Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
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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. Materiais. Algumas Características dos Materiais

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Presentation Transcript


Centro de pesquisas de energia el trica

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


Materiais

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


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Condutores - Exemplos

R = .l/A

Condutores

 = E / J →


Materiais isolantes

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.


Centro de pesquisas de energia el trica

Exemplos

Isolantes

→ isolante≈1020condutor

1020

1020


Representa o el trica de um material isolante

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.


Diagrama fasorial representativo

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 


Materiais condutores e isolantes

Materiais Condutorese Isolantes

Porque Descargas Parciais ?

DP x Tg δ


Materiais semicondutores

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.


Centro de pesquisas de energia el trica

Semicondutores - exemplos

Semi-condutores


Centro de pesquisas de energia el trica

Bucha de alta Tensão

127 V

127 V


Centro de pesquisas de energia el trica

Bucha de alta TensãoDistribuição de Potencial


Centro de pesquisas de energia el trica

Isolamento progressivo


Centro de pesquisas de energia el trica

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


O que s o descargas parciais na teoria f sica

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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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


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O que são Descargas Parciais na Teoria Física?

Movimentação de Elétrons livres – superfícies metálicas

Elétrons livres e átomos


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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.


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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 = 1,6x10-19coulombs

  • 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


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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.


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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.


Norma iec 60270 defini o de descargas parciais

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


O que s o descargas parciais

O que são Descargas Parciais?

FilmeCélula


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Efeitos das DP´s – Uma ordem de sensibilidade

Elétricos

Mecânicos

Luminosos

Químicos

Térmicos

Sensib


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Descargas Parciais: Sinais no domínio do tempo

Células de teste

Óleo isolante – Elemento flutuante

Gerador


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Pulsos de corrente no ar

Sinais no domínio do tempo


Centro de pesquisas de energia el trica

Descargas Parciais no domínio do tempo

Pulsos de corrente no ar


Centro de pesquisas de energia el trica

Descargas Parciais no domínio do tempo

Pulsos de corrente no óleo


Centro de pesquisas de energia el trica

Descargas Parciais: Sinais no domínio do tempo

Pulsos de corrente no óleo


Centro de pesquisas de energia el trica

Descargas Parciais: Sinais no domínio do tempo

Pulsos de corrente no óleo


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Nível DP vs 

Y: 1,2 pC/Div

Descargas Parciais: Sinais sobre a freqüência industrial


Centro de pesquisas de energia el trica

Y: 1,2 pC/Div

Nível DP vs 

Descargas Parciais: Sinais sobre a freqüência industrial


Centro de pesquisas de energia el trica

Descargas Parciais: Sinais sobre a freqüência industrial


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Descargas Parciais: Mapa estatístico pC x fase x número

DP(pC)

LabView

1

fase

Estatística simulada1Gerador4


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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


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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.


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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.


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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;


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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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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.


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;

Norma IEC 60270

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


Norma iec 602701

- 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


Norma iec 602702

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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Outras grandezas que podem ser avaliadas

- Pressão acústica (dB);

- Campo Eletromagnético Radiado (dB);

- Energia das descargas;

- Número de descargas;

- Reações químicas;


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Descargas atmosféricas x Descargas parciais

Distâncias de alguns km;

Correntes de dezenas de kA;

Duração de dezenas de µs;


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Descargas atmosféricas x Descargas parciais

Descargas Atmosféricas

Distâncias de alguns km;

Correntes de dezenas de kA;

Duração de dezenas de µs;

Escala: 1/10.000.000

Descargas Parciais

Distâncias de frações de mm;

Correntes de alguns mA;

Duração de frações de ns (?);


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Representação Elétricadas Descargas Parciais

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.

Modelo x engenho


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Representação Elétricadas Descargas Parciais

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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Representação Elétricadas Descargas Parciais


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Representação Elétricadas Descargas Parciais

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.


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Representação Elétricadas Descargas Parciais

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)


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Representação Elétricadas Descargas Parciais

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.


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Representação Elétricadas Descargas Parciais

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 )


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Representação Elétricadas Descargas Parciais

Como: qantes = qapos

Desenvolvendo:

V = V2 . C1 / ( C + C1 )

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 ).


Retrospectiva imped ncias

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)

Retrospectiva: Impedâncias

cc


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Retrospectiva: Impedâncias

LabView

ZR não varia com a freqüência.

3

tende para circuito aberto.

tende para curto circuito.

tende para circuito aberto.

tende para curto circuito.


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Circuito Elétrico para medição das Descargas Parciais

FLIP

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;


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Circuito para medição das Descargas Parciais

Ck – Acoplamento capacitivo

Zm – Resistor de medição


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Grandezas a medir

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.


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Grandezas a medir

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.


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Grandezas a medir

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

rádio


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Retrospectiva – Espectro de freqüência

Espectro de freqüência das Descargas Parciais.

Transformadas de Fourier


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Descargas Parciais Domínio do tempo


Centro de pesquisas de energia el trica

Descargas Parciais Espectro de freqüência

Analisador de Espectro ?


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Descargas Parciais Domínio do tempo


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Descargas Parciais Espectro de freqüência

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.


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Transformadas de Jean Fourier

LabView

2

2A

Sendo:

Representação de uma DP por dupla exponencial:

Calculando-se:


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Transformadas de Jean Fourier

Voltando para o domínio do tempo:

Obtendo-se a carga:


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Simulação em Circuito RLC

LabView

4


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Calibrador de DP´s

LabView

6

V

Q = Cc.V

Oscil, pneu


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Calibração


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Localização em cabos

LabView

51

52

53

IPH Tree


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Alta Tensão

Co

Calibrador

C1

C2

Ro

Zm

DP

DSP

Baixa Tensão

Medição

em Trafo

No campo


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Medição em trafo no campo

  • 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


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Novos modelos de

Padrões de DP


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Novos modelos propostos

Padrões de DP(Werle)

Filtro passa banda

Amplificador


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FIM

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