Centro de Pesquisas de Energia Elétrica

1. Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Avaliação Dielétrica de Equipamentos de Alta Tensão com base nas Descargas Parciais Conceitos, Medição e Interpretação Apresentador: Alain F. S. Levy

2. 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 1g • Resistividade de volume: v  0,017 .m

3. Condutores - Exemplos R = .l/A Condutores  = E / J →

4. Materiais Isolantes • 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.

5. Exemplos Isolantes → isolante≈1020condutor 1020 1020

7. Representação elétrica de um material isolante • 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.

8. 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 

9. Materiais Condutorese Isolantes Porque Descargas Parciais ? DP x Tg δ

12. 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.

13. Semicondutores - exemplos Semi-condutores

14. Bucha de alta Tensão 127 V 127 V

15. Bucha de alta TensãoDistribuição de Potencial

19. Isolamento progressivo

21. Nomenclatura • 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-descargasou 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... FotoCorona St Elmo

22. 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.

23. O que são Descargas Parciais na Teoria Física? • 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

24. O que são Descargas Parciais na Teoria Física? Movimentação de Elétrons livres – superfícies metálicas Elétrons livres e átomos

25. O que são Descargas Parciais na Teoria Física? • 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.

26. 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

27. Ionização e elétrons x Corrente elétrica • Carga de 1 elétron = 1,6x10-19coulombs • 1 coulomb = 6,2x 10+18 elétrons • 1 pC = 6,2x 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

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

29. O que são Descargas Parciais na Engenharia Elétrica ? Para efeito de compreensão pode-se dizer que Descargas Parciais são “Descargas Disruptivas” ocorrendo em pequena parte de um material isolante. Em muitos casos, o Corona na superfície de materiais condutores e dielétricos também é medido como sendo Descargas Parciais.

30. Norma IEC 60270 – Definição de Descargas Parciais Definição de Descargas 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

31. O que são Descargas Parciais? FilmeCélula

32. Efeitos das DP´s – Uma ordem de sensibilidade Elétricos Mecânicos Luminosos Químicos Térmicos Sensib

33. Descargas Parciais: Sinais no domínio do tempo Células de teste Óleo isolante – Elemento flutuante Gerador

34. Pulsos de corrente no ar Sinais no domínio do tempo

35. Descargas Parciais no domínio do tempo Pulsos de corrente no ar

36. Descargas Parciais no domínio do tempo Pulsos de corrente no óleo

37. Descargas Parciais: Sinais no domínio do tempo Pulsos de corrente no óleo

38. Descargas Parciais: Sinais no domínio do tempo Pulsos de corrente no óleo

39. Nível DP vs  Y: 1,2 pC/Div Descargas Parciais: Sinais sobre a freqüência industrial

40. Y: 1,2 pC/Div Nível DP vs  Descargas Parciais: Sinais sobre a freqüência industrial

41. Descargas Parciais: Sinais sobre a freqüência industrial

42. Descargas Parciais: Mapa estatístico pC x fase x número DP(pC) LabView 1 fase Estatística simulada1Gerador4

43. Ambiente onde as Descargas Parciais ocorrem 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. FilmeÓleo Moise

44. Locais de ocorrência das DP´s nos sistemas isolantes 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.

45. Porque medir as Descargas Parciais ? • 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.

46. Porque medir as Descargas Parciais ? • 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;

47. 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.

48. Algumas Características das Descargas Parciais • 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.

49. 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; Norma IEC 60270 qit

50. 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