Tecnologia de Deteco de Corona por Ultravioleta Maior Confiabilidade para o Setor Eltrico? A Experincia de FurnasLaerte dos Santos ELETROBRAS FURNAS Marcelo O. Morais Filho ELETROBRAS FURNAS Rodolfo V. da Silva ELETROBRAS FURNAS

Apresentado em:

XX SNPTEE SEMINRIO NACIONAL DE PRODUO E TRANSMISSO DE ENERGIA ELTRICA

Verso 1.0 GSE - 14 22 a 25 Novembro de 2009 Recife - PE

GRUPO - VIII GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAES E EQUIPAMENTOS DE ALTA TENSO - GSE TECNOLOGIA DE DETECO DE CORONA POR ULTRAVIOLETA MAIOR CONFIABILIDADE PARA O SETOR ELTRICO? - A EXPERINCIA DE FURNAS

Laerte dos Santos (*) FURNAS

Marcelo de Oliveira M. Filho FURNAS

Rodolfo Vieira da Silva FURNAS

RESUMO Este trabalho apresenta a tecnologia de Deteco de Corona por UV e resultados de ensaios realizados em laboratrio e em campo, os quais mostram suas limitaes. Limitaes que, caso no sejam conhecidas e ponderadas, podem influenciar consideravelmente na anlise e diagnstico dos defeitos encontrados e consequentemente na tomada de deciso. Os ensaios em laboratrio foram realizados utilizando duas das cmeras mais comercializadas atualmente e, como fontes de radiao ultravioleta, lmpadas com diferentes comprimentos de onda para simular o efeito corona e a parte da radiao do Sol. Este trabalho mostra ainda, as diversas aplicaes da Deteco de Corona por UV no Sistema FURNAS. Aplicao na deteco de poluio em linhas e isoladores de alta tenso, na substituio do ensaio de corona visual em estatores, na monitorao da atividade eltrica em trabalhos em linhas energizadas de Corrente Alternada e Corrente Contnua, na deteco de isolamentos deteriorados, na deteco de defeitos em equipamentos de subestao e no aprimoramento de projetos de alta tenso. PALAVRAS-CHAVE Inspeo, corona, alta tenso, radiao ultravioleta. 1.0 - INTRODUO A aplicao de uma tecnologia, relativamente nova, vem crescendo no Setor Eltrico internacional e nacional. Batizada no Brasil de Deteco de Corona por Ultravioleta, uma tecnologia de gerao de imagem, no invasiva e no destrutiva que tem sido aplicada no Setor Eltrico como uma ferramenta de manuteno preditiva, com a grande vantagem de inspecionar os equipamentos em plena operao e a distncias seguras. Embora seu nome d a entender a possibilidade de apenas detectar o efeito corona, possvel detectar e visualizar outros fenmenos fsicos que liberam radiao ultravioleta. A deteco do efeito corona, de descargas parciais e de arcos eltricos so particularmente importantes ao Setor Eltrico porque podem representar perdas de energia e/ou indicao de falha ao Sistema. Em alguns casos, so motivo de aes judiciais contra a empresa responsvel, por gerar alto rudo e interferncias de rdio e TV nas imediaes da instalao eltrica. Com o mercado de energia cada vez mais exigente importante reduzir ao mximo as falhas e as perdas de energia. Os reparos, quando necessrios, devem ser programados com razovel antecedncia e executados no menor espao de tempo possvel. A Deteco de Corona por UV pode ajudar na busca dessas metas, desde que utilizada com o devido conhecimento de suas capacidades e limitaes. Infelizmente pouca informao sobre essas limitaes divulgada, da a motivao para o desenvolvimento deste trabalho.

(*) Rua Carmo do Rio Claro, n 80 CEP 37945-000 So Jos da Barra, MG Brasil Tel: (+55 35) 3523-4486 Fax: (+55 35) 3523-4409 Email: laertesa@furnas.com.br

2

2.0 - A TECNOLOGIA DETECO DE CORONA POR ULTRAVIOLETA Em geral o efeito corona, as descargas parciais e o arco eltrico so resultados da ionizao de um gs, reduzindo sua isolao e permitindo a passagem de uma corrente eltrica atravs dele. A ionizao pode ocorrer quando o gs submetido a campos eltricos elevados (ionizao por choque eletrnico), a altas temperaturas (ionizao trmica) e/ou quando os tomos ou molculas do gs absorvem energia eletromagntica suficiente para a ionizao (fotoionizao). Em sistemas eltricos de alta tenso a ionizao por choque eletrnico a mais comum devido aos altos campos eltricos envolvidos. Durante o processo de ionizao, os eltrons do gs ganham e liberam energia continuamente. Quando os eltrons liberam energia, ondas de luz so emitidas. O comprimento de onda dessa luz est relacionado ao gs que est sendo ionizado. No caso do ar, que contm cerca de 80% de gs nitrognio, o espectro de luz em sua maior parte de radiao ultravioleta (UV). Por essa razo, a tecnologia de Deteco de Corona por UV se fundamenta na deteco da radiao ultravioleta para, de forma indireta, localizar e visualizar os fenmenos eltricos que desencadeiam o processo de ionizao [2]. Por outro lado, essa tecnologia capaz tambm, de detectar outros fenmenos que produzam radiao ultravioleta. A Deteco de Corona por UV essencialmente uma cmera com tecnologia bi-espectral, isto , possui dois detectores, um sensvel radiao UV e outro sensvel radiao visvel. Ambos convertem a respectiva radiao em sinal eltrico. Os sinais eltricos resultantes so combinados, processados e convertidos em uma imagem composta, na qual se pode observar o fenmeno fsico (UV) e sua exata localizao (Visvel), Figura 1.Equipamento sob inspeo Imagem Visvel Imagens Visvel e Ultravioleta combinadas

Radiao Ultravioleta

Detector de Corona por UV

FIGURA 1 Combinao da imagem visvel e da radiao UV pela Deteco de Corona por UV. (Problema detectado em um anel anti-corona) Corforme a NBR 5461, a radiao ultravioleta est dividida em UV-A (315 a 400 nm), UV-B (280 a 315 nm) e UVC (100 a 280 nm) [1]. A faixa de operao da cmera est entre 240 e 280 nm, portanto na faixa de UV-C. O efeito corona, as descargas parciais e os arcos eltricos produzem radiao com maior intensidade na faixa de UV-A e UV-B e com menor intensidade na faixa de UV-C [4]. A razo para se escolher a faixa de UV-C a no interferncia da radiao emitida pelo Sol, uma vez que as radiaes com comprimento de onda menor que 290 nm so absorvidas pela atmosfera. Para bloquear as radiaes UV-A e UV-B do Sol, um filtro para radiaes acima de 280 nm utilizado. Assim possvel realizar inspees diurnas sem a interferncia da radiao solar. A Figura 2 mostra um tpico diagrama de uma cmera de UV.Separador radiaoLente

VIS

Detector Radiao Visvel Formao da imagem composta Imagem final

Luz UV UV

Detector Radiao UVLente

Filtro bloqueador Radiao UV Solar

FIGURA 2. Esquema simplificado de uma cmera de deteco de corona por ultravioleta.

3

Alm de visualizar o equipamento sob inspeo e o local onde est se desenvolvendo a atividade eltrica, a Deteco de Corona por UV se prope a medir o nmero de ftons detectados em um determinado perodo de tempo, abrindo a possibilidade de tornar os resultados quantitativos, o que poderia auxiliar a relacionar os defeitos encontrados com o nmero de ftons emitidos. Preocupada com a real capacidade da tecnologia e buscando uma melhor interpretao dos resultados obtidos, FURNAS, atravs do Centro Tcnico de Ensaios e Medies CTE.O, realizou ensaios em campo e em laboratrio para avaliar as limitaes e os potenciais da Deteco de Corona por UV. 3.0 - METODOLOGIA 3.1 Ensaios em campo Os ensaios em campo foram realizados durante inspees preditivas em usinas, subestaes e LTs. Quando atividades eltricas incomuns eram localizadas, dava-se incio monitorao dos parmetros de interesse. Observaes foram realizadas quanto influncia das variveis ambientais sobre as atividades eltricas e s condies de inspeo sobre os resultados qualitativos obtidos pela cmera de UV. 3.1.1 Observaes a. Como j era esperado, a intensidade do efeito corona, resultado de poluio em isoladores, mostrou uma forte influncia da umidade e chuva. b. Em casos em que a atividade eltrica era devido a irregularidades de superfcie, como o exemplo da Figura 1, foi observada uma influncia, porm, menor. importante, portanto, procurar realizar inspees em perodos do dia em que a umidade esteja alta. Para respeitar essa orientao e dependendo da regio e estao do ano, usa-se inspecionar dentro de uma janela que vai do por do Sol ao nascer do Sol, com preferncia antes do nascer do Sol, quando ocorre o ponto de orvalho. c. Em inspees noturnas a cmera de UV apresenta outra dificuldade: a sensibilidade do detector de radiao visvel. A baixa luminosidade, apesar de no prejudicar a deteco da radiao UV, prejudica muito a visualizao do equipamento sob inspeo e a exata localizao da fonte de UV. Nessa situao, uma lanterna de alta potncia deve ser utilizada para melhorar a visibilidade. importante observar que com baixa luminosidade fica difcil o ajuste de foco da cmera, o qual interfere na contagem de ftons. d. Como a maioria dos materiais utilizados em sistemas eltricos opaca para a radiao UV, defeitos cuja fonte de UV no esteja em visada direta total ou parcial para a cmera no ser detectado. e. Em geral as cmeras de UV comercializadas possuem lentes com campo de viso de ngulos reduzidos. Essa caracterstica possibilita a localizao de fontes de UV a grandes distncias. No entanto, para curtas distncias, como o caso de subestaes de baixa e mdia tenso e usinas, essa caracterstica dificulta as inspees. 3.2 Ensaios em Laboratrio Nos ensaios em laboratrio o foco foi sobre a deteco da radiao ultravioleta, propriamente dita, e os resultados quantitativos da cmera, isto , a contagem de ftons. Lmpadas de ultravioleta com diferentes espectros de emisso foram utilizadas como fontes de radiao UV. Uma lmpada (L1) com pico de emisso em 253 nm (UV-C) foi utilizada para simular o efeito corona e outros fenmenos que emitem parte da radiao nessa faixa. Uma lmpada (L2) com picos em 470, 436 e 403 nm foi usada para simular parte das radiaes do Sol e avaliar a possvel influncia nas leituras. O espectro de emisso das lmpadas foi levantado por um espectrmetro do Laboratrio de ptica de Polmeros do Departamento de Fsica da UFMG. A Figura 3 mostra o equipamento.

4

FIGURA 3 Foto do espectrmetro, Newport, modelo multi spec 77400. O espectro de emisso das lmpadas L1 e L2 apresentado nas Figuras 4 e 5, respectivamente.

Lmpada UV - L1

FIGURA 4 Espectro de emisso da lmpada L1

Lmpada UV L2

FIGURA 5 Espectro de emisso da lmpada L2 Foi confeccionada uma caixa, com um orifcio de dimetro varivel entre 1 mm e 2 mm na parte frontal, para a instalao da lmpada de UV. Duas das cmeras mais comercializadas atualmente foram usadas para detectar a radiao UV e fazer a contagem de ftons. O esquema do ensaio apresentado na Figura 6.

5

Cmera UV 1

Fonte de UV Cmera UV 2 FIGURA 6 Esquema do ensaio em laboratrio 3.2.1 Sequncia dos Ensaios a. A etapa inicial deste trabalho avaliou a possvel interferncia das radiaes de comprimento de onda da lmpada L2 na visualizao e/ou contagem de ftons pelas cmeras 1 e 2. A fonte de UV foi colocada a uma distncia de 10 m das cmeras. b. Na etapa seguinte a lmpada L2 foi substituda pela lmpada L1. As cmeras de UV foram colocadas a 10 m de distncia. O dimetro do orifcio frontal foi alternado para se determinar a influncia do dimetro da fonte de UV na contagem de ftons. c. Na seqncia, o dimetro do orifcio foi mantido fixo e o ganho das cmeras foi variado para se observar a relao com a contagem de ftons. O ajuste de ganho da cmera 1 em degraus e da cmera 2 contnuo. d. Em seguida, a distncia entre a fonte UV e as cmeras foi variada para se definir a relao entre distncia e a contagem de ftons. Nesse ensaio a atenuao atmosfrica no foi considerada, visto que as distncias foram inferiores a 40 m. e. Assim como as radiaes das diferentes regies do espectro eletromagntico, a radiao ultravioleta obedece s mesmas leis. Propaga-se em linha reta, reflete, refrata, absorvida, interfere, apresenta espalhamento de 8 feixe, pode ser enfocada e viaja, no vcuo, a uma velocidade de aproximadamente 3 x 10 m/s. Assim sendo, foi avaliado o comportamento de alguns materiais empregados no Setor Eltrico (porcelana, vidro, alumnio, cobre, acrlico e mica) com relao transmitncia e refletncia da radiao UV incidente. 3.2.2 Resultados a. No foi observada interferncia das radiaes de comprimento de onda da lmpada L2 na visualizao e/ou contagem de ftons pelas cmeras 1 e 2, mas bom ressaltar que o espectro de radiao Solar que atravessa a atmosfera se estende at cerca de 290 nm e o ensaio ideal seria com uma fonte UV que emitisse at esse comprimento de onda. b. Como j era previsto, a variao do dimetro do orifcio frontal alterou a visualizao UV e a contagem de ftons. c. A variao de ganho da cmera 1 provocou uma variao da contagem de ftons sem nenhuma coerncia, como mostra o grfico da Figura 4. Por possuir ajuste de ganho contnuo, a cmera 2 no foi ensaiada.Ganho versus Ftons/minFtons/min 25000

20000 15000 10000 5000 0

13 0

17 0

19 0

23 0

11 0

15 0

21 0

FIGURA 7 Grfico do Ganho versus Ftons/min

25 0

10

50

70

30

90

Ganho

6

d.

A variao da distncia entre a fonte UV e as cmeras resultou em uma variao da contagem de ftons, porm era esperada uma reduo da contagem com o aumento da distncia e no foi o que ocorreu, como mostra os dados da cmera 1 apresentados no grfico da Figura 8.Dis tncia ve r s us Ftons /m in

Ftons/ min 30000

25000 20000 15000 10000 5000 0 10 20 40

Ganho 100140 180 220

Distncia (m)

FIGURA 8 Grfico da Distncia versus Ftons/min em ganhos variados. e. Todos os materiais ensaiados (porcelana, vidro, alumnio, cobre, acrlico e mica) apresentaram opacidade radiao UV-C e a capacidade de refleti-la em algum grau.

3.3 Aplicaes em FURNAS A aplicao principal da Deteco de Corona por UV em Furnas tem sido a manuteno preditiva. Inspees so realizadas em usinas, subestaes e LTs, com bons resultados como mostram os exemplos da Figura 9.

(a)

(b)

(c)

FIGURA 9 (a) Isolao danificada em painel de 13,8 kV (b) Deteriorao de isolador polimrico do Banco de Capacitores (c) Cadeia de isoladores de vidro com poluio. Buscando aproveitar ao mximo as capacidades da Deteco de Corona por UV, FURNAS, atravs do Centro Tcnico de Ensaios e Medies CTE.O, tem realizado diversos ensaios na tentativa de descobrir novas aplicaes para essa tecnologia. Nos itens abaixo so apresentadas algumas dessas novas aplicaes. a. Monitoramento de trabalhos realizados em linhas energizadas. Uma vez que toda atividade eltrica pode ser visualizada, a Deteco de Corona por UV permite observar possveis falhas em isolao de equipamentos e acessrios. Foram monitorados trabalhos em linhas de CA e de CC. A Figura 10 mostra o momento de entrada no potencial em uma linha CC e CA e a grande diferena de radiao UV-C emitida nos dois casos.

7

FIGURA 10 Eletricista entrando no potencial de uma linha CC (esquerda) e CA (direita) b. Monitoramento de lavagem de isoladores de subestaes e LTs, Figura 11.

FIGURA 11 Foto da lavagem de isoladores de pedestal (esquerda) e imagem visvel e UV combinadas. c. Auxlio ao Departamento de Combate a incndio. Deteco de fogo a longas distncias e ensaios com fogo gerado por diversos combustveis, Figura 12.

FIGURA 12 Emisso de UV-C gerado por chama de GLP (esquerda) e querosene (direita). d. Monitorao de soldas dos tipos MIG/MAG, TIG, oxi-corte, plasma e eletrodo revestido com o objetivo de observar a intensidade de emisso de radiao UV-C por cada uma delas, Figura 13.

FIGURA 13 Monitoramento da emisso de UV-C em soldas.

8

e. Substituio do ensaio de corona visual, em estator de gerador, pela deteco de corona por ultravioleta, aumentando a sensibilidade dos resultados e podendo ser executado a qualquer hora do dia, Figura 14.

FIGURA 14 Monitoramento de efeito corona em estator de gerador f. Aprimoramento de projetos em alta tenso, Figura 15.

FIGURA 15 Reduo do efeito corona com a colocao da esfera anti-corona. 4.0 - CONCLUSO Como pde ser visto nas aplicaes de FURNAS, a Deteco de Corona por UV j pode ser considerada como uma ferramenta muito til para o Setor Eltrico. Contudo, importante lembrar que existem influncias atuando sobre a intensidade do efeito fsico observado (efeito corona, descargas parciais, etc.) e sobre o que realmente detectado pela cmera de UV: a radiao ultravioleta. Influncias que podem, se no conhecidas e ponderadas, alterar significantemente a anlise dos defeitos encontrados. Influncias como a tenso aplicada, densidade relativa do ar, condio de superfcie, umidade, chuva, distncia entre cmera e fonte UV, tamanho da fonte de UV e ngulo de viso. Neste trabalho os ensaios de laboratrio foram direcionados para os resultados quantitativos da Deteco de Corona por UV, isto , a contagem de ftons. Os ensaios com as duas cmeras de UV utilizadas demonstraram que a contagem de ftons apresenta resultados inconsistentes e que no deveriam ser levados em considerao na anlise dos fenmenos observados. Ainda assim, uma tecnologia que pode ajudar a aumentar a confiabilidade do Sistema Eltrico, se aplicada de forma qualitativa e no quantitativa. 5.0 - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 1 ABNT; NBR 5461 Iluminao Terminologia; CDU:628.9:001.4 - Dez/1991. 2 SANTOS, L., SANTOS D. F.; BORTONI E. C.; Estendendo a Viso Humana alm do Espectro Visvel para Aprimorar a Deteco de Falhas em Equipamentos de Alta Tenso; V CORENDE Patagonia, Argentina, 2005. 3 - SANTOS, L., Termografia Infravermelha em Subestaes de Alta Tenso Desabrigadas, Dissertao de Mestrado) Universidade Federal de Itajub UNIFEI, 2006. 4 LINDNER, M.; ELSTEIN, S.; LINDNER, P.; TOPAZ, J. M.; PHILLIPS, A. J.; Daylight Corona Discharge Imager; High Voltage Engineering Symposium, IEE 1999.