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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
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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
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.
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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.
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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

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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

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Descargas Parciais 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

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Y: 1,2 pC/Div

Nível DP vs 

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

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 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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Calibrador de DP´s

LabView

6

V

Q = Cc.V

Oscil, pneu

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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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