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Avaliação de Buchas de Alta Tensão com
Variação de Frequência
M. E. C. Paulino, e A. T. L. Almeida,

Abstract--Este trabalho apresenta as técnicas de avaliação e
testes de buchas de Alta tensão de transformadores de potência.
Mostra os procedimentos e resultados práticos envolvendo testes
de fator de dissipação e capacitância que pode ser aplicado pelas
equipes de manutenção. Este trabalho mostra ainda a realização
de testes avaliando a condição de isolamento buchas, usados para
subsidiar a tomada de decisão sobre a condição da instalação.
Index Terms— buchas, diagnóstico, efeito pelicular, variação
de frequência, testes e análises, detecção de defeitos
I. INTRODUÇÃO
A
e produzir um diagnóstico confiável do estado de
equipamentos de subestação tem requerido dos
profissionais envolvidos com essa atividade a adoção de
técnicas e ferramentas que permitam obter uma avaliação
eficaz e rápida desses equipamentos.
Devido à crescente pressão para reduzir custos, as empresas
do setor elétrico são forçadas a manter as antigas instalações
em operação por tanto tempo quanto possível. Estatísticas
recentes têm mostrado que cerca de um terço dos
transformadores têm mais de 30 anos.
As buchas de alta tensão são componentes críticos dos
transformadores de potência e particularmente buchas
capacitivas de alta tensão necessitam de maior atenção e testes
regulares para se evitar falhas inesperadas.
Diante das novas regras de mercado do setor elétrico, do
envelhecimento das instalações e da diminuição do número de
profissionais envolvidos com a avaliação dos equipamentos na
subestação, torna-se imperativo a busca de procedimentos e
ferramentas que possibilitem a obtenção de dados das
instalações de forma rápida e precisa.
Este trabalho mostra técnicas de avaliação e testes em
buchas de alta tensão utilizando varredura de frequências. Por
meio da observação dos fenômenos de efeito pelicular e da
polarização do meio dielétrico, o trabalho avalia a condição do
isolamento e buchas de alta tensão através do teste de Fator de
Dissipação e Capacitância em várias frequências, e a
comparação das curvas resultantes com os dados e
características do elemento sob teste.
O trabalho também mostra que o teste realizado apenas a 60
Hz pode levar a diagnósticos errados ou incompletos. Com a
VALIAR
M. E. C. Paulino é gerente técnico da Adimarco, Rio de Janeiro, RJ,
Brazil (e-mail: [email protected] ou [email protected]).
A. T. L. Ameida é professor titular da Universidade Federal de Itajubá,
MG, Brazil (e-mail: [email protected]).
variação de frequência é possível detectar a degradação no
isolamento em um estágio inicial, com uma análise mais
detalhada.
II. AVALIAÇÃO DE BUCHAS COM VARIAÇÃO DE FREQUÊNCIA
Os testes mais comuns realizados em buchas de alta tensão
são:
 Medida de fator dissipação e capacitância do isolamento
 RIV (Radio-Influence-Voltage)
 Resistência de isolamento DC
 Teste do óleo ou da umidade no isolamento
Neste trabalho foi analisada a aplicação dos ensaios de fator
de dissipação e capacitância. Essa aplicação, juntamente com a
avaliação do óleo, consiste no procedimento de teste de campo
mais eficaz para detecção antecipada da degradação do
isolamento da bucha. Ele também mede a corrente de teste
alternada (CA), que é diretamente proporcional à capacitância
da bucha.
Para a avaliação dos resultados do teste de fator dissipação
e capacitância do isolamento em 50/60 Hz, as normas IEC
60137 e IEEE C57.19.01 indicam os limites de avaliação [1,2].
TABLE I
AVALIAÇÃO PARA DIFERENTES TIPOS DE BUCHAS SEGUNDA AS NORMAS
IEC 60137 E IEEE C57.19.01 [1,2]
Tipo
RIP
OIP
RBP
Isolamento
Papel impregnado a
resina
Papel impregnado
a óleo
Papel
envelopado a
resina
< 0,7% *
< 1,5% *
< 0,5% *
< 2% *
DF tan δ
< 0,7% *
(IEC 60137)
PF cos 
< 0,85% *
IEEE C57.19.01
* a 1.05 Um/3 e 20°C
As tabelas 2 e 3 mostram as tolerâncias para avaliação de
buchas adotadas neste trabalho para as medidas realizadas a
50/60 Hz.
TABLE II
AVALIAÇÃO DA CAPACITÂNCIA [3]
ΔC = Cmedida – Cref*
Avaliação
ΔC < 5%
Aceitável
5% < ΔC < 10%
Deve ser investigada
ΔC > 10%
Crítica
*sendo Cref o valor de placa ou de bucha nova
TABLE III
AVALIAÇÃO DO FATOR DE DISSIPAÇÃO [3]
Avaliação
FPmed < 2 x FPref
Aceitável
FPmed < 3 x FPref
Deve ser investigada
FPmed > 3 x FPref
Crítica
*sendo FPref o valor de placa ou de bucha nova
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Entretanto, até os dias de hoje, o fator de dissipação ou o
fator de potência só foram medidos na frequência da linha.
Este trabalho realiza as medições de isolamento em uma larga
faixa de frequência, produzindo uma assinatura da bucha
testada em função da frequência.
As medidas podem ser feitas em frequências diferentes da
frequência da linha e seus harmônicos. Com este princípio, os
testes podem ser realizados também na presença de alta
interferência eletromagnética em subestações de alta tensão.
A faixa de frequência utilizada nesse trabalho varia de 15 a
600 Hz. Os testes podem ser realizados sem problemas, pois,
nesta faixa de frequências, as capacitâncias e indutâncias do
sistema elétrico testado são praticamente constantes, sendo
permitida uma variação máxima de 1% nos valores de
capacitância ou indutância medidos.
O teste do isolamento consiste na medida da superposição
de vários efeitos, tais como as propriedades do papel sozinho e
do óleo isolante. A análise das propriedades dielétricas é dada
com a combinação da polarização interfacial no isolamento
óleo e papel, combinando suas características.
Assim, para avaliarmos o isolamento, devemos considerar
que o dielétrico perde sua capacidade de isolar devido a:
 Movimento de íons e elétrons (corrente de fuga)
 Perdas por causa do efeito da polarização
A. Perdas por Corrente de Fuga
A perda por movimento de elétrons, ou seja, por corrente
de fuga no isolamento é dependente da frequência da tensão
aplicada no isolamento. Este fenômeno ocorre devido ao efeito
pelicular.
O efeito pelicular (Skin effect em inglês) é um efeito
caracterizado pela repulsão entre linhas de corrente
eletromagnética, criando a tendência de esta corrente fluir na
superfície do condutor elétrico. Quando uma corrente elétrica
constante flui em um condutor homogêneo, ela se distribui
uniformemente pela sua seção transversal. Quando se trata de
uma corrente alternada, esta não se distribui de maneira
uniforme pela seção do condutor. Este efeito é proporcional à
intensidade de corrente, à frequência, ao campo elétrico, às
dimensões e forma do condutor e a condutividade elétrica [4].
Para um condutor de seção transversal circular, a
distribuição da corrente elétrica varia ao longo do raio da
seção, sendo maior na superfície. Freqüentemente encontrado
em sistemas de corrente alternada, o efeito pelicular é
responsável pelo aumento da resistência aparente de um
condutor elétrico, devido à diminuição da área efetiva do
condutor.
Para comprovar a influência do raio do condutor na
resistência frente ao aumento de frequência, utilizaram-se as
funções de Bessel para calcular a impedância interna de
condutores cilíndricos contínuos e tubulares, levando-se em
consideração o efeito pelicular [5]. A figura 1 mostra a
resistência aumentando com a frequência, sendo quanto maior
a espessura do tubo, mais inclinada é a curva se apresenta.
Assim, o efeito pelicular causa, com o aumento da frequência,
o aumento da densidade de corrente nas porções externas do
condutor, evidenciando a ocorrência de corrente de fuga
superficial. Além disso, as perdas aumentam com o aumento
da frequência.
Fig. 1 – Comportamento da resistência de condutores cilíndricos tubulares.
B. Perdas por Efeito da Polarização
O comportamento de um material isolante quanto à
polarização tem uma característica semelhante à utilizada na
compreensão da análise de um capacitor.
A capacitância está relacionada às características
geométricas do capacitor e se o espaço entre as placas for
preenchido com um material isolante, o fenômeno da
polarização vai influenciar na capacitância, aumentando-a.
Entretanto, a criação de dipolos no isolante absorve energia
dos terminais do capacitor, devolvendo-a quando este é
descarregado, configurando as perdas por polarização.
As perdas por polarização são geradas devido aos efeitos de
suspensão e rotação. No entanto, a polarização elétrica dos
materiais não tem origem em uma única fonte e a polarização
total de um material dielétrico será a soma de todos os tipos
presentes neste material.
A suspensão de elétrons é completamente reversível. O
mecanismo é demonstrado na figura 2. Este tipo de
polarização também é chamado de “Polarização do Átomo”. A
polarização de dipolos é mostrada na figura 3.
Fig. 2 – Polarização de elétrons em um campo elétrico
Fig. 3 – Polarização de dipolos em um campo elétrico
O dipolo típico é uma molécula de água. Quando o campo
elétrico altera a polaridade, a orientação da molécula de água é
alterada para 180º. Esta rotação, relacionada com a frequência
aplicada, causa as perdas descritas. A superfície, os limites de
elementos internos e intermediários (incluindo a superfície da
precipitação) podem ser carregados, isto é, elas contêm
dipolos que são orientados para alguns graus devido a um
3
campo externo e deste modo contribuir para a polarização do
material, gerando perdas adicionais que são conhecidas por
polarização interfacial. Este efeito ocorre, por exemplo, na
interface entre o óleo do transformador e o isolamento sólido
tais como papel ou placa de transformador.
armazenamento mostrou uma séria degradação em seu
isolamento devido a forte presença de umidade.
III. ENSAIO EM BUCHAS INSTALADAS EM
AUTOTRANSFORMADOR E EM BUCHA RESERVA
As buchas de alta tensão de autotransformadores instaladas
em uma Subestação de 500 kV possuem os valores de
referência mostrados na tabela 3. A figura 4 mostra o
autotransformador da fase B sob teste.
TABLE III
VALORES DE REFERÊNCIA PARA C1 DE BUCHAS 500 KV
Bucha
Capacitância
Fator de Dissipação
Fase A (n° 78D237)
431,9pF
0,22%
Fase B (n° 78D243)
421,3pF
0,20%
Fase V (n° 78D247)
426,6pF
0,21%
(a)
(b)
Fig. 5. Bucha Reserva sob teste – (a) bucha armazenada no caneco, (b) bucha
sendo retirada para inspeção e novo teste.
A bucha foi então retirada do caneco e a inspeção mostrou
grande quantidade de umidade, como mostra a figura 6 no
detalhe da extremidade inferior da bucha.
Fig. 4. Autotransformador fase B sob teste.
Foram realizadas medidas de fator de dissipação e
capacitância nas buchas H1 das fases B e V. Os resultados do
teste para a frequência de 60Hz são mostrados na tabela 4.
Fig. 6. Inspeção na bucha reserva e constatação da presença de umidade.
TABEL IV
VALORES DE ENSAIO A 60 HZ PARA C1 DE BUCHAS 500 KV
Medida
Fator de Dissipação
Capacitância
BUCHA H1 Fase B
0,2380%
425,4132 pF
BUCHA H1 Fase V
0,2795%
426,0563pF
A comparação entre as unidades e os valores de referência
mostra a boa condição das buchas segundo os testes
realizados. Em seguida foram realizados ensaios com variação
de frequência, cujos resultados serão apresentados adiante.
A. Ensaio em Bucha Reserva de 500 kV
Os testes foram repetidos em uma bucha reserva. A figura
5a mostra a bucha em seu local de armazenamento. A figura
5b mostra sua retirada para inspeção e realização de novo
teste.
Como se trata de uma bucha do mesmo tipo que as buchas
instaladas no transformador, eram esperados resultados iguais.
Entretanto a realização do teste com a bucha em seu local de
Foi então realizado a secagem manual da bucha e novo
teste. A tabela 5 mostra os resultados do teste na bucha reserva
antes e depois da secagem manual. Fica evidenciada a
degradação do isolamento. Após a secagem manual o
resultado do teste indica uma sensível melhora do isolamento.
Entretanto essa melhora não chega aos níveis observados para
as buchas em funcionamento, mostrado na tabela 4.
TABELA V
VALORES DE ENSAIO A 60 HZ PARA C1 DE BUCHA RESERVA 500 KV
Medida
Fator de Dissipação
Capacitância
BUCHA H1 Reserva antes
1,3227%
409,7116pF
BUCHA H1 Reserva depois
0,3353%
421,9776pF
A figura 7 mostra o resultado do teste com a variação de
frequência nas buchas das fases B e V, e na bucha reserva
(antes e depois da secagem manual). Fica evidente a diferença
de assinaturas evidenciando a condição do isolamento.
4
Fig. 7. Resultados de teste de Fator de Dissipação com variação de
frequência.
Fig. 9. Unidade testada de reatores ABB 40,33 MVA/500kV.
A figura 8 mostra os resultados de teste para as medidas de
capacitância. Repete-se a característica com o mesmo efeito.
Fig. 10. Comportamento do fator de dissipação pela variação de frequência Comparação entre as 3 fases
Fig. 8. Resultados de teste de Capacitância com variação de frequência.
Nota-se que na faixa de frequências usada no teste, a
capacitância poderá variar 1%, no máximo. A tabela 6 mostra
os valores calculados da variação de frequência.
TABEL VI
VALORES DE VARIAÇÃO DO VALOR DE CAPACITÂNCIA
Bucha
 Cap %
Fase B
0,51 %
Fase V
0,56 %
Reserva (antes)
2,64 %
Reserva (depois)
0,73 %
Entretanto registraram-se picos negativos e positivos
exatamente sobre a frequência de 60 Hz. Isto ocorreu devido à
forte interferência eletromagnética na medida, pois os reatores
avaliados estão instalados ao lado de uma instalação de 500kV
energizada. Vale ressaltar que se as medidas fossem feitas
apenas com 60 Hz os resultados anotados certamente estariam
errados, pois não levariam em consideração as condições reais
do equipamento sob teste.
A figura 11 mostra as medidas de capacitância das buchas
com variação de frequência. Novamente pode-se observar o
efeito da interferência eletromagnética em 60 Hz.
IV. COMPARAÇÕES DE MEDIDAS DE CAPACITÂNCIA E FATOR
DE DISSIPAÇÃO EM 3 FASES
Foi realizada a comparação das medidas de fator de
potência entre as buchas das 3 fases de um banco de reatores
ASEA/BROWN BOVERI, tipo RM46, 2002, com Potência:
40,33 MVAr, Tensão HV: 500 kV, Corrente HV: 127 A. A
figura 9 mostra uma unidade testada. As buchas testadas forma
fabricadas em 2002 e são do tipo GOE 1675/1175/2500A
(OIP) com isolação: 550/318[kV], e valores nominais da
Capacitância C1 de 5516 pF e do fator de dissipação de C1
com 0,46%. Os resultados de Fator de Potência variando a
frequência são mostrados na figura 10. Nota-se que o Fator de
Potência tende a aumentar com o aumento da frequência,
comprovando o descrito anteriormente.
Fig. 11. Comportamento da Capacitância pela variação de frequência Comparação entre as 3 fases A, B e V.
5
Observam-se também os valores de capacitância que
praticamente não se alteram, apresentando uma variação de
cerca de 0,7% em toda a escala de frequências. A comparação
entre as fases mostra uma diferença máxima de menos de 1%
entre os valores de capacitância.
V. ANÁLISE DE FALHA EM TRANSFORMADOR ELEVADOR
Em uma atividade de manutenção foram realizados testes
para análise das buchas do transformador elevador de 134,4
MVA - 13,8/138 kV, instalado na UHE Jupiá, CESP, Brasil. A
figura 12 mostra o transformador sob teste.
buchas, conforme mostra a figura 14. Os valores na frequência
de 60 Hz apresentam valores conformes e esperados.
Entretanto, com a variação de frequência, fica clara a
evidência de falha pelo desvio entre as buchas após 150 Hz.
Como o uso de uma ponte tipo Schering, com capacitor de
referência e capacidade de variação de frequência, a equipe
técnica tem a sua disposição todos os dados para efetuar uma
análise eficaz, como os resultados das medidas das Perdas
Watt com a variação da frequência, utilizando a técnica de
Colar Quente, como mostrada na figura 15. A figura 16 mostra
os resultados para a variação da Perda Watt com a frequência.
Fig. 14. Ensaio de Fator de Potência das buchas de BT.
Fig. 12. Transformador 134,4 MVA - 13,8/138 kV, UHE Jupiá, CESP.
Os resultados dos testes nas buchas de alta tensão não
evidenciarem problemas, conforme mostra a figura 13. O
ensaio foi realizado no modo UST-A, medindo a capacitância
C1 da bucha. Os valores a 60 Hz coincidem com os valores de
referência e valores de ensaios anteriores, além da
característica com variação de frequência mostrar a
repetibilidade entre as fases e atestar a condição boa do
isolamento das buchas H1, H2 e H3.
Fig. 13. Ensaio de Fator de Potência das buchas de AT.
Entretanto, os resultados do ensaio das buchas de baixa
tensão evidenciaram um sério problema no isolamento nessas
Fig. 15. Conexão para ensaio de Fator de Potência das buchas de BT.
Fig. 16. Resultados de Perda Watt nas buchas de BT.
Nota-se que ao redor de 60 Hz a perda Watt, basicamente
composta pela corrente de fuga superficial, é desprezível.
6
Comparando-se as características de fator de potência e perda
Watt notamos uma grande semelhança. Portanto pode-se
concluir que:
 A perda Watt aumenta com a frequência devido ao efeito
pelicular, então existe um caminho para estabelecimento
da corrente de fuga evidenciando falha no isolamento;
 A diferença entre as buchas das 3 fases implica em
diferentes condições de falha entre elas;
 Como a medida foi realizada sem a influência da corrente
de fuga superficial (teste colar quente), a corrente de fuga
evidenciada não flui pela superfície da bucha, mas por
uma conexão interna.
Após a abertura da caixa de buchas (figura 17a) foi
verificado o afrouxamento dos parafusos das barras de
conexão entre as buchas de BT e a barra do enrolamento
conforme a figura 17b, além de trincas na base de fixação.
[3]
Reference Manual CPTD1- CPC100TD1.PR.1 - OMICRON electronics
GmbH, 2005
[4] Robert R., “Efeito Pelicular”, Revista Brasileira de Ensino de Física,
vol. 22, no. 2, Junho, 2000.
[5] MINGLI, W. and YU, F., “Numerical Calculations of Internal
Impedance of Solid and Tubular Cylindrical under Large Parameters”,
IEEE Proc.-Gener. Transm. Distrib., Vol. 151, No. 1, January 2004.
[6] Paulino, M. E. C., "Avaliação do Isolamento em Transformadores de
Potência com Testes Elétricos Avançados" in Proc. 2010 9th IEEE/IAS
International Conference on Industry Applications, São Paulo, SP,
Brazil, 2010.
[7] Paulino, M. E. C. and Beltrão, V. C. V. M. “Efeito Pelicular e
Polarização na Avaliação do Isolamento de Transformadores e Buchas
com Variação de Frequência”. in Anais do SBSE 2010 - Simpósio
Brasileiro de Sistemas Elétricos, Belém, PA, Brazil, 2010.
[8] Paulino, M. E. C. Fattori, I. M. Mariano C. A., Alcântara, C. Oda, P. R.,
"Utilização de Técnicas com Variação de Frequência para Busca de
Defeitos em Transformador de Potência" in Proc. 2010 IEEE Power
Engineering Society Transmission and Distribution Conf., São Paulo,
SP, Brazil, 2010.
[9] IEEE Guide for Diagnostic Field Testing of Electric Power Apparatus
– Part 1: Oil Filled Power Transformers, Regulators, and Reactors.
IEEE Std 62-1995, Inc., New York, NY, 1999.
[10] Paulino, M. E. C., "Avaliação em Campo de Buchas em
Transformadores de Potência – Fator de Dissipação a 60Hz é
Suficiente?" in Proc. CIDEL Argentina 2010 International Electricity
Distribution Congress, Buenos Aires, Argentina, 2010.
VIII. BIOGRAFIAS
Fig. 17a. Caixa de buchas de BT.
Fig. 17b. Conexão buchas de BT.
VI. CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou aplicações envolvendo técnicas
com variação de frequência capazes de realizar testes com
maior rapidez e eficácia. Essas técnicas permitem a realização
do teste de Fator de Dissipação em várias frequências, gerando
assinaturas representando o estado atual do isolamento. Isto
permite a comparação das curvas resultantes de um
determinado teste com uma assinatura de referência.
Os procedimentos para identificação de problemas em
buchas de transformadores de potência utilizando medidas
com variação de frequência identificam o tipo de falha e sua
localização.
Com isto é possível detectar a degradação no isolamento
em um estágio inicial, com uma análise mais detalhada,
subsidiando a tomada de decisão sobre a condição do
transformador, evitando a escolha de procedimentos
inadequados, aumentando os custos e o tempo de
indisponibilidade.
O trabalho mostrou que o teste realizado apenas a 60 Hz
pode levar a diagnósticos errados ou incompletos e não é
capaz de avaliar satisfatoriamente o isolamento de buchas de
transformadores.
VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
[2]
IEEE Standard Performance Characteristics and Dimensions for
Outdoor Apparatus Bushings, IEEE Standard C57.19.01-2000, May.
2000.
IEC Insulated bushings for alternating voltages above 1 000 V, IEC
Standard 60137 ed6.0, Jul. 2008.
Marcelo Eduardo de Carvalho Paulino graduouse como Engenheiro Eletricista na Escola Federal
de Engenharia de Itajubá (EFEI). Também é
Especialista em Manutenção de Sistemas Elétricos.
Possui larga experiência em Sistemas de Controle
Convencional, Manutenção de Sistemas de
Automação Digitais de Subestação, Proteção de
Sistemas Elétricos, Qualidade de Energia e
Aplicações em Smart Grids. Manutenção, testes e
avaliação de transformadores de potência.
Atualmente é gerente do Departamento Técnico da Adimarco, no Rio de
Janeiro, Brasil. Instrutor certificado pela OMICRON eletronics É Também
responsável pela preparação, projeto e execução de prestação de serviço na
área de teste de proteção e equipamentos de sistemas elétricos de Usinas e
Subestações de 500/345/138/13,8 KV. Autor e co-autor de mais de 80
trabalhos técnicos em eventos no Brasil e no exterior. Membro ativo de
sociedades profissionais nacionais e internacionais. Membro da
ABNT/COBEI e CIGRÉ, atuando em WG B5.39, WG A2.05, WG A2.44,
WG D1.35, e IEC TC57.
Antonio Tadeu Lyrio de Almeida graduou-se
como Engenheiro Eletricista na Escola Federal de
Engenharia de Itajubá (EFEI) em 1980. Cursou
especialização em Curso de Engenharia de Sistemas
Elétricos pela Universidade Federal de Itajubá em
1984, especialização no Curso de Engenharia de
Manutenção de Subestações pela Universidade
Federal de Itajubá em 1989. É mestre em
Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de
Itajubá em 1986 no tema Especificação de Motores
de Indução e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de
Campinas em 1993 com trabalho de Contribuição à Conservação de Energia e
à Manutenção de Motores de Indução Trifásicos. Atualmente é professor
titular da Universidade Federal de Itajubá e Coordenador do CEMSE - Curso
de Especialização em Manutenção de Sistemas Elétricos. Tem experiência na
área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Sistemas Elétricos de Potência.
Atuando principalmente nos seguintes temas: Motores de Indução,
Conservação de Energia, Manutenção, Manutenção Elétrica, Ensaios.
Membro do IEEE.