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Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - Cepel Avaliação Dielétrica | Set 2012

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica

Avaliação Dielétrica de Equipamentosde Alta Tensão com base nas

Descargas Parciais

Conceitos, Medição e Interpretação

Apresentador: Alain F. S. Apresentador: Alain F. S. LevyLevy

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Materiais

Algumas Características dos Materiais Utilizados em Equipamentos e Instalações Elétricas

Materiais condutores: (cobre, ferro, aço, alumínio, etc. )

São os responsáveis pelas funções de transporte de energia entre vários pontos de um sistema.

Os condutores são caracterizados por impedâncias série pequenas e logo, permitindo o fluxo de correntes elevadas com quedas de tensão pequenas.

Exemplo do cobre padrão:

Resistividade de massa: m 0,15 .m ou .mm2/m,

para um fio de 1m com 1gResistividade de volume: v 0,017 .m

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Material Prata Cobre Ouro Alum.

Resistividade (.m)

16,4 . 10-9 17,2 . 10-9 24,5 . 10-9 28,0 . 10-9

Condutores

Condutores - Exemplos

R = .l /A

= E / J →E

(V/m)

J(A/m2)

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• Materiais isolantes: (ar, vidro, porcelana, resinas, epoxi, borrachas, papel, óleos, SF6, etc. )

São os responsáveis pelas funções de proteção e isolamento entre as partes energizadas e os pontos de terra locais, sem perdas nas funções operacionais dos equipamentos.

Os sistemas isolantes são caracterizados por impedâncias muito elevadas e logo, correntes reduzidas e diferenças de potencial elevadas.

A rigidez dielétrica é uma característica básica dos materiais isolantes, e é definida pela suportabilidade máxima em kV/mm até a qual não há correntes circulantes pela amostra ensaiada.

A rigidez dielétrica pode se alterar com a temperatura, espessura da amostra, forma da tensão aplicada, taxa de subida da tensão, forma dos eletrodos, etc.

Materiais Isolantes

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Exemplos

Material Papel Mica Vidro Teflon

Resistividade(.m)

10,0 . 109 0,5 . 1012 1012 3,0 . 1012

Isolantes

10201020

→ isolante ≈ 1020 condutor

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Eletrodo

MaterialIsolante

Eletrodo

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Eletrodo

MaterialIsolante

Eletrodo

Representação elétrica de um material isolante

Zf C

Alta Tensão

Ri

If

Ir Ic

Eq

Sendo: C – capacitância global entre eletrodos;

Zf – impedância em paralelo

Ri – resistência de isolamento;

Ic – corrente de carga capacitiva;

Ir – corrente resistiva de perdas;

If – corrente de fuga.

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Diagrama fasorial representativo

Sendo: Ir / Ic – fator de perdas do circuito (medição da Tg ); - defasagem entre a corrente total e a tensão aplicada.cos = Ir / (Ir+Ic) – fator de potência;

Quando as perdas tendem a zero, o capacitor torna-se ideal e tende a zero. Logo, cos = sin = tg

Ic + Ir

V

Ic

Ir

Ic + Ir

V

Ic

Ir

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Materiais Condutorese Isolantes

Trafo

R =

Isolante

Carga

Condutor

Geração

Terra

Impedância Série = 0

Isolante Isolante Isolante

C = 0

L =

TP IsoladorPára-raios

Porque Descargas Parciais ?

DP x Tg δ

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Materiais semicondutores

Podem ser obtidos industrialmente via confecção de fitas, resinas, tintas, papéis, etc.

São os responsáveis pelas funções de isolamento progressivo entre eletrodos separados por campos elétricos intensos, permitindo sua distribuição de forma progressiva.

Exemplos de sua utilização são os terminais de barras de geradores, buchas de alta tensão, terminações de cabos de alta tensão.

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Semi-condutores

Semicondutores - exemplos

Material Carbono Germânio Silício

Resistividade(.m)

40,0 . 10-6 0,47 640

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Bucha de alta Tensão

127 V127 V

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Bucha de alta TensãoDistribuição de Potencial

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Isolamento progressivo

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Ionização – Qualquer processo pelo qual um átomo torna-se eletricamente carregado;Corona – micro descargas elétricas que ocorrem normalmente ao ar em regiões de campo elétrico intenso;O termo “efeito corona” é mais utilizado no caso de descargas ocorrendo no ar em torno de um elemento condutor assim como streamers, centelhamentos, micro-descargas ou descarga auto sustentada;Ionização interna – Usado pelas normas no caso do corona interno aos pára-raios, sendo quantificado pela medição de RIV, normalmente em V;Descargas Parciais – a seguir...

Nomenclatura

FotoCoronaFotoCorona

St Elmo

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O que são Descargas Parciais na Teoria Física?

Elétrons livres são elementos existentes nas áreas externas dos materiais condutores, tendo liberdade e movimentação contínua. Os primeiros elétrons do processo são criados por foto-ionização. Quando acelerados por um campo elétrico, na fronteira com um ambiente com gás, colidem com átomos neutros produzindo a movimentação de outros elétrons e íons positivos.

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As colisões, sendo inelásticas, conservam a maior parte da energia dos elétrons e íons, o que facilita a manutenção do processo.Do ponto de vista elétrico, esse processo corresponde à geração de correntes impulsivas de polaridades positiva e negativa, com uma grande variedade de amplitudes, formas temporais e taxas de repetição.


Quanta

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Movimentação de Elétrons livres –

superfícies metálicas

Elétrons livres e átomos


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A colisão de elétrons acelerados sobre átomos neutros, pode mudar a órbita de seus elétrons retirando parte da energia cinética dos elétrons acelerados. Em outro instante, os átomos excitados voltam ao seu estado inicial de menor energia, liberando o excesso de energia sob a forma de ondas eletromagnéticas e luz. Daí surgem os Campos Eletromagnéticos Radiados e o Corona Visual.


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Ionização e elétrons x Corrente elétrica

Ionização - criação de elétrons e íons devido a um campo elétrico.

O tráfego de elétrons entre dois pontos gera a corrente elétrica.

Corrente = vazão de elétrons em um condutor ou dielétrico – Unidade básica do Sistema Internacional: em ampères (A)

SI

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Ionização e elétrons x Corrente elétrica

Carga de 1 elétron = 1,6 x 10-19 coulombs

1 coulomb = 6,2 x 10+18 elétrons

1 pC = 6,2 x 10+6 elétrons

1 A = 1 coulomb/s = 6,2 x 10+18 elétrons / s

120 pC = 7,4 x 10+8 elétrons em um pulso, dá início ao streamer

2A - 30a

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O que são Descargas Parciais na Engenharia Elétrica ?

Descargas ParciaisDescargas Parciais são são descargas elétricas descargas elétricas localizadaslocalizadas, ou seja, que não chegam a , ou seja, que não chegam a percorrer todo o caminho dentro de um percorrer todo o caminho dentro de um material isolante colocado entre dois material isolante colocado entre dois condutores submetidos a uma diferença de condutores submetidos a uma diferença de potencial.potencial.São São pulsos de correntepulsos de corrente de alta frequência que de alta frequência que ocorrem, de maneira repetitiva, no interior dos ocorrem, de maneira repetitiva, no interior dos sistemas isolantes dos equipamentos de alta sistemas isolantes dos equipamentos de alta tensão.tensão.

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Para efeito de compreensão pode-se dizer que Para efeito de compreensão pode-se dizer que Descargas ParciaisDescargas Parciais são “ são “Descargas Descargas DisruptivasDisruptivas” ocorrendo em pequena parte de ” ocorrendo em pequena parte de um material isolante.um material isolante.Em muitos casos, o Em muitos casos, o CoronaCorona na superfície de na superfície de materiais condutores e dielétricos também é materiais condutores e dielétricos também é medido como sendo medido como sendo Descargas ParciaisDescargas Parciais..

O que são Descargas Parciais na Engenharia Elétrica ?

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Norma IEC 60270 – Definição de Descargas Parciais

Definição de Descargas ParciaisDescargas Parciais segundo a norma IEC 60270:

É uma descarga elétrica localizada que curto-circuita parcialmente um material isolante separando dois condutores e que pode estar adjacente ou não a um dos condutores.

Normas

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O que são Descargas Parciais?

ALTA TENSÃO + GEOMETRIA / ELETRODOS

Distribuição deCampo Elétrico

Aceleração deElétrons Livre

Ionização das Moléculas de Gás

Descargas parciaisEmissãode Luz

CoronaSuperficial

CorrentesConduzidas

Aquecimento

VibraçõesMecânicas

ProdutosQuímicos

CamposRadiados

Radiointerferência(TRI e RI)

RuídoAudível

FilmeCélulaFilmeCélula

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MecânicosMecânicos

ElétricosElétricos

LuminososLuminosos

TérmicosTérmicos

QuímicosQuímicos

Efeitos das DP´s – Uma ordem de sensibilidade

Sensib

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-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Tempo (ns)

Te

ns

ão

(m

V)

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Tempo (ns)

Te

ns

ão

(m

V)

Células de teste

Gerador

Óleo isolante – Elemento flutuante

Descargas Parciais: Sinais no domínio do tempo

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hw3hw2

hw1

Tm1

Tm3Tm2

Im1

Im2Im3

90%

50%

30%

10 15 20 255

1

Time, nsC

urre

nt, a

rb. u

nit

Pulsos de corrente no ar

Sinais no domínio do tempo

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time, ns

curre

nt, a

rb. u

nit

0

1

0 20 40 60 80 100

(a)

time, ns

curre

nt, a

rb. u

nit

0

1

0 50 100 150 200(f)

Pulsos de corrente no ar

Descargas Parciais no

domínio do tempo

sDP'


time, ns

curre

nt, a

rb. u

nit

-0.2

0.2

0.6

1

0 1 2 3 4 5(b)

time, ns

curr

ent,

arb.

uni

t

-0.2

0.2

0.6

1

0 1 2 3 4 5(f)

Pulsos de corrente no óleo

Descargas Parciais no

domínio do tempo

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-5

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5time, ns

curr

en

t, m

A



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-0,2

0,2

0,6

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10time, ns

curr

en

t, a

rb. u

nit



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Descargas Parciais: Sinais sobre a freqüência industrial

Y: 1,2 pC/DivNível DP vs

sDP'


Y: 1,2 pC/DivNível DP vs


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Descargas Parciais: Mapa estatístico pC x fase x número

DP(pC)

fase

LabViewLabView

11

Estatística simulada1Gerador4

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Em dielétricos sólidos, as DP´s são produzidas pela ionização de pequenas cavidades de ar no interior do dielétrico;

Em líquidos, pela ionização de bolhas de gás no seu interior;

No ar, pela ionização das moléculas de ar nos pontos de maior gradiente de potencial.

Ambiente onde as Descargas Parciais ocorrem

FilmeÓleoFilmeÓleoMoise

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Descargas Parciais podem ocorrer em quaisquer pontos do dielétrico; Na junção de dois dielétricos diferentes ou adjacentes ao

condutor; Do lado do eletrodo aterrado; Podem também ocorrer seguidamente em múltiplos

pontos do sistema isolante.

Locais de ocorrência das DP´s nos sistemas isolantes

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A necessidade dos ensaios de DP's vem do fato que estas são uma fonte contínua de deterioração do material isolante, ou seja, modificam suas propriedades dielétricas diminuindo sua suportabilidade;

Dependendo da intensidade das DP's, a vida útil do material será reduzida. A medição de DP pode indicar uma certa expectativa de vida útil dos dielétricos.

Porque medir as Descargas Parciais ?

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É uma forma de controle de qualidade do sistema isolante;

Forma de controle dos processos construtivos e dos materiais utilizados na fabricação de equipamentos;

Verificação das condições dielétricas após manutenção de equipamentos;

Porque medir as Descargas Parciais ?

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Motivos para Avaliação dos Equipamentos quanto às DP

Identificação de possíveis montagens irregulares, complementações de outras avaliações, identificação do início de descargas internas, etc.

Verificação do estado dielétrico antes e após outros ensaios de solicitação dos equipamentos;

Previsão para manutenção preventiva.

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As disrupções ocorrem sempre em meio gasoso

São pulsos discretos de curta duração e taxa de ocorrência elevada (atuação repetitiva)

Promovem a elevação de temperatura do dielétrico

Não apresentam nenhuma característica visível a olho nu, ou seja, quando da abertura de um equipamento, pode não ser possível confirmar a presença de DP, a menos que o defeito tenha proporções muito críticas.

Algumas Características das Descargas Parciais

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Norma IEC 60270

Que grandezas podem estar associadas às DP´s e que podem ser medidas?

- Carga Aparente (q), medida em pC – é a carga que, se fosse injetada em um tempo muito curto, nos terminais externos de um equipamento, causaria a mesma queda de tensão sobre uma impedância de medição de um circuito de ensaio, do que a própria carga real gerada no interior desse equipamento;

qit

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Que níveis de Descargas Parciais são aceitáveis?

– Equipamentos de alta tensão em geral: <10 pC

- Cabos blindados de alta tensão: < ruído de fundo (1 a 2 pC)

- Motores e geradores: 2 a 5 nC

- Transformadores de potência de grande porte: < 300 pC

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- Taxa de repetição das descargas – é o número de descargas ocorrendo por uma unidade de tempo, dentro de uma determinada faixa de amplitudes das descargas;

- Ângulo de fase das descargas (i) e

tempo de ocorrência (ti) – é a posição

do pulso de descarga em relação ao período T da onda de tensão aplicada a frequência industrial:i = 360 (ti / T)

Norma IEC 60270

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Norma IEC 60270

- Corrente média das descargas (C/s ou A):

I = (q1 + q2 + q3 + ... + qi)/Tref

- Potência média das descargas (W):

P = (q1u1 + q2u2 + q3u3 + ... + qiui)/Tref

- Pico de tensão (mV) sendo a queda de tensão sobre um resistor por onde passa a corrente devido às DP´s

pC x mV

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- Pressão acústica (dB);

- Campo Eletromagnético Radiado (dB);

- Energia das descargas;

- Número de descargas;

- Reações químicas;

Outras grandezas que podem ser avaliadas

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Distâncias de alguns km;Correntes de dezenas de kA;Duração de dezenas de µs;

Descargas atmosféricas x Descargas parciais

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Descargas atmosféricas x Descargas parciais

Descargas AtmosféricasDistâncias de alguns km;Correntes de dezenas de kA;Duração de dezenas de µs;

Descargas ParciaisDistâncias de frações de mm;Correntes de alguns mA;Duração de frações de ns (?);

Escala: 1/10.000.000

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Como se representa eletricamente uma DP?

Conforme as características do material, existirá em seu interior uma certa quantidade de cavidades de várias formas e dimensões preenchidas com ar e gases.

Representação Elétricadas Descargas Parciais

Modelo x engenho

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Costuma-se, para efeito de simplificação e de análise, considerar uma única cavidade de contorno plano, pois as várias partes do dielétrico podem ser simuladas idealmente por capacitores de placas paralelas.Assim, pode-se formar um circuito equivalente simplificado conforme mostra a figura.


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Eletrodo

MaterialIsolante

EletrodoEletrodo

Eletrodo

C1

v v1

v2 C2

C


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C2 representa a capacitância da cavidade;

C1 é a capacitância total em série com C2;

C é o restante da capacitância em paralelo com o conjunto C1 e C2.

C1

v v1

v2 C2

C


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Para cada capacitância existe também uma resistência correspondente, que está sendo aqui desprezada.A tensão nos terminais da cavidade ( V2 ), em função dos parâmetros do circuito e da tensão aplicada externamente, é dada por:

V2 = V.C1 / (C1 + C2)


C1

v v1

v2 C2

C

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Uma descarga parcial significa um curto circuito através da capacitância C2, o que acarretará numa

diminuição da tensão nos terminais do dielétrico de V e uma queda de tensão nos terminais de C2 de

V2 = V2.

C1

v v1

v2 C2

C


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Pode-se determinar o valor de V em função de V2 e

dos parâmetros do circuito através do equilíbrio de cargas antes e após a descarga parcial:

qantes = V.(C + C1.C2 / (C1 + C2)) = V2.(C1 + C2) / C1

qapos = (V - V) ( C + C1 )

C1

v v1

v2 C2

C


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Da equação acima conclui-se que a variação de tensão nos terminais do objeto sob ensaio (V ) é proporcional à tensão nos terminais da cavidade ( V2 = V2 ) e função das capacitâncias do dielétrico ( C1 e C ).

Como: qantes = qapos

Desenvolvendo:

V = V2 . C1 / ( C + C1 )

C1

v v1

v2 C2

C


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Retrospectiva: Impedâncias

Resistores Impedância não varia com a freqüência

ZR = Constante

Indutores Impedância aumenta com a freqüência

ZL = j2 f L

Capacitores Impedância diminui com a freqüência

ZC = 1 / (j2 f C)

cc

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L

Lim Zf

0C

Lim Zf

L

Lim ZL

0C

Lim ZC

tende para circuito aberto.

tende para curto circuito.

tende para circuito aberto.

tende para curto circuito.

ZR não varia com a freqüência. LabViewLabView

Retrospectiva: Impedâncias

33

sDP'


Circuito com geração de pulsos em um condutor em relação ao espaço;Sinais radiados e conduzidos por capacitâncias parasitas; Impedâncias para o terra muito grandes;

Adição de um acoplamento capacitivo para o terra (Cap. de Alta Tensão) – Caminho preferencial para os pulsos de corrente;Adição de um resistor em série com o capacitor – Medição da corrente pela queda de tensão em seus terminais;

Circuito Elétrico para medição das Descargas Parciais

FLIPFLIP

sDP'


Item sob ensaio

Zm

Fonte60 Hz

filtroCk

DP

it

it

Circuito para medição das Descargas Parciais

Ck – Acoplamento capacitivo

Zm – Resistor de medição

sDP'


Procura-se medir uma grandeza que esteja diretamente associada à vida útil do material dielétrico e que seja pouco sensível às variações de capacitância do circuito de ensaio. A “carga real q2”, que é a carga gerada nos terminais da cavidade devido à DP, é a grandeza mais indicada, porém esta carga não pode ser medida na prática.

Grandezas a medir

sDP'


Define-se então uma carga q, chamada de “Carga Aparente", a qual, caso seja injetada instantaneamente nos terminais do objeto sob ensaio, produzirá uma queda de tensão igual àquela provocada pela descarga parcial.A "carga aparente" q pode ser medida.

Grandezas a medir

sDP'


A Carga Aparente será medida como sendo o reflexo da carga real nos terminais do

equipamento e será quantificada como sendo a integral dos pulsos de corrente conduzidos por um circuito, em uma determinada faixa de

freqüência

Grandezas a medir

rádio

sDP'


Espectro de freqüência das Descargas Parciais.

Transformadas de Fourier

Retrospectiva – Espectro de freqüência

sDP'


Centelhamento

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 100 200 300 400 500

Tempo (ns)

Te

ns

ão

(m

V)

Descargas Parciais Domínio do tempo

sDP'


Espectro de freqüência de um centelhamento ao ar ambiente

60

70

80

90

100

110

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Freqüência em MHz

Ate

nu

açã

o R

ela

tiva

em

Db

Descargas Parciais Espectro de freqüência

Analisador de Espectro ?

sDP'


Centelhamento a 50%

-1000

-500

0

500

1000

1500

0 500 1000 1500 2000 2500

Tempo (ns)

Te

ns

ão

(m

V)

Descargas Parciais Domínio do tempo

sDP'


50

60

70

80

90

100

110

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Freqüência em MHz

Ate

nuaç

ão e

m d

B

82,1 %

100 %

92,9 %

71,4 %

Curva de atenuação em frequência até 100 MHz.Sinal aplicado em 82,1 % e medição realizada nos vários pontos ao longo de um enrolamento estatórico.

Descargas Parciais Espectro de freqüência

sDP'


0).()( dtetifi tj

Transformadas de Jean Fourier

Sendo:

)()( 0tt eeIti

Representação de uma DP por dupla exponencial:

Calculando-se:

)11

()( 0 jjIfi

f.2

LabViewLabView 222A2A

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2

1)).((

2

1)(

f

f

tj dfefiti

Voltando para o domínio do tempo:

0

)( dttiqObtendo-se a carga:

0

2

1

0 ..11

2dtdfe

jj

Iq tjf

f

Transformadas de Jean Fourier

sDP'


Item sob ensaio

R

C

VRi

iL

Simulação em Circuito RLC

LabViewLabView

44

sDP'


Calibrador de DP´s

Cc

Rc

AT

Terra

Ci

Ck

Zm

Q = Cc.V

V

LabViewLabView

66

Oscil, pneu

sDP'


C k

Z m

A

B

Calib.C i

CampoCrítico

i(t)

CampoCrítico

Z m

A

B

C k

i(t)

Calib.

C i

Calibração

sDP'


Localização em cabos

CaboLocal dodefeitoTerminal

de medição

t2

t3

t1

Tempo depropagação

PC

cabo

Osc

AcoplFonte

de altatensão

Imp

Lx

A B

Local dodefeito

Medição

Q/2Q/2 LabViewLabView 5151

IPH TreeIPH Tree

5252

5353

sDP'


Co

Ro

Alta Tensão

Calibrador

C1

C2

Zm

Baixa Tensão

DP

DSP

Medição em TrafoNo campo

sDP'


C1

C2

H3

Zm

C1

C2

H2

C1

C2

H1

TC TCDPDP

D

DP PC

D - disjuntor de AT C1 - cap. da bucha de AT TC - transformador de

corrente de alta freqüência DP - instrumento para

medição de DP Zm - imp. de medição

Medição em trafo no campo

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Novos modelos de

Padrões de DP

sDP'


Novos modelos propostos Padrões de DP(Werle)

Filtro

passa

banda

Am

plifi

cador

sDP'


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