Detecção de ondas ultrassônicas produzidas por descargas elétricas

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

Faculdade de Tecnologia

André Luiz Casimiro

Detecção de ondas ultrassônicas produzidas por

descargas elétricas

Limeira

2017

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André Luiz Casimiro

Detecção de ondas ultrassônicas produzidas por

descargas elétricas

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação da Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas como parte integrante dos requisitos exigidos para a obtenção do Título de Mestre em Tecnolo-gia, área de concentração Sistemas de Infor-mação e Comunicação.

Orientador: Prof. Dr. Francisco José Arnold Co-orientador Prof. Dr. Rangel Arthur

Este exemplar corresponde à versão final da dissertação defendida pelo aluno André Luiz Casimiro, e orientada pelo Prof. Dr. Francisco José Arnold

Limeira

2017

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Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): Não se aplica.

Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Faculdade de Tecnologia

Felipe de Souza Bueno - CRB 8/8577

Casimiro, André Luiz,

C269d CasDetecção de ondas ultrassônicas produzidas por descargas elétricas / André Luiz Casimiro. – Limeira, SP : [s.n.], 2017.

CasOrientador: Francisco José Arnold. CasCoorientador: Rangel Arthur.

CasDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia.

Cas1. Descargas parciais. 2. Arco elétrico. 3. Ultrassom. I. Arnold, Francisco José, 1965-. II. Arthur, Rangel, 1977-. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Tecnologia. IV. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Detection of ultrasonic waves produced by electric discharge Palavras-chave em inglês:

Partial discharges Electric arc Ultrasonics

Área de concentração: Sistemas de Informação e Comunicação Titulação: Mestre em Tecnologia

Banca examinadora:

Francisco José Arnold [Orientador] Cristiano de Mello Gallep

Ruy Alberto Corrêa Altafim

Data de defesa: 18-12-2017

Programa de Pós-Graduação: Tecnologia

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FOLHA DE APROVAÇÃO

Abaixo se apresentam os membros da comissão julgadora da sessão pública de defesa de dissertação para o Título de Mestre em Tecnologia na área de concentração de Sistemas de Informação e Comunicação, a que submeteu o aluno André Luiz Casimiro, em 18 de dezembro de 2017 na Faculdade de Tecnologia- FT/ UNICAMP, em Limeira/SP.

Prof. Dr. Francisco José Arnold

Presidente da Comissão Julgadora

FT/ Unicamp

Prof. Dr. Cristiano de Mello Gallep

FT/ Unicamp

Prof. Dr. Ruy Alberto Corrêa Altafim

EESC/ USP

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno na Universidade.

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Agradecimentos

Agradeço primeiramente minha família, em especial minha Mãe Sônia e meu irmão Adriano pelo apoio.

Agradeço meu orientador Prof. Dr. Francisco José Arnold, pelo incentivo, ajuda e pelas conversas prazerosas que tivemos ao longo deste trabalho. Agradeço também ao Prof. Dr. Rangel Arthur pelas informações sobre a FAPESP em suas aulas, que me proporcionaram grandes oportunidades.

E finalmente agradeço aos professores e funcionários da Universidade Estadual de Campinas.

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Resumo

Nas instalações elétricas de alta tensão, ocorre o fenômeno de Descargas Parciais (DPs) nos equipamentos elétricos e em seus condutores de corrente. O aparecimento das DPs é devido as condições de operação dos equipamentos e o elevado campo elétrico. Estas des-cargas causam falhas nos equipamentos e envelhecimento precoce. Há um grande interesse em se monitorar a ocorrência de DPs, desta forma tornar a instalação elétrica confiável e eficiente. Os equipamentos usados para detecção são de alto custo, é necessária mão de obra especializada e o monitoramento é periódico, restringindo a eficiência da detecção de DPs. Desta forma, nesta dissertação, foi investigado a detecção de DPs por meio de análise das ondas ultrassônicas emitidas pelas descargas. Por meio de um dispositivo de geração de descargas, foi possível ensaiar diferentes configurações de eletrodos para ge-ração de DPs, duas tecnologias de transdutores foram utilizadas, piezelétrica e MEMS (Micro Electro Mechanical System) para a captação das ondas ultrassônicas e correlacio-nada suas características. Uma técnica de processamento de sinais foi implementada para identificar as ondas ultrassônicas oriundas das descargas. Os resultados obtidos demos-traram que é possível captar e identificar as ondas ultrassônicas emitidas pelas descargas, e desenvolver um sensor para realizar detecção de DPs.

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Abstract

In high-voltage electrical installations, a Partial Discharge (PD) phenomenon takes place in electrical equipment and in their current conductors. The occurrence of PDs is due to equipment operating conditions and strong electric field. These discharges cause equip-ment failure and accelerates their aging. There is great interest in monitoring PD occur-rences and in this way make the electrical installation reliable and efficient. The equipment used to detect these occurrences is expensive, specialized workers are necessary and mon-itoring is periodical, restricting PD detection efficiency. Therefore, in the present study, we investigated PD detection through ultrasonic wave analysis emitted in discharges. By means of a discharge-producing device, it was possible to test different electrode configu-rations in generating PDs. Two different transducer technologies were used, piezoelectric and MEMS (Micro Electro Mechanical System), to detect ultrasonic waves and their char-acteristics were correlated. A signal processing technique was implemented to identify the ultrasonic waves originating from the discharges. The results obtained demonstrate that it is possible to detect and identify ultrasonic waves emitted by discharges, and develop a sensor to perform PD detection.

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Lista de ilustrações

Figura 1 – Tipos de descargas parciais. Extraído de (GUTNIK, 2014). . . 19

Figura 2 – Cavidades plana e esferoidal . . . 21

Figura 3 – Processo de avalanche de elétrons iniciado a partir de um eletrodo negativo. a) Início. 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. Extraído de (CUENCA, 2005) . . . 22

Figura 4 – Eletrodo ponta-plano. Extraído de (CUENCA, 2005) . . . 23

Figura 5 – Terminologia de descargas parciais. . . 24

Figura 6 – Exemplo de descargas internas e externas. . . 25

Figura 7 – Pulso Trichel. Extraído de (DORDIZADEH et al., 2017) . . . . 26

Figura 8 – Diagrama do arranjo de ensaio . . . 31

Figura 9 – Método utilizado para captar tensão aplicada nos eletrodos e cargas das DPs. Os valores de 𝐶1 e 𝐶2 são 12 pF e 2 nF respectivamente, 𝐶𝑚 tem valor de 1, 5 nF e 𝑅𝑚10 kΩ. . . . 32

Figura 10 – Arranjo de ensaio. (1 Variac, 2 Resistor, 3 Transformador, 4 Oscilocópio TBS1062, 5 Eletrodos, 6 PCIs Analógica e Digital, 7 Computador, 8 Osciloscópio TBS1202) . . . 33

Figura 11 – Eletrodos de tungstênio. . . 34

Figura 12 – Eletrodos de cobre. . . 34

Figura 13 – Configuração de eletrodos ponta-ponta. . . 35

Figura 14 – Configuração de eletrodos ponta-chapa. . . 35

Figura 15 – Configuração de eletrodos chapa-chapa. . . 35

Figura 16 – Diagrama em blocos do aparato eletrônico. . . 36

Figura 17 – Transdutor MA40S4R do fabricante Murata. . . 37

Figura 18 – Resposta em frequência do transdutor MA40S4R do fabricante Murata. 37 Figura 19 – Transdutor SPU0410LR5H do fabricante Knowles. . . 37

Figura 20 – Resposta em frequência do transdutor SPU0410LR5H. (0 dB pela con-venção do fabricante corresponde a −38 dB). . . 38

Figura 21 – Resposta em frequência do transdutor SPU0410LR5H. (0 dB pela con-venção do fabricante corresponde a −38 dB). . . 38

Figura 22 – Diagrama de blocos do amplificador. . . 39

Figura 23 – Diagrama eletrônico do amplificador não inversor. . . 40

Figura 24 – Diagrama eletrônico do amplificador completo. . . 41

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Figura 26 – Diagrama eletrônico do filtro Passa Alta Sallen-Key Tschebyscheff de

quarta ordem. . . 43

Figura 27 – PCI Analógica. . . 44

Figura 28 – PCI Digital. . . 44

Figura 29 – Ganho em relação a frequência dos amplificadores. . . 45

Figura 30 – Relação de ganho e frequência do filtro. . . 46

Figura 31 – Relação de ganho e frequência dos circuitos em cascata. . . 46

Figura 32 – Ganho em função da frequência dos amplificadores. . . 47

Figura 33 – Ganho em função da frequência do filtro. . . 48

Figura 34 – Metodologia aplicada. . . 48

Figura 35 – Fluxograma do software de processamento. . . 50

Figura 36 – DPs nos eletrodos ponta-ponta com tensão aplicada de 13, 5 kV. . . . . 51

Figura 37 – Arco elétrico nos eletrodos ponta-ponta com tensão aplicada de 13, 8 kV. 52 Figura 38 – DPs nos eletrodos ponta-chapa com tensão aplicada de 11, 5 kV. . . . . 53

Figura 39 – Transição entre DPs e arco elétrico nos eletrodos ponta-chapa. . . 53

Figura 40 – Arco elétrico nos eletrodos ponta-chapa com tensão aplicada de 14, 3 kV. 54 Figura 41 – DPs nos eletrodos chapa-chapa com tensão aplicada de 13, 5 kV. . . . . 55

Figura 42 – Arco elétrico nos eletrodos chapa-chapa com tensão aplicada de 14, 2 kV. 56 Figura 43 – Sinais de tensão aplicada nos eletrodos ponta-chapa (amarelo) e cargas elétricas das DPs (azul). . . 57

Figura 44 – Sinal no domínio do tempo captado pelo transdutor piezelétrcio. . . 57

Figura 45 – Sinal no domínio da frequência captado pelo transdutor piezelétrico. . . 58

Figura 46 – Sinais de tensão aplicada nos eletrodos ponta-chapa (amarelo) e cargas elétricas das DPs (azul). . . 58

Figura 47 – Sinal no domínio do tempo captado pelo transdutor MEMS. . . 59

Figura 48 – Sinal no domínio da frequência captado pelo transdutor MEMS . . . . 59

Figura 49 – Sinais de tensão aplicada nos eletrodos ponta-ponta (amarelo) e cargas elétricas das DPs (azul). . . 60

Figura 50 – Sinal no domínio do tempo captado pelo transdutor MEMS com ele-trodos ponta-ponta. . . 61

Figura 51 – Sinais de tensão aplicada nos eletrodos ponta-chapa (amarelo) e cargas elétricas das DPs (azul). . . 61

Figura 52 – Sinal no domínio do tempo captado pelo transdutor MEMS com ele-trodos ponta-chapa. . . 62

Figura 53 – Sinais de tensão aplicada nos eletrodos chapa-chapa (amarelo) e cargas elétricas das DPs (azul). . . 62

Figura 54 – Sinal no domínio do tempo captado pelo transdutor MEMS com ele-trodos chapa-chapa. . . 63

Figura 55 – Pulso Trichel no arranjo de ensaio com tensão aplicada de 9, 31 kV. . . 64 Figura 56 – Sinal discreto captado pelo transdutor MEMS com eletrodos ponta-chapa. 65

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Figura 57 – Sinal da Figura 56 processado para identificar os picos de amplitude. . 65 Figura 58 – Sinal discreto captado pelo transdutor MEMS com eletrodos ponta-chapa. 66 Figura 59 – Sinal da Figura 58 processado para identificar os picos de amplitude. . 66

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Lista de tabelas

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Lista de Abreviações

𝜇𝑚 Micro Metros DC Direct Current

DGA Dissolved Gas Analysis DP Descarga Parcial DPs Descargas Parciais

EMI Electromagnetic Interference FFT Fast Fourier Transformer GBW Gain Bandwidth

HPLC High Performance Liquid Chromatography

Hz Hertz

MENS Micro Electro Mechanical System mm Milímetros

Op Amps Amplificadores Operacionais PCI Placa de Circuito Impresso SNR Signal to Noise Ratio

V Volt

VA Volt Ampere

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Sumário

1 Introdução . . . 16 1.1 Considerações iniciais . . . 16 1.2 Organização . . . 16 1.3 Motivação . . . 17 1.4 Objetivos . . . 18 2 Revisão Bibliográfica . . . 19 2.1 Descargas Parciais . . . 19

2.1.1 Física das Descargas Parciais . . . 20

2.1.1.1 Ionização dos átomos . . . 21

2.1.1.2 Considerações sobre o campo elétrico . . . 23

2.1.2 Tipos de Descargas Parciais . . . 24

2.1.3 Pulso Trichel . . . 25

2.2 Arco elétrico . . . 26

2.3 Métodos de detecção de Descargas Parciais . . . 27

2.3.0.1 Método Elétrico . . . 27

2.3.0.2 Método Químico . . . 27

2.3.0.3 Método Acústico . . . 28

2.4 Relação entre descargas parciais e ultrassom . . . 29

2.5 Transdutores piezelétricos . . . 29 2.6 Transdutores MEMS . . . 30 3 Metodologia . . . 31 3.1 Arranjo de ensaio . . . 31 3.2 Eletrodos . . . 33 3.3 Aparato eletrônicos . . . 36 3.3.1 Transdutores . . . 36 3.3.2 Amplificador . . . 39

3.3.3 Filtro Passa Alta . . . 41

3.3.4 PCI analógica . . . 43 3.3.5 PCI digital . . . 44 3.4 Testes preliminares . . . 45 3.4.1 Simulação . . . 45 3.4.2 Teste funcionais . . . 46 3.5 Ensaios . . . 48

3.5.1 Análise dos sinais . . . 49

4 Resultados e discussões . . . 51

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4.1.1 Ensaio com eletrodos ponta-ponta . . . 51

4.1.2 Ensaio com eletrodos ponta-chapa . . . 52

4.1.3 Ensaio com eletrodos chapa-chapa . . . 54

4.2 Transdutores e captação de sinais de DPs . . . 56

4.2.1 Ensaio com transdutor piezelétrico . . . 56

4.2.2 Ensaio com transdutor MEMS . . . 58

4.2.3 Relação entre os transdutores . . . 59

4.3 DPs com diferentes configurações de eletrodos . . . 60

4.3.1 Configuração ponta-ponta . . . 60

4.3.2 Configuração ponta-chapa . . . 61

4.3.3 Configuração chapa-chapa . . . 62

4.3.4 Relação entre DPs em diferentes configurações de eletrodos . . . 63

4.3.5 Sinais de Pulso Trichel . . . 63

4.4 Processamento do sinal ultrassônico . . . 64

5 Conclusões e perspectivas . . . 68

(15)

16

1 Introdução

1.1 Considerações iniciais

Este trabalho é resultado da integração entre a empresa Brax e a Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas com intuito de desenvolver uma nova tecnologia para detecção de Descargas Parciais (DPs) através de ondas ultrassônicas para proteção contra Arco Elétrico. A Brax colaborou com a identificação do problema no setor elétrico e sugeriu o desenvolvimento de uma nova tecnologia para detecção de DPs que tivesse uma maior eficácia em relação com as já existentes, e disponibilizou seu laboratório para a realização desse trabalho. A Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas colaborou com o material intelectual e a expertise na aplicação do método cientifico para o desenvolvimento de uma nova tecnologia.

1.2 Organização

Esta dissertação está organizada em quatro capítulos, especificados a seguir:

∙ Capítulo 2: Revisão Bibliográfica

Neste capítulo faz-se uma explicação de forma resumida da fundamentação teórica necessária para o entendimento do trabalho. Os assuntos abordados neste capítulo se referem ao fenômeno físico, os tipos e os métodos de detecção de Descargas Parciais e sua relação com ondas ultrassônicas.

∙ Capítulo 3: Metodologia

Neste capítulo faz-se uma explicação do método utilizado para geração de Descargas Parciais e Arco Elétrico em laboratório, confecção de eletrodos, escolha dos trans-dutores de ultrassom e o desenvolvimento do circuito eletrônico para captação das ondas ultrassônicas emitidas pelas Descargas Parciais e Arco Elétrico.

∙ Capítulo 4: Resultados

Neste capítulo faz-se a apresentação dos resultados dos ensaios realizados em labo-ratório.

∙ Capítulo 5: Conclusões e perspectivas

Neste capítulo faz-se a conclusão com base nos resultados obtidos e uma avaliação dos pontos positivos e negativos apontados por este trabalho.

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Capítulo 1. Introdução 17

1.3 Motivação

Nas últimas décadas, a preocupação com relação a qualidade de energia elétrica tem se intensificado. Aspectos como continuidade de fornecimento, nível de tensão, osci-lações de tensão e distorções harmônicas são parâmetros para classificação da qualidade de energia (ANEEL, 2007).

A ocorrência de arco elétrico e DPs nas instalações elétricas industriais e de distribuição de energia elétrica interferem diretamente no aspecto de continuidade de fornecimento de energia elétrica. O arco elétrico e as DPs causam danos às instalações elétricas, aos equipamentos a elas conectados e podem até ocasionar a morte de pessoas expostas às instalações.

Os estudos relacionados à DPs são bem difundidos, pois geralmente as DPs an-tecedem o fenômeno arco elétrico. As normas IEC 60270:2000 (ABNT, 2015a) e NBR 6940:2015 (ABNT, 2015b) definem as DPs como descargas elétricas localizadas que for-mam uma ponte de condução de corrente elétrica entre meios isolantes de condutores (PALITÓ, 2015).

As DPs são uma das principais causas da degradação precoce da isolação dos equipamentos elétricos e pode causar o fenômeno arco elétrico ((TESTA, 2009); (KIIZA et al., 2014)). Portanto, a detecção das DPs é de suma importância na geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica (PALITÓ, 2015).

Geralmente os componentes que são monitorados são painéis elétricos, transfor-madores, capacitores, disjuntores e cabos de alta tensão (MONTANARI; CAVALLINI, 2013). Os métodos para se detectar as DPs podem ser separados em grupos como acús-tico, químico, elétrico, ótico e eletromagnético (STONE, 1991).

Atualmente, há no mercado alguns sistemas de proteção contra arcos elétricos destinados a painéis elétricos. Sistemas de proteção para uso em subestações que ficam ao ar livre não são fabricados pela dificuldade que se encontra em caracterizar um arco elétrico em ambientes externos.(KINDERMANN, 1999).

Os sistemas fabricados para serem instalados em painéis elétricos não são ba-seados em detecção de DPs. Estes sistemas detectam o arco elétrico instantes após sua ocorrência e desligam o sistema elétrico para que não ocorra maiores danos aos profissi-onais e às instalações elétricas (ZELLER; SCHEER, 2009). Mesmo com os sistemas de proteção atuando rapidamente para desligar o sistema elétrico alguns danos são inevitá-veis, pois o sistema começa a funcionar quando o arco já ocorreu. Um equipamento pode ser degrado ou uma pessoa sofrer danos a sua integridade se expostos a um arco elétrico, mesmo que seja por uma fração de segundo. Portanto, há interesse tecnológico visando a proteção das instalações elétricas por meio da antecipação ao fenômeno arco elétrico através da detecção das DPs.

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Capítulo 1. Introdução 18

A detecção de DPs em equipamentos elétricos é complexa, há dificuldades em se obter acesso aos circuitos internos dos equipamentos. Também há diversas fontes de ruídos que dificultam a leitura do sinal e o funcionamento do sistema de detecção(CUENCA, 2005).

Este trabalho é experimental e investigativo sobre a geração de DPs em laborató-rio e captação de ondas na faixa de ultrassom em momentos que precedam o arco elétrico. Com este trabalho pretende-se obter subsídios para produzir um equipamento capaz de detectar e processar ondas ultrassônicas provenientes de DPs.

1.4 Objetivos

Este trabalho tem como seu objetivo principal estudar o método acústico de detecção de descargas parciais por meio de sensores de natureza piezelétrica e MEMS (Micro Electro Mechanical System), visando realizar a detecção precoce das descargas parciais e evitando a degradação das instalações elétricas e, consequentemente, o arco elétrico, pois as DPs antecedem o fenômeno arco elétrico.

Outros objetivos a serem alcançados são: desenvolver um arranjo para ensaio que reproduza DPs e arco elétrico em laboratório; realizar a análise dos sinais captados pelos sensores ultrassônicos no domínio do tempo e da frequência; desenvolver uma técnica de processamento de sinais de DPs; desenvolver um sistema de baixo custo para aplicações comerciais.

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19

2 Revisão Bibliográfica

Nesse capítulo são apresentados aspectos teóricos relativos ao fenômeno de descar-gas parciais, seus fundamentos físicos e métodos de detecção e sua relação com ultrassom. Neste capítulo também é apresentada uma breve fundamentação teórica de transdutores ultrassônicos.

2.1 Descargas Parciais

DPs podem ocorrer em falhas de isolação em sólidos, líquidos ou gases, pois quando esses meios são submetidos a um campo elétrico que ultrapasse o limite de sua rigidez dielétrica eles passam a permitir o fluxo de corrente elétrica ((ABNT, 2015a); (STONE, 1991)).

Bartnikas define as DPs como sinais elétricos pulsantes incompletos, intermitentes e rápidos, causados pela ionização de gases entre duas partes condutoras de eletricidade e um meio isolante deficiente ((PEDERSEN et al., 1991); (NIEMEYER et al., 1991); (BARTNIKAS, 2002)).

As DPs ocorrem quando um campo elétrico é aplicado a um dielétrico, rompendo a sua rigidez dielétrica. A tensão inicial em que essas descargas ocorrem é definida como sendo a tensão aplicada a partir da qual começam a ocorrer repetidas DPs.

Nessa dissertação, será estudado somente o fenômeno que ocorre em ar ambiente, como a descarga brilho (glow), a descarga flamula (streamer ) e a descraga lider (leader discharge) (LEMKE et al., 2008). A Figura 1 mostra exemplos de descarga brilho, flamula e descarga líder.

(a) DP tipo flamula. (b) DP tipo descarga líder. (c) DP tipo descarga brilho.

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Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 20

O acompanhamento de DPs em equipamentos de alta tensão, tal como disjuntores e transformadores é uma forma de detecção de defeitos nos isoladores destes equipamentos (MONTANARI; CAVALLINI, 2013).

As DPs revelam possíveis problemas nos materiais isolantes, auxiliando a manu-tenção em equipamentos que podem apresentar defeitos tanto de fabricação como proble-mas relacionados a desgastes dos materiais, prevenindo assim as saídas de serviços não programadas (CUENCA, 2005).

2.1.1 Física das Descargas Parciais

Para que ocorra uma DP são necessárias duas condições: que haja cargas livres (elétrons ou íons positivos), nos espaços entre os dielétricos, que estão preenchidos com algum tipo de gás e, que haja um campo elétrico intenso de modo que acelere essas cargas livres, com energia suficiente para iniciar um processo de avalanche eletrônica.

Para que haja cargas livres, deve-se fornecer um elétron à uma cavidade preen-chida com gás para desencadear o processo de avalanche eletrônica. Há dois mecanismos de geração de elétrons: a fotoionização do gás e a emissão de elétrons a partir de superfície interna da cavidade. Emissão de elétrons pode ocorrer por dois mecanismos: emissão por campo e emissão por impacto de moléculas metaestáveis deixadas por descargas prévias (GUTNIK, 2014).

O valor do campo elétrico 𝐸𝐼 no interior de uma cavidade pode ser calculado em

função do campo elétrico aplicado no restante do material dielétrico (𝐸𝐴), desde que a

cavidade possua uma geometria regular, o dielétrico seja considerado homogêneo e não haja presença de cargas superficiais e espaciais no interior da cavidade. Essa relação para uma cavidade plana é dada por:

𝐸𝐼 = 𝜖𝑟𝐸𝐴 (2.1)

e para uma cavidade esferoidal:

𝐸𝐼 =

3𝜖𝑟

1 + 2𝜖𝑟

𝐸𝐴 (2.2)

onde os campos elétricos (𝐸𝐼) e (𝐸𝐴) são em Newton/Coulomb, e 𝜖𝑟 é a permissividade

relativa do dielétrico em Farady/Metro (GUTNIK, 2014). A Figura 2 exemplifica as cavidades plana e esferoidal.

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Figura 2 – Cavidades plana e esferoidal

2.1.1.1 Ionização dos átomos

As relações de Townsed e Paschen descrevem como são ionizados os átomos de um material dielétrico e o processo de avalanche elétrons (CUENCA, 2005).

Townsend estudou a trajetória de elétrons entre dois eletrodos de placas paralelas, em função da tensão aplicada. Conforme aumentava a tensão, percebia-se que a corrente aumentava até atingir um valor constante que foi chamado de corrente de saturação. Para uma determinada tensão, notou-se um crescimento exponencial da corrente, a qual foi explicado como o resultado de múltiplas ionizações das moléculas ou átomos do gás, ou seja, os elétrons acelerados adquirem energia suficiente para provocar sucessivas colisões ionizantes. Townsend definiu a corrente total que flui através do gás com a equação (2.3)

𝑖 = 𝑖0

𝑒(𝛼𝑑)

1 − 𝛾(𝑒(𝛼𝑑)_{− 1)} (2.3)

onde 𝑖0 é a corrente foto-elétrica, 𝑑 é a separação dos eletrodos, 𝛼 é o coeficiente de ionização primário que indica a probabilidade de um elétron ter uma colisão ionizante em uma unidade de comprimento na direção do campo elétrico e 𝛾 é o coeficiente de ionização secundário que indica a probabilidade de um elétron ser liberado do catodo para cada íon positivo gerado. Os coeficientes 𝛼 e 𝛾 dependem do campo elétrico e da pressão e variam individualmente para cada gás.

Já Paschen estudou o efeito da ruptura dielétrica em gases em função da pressão e da distância entre placas paralelas e criou uma curva de tensão dada por:

𝑉 = 𝑎(𝑝𝑑)

ln(𝑝𝑑) + 𝑏 (2.4)

onde 𝑉 é a tensão de ruptura em Volts, 𝑝 é a pressão em Pascal e 𝑑 é a distância da abertura em metros. As constantes 𝑎 e 𝑏 são determinadas experimentalmente, dependem

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do gás e do material dos eletrodos, para o ar sobre pressão atmosférica e eletrodo de tungstênio 𝑎=10, 2 (Pa.cm)−1,b=176,2 𝑉 (𝑃 𝑎.𝑐𝑚)−1(𝐵𝑈 𝑅𝑀 , 2007).

O processo de ionização que ocorrem para geração de DPs é a ionização por colisão entre um elétron e um átomo ou molécula neutra. Quando um elétron livre é submetido a um campo elétrico, ele é acelerado e colide com átomos dos gases presentes no dielétrico. A velocidade em que ocorrem a colisão do elétron é proporcional à intensidade do campo elétrico. Se o campo elétrico não for intenso, estas colisões serão elásticas 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, ou seja, o elétron terá energia para remover outro elétron de sua órbita e ionizar o átomo desta forma criando uma avalanche de elétrons (CUENCA, 2005).

Figura 3 – Processo de avalanche de elétrons iniciado a partir de um eletrodo negativo. a) Início. 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. Extraído de (CUENCA, 2005)

Os íons positivos criados no processo da avalanche de elétrons (Figura 3), se mo-vem em direção ao eletrodo negativo, eles se momo-vem muito vagarosamente, devido à sua massa, que é aproximadamente cinquenta mil vezes a massa do elétron. Os íons positivos atraem elétrons que estão vagando, e quando algum elétron livre se liga a esses íons, forma-se outra molécula neutra de ar. O nível de energia de uma molécula neutra é menor do que a do íon positivo assim, quando um elétron livre é capturado, um quantum de energia é emitido pela molécula. O quantum de energia emitido tem a mesma magnitude ener-gética que inicialmente foi requerida para deslocar o elétron inicial fora de sua molécula. Quando ocorrem a recombinação íon com elétron uma onda eletromagnética é irradiada e, para moléculas de ar como oxigênio ou nitrogênio, essa radiação está dentro da faixa visível de luz. Portanto, é possível observar 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 (campo elétrico), o processo de ionização termina, mas a

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recombinação continuará até que as moléculas de ar envolvidas se estabilizem. Os elétrons e íons positivos gerados nesse processo são suficientes para conduzir corrente elétrica en-tre os eletrodos, fazendo com que uma centelha surja enen-tre os eletrodos. Quando ocorre o centelhamento há uma ruptura do material dielétrico, e pode ser chamada de descarga parcial (CUENCA, 2005).

2.1.1.2 Considerações sobre o campo elétrico

O campo elétrico é o precursor fundamental para o surgimento das descargas parciais, ele influencia o processo de ionização dos elétrons do material dielétrico. A in-tensidade do campo elétrico está relacionada com o valor de tensão aplicada aos eletrodos, a geometria do conjunto eletrodos/dielétrico e o material do dielétrico. O campo elétrico é diretamente proporcional à tensão aplicada, ou seja, assume valores maiores conforme o aumento da tensão (CUENCA, 2005).

A distribuição da intensidade do campo elétrico é influenciada pela geometria dos eletrodos. O gradiente de tensão elétrica é inversamente proporcional a área do eletrodo, ou seja, quanto menor a área do eletrodo maior o gradiente de tensão. Se aplicado o mesmo nível de tensão em um eletrodo pontiagudo e um plano, o gradiente de tensão é maior no eletrodo pontiagudo. A Figura 4 ilustra um exemplo de eletrodo ponta-plano tendo um gás como dielétrico (CUENCA, 2005).

Figura 4 – Eletrodo ponta-plano. Extraído de (CUENCA, 2005)

Ao redor da ponta do eletrodo cilíndrico, o gradiente de potencial elétrico é maior, assim a intensidade do campo elétrico também. Os elétrons que estão próximos da ponta podem então ser acelerados até adquirirem energia cinética suficiente para causar ioniza-ção. Próximo ao eletrodo plano, a intensidade do campo elétrico é menor e os elétrons podem não adquirir energia cinética suficiente para causar ionização. Logo, a descarga é limitada a um volume ao redor da ponta do eletrodo cilíndrico. O volume de gás restante

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entre o plano e a descarga funciona como uma resistência, limitando o centelhamento (CUENCA, 2005).

2.1.2 Tipos de Descargas Parciais

A base para a nomenclatura de DPs é a norma IEC 60270 - Técnicas de Teste de Alta Tensão - Medidas de descarga parcial, que contém, entre outras coisas as definições básicas no contexto de descargas parciais.

A definição de uma DP é de acordo com a norma IEC 60270, uma falha dielétrica localizada em uma pequena porção de um sistema de isolamento elétrico sólido ou liquido que sob uma pressão de alta tensão forma uma ponte entre dois condutores.

As descargas parciais são divididas em dois subgrupos principais, DPs internas e externas, em função da sua ocorrência numa determinada configuração, como pode ser visto na Figura 5 .

Figura 5 – Terminologia de descargas parciais.

Estes dois subgrupos são descargas internas e externas. Cada um destes subgrupos podem ser representados por diferentes formas, como nesses casos típicos apresentados na Figura 6.

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Figura 6 – Exemplo de descargas internas e externas.

2.1.3 Pulso Trichel

A descarga brilho negativa (glow) de baixa corrente entre um eletrodo cilíndrico pontiagudo e um eletrodo plano (ponta-plano), ocorre com frequência no âmbito indus-trial e foi estudada numericamente e experimentalmente por muitos autores no campo da engenharia e plasma. Em 1938 G.W. Trichel revelou que nessas condições são gerados pulso rápidos com frequências e intensidades de corrente proporcionais a tensões aplica-das. Trichel descreveu que a intensidade e frequência dos pulsos têm uma relação com a descarga atual, o raio do eletrodo cilíndrico pontiagudo e a pressão do gás. Ele também descreveu que a frequência do pulso é independente do espaçamento entre os eletrodos. Este trabalho foi posteriormente complementado por G. G. Hudson, onde mais detalhes foram apresentados. A nuvem de íons negativos em torno do eletrodo pontiagudo leva a supressão do campo elétrico sessando as avalanches de elétrons, assim criando um pulso de corrente. A ionização então começa novamente uma vez que a nuvem de íons negativos diminui em torno do eletrodo pontiagudo, gerando a um trem de pulsos. Na Figura 7 pode-se visualizar o Pulso Trichel (DORDIZADEH et al., 2017), (NAPARTOVICH et al., 1997).

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Figura 7 – Pulso Trichel. Extraído de (DORDIZADEH et al., 2017)

2.2 Arco elétrico

Arco elétrico é o fluxo de corrente elétrica em meio a um gás, é composto de um plasma de alta temperatura e baixa resistividade elétrica, se manifesta em poucos nanossegundos liberando grande quantidade de energia. O arco tem um formato cilín-drico e produz calor pelas perdas do tipo Joule, para sua manifestação é necessário um grande campo elétrico. Na industria o arco elétrico é usado para varias aplicações como, equipamentos de soldagem e fornos de alta potência para fundição. Os arcos elétricos nes-sas aplicações são controlados, já arcos elétricos em instalações elétricas, sua ocorrência geralmente não se tem controle, desta forma eles são indesejados (SÁ, 2010).

O arco elétrico ocorre em sistemas elétricos de potência em diversas formas, po-demos generalizar duas formas de ocorrência, arcos com caráter aleatório e arcos em aplicações específicas. Os arcos de caráter aleatório são relacionados a fenômenos natu-rais, podendo proporcionar grandes risco para o sistema elétrico. Dessa forma, podemos citar alguns exemplos, descargas atmosféricas, descargas no ar para a terra ou entre fa-ses, ou seja, fenômenos com alto grau de imprevisibilidade quanto à sua ocorrência. Os arcos em aplicações específicas podem ser aqueles que ocorrem em manobras ou atuação de dispositivos eletromecânicos, tais como, disjuntores, centelhadores, pára-raios, válvulas de mercúrio e lâmpadas de descargas em gases (SÁ, 2010).

Em um arco no ar, se comportando com um condutor de eletricidade, tem se como consequência a absorção de energia do sistema elétrico, que se traduz em uma potência por unidade de volume. A magnitude de um arco elétrico depende da potência da instalação elétrica (SÁ, 2010).

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2.3 Métodos de detecção de Descargas Parciais

Com o passar do tempo, o isolamento elétrico submetido a campos elétricos ele-vados começa a se desagradar devido à tensão mecânica, térmica e elétrica. As descargas parciais são sintomas de rompimento da isolação elétrica e deterioram ainda mais esse isolamento, a detecção de DPs são usadas para avaliar a condição do isolamento elétrico e diagnosticar problemas (STONE, 1991).

Nas últimas décadas, vários métodos têm sido desenvolvidos para detectar DPs estes métodos podem ser divididos em 4 categorias: elétrico, químico, acústico e óptico. 2.3.0.1 Método Elétrico

Detecção elétrica baseia-se em impulsos elétricos criados pelas DPs. Esses pulsos têm duração na ordem de microssegundos e componentes de frequência em torno de 1MHz (BOGGS et al., 1990). A forma do pulso, a sua localização na fase dentro do ciclo da corrente alternada e sua intensidade levam a informações sobre o tipo de falha e os danos do isolamento.

Medições elétricas são separadas em duas categorias, a captação de RF (rádio frequência) que exige instalação de antenas nas instalações elétricas e medição elétrica direta nas fases das instalações onde são necessários acoplamentos capacitivos para realizar as medições.

O principal problema com a detecção elétrica é a susceptibilidade ao ruído de outros equipamentos, que pode levar a falsa detecção de DPs. Normalmente, os equipa-mentos sujeitos a testes precisam estar desligados das instalações elétricas o que exige uma fonte de alta tensão externa para realizar os testes, o que requer uma grande quantidade de tempo e equipamentos (HOWELLS; NORTON, 1978).

2.3.0.2 Método Químico

As descargas parciais podem ser detectadas quimicamente. Os dois testes quí-micos primários que estão em uso hoje são análise de gases dissolvidos em óleo mineral isolante (DGA) e cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC). Vale ressaltar que esses testes só podem ser executados em equipamentos isolados com óleo, principalmente transformadores, que é uma limitação da sua aplicação.

O teste DGA identifica gases dissolvidos no óleo produzido pela quebra de óleo mineral. Este teste é realizado coletando uma amostra de óleo, em seguida são determina-dos os níveis de diferentes gases dissolvidetermina-dos no óleo como hidrogênio, acetileno, metano, oxido de carbono, dióxido de carbono e etileno (KEMP, 1995).

Este teste indica a presença de DPs, mas também fornece informações adicionais com base nos diferentes níveis de gases encontrados, assim podendo correlacionar vários

(27)

tipos de falhas.

Teste de HPLC detecta os subprodutos da degradação de isolamento dos enrola-mentos do transformador, ou seja, celulose e seus subprodutos. A desvantagem deste teste é que os níveis de glicose no óleo são muito pequenos e as formas degradadas da glicose não são muito estáveis. Além disso, este teste sofre a mesma incerteza quanto o DGA porque não há valores padronizados para a concentração de glicose e, há uma correlação outras falhas (KEMP, 1995).

2.3.0.3 Método Acústico

Detecção acústica é baseado no fenômeno de que as DPs emitem som. Este som, audível ou não, é criado quando há um grande aumento da temperatura no caminho percorrido pela corrente das DPs e os materiais circundante são vaporizados. Esta vapo-rização provoca uma rápida liberação de energia mecânica, que se propaga em forma de um campo de pressão (LUNDGAARD, 1992). A melhor analogia que pode ser facilmente entendida é da formação do trovão após um relâmpago. Os sistemas de detecção acústico podem ser divididos em duas categorias: os sistemas externos e internos.

Sistemas de detecção acústico externos, atualmente mais utilizados em sistemas de distribuição de energia, empregam sensores direcionados para o exterior dos equipa-mentos a serem monitorados para detectar o sinal acústico das DPs. Sistemas internos empregam sensores que são colocados dentro de equipamentos de energia para medir diretamente a onda de pressão.

A principal vantagem da detecção acústica em relação a outros métodos é que o posicionamento do sensor informa os locais que ocorrem as DPs. Esta informação da posição pode ajudar a identificar o tipo de DP e a gravidade do defeito no isolamento. Outra vantagem de detecção acústica é sua imunidade à interferência eletromagnética (EMI).

A imunidade à EMI torna a detecção acústica ideal para a detecção em linha de distribuição de energia, porque tem uma melhor relação sinal-ruído (SNR), com isso terá menos alarmes falsos ((ANDERSON, 1956); (LUNDGAARD, 1992); (MARKALOUS et al., 2008)).

A imunidade a EMI não significa que não há nenhum ruído, ruídos acústicos ocorrem. As vibrações mecânicas em núcleos de transformadores são a principal fonte de ruído acústico, mas o espectro de frequência destas vibrações são suficientemente mais baixos do que o sinal acústico das DPs.

Detecção acústica também tem suas limitações. O principal problema com a detecção acústica é a natureza complexa das vias de propagação acústica. Também há o problema de que os sinais acústicos oriundos de DPs têm baixa intensidade, os sensores

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devem ser muito sensíveis a pequenas mudanças na amplitude do sinal, a fim de se detectar uma DP (KEMP, 1995).

2.4 Relação entre descargas parciais e ultrassom

O relâmpago é uma descarga elétrica em uma escala grandiosa, pode ocorrer entre as nuvens e entre nuvens e a terra, assim, o caminho a ser percorrido pela descarga elétrica tem quilômetros de extensão. Uma DP em laboratório ou em ambientes industriais é um relâmpago em miniatura, quando a tensão de ruptura do dielétrico é atingida a distância entre os eletrodos é caracterizada por um canal de luz, as vezes em ziguezague e contendo ramificações e que se extingue rapidamente. As DPs acontecem acompanhadas de um som de rachadura, assim como o relâmpago produz o trovão. As ondas sonoras são geradas por um forte aumento de pressão devido a uma intensiva liberação de calor no canal por onde percorre a descarga elétrica (YU, 1991).

Entre essas ondas sonoras, são geradas ondas com frequências acima de 20 kHz, denominadas de ultrassom, as quais podem ser utilizadas para a detecção das DPs. A emissão do ultrassom ocorre devido ao choque dos elétrons no processo de ionização. Atualmente, são utilizadas técnicas de inspeção de ensaios não destrutivos para a detecção de DPs, onde o operador captura o ultrassom utilizando um transdutor de 40 kHz, o qual é amplificado, convertido para frequências audíveis ao ouvido humano e enviado a um fone de ouvido para que o operador do aparelho possa ouvir esses sinais.

2.5 Transdutores piezelétricos

A técnica de ultrassom só foi possível de ser desenvolvida por causa do desen-volvimento dos transdutores piezelétricos, que são constituídos de cerâmicas piezelétricas. Essas cerâmicas são compostas de estruturas cristalinas formadas de pequenos dipolos elétricos, que fazem com que essa estrutura se deforme na presença de um campo elé-trico gerando um deslocamento mecânico. Essas cerâmicas também operam com o efeito inverso, onde aplicado uma deformação mecânica essa estrutura gera um campo elétrico. Nos materiais piezelétricos ocorre o acoplamento das variáveis mecânicas e elétri-cas, fazendo com que ele se torne um excelente transdutor de ondas ultrassônielétri-cas, esses transdutores são aplicados em diferentes tecnologias nas áreas médica, industrial e militar (ARNAU et al., 2008).

(29)

2.6 Transdutores MEMS

Um dispositivo MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) é caracterizado, prin-cipalmente, pela presença de sensores ou atuadores em conjunto com a microeletrônica, ou ainda, pela união de todos estes componentes simultaneamente em um mesmo dispositivo. Os micro sensores são responsáveis por detectar as mudanças físicas do meio, sejam elas mecânicas, térmicas, magnéticas, químicas ou eletromagnéticas, e convertê-las em um sinal elétrico proporcional, a microeletrônica, por sua vez, processa essa informação e disponibiliza um sinal contendo as informação das mudanças físicas do meio.

Micro sensores e micro atuadores são o que há de mais importante em um dispo-sitivo MEMS. Estes componentes são os transdutores de um sistema microeletromecânico construídos de materiais semicondutores, responsáveis pela conversão de uma forma de energia em outra. Muitos destes transdutores foram desenvolvidos pela indústria micro-eletrônica, como, por exemplo, sensores de temperatura e luz, mas suas funcionalidades são potencializadas quando utilizados em MEMS (REBELLO, 2004).

(30)

31

3 Metodologia

Nesse capítulo é apresentada a metodologia utilizada nesse trabalho. São apre-sentados os métodos utilizados para confecção de um arranjo de ensaio para geração de DPs em laboratório, a confecção dos eletrodos, a escolha dos transdutores ultrassônicos e a técnica para o desenvolvimento do aparato eletrônico e da análise dos sinais usado nesse trabalho. Os testes experimentais a serem realizado irão explorar o posicionamento e a geometria dos eletrodos, o tipo de transdutor e sua posição em relação aos eletrodos e os níveis de tensão elétrica aplicada.

3.1 Arranjo de ensaio

Com o intuito de simular as DPs em laboratório e captar as ondas ultrassônicas oriundas desse fenômeno, foi montado um arranjo de ensaio conforme a Figura 8. Este arranjo é formado por um variador de tensão (Variac) de 0 Vac a 250 Vac acoplado por um resistor limitador de corrente ao lado de baixa tensão de um transformador com relação de transformação 220 V/15 kV e potência de 20 kVA. No lado de alta tensão do transformador foram conectados dois eletrodos onde ocorrerão as descargas parciais.

Figura 8 – Diagrama do arranjo de ensaio

O hardware de aquisição de sinais ultrassônicos confeccionado para esse trabalho ficará posicionado em frente ao ponto onde ocorrerá as DPs. Utilizando o osciloscópio Tektronix modelo TBS1202 serão captados os sinais do hardware de aquisição, com o osciloscópio TBS1062 serão captados os sinais de tensão entre os eletrodos utilizando se de um divisor capacitivo com relação de 1:160 e os sinais das cargas elétricas das DPs usando o método citado na norma IEC 60270. Na Figura 9 pode se visualizar o método de

(31)

Capítulo 3. Metodologia 32

monitoramento de tensão elétrica e cargas elétricas das DPs conforme norma IEC 60270, com o intuito de mensurar a intensidade das DPs, a norma utiliza o monitoramento da tensão no capacitor 𝐶𝑚 da Figura 9, com o valor da tensão no capacitor é possível quantificar a carga elétrica que ele armazenou no momento da descarga elétrica, desta forma a norma usa como convenção mensurar a intensidade de uma DP em função da quantidade de energia armazenada no capacitor. A carga elétrica de uma DP é estimada pela equação 3.1, onde 𝑄 é carga elétrica em coulombs, 𝐶 capacitância em Farads e 𝑉 tensão em Volts.

𝑄 = 𝐶𝑉 (3.1)

Figura 9 – Método utilizado para captar tensão aplicada nos eletrodos e cargas das DPs. Os valores de 𝐶1 e 𝐶2 são 12 pF e 2 nF respectivamente, 𝐶𝑚 tem valor de 1, 5 nF e 𝑅𝑚10 kΩ.

O arranjo de ensaio montado no laboratório da empresa Brax, é observado na figura 10. Em linhas gerais este arranjo funciona da seguinte forma: o Variac, conectado à rede elétrica, fornece uma tensão elétrica ajustável para o transformador de alta tensão. A tensão do secundário do transformador é aplicada aos eletrodos e, dependendo da diferença de potencial e da distância entre os eletrodos gera uma DP. Essa DP produz ondas acústicas que são captadas pelo transdutor disposto no hardware de aquisição. Os sinais dos transdutores são então devidamente amplificados e filtrados para serem processados pelo processador do hardware de aquisição.

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Figura 10 – Arranjo de ensaio. (1 Variac, 2 Resistor, 3 Transformador, 4 Oscilocópio TBS1062, 5 Eletrodos, 6 PCIs Analógica e Digital, 7 Computador, 8 Os-ciloscópio TBS1202)

3.2 Eletrodos

Segundo (GUTNIK, 2014) e (CUENCA, 2005) a geometria dos pontos eletriza-dos influenciam na ocorrência das DPs, isso ocorre pelo fato da geometria eletriza-dos pontos eletrizados modificarem a distribuição do campo elétrico .

Para realização dos ensaios foram usados dois tipos de eletrodos com geometrias diferentes. Um dos eletrodos é um cilindro de tungstênio de 75 mm de comprimento e 3, 3 mm de diâmetro com uma das pontas cônica com conicidade de 10 𝜇m e angulação de 30∘, pelo motivo da ponta do eletrodo ser pontiaguda no instante da ocorrência de DPs a temperatura na sua extremidade atinge altos níveis o que pode danificar rapidamente a ponta do eletrodo, por esse motivo foi escolhido o material tungstênio que tem uma alta temperatura de fusão.

O outro eletrodo é constituído de uma barra de cobre de 650 mm de comprimento, 500 mm de largura e 3, 3 mm de espessura, no caso do eletrodo em formato de chapa ele tem uma área grande para a dissipação de calor na ocorrência de DPs, assim mesmo sendo de cobre que não tem uma temperatura de fusão muito alta o eletrodo não se deteriora facilmente.

Na Figura 11 temos os eletrodos de tungstênio e na Figura 12 os eletrodos de cobre.

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Figura 11 – Eletrodos de tungstênio.

Figura 12 – Eletrodos de cobre.

Para a geração de DPs serão montadas e testadas várias configurações de eletrodos denominadas ponta-ponta, ponta-chapa, chapa-chapa. Nas figuras 13, 14, 15 abaixo pode-se visualizar essas configurações.

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Figura 13 – Configuração de eletrodos ponta-ponta.

Figura 14 – Configuração de eletrodos ponta-chapa.

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3.3 Aparato eletrônicos

Se faz necessário um aparato eletrônico para captação dos sinais ultrassônicos provenientes das DPs, esse aparato foi confeccionado contento transdutores ultrassônicos, circuitos amplificadores, filtro analógico e processador digital de sinais. Na Figura 16 se encontra o diagrama em blocos do aparato eletrônico.

Figura 16 – Diagrama em blocos do aparato eletrônico.

Nos subcapítulos a seguir, temos o detalhamento do aparato eletrônico.

3.3.1 Transdutores

Para a realização deste trabalho foram selecionados dois transdutores ultrassô-nicos de tecnologias distintas, um deles é baseado na tecnologia de piezeletricidade e o outro na tecnologia MEMS. O intuito de utilizar tecnologias diferentes é identificar qual tecnologia melhor se adéqua na detecção de DPs.

Na escolha dos transdutores algumas características tiveram maior relevância, como alguns dos objetivos do trabalho são desenvolver um sensor de baixo custo, ta-manho reduzido e de aplicação comercial, as características como custo, dimensão física, fabricantes de renome no mercado e tempo de fornecimento do transdutor no mercado tiveram maior relevância, além dessas características citadas uma característica técnica importante para a escolha foi a resposta em frequência. A resposta em frequência foi definida em 40 kHz pois nesta frequência temos um menor nível de ruído ambiente e, baseando-se em trabalhos anteriores, há uma evidência significativa de altos níveis de emissão de ondas ultrassônicas oriundas de DPs em torno desta frequência ((HOWELLS; NORTON, 1978); (MARKALOUS et al., 2008); (HARROLD, 1975)).

O transdutor de tecnologia piezelétrica é o MA40S4R do fabricante Murata, cuja sensibilidade é −63 dB e centro de frequência 40 kHz. Na Figura 17 pode-se visualizar seu formato físico e na Figura 18 sua resposta em frequência.

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Figura 17 – Transdutor MA40S4R do fabricante Murata.

Extraído de: http:www.murata.com/products/productdetail?partno=MA40S4R

Figura 18 – Resposta em frequência do transdutor MA40S4R do fabricante Murata. Extraído de: http:www.murata.com/products/productdetail?partno=MA40S4R

O transdutor de tecnologia MEMS é o SPU0410LR5H-QB do fabricante Knowles, cuja sensibilidade é em torno de −38 dB e sua resposta em frequência abrange o espectro de 100 Hz até 80 kHz. Na Figura 19 pode-se visualizar seu formato físico e nas Figuras 20 e 21 sua resposta em frequência.

Figura 19 – Transdutor SPU0410LR5H do fabricante Knowles. Extraído de: http://www.knowles.com/eng/Products/Sensors/Ultrasonic

(37)

Figura 20 – Resposta em frequência do transdutor SPU0410LR5H. (0 dB pela convenção do fabricante corresponde a −38 dB).

Extraído de: http://www.knowles.com/eng/Products/Sensors/Ultrasonic

Figura 21 – Resposta em frequência do transdutor SPU0410LR5H. (0 dB pela convenção do fabricante corresponde a −38 dB).

Extraído de : http://www.knowles.com/eng/Products/Sensors/Ultrasonic

Analisando os gráficos de sensibilidade do transdutor MEMS, há uma linearidade apenas no intervalo do espectro de 100 Hz até 10 kHz, acima de 10 kHz até 80 kHz há uma variação da sensibilidade sendo que o pico chega aproximadamente a −27, 5 dB e o mínimo valor de sensibilidade é em torno de −46 dB.

No gráfico de sensibilidade do transdutor piezelétrico pode-se observar que o pico de sensibilidade está em torno de −63 dB e há uma significativa atenuação em frequências afastadas do lóbulo central.

(38)

Convertendo os níveis em dB para V/Pa (volts por Pascal), ou seja, quanti-dade de tensão elétrica gerada pelos transdutores em uma uniquanti-dade de pressão Pascal aplicada, temos: Sensor piezelétrico MA40S4R no seu pico 7, 07 mV/Pa; Sensor MEMS SPU0410LR5H-QB no seu pico 42, 16 mV/PA e no menor nível 5, 01 mV/Pa.

3.3.2 Amplificador

Como os transdutores tem sensibilidades distintas em determinadas frequências e o posicionamento dos transdutores nos ensaios também diferem, algumas vezes próximo do ponto de emissão de ondas ultrassônicas e algumas vezes distante do ponto, o amplificador projetado para o experimento possui quatro estágios de amplificação que podem quando desejado serem conectados em cascata (série) com ganho de 27, 95 dB em cada estágio, sendo que serão utilizados os estágios necessários para boa leitura da captação do sinal ultrassônico, podendo ser utilizado apenas um estágio quando o transdutor estiver próximo ao ponto de DPs ou até os quatro estágios simultaneamente quando o transdutor estiver distante do ponto de DPs. A opção por 4 estágios de amplificação se deu pelo motivo da facilidade em se modificar o ganho de amplificação em cada ensaio e também é possível testar os dois transdutores ao mesmo tempo cada um com um arranjo de amplificadores diferentes. Na Figura 22 temos o diagrama em blocos do amplificador.

Figura 22 – Diagrama de blocos do amplificador.

Projetar e montar um amplificador de pequenos sinais baseados em Op Amps (Amplificadores Operacionais) tem algumas facilidades como menor número de compo-nentes de polarização, são mais estáveis a ruídos e os cálculos dos circuitos são simples. Foi projetado um amplificador baseado na topologia não inversora, considerando que em uma possível aplicação comercial o sensor poderá ser alimentado por baterias então a alimentação dos Op Amps é simples e o nível de tensão é baixo neste caso 3, 6 V. Na Figura 23 temos o circuito dessa topologia.

Na entrada do amplificador temos o capacitor 𝐶.𝐴 que faz a função de acopla-mento entre o transdutor e o amplificador, seu dimensionaacopla-mento é feito com a equação (SEDRA; SMITH, 1998) (MANCINI, 2003) (CARTER, 2000):

𝑅 ≥ 10

2𝜋𝑓 𝐶 (3.2)

(39)

Figura 23 – Diagrama eletrônico do amplificador não inversor.

maior frequência de trabalho do amplificador neste caso 80 kHz e 𝐶 é o valor do capacitor de acoplamento. Com esses parâmetros chegamos ao valor do capacitor de acoplamento de 1, 98 nF, o valor foi aproximado para 2, 2 nF que é um valor comercial de capacitor.

O ganho do amplificador segue a equação 3.3 abaixo:

𝐺 = 1 + 𝑅𝑓 𝑅𝑔

(3.3)

Para se obter um ganho 𝐺 de 25 vezes ou 27, 95 dB adotou-se 10 kΩ para 𝑅𝑔, assim 𝑅𝑓

será 240 kΩ.

Como estamos usando um amplificador não inversor com fonte simples, ou seja, sem alimentação negativa é necessária uma tensão de referência no terminal não inversor do Op Amp para que os sinais de entrada positivos e negativos não sejam ceifados. O nível ideal DC (Direct Current) de saída do Op Amp para não ceifar o sinal é 𝑉 𝐶𝐶/2 então neste caso é a tensão 1, 8 V. A tensão de referência é estimada pela equação 3.4:

𝑉 𝑅𝑒𝑓 = 𝑉 𝑐𝑐/2

𝐺 (3.4)

Adotando 𝑉 𝑐𝑐/2 como 1, 8 V e 𝐺 (ganho) igual a 25, a tensão de referência é 72 mV. Para garantir a tensão de referência no terminal não inversor do Op Amp foi uti-lizado um divisor resistivo, para o cálculo dos resistores do divisor foi utiuti-lizado a equação

(40)

3.5:

𝑉 𝑂𝑢𝑡 = 𝑅1

𝑅1 + 𝑅2𝑉 𝑖𝑛 (3.5)

Onde 𝑉 𝑜𝑢𝑡 é a tensão de referência 72 mV, 𝑅1 foi estimado em 10 kΩ e 𝑉 𝑖𝑛 corresponde a 3, 6 V, então o valor de 𝑅2 é 499 KΩ. Este valor foi aproximado para 500 kΩ.

O capacitor 𝐶.𝐷 realiza a função de filtro de alimentação do Op Amp e evita acoplamento de ruídos, já o resistor 𝑅𝐿 faz a função de carga do circuito para que a saída do Op Amp não fique flutuando. Os valores de 𝐶.𝐷 e 𝑅𝐿 são de praxe para o desenvolvimento dessa topologia de circuito (SEDRA; SMITH, 1998) (MANCINI, 2003).

Na Figura 24 pode-se observar o amplificador completo.

Figura 24 – Diagrama eletrônico do amplificador completo.

3.3.3 Filtro Passa Alta

Como um dos objetivos desse trabalho é estudar as ondas ultrassônicas emitidas por DPs, uma onda é considerada ultrassônica quando sua frequência assume valores maiores que 20 kHz. Assim foi projetado um filtro ativo Passa Alta de ganho unitário topologia Sallen-Key tipo Tschebyscheff de quarta ordem com frequência de corte em 30 kHz para que os sinais provenientes de DPs possam ser filtrados e anular possíveis sinais de baixa frequência captados, o foco é o estudo de frequências superiores a 30 kHz . Por se

(41)

tratar de um filtro de quarta ordem foi necessário conectar dois filtros de segunda ordem em série. Na Figura 25 temos um filtro de segunda ordem como mencionado anteriormente (SEDRA; SMITH, 1998) (MANCINI, 2003) (CARTER, 2001).

Figura 25 – Filtro Passa Alta topologia Sallen-Key de segunda ordem.

Assumindo a frequência de corte em 30 kHz e os valores de 𝐶 em 1 nF, pode-se calcular os valores das resistências 𝑅1 e 𝑅2 pelas equações 3.6 e 3.7. Na tabela 1 se encontram os coeficientes do filtro Tschebyscheff de quarta ordem (Extraído de: http://web.mit.edu/6.101/www/reference/op𝑎𝑚𝑝𝑠𝑒𝑣𝑒𝑟𝑦𝑜𝑛𝑒.𝑝𝑑𝑓 ).

𝑅1 = 1

𝜋𝑓 𝑐𝐶𝑎1 (3.6)

𝑅2 = 𝑎1

4𝜋𝑓 𝑐𝐶𝑏1 (3.7)

Nas equações acima 𝑓 𝑐 representa a frequência de corte do filtro, 𝐶 os capacitores do filtro e 𝑎1 e 𝑏1 os coeficientes do filtro Tschebyscheff.

Tabela 1 – Coeficientes Tschebyscheff para Ripple em banda passante de 1 dB. Coeficientes Tschebyscheff para Ripple em banda passante de 1 dB

Ordem do Filtro Estágios a1 b1

4 1 2,5904 4,1301

2 0,3039 1,1697

Utilizando os dados e as equações citadas acima os valores calculados dos resis-tores 𝑅1 e 𝑅2 do primeiro estágio do filtro foram 4, 096 kΩ e 1, 66 kΩ respectivamente, e seus valores foram aproximados para 4 kΩ e 1, 6 kΩ. Já para o segundo estágio os valores

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de 𝑅1 e 𝑅2 foram 34, 91 kΩ e 689 Ω respectivamente, e esses valores foram aproximados para 35 kΩ e 680 Ω. O capacitor 𝐶.𝐷 da Figura 25 acima foi assumido o valor de 10 nF que realiza a função de filtro na alimentação do amplificador operacional, os resistores 𝑅𝐷1 e 𝑅𝐷2 configuram um divisor de tensão para gerar uma tensão de referência (Vcc/2) no terminal não inversor do amplificador operacional , pois, esse amplificador operacional está sendo alimentado com uma fonte simples, assim não tendo tensão negativa.

Foi selecionado o amplificador operacional LMV794 do fabricante Texas Instru-ments para a construção do filtro e também dos amplificadores citados anteriormente. Esse amplificador operacional é indicado para instrumentação e filtros ativos e foi desen-volvido para trabalhar com baixas tensões de 1, 8 V até 5, 5 V e fonte de alimentação simples. Seu GBW (Gain Bandwidth) é 88 MHz que satisfaz esta aplicação.

Na Figura 26 temos o esquema eletrônicos do filtro contemplando os dois estágios.

Figura 26 – Diagrama eletrônico do filtro Passa Alta Sallen-Key Tschebyscheff de quarta ordem.

3.3.4 PCI analógica

Os transdutores, amplificadores e filtro foram montados em uma PCI (Placa de Circuito Impresso) denominada PCI Analógica, ela contempla componentes no formato SMD (Device Mount Surface), na Figura 27 pode se visualizar a PCI Analógica.

(43)

Figura 27 – PCI Analógica.

3.3.5 PCI digital

Para realizar o processamento dos sinais captados pela PCI Analógica foi utilizado a placa de desenvolvimento da Freescale FRDM-K22F que contempla o microcontrolador MK22FN512VLH12 que utiliza um processador ARM Cortex M4 com funções de DSP (Digital Signal Processor), essa placa foi denominada PCI Digital. Na Figura 28 pode se visualizar a PCI Digital.

Figura 28 – PCI Digital.

O sinal ultrassônico proveniente da PCI analógica será amostrado pelo conversor A/D (analógico/digital) do microcontrolador com frequência de amostragem de 160 kHz, assim o período de amostragem é 6, 25 𝜇s, em cada sinal teremos 16000 amostras tota-lizando um tempo de 100 ms. Após o sinal analógico ser convertido ele será processado pelo microcontrolador por meio de um software desenvolvido para esse fim, em seguida

(44)

será coletado os dados de processamento da PCI digital por meio de uma comunicação serial com um computador.

3.4 Testes preliminares

3.4.1 Simulação

Os circuitos de amplificador e filtro foram modelados usando o simulador Orcad Pspice. Na Figura 29 temos a relação de ganho e frequência dos quatros estágios do amplificador, sendo que as cores correspondentes a cada estágio são: verde 1o

¯ estágio; vermelho 2o

¯ estágio; roxo 3o¯ estágio; amarelo 4o¯ estágio. No primeiro estágio temos um ganho de 27, 95 dB, o ganho vai se somando a medida que os amplificadores são conectados em série, assim podendo chegar em até 111, 8 dB no quarto estágio.

Figura 29 – Ganho em relação a frequência dos amplificadores.

Na Figura 30 temos a relação de ganho e frequência do filtro Passa Alta de quarta ordem de ganho unitário. Podemos perceber que a frequência de corte está em 30 kHz e seu ganho é 0 dB.

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Figura 30 – Relação de ganho e frequência do filtro.

Na Figura 31 temos a relação de ganho e frequência de todos os circuitos conecta-dos em cascata, ou seja, desde a entrada no primeiro estágio de amplificação passando por todos os estágios até a saída do filtro. Podemos observar um ganho de aproximadamente 111, 8 dB e um corte em frequência em 30 kHz.

Figura 31 – Relação de ganho e frequência dos circuitos em cascata.

3.4.2 Teste funcionais

Após a montagem da PCI Analógica com os circuitos, foram realizados os tes-tes funcionais dos mesmos, primeiramente foram tes-testados os circuitos de amplificação separados, todos os estágios estavam funcionando corretamente, mas com um ganho de 19.5 dB e não de 27.95 dB como projetado, isso ocorreu pelo motivo de aproximação de valores de componentes e também pela falta de alimentação negativa dos amplificadores operacionais.

Quando os estágios de amplificação foram conectados ocorreu um problema inde-sejável: os circuitos de amplificação que eram conectados começaram a oscilar e gerar ruído

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na leitura do sinal. Amplificadores conectados em série tem tendências a se desestabilizar e começar a oscilar.

Para resolver esse problema os ganhos dos amplificadores foram alterados para 15 dB, para diminuir o ganho dos amplificadores o resistor 𝑅𝑓 da Figura 23 foi alterado para o valor de 56 kΩ, assim os ruídos gerados pelos amplificadores tiveram uma grande atenuação.

O circuito do filtro Passa Alta não apresentou problemas nos testes funcionais e funcionou como projetado.

Na Figura 32 se encontram os ganhos relativos dos estágios de amplificação em função da frequência após a alteração do ganho. Esses dados foram obtidos por teste em bancada com os circuitos. Na figura 33 temos o gráfico do filtro em função da frequência.

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Figura 33 – Ganho em função da frequência do filtro.

3.5 Ensaios

Na figura 34 encontra-se a metodologia aplicada para geração de DPs e captação das ondas ultrassônicas.

Figura 34 – Metodologia aplicada.

Com o intuito de se obter vários tipos de DPs, os eletrodos (1) e (2) da Figura 34 serão ensaiados com várias formas geométricas, essas formas estão descritas no subcapítulo (3.2). A tensão aplicada nos eletrodos será variável, assim se adaptando as diferentes distancias (𝑑) entre os eletrodos e (𝑑𝑠) entre o ponto de ocorrência de DPs e o hardware de aquisição de sinais.

Os ensaios inicias tem o caráter de certificar a eficiência do arranjo de ensaio na geração de DPs, neste momento não será captado o sinal ultrassônico. Será aplicada tensão

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nos eletrodos que estarão distanciados de 20 mm entre suas extremidades, será visualizado o início do fenômeno de DPs e o nível de tensão que elas ocorrem. Os resultados deste ensaio encontram-se no subcapítulo (4.1).

Em seguida serão ensaiados os transdutores piezelétrico e MEMS. Para o trans-dutor piezelétrico a PCI analógica será configurada com ganho de 60 dB, será utilizado o filtro passa alta com frequência de corte em 35 kHz, a configuração dos eletrodos será ponta-chapa com tensão aplicada de 9, 5 kV com distancia 𝑑 (Figura 34) de 15 mm entre suas extremidades e a distância 𝑑𝑠 (Figura 34) entre o ponto onde ocorrem as DPs e o transdutor de 25 cm. Para o transdutor MEMS as configuração são as mesma citadas acima apenas será modificado a distância 𝑑𝑠 para 2 m, pois a sensibilidade do transdutor MENS é maior. Neste ensaio será captado o sinal ultrassônico com os dois modelos de transdutores, e analisado suas características, como amplitude, periodicidade e espectro em frequência. Os resultados deste ensaio encontram-se no subcapítulo (4.2).

Por fim será ensaiado as três configuração de eletrodos ponta-ponta, ponta-chapa e chapa-chapa, e analisado os sinais ultrassônicos de cada combinação de eletrodos, em se-guida esses sinais serão processados pelo microcontrolador da PCI digital com objetivo de identificar um sinal característico de DPs. Este ensaio será realizado apenas com o trans-dutor MEMS, sua sensibilidade é maior e facilitará a leitura dos sinais, a PCI analógica será configurada com ganho de 60 dB e será utilizado o filtro passa alta com frequência de corte em 35 kHz. Os eletrodos estarão com distancia 𝑑 (Figura 34) de 15 mm entre suas extremidades, e a distância 𝑑𝑠 (Figura 34) entre o ponto onde ocorrem as DPs e o transdutor de 1 m. A tensão aplicada nos eletrodos será ajustada para forneça descargas com valores em torno de 4 nC. Os resultados deste ensaio encontram-se no subcapítulo (4.3).

3.5.1 Análise dos sinais

Os sinais ultrassônicos captados serão analisados no domínio do tempo e da frequência com o objetivo de se identificar alguma característica que relacione o sinal a DPs. Usando-se o software MATLAB serão gerados gráficos dos sinais no domínio do tempo, no domínio da frequência por meio da FFT (Fast Fourier Transformer), serão analisadas as amplitudes dos sinais captados, a faixa de frequência que os sinais se desta-cam e a periodicidade do sinal. Com isso, pretende-se associar características dos sinais nos domínios de tempo e frequência com peculiaridades dos eventos de produção das DPs. As referências de trabalhos anteriores, é notório que sinais de DPs são periódicos e seu comportamento é semelhante ao da tensão elétrica aplicada ao ponto onde ocorrem as descargas (JANUS, 2012) (LAGRECA, 2012).

Com o intuito de que o aparato eletrônico seja capaz de identificar um sinal oriundo de DPs, é necessário o desenvolvimento de um software para realizar o

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proces-Capítulo 3. Metodologia 50

samento do sinal por meio do microcontrolador da PCI Digital. O processamento será inspirado no método aplicado ao processamento de sinais cardíacos (Eletrocardiograma), especificamente o sinal Complexo QRS, onde são identificados os picos de amplitudes dos sinais e também o tempo em que os picos se repetem (AFONSO, 1993).

O software de processamento irá detectar os picos do sinal amostrado e identificar a distância temporal em que eles ocorrem, a frequência da tensão aplicada é 60 Hz desta forma os picos ocorreram em tempos de 16, 6 ms, a quantidade de picos detectados pelo software mostra a frequência em que ocorrem as rupturas dielétricas e assim pode-se estimar a intensidade das descargas. Na figura 35 temos o fluxograma do software a ser desenvolvido.

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4 Resultados e discussões

Nesse capítulo são apresentados os resultados obtidos nesta pesquisa. Os resul-tados obtidos são a geração de DPs e Arco Elétrico em laboratório, a captação de sinais ultrassônicos provenientes de DPs e Arco Elétrico e a análise e processamento dos sinais.

4.1 Geração de DPs

4.1.1 Ensaio com eletrodos ponta-ponta

O primeiro ensaio foi realizado com a configuração ponta-ponta, os eletrodos fica-ram a uma distância de 20 mm entre suas extremidades. Com tensão aplicada de 13, 5 kV notou-se um som audível ao ouvido humano característico de DPs, as extremidades dos eletrodos começaram a emitir luz com tonalidade violeta, para melhor visualização do fenômeno a luz da sala foi atenuada, assim conseguiu-se capturar a imagem da Figura 36.

Figura 36 – DPs nos eletrodos ponta-ponta com tensão aplicada de 13, 5 kV.

Apesar da imagem estar um pouco escura é possível observar dois pontos de coloração violeta e um canal ligando esses pontos, esse canal é a corrente elétrica fluindo pelo ar que circunda os eletrodos.