medida de freqüência kilohertz

MHz medida de freqüência megahertz

Hz medida de freqüência hertz

m espaço metros

m/s velocidade metros por segundo

s tempo segundo

mm medida milímetro

°C Temperatura relativa Graus Celsius

V Voltagem volt

ε permissividade F/m

εr _{Permissividade relativa -}

Zo _{Impedância acústica kg m}-2 _s-1 _{ou Rayl}

LUS Laboratório de Ultra-Som -

CEFET Centro Federal de Educação Tecnológica Celso

Suckow da Fonseca -

DEPPG _{Departamento de Pesquisa e Pós-Graduação} -

RJ Rio de Janeiro -

END Ensaio Não Destrutivo -

C _{capacitância} Farad

c _{velocidade de propagação} m/s

t _espessura µm

λ _{Comprimento de onda} m

CTE _{Centro Técnico de Ensaios} -

ETR _{Elemento Térmico de Referência} -

INTRODUÇÃO

Este trabalho apresenta uma nova técnica para detecção de pontos quentes em componentes de equipamentos elétricos de alta tensão. Esta técnica é baseada na detecção e comparação dos padrões espectrais de ruído ultra-sônico produzido por descargas parciais que ocorrem em componentes elétricos operando em temperaturas normais de serviço submetidos a um dado potencial (alta tensão) e os padrões obtidos nestes componentes operando em altas temperaturas (ocorrência de pontos quentes) submetidos à mesma tensão.

No Capítulo I iremos analisar os conceitos e técnicas de manutenção aplicadas em Sistemas Elétricos de Potência – SEP no auxílio à manutenção corretiva, preventiva e preditiva tais como termografia e ultra-som. É descrito também o conceito de descarga parcial (DP).

No Capítulo II é descrita a proposta de uma nova metodologia a ser aplicada na manutenção de Sistemas Elétricos de Potência, a saber, a detecção de pontos quentes em componentes de equipamentos elétricos de alta tensão. Esta pesquisa consistiu da realização de dois conjuntos de experimentos com vista à comprovação das possíveis correlações entre ocorrência de pontos quentes em conexões e contatos elétricos e a possibilidade de detecção destes pontos quentes, a partir da medição das variações das grandezas associadas ao fenômeno, com a utilização da técnica de ultra-som associada ao processamento digital de sinais.

No Capítulo III são apresentados os resultados obtidos do primeiro conjunto de ensaios realizados no laboratório da DSP TELECOMUNICAÇÕES, em Santa Rita do Sapucaí. As medições foram realizadas para várias condições de ajuste de temperatura do elemento térmico de referência, na tensão CA fixa de 10 kV; 60Hz.

No Capítulo IV são discutidos os resultados obtidos no primeiro conjunto de ensaios e descrita à técnica utilizada para registrar e analisar o espectro dos sinais ultra-sônicos. A técnica de classificação de padrões tem-se mostrado como uma ferramenta eficaz para avaliar a condição operativa de equipamentos e tem sido utilizada com sucesso em identificação de uma série de processos. Como será discutido neste trabalho, propõem-se mais uma técnica, do ultra-som, para auxiliar as equipes de manutenção avaliar a condição operativa dos equipamentos dos sistemas elétricos de potência em relação à possível ocorrência de pontos quentes em seus componentes.

No Capítulo V são discutidos os “MÉTODOS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA O SEGUNDO CONJUNTO DE ENSAIOS”, os quais foram realizados nos dias 17 e 18 de dezembro de 2007, no laboratório de medidas elétricas do Centro Técnico de Ensaios da empresa Furnas Centrais Elétricas S.A. em Passos/MG. Estes ensaios foram realizados aplicando-se à célula de ensaio tensões de freqüência industrial de até 200kV, com a possibilidade de variar o valor da tensão AC (ensaio de alta-tensão a freqüência industrial).

No Capítulo VI apresentados os resultados obtidos no segundo conjunto de ensaios. Foram realizadas medições para 5 valores de temperaturas do elemento térmico de referência e 5 valores de tensões AC aplicadas à célula de ensaio, de forma a obter os padrões de ruídos espectrais das descargas parciais para várias classes de tensão de operação usuais para os equipamentos dos sistemas elétricos de potência. São apresentados os padrões espectrais do ruído ultra-sônico obtido, para as condições de tensão AC aplicada de 10 kV e 39 kV, estando o ETR nas temperaturas de 300C, 720C e 1000C e 300C, 100 e 2820C respectivamente. Foi aplicada a função de média móvel do programa Microsoft Excel com período 2, nos valores das amplitudes em dB para estes espectros de freqüências. Todos os outros parâmetros de influência no fenômeno foram, dentro das possibilidades, mantidos constantes.

Na Conclusão final é feito um resumo e análise dos resultados obtidos nos dois conjuntos de ensaios realizados.

Na Proposta para Pesquisa & Desenvolvimento são relacionados os desenvolvimentos que podem ser aplicados no sistema de medição e diagnóstico com o objetivo de refinamento da técnica, de forma que a mesma possa ser utilizada para estimação de temperaturas em locais de difícil acesso, tais como a parte ativa de equipamentos elétricos de alta tensão.

CAPÍTULO I

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA - TÉCNICAS DE MANUTENÇÃO APLICADAS EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA.

Neste capítulo iremos analisar os conceitos de manutenção e as técnicas aplicadas em Sistemas Elétricos de Potência – SEP no auxilio a manutenção corretiva, preventiva e preditiva tais como, termografia e ultra-som. È descrito também o conceito de descarga parcial.

1.1 Conceitos De Manutenção

Atualmente as técnicas de manutenção devem ser necessariamente desenvolvidas sob a estratégia da redução dos tempos de intervenção nos equipamentos, buscando obter o menor tempo de indisponibilidade dos mesmos. Para se alcançar essas estratégias utilizam-se os seguintes conceitos [1].

1.1.1. Manutenção Corretiva

Ocorre sempre de forma não prevista ou planejada, gerando grandes perdas de produção e esforços da equipe de manutenção. Podemos destacar os seguintes pontos negativos deste conceito: necessita de uma equipe de manutenção super dimensionada e não tem controle sobre a disponibilidade dos equipamentos de produção.

1.1.2. Manutenção Preventiva

Trabalha de acordo com uma programação pré-estabelecida, normalmente em função da estatística da vida útil média dos componentes dos equipamentos. Pontos negativos: substituição prematura de componentes, com alto impacto nos custos de manutenção e não leva em conta a real evolução da vida útil dos equipamentos com alto impacto na disponibilidade dos equipamentos de produção.

1.1.3. Manutenção Preditiva

A manutenção preditiva se baseia na análise da evolução supervisionada de parâmetros significantes da deterioração do componente, permitindo alongar e planejar intervenções. Conceito ainda pouco aplicado no país, a manutenção preditiva pode significar uma economia igual a 30 vezes o valor investido. Apesar de esse número variar conforme a utilização do sistema e tipo de indústria, esse ganho financeiro ocorre devido ao menor tempo perdido com máquinas paradas.

A Manutenção preditiva consiste no planejamento antecipado das intervenções corretivas, a partir da aplicação sistemática de uma ou mais técnicas de monitoração, como:

• Análise de vibrações de equipamentos rotativos e alternativos • Análise da corrente elétrica e fluxo magnético de motores elétricos • Análise de óleos lubrificantes (tribologia e ferrografia)

• Análise de óleos isolantes (análise da presença de gases e furfurais) • Termografia de sistemas elétricos e mecânicos

• Ultra-som para detecção de vazamentos e defeitos de válvulas e purgadores, etc.

Essas técnicas são capazes de prever eventuais falhas de funcionamento sem a necessidade de interrupção do processo produtivo de modo que a intervenção corretiva possa ser programada com antecedência suficiente proporcionando os seguintes benefícios:

• Aumento da segurança e da disponibilidade dos equipamentos, com redução dos riscos de acidentes e interrupções inesperadas da produção;

• Eliminação da troca prematura de componentes com vida útil remanescente ainda significativa;

• Redução dos prazos e custos das intervenções, pelo conhecimento antecipado dos defeitos a serem corrigidos;

• Aumento da vida útil das máquinas e componentes pela melhoria das condições de instalação e operação.

A análise estatística dos dados coletados pela manutenção preditiva permite ainda:

• Identificar equipamentos com problemas crônicos e orientar a sua correção; • Avaliar a eficácia e a qualidade dos serviços corretivos e propor programas de

1.2. O Atual Cenário da Indústria de Energia Elétrica no Brasil

O atual cenário do mercado de energia elétrica brasileiro, envolvendo desregulamentação e privatização, implantação do sistema de penalização por Parcela Variável – PV para os desligamentos de equipamentos não planejados, trouxe novos desafios visando maior utilidade e drástica redução nos custos de manutenção dos equipamentos dos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Os níveis de manutenção se tornaram indicadores de reestruturação e qualidade gerencial nas empresas concessionárias de energia elétrica. A redução da manutenção a níveis ótimos é o desafio que as empresas têm que buscar continuamente. Para este propósito, estender o tempo de serviço (vida útil) e o tempo entre manutenções dos equipamentos de alta tensão (geradores, transformadores, equipamentos de manobra, etc.) são imposições para novas condições de operação do SEP.

Conseqüentemente, essas novas condições, somadas a um possível crescimento da demanda, podem fazer com que os equipamentos trabalhem em determinados períodos em condições de sobrecarga. Além disso, projetos de equipamentos, atrelados a normas deficientes, em alguns casos impostas pelos fabricantes, fazem com que nem sempre estes equipamentos estejam adequados para condições críticas de operação. Por conseguinte, estes e outros fatores podem conduzir a um aumento dos riscos de falha, degradando seus componentes ativos, tais como contatos e isolações principais, causando a perda de suas propriedades elétricas e mecânicas e reduzindo consequentemente a vida útil destes equipamentos.

Neste cenário de mudanças, cada vez mais o uso de técnicas adequadas de medição, monitoração e diagnóstico do estado operativo dos sistemas e equipamentos elétricos, com a finalidade de melhorar sua confiabilidade e reduzir o número de paradas programadas e não programadas faz-se necessário. Atualmente, as empresas de energia elétrica estão prestando cada vez mais atenção na preservação de seus equipamentos mais importantes, especialmente transformadores de potência, disjuntores e geradores, para garantir um serviço contínuo de energia elétrica, ainda com uma tímida inversão no monitoramento e automação de suas subestações [2].

A transmissão de grandes blocos de energia através dos SEP, é realizada em altas e extras altas tensões utilizando equipamentos elétricos de grande porte, tais como transformadores, disjuntores, secionadores, barramentos e linhas de transmissão. As classes de tensões usuais para transmissão de grandes blocos de energia elétrica são 138.000, 230.000, 345.000, 500.000, 765.000 VCA e +/- 600.000 VCC. Estão sendo conduzidos no Brasil, pelo CEPEL/RJ, estudos para viabilização da transmissão de energia elétrica das bacias da região Amazônica para a região Sudeste em tensões de até 1.000.000 Volts.

As conexões elétricas internas aos equipamentos de alta tensão, e conexões entre equipamentos, (barramentos, conectores, cordoalhas, etc.), partes ativas, conduzem correntes da ordem de 100 a 20.000 ampères, ficando sujeitas a elevações anormais de temperatura quando ocorrer um mau contato nestas conexões. Estes maus contatos são devidos ao surgimento de oxidações ou afrouxamentos entre os pontos conectados. Estas elevações anormais de temperatura em regiões pontuais das partes ativas destes equipamentos são normalmente conhecidas como pontos quentes.

A Figura I.1 mostra a montagem de um ensaio para a simulação de ocorrência de superaquecimento em haste de acionamento de um secionador de média tensão (13.800 Volts) sob ensaio no Centro Técnico de Ensaios de FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. A corrente elétrica circulou pela haste de acionamento devido à elevada resistência elétrica de seus contatos principais.

Figura I.1 - Corrente nominal circulando pela haste de acionamento.

Desconectando-se a haste de acionamento e aplicando-se 2000 ampères com fonte de corrente AC de baixa tensão, como mostra a Figura I.2, verificamos a ocorrência de um ponto com elevada temperatura em um dos dedos do conjunto de contatos fixo.

A ocorrência deste ponto quente foi provavelmente devido a um conjunto de fatores, tais como: mau ajuste da pressão de contato entre os dedos e lâmina na fase de fabricação e/ou montagem, o que inicialmente provoca má distribuição da corrente total entre os dedos; acúmulo de contaminantes na região de contato, o que leva à formação de camadas oxidas com elevada resistência; periodicidade de manutenção inadequada, o que favorece a evolução do problema de aquecimento localizado devido à ocorrência de alta resistência de contato não corrigida a tempo. A Figura I.1 apresenta uma condição limite, quando todos os dedos apresentam elevada resistência entre estes a lâmina e praticamente toda a corrente nominal do secionador circula pela haste de acionamento do secionador (fabricada com aço e conseqüentemente com elevada resistividade), atingindo temperatura da ordem de 850 oC.

Os desligamentos dos equipamentos sejam de forma programada para correção destes pontos quentes, ou de forma intempestiva, devidos à elevação súbita da temperatura (avalanche térmica) e subseqüente falha dos equipamentos reduz a confiabilidade e a disponibilidade operativa, dos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica em todo o mundo [3]. Há, portanto, necessidade de monitorar periodicamente a temperatura destas conexões para realizar a manutenção preditiva e evitar falhas na transmissão de energia, com os conseqüentes prejuízos para as empresas do setor elétrico e a sociedade.

A grande dificuldade na detecção de pontos de temperatura elevada, em conexões e contatos elétricos em geral o que configura uma condição operativa anormal, está ligada à necessidade de isolação elétrica entre o instrumento (transdutor) utilizado para a medição da temperatura e os pontos nos quais se deseja monitorar em relação à ocorrência de altas temperaturas. Este fato dá lugar a técnicas baseadas em detecção à distância. A principal técnica em uso atualmente é baseada em termografia. A termografia detecta e registra as radiações eletromagnéticas com comprimentos de onda na faixa do infravermelho naturalmente emitidas por qualquer corpo, com intensidade proporcional a sua temperatura.

Exceção a esta regra se faz aos sensores de temperatura baseados na tecnologia de fibras ópticas, que se encontra em pleno desenvolvimento e já tem apresentado bons resultados em algumas aplicações em sistemas elétricos de potência, tal como a medição direta da temperatura de cabos das linhas de transmissão em alta e extra alta tensão [4], medição direta em tempo real da temperatura em reatores de filtro de harmônicos como na subestação de Ibiúna da Empresa FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A, e medição da temperatura em enrolamentos de transformadores de alta tensão [5].

A técnica de termografia, com sensores colocados distantes do ponto de monitoramento, é adequada para monitor conexões nos sistemas de energia elétrica.

Atualmente as empresas do setor elétrico utilizam esta técnica, detectando as radiações eletromagnéticas com comprimentos de onda na faixa do infravermelho [6], [7], [8]. Embora seja uma técnica extremamente eficaz, sua grande desvantagem está associada principalmente aos custos dos equipamentos disponíveis e suas aplicações práticas em sistemas de potência, dependem da correta interpretação dos dados por parte do operador do equipamento termografia.

A Figura I.3. apresenta uma imagem de termograma obtida a partir da câmara de infravermelho FLIR, que registrou a ocorrência de um ponto quente, com 132º.C em um conjunto de contatos fixos+móvel de um secionador de 600kV do sistema de transmissão de HVDC de Itaipu, responsável pela transmissão de uma potência da ordem de 1,5 GWatts.

Figura I.3 - Imagem termográfica - câmera FLIR.

O desenvolvimento de novas técnicas que permitam identificar de forma preventiva e preditiva, preferencialmente a baixo custo, a ocorrência de eventuais pontos quentes em contatos e conexões elétricas que possam ocasionar desligamentos dos sistemas elétricos associados, é de extrema utilidade para as empresas do setor energia elétrica em qualquer região ou país.

Os contatos elétricos e conexões de interesse para detecção de possíveis ocorrências de pontos quentes são instalados em pontos com elevados potenciais, como os anteriormente citados. Um secionador de alta tensão, por exemplo, responsável pela condução de correntes da ordem de 600 a 5000 Ampères possue vários contatos em sua parte ativa, a qual se encontra instalada em um elevado potencial em relação a terra [9]. Os contatos da quase totalidade deste tipo de equipamento, por exemplo, não são instalados abrigados em câmaras de extinção, como ocorre nos disjuntores de potência, mas expostos em contato direto com o ar atmosférico. Com o equipamento energizado, nos cantos e bordas destes contatos ocorrerá

o efeito corona devido ao elevado campo elétrico nas regiões de fronteira entre estes componentes que se encontram em elevados potenciais e o ar atmosférico que os envolve.

1.3. Manutenção Preditiva Utilizando Técnica de Termografia Infravermelha – O Problema da Medição de Temperaturas à Distância.

Uma das técnicas de manutenção preditiva que ao longo dos últimos anos passou a ser uma das mais utilizadas por parte das empresas é a Termografia infravermelha. Em geral uma falha eletromecânica é antecedida pela geração e troca de calor. Este calor se traduz habitualmente em uma elevação de temperatura que pode ser repentina, mas que em geral, dependendo do objeto, a temperatura começa a aumentar em pequenas variações. Se for possível detectar estas variações, muitas das falhas poderão ser previstas no início do seu surgimento e que poderão produzir no futuro próximo ou em médio prazo uma parada programada do equipamento. Isto permite a redução dos tempos de interrupção e a diminuição da probabilidade de saída de serviço não prevista e, portanto, não programada. Os benefícios incluem a redução de custos com demandas não atendidas, economia de energia, proteção de pessoas e equipamentos, velocidade da inspeção e reparação.

Entre os problemas possíveis de serem detectados destacam-se: • Altas resistências de contato;

• Circulação de correntes indevidas entre componentes com falha na isolação e que produza aquecimento no ponto de contato;

• Circuitos abertos; • Aquecimento indutivo;

• Desbalanceamento de carga; • Sobrecarga de corrente;

• Componentes instalados incorretamente; • Níveis de óleo incorretos;

1.3.1. A Técnica de Termografia Infravermelha

Com a técnica tradicional de “limpar e apertar” se efetua procedimentos para corrigir conexões frouxas e contatos pobres, desta forma todas as conexões, pontos e junções de contato, recebem fisicamente manutenção, necessitando ou não. Geralmente esse procedimento não permite determinar se a falha foi corrigida.

A inspeção termográfica é genericamente definida como a técnica de inspeção não destrutiva, que se baseia na detecção de radiação infravermelha naturalmente emitida pelos corpos, permitindo assim a medição de temperaturas sem contato físico com os mesmos. Através da utilização de sistemas infravermelhos torna-se possível a observação de padrões diferenciais de distribuição de calor num componente, com o objetivo de proporcionar informações relativas à condição operacional deste.

As variações térmicas sofridas pelos elementos elétricos podem ser:

1. Diferenças na Temperatura Real – Elevações de temperaturas causadas pela energia infravermelha irradiada da superfície do elemento. Elas podem ser causadas por: incremento da resistência, uma vez que a energia térmica gerada por um componente elétrico é diretamente proporcional ao quadrado da corrente multiplicado pela resistência, sobrecargas, correntes harmônicas não previstas no projeto, aquecimento indutivo, convecção, capacitância térmica e evaporação.

2. Diferenças na Temperatura Aparente - Temperaturas criadas por fatores diferentes das variações da superfície. Podem ter as seguintes causas: Emitância, refletância, transmitância e variações geométricas.

Em relação as causas relacionadas com as “Diferenças na Temperatura Real” apenas três indicam problemas em um sistema elétrico: Incremento da resistência, harmônicos e aquecimento por indução. As restantes farão mudanças reais de temperatura na superfície do componente, mas não indicam falhas elétricas.

Com a termografia se focalizam os problemas que devem ser corrigidos utilizando as técnicas convencionais e podendo encontrar outros problemas que em circunstancias normais não seriam detectados. Dado que a termografia infravermelha é um meio que permite identificar, sem contatos direto, componentes elétricos e mecânicos mais quentes do que deveriam estar (pontos quentes), constituindo provavelmente uma área de falha e indicando também perdas excessivas de calor.

Entre as vantagens desta técnica, nós podemos mencionar:

• A inspeção é realizada a distância, sem contato físico com o elemento em condições normais de funcionamento. Não necessitando dessa forma a retirada de serviço do equipamento;

• Trata-se de uma técnica que permite a identificação precisa do elemento defeituoso, ao permitir a medição da temperatura de qualquer ponto dentro do campo de uma imagem termográfica;

• Ela é uma técnica aplicável a diferentes equipamentos elétricos: bornes de transformadores de potência, seccionadoras, cabos, barramentos e partes de conexões, etc.;

• É aplicada para o acompanhamento de defeitos em tempo “quase real”, o que permite quantificar a gravidade do defeito e a extensão das variações de carga sobre o mesmo, possibilitando assim programação da manutenção necessária e o momento mais oportuno para executá-la (o que pode representar uma grande economia, se levarmos em conta os custos atuais de desligamentos de equipamentos de alta tensão enquadrados no sistema de faturamento com parcela variável) ou a intervenção imediata antes que o defeito possa produzir um colapso da instalação.

• Em relação a manutenção tradicional, o uso da inspeção termográfica propicia uma redução dos riscos para as pessoas, a redução de indisponibilidades para manutenção e um menor custo.

• Realiza a inspeção de muitos itens em pouco tempo. Entre as desvantagens ou inconvenientes temos:

• Capacidade limitada para a identificação de defeitos internos na medida em que o mesmo não pode ser exteriorizado pelo aumento de temperatura;

• A contaminação da atmosfera através de poluentes e/ou outras fontes de irradiação pode confundir a análise do defeito;

• O estado de carga do elemento sob análise pode influir na determinação de anomalias.

1.3.2. Processo de Inspeção Termográfica

No processo de inspeção termográfica é possível definir, de forma geral, os seguintes estágios:

1. Planejamento da inspeção nos períodos de demanda máxima. 2. Avaliação e classificação dos pontos quentes detectados.

3. Emissão de relatório, com a identificação das falhas e o nível de urgência para o seu reparo.

4. Revisão termográfica para avaliar a eficácia da manutenção realizada para a correção da falha.

1.3.3. Câmera de Termografia ou Termovisor

A luz visível, parte do espectro eletromagnético que os nossos olhos são capazes de perceber, compreende uma pequena parte do espectro, como pode ser observado Figura I.4. Assim, aquilo que está fora do alcance dos nossos olhos, necessita de recursos especiais para poder ser detectados e visto.

Figura I.4. - Espectro eletromagnético.

Para podermos “enxergar” no INFRAVERMELHO devemos utilizar câmeras especiais denominadas de TERMOVISORES e assim, a Termografia, é a tecnologia que permite “enxergar” nessa parte invisível para nossos olhos do espectro eletromagnético.

O termovisor é um equipamento destinado a aquisição e representação de uma imagem originária da recepção e tratamento de ondas eletromagnéticas dentro da faixa do infravermelho. A Figura I.5 mostra os principais blocos funcionais de uma câmera termográfica.

Figura I.5 - Elementos básicos da estrutura de um termovisor.

A Figura I.6 mostra uma câmera de termografia modelo P60 do fabricante FLIR utilizada nos experimentos deste trabalho.

Figura I.6 - Câmera de termografia ou termovisor P60 da FLIR.

1.4. Efeito Corona e o Mecanismo de Descargas Parciais

Descargas corona ou parciais é um termo cotidianamente utilizado desde o passado. Sua base consolidou-se no começo dos anos de 1920, onde, já era considerado como um campo de pesquisa desenvolvido. Sua preeminente importância ferramental tem crescido para assistir na qualidade e no desempenho característico dos equipamentos de alta tensão [10]. O termo “efeito corona” é, atualmente, considerado como um fenômeno particular de descargas parciais (DPs), em gases ou líquidos, que ocorrem ao redor de condutores submetidos a elevados campos elétricos, e que estão distantes de qualquer dielétrico sólido [11]. Este termo não deve ser aplicado a outras formas de descargas parciais. O “efeito corona” ou simplesmente corona é definido como o rompimento ou descarga em torno de um elemento energizado, sob a influência de um campo elétrico. O corona ocorre quando o gradiente de potencial em torno de um elemento energizado supera um determinado valor crítico e que, para

o ar, está em torno de 30 kV/cm [12]. As vibrações produzidas por estas descargas vão desde centenas de kHz até centenas de MHz. Ruído audível, ultra-sônico e radio interferência são conseqüências do efeito corona. Para a detecção desta classe especial de “descargas parciais” foram desenvolvidas ao longo dos anos uma série de técnicas. A aplicação da técnica de ultra-som utilizando microfones seletivos direcionais com alta sensibilidade acima da faixa audível acoplados a sistemas de aquisição e processamento digital de sinais pode ser empregado para detecção e caracterização das descargas de corona [11] e [13].

Descargas parciais podem ser sintetizadas como sinais elétricos pulsantes incompletos, intermitentes e rápidos, da ordem dos nanosegundos, que ocorrem pela proximidade entre duas partes condutoras de eletricidade e o meio isolante, através do efeito de ionização em cavidades gasosas, no interior dos materiais isolantes e nas interfaces condutor-isolante ou isolante-isolante [2].

Corona é uma descarga elétrica auto-sustentada causada pela ionização de um gás ao redor de um condutor energizado, e ocorre quando o gradiente de potencial excede certo valor, mas as condições são insuficientes para causar uma disrupção elétrica completa ou arco elétrico. Próximo à superfície do condutor o campo elétrico é mais intenso e quando alcança valores da ordem de 30 kV/cm inicia-se um processo conhecido como avalanche de Townsed [13], onde os elétrons são arrancados dos átomos do dielétrico em próximo do condutor. Neste processo ocorre à ionização das moléculas dos gases, e são ejetados elétrons e fótons. A ocorrência de corona no ar atmosférico leva à formação de ozônio (O3) e dióxido de nitrogênio (NO2). Na Figura I.7 é mostrada a formação de uma nuvem de elétrons acelerados e íons das moléculas dos gases dielétricos na região de fronteira do condutor.

Na figura I.9 abaixo é mostrada com o uso de uma câmara de ultravioleta – Corocam II, a ocorrência de corona intenso na superfície de três cabos de uma linha de transmissão de alta tensão (500 kV) da Companhia Hidroelétrica do São Francisco – Chesf. Devido à queda da linha de transmissão original, construída com cabos de feixe expandido (4 cabos por fase montados na aresta de um quadrado com 30 cm de lado), foi provisoriamente reconstruído o trecho da linha caído utilizando-se apenas um cabo por fase. Devido ao reduzido diâmetro de apenas um condutor (~2,5 cm), quando comparado com o diâmetro equivalente do feixe de quatro cabos da linha original, o elevado o campo elétrico resultante na superfície superior ao necessário para a ocorrência de corona.

Figura I.8 – Imagem de UV de uma linha de transmissão de 500 kV

A realização de uma medição de DPs (em qualquer de suas formas) em equipamentos de alta tensão não só é dificultada pela acessibilidade e complexidade dos circuitos internos dos equipamentos, como também por diversas fontes de ruído poluentes, que se acoplam ao sinal e ao sistema de medição. Ao longo dos anos, ocorreram avanços significativos na eliminação de alguns tipos de ruídos, através de técnicas de processamento digital dos sinais obtidos; porém, estes avanços tecnológicos estão conduzindo para a diversificação que, se por um lado abre novas formas possíveis de ver o fenômeno de DPs, por outro, inibe o estabelecimento de procedimentos padrões com relação à identificação de fontes características de DPs.

O ruído pode ser extraído dos sinais-fontes de forma aproximada. Utilizam-se sistemas artificiais e inteligentes (Redes Neurais, Simulated Annealing, Algoritmos Genéticos etc.), métodos ICA/BSS (Análise de Componentes Independentes e separação cega de sinal), PCA

(Análise de Componentes Principais), estatísticas de alta ordem (HOSA) entre outros, com a finalidade de encontrar características que, muitas vezes, não são observáveis ou exploradas pelos métodos tradicionais. É evidente que estes métodos podem ser complementares e cooperativos, a partir de uma análise de componentes independentes (ICA). Este método é uma das ferramentas em expansão por seu potencial de aplicabilidade em diversos campos de pesquisa, tais como processamento de sinais, imagens, telecomunicações, reconhecimento de voz, biomédica, separação cega de fontes etc. Em particular, investiga-se a extração cega de ruídos em sinais de descarga parcial.

O ICA é um método de processamento de sinal para extrair fontes independentes a partir de misturas de fontes desconhecidas, adquiridas por medição (observações). O ICA busca direções coordenadas entre componentes mais independentes e não necessariamente ortogonais que representem as observações.

Novas ferramentas e técnicas vêem sendo adaptadas para tratar a informação obtida de uma medição de DP e sua distribuição angular na tensão aplicada (ver Figuras I.9 (b) e (c)). Entre elas está o reconhecimento de padrões de DP, feito a partir de modelos experimentais amplamente descritos em [14] e [15].

Figura 1.9: Mapas de Sinais de DP: (a) Pulsos intermitentes medidos em ultra-alta freqüência, (b) DP em 3-D e (c) Mapa característico de DP.

(a)

Nas primeiras experiências praticadas, a detecção de DPs (aproximadamente há cinco décadas) era feita através do teste de tensão de rádio interferência (TRI). Já na década de noventa as técnicas de medição foram melhoradas pelas novas tecnologias no processamento de sinais. Apesar do surgimento de novos instrumentos para detecção de descargas parciais, o ruído ainda é pouco tratável e de difícil eliminação. Mesmo assim, a detecção de DPs vem sendo cada vez mais utilizada como técnica preditiva para manutenção em motores, geradores, transformadores, pára-raios, interruptores e até em bancos de capacitores.

Para que se possa melhor entender o complexo fenômeno das DPs, é importante conhecer alguns princípios físicos, químicos e elétricos envolvidos. Serão abordados sucintamente os mecanismos da ionização dos átomos de um material isolante, conceitos importantes sobre campo elétrico, características, causas e conseqüências das DPs.

1.4.1. Ionização dos Átomos de um Material Isolante

Para compreender o fenômeno de descargas parciais é preciso entender como são ionizados os átomos de um material dielétrico [14], [16]. O processo de ionização e avalanche (inicio de descargas) satisfaz as relações de Paschen e Townsed [17]. Porém, em ensaios práticos de DPs, as “impurezas” e “imperfeições internas” no dielétrico, distorcem as equações de Townsed, fazendo com que a tensão de inception possa ocorrer em tensões menores do que a tensão nominal.

Para casos práticos e de simples ionização, deve-se estabelecer a relação entre a diferença de potencial entre dois pontos (Vab) e o campo elétrico (E

r

). Essa relação está implícita na Equação (2.1), onde se considera um dielétrico com comportamento linear, isotrópico e sistema homogêneo (a permissividade ε _{do meio é estática ou é considerada} constante para baixas freqüências [17].

E

V

r

−

=

∇

=

∇

φ

Admitindo que o campo seja uniforme, as linhas de campo são paralelas e a diferença de potencial por unidade de comprimento é constante. Logo, as linhas equipotenciais, que são ortogonais às linhas de campo, estarão espaçadas uniformemente e quanto maior a diferença de potencial entre dois pontos, mais intenso é o campo. Uma formulação mais completa da Equação (2.1) incluindo o efeito do potencial vetor de campo pode ser encontrada em [18]. A Equação (2.2) representa sistemas não-homogêneos, onde o potencial escalar ∇∇∇∇φφφφ corresponde a cargas estáticas ou fenômenos lentos,

t A ∂∂∂∂ ∂∂∂∂

é o componente para cargas dinâmicas ou fenômenos rápidos e A` é o potencial vetor de uma fonte totalmente externa à

região considerada (assume tipicamente valor nulo). Assim, os potenciais das cargas são representados por φ (escalar) e A (vetorial) [2]. Além disso, ε tem dependência da pressão, temperatura e freqüência [8]. * 1 A t A E −−−− ∇∇∇∇×××× ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ −−−− −∇ −∇−∇ −∇ ==== εεεε φφφφ r (2.2)

Em relação ao caso simples e prático, quando um campo elétrico é aplicado a um condutor, os elétrons da camada externa de seus átomos são facilmente “arrancados” e migram prontamente de átomo para átomo. Porém, os elétrons de um material dielétrico estão bem “presos” perto de suas posições de equilíbrio e não podem ser “arrancados” facilmente. Quando um campo elétrico é aplicado a um material dielétrico, este é polarizado, ou seja, há um deslocamento de cargas positivas e negativas da sua posição de equilíbrio, embora não haja migração de carga neste caso. Em geral, este fato faz com que os materiais dielétricos (resinas, vidro, mica etc.) se comportem como bons isolantes.

Os átomos individuais na presença de um campo elétrico têm o elétron negativamente carregado, sujeito a uma força no sentido contrário ao campo F= qE e o núcleo positivamente carregado, sujeito a uma força no mesmo sentido do campo. Essas forças distorcem a estrutura do átomo de maneira que o núcleo fica à direita do seu centro efetivo. Os átomos se comportam então como dipolos, ou seja, podem ser considerados como duas cargas pontuais

+Q e –Q, representando respectivamente o núcleo e a carga eletrônica. Diz-se, então, que o

material dielétrico está polarizado.

A Figura I.10 ilustra um átomo de um material dielétrico e o deslocamento do elétron com relação ao núcleo quando na presença de um campo elétrico. Como foi mostrado pela Equação (2.1), se a diferença de tensão entre os eletrodos é aumentada, o campo elétrico irá aumentar até um ponto onde as forças externas exercidas no elétron serão maiores que as forças internas e, o elétron será então “arrancado” da sua órbita. O átomo estará então ionizado, ou seja, se tornará um íon positivo.

Figura 1.10 – Átomo de um material dielétrico a) Átomo não polarizado b) Forças no átomo quando se aplicaE

O processo de ionização principal, no entanto, é a ionização por colisão entre um elétron e um átomo ou molécula neutra. Se o elétron livre está submetido a um campo elétrico, ele é acelerado e colide com átomos de nitrogênio, oxigênio e outros gases presentes. A velocidade do elétron está diretamente ligada à intensidade do campo elétrico. Se o campo elétrico não for muito intenso, estas colisões serão elásticas, similares a colisões entre bolas de bilhar, e não haverá transferência de energia. Se por outro lado a intensidade do campo elétrico exceder um valor crítico, qualquer elétron livre presente nesse campo irá adquirir uma velocidade suficiente para tornar a colisão com uma molécula de ar inelástica, o que significa que o elétron terá energia para deslocar outro elétron de sua órbita e ionizar o átomo. A Figura I.11 ilustra o processo de avalanche de elétrons iniciado a partir de um eletrodo negativo.

Figura I.11 – Processo de avalanche de elétrons iniciado a partir de um eletrodo negativo a) Inicio. b) Formação de um par de elétrons – impacto de um elétron com um átomo

neutro libera um elétron adicional e deixa um íon positivo para trás. c) Multiplicação – Os elétrons se movem criando íons positivos quando se multiplicam.

O elétron inicial − que perdeu a maior parte da sua velocidade na colisão − e o elétron expelido da molécula do gás − que também tem uma velocidade baixa − é acelerado pelo campo elétrico, e na próxima colisão cada elétron é capaz de ionizar uma nova molécula do gás. Após a segunda colisão, existem quatro elétrons capazes de ionizar outros átomos e assim sucessivamente, com o número de elétrons dobrando a cada colisão. Este processo é conhecido como avalanche de elétrons, sendo sempre iniciado com um elétron livre submetido a um campo elétrico intenso. A Figura I.11 ilustra a seqüência da ionização dos átomos.

Os íons positivos deixados para trás no processo da avalanche de elétrons se movem na direção do eletrodo negativo. No entanto, eles se movem muito vagarosamente, devido à sua massa, que é aproximadamente cinqüenta mil vezes a massa do elétron [14], [17]. Tendo uma carga positiva, esses íons atraem elétrons que estão vagando e, quando algum elétron livre consegue ser capturado, forma-se outra molécula neutra do gás. O nível de energia de uma molécula neutra é menor do que o do íon positivo correspondente, logo, quando um

elétron livre é capturado, um quantum de energia é emitido pela molécula. Esse quantum de energia é exatamente igual em magnitude à energia que inicialmente foi requerida para deslocar o elétron inicial fora de sua molécula. Uma onda eletromagnética é irradiada e, para moléculas de gases como oxigênio ou nitrogênio, essa radiação está dentro da faixa visível de luz. Portanto, um observador pode ver essa radiação como uma luz violeta clara, que ocorre principalmente na recombinação de íons de nitrogênio com elétrons livres. Se não houver mais a fonte de energia, o processo de ionização cessará; mas a recombinação continuará até que não haja mais elétrons livres nem íons positivos.

Os elétrons e íons positivos provenientes deste processo são suficientes para conduzir corrente entre os eletrodos e absorver uma quantidade relativamente grande de potência da fonte, fazendo com que uma centelha surja entre os eletrodos. Quando ocorre o centelhamento, diz-se que há uma ruptura do material dielétrico. Como essa centelha normalmente não atravessa completamente o material dielétrico entre os eletrodos, é chamada de descarga parcial.

A avalanche de elétrons descrita na Figura I.11 possui certo número de elétrons por segundo, que pode variar de centenas de elétrons por segundo até 1022 elétrons por segundo em um período típico de 100 nanosegundos. Para quantificar melhor a carga, utiliza-se como unidade o Coulomb, que é equivalente a uma carga de 6,02 x 1018 elétrons. Como um Ampère é definido como um fluxo de carga de um Coulomb por segundo, a corrente da avalanche eletrônica pode variar de 10-17A até alguns milhares de Ampères.

A energia da descarga, no entanto, é extremamente pequena quando se tenta medir a amplitude da tensão de um pulso de descarga.

Se a descarga ocorrer no ar, em torno de um elemento condutor, é denominada de efeito corona, assim como “streamer” ou “descarga auto-sustentada”.

O movimento de elétrons para o eletrodo positivo, Figura I.10 (a) e o movimento de íons positivos para o eletrodo negativo, Figura I.10 (b) significa um fluxo de elétrons através do gerador entre os dois terminais.

Se uma impedância for introduzida entre o gerador e os terminais, a diferença de potencial não será mais constante e irá decrescer linearmente com o aumento da corrente. Ajustando o valor dessa impedância, pode-se variar a taxa de dissipação de energia na descarga ou a potência consumida.

1.4.2. Algumas Considerações sobre o Campo Elétrico

Como foi visto anteriormente, o campo elétrico tem um papel fundamental no surgimento das descargas parciais, pois influencia diretamente o processo de ionização dos átomos de um material dielétrico. Podem ocorrer descargas nos pontos do material dielétrico onde houver maior intensidade de campo elétrico, o que torna muito importante um estudo mais detalhado sobre as circunstâncias em que isso ocorre.

A intensidade do campo elétrico está relacionada basicamente com o valor de tensão, com o meio em que ele se encontra e com a geometria do conjunto eletrodos/dielétrico em que ele atua. Como descrito na Equação (2.1), o campo elétrico é diretamente proporcional à tensão aplicada, ou seja, aumenta para valores maiores de tensão. As outras duas situações serão vistas a seguir.

1.4.2.1. O Campo Elétrico e o Meio em que ele se Encontra

Para compreender como o campo varia devido ao meio em que ele se encontra, é preciso analisar as relações de fronteira entre dois meios dielétricos diferentes, pois o campo elétrico pode variar abruptamente, tanto em intensidade como em direção. Essa análise é feita em duas partes, considerando, em primeiro lugar, a relação entre os campos tangentes à fronteira, e em segundo lugar, os campos normais a ela.

Estas relações de fronteira levam em consideração uma característica muito importante nos materiais dielétricos: a permissividade ou constante dielétrica (ε). Como a permissividade de um dielétrico é sempre maior do que a permissividade do vácuo, muitas vezes é conveniente usar a permissividade relativa do dielétrico, isto é, a razão entre sua permissividade e a do vácuo. Assim,

0

ε

ε

ε

Onde, εr é a permissividade relativa do dielétrico, ε é a permissividade do dielétrico e ε0

é permissividade do vácuo====8,85pFm −−−−1

Enquanto que ε e ε0 são expressos em farads por metro F ⋅⋅⋅⋅m−−−−1,a permissividade

relativa εr é uma razão adimensional e é o valor dado geralmente em tabelas. A permissividade

relativa de alguns meios está apresentada na Tabela I.1, onde os valores referem-se a campos estáticos (ou em baixas freqüências) e são aproximados, exceto para o vácuo ou ar. Observe que εr para o ar está tão próximo da unidade que, na maioria dos casos, podemos considerar o

Tabela I.1. Permissividade relativa de alguns meios [2]. Permissividade dos meios dielétricos

Meio Permissividade relativa (ε_r)

Vácuo 1

Ar (pressão atmosférica) 1,0006 Espuma de poliestireno (Styrofoam) 1,03

Parafina 2,1 Madeira compensada 2,1 Poliestireno 2,7 Âmbar 3 Borracha 3 Plexigas 3,4

Solo arenoso seco 3,4

Nylon (sólido) 3,8

Enxofre 4

Quartzo 5

Baquelita 5

Fórmica 6

Vidro com maior composição de chumbo(Lead Glass) 6

Mica 6

Mármore 8

Cristal (Flint glass) 10

Amônia (líquida) 22

Glicerina 50

Água (destilada) 81

Titânio de bário (BaTiO3) 1200

Titanato de bário e estrôncio (2BaTiO3: 1SrTiO3) 10000

Titanato e zirconato de bário (4BaTiO3: 1BaZrO3) 13000

Estanho e titanato de bário (9BaTiO3: 1BaSnO3) 20000

A permissividade relativa é um indicador do nível de isolamento elétrico de um material dielétrico. Quanto maior a permissividade relativa do material, melhor a suportabilidade de tensão desse material, considerando um campo elétrico uniforme e uma temperatura de 20 ºC. Para faixas de freqüência muito amplas, os materiais podem apresentar variações da permissividade ε caracterizadas por componente real ε ' e imaginaria ε '', os quais dependem da freqüência e podem apresentar diversos modos ressonantes causados pelos diversos modos de vibração [18], [19].

Considerando dois meios dielétricos de permissividade ε1 e ε2 separados por uma

fronteira plana, e supondo que os dois meios são isolantes perfeitos, tem-se que as componentes tangenciais do campo elétrico são iguais nos dois lados da fronteira, como mostram a Figura I.12. Isso significa que o campo elétrico tangencial é contínuo através dessa fronteira.

Figura I.12 – Fronteira entre dois meios diferentes

Para tratar das componentes normais, será utilizada a densidade de fluxo, cuja componente normal é contínua através da fronteira desprovida de cargas entre dois dielétricos, como pode ser visto nas equações (2.4) e (2.5).

)

5

.

2

...(

)

4

.

2

....(

...

En

En

Dn

Dn

ε

ε

=

=

De acordo com a Equação (2.5), verificamos que os campos elétricos normais à fronteira estão inversamente relacionados com as permissividades relativas ε1 e ε2. Se o meio 1 tiver uma permissividade relativa menor que a do meio 2, o campo elétrico no meio 1 será maior que no meio 2.

Esse tipo de situação ocorre, por exemplo, com pequenas cavidades de ar no interior de materiais dielétricos sólidos ou bolhas de gás no interior de materiais dielétricos líquidos. Como o ar tem uma permissividade-relativa menor que a do material dielétrico (sólido ou líquido), o campo elétrico no ar é maior, o que favorece a ionização dos elétrons e conseqüentemente a ocorrência de descargas parciais. A produção de descargas também se dá no ar pela ionização das moléculas que se encontram nos pontos de maior gradiente de potencial.

A intensidade máxima de campo que um dielétrico pode suportar sem que ocorram centelhamentos é a rigidez dielétrica. A Tabela 2.2 relaciona os valores de rigidez dielétrica de vários materiais dielétricos. A rigidez dielétrica refere-se a um campo uniforme e os materiais estão listados em ordem crescente de rigidez [19].