2.3 Mecanismos Das Descargas Parciais

8/2/2019 2.3 Mecanismos Das Descargas Parciais

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CARACTERIZAO DOS SINAIS DE DESCARGAS PARCIAIS EMEQUIPAMENTOS DE ALTA TENSO A PARTIR DE MODELOS

EXPERIMENT AIS

Walter Martin Huamn Cuenca

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAO DOSPROGRAMAS DE PS-GRADUAO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADEFEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOSNECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE DOUTOR EMENGENHARIA ELTRICA.

Aprovado por:

.Sc.

Dr. wii~ D.Sc.

~~~~?J,Prof. L~~~~~~S~.

Rio de Janeiro, RJ -BRASIL.Junho de 2005


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ii

HUAMN CUENCA, WALTER MARTIN

Caracterizao dos Sinais de Descargas

Parciais em Equipamentos de Alta Tenso a partir

de Modelos Experimentais [Rio de Janeiro] 2005

XIV, 140 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, D.Sc.,

Engenharia Eltrica, 2005)

Tese - Universidade Federal do Rio de

Janeiro, COPPE

1. Caracterizao de Sinais 2. Descargas Parciais

3. Modelos experimentais 4. ICA/PCA e IA 5.

Eliminao de rudos 6. Gerador e Transformador

I. COPPE/UFRJ II. Ttulo (srie)


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iii

A meus queridos pais, Jorge e Gabriela, a

minha mais profunda gratido pelo grande

esforo em brindarem uma valiosa formao

profissional e uma verdadeira lio de vida e a

minha amada famlia Karyn e Adriana.

A mis queridos padres, Jorge y Gabriela mi ms

profunda gratitud por el grande esfuerzo que

me brindaron, una valiosa formacin profesional

y una verdadera leccin de vida y a mi amada

familia Karyn y Adriana que siempre estuvieron

a mi lado.


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iv

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Sandoval Carneiro Jr, orientador deste trabalho, por suas valiosas

sugestes e crticas ao longo da execuo deste trabalho.

Ao Prof. Jos Manoel de Seixas, tambm orientador, pela confiana em mim

depositada e pelo grande aprendizado durante todo este tempo de convvio, alm de

demonstrar um constante apoio e incentivo no encaminhamento no mundo das

publicaes de artigos e, desenvolvimento deste trabalho.

Agradeo a Alain Fraois S. Levy, pela colaborao constante no

desenvolvimento dos modelos experimentais e na execuo das medies.

Ao Professor Carlos Portela, pelo ensino, pela ateno e pelos esclarecimentosdas ambigidades em descargas parciais.

Agradeo, em geral, COPPE pela oportunidade de me aceitarem como

estudante de doutorado e pela grande experincia no ensino. Tambm agradeo ao

CEPEL/DIE pela valiosa ajuda e aceitao como bolsista oferecendo suporte financeiro,

instalaes de informtica e laboratrios para a realizao deste trabalho, com muita

satisfao.

Agradeo ao coordenador da rea de conhecimentos de eletro-tcnica, pelahabilitao e permisso de efetuar este trabalho, desenvolvido dentro do projeto

(Sistema Inteligente de Diagnstico Projeto CEPEL 2094).

Aos colegas que tiveram sua compreenso e pacincia em me suportar.


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v

Resumo da Tese apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessrios

para a obteno do grau de Doutor em Cincias (D.Sc.)

CARACTERIZAO DOS SINAIS DE DESCARGA PARCIAIS EM

EQUIPAMENTOS DE ALTA TENSO


Junho/2005

Orientadores: Sandoval Carneiro Junior

Jos Manoel de Seixas

Programa: Engenharia Eltrica

Nesta tese so realizados estudos de aplicao de mtodos e tcnicas de

processamento de sinais, viveis para caracterizar as fontes de sinais de descargas

parciais (DPs). Destaca-se a importncia da deteco e medio dos sinais de DPs e o

problema de rudos sobre estes, uma vez que o rudo um dos principais obstculos na

caracterizao destes sinais, assim como nos sistemas de medio, monitorao e

diagnstico de equipamentos em alta tenso. Alm dos mtodos tradicionais de

processamento de sinais, emprega-se a anlise de componentes independentes (ICA),

propondo-se um modelo de sistema integrado para explorar e caracterizar fontes de

sinais de DPs. Para a realizao deste trabalho, utiliza-se um banco de dados contendo

observaes proveniente de medies experimentais dos padres de defeitos de DPsmais representativos em transformadores e geradores.

Vale ressaltar que a pesquisa alm de estar orientada para sistemas de medio

pode tambm ser aplicada para os processos de monitorao, diagnstico de

equipamentos e para fins de purificao e compactao (qualidade de informao) em

certos bancos de dados.


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vi

Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)

CHARACTERIZATION OF THE SIGNALS OF PARTIAL DISCHARGE IN HIGH

VOLTAGE EQUIPMENTS


June/2005

Advisors: Sandoval Carneiro Junior

Jos Manoel de Seixas

Department: Electric Engineering

In this thesis are realized studies of application of methods and techniques in the

processing of signal, viable to characterize the sources of signals of partial discharge

(DPs). Stand out the importance of the detection and measurement of the signals of DPs

and the problem of noise upon those. The noise is the principal obstacles in

characterization, so as in measurement systems, monitoring and diagnostic of the

equipments in high voltage. Besides the traditional methods, for the processing of the

signals, the independent components analyzes (ICA) is used, in order to investigate and,

for propose a model of integrated system to explorer and to characterize DPs signals

sources. In order to realize this works, advantage is taken of a data bank including

observations derived of the experimental measurements of the fault patterns in DPs

more representatives in power transformer and hydro generators.The investigations, be important for measurement systems, can also be applied

for monitoring, equipment diagnosis and purpose to compact data banks (quality

information).


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vii

ndice

AGRADECIMENTOS.................................................................................................. iv

ndice ............................................................................................................................. vii

Lista de Figuras .............................................................................................................. x

Lista de Tabelas ............................................................................................................ xii

Captulo 1 Introduo................................................................................................... 11.1 Viso Global e Motivao ................................................................................ 2

1.2 Objetivo ............................................................................................................ 41.3 Contribuies.................................................................................................... 51.4 Escopo da Tese ................................................................................................. 5

Captulo 2 Reviso Literria e Conceitos Bsicos ...................................................... 82.1 Reviso Literria e Inovaes........................................................................... 92.2 Reviso Terica .............................................................................................. 132.3 Mecanismos das Descargas Parciais .............................................................. 13

2.3.1 Ionizao dos tomos de um material isolante ....................................... 132.3.2 Algumas consideraes sobre o Campo Eltrico ................................... 17

2.3.3 O campo eltrico e o meio em que ele se encontra ................................ 172.3.4 O campo eltrico e a geometria dos eletrodos........................................ 202.4 Tipos das Descargas Parciais.......................................................................... 212.5 Conceito de Descargas Parciais...................................................................... 232.6 Deteco e Medio de Descargas Parciais.................................................... 252.7 Causas e Conseqncias de Descargas Parciais ............................................. 272.8 Circuitos de Medio e Ensaios de DPs ......................................................... 282.9 Interferncias na Deteco de DPs e Formalizao do Problema .................. 33

Captulo 3 Modelos Experimentais............................................................................ 353.1 Deteco de Descargas Parciais ..................................................................... 35

3.2 Medio de Descargas Parciais Atravs de Modelos ..................................... 363.3 Modelagem de Defeitos Tpicos..................................................................... 37

3.3.1 Clula Teste de Ensaio ........................................................................... 373.3.2 Barras de Prova....................................................................................... 38

3.4 Calibrao do Circuito de Ensaio ................................................................... 40

Captulo 4 Pesquisas Anteriores e Classificadores Inteligentes em DPs ................ 434.1 Princpios de Reconhecimento de Padres..................................................... 434.2 Classificadores e Reconhecimento de Padres Inteligentes........................... 44

4.2.1 Redes Neurais Artificiais........................................................................ 444.2.2 Hbridos Neuro-Fuzzy (MANFIS) ......................................................... 464.2.3 Simulated Annealing em DPs................................................................. 474.2.4 Simulated Annealing e MANFIS ........................................................... 49


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viii

4.2.5 Algoritmos Genticos e MANFIS em DPs............................................. 49Montagem de um Algoritmo Gentico............................................................... 50Implementao de AGs no MANFIS ................................................................. 50

Captulo 5 Caracterizadores de Sinais e Tratamento de Rudos ............................ 51

5.1 Pr-Processamento de Dados em DPs............................................................ 525.2 Compactao de Dados por Fatores Principais .............................................. 525.3 Anlise de Componentes Principais ............................................................... 535.4 Introduo a Separao Cega de Fontes......................................................... 545.5 Caracterizadores de Sinais em Fontes de DPs................................................ 565.6 Fundamentos - Tcnicas de Caracterizao.................................................... 56

5.6.1 PCA Linear............................................................................................. 56Fundamentos da Anlise de Componentes Principais........................................ 57

5.6.2 PCA por Redes Neurais e PCA No Linear ........................................... 605.6.3 Filtros Casados ....................................................................................... 61

Deteco de rudos impulsivos por MF.............................................................. 61

5.6.4 Anlise de Componentes Independentes................................................ 635.6.5 Separao Cega de Fontes ...................................................................... 64

Identificabilidade e ambigidade do modelo ICA.............................................. 66Indeterminaes no modelo ICA........................................................................ 67Funes Objetivo em ICA.................................................................................. 67

5.6.6 Algoritmos ICA ...................................................................................... 71Algoritmo do Infomax........................................................................................ 71Algoritmo do FastICA........................................................................................ 72Algoritmo do JADE............................................................................................ 73

5.6.7 Extenso de Algoritmos ICA Noisy_ICA ........................................... 745.6.8 ICA para dados contaminados por rudo ................................................ 74

Rudo de Sensor frente a Rudo de Fonte ........................................................... 74Remoo do Bias................................................................................................ 76Estimao das componentes independentes por funes shrinkage................... 77

Captulo 6 Caracterizadores: Implementao e Resultados ................................... 796.1 PCA para Identificar Sinais de DPs em Transformadores de Potncia.......... 79

6.1.1 Componentes Principais ......................................................................... 816.1.2 Mapeamento dos Componentes Principais............................................. 836.1.3 Classificao Neural ............................................................................... 856.1.4 Concluses Referentes a PCA................................................................ 88

6.2 Caracterizador por Filtros casados em Identificao DPs.............................. 886.2.1 Sistema Discriminador Hbrido de Sinais .............................................. 886.2.2 Resultados do Sistema Caracterizador Hbrido...................................... 916.2.3 Concluses referentes ao sistema MF/ANN........................................... 94

6.3 Caracterizador ICA para Extrao Cega de Rudos ....................................... 956.3.1 Representao como um Problema BSS ................................................ 966.3.2 Descrio do ICA no-Holonmico ....................................................... 976.3.3 Separao de Fontes e Rudos .............................................................. 1006.3.4 Relao SNR e Crosstalks .................................................................... 1006.3.5 Seqncia experimental........................................................................ 1006.3.6 O ICA como Extrator de Rudos .......................................................... 102

6.3.7 Resultados Referentes ao ICA.............................................................. 1036.4 Caracterizador de Fontes Ruidosas de DPs por ICA Shrinkage................... 106


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ix

6.4.1 Descrio do ICA Shrinkage ................................................................ 107Modelos de densidade esparsa.......................................................................... 107Modelo duplo laplaciano para remoo de rudos em DPs .............................. 112

Captulo 7 Concluses e Anlise dos Resultados .................................................... 114

7.1 Escopo para Trabalhos Futuros .................................................................... 116

Apndice A Conceitos Bsicos de Estatstica para Mtodos de Separao deFontes........................................................................................................................... 117

A1.1 Introduo................................................................................................ 117A1.2 momentos e cumulantes........................................................................... 117A1.2.1 Momentos ............................................................................................. 118A1.2.2 Cumulantes ........................................................................................... 119A1.2.3 Distribuies de probabilidade multivariavel. Cumulantes cruzados... 121A1.3 Funes de densidade de probabilidade de sinais aleatrios................... 124A1.3.1 Sinais com densidade de probabilidade uniforme. ............................... 124

A1.3.2 Sinal com densidade de probabilidade gaussiana (normal).................. 125A1.3.3 Funo de densidade de probabilidade gamma. ................................... 127A1.3.5 Funo densidade de Probabilidade ..................................................... 131

Apndice B Publicaes em Congressos............................................................. 133B1.1 Artigos em Congresos.............................................................................. 133

Referncias Bibliogrficas ......................................................................................... 135


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x

Lista de Figuras

Figura 2.1 tomo de um material dieltrico a) tomo no polarizado. b) Foras no

tomo quando se aplica E

[1].......................................................................... 15Figura 2.2 Processo de avalanche de eltrons iniciado a partir de um eletrodo negativo

a) Incio. b) Formao de um par de eltrons Impacto de um eltron com umtomo neutro libera um eltron adicional e deixa um on positivo para trs. c)Multiplicao Os eltrons se movem criando ons positivos quando semultiplicam....................................................................................................... 15

Figura 2.3 Fronteira entre dois meios dieltricos diferentes. ...................................... 19Figura 2.4 Eletrodo ponta-plano. [1] ........................................................................... 20

Figura 2.5 Eletrodos: duas pontas paralelas com resistores e um eletrodo plano [1].. 21Figura 2.7 Descargas em materiais isolantes slidos (treeing channels): Trajetria depropagao de uma treeing channels em volta de uma barreira de base demica. ................................................................................................................. 23

Figura 2.8 Sinais de DPs: (a) Pulsos intermitentes medidos em ultra-alta freqncia,(b) Queda de potencial por DPs em cavidades, (c) e (d) mapeamento tpicos deDPs gerados por modelos experimentais.......................................................... 24

Figura 2.9 Circuitos bsicos de medio de DPs [16]. a) Impedncia Z de medio emsrie com o capacitor C de acoplamento. b) Impedncia de medio Zm emsrie com o equipamento sob ensaio. c) Circuito de ensaio equilibrado ou

balanceado. ....................................................................................................... 29

Figura 2.10 Esquema de medio de DPs para transformadores no campo................ 31Figura 2.11 Localizao de descargas por sensores de campo eltrico....................... 32Figura 2.12 Corte transversal e longitudinal de barras estatricas de gerador, zonas

possveis de formao de DPs.......................................................................... 33Figura 2.13 Classificao rudos em deteco de sinais DPs [32], [30]...................... 34Figura 3.1 Circuito bsico de medio de DPs em geradores: Estratgia praticada no

enrolamento estatrico da fase C no gerador U10 na usina Itaipu [35], onde AT(alta tenso), NC (cubculo de neutro), P (acoplador de 9 nF) e T (acoplador de150 nF-fase e 160 nF-neutro). .......................................................................... 35

Figura 3.2 Enrolamento estatrico, onde cada fase constitudo por um conjunto debarras. ............................................................................................................... 36

Figura 3.3 Mapas digitais de DPs obtidos pelo ICM: (a) DPs em 3-D ),,( Nqf e (b) Mapa 2-D ),( qH . ............................................................................................. 37

Figura 3.4 Clulas de ensaio para medies de DPs reais. a) Ponta flutuante b) Pontaplana c) Ponta terra........................................................................................... 38

Figura 3.5 Modelos experimentais por barras de prova para reproduzir defeitos tpicosno enrolamento estatrico de geradores. .......................................................... 39

Figura 3.6 Montagem de barra de prova e dos capacitores de acoplamento. .............. 40Figura 3.7 Diagrama do circuito de ensaio e calibrao [17], [43], Ck capacitor de

acoplamento...................................................................................................... 41Figura 4.1 Rede neural artificial .................................................................................. 45Figura 4.2 - Sistema Hbrido Neuro-Fuzzy MANFIS ................................................... 47Figura 4.3 Simulated annealing estocstico de uma funo de energia [40]............... 48Figura 5.1 Banco de filtros casados para deteco de rudos pulsantes [72]............... 63


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xi

Figura 5.2 Modelo bsico BSS sem rudo. Sinais no observveis: S, observaes: X,sinais fonte estimadas: y.................................................................................. 64

Figura 5.3 Modelo bsico do BSS instantneo linear com componente de rudo [53] 65Figura 6.1 Amostras de mapas caractersticos dos padres FL, PP e PT originais (a

esquerda) e reduzidos ( direita). ..................................................................... 80

Figura 6.2 - As primeiras componentes apresentam as maiores energias E[C2

]. maioresenergias E[C2]................................................................................................... 82Figura 6.3 - As primeiras componentes apresentam as maiores porcentagens das

varincias.......................................................................................................... 83Figura 6.4 - Os nove primeiros componentes apresentam maiores porcentagens das

varincias.......................................................................................................... 84Figura 6.5 - Componentes principais do PC10 ao PC18. ............................................... 85Figura 6.6 - Esquema do classificador baseados em CPs e RN. .................................... 85Figura 6.7 - Eficincia mdia de classificao em funo do nmero de componentes

principais. ......................................................................................................... 87Figura 6.8 - Filtro casado linear. ................................................................................... 89

Figura 6.9 - Sistema discriminador hbrido: MF+ANN ................................................ 90Figura 6.10 - Sadas dos filtros ,h FL PPh e PTh quando o sinal de entrada FL. ........... 92Figura 6.11 - Sadas dos filtros ,h FL PPh e PTh quando o sinal de entrada PP ............ 93Figura 6.12 - Sadas dos filtros ,h FL PPh e PTh quando o sinal de entrada PT. ........... 94Figura 6.13 Fontes de DPs provenientes das medies no gerador U10 da usina Itaipu

(conforme Tabela 5.6). ..................................................................................... 96Figura 6.14 Espao homogneo das matrizes, dB o espao de tangentes [85]......... 99Figura 6.15 Amostra de fontes com 20% de rudo.................................................... 101Figura 6.16 Fontes estimadas com SNR 13,40dB pelo ICA sem pr-branquamento.

........................................................................................................................ 102

Figura 6.17 Fontes estimadas com SNR 5dB pelo ICA sem pr-branquamento. ..... 104Figura 6.18 Fontes estimadas com SNR 13,40dB pelo ICA sem pr-branquamento......................................................................................................................... 104

Figura 6.19 Esquerdo: Observaes com 40%-6,29dB de rudo, Direito: Fontesestimadas pelo ICA no-holonmico com SNR= 6,29dB.............................. 105

Figura 6.21 Dado coletado de DPs: histograma com 256x256 canais (bins)........... 108Figura 6.22 Modelo duplo gaussiano ........................................................................ 108Figura 6.23 Modelo laplaciano para Noisy_ICA em dados DPs............................... 109Figura 6.24 Modelo gaussiano para resduos em dados DPs .................................... 109Figura 6.25 Modelos de componentes esparsos. Linha slida: densidade laplaciana.

Linha traada: uma tpica densidade moderadamente esparsa (super-gaussiana).

Linha de traada e pontilhada: uma densidade tpica fortemente esparsa (super-gaussiana). Linha pontilhada: densidade gaussiana para referencia [80], [76]......................................................................................................................... 110

Figura 6.26 Funes shrinkage. Linha da cor vermelha: correspondente densidadelaplaciana. Linha da cor azul: shrinkage correspondente densidademoderadamente esparsa (supergaussiana), linha da cor preta: shrinkagecorrepondente densidade fortemente esparsa (supergaussiana). Linha coramarela: Linhas de referencia x=y, x=0, [76]. ............................................... 111

Figura 6.27 Famlia de Funes shrinkage................................................................ 112Figura 6.28 Modelo de funo proposto para remoo de rudos ............................. 113Figura 6.29 fonte estimada pelo caracterizador ICA Shrinkage................................ 113


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xii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 Permissividade de meios dieltricos.......................................................... 18Tabela 2.2 Rigidez dieltrica de diversos materiais dieltricos comuns ..................... 20Tabela 6.1 Conjuntos de caracterizao e validao................................................... 81Tabela 6.2 - Eficincia de classificao para cada padro usando-se cinco componentes

principais .......................................................................................................... 86Tabela 6.3 - Eficincia de classificao para cada padro considerando-se sete

componentes principais .................................................................................... 87Tabela 6.4 - Eficincia parcial alcanada por cada padro na sada da rede neural....... 93Tabela 6.5 - Comparao de desempenhos entre as tcnicas de reconhecimento padro

(PCA+ANN) e o discriminador hbrido (MF+ANN)....................................... 94Tabela 6.6 - Fontes de Sinais de DPs ............................................................................. 95Tabela 6.7 - Parmetros Estatsticos e desempenho por Crosstalks............................. 103Figura 6.20 Ganho obtido pelo caracterizador 30,43dB : Direita: Fontes originais

Esquerda: Fontes estimadas com 6,29DB de rudo. Entre estes duas fontestiveram ganhos que podem observar-se visualmente. .................................... 105

Tabela 6.8 Quadro comparativo de trs Modelos ICA............................................. 106


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Acrnimos e Smbolos

DPs Descargas Parciais ou Sinais de Descarga ParcialDP Descarga ParcialPT Eletrodo de Ponta a Terra - ClulaPP Eletrodo de Ponta Plana - ClulaPF Eletrodo de Ponta Flutuante ClulaRF Rdio InterfernciaRLC Impedncia de Deteco Resistiva, Indutiva e Capacitiva.RC Resistiva e Capacitiva de Banda Larga de FreqnciasSIG Subestaes Isoladas a Gs

V Diferena de potencialq0 Amplitude de Carga eltrica

ICM Nome de Fabricao do Instrumento de Medio de Descargas Parciais

RNA ou ANN Rede neural artificial (Artificial Neural Network)GHA Algoritmo hebbiano generalizado (Generalized Hebbian Algorithm)ICA Anlise de Componentes Independentes (Independent ComponentAnalysis)BSS Separao Cega de Fontes (Blind Separation Source)HOS/HOSA Estatstica de ordens superiores ou altas ordens (High order Statistics)MF Filtro Casado (Matched Filter)

ME Mxima Entropia (Maximum Entropy)MI Informao Mtua (Mutual Information)ML Mxima Semelhana (Maximum Likelihood)PCA Anlise de Componentes Principais (Principal Components Analysis)FA Anlise de Fatores (Factors Analysis)RMS Erro quadrtico Mdio (Root Mean Square)SNR Relao Sinal/Rudo (Signal to Noise Rate)MANFIS Sistema de Inferncia Fuzzy de MandamiAG ou GA Algoritmo GenticoSA Simulated Annealing

Desvio padro Funo de contraste

Valor mdio(x,y) Funo de pertinncia fuzzy

(,2) Distribuio gaussiana de media y varincia 2(m) Ganho de aprendizagem no instante m0 Funo de contraste ortogonal2 Varincia

j Valores prprios ou Autovaloresyi,k Cumulante (auto-cumulante) de ordem kda varivel aleatriayi


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xiv

valor mdio da varivel aleatria siA Matriz de misturaB Matriz de reconstruo das fontes a partir das observaesC1k[y]=Cum[y1,,yk]=y,1k Cumulante de ordem k das variveis aleatriasy1,,ykD Matriz diagonal

D(f1||f2;B) Divergncia de Kullback-Leibler entre as funes de distribuiof1yf2expressa em funo de BE{x} Esperana matemtica da varivel xe=(ei)

T Vetor de sinais observadasA-1 Inversa de uma matriz de AAT Matriz transposta de A;sT vetor transposto de sFs Freqncia de amostragem

fsi(ssi) Funo de densidade de probabilidade do sinal aleatrio siH(X) Entropia do sinal Xh(X) Entropia diferencial de X

I(X;Y) Informao mtua entre X e YI Matriz diagonal unitriaL() Funo logartmica de mxima semelhanam Nmero de amostra, passo de iterao t=mTsM Nmero de amostrasn=(ni(t))

T Vetor de rudonc Nmero de classesP Matriz de prestaes

p Nmero de fontesR Matriz de correlaos=(si)

T Vetor de fontes o sinais originaismx(M) ndice de valor mximoTs Perodo de amostragemU(sm, sM) Distribuio uniforme de faixa [sm, sM] vetor sinal de rudoV Matriz de transformao de branqueioW Matriz de pesos de uma rede neural ou matriz que estima a matriz de misturaA, dependendo do contexto.

y=(yi)T Vetor de sinais recuperados ou estimados

Z Matriz de permutaoz Vetor de sinais branqueados


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Captulo 1Introduo

Nesta tese, so realizados estudos de aplicao de alguns mtodos e tcnicas,

baseados em processamento de sinais e inteligncia artificial, com o propsito de se

conseguir caractersticas dos fenmenos de Descargas Parciais (DPs) mais prximas da

sua natureza.A importncia que envolve os fenmenos de DPs em equipamentos de alta tenso

motiva os fabricantes e, especialmente, as concessionrias do setor eltrico que lidam

com estes equipamentos a prestar uma maior ateno em sua preveno, preservao e

tambm sua administrao do tempo de vida til. Assim, deteco e medio de DPs,

atualmente, uma das ferramentas mais utilizadas, tanto em laboratrios como no

campo, para detectar defeitos que possam ter sido originados na fabricao e/ou servio

desses equipamentos. A maioria dos casos de deteco e/ou medio dos sinais de DPsesto corrompidos por outros fenmenos parasitas acoplados, geralmente sinais de rudo

que contaminam o sinal desejado. Muitas vezes o rudo se apresenta com maior

amplitudes e elevadas taxas de acumulao, com respeito aos sinais de DPs, o que

dificulta a deteco dos sinais desejados e conseqentemente sua caracterizao.

Diversos estudos para tratamento e filtragem de rudos vem utilizando

convencionais filtros analgicos at os mais sofisticados com tecnologia digital. Mesmo

assim, os rudos acoplados so difceis de serem minimizados ou removidos, tal comoacontece nos casos em que no se conhece nenhum de seus parmetros.

Por outro lado, h necessidade de garantir a robustez no funcionamento e na

qualidade do servio de energia eltrica. Tanto que novos estudos para medio,

deteco e interpretao de DPs tm sido empreendidos por muitas fontes de pesquisa.

Conseqentemente, diversos avanos na tecnologia digital em hardware e software

esto sendo adotados para se buscar novas estratgias que conduzam a minimizar e/ou

eliminar os rudos parasita, sendo esta tese um destes empreendimentos.


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Captulo 1 Viso Global e Motivao

2

A tese desenvolve uma estratgia na tentativa de avaliar o desempenho de

algumas ferramentas que ajudam a caracterizar os sinais de DPs, especialmente

focalizando sua possvel integrao para os sistemas de medio no campo ou

laboratrio. As fontes de informao, utilizadas nesta pesquisa, so provenientes de

alguns equipamentos de alta tenso, tais como geradores, transformadores e modelos

experimentais representativos de fontes de DPs.

A seguir, descreve-se o roteiro da tese apresentando uma viso global do marco

situacional e motivao do trabalho de pesquisa, assim como os objetivos, contribuies

e o escopo geral que compreende os captulos da dissertao.

1.1 Viso Global e Motivao

A indstria de potncia, neste novo cenrio de economia de mercado, traz fortestendncias, incertezas e novas funes que so impostas com o intuito de gerar maiores

utilidades eltricas, provocando mudanas obrigatrias em sua infra-estrutura de

comunicao e informao. Expandir redes de servios, como diagnstico e medies

remotas, em tempo real, e monitorao, leva necessidade de se ter maior largura de

banda nas redes de comunicao e em certos instrumentos de medio, para torn-los

mais eficientes e persuasivos. Novas aplicaes de controle e proteo remotas em

tempo real tambm reforam esta necessidade.O atual cenrio do mercado brasileiro, envolvendo desregulamentao e

privatizao, trouxe novos desafios visando maior utilidade e drstica reduo nos

custos de manuteno dos equipamentos. Os nveis de manuteno se tornaram

indicadores de reestruturao e qualidade gerencial nas empresas concessionrias de

energia eltrica. A reduo da manuteno a nveis timos o desafio que as empresas

tm que buscar continuamente. Para este propsito, estender o tempo de servio (vida

til) e o tempo entre manutenes dos equipamentos de alta tenso (geradores,

transformadores, etc.) so imposies para novas condies de servio.

Conseqentemente, essas novas condies, somadas a um possvel crescimento da

demanda, fazem com que os equipamentos trabalhem com sobrecarga por longos

perodos de tempo. Alm disso, projetos de equipamentos, atrelados a normas

deficientes impostas pelos fabricantes fazem com que estes no sejam adequados para

condies crticas de funcionamento. Por conseguinte, estes e outros fatores podem

conduzir a um aumento dos riscos de falha, degradando os componentes isolantes,


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Captulo 1 Viso Global e Motivao

3

causando a perda de suas propriedades eltricas e mecnicas e, contribuindo para uma

possvel formao de DPs e perdas econmicas.

Neste cenrio de mudanas, cada vez mais o uso de tcnicas adequadas de

medio, monitorao e diagnstico do estado operativo dos sistemas e equipamentos

eltricos, com a finalidade de melhorar sua confiabilidade e reduzir o nmero de

paradas no programadas e eventuais faz-se necessrio.

Atualmente, as empresas de energia eltrica esto prestando cada vez mais

ateno na preservao de seus equipamentos mais importantes, especialmente

transformadores de potncia, disjuntores e geradores, para garantir um servio contnuo

de energia eltrica, ainda com uma tmida inverso no monitoramento e automao de

suas subestaes.

DPs podem ser sintetizadas como sinais eltricos pulsantes incompletos,

intermitentes e rpidos, da ordem dos nanosegundos, que ocorrem pela proximidade

entre duas partes condutoras de eletricidade e o meio isolante, atravs do efeito de

ionizao em cavidades gasosas, no interior dos materiais isolantes e nas interfaces

condutor-isolante ou isolante-isolante [1].

Medir DPs uma das ferramentas mais importantes para o diagnstico de

equipamentos de alta tenso como hidrogeradores, transformadores e disjuntores. Os

sinais de DPs ajudam a revelar o envelhecimento prematuro dos materiais isolantes,

defeitos de fabricao, assim como prevenir sadas de servio no programadas. DPs

vm sendo pesquisadas por vrias dcadas, formando-se linhas de pesquisa em medio,

deteco e localizao. A realizao de uma medio de DPs em equipamentos de alta

tenso no s dificultada pela acessibilidade e complexidade dos circuitos internos,

como tambm por diversas fontes de rudo poluentes, que se acoplam ao sinal e ao

sistema de medio. Instituies de pesquisa e fabricantes de equipamentos de medio

de DPs trouxeram avanos significativos na eliminao de alguns tipos de rudos,atravs de tcnicas de processamento digital; porm, estes avanos tecnolgicos esto

conduzindo para a diversificao que, se por um lado abre novas formas possveis de

ver o fenmeno de DPs. Por outro, inibe o estabelecimento de procedimentos padro

com relao identificao de fontes caractersticas de DPs. Se bem que, as entidades

normativas esto buscando a unificao de mtodos, procedimentos e consolidao

destes.


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Captulo 1 Objetivo

4

O problema de fontes de rudos parasitas em medies de sinais de DPs um dos

principais obstculos na caracterizao destes sinais, assim como em outros sistemas de

medio, monitorao e diagnstico de equipamentos de alta tenso. Estes rudos,

geralmente, so tratados por ferramentas tradicionais e/ou convencionais como filtros e

injeo de sinais invertidos [2]. Estas ferramentas, no entanto, so projetadas apenas

para aplicaes especficas de filtragem. E, no entanto, uma tarefa difcil fazer uma

modelagem completa da remoo dos rudos associados a um equipamento, utilizando

unicamente filtros convencionais.

Devido necessidade de melhorar a interpretao de medies de DPs, esta tese

enfatiza o tratamento dos rudos, na etapa de ps-processamento do sistema de medio,

utilizando ferramentas emergentes e at algumas j consolidadas em vrios campos, tal

como inteligncia artificial.

O rudo pode ser extrado dos sinais-fontes de forma aproximada. Utilizam-se

sistemas artificiais e inteligentes (Redes Neurais, Simulated Annealing, Algoritmos

Genticos etc.), mtodos ICA/BSS (Anlise de Componentes Independentes e separao

cega de sinal), PCA (Anlise de Componentes Principais), estatsticas de alta ordem

(HOSA) entre outros, com a finalidade de encontrar caractersticas que, muitas vezes,

no so observveis ou exploradas pelos mtodos tradicionais.

evidente que estes mtodos podem ser complementares e cooperativos, a partir

de uma anlise de componentes independentes (ICA). Este mtodo uma das

ferramentas em expanso por seu potencial de aplicabilidade em diversos campos de

pesquisa, tais como processamento de sinais, imagens, telecomunicaes,

reconhecimento de voz, biomdica, separao cega de fontes etc. Em particular,

investiga-se aqui a extrao cega de rudos em sinais de descarga parcial.

O ICA um mtodo de processamento de sinal para extrair fontes independentes a

partir de misturas de fontes desconhecidas, adquiridas por medio (observaes). OICA busca direes coordenadas entre componentes mais independentes e no

necessariamente ortogonais que representem as observaes.

1.2 ObjetivoInvestigar tcnicas convencionais e no convencionais que ajudem a identificar

informaes relevantes dos sinais de descarga parcial. Explorar tcnicas que se

complementem, aproveitando suas vantagens individuais, com a finalidade de obter

tcnicas hbridas e robustas, caracterizadoras dos sinais de DPs. Caracterizar e


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Captulo 1 Escopo da Tese

5

classificar fontes de DPs, removendo (parcial, mas suficientemente) rudos das fontes

dos sinais teis utilizando a anlise de componentes independentes. Reduzir

convenientemente a dimenso dos dados para melhorar a eficcia e desempenho dos

sistemas de reconhecimento de padres de DPs. Desvendar possvel estrutura oculta de

fontes de DPs a partir das observaes coletadas, separando fontes que possuem

caractersticas diferentes e estatisticamente independentes entre si.

1.3 ContribuiesO trabalho de pesquisa realizado no desenvolvimento desta tese ensejou cinco

publicaes cientificas (publicadas em diversos simpsios e congressos importantes)

aplicadas interpretao, discriminao e qualidade do sinal de DPs, atravs de sua

caracterizao para sistemas de deteco, monitorao assim como, em diagnstico deequipamentos.

O trabalho busca novos mtodos e modelos de compactao e reduo da

dimensionalidade aplicveis aos sinais de DPs [3], visando a melhora do desempenho

dos sistemas de reconhecimento de padres e de diagnstico de equipamentos [4].

Nesta pesquisa mostrado que os mtodos ICA podem, de forma aproximada,

fornecer uma soluo satisfatria para caracterizao dos sinais de DPs [5], procedentes

de fontes de defeitos em sistemas de isolamento, possveis de serem encontrados nosequipamentos citados.

1.4 Escopo da TeseO trabalho de pesquisa compreende os seguintes captulos, os quais so

introduzidos e brevemente delineados da seguinte forma:

Captulo 1 - IntroduoNeste segmento faz-se uma descrio geral do tema da tese, destacando a

importncia da deteco e medio de DPs. Outro importante assunto o problema derudos sob sinais de DPs sendo estes um dos principais obstculos na caracterizao

destes sinais, assim como nos sistemas de medio, monitorao e diagnstico de

equipamentos em alta tenso. Alm dos mtodos tradicionais de processamento de

sinais, existem novos mtodos como a anlise de componentes independentes, que ser

abordada nesta pesquisa, enfatizando a caracterizao de fontes.

Captulo 2 - Reviso Literria e Conceitos BsicosNa primeira parte deste captulo so resumidos os fatos literrios mais importantes

que conduziram os esforos de investigaes no campo de DPs, desde os princpios dos


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6

anos de 1920 at os dias atuais, destacando-se as novas tendncias em sistemas de

medio e deteco dos sinais DP. Na segunda parte, so sintetizados os fundamentos

bsicos utilizados no desenvolvimento da tese. Aborda-se o fenmeno de DPs, suas

causas e conseqncias nos equipamentos estudados. A matemtica e estatstica bsicas

envolvidas nos processamentos dos sinais de DPs so apresentadas.

Captulo 3 - Modelos ExperimentaisDescrevem-se exclusivamente os mtodos de medio e deteco de DPs

aplicados na coleta das observaes, utilizados no desenvolvimento da pesquisa

segundo normas IEC-60270 [6] e IEEE P1434 [7], dos quais o mtodo eltrico foi

considerado, abordando especificamente o mtodo da carga aparente. Tambm so

descritos os modelos experimentais para representao de possveis fontes de defeitos

em transformadores de potncia, denominados clulas testes e para alguns defeitos emenrolamentos estatricos, baseados em barras envelhecidas.

Captulo 4 - Pesquisas Anteriores e Classificadores Inteligentes emDPs

Neste captulo, realiza-se um resumo das tcnicas aplicveis j desenvolvidas em

pesquisas anteriores, das quais algumas sero utilizadas para avaliar o desempenho dos

caracterizadores dos sinais de DPs.

Captulo 5 - Caracterizadores de Sinais e Tratamento de Rudos

Descrevem-se neste captulo as principais tcnicas e mtodos aplicveis eanalisados nesta tese, enfatizando a anlise de componentes principais, separao cega

de fontes e a anlise de componentes independentes. Alm disso, se faz uma extenso

dos mtodos para remoo de rudos.

Captulo 6 - Caracterizadores: Implementao e ResultadosNeste captulo se realiza a implementao e anlise do desempenho dos

caracterizadores dos sinais de DPs. Tambm uma possvel integrao destes em um

sistema robusto caracterizador de sinais. Alm disso, os caracterizadores podem ser

aplicveis para outros casos de medio, monitorao on-line e serem parte de um

diagnstico integrado de equipamentos de subestaes de energia eltrica.

Captulo 7 - Concluses e Anlise dos ResultadosA caracterstica de ocorrncia de forma incerta e imprecisa dos fenmenos de DPs

torna o uso de mtodos tais como o proposto nesta tese adequado e de extrema

importncia no que diz respeito a ser mais uma eficaz ferramenta para a informao em

sistemas de diagnsticos de equipamentos de grande porte.


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7

Seria interessante, como continuao deste trabalho, testar os modelos

apresentados para outros equipamentos, bem como incrementar no s a quantidade de

modelos com a finalidade de refinar a associao de modelos a fontes reais, mas

tambm reunir um maior nmero de informaes medidas no campo e no laboratrio.

Outro ponto importante seria realizar as correlaes respectivas entre resultados

laboratoriais e resultados encontrados no campo.


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Captulo 2Reviso Literria e Conceitos Bsicos

A seguinte seo apresenta um compndio das pesquisas relacionadas aos

fenmenos das descargas parciais (DPs). Esta reviso abrange investigaes realizadas

por diversas tcnicas para deteco e medio dos sinais de DPs, assim como suas

caractersticas e mecanismos relativos aos mtodos eltricos.Descargas corona ou parciais um termo cotidianamente utilizado desde o

passado. Sua base consolidou-se no comeo dos anos de 1920, onde, j era considerado

como um campo de pesquisa desenvolvido. Sua preeminente importncia ferramental

tem crescido para assistir na qualidade e no desempenho caracterstico dos

equipamentos de alta tenso. Dessa maneira, as descargas parciais tm se tornado

responsveis pelo crescimento das atividades de investigao relacionadas aos

mecanismos fsicos e qumicos dos materiais isolantes nos equipamentos. Dessa forma,as diversas tcnicas de deteco e medio foram surgindo e colocadas em prtica. Anos

mais tarde, o nvel de esforos de investigao no campo de descarga parcial se

diversificou substancialmente. Algumas destas tendncias relacionam o tipo de

equipamento de alta tenso com o tipo e comportamento de descarga.

Fazendo uma rpida reviso enumerativa na literatura, pode-se encontrar estudos

relacionados natureza e forma de descarga, sensibilidade de deteco, degradao da

isolao exposta aos efeitos de DPs, quantidade de pulsos armazenados numdeterminado espao de tempo, transferncia de carga aparente, taxa de repetio de

pulsos de descarga, perdas de energia, distribuio de pulsos de descarga, pocas da

descarga relativa a uma fase da tenso referencial, intervalos de tempo de separao

entre pulsos e o reconhecimento de padres de pulsos em termos das fontes de descarga

(fonte de defeito).

Talvez em nenhuma parte das questes expostas acima se encontre as diferentes

tendncias em estudos de DPs e procedimentos de teste. Desta forma, a obteno do

desejado procedimento de um teste, fcil de seguir, ainda no foi possvel, seguindo a


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Captulo 2 Reviso Literria e Conceitos Bsicos

9

evoluo cronolgica nos ltimos cinqenta anos, alm daqueles que, so aplicveis a

isolamentos slidos em cabos de distribuio de energia [8]. Pois um dos primeiros

estudos de DPs foi dado em isolamentos slidos em cabos de distribuio de energia

que, graas aos avanos dos estudos em linhas de transmisso e sua simples geometria,

tm sido progressivos os resultados que facilitam a interpretao das medies de DPs.

J nos componentes de alta tenso, tal como em buchas e capacitores com baixa

capacitncia concentrada, h algumas dificuldades de interpretao de DPs, e em

capacitores de alta capacitncia as dificuldades aumentam devido a fatores complexos

envolvidos na medio.

A deteco de DPs e a preciso na medio em transformadores se tornam

apreciavelmente mais complicada. Apresenta um comportamento mais complexo que as

linhas de transmisso, devido ao acoplamento e ao efeito de ressonncia existente entre

os enrolamentos. Dificuldades semelhantes, encontradas nos transformadores, so

deparadas em mquinas giratrias (ex: hidrogeradores), principalmente na interpretao

e calibrao, onde, as grandezas dos pulsos detectados podem variar extremamente,

estendendo-se desde os nveis mais baixos, geralmente intrnsecos a descargas internas

dentro dos isolamentos das barras estatricas, at os nveis supremamente altos,

geralmente associados s descargas tipo em ranhuras conhecidas como slot.

Contudo, apesar dos esforos das entidades normativas e grupos de

desenvolvimento relacionados s DPs em conseguir um procedimento de teste fcil a

seguir, o setor ainda se carece de regras slidas e claras. Como exemplo, a questo de

calibrao em medies de DPs ainda no foi resolvida e, sem dvida, controversa a

deciso quanto a calibrao ser um pr-requisito para medio em mquinas giratrias.

2.1 Reviso Literria e InovaesOs componentes eltricos mais investigados por descargas parciais so os cabos

de energia e equipamentos de alta tenso, onde uns dos primeiros mtodos de deteco

de DPs foi a anlise por oscilgrafos, caracterizando-se para descargas tipo pulsante

(Bartnikas [8]- estudos por Tykociner em 1933). Porm, podem ocorrer descargas no

pulsantes que emitem calor ou luz e descargas pseudoluminescentes. A descarga

pulsante pode ser facilmente detectada pela maioria de detectores convencionais de

pulsos de DPs, evidenciando que so indicadores efetivos da presena de DPs. Porm,

nem sempre esses detectores de pulsos podem indicar o nvel total de intensidade

presente nos pulsos de DPs. Apesar de existirem detectores do tipo ponte para DPs, os


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2.1 Reviso Literria e Inovaes

10

quais tm correspondido s descargas pulsantes e no pulsantes (Bartnikas: 1979, IEC-

270: 1981), mas sua baixa sensibilidade intrnseca impede sua implementao em

grande escala na rea de DPs.

O limite do tempo de subida das descargas tipo pulsante, pode ser estabelecido

teoricamente. Historicamente as medies rpidas do tempo de subida (medido por

osciloscpio) precisam ser armazenadas de maneira experimental, induzindo a uma

relao que diminui monotonicamente com a capacidade e a largura de banda dos

osciloscpios utilizados. Osciloscpios com largura de banda at os GigaHertz (GHz)

podem ser encontrados na atualidade, com estes podem-se medir tempos de subida

menores que 1 nano segundo. Dessa forma, pode-se detectar pulsos de DPs a

freqncias de at 1 GHz, devendo-se lembrar que o contedo de energia dos pulsos das

DPs uma funo decrescente da freqncia.

Detectores convencionais, encontrados comercialmente [9] para usos rotineiros

em cabos, capacitores e transformadores so do tipo de banda estreita e so projetados

para operar na banda aproximada de 30 at 400 kHz. Estes so dispositivos integradores

de carga e podem ser calibrados diretamente para fornecer a transferncia de carga

associada com pulsos de descarga detectados de acordo com as normas ASTM D1868

[8]. Detectores com larguras superiores, ou banda larga, so utilizados em pesquisas,

nos quais uma reproduo exata (confivel) da forma de pulsos de DPs de suprema

importncia. Alm disso, para melhorar a resoluo de pulso, larguras de banda

estendidas so utilizadas para tarefas de localizao no campo envolvendo descargas em

cabos (~20 MHz), mquinas girantes (800 kHz a 1 GHz) e barramentos em gs

comprimido (~1 GHz).

Os primeiros sistemas de deteco para DPs empregavam instrumentao

analgica, apresentando um desempenho adequado tanto para o inicio de descargas

(inception) quanto para as medies da tenso de extino. O padro de pulso da DP eramostrado por meio de oscilgrafos na base do tempo-freqncia e calibrado numa

escala arbitrria. A transferncia de carga geralmente associada com os pulsos de carga

discreta podia ser estimada visualmente e a fase aproximada relacionando os pulsos e a

tenso aplicada era conhecida pelo observador que realizava os testes.

O aparecimento da contagem de pulsos de DP por cristal controlado nos anos de

1950, permitiu a contagem de pulsos de DPs por unidade de tempo e, atravs disso, a

determinao da densidade de pulsos das DPs de padres de descarga (Bartnikas 1963).Subseqentemente, apareceram analisadores diferenciais de amplitude dos pulsos e


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analisadores de amplitude de pulsos de canal simples [8]. No comeo dos anos de

1960s, os conversores ledanalgico/digital introduziram comercialmente a baixo custo

os analisadores multicanais confiveis para anlise de distribuio da amplitude dos

pulsos de DPs (Bartnikas 1969). A rea sob o intervalo do pulso e sua distribuio em

fase foi desenvolvida nos anos de 1970s, sendo estendidos na prtica para aplicaes em

mquinas girantes [8]. Estes desenvolvimentos foram seguidos de perto pela introduo

de tcnicas computacionais para medio de pulsos de DP [10].

Os avanos dos computadores PC, na dcada de 1980, e seu extensivo uso nos

anos de 1990, alteraram rapidamente a aproximao na rea de anlise da distribuio

de pulsos de DPs [11]. Os sistemas de medio foram transferidos da instrumentao

baseada em hardware para tcnicas via software [8], [12], [13]. Estes adventos

conduziram para investigaes em reconhecimento de padres e classificadores,

envolvendo redes neurais e lgica fuzzy de DPs [14], [13], [15]. Os primeiros estudos

indicavam que a amplitude de um pulso de descarga e sua fase de ocorrncia so

influenciadas fortemente pela ocorrncia de pulso ou pulsos precedentes, efeito de

memria ou reverberao. Dito efeito, considerado como processo no Marcoviano, foi

rigorosamente analisado usando aproximao estocstica por Van Brunt [16], [17], [18],

cuja finalidade foi esclarecer a natureza estatstica condicional dos mecanismos das

descargas. Os resultados obtidos colocam alguns questes srias quanto efetividade de

classificao e reconhecimento de padres de DPs, bem como, algum tratamento

estatstico de tais dados que torne mais tratvel a sua interpretao. Apesar disso, deve

ser observado que o tratamento estatstico de padres de DP, amplitude/fase [19] ou

forma de pulso (shape) [47], [20], tem rendido alguns resultados prticos e

interessantes.

Ainda na dcada dos anos de 1990, viu-se a introduo dos circuitos digitais de

resposta rpida para aplicaes de medio de DPs [14], [13], [21]. Enquanto autilizao das tcnicas digitais em deteco de pulsos de DPs, medio e aquisio tm

crescido notavelmente, detectores de DPs comerciais tm mantido separadas opes de

medio analgica e digital. A propsito, o pico do pulso de descarga geralmente

determinado pelo sistema digital, e no ser o mesmo se for determinada a verdadeira

magnitude em tempo real, pelo circuito analgico. Por um lado, h forte dependncia da

taxa de amostragem, da largura de banda e da capacidade de armazenamento dos

circuitos digitais [92]. Por outro lado, os componentes analgicos so alvos do efeito da


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2.1 Reviso Literria e Inovaes

12

temperatura e saturao que atenuam a verdadeira magnitude de um pulso de DP. Alm

disso, h o rudo e outros fenmenos intrnsecos [92], [93], [94], [95].

Dessa forma, o circuito analgico normalmente precede ao sistema de aquisio

digital como amplificador e capturador da verdadeira forma do pulso [22]. Assim a

maioria dos circuitos sensores de DPs tem uma configurao hbrida analgico-digital

[23]. Na ltima dcada, a variedade dos circuitos digitais avaliveis e em uso pelas

medies de DPs tem incitado publicaes de artigos em revistas e eventos tcnicos [].

No final da dcada de 1990, apareceram outros estudos inovadores, tal como os

sistemas de medio com analisador de resoluo estendida [19], [23], com histogramas

sofisticados envolvendo duas ou trs grandezas relativas s descargas em tempo real. O

detector de amplitude de pulsos no domnio da fase til foi introduzido em

osciloscpios digitais rpidos para deteco DPs. E tambm um sistema de medio

baseado em dois detectores paralelos a fim de obter uma distribuio sincronizada para

intervalos de tempo entre pulsos de DPs e sua posio em fase [23].

Depois da virada do milnio, outros estudos tm sido colocados em prtica, tal

como a importncia da largura de banda para analisadores de espetros e filtros, estudos

de acopladores capacitivos maiores que 80 pC e estudos hbridos de resposta em

freqncia do material dieltrico com faixa de freqncia do sinal de DP. Contudo, os

estudos no domnio da freqncia [96] parecem ser interminveis, visto que os sinais de

DPs dependem tambm da freqncia e tm uma estreita ligao com o circuito de

ensaio [24].

Alm da tradicional deteco de DPs off-line, a monitorao de DP on-line tem

amadurecido e est sendo cada vez mais adotada pelas concessionrias. Entretanto, os

sensores de acoplamentos ainda tm dificuldades a acessos restritos ao equipamento e se

instalados tm uma faixa de explorao muito curta. Alm disso, os rudos so mais

intensos quando o equipamento trabalha com carga, sendo que, este tambminfluenciado por interferncias dos equipamentos vizinhos. Para contornar estes

inconvenientes, estudos diversos em filtros com tecnologias recentes e tcnicas

avanadas em processamento de sinais tanto com hardware e software tm surgido cada

vez mais. Entre estas tcnicas tem-se a separao cega de sinais e a eliminao de rudos

em fontes adquiridas por anlise de componentes independentes, que este trabalho de

tese apresenta.


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2.2 Reviso TericaNas primeiras experincias praticadas, a deteco de DPs (aproximadamente h

quatro dcadas) era feita atravs do teste de tenso de rdio interferncia (TRI). J na

dcada de noventa as tcnicas de medio foram melhoradas pelas novas tecnologias no

processamento de sinais. Comearam a surgir instrumentos mais eficientes, porm estes

ainda so genricos e os mais especializados costumam ser custosos. Alm disso, o

rudo ainda pouco tratvel e de difcil eliminao. Mesmo assim, a deteco de DPs

vem sendo cada vez mais utilizadas em motores, geradores, transformadores, pra-raios,

interruptores e at em bancos de capacitores.

Para que se possa melhor entender o complexo fenmeno das DPs, importante

conhecer alguns princpios fsicos, qumicos e eltricos envolvidos. Neste captulo so

abordados sucintamente os mecanismos da ionizao dos tomos de um material

isolante, conceitos importantes sobre campo eltrico, caractersticas, causas e

conseqncias das DPs. Alm de entend-los, h necessidade de estud-los para

descobrir outras caractersticas baseadas em alguns de seus princpios e nas suas

observaes coletadas.

2.3 Mecanismos das Descargas Parciais

2.3.1 Ionizao dos tomos de um material isolantePara compreender o fenmeno de descargas parciais preciso entender como so

ionizados os tomos de um material dieltrico [1], [25]. O processo de ionizao e

avalanche (inicio de descargas) de cargas satisfaz as relaes de Paschen e Townsed

[25]. Porm, em ensaios prticos de DPs, as impurezas e imperfeies internas no

dieltrico, distorcem as equaes de Townsed, fazendo com que a tenso de inception

possa ocorrer em tenses menores do que a tenso nominal.

Para casos prticos e de simples ionizao, deve-se estabelecer a relao entre adiferena de potencial entre dois pontos a e b (Vab) e o campo eltrico ( E

). Essa relao

est implcita na Equao (2.1), onde se considera um dieltrico com comportamento

linear, isotrpico e sistema homogneo (a permissividade do meio esttica ou

considerada constante para baixas freqncias).

= = V E

(2.1)

Admitindo que o campo seja uniforme, as linhas de campo so paralelas e a

diferena de potencial por unidade de comprimento constante. Logo, as linhasequipotenciais, que so ortogonais s linhas de campo, estaro espaadas


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uniformemente e quanto maior a diferena de potencial entre dois pontos, mais intenso

o campo. Uma formulao mais completa da Equao (2.1) incluindo o efeito do

potencial vetor de campo pode ser encontrada em [26]. A Equao (2.2) representa

sistemas no-homogneos, onde o potencial escalar corresponde a cargas estticas

ou fenmenos lentos,t

A

o componente para cargas dinmicas ou fenmenos rpidos

e A o potencial vetor de uma fonte totalmente externa regio considerada (assume

tipicamente valor nulo). Assim, os potenciais das cargas so representados por

(escalar) e A (vetorial) [26]. Alm disso, tem dependncia da presso, temperatura e

freqncia [11].

1

t

=

AE A

(2.2)

Em relao ao caso simples e prtico, quando um campo eltrico aplicado a um

condutor, os eltrons da camada externa de seus tomos so facilmente arrancados e

migram prontamente de tomo para tomo. Porm, os eltrons de um material dieltrico

esto bem presos perto de suas posies de equilbrio e no podem ser arrancados

facilmente. Quando um campo eltrico aplicado a um material dieltrico, este

polarizado, ou seja, h um deslocamento de cargas positivas e negativas da sua posio

de equilbrio, embora no haja migrao de carga neste caso. Em geral, este fato faz

com que os materiais dieltricos (resinas, vidro, mica etc.) se comportem como bons

isolantes.

Os tomos individuais na presena de um campo eltrico tm o eltron

negativamente carregado, sujeito a uma fora no sentido contrrio ao campo q=F E

e o

ncleo positivamente carregado, sujeito a uma fora no mesmo sentido do campo. Essas

foras distorcem a estrutura do tomo de maneira que o ncleo fica direita do seu

centro efetivo. Os tomos se comportam ento como dipolos, ou seja, podem ser

considerados como duas cargas pontuais +Q e Q, representando respectivamente o

ncleo e a carga eletrnica. Diz-se, ento, que o material dieltrico est polarizado.

A Figura 2.1 ilustra um tomo de um material dieltrico e o deslocamento do

eltron com relao ao ncleo quando na presena de um campo eltrico.

Como foi mostrado pela Equao (2.1), se a diferena de tenso entre os eletrodos

aumentada, o campo eltrico ir aumentar at um ponto onde as foras externas

exercidas no eltron sero maiores que as foras internas e, o eltron ser ento


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arrancado da sua rbita. O tomo estar ento ionizado, ou seja, se tornar um on

positivo.

Figura 2.1 tomo de um material dieltrico a) tomo no polarizado. b) Foras no tomo quandose aplica E

[1].

O processo de ionizao principal, no entanto, a ionizao por coliso entre um

eltron e um tomo ou molcula neutra. Se o eltron livre est submetido a um campo

eltrico, ele acelerado e colide com tomos de nitrognio, oxignio e outros gases

presentes. A velocidade do eltron est diretamente ligada intensidade do campo

eltrico. Se o campo eltrico no for muito intenso, estas colises sero elsticas,

similares a colises entre bolas de bilhar, e no haver transferncia de energia. Se por

outro lado a intensidade do campo eltrico exceder um valor crtico, qualquer eltron

livre presente nesse campo ir adquirir uma velocidade suficiente para tornar a coliso

com uma molcula de ar inelstica, o que significa que o eltron ter energia para

deslocar outro eltron de sua rbita e ionizar o tomo.

{ {

Figura 2.2 Processo de avalanche de eltrons iniciado a partir de um eletrodo negativo a)

Incio. b) Formao de um par de eltrons Impacto de um eltron com um tomo neutro libera umeltron adicional e deixa um on positivo para trs. c) Multiplicao Os eltrons se movem

criando ons positivos quando se multiplicam.


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O eltron inicial que perdeu a maior parte da sua velocidade na coliso e o

eltron expelido da molcula de ar que tambm tem uma velocidade baixa

acelerado pelo campo eltrico, e na prxima coliso cada eltron capaz de ionizar uma

molcula de ar. Aps a segunda coliso, existem quatro eltrons capazes de ionizar

outros tomos e assim sucessivamente, com o nmero de eltrons dobrando a cada

coliso. Este processo conhecido como avalanche de eltrons, sendo sempre iniciado

com um eltron livre submetido a um campo eltrico intenso. A Figura 2.2 ilustra a

seqncia da ionizao dos tomos.

Os ons positivos deixados para trs no processo da avalanche de eltrons se

movem na direo do eletrodo negativo. No entanto, eles se movem muito

vagarosamente, devido sua massa, que aproximadamente cinqenta mil vezes a

massa do eltron [1], [25]. Tendo uma carga positiva, esses ons atraem eltrons que

esto vagando e, quando algum eltron livre consegue ser capturado, forma-se outra

molcula neutra de ar. O nvel de energia de uma molcula neutra menor do que o do

on positivo correspondente, logo, quando um eltron livre capturado, um quantum de

energia emitido pela molcula. Esse quantum de energia exatamente igual em

magnitude energia que inicialmente foi requerida para deslocar o eltron inicial fora

de sua molcula. Uma onda eletromagntica irradiada e, para molculas de ar como

oxignio ou nitrognio, essa radiao est dentro da faixa visvel de luz. Portanto, um

observador pode ver essa radiao como uma luz violeta clara, que ocorre

principalmente na recombinao de ons de nitrognio com eltrons livres. Se no

houver mais a fonte de energia, o processo de ionizao cessar; mas a recombinao

continuar at que no haja mais eltrons livres nem ons positivos.

Os eltrons e ons positivos provenientes deste processo so suficientes para

conduzir corrente entre os eletrodos e absorver uma quantidade relativamente grande de

potncia da fonte, fazendo com que uma centelha surja entre os eletrodos. Quandoocorre o centelhamento, diz-se que h uma ruptura do material dieltrico. Como essa

centelha normalmente no atravessa completamente o material dieltrico entre os

eletrodos, chamada de descarga parcial.

A avalanche de eltrons descrita na Figura 2.2 possui certo nmero de eltrons

por segundo, que pode variar de centenas de eltrons por segundo at 1022 eltrons por

segundo em um perodo tpico de 100 nano segundos. Para quantificar melhor a carga,

utiliza-se como unidade o Coulomb, que equivalente a uma carga de 6,2 x 1018

eltrons. Como um Ampre definido como um fluxo de carga de um Coulomb por


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segundo, a corrente da avalanche eletrnica pode variar de 10-17A at alguns milhares de

Ampres.

A energia da descarga, no entanto, extremamente pequena quando se tenta medir

a amplitude da tenso de um pulso de descarga.

Se a descarga ocorrer no ar, em torno de um elemento condutor, denominada de

efeito corona, assim como streamer ou descarga autosustentada.

O movimento de eltrons para o eletrodo positivo (A na Figura 2.1.b) e o

movimento de ons positivos para o eletrodo negativo (B na Figura 2.1.b) significa um

fluxo de eltrons atravs do gerador entre os dois terminais.

Se uma impedncia for introduzida entre o gerador e os terminais, a diferena de

potencial no ser mais constante e ir decrescer linearmente com o aumento da

corrente. Ajustando o valor dessa impedncia, pode-se variar a taxa de dissipao de

energia na descarga ou a potncia consumida.

2.3.2 Algumas consideraes sobre o Campo Eltrico

Como foi visto anteriormente, o campo eltrico tem um papel fundamental no

surgimento das descargas parciais, pois influencia diretamente o processo de ionizao

dos eltrons de um material dieltrico. Podem ocorrer descargas nos pontos do material

dieltrico onde houver maior intensidade de campo eltrico, o que torna muito

importante um estudo mais detalhado sobre as circunstncias em que isso ocorre.

A intensidade do campo eltrico est relacionada basicamente com o valor de

tenso, com o meio em que ele se encontra e com a geometria do conjunto

eletrodos/dieltrico em que ele atua. Como descrito na Equao (2.1), o campo eltrico

diretamente proporcional tenso aplicada, ou seja, aumenta para valores maiores de

tenso. As outras duas situaes sero vistas a seguir.

2.3.3 O campo eltrico e o meio em que ele se encontraPara compreender como o campo varia devido ao meio em que ele se encontra,

preciso analisar as relaes de fronteira entre dois meios dieltricos diferentes, pois o

campo eltrico pode variar abruptamente, tanto em intensidade como em direo. Essa

anlise feita em duas partes, considerando, em primeiro lugar, a relao entre os

campos tangentes fronteira, e em segundo lugar, os campos normais a ela.

Estas relaes de fronteira levam em considerao uma caracterstica muito

importante nos materiais dieltricos: a permissividade ou constante dieltrica (). Comoa permissividade de um dieltrico sempre maior do que a permissividade do vcuo,


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muitas vezes conveniente usar a permissividade relativa do dieltrico, isto , a razo

entre sua permissividade e a do vcuo. Assim,

0r

= (2.3)

onde, r a permissividade relativa do dieltrico, a permissividade do

dieltrico e 0 permissividade do vcuo = 8,85 pF m-1.

Enquanto que e 0 so expressos em farads por metro (F.m-1), a permissividade

relativa r uma razo adimensional e o valor dado geralmente em tabelas. A

permissividade relativa de alguns meios est apresentada na Tabela 2.1, onde os valores

referem-se a campos estticos (ou em baixas freqncias) e so aproximados, exceto

para o vcuo ou ar. Observe que r para o ar est to prximo da unidade que, namaioria dos casos, podemos considerar o ar equivalente ao vcuo [27].

Tabela 2.1 Permissividade de meios dieltricos

MeioPermissividade relativa r

Vcuo 1Ar (presso atmosfrica) 1,0006Espuma de poliestireno (Styrofoam) 1,03Parafina 2,1Madeira compensada 2,1Poliestireno 2,7mbar 3,0Borracha 3Plexigas 3,4Solo arenoso seco 3,4Nylon (slido) 3,8Enxofre 4Quartzo 5Baquelita 5Frmica 6Vidro com maior composio de chumbo (Lead Glass) 6Mica 6

Mrmore 8Cristal (Flint glass) 10Amnia (lquida) 22Glicerina 50gua (destilada) 81Titanato de brio (BaTiO3) 1200Titanato de brio e estrncio (2BaTiO3: 1SrTiO3) 10000Titanato e zirconato de brio (4BaTiO3: 1BaZrO3) 13000Estanho e titanato de brio (9BaTiO3: 1BaSnO3) 20000

A permissividade relativa um indicador do nvel de isolamento eltrico de um

material dieltrico. Quanto maior a permissividade relativa do material, melhor a


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suportabilidade de tenso desse material, considerando um campo eltrico uniforme e

uma temperatura de 20 C. Para faixas de freqncia muito amplas, os materiais podem

apresentar variaes da permissividade caracterizadas por componente real ' e

imaginaria '' , os quais dependem da freqncia e podem apresentar diversos modos

ressonantes causados pelos diversos modos de vibrao [26], [27].

Considerando dois meios dieltricos de permissividade 1 e 2separados por uma

fronteira plana, e supondo que os dois meios so isolantes perfeitos, tem-se que as

componentes tangenciais do campo eltrico so iguais nos dois lados da fronteira, como

mostram a Figura 2.3. Isso significa que o campo eltrico tangencial contnuo atravs

dessa fronteira.

1

2

Figura 2.3 Fronteira entre dois meios dieltricos diferentes.

Para tratar das componentes normais, ser utilizada a densidade de fluxo, cuja

componente normal contnua atravs da fronteira desprovida de cargas entre dois

dieltricos, como pode ser visto nas equaes (2.4) e (2.5).

1 2n n=D D (2.4)

1 21 2n n =E E (2.5)

De acordo com a Equao (2.5), verificamos que os campos eltricos normais

fronteira esto inversamente relacionados com as permissividades relativas 1 e 2. Se o

meio 1 tiver uma permissividade relativa menor que a do meio 2, o campo eltrico no

meio 1 ser maior que no meio 2.

Esse tipo de situao ocorre, por exemplo, com pequenas cavidades de ar no

interior de materiais dieltricos slidos ou bolhas de gs no interior de materiais

dieltricos lquidos. Como o ar tem uma permissividade-relativa menor que a do

material dieltrico (slido ou lquido), o campo eltrico no ar maior, o que favorece a

ionizao dos eltrons e conseqentemente a ocorrncia de descargas parciais. A

produo de descargas tambm se d no ar pela ionizao das molculas que se

encontram nos pontos de maior gradiente de potencial.


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A intensidade mxima de campo que um dieltrico pode suportar sem que

ocorram centelhamentos a rigidez dieltrica. A Tabela 2.2 relaciona os valores de

rigidez dieltrica de vrios materiais dieltricos. A rigidez dieltrica refere-se a um

campo uniforme e os materiais esto listados em ordem crescente de rigidez [27].

Tabela 2.2 Rigidez dieltrica de diversos materiais dieltricos comuns

Material Rigidez Dieltrica (MV m-1)Ar (presso atmosfrica) 3leo (mineral) 15Papel (impregnado) 15Poliestireno 20Borracha (dura) 21Baquelita 25Vidro (placa) 30Parafina 30Quartzo (fundido) 30

Mica 200

2.3.4 O campo eltrico e a geometria dos eletrodos

A geometria dos eletrodos influencia diretamente a distribuio da intensidade do

campo eltrico. O gradiente de tenso aumenta quanto menor for a rea do eletrodo. Se

o formato do eletrodo for uma ponta, o gradiente de tenso alto. Se, para o mesmo

nvel de tenso aplicada, o eletrodo tiver um formato plano, o gradiente de tenso bem

menor. A Figura 2.4 ilustra um exemplo de eletrodo ponta-plano tendo um gs como

dieltrico.

Regio de alto potencial

Regio de baixo potencial

Campo intenso

Figura 2.4 Eletrodo ponta-plano. [1]

Perto da ponta, como o gradiente de potencial maior, a intensidade do campo

eltrico maior, como foi mostrado pela Equao (2.1). O eltron que est perto da

ponta pode ento ser acelerado at adquirir energia cintica suficiente para causar uma

ionizao. Perto do plano, a intensidade do campo eltrico menor e o eltron pode no

adquirir energia cintica suficiente para causar uma ionizao. Logo, a descarga


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limitada a um volume perto da ponta. O volume de gs restante entre o plano e a

descarga funciona como uma excelente resistncia, limitando o centelhamento.

A estrutura de eletrodos cilndricos, onde o cilindro interno bem menor que o

cilindro externo, funciona exatamente da mesma maneira, sendo a descarga adjacente ao

cilindro interno, que tem o maior gradiente de potencial.

Um outro exemplo de eletrodos seria o de duas agulhas (separadas de

aproximadamente 0,5 cm) e um plano. Se a tenso ajustada para fornecer uma

descarga pequena perto da ponta, as duas agulhas iro centelhar. Se, no entanto, a tenso

aumentada para fornecer descargas maiores, somente uma agulha ir centelhar. Para

fazer com que as duas agulhas sofram as descargas, necessrio adicionar uma

resistncia srie em cada agulha, como mostra a Figura 2.5 . Quando as descargas so

pequenas, as impedncias presentes no volume de gs no ionizado entre as pontas e o

plano atuam, limitando a corrente.

Figura 2.5 Eletrodos: duas pontas paralelas com resistores e um eletrodo plano [1].

Se o campo for uniforme (linhas de campo paralelas em toda parte) e se for

aumentado gradualmente, ocorrero centelhas no ar quase que imediatamente aps um

valor crtico do campo ter sido ultrapassado; mas se o campo no for uniforme (linhas

de campo divergentes) poder ocorrer inicialmente uma descarga, e depois, com o

aumento de E

, uma descarga ininterrupta.

2.4 Tipos das Descargas ParciaisDescargas parciais podem ocorrer em qualquer ponto do material dieltrico; na

juno de dois materiais dieltricos diferentes ou adjacentes ao eletrodo, seguidamente

em vrios pontos do dieltrico e at mesmo sem eletrodos, em uma cavidade do material

dieltrico.

A idia errnea de que eletrodos metlicos so necessrios decorre da sua larga

utilizao em demonstraes de laboratrio, seja atravs de eletrodos ponta-plano ou um


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2.4 Tipos das Descargas Parciais

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condutor e um plano. Descargas parciais podem ocorrer entre dois isolantes agindo

como eletrodos; essas descargas sem eletrodos so problemticas em alguns veculos

espaciais.

O termo descargas parciais envolve um amplo grupo de fenmenos de descarga

tal como descargas internas, superficiais e descargas corona [19]. Descargas internas

podem ocorrer em cavidades em dieltricos slidos ou bolhas em dieltricos lquidos,

descargas superficiais podem ocorrer na interface de isolamentos ou condutores e

descargas corona so relativos a descargas em dieltricos gasosos se esto presentes

elevados campos eltricos no-homogneos. Por ltimo o impacto das descargas em

dieltricos slidos podem formar-se canais de descarga chamados treeing. A Figura 2.6

mostra algumas descargas tpicas baseadas em arranjos isolantes simples.

Figura 2.6 Tipos de DPs em arranjos bsicos a) Descargas tipo corona. b) Descarga nasuperfcie. c) Descargas em material laminado. d) Descargas internas. e) Descargas entre espiras

em enrolamentos de mquinas eltricas girantes (turn-to-turn)

Descargas tipo efeito corona ( Figura 2.6 .a) ocorrem em eletrodos tipo ponta ou

condu-tores finos conectados a um alto potencial ou terra, particularmente em

instalaes isoladas com ar/gs ou com materiais isolantes lquidos. Descargas na

superfcie ( Figura 2.6 .b) e descargas em materiais laminados ( Figura 2.6 .c) ocorrem nas

interfaces entre materiais isolantes diferentes, como por exemplo, entre gs/slido.

Descargas em pequenas cavidades de ar ( Figura 2.6 .d) ocorrem em lquidos tanto quanto


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em materiais isolantes slidos. Descargas tipo Slotocorrem em mquinas girantes: os

modelos se baseiam em barras de geradores, nas quais possuem ranhuras para

reproduo do defeito ( Figura 2.6 .e) [29]. Em materiais isolantes slidos podem ocorrer

tambm as descargas contnuas que deterioram parcialmente o material isolante

geralmente denominado descargas treeing ou treeing channels (ver Figura 2.7).

Os treeing channels se propagam em volta do isolamento slido similar aos

encontrados em barras de gerador. Estudos experimentais advertem que este processo

pode ser reduzido por pesquisa de parmetros eltricos, trmicos e carregamento

mecnico [30], [31]. Porm, muitos destes estudos se tornam inviveis quando aplicado

a equipamento real, devido a restries de acesso e limitaes de implementao. Assim

estes estudos tm sido realizados em ambientes e laboratrios especiais com a finalidade

de determinar o comportamento do material sob condies adversas aplicadas.

Eltrodo Ponta

Eltrodo Plano

Mica

Figura 2.7 Descargas em materiais isolantes slidos (treeing channels): Trajetria de propagao

de uma treeing channels em volta de uma barreira de base de mica.

Em aplicaes prticas, feita uma distino entre DP interna e DP externa.

Descargas externas so definidas como processos que ocorrem fora do equipamento, por

exemplo, em armaduras; e descargas internas so definidas como processos que

ocorrem dentro de sistemas fechados. Essa distino apropriada para os sistemas de

medio utilizados, pois descargas externas (em linhas de alimentao ou eletrodos)

podem ser distintas de descargas internas ocorrendo no objeto a ser testado.

Descargas parciais so de curta durao em relao ao perodo da sinuside de

tenso aplicada (da ordem de nano segundos), so repetitivas, tm sua frente muito

ngreme e muito acentuada, podendo ser consideradas como uma funo impulso.

2.5 Conceito de Descargas ParciaisAs DPs so sucesses de descargas eltricas incompletas, rpidas e intermitentes

da ordem de nano segundos (ver Figura 2.8.a), que ocorrem pela proximidade entre duas

partes condutoras de eletricidade e um meio isolante, pelo efeito de ionizao em


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2.5 Conceito de Descargas Parciais

24

cavidades gasosas no interior dos materiais isolantes slidos e lquidos. Tais descargas

tambm podem ocorrer na zona de contato de isolantes slidos (dieltricos) e superfcies

metlicas submetidas tenso eltrica [32]. Esta definio coloca em evidncia algumas

caractersticas notveis do fenmeno fsico das DPs, como:

- Realizam-se rapidamente, considerando a sua curta durao em relao ao semi-

perodo da tenso referencial aplicada (60 Hz).

- So fenmenos intermitentes, determinando sobre os circuitos eltricos impulsos

como fontes muito ngremes e discretas no tempo.

- Caracterizam-se por elevadas freqncias espectrais (da ordem de megahertz).

- O ambiente onde se desenvolvem as disrupes de natureza gasosa. O espao

onde se realizam as DPs restringe-se a uma zona limitada do dieltrico, no chegando a

curto-circuitar os dois eletrodos, pois quando tal se verifica ocorre a disrupo do

dieltrico e, portanto a sua deteriorao.

t (ns)

i(t)(mA)

4020

020406080

100120

0 2 4 6 8 10

tempo, ns

corrente,mA

-505

10152025

0 1 2 3 4 5

(h)

(a)

t

V

u1

v(t)

u10

uz+

uz-

0

Y: 1,2 pC/Div Nvel DP-

(c)

(d)

(pC)

Figura 2.8 Sinais de DPs: (a) Pulsos intermitentes medidos em ultra-alta freqncia, (b) Queda depotencial por DPs em cavidades, (c) e (d) mapeamento tpicos de DPs gerados por modelos

experimentais.

A Figura 2.8.b) mostra um modelo tpico de medio e simulao de DPs em

cavidades gasosas e dieltricos slidos, onde V(t), U10 e U1 so os valores mximos das

tenses de referncia, da cavidade e de descarga, respectivamente e, Uz+ e Uz- sonveis de tenso de incio de descarga em cavidades gasosas, maiores detalhes da Figura

(b)


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2.8b encontra-se em [1], [19]. As Figura 2.8.c e d so mapas digitais dos pulsos

mximos de DPs, obtidos por instrumentos de medio de DPs sob um modelo

experimental.

Como foi exposto acima, a ocorrncia de DPs favorecida em cavidades gasosas

no interior de materiais isolantes. Essas cavidades so as responsveis pelas falhas mais

comuns no material dieltrico, e so geralmente introduzidas durante as vrias etapas de

fabricao dos materiais isolantes e outras solicitaes durante o seu envelhecimento.

Elas podem ocorrer tambm devido a uma aplicao inadequada de vcuo durante o

ciclo de impregnao, como o caso em sistemas de papis isolantes impregnados a

leo usados em cabos, capacitores e transformadores. Nos geradores, particularmente

nas barras estatricas, elas ocorrem entre a camada de verniz e um condutor elementar,

entre camada de pintura semicondutora e a isolao principal (efeito ranhura).

2.6 Deteco e Medio de Descargas ParciaisExistem vrias tcnicas de deteco de DPs: eltrica, acstica, ptica, qumica etc.

Porm, a maioria destas so usadas apenas para complementar a deteco eltrica. A

tcnica acstica de medio por ultra-som est ganhando maior interesse, no aspecto de

localizao, triangulao de pulsos e reflexes acsticas, procurar as ocorrncias das

descargas no equipamento, sendo razovel para experincias de laboratrio, mas nocampo ainda alvo fcil de rudos e interferncias, visto que, os sinais acsticos podem

sofrer forte atenuao nos casos como DPs prximas dos enrolamentos. Por outro lado,

se tm os modelos experimentais baseadas no mtodo eltrico e nos conhecimentos a

priori, com a finalidade tambm de localizar fontes de descargas, por meio de

semelhanas fsico/qumicas, alm de detect-las. A seguir so listadas algumas dessas

tcnicas [1], [33]:

Mtodo ptico ou visual DP pode ser observada visualmente em ambientes

escuros, aps acostumar os olhos escurido. O observador pode utilizar binculos de

grande alcance, se necessrio. Alternativamente, registros fotogrficos ultra-rpidos

podem ser feitos e, para fins especiais, so usados intensificadores de imagem.

Mtodo qumico A presena de DPs em leo ou equipamentos com isolantes a

gs pode ser detectada, em alguns casos, pela anlise da decomposio de produtos

dissolvidos no leo ou no gs. Esses produtos se acumulam durante operaes

prolongadas. A anlise qumica pode tambm ser usada para estimar a degradao do

isolamento causada pela ocorrncia de DPs.


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2.6 Deteco e Medio de Descargas Parciais

26

Mtodo acstico Este procedimento baseado no rudo audvel ou ultra-snico

gerado pelas DPs, isto , rudo no ar ou vibraes em materiais adjacentes fonte de

descarga. A tcnica acstica consiste em utilizar sensores piezeltricos ou transdutores,

que podem ser conectados dentro ou fora do equipamento, de preferncia em ambientes

com baixo nvel de rudo. Medidas acsticas feitas com microfones ou outros

2.3 Mecanismos Das Descargas Parciais

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