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DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GSE - 30 16 a 21 Outubro de 2005 Curitiba - Paraná GRUPO VIII
GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS - GSE
MONITORAMENTO DE PÁRA-RAIOS DE ÓXIDO DE ZINCO -
ABORDAGEM GERAL SOBRE O TEMA E DESCRIÇÃO DE UM CASO-ESTUDO
Amilton Soares Jr.* Silvério Visacro Álvaro Jorge L. Martins - Marcos Aurélio Aguiar Lucas Inácio T. Rodrigues Marcelo Alexandre Costa
Francisco Gregório de Sousa Jr. Nilton Soares da Silva
Lightning Research Center – LRC/UFMG Companhia Energética de Minas Gerais – CEMIG
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas análises e as respectivas conclusões relativas ao desenvolvimento de um projeto de pesquisa sobre técnicas de manutenção preditiva em pára-raios de ZnO. Foram testadas metodologias baseadas em termografia e na medição da parcela resistiva da corrente de fuga. Pretende-se propor, ao final do projeto, uma filosofia de substituição programada para esPretende-ses dispositivos nas subestações (69 e 138kV) da CEMIG. As técnicas escolhidas possibilitaram a realização do monitoramento e diagnóstico mantendo os equipamentos energizados, ou seja, coleta de informações para elaboração de banco de dados sem a necessidade de desligamento ou manobra no sistema.
PALAVRAS-CHAVE
Pára-raios, Monitoramento Preditivo, Termografia, Corrente de fuga. 1.0 - INTRODUÇÃO
Os equipamentos instalados nos Sistemas Elétricos de Potência são constantemente submetidos a sobretensões provenientes de ocorrências diversas, sendo a principal delas as descargas atmosféricas. Com o objetivo de se evitar que tais equipamentos sejam danificados, faz-se necessária a instalação de dispositivos de proteção. Para tal finalidade, o pára-raios tem se mostrado como o mais adequado e confiável. Garante-se, desta maneira, que não sejam estabelecidos valores de sobretensão incompatíveis com o nível de isolamento dos equipamentos. Os pára-raios são dispositivos relativamente simples do ponto de vista construtivo. Sua parte ativa é constituída de um elemento resistivo não linear que pode ou não estar associado a um centelhador em série. Em operação normal, o pára-raios tem um comportamento muito próximo a um circuito aberto enquanto que, durante seu ciclo de operação (ocorrência de solicitação), a corrente que circula pelo resistor não linear pode chegar a dezenas de quiloampères.
Segundo (1), aproximadamente 64% dos pára-raios instalados nas concessionárias de energia elétrica brasileiras (sistemas de 34,5 a 765 kV) são de SiC e 36% são de ZnO. Para o caso da CEMIG, tais valores são de 71% e 29%, respectivamente (sistemas de 34,5 a 230 kV). Adicionalmente, a referência cita que, na época (2002), o tempo médio de instalação de raios de SiC era de aproximadamente 20 anos, enquanto que, para os pára-raios de ZnO, tal grandeza era de cerca de 10 anos.
O relativo baixo índice de falha dos pára-raios quando do início de sua utilização, há vários anos, não motivou o investimento em pesquisas acerca da determinação do fim da vida útil dos mesmos. Contudo, passadas algumas décadas, a taxa de falhas vem aumentando e a necessidade de metodologias para identificação e troca de unidades degradadas se fez presente. Tais aspectos se justificam principalmente quando são consideradas as
imposições cada vez mais severas, por parte das agências governamentais, de índices relativos à qualidade da energia elétrica. Além do envelhecimento natural, a principal causa de degradação dos pára-raios é a penetração de umidade devido à perda de estanqueidade do dispositivo. Deve-se ressaltar que uma falha neste dispositivo, além de representar um curto-circuito franco, pode ser acompanhada da explosão do mesmo com o espalhamento de estilhaços, os quais podem atingir os equipamentos em volta (bucha de transformadores, por exemplo) e até mesmo as pessoas que estiverem próximas.
Parece não existir consenso entre as concessionárias de energia elétrica brasileiras com relação aos diversos aspectos relacionados à aplicação de técnicas de manutenção preditiva em pára-raios. Não são poucos os questionamentos com relação à melhor técnica, à interpretação dos dados proporcionados por cada técnica e, adicionalmente, com relação à identificação do dispositivo degradado e o momento ideal para sua troca.
Dentro desta perspectiva, este trabalho tem como objetivo apresentar alguns desenvolvimentos, assim como as respectivas conclusões, relacionados com a execução de um projeto de pesquisa dedicado à investigação de técnicas de manutenção preditiva em pára-raios. Tal investigação foi realizada segundo uma parceria entre o Lightning Research Center (LRC-UFMG) e a Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG). Tratando-se de uma primeira etapa de trabalho, foram enfocados unicamente os pára-raios de óxido de zinco (ZnO). Este projeto tem como objetivo final propor uma metodologia para mensurar o final de vida-útil dos dispositivos, de forma a proporcionar a elaboração de uma filosofia de substituição programada para as unidades. Pretende-se, com isso, reduzir os prejuízos e o registro de ocorrências de falha de pára-raios para a concessionária.
As técnicas preditivas utilizadas no projeto foram a termografia e a medição da parcela resistiva da corrente de fuga. Tais técnicas possibilitam a realização do monitoramento sem a necessidade de retirar o pára-raios de operação ou de se desernegizar o sistema. Os dados foram coletados em diversas subestações do estado de Minas Gerais e separados segundo o fabricante, modelo, classe de tensão e ano de fabricação dos pára-raios. Constatada a degradação de alguma unidade, o pára-raios em questão era substituído e encaminhado ao laboratório para a realização de testes.
2.0 - PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DOS PÁRA-RAIOS DE ZNO
Os pára-raios de ZnO, exceto por raras exceções (projetos mais antigos), não são providos de centelhadores. A não-linearidade do óxido de zinco é bastante alta, permitindo que o dispositivo apresente um alto valor de impedância quando em tensão nominal e um baixo valor para esse parâmetro quando submetido a surtos de sobretensão.
Dois tipos de invólucros podem ser encontrados: porcelana e polimérico. Os pára-raios com invólucro de porcelana, mais tradicionais, possuem uma camada de ar na região intermediária entre o invólucro e superfície lateral dos blocos. Tal construção pode levar à explosão do dispositivo quando da sua falha. Já no caso de invólucro polimérico busca-se eliminar tal camada de ar intermediária, evitando esse tipo de problema. Contudo, deve-se ressaltar que a utilização do invólucro polimérico parece ainda não ter sido totalmente aceita pelas concessionárias. É uma tecnologia nova e que ainda sofre diversos questionamentos. Os principais componentes de uma pára-raios de ZnO com invólucro polimérico são apresentados na Figura 1, adaptada de (1).
FIGURA 1 – Principais componentes de um pára-raios de ZnO (1)
Os blocos de ZnO ficam continuamente submetidos à tensão de operação do sistema. Além disso, estão também diretamente sujeitos a todo tipo de sobretensão que ocorra. Tal situação é diferente daquela encontrada para os
pára-raios de Sic uma vez que, nestes últimos, a presença dos centelhadores em série acaba por manter os blocos desconectados do sistema quando em tensão nominal ou para pequenos valores de sobretensão. Uma curva característica típica para pára-raios de ZnO, adaptada de (2), relacionado “campo elétrico aplicado” e “densidade de corrente resultante” é mostrada na Figura 2. Em termos de grandezas macroscópicas, essa curva corresponde à relação entre tensão aplicada e corrente resultante através dos blocos.
FIGURA 2 – Característica “campo elétrico” x “densidade de corrente” típica para pára-raios de ZnO (2) Pode-se distinguir três regiões diferentes na curva da Figura 2, que são as regiões de baixos, moderados e altos valores de densidade de corrente. Na verdade, cada uma dessas regiões corresponde a mecanismos físico-químicos diferentes de condução de corrente. Na região 1, de baixas densidades de corrente (correspondente à aplicação de tensões próximas ao valor nominal do dispositivo), o comportamento do pára-raios apresenta uma forte dependência com a temperatura. Nota-se que o aumento da temperatura acarreta um aumento da densidade de corrente. Na região intermediária (região 2), a tensão no pára-raios varia muito pouco, mesmo para uma grande excursão do valor da corrente. Essa região caracteriza a proteção proporcionada pelo dispositivo, pois mantém a tensão em valores relativamente controlados enquanto permite a passagem de altos valores de corrente e, conseqüentemente, o escoamento da energia associada ao surto elétrico. Por fim, na terceira região (alta densidade de corrente e alto valor de tensão aplicada), a curva volta a apresentar uma relação praticamente linear entre as grandezas. Considerações relativas aos mecanismos de condução em cada uma das regiões da curva podem ser encontradas em (3).
3.0 - PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MANUTENÇÃO PREDITIVA EM PÁRA-RAIOS DE ZNO
As diversas técnicas de manutenção existentes são usualmente divididas entre preventivas e preditivas. São chamadas de preventivas aquelas que, para serem implementadas, necessitam que o equipamento em análise seja desligado do sistema elétrico ou que, alternativamente, o sistema seja desenergizado. Por outro lado, as técnicas preditivas são aquelas que podem ser aplicadas sem as tais exigências. Essa seção trata das duas principais técnicas preditivas para monitoramento de pára-raios: a termografia e a medição da parcela resistiva da corrente de fuga.
3.1 Termografia
A termografia é um método de medição indireta de temperatura, o qual é bastante utilizado para diagnóstico em equipamentos em subestação. Particularmente no caso de pára-raios de ZnO, essa técnica é bastante útil, pois a presença de pontos quentes ao longo do corpo do dispositivo se constitui em um sinal representativo de que o mesmo já se encontra em processo de degradação. Isso acontece porque a principal conseqüência da degradação é a diminuição da resistividade do local atingido, o que resulta na circulação de uma corrente de fuga mais intensa por aquela região e, conseqüentemente, um aumento da temperatura.
A técnica consiste no registro, através de câmera especial, das emissões eletromagnéticas do objeto monitorado na faixa espectral do infravermelho térmico. Tais emissões podem então ser associadas à distribuição de temperatura no objeto e, para fins de visualização, associadas também a cores do espectro visível.
A literatura técnica (1) aponta alguns cuidados que devem ser observados na realização da inspeção termográfica de pára-raios:
− pequenas variações de temperatura podem indicar o início de degradação; − deve-se evitar realizar a medição durante períodos do dia de alta insolação;
− deve-se ajustar adequadamente o termovisor para o fator de emissividade do objeto sob inspeção; − deve-se considerar o referencial de temperatura em relação ao objeto adjacente.
− a medição é apenas indicativa do estado do pára-raios, pois a queda de temperatura entre os blocos de resistores não lineares e a superfície externa do invólucro (a qual é o alvo da medição) pode ser considerável. A termografia vem se mostrando uma técnica razoavelmente consistente. Contudo, analisar os dados obtidos e, destes, derivar conclusões e práticas não têm se mostrado trivial. A pergunta a ser respondida é: Quais seriam exatamente as características, dentro do perfil de temperatura apresentada pelo dispositivo, que indicariam que o mesmo está suficientemente degradado e deve ser trocado? Parece ainda não haver uma resposta concreta para isso. Diferentes critérios vêm sendo utilizados pelas concessionárias. Algumas levam em conta o valor absoluto da temperatura medida. Outras preferem considerar a diferença de temperatura entre as unidades “irmãs” de pára-raios (instaladas no mesmo ponto do sistema, mas em fases diferentes) ou entre as unidades e algum ponto adjacente.
3.2 Medição da parcela resistiva da corrente de fuga
Atualmente a maneira mais confiável de se medir a parcela resistiva da corrente de fuga de pára-raios de ZnO é através da medição da componente de terceiro harmônico dessa parcela. Entretanto, tal metodologia foi concebida apenas após certo tempo (1), segundo uma evolução natural de métodos anteriores, mais simplificados, os quais se mostraram inadequados.
Essa proposta de monitoramento teve início com esforços para a medição da corrente de fuga total dos pára-raios de ZnO. Conforme comentado anteriormente, a degradação do bloco tem como conseqüência o aumento do valor desse parâmetro. Contudo, percebeu-se que, na verdade, apenas a parcela resistiva da corrente sofria esse aumento. Desta forma, os esforços foram direcionados para a medição dessa grandeza. Nesse contexto, dentre as diversas técnicas desenvolvidas aquela que proporcionou resultados mais confiáveis foi a que deduzia o valor da grandeza indiretamente através da medição da sua componente de terceiro harmônico. Através de realizações teóricas e empíricas uma relação entre a componente de terceiro harmônico e a componente fundamental foi construída. Entretanto, como a metodologia se predispunha a ser preditiva (sem retirada do pára-raios de operação), a aplicação da técnica começou a ser prejudicada pelas componentes de terceiro harmônico presentes no sistema elétrico propriamente dito. Tais componentes distorciam a medição, que objetivava primariamente as componentes de terceiro harmônico que eram geradas pelo bloco não linear de ZnO. A solução para a questão apareceu com a introdução da técnica da compensação do harmônico do sistema, que foi possibilitado pelo uso de uma antena de campo capaz de detectar a parcela de terceiro harmônico que circula no sistema elétrico. Na aplicação da técnica, essa antena de campo é colocada junto à base do pára-raios. Atualmente os equipamentos comerciais que executam esse tipo de medição são o LCM-II (4) e o EXCOUNT-II (5).
4.0 - PROGRAMA DESENVOLVIDO PARA MONITORAMENTO DE PÁRA-RAIOS DE ZnO 4.1 Introdução
Um projeto cooperativo entre a UFMG e a CEMIG encontra-se em execução no Núcleo de Desenvolvimento Científico e Tecnológico em Descargas Atmosféricas (LRC - Lightning Research Center). Com uma duração total prevista para três anos, o projeto tem como um dos objetivos a investigação de aspectos relacionados à aplicação das técnicas de termografia e de medição da parcela resistiva da corrente de fuga no contexto da manutenção preditiva de pára-raios de ZnO. As técnicas vêem sendo aplicadas em uma série de pára-raios localizados nas subestações da empresa e estão sendo avaliadas quanto às suas características de aplicação e qualidade dos resultados.
O objetivo final é o desenvolvimento de uma metodologia, a ser aplicada pela empresa, de manutenção preditiva de seus pára-raios. Devem ser definidos os critérios de aplicação das metodologias de monitoramento e de identificação e troca de unidades degradadas.
Alguns desenvolvimentos, análises e conclusões relativos à execução desse projeto são apresentados nas seções seguintes.
4.2 Atividades desenvolvidas
O projeto já se encontra em fase final de execução. Uma série de atividades já foi desenvolvida, conforme listado a seguir:
− realização de ampla revisão bibliográfica envolvendo temas como “as propriedades físico-químicas dos blocos de ZnO”, “as causas e mecanismos de degradação em pára-raios de ZnO”, “os indicativos macroscópicos de degradação” e “as técnicas para monitoramento dos indicativos de degradação macroscópicos”;
− especificação e compra de equipamentos de última geração para monitoramento dos pára-raios;
− monitoramento de um amplo conjunto de unidades instaladas nas subestações da empresa (técnicas citadas nas seções 3.1 e 3.2), gerando assim um extenso banco de dados;
− ensaios laboratoriais em unidades defeituosas;
Atualmente procede-se à análise do banco de dados gerados pelos monitoramentos realizados em todo o estado de Minas Gerais. Adicionalmente, as discussões para conclusão do projeto, com a proposição de uma
metodologia para a empresa de monitoramento contínuo de suas unidades e filosofia de troca de unidades defeituosas estão em andamento.
4.3 Banco de dados gerados
O monitoramento dos pára-raios proporcionou a criação de um extenso banco de dados. Foram visitadas cerca de 90 subestações, perfazendo um número total de mais de 800 pára-raios. O trabalho de medição foi realizado por duas vezes durante o desenvolvimento do projeto. A primeira vez contou com equipamentos de monitoramento mais antigos, enquanto que a segunda utilizou equipamentos de última geração. As informações apresentadas nesse informe técnico referem-se aos dados coletados na segunda campanha.
A Tabela 1 traz alguns campos de uma planilha que era preenchida em cada monitoramento realizado. TABELA 1 – Exemplos de campos presentes na planilha de monitoramento
Subestação data da medição executores circuito
Fase tensão nominal Num. módulos fabricante
Modelo ano de fabricação corrente nominal tensão nominal
marcação no contador de descargas
temperatura ambiente componente resistiva da corrente de fuga (LCM)
umidade relativa do ar termografia (distância do alvo) termografia (foto)
A Tabela 2 apresenta os fabricantes e os modelos dos pára-raios monitorados. Percebe-se que trata-se de um número representativo de dispositivos.
TABELA 2 – Fabricantes e modelos de pára-raios monitorados
Fabricante Modelos
ABB EXLIM Q075 AV072, EXLIM Q120 A145, EXLIM Q120 AH145, EXLIM Q120 AM145, EXLIM Q120 CH145
ASEA XAP 145 A2, XAQ 145 A2, XAQ 72 A3
BBC MWE 061-11.07
Bowthorpe 2VACM 120, MBA 120
Hitashi ZLA 15F, ZLA 72, ZLA 75, ZLA X 15 S Ohio Brass VN
Siemens 3EP2 075 2PZ, 3EP2 120 2PL2, 3EP2 120 2PZ, 3EP2 120 2PZ2, 3EP4 120 2PE31 1NT1, 3EP4 120-2PL3
Toshiba RVLQC 120 VY Tridelta SB 75/10.3 4.4 Análise preliminar do banco de dados
Apesar do trabalho ainda não estar finalizado, uma série de análises estatísticas já foi realizada, as quais permitem algumas conclusões parciais de interesse. Deve-se esclarecer, contudo, que comparações envolvendo unidades pertencentes a fabricantes diferentes ou mesmo entre modelos diferentes de um mesmo fabricante devem ser realizadas com cautela, pois possivelmente não serão representativas. O fato dos projetos construtivos e tipos de materiais utilizados na fabricação variarem muito de modelo para modelo pode determinar valores bastante diversos para as correntes de fuga e para o grau de aquecimento em regime de trabalho, não implicando necessariamente maior ou menor qualidade do dispositivo.
A primeira análise realizada tentou correlacionar as informações obtidas pelas duas técnicas, na busca de uma consistência nas informações. Buscou-se verificar, em cada grupo de três pára-raios irmãos (instalados no mesmo ponto do sistema, mas em fases diferentes), se aqueles que apresentavam maiores valores de corrente de fuga (parcela resistiva) também apresentavam maiores valores para a temperatura medida pela termovisão, e vice-versa. Essa análise tem representatividade uma vez que pára-raios irmãos, em quase a totalidade dos casos investigados, são do mesmo modelo e foram fabricados e instalados na mesma data. A Tabela 3 apresenta os resultados obtidos.
TABELA 3 – Correlação corrente de fuga x temperatura
Critério Porcentagem
1) correspondência de “menor temperatura e menor corrente” 32 % 2) correspondência de “maior temperatura e maior corrente” 38 % 3) correspondência em ambos os critérios de “menor temperatura e menor corrente” E
“maior temperatura e maior corrente”
20 % 4) Ausência de correspondência em ambos os critérios de “menor temperatura e menor
corrente” E “maior temperatura e maior corrente”
49 %
Percebe-se pela Tabela 3 que a concordância entre os dados gerados através das duas técnicas é menor do que se poderia esperar. Apenas 20% dos grupos de três pára-raios irmãos analisados satisfizeram as
correspondências “maior temperatura e maior corrente” e, adicionalmente, “menor temperatura e menor corrente” (ver critério 3). Em análises menos restritivas, nas quais tais os critérios foram abordados separadamente (critérios 1 e 2), os índices encontrados não alcançaram 40%. Por outro lado, os casos em que não houve nenhuma correlação representaram 49% do total.
Tais resultados mostram que análises adicionais se fazem necessárias para promover o melhor entendimento dos aspectos envolvidos. Deve-se ressaltar, contudo, que essa análise em princípio não proporciona elementos para avaliação da eficácia de cada metodologia em separado, quando da sua aplicação continuada nos pára-raios. Numa evolução temporal de monitoramento de cada unidade, um aumento de corrente ou o aparecimento de pontos quentes na análise termográfica continuam sendo indicadores representativos o processo de degradação. A Tabela 4 apresenta os resultados individuais de correspondência “corrente x temperatura” para cada modelo de pára-raios analisado. A coluna “Porcentagem com correspondência” refere-se aos casos em que há correspondência em ambos os critérios de “menor temperatura e menor corrente” E “maior temperatura e maior corrente”. A coluna seguinte refere-se aos casos em que há ausência de correspondência em ambos os critérios. Os maiores valores de correspondência, acima de 20%, foram encontrados para alguns modelos da ABB, ASEA e OHIO BRAS. Outros modelos não apresentaram nenhum grau de concordância. Por outro lado, destaca-se o fato do grau de discordância ter sido bem acentuado. Mais uma vez é importante ressaltar que essa análise não deve ser estendida diretamente para conclusões acerca da qualidade de cada dispositivo. Diversos fatores podem ter tido influência nas medições realizadas, os quais serão alvo de análise posterior.
TABELA 4 – Resultados individuais para cada modelo analisado
Fabricante Modelo Número de dispositivos
analisados Corrente Média (μA) Porcentagem com correspondência (%) Porcentagem sem correspondência (%) BOWTHORPE MBA-120 12 58.6 0.0 0.0 BOWTHORPE 2VACM 120 15 66.0 0.0 60.0 SIEMENS 3EP2 120 2PL2 24 81.4 12.5 37.5 SIEMENS 3EP2-120-2PZ2 12 67.1 0.0 50.0 SIEMENS 3EP4 120-2PL3 3 55.7 0.0 100.0 SIEMENS 3EP2 075 2PZ 3 26.7 0.0 100.0 SIEMENS 3EP2 120 2PZ 3 60.6 0.0 100.0
SIEMENS 3EP4 120 2PE31 1NT1 3 67.2 0.0 0.0
ABB EXLIM Q075 AV072 9 28.7 0.0 0.0
ABB EXLIM Q120 AM145 73 42.4 24.7 53.4
ABB EXLIM Q120 CH145 18 44.9 16.7 16.7
ABB EXLIM Q120 A145 3 35.0 0.0 0.0
ABB EXLIM Q120 AH145 3 46.9 0.0 0.0
BBC MWE 061-11.07 15 40.9 20.0 20.0 TOSHIBA RVLQC 120 VY 3 12.3 0.0 0.0 TRIDELTA SB 75/10.3 12 36.3 0.0 75.0 OHIO BRASS VN 33 46.1 27.3 45.5 ASEA XAQ 72 A3 7 27.7 0.0 85.7 ASEA XAP 145 A2 86 125.3 31.4 34.9 ASEA XAQ 145 A2 33 79.5 9.1 45.5 HITACHI ZLA 15F 3 77.1 0.0 100.0 HITACHI ZLA 75 9 15.6 0.0 100.0 HITACHI ZLA 72 1 18.7 0.0 0.0 HITACHI ZLA X 15 S 63 60.8 14.3 38.1
As Tabelas 5 e 6 e a Figura 3 apresentam análises adicionais realizadas com o banco de dados. A Tabela 5 apresenta o valor médio da componente resistiva da corrente de fuga em função da tensão nominal do sistema onde os pára-raios estão instalados. Os pára-raios de sistemas com tensão mais alta apresentam um maior valor para esse parâmetro. Tal comportamento é esperado, uma vez que pára-raios projetados para sistemas de tensão mais elevada devem possuir maior capacidade de absorção de energia, possuindo assim os seus blocos uma maior seção reta. Com isso, um maior valor de corrente de fuga também é esperado.
TABELA 5 – Valor médio da corrente resistiva x tensão nominal do sistema
Tensão nominal do circuito (kV)
Número de dispositivos
analisados Corrente Média (μA)
69 44 38.8
138 288 72.4
A Tabela 6 e a Figura 3, por outro lado, apresentam de forma tabulada e graficamente os valores médios da parcela resistiva da corrente de fuga, em função do ano de fabricação do dispositivo, somente para pára-raios do sistema de 138 kV.
TABELA 6 – Corrente resistiva x Ano de fabricação do pára-raios Ano de Fabricação Número de dispositivos analisados Corrente Média (μA) 1981 28 51.6 1982 26 68.2 1983 0 1984 0 1985 3 48.9 1986 10 97.8 1987 13 87.0 1988 34 137.4 1989 9 63.1 1990 5 68.7 1991 3 45.0 1992 6 43.7 1993 1 26.7 1994 10 52.9 1995 18 40.2 1996 6 45.6 1997 14 55.3 1998 29 96.6 1999 12 58.6 2000 29 49.4 2001 0 2002 9 60.7 2003 0 2004 3 24.1 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Ano de fabricação Co rr e nt e m é di a (μ s)
FIGURA 3 – Corrente resistiva x Ano de fabricação do pára-raios
Apesar de esperar-se que pára-raios mais antigos apresentassem valores mais elevados para a corrente de fuga, percebe-se pelo gráfico que não é possível afirmar que tal comportamento foi concretamente obtido. É importante lembrar, contudo, que uma série de fatores são capazes de influenciar nesses resultados, principalmente com relação ao modelo do pára-raios e as condições ambientais e elétricas a que os mesmos estão submetidos (poluição, insolação, valor de tensão real de trabalho etc.). Com o objetivo de tentar minimizar a influência desses fatores, a Figura 4 apresenta o gráfico semelhante ao da figura anterior, mas considerando apenas pára-raios do modelo EXLIM Q120 AM 145 da ASEA/ABB, escolhido por possuir mais exemplares na análise.
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 Ano de Fabricação Corrente média ( μA)
FIGURA 4 – Corrente resistiva x Ano de fabricação do pára-raios – ABB EXLIM Q120 AM 145
Percebe-se, neste caso, que a expectativa de correntes maiores para pára-raios mais antigos parecia se concretizar até o ano de 1998, quando houve uma reversão na tendência. As razões para tal devem ainda ser investigadas.
A análises apresentadas nessa seção foram as primeiras realizadas com o banco de dados gerado. Análises posteriores, mais refinadas, devem ser realizadas e seus resultados publicados.
5.0 - DETECÇÃO DE UNIDADE DEGRADADA
Na subestação Divinópolis 2, o pára-raios XAP 145 A2 chamou atenção por apresentar uma corrente de fuga extremamente elevada (362 μA) e um espectro radiométrico bastante suspeito, com regiões bem definidas de temperatura elevada. Tais condições apontaram para a possibilidade do pára-raios estar em estágio avançado de degradação.
A unidade foi levada para laboratório onde foi submetida, desmontada e monitorada por um período de 35 dias, onde verificou-se que os valores de corrente de fuga e variação de temperatura não retrocederam, confirmando-se assim a necessidade de substituição do dispositivo.
6.0 - CONTINUIDADE DA INVESTIGAÇÃO
O trabalho realizado motivou os autores a propor uma continuidade para a investigação. Além da análise mais aprofundada do banco de dados gerados, foi elaborado um novo projeto de pesquisa, também de duração total de três anos, para monitoramento de pára-raios.
O objetivo agora é aplicar a técnica de monitoramento por termovisão, tanto para pára-raios de óxido de zinco (ZnO) quanto de carbureto de silício (SiC), através do desenvolvimento de dispositivos de monitoramento autônomo de baixo custo. Estes seriam instalados junto aos pára-raios e procederiam ao monitoramento periodicamente, realizando tratamento das imagens radiométricas obtidas para comparação automática e detecção de degradação.
7.0 - CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou algumas análises relativas ao monitoramento de pára-raios de ZnO através das técnicas de termovisão e medição da parcela resistiva da corrente de fuga. Um extenso banco de dados foi gerado com o monitoramento de mais de 800 unidades de pára-raios em 90 subestações de energia. Os resultados obtidos até o momento são de extremo interesse, por possibilitarem a análise individual de cada técnica e a correlação entre as duas. A CEMIG vêm intensificando cada vez mais os estudos em técnicas de monitoramento preditivas de pára-raios em serviço, aumentando a confiabilidade do sistema e reduzindo, de modo significativo, os custos operacionais da empresa, através da retirada dos equipamentos de serviço, antes da ocorrência de sua falha. A continuidade do projeto deve constituir-se na construção de dispositivos de monitoramento autônomo baseados na técnica de termovisão.
8.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) FRANCO, J. L. de, apostila do curso “Curso sobre Pára-Raios – Aplicação em Subestações”, CEMIG, 09 a 12 de julho de 2002 – Belo Horizonte, Brasil.
(2) FRANCO, J. L. de, “Estudo das propriedades elétricas do varistor de ZnO na região de baixas tensões aplicadas”, tese de mestrado, Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande, 1993, Brasil.
(3) LEVINSON, L. M., PHILIPP, H. R., “The physics of metal oxide varistores”, Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 3, Março 1975.
(4) “http://www.transinor.no”. (5) “http://www.abb.com”.
