Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
DETECÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM EQUIPAMENTOS ISOLADOS EM SF6, EM CAMPO
W.R. Bacega*
H. Tatizawa**
F. Bacega*
* Companhia de Transmissão de energia Elétrica Paulista - CTEEP
**Instituto de Eletrotécnica e energia da USP - IEEUSP
RESUMO
Este artigo apresenta os resultados de uma pesquisa visando ao desenvolvimento de técnicas de
detecção de descargas parciais no ambiente de subestações, através da medição de componentes de
alta frequência da corrente de fuga no condutor de aterramento desses equipamentos. Esse
procedimento foi utilizado na avaliação de equipamentos energizados e em funcionamento normal.
Este artigo enfoca principalmente ensaios realizados em disjuntores isolados em SF6, de até 460kV.
Os pulsos de corrente associados às descargas parciais foram detectados utilizando-se um
transformador de alta frequência, e medidos através de um osciloscópio. A identificação das descargas
parciais foi realizada com base em resultados obtidos previamente em laboratório, onde foi realizada a
caracterização das assinaturas das descargas parciais no domínio do tempo. As assinaturas de
descargas parciais foram obtidas através de células de ensaios desenvolvidas de forma a simular
configurações de eletrodos, ou defeitos, passíveis de ocorrer em situações reais, em equipamentos
isolados em SF6.
Foram obtidos resultados promissores, mostrando a factibilidade da detecção de descargas parciais em
laboratório e em campo utilizando-se desta técnica.
PALAVRAS-CHAVE
descargas parciais, disjuntores, hexafluoreto de enxofre, SF6, manutenção preditiva, testes em
isolação, subestações, IEC 60270, testes em equipamentos energizados.
1.
INTRODUÇÃO
Este artigo apresenta resultados de uma pesquisa objetivando o desenvolvimento de técnica de
detecção de descargas parciais para utilização em campo, mantendo-se o equipamento energizado,
através da utilização de um TC de alta frequência instalado no condutor de aterramento do
equipamento, para a medição dos pulsos associados às descargas parciais.
Os pulsos de alta frequência foram medidos através de um osciloscópio. O osciloscópio permite a
caracterização do perfil eletromagnético emitido pelas descargas parciais, caracterizando dessa forma
os pulsos de descarga parcial no domínio do tempo. Os perfis no domínio do tempo obtidos foram
comparados com resultados laboratoriais obtidos em modelos de tamanho reduzido.
Neste trabalho, são enfocadas medições realizadas em equipamentos de alta tensão utilizando isolação
em SF6 (hexafluoreto de enxofre). Considerando as grandes dimensões dos disjuntores utilizados no
segmento da transmissão, e dificuldades associadas aos circuitos de gás isolante desse equipamento, as
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medições laboratoriais foram realizadas em células de ensaios confeccionadas especialmente para essa
finalidade, contendo variadas configurações de eletrodos imersas em gás SF6 pressurizado, com a
finalidade de simular condições presentes em equipamentos reais. Utilizando esse tipo de modelo
reduzido, assinaturas das descargas parciais ocorrendo nesse meio isolante constituído por gás SF6
pressurizado foram obtidas.
Este artigo mostra algumas medições no campo realizadas nesses equipamentos, onde foram obtidos
resultados promissores no que se refere à técnica de medição.
2.
RESULTADOS LABORATORIAIS OBTIDOS EM MODELOS REDUZIDOS
CONTENDO GAS SF6 PRESSURIZADO
Com a finalidade de se obter maior experiência com essa técnica na medição de descargas parciais no
meio dielétrico gás SF6 pressurizado, foram realizados inicialmente testes laboratoriais em célula de
ensaio especialmente confeccionada para esse fim. A célula de ensaio é constituída por uma caixa de
alumínio contendo internamente um eletrodo de alta tensão, na qual SF6 pressurizado foi aplicado
através de uma válvula de controle e manômetro. A alta tensão foi aplicada ao eletrodo através de um
cabo isolado de alta tensão. Todas as aberturas foram cuidadosamente seladas, utilizando-se uma
tampa parafusada com o-ring, a fim de manter o gás SF6 a uma pressão aproximada de 10 bar.
A fig. 1 mostra a célula de ensaio contendo gás SF6 pressurizado.
Fig. 1 – Célula de ensaios para testes de descargas parciais em SF6.
A Fig. 2 mostra detalhes da célula de ensaio contendo os eletrodos de alta tensão.
Fig. 2 – Célula de ensaios para testes de descargas parciais em SF6, com eletrodos de alta tensão.
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As Figs. 3 e 4 mostram a montagem experimental básica utilizada.
Fig. 3 – Montagem experimental básica utilizada, com a célula de ensaio e o transformador de alta
tensão.
Fig. 4 – Montagem experimental básica utilizada, com a célula de ensaio, o transformador de alta
tensão e aparelhagem de medição.
Utilizando-se essa montagem experimental, diferentes configurações de eletrodos, sob gás SF6
pressurizado, foram testadas.
As Fig. 5 e 6 mostram testes realizados utilizando-se configuração de eletrodos tipo ponta-plano, onde
foi aplicada alta tensão ao eletrodo ponta e mantendo-se o eletrodo plano aterrado.
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Fig. 5 – Eletrodo plano ao potencial de terra e eletrodo ponta sob alta tensão, em ambiente
pressurizado com SF6 à pressão de 6 bar.
A Fig. 6 mostra a assinatura de descarga parcial obtida utilizando-se a configuração de eletrodos
mostrada na Fig. 5.
Fig. 6 – Assinatura de descarga parcial obtida utilizando-se a configuração de eletrodos ponta plano
(eletrodo plano aterrado), espaçamento entre eletrodos 2,5mm, SF6 à pressão de 6 bar. Escalas
200ns/div e 10mV/div.
As Fig. 7 e 8 mostram testes realizados utilizando-se a configuração de eletrodos ponta plano,
aplicando-se alta tensão ao eletrodo plano e mantendo-se o eletrodo ponta sob alta tensão.
Fig. 7 – Eletrodo plano submetido à alta tensão, mantendo-se o eletrodo ponta sob alta tensão em
ambiente com gás SF6 à pressão de 6 bar.
A Fig. 8 mostra a assinatura de descarga parcial utilizando-se a configuração de eletrodos mostrada na
Fig. 7.
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Fig. 8 – Assinatura de descarga parcial obida utilizando-se a configuração de eletrodos ponta plano da
Fig. 7, submetendo o eletrodo plano a alta tensão e mantendo o eletrodo ponta ao potencial de terra,
em ambiente com gás SF6 à pressão de 6 bar.
A fim de se simular uma situação passível de ocorrência em equipamentos contendo isolação a SF6,
outra variante de configuração de eletrodo foi utilizada, aplicando-se pequenas partículas isolantes
entre os eletrodos, conforme mostrado nas Fig. 9 e 10.
Fig. 9 – Eletrodo plano submetido à alta
tensão, mantendo-se o eletrodo ponta sob
alta tensão em ambiente com gás SF6 à
pressão de 6 bar, e aplicando-se pequenas
partículas isolantes de fibra de vidro entre
os eletrodos.
Fig. 10 – Assinatura de descarga parcial obtida
utilizando-se configuração de eletrodos ponta plano
(eletrodo plano aterrado) da Fig. 9, espaçamento de 2,5
mm, gás SF6 à pressão de 2 bar, tensão de ensaio de 10
kV. Escalas 200ns/div e 10mV/div.
Para simular outra possível situação real, as Fig. 11 e 12 mostram o eletrodo ponta sob alta tensão e
próximo a partículas metálicas depositadas sobre superfície isolante de silicone.
Fig. 12 – Assinatura de descarga parcial
utilizando-se eletrodo ponta ao potencial de
Fig. 11 – Eletrodo ponta sob alta tensão próximo 3,5kV próximo a partículas metálicas, conforme
a partículas metálicas sobre superfície isolante de
Fig. 11, SF6 à pressão de 5 bar. Escalas
silicone.
200ns/div e 20mV/div.
Outra possível situação presente em equipamentos reais é mostrada nas Fig. 13 e 14, onde o eletrodo
ponta sob alta tensão é posicionado próximo a partículas metálicas colocadas sobre superfície metálica
aterrada.
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Fig. 13 – Eletrodo ponta sob alta tensão próximo a particular metálicas colocadas sobre superfície
metálica aterrada.
Fig. 14 – Assinatura de descargas parciais obtidas utilizando-se eletrodo ponta ao potencial de 3,5kV,
conforme Fig. 13, e próximo a partículas metálicas sobre superfície metálica aterrada, SF6 à pressão
de 6 bar. Escalas 100ns/div e 50mV/div.
Objetivando verificar a factibilidade desse método de medição de descargas parciais no campo, em
equipamentos isolados em SF6, foram realizadas medições em disjuntores a SF6. Com essa finalidade,
medições exploratórias foram realizadas em subestações com histórico de falha desse equipamento. As
Fig. 15 a 17 mostram exemplos de medições realizadas.
Fig. 16 – TC de alta frequência aplicado ao
condutor de aterramento.
Fig. 15 – Disjuntor a SF6, tensão 145 kV.
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Fig. 17 – Resultado de ensaio – Medição no domínio do tempo utilizando-se TC de alta frequência
aplicado ao condutor de aterramento do disjuntor. Medição realizada com osciloscópio (escalas 500
ns/div e 2 mV/div – canal azul, escalas 500 ns/div e 10 mV/div – canal vermelho)
As Fig. 18, 19 e 20 mostram outros exemplos de medições em campo, em disjuntores a SF6 de 460
kV. Também neste caso, os TCs de alta frequência foram instalado no condutor de aterramento.
Fig. 18 – Disjuntor a SF6, tensão 460 kV.
Fig. 19 – Medição realizada instalando-se TC de alta frequência no aterramento do disjuntor a SF6 de
460 kV, possível origem descargas corona (escalas 100 mV/div e 2us/div canal amarelo., 100 mV/div
e 2us/div canal verde, 50 mV/div e 2us/div canal azul).
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Fig. 20 – Medição realizada instalando-se TC de alta frequência no aterramento do disjuntor a SF6 de
460 kV (escalas 100 ns/div e 100mV/div canal azul).
As Fig. 17 e 20 mostram oscilogramas apresentando compatibilidade com assinaturas de descargas
parciais, obtidas em laboratório em células de ensaios de modelo reduzido.
3.
CONCLUSÕES
Neste artigo, utilizando-se células de ensaio de modelos reduzidos, assinaturas de descargas parciais
no meio isolante SF6 foram obtidas. Utilizando-se os modelos reduzido, várias situações de falhas
passíveis de serem encontradas em disjuntores a SF6 foram simuladas. As assinaturas de descargas
parciais obtidas em laboratório foram utilizadas para o reconhecimento de padrões similares, obtidas
em medições em disjuntores reais isolados em SF6, nos ensaios em campo no ambiente de subestação.
Assinaturas suspeitas foram encontradas nas medições em campo. O grau de risco ao qual o
equipamento está submetido poderá ser estimado, na medida em que maior experiência for obtida
com este tipo de medição. Na continuidade desta pesquisa, medições em campo adicionais estão
previstas, buscando-se correlacionar a amplitude das assinaturas com o risco de falha do equipamento.
Uma vantagem importante desta técnica reside no fato de que o sensor, o TC de alta frequência, é
aplicado no aterramento do equipamento, permitindo que as medições sejam realizadas em condições
seguras, e sem a necessidade do desligamento do equipamento.
Conforme esperado, a presença de interferências eletromagnéticas durante essas medições é muito
comum, porém os ensaios em campo realizados mostram sua factibilidade, como por exemplo nas
medições no disjuntor de 460 kV mostrado no artigo.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]Tatizawa H., Bacega W.R. et al. Evaluation at Field of Aged 345kV Class ZnO Surge Arresters. In:
2010 IEEE PES Transmission & Distribution Conference and Exposition, 2010, New Orleans.
Proceedings of the 2010 IEEE PES Transmission & Distribution Conference and Exposition,
2010. p. 1-6.
[2]Tatizawa H.; Bacega W.R., Soletto K. T. Proposal of a Partial Discharge Detection Method for
Laboratory and Field Conditions... In: 2008 IEEE PES Transmission & Distribution Conference
and Exposition, 2008, Chicago. Proceedings of the 2008 IEEE PES Transmission & Distribution
Conference and Exposition, 2008. p. 1-6.
[3]International Electrotechnical Commission, IEC 60270 Standard, 2000.
[4]Kuffel E, Zaengl WS, High Voltage Engineering – Fundamentals, Pergamon International Library,
1984.
[5]Bartnikas R, McMahon EJ (editors), Engineering Dielectrics Vol.I, Corona measurement and
interpretation, ASTM STP 669, 1979.
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