DIAGNÓSTICO EM CABOS DE MÉDIA TENSÃO UTILIZANDO O

MÉTODO DE DESCARGAS PARCIAIS

ALEXANDRE GROSSI1

Resumo - Este trabalho tem como objetivo principal apresentar a atividade de

diagnostico online dos cabos de distribuição energia em média tensão (4,16 KV), que

alimentam a Aciaria da Gerdau – unidade Ouro Branco através do método online de

descargas parciais. O parecer técnico foi a base necessária para o conhecimento do

estado atual dos circuitos e elaboração de um plano para manutenção baseada na

condição. O método online de descargas parciais foi adotado, pois permite detectar a

presença de falhas devida tanto ao envelhecimento quanto a imperfeições na fabricação

do sistema isolante.

Palavras-chave – Diagnóstico, Falhas, Cabos, Descargas Parciais

Introdução

De acordo com diversos fabricantes, a vida útil média de condutores elétricos,

trabalhando em condições normais de operação, é de 25 anos.

Suas características construtivas apresentam diversas formas e tipos de

fabricação, com características específicas. Este é um processo que requer cuidados para

manter um nível de qualidade que satisfaça as normas em vigor. Sua isolação não é

diferente.

As isolações sólidas são fabricadas a partir de materiais como os termoplásticos

(PVC) e os termofixos (polietileno reticulado – XLPE e borracha etileno-propileno –

EPR), sendo este último com alta resistência ao surgimento do treeing.

Treeing ou arborescência é assinalada como o principal responsável por falhas

em XLPE em isolações sólidas dos cabos de distribuição (Júnior, 2008). Este processo

de degradação quando submetido a diversos processos estressores como estresse

elétrico, térmico, mecânico ou ambiental, sendo estes em operação, tem como

consequência a ruptura do material.

A fabricação dos cabos apresenta atualmente um bom resultado em seu processo

quanto a minimização deste fenômeno, mas a degradação da camada isolante ainda é a

principal causa de falha (Lima, 2008). Um dos fenômenos relacionados a falha por

degradação é conhecida como descarga parcial (Silva, 2005).

Assim com intuito de minimizar a presença desta anomalia nos cabos, torna-se

necessário predizer quais as condições operacionais da isolação de cabos elétricos.

Técnicas existentes e a medição das descargas parciais

Avaliar as condições de degradação da isolação dos cabos elétricos vem tendo a

observação do setor tanto de fornecimento de energia, como o setor industrial. A idéia é

estabelecer um procedimento que venha permitir um monitoramento em condição de

funcionamento.

1 alexandregrossi15@gmail.com Aluno do PPGEL – Programa de Pós Graduação de Engenharia Elétrica da UFSJ –

Universidade Federal de São João del Rei

Em (Teixeira, 2003) o trabalho apresentado investiga as principais metodologias

empregadas no diagnóstico do estado operacional da isolação de cabos elétricos. Duas

metodologias são chamadas a atenção para nosso estudo.

A primeira está relacionada ao fator de dissipação ou tangente delta (tang. δ).

Está técnica chama a atenção para as perdas na isolação observadas no ângulo formado

pela corrente capacitiva da corrente de fuga que flui através desta isolação. Ainda em

(Teixeira, 2003) o autor indica como dificuldade do método a possibilidade dos

resultados estar com diagnósticos errados.

A segunda seria o método da medição da resistência da isolação. Este teste é

usado com o intuito de determinar a integridade do cabo a ser analisado. Quando os

valores da resistência estiverem abaixo dos valores estabelecidos, existe aí a

característica de que a isolação do cabo está perdendo suas características elétricas. A

dificuldade do método encontra-se para medições em cabos com longas distâncias. Para

estes casos as correntes de fuga capacitiva dependentes do tempo irão levar os

medidores a alterações em suas leituras tornando impossível a obtenção de uma leitura

estável e apurada (Vortex).

Definição e classificação das descargas parciais

Descarga parcial é uma descarga elétrica que ocorre numa região do espaço

sujeita a um campo elétrico, cujo caminho condutor formado pela descarga não une os

dois eletrodos de forma completa. Podem ser classificadas como: PD interna, PD

superficial ou PD corona.

Diversos autores vêm chamando a atenção para este fenômeno. Em (Filho, 2005)

o autor mostra sua definição através do conceito de gradiente de tensão. Sabe-se que

gradiente de tensão é a relação existente entre tensão aplicada ao dielétrico e sua

espessura. Se o valor assumido por este gradiente ultrapassa valores capazes de gerar

uma ruptura na isolação dos cabos, entende-se que este gradiente ultrapassou a rigidez

dielétrica deste isolante no cabo.

No processo de fabricação de um cabo, o aparecimento de bolhas ou vazios se dá

por causas distintas, que dependem da natureza do material na maioria dos casos. Para o

caso dos termoplásticos sua falha pode ocorrer na presença de ar no processo de injeção

do polímero. Já nos termofixos a falha se justifica no processo químico de cura do

elemento isolante.

Em ambos os casos o surgimento destas falhas ou bolhas leva a uma baixa

rigidez dielétrica neste ponto localizado, permite uma acentuada solicitação elétrica,

levando a sua ruptura por estresse elétrico. Como todo o cabo está submetido ao mesmo

gradiente de tensão da isolação, neste ponto localizado surge uma descarga elétrica

denominada descarga parcial (PD - do inglês Partial Discharges).

Um aprofundamento maior sobre as condições de ocorrência das descargas

parciais e conceitos matemáticos correlatos encontra-se em (Silva, 2005). As medições

de Descargas de Parciais – DP são testes realizados em diferentes tipos de equipamentos

elétricos, como cabos, geradores, motores, a fim de avaliar o estado do sistema isolante.

Estas medições permitem detectar a presença de defeitos devidos tanto a um processo

de degradação como a imperfeições na fabricação do sistema isolante.

Em comparação a outros testes dielétricos (isto é, a medição do fator de

dissipação ou resistência de isolamento) o caráter diferenciador das medições de

descargas parciais é a localização de pontos localizados de degradação do sistema de

isolação avaliado.

O fenômeno das Descargas Parciais está baseado no principio de que a maioria

dos materiais isolantes possui micro-cavidades, seja por sua estrutura intrínseca, seja

por sua manipulação durante o processo de fabricação.

Quando esses materiais isolantes são submetidos a um campo elétrico de alto

gradiente podem ocorrer descargas internas nas micro-cavidades que gradualmente

provocam a “erosão” de suas paredes até que essa microcavidade tenha uma dimensão

igual à espessura do material isolante, resultando então em uma descarga total e

consequente falha do isolamento do cabo.

As Descargas Parciais em um sistema isolante são o primeiro sintoma de que

alguma anomalia está ocorrendo no material e por consequência a sua identificação

permite, com antecedência, preverem-se possíveis falhas futuras.

Desta forma, a avaliação qualitativa de uma rede de cabos de média ou alta

tensão pode ser executada através da metodologia da medição de Descargas Parciais.

Metodologia empregada na medição das DP’s

A empresa TECHIMP desenvolveu um método de medição dessas DP’s de

modo que a sua identificação, com separação e rejeição de ruídos, permite a observação

de seus parâmetros online (sistema energizado) ou offline (sistema desernezidado).

As medições on-line de descargas parciais adéquam vantagens operacionais e

técnicas com relação às técnicas off-line. O sistema de alimentação das cargas não é

interrompido durante os testes.

O contexto mais importante dentro da visão técnica, é que o cabo pode ser

monitorado através de sinal emitido constantemente, de modo que a variação em função

do tempo e atividades de DP intermitentes podem ser detectadas, incluindo as

conseqüências das condições operacionais, como sobre-tensões e variações de carga.

Uma vantagem da técnica offline seria a possibilidade de obtermos um sinal

externo com mínimo possível de ruído, com a utilização de uma fonte auxiliar de

tensão. Para estes casos devemos levar em consideração que a potência desta fonte é

proporcional a capacitância do cabo conforme a equação:

𝑃 = (2𝜋𝑓𝑚𝑖𝑛). 𝐶. 𝑉2

Diante deste indicativo o gestor vem a tomar sua decisão para intervenção no

sistema através de uma manutenção baseada na condição (CBM – Condition Based

Maintenance), bem como uma noção correta de riscos definindo assim caminhos e

ferramentas para mitigá-los.

Para uma rede de distribuição subterrânea e cabos de média tensão, a medição

das Descargas Parciais é feita através do adequado posicionamento de sensores

indutivos tipo transformadores de corrente de alta frequência (HFCT – High Frequency

Current Transformers) instalados no aterramento da blindagem metálica do cabo e/ou ao

redor do mesmo, ou na sua indisponibilidade, por meio de sensores tipo manta flexível

(FMC – Flexible Magnetic Coupler) que recobrem diretamente uma porção do cabo sob

teste. Sua instalação é mostrada na figura1.

Figua 1 – Instalação dos sensores ao redor do cabo HFCT

A sensibilidade dos sensores possibilita a identificação de sinais de Descargas

Parciais originadas em pontos distantes dos mesmos e a sua adequada localização pode

ser feita através do reposicionamento desses sensores ao longo da linha, nas câmaras de

emendas.

Os sinais de Descargas Parciais são conduzidos por cabos coaxiais que

interligam os sensores até o equipamento de detecção (PPDC - Portable PDCheck) que

por sua vez é conectado a um notebook e assim, permite a leitura e avaliação dos

resultados. O arranjo geral da cadeia de medição é apresentado na Figura 2.

Figura 2: Arranjo geral da cadeia de medição de DP on-line TECHIMP

O equipamento de detecção através de seu software fornece um padrão de

separação em função da forma de onda do pulso, classificando assim os fenômenos de

DP’s e ruídos.

A identificação de defeitos é realizada por um sistema de inferência fuzzy que

processa os marcadores para estimar a natureza do defeito subjacente. Este reconhece

defeitos pertencentes à macro-categorias, como DP interna, DP superficial e DP corona.

O ponto de partida da identificação é um grupo de rotinas, realizada por um

equipamento de análise de inferência fuzzy, que extrai indicadores estatísticos dos sub-

padrões de PRPD (Phase Resolved PD Pattern). Esta resposta proporciona uma primeira

indicação de criticidade do defeito.

As figuras 3,4 e 5 mostram a forma como o software apresenta os padrões

(patterns) das DP’s que possam estar presentes.

Figura 3: exemplo DP interna

Figura 4: exemplo DP superficial

Figura 5: exemplo DP corona

Estratégia de manutenção

O objetivo da gestão da manutenção passa pela busca de ferramentas que lhe

traga melhor retorno, maior disponibilidade e desempenho de seus equipamentos. Para

(Mendes, 2011) poucas são as empresas que se utilizam de técnicas de predição para

gestão dos ativos e que estão disponíveis através de novas tecnologias.

Por definição as técnicas preditivas são aquelas que se utilizam dos recursos de

monitoramento da condição para evitar falhas eminentes. Ainda é sabido que tal técnica,

aliada a outras já conhecidas reduz custo de manutenção, reduz a indisponibilidade,

aumentando a confiabilidade da planta (Mendes, 2011).

Como já relatado anteriormente a técnica de descargas parciais parte por um

monitoramento das condições do sistema isolante analisado. Para o estudo em questão

pode-se definir três estratégias de manutenção, sendo um monitoramento permanente,

testes on-line periódicos, e manutenção planejada após a avaliação das tendências para

avaliação da manutenção imediata.

Uma das recomendações de avaliar a real condição do isolamento do cabo é

avaliar as mudanças na tendência da DP. Para fazer isso, é necessário realizar medições

repetitivas. A identificação dos defeitos é fundamental porque diferentes tipos de

defeitos têm diferentes taxas de degradação, mesmo que tenham a mesma amplitude.

A técnica proposta passa ainda por um critério de “semáforo”, que seleciona o

grau de criticidade da falha, conforme figura 6.

Figura 6: Seleção do grau de criticidade

A observação da figura 5 nos leva a concluir que a luz verde índica níveis

normais não sendo requerida nenhuma ação corretiva; a luz amarela requer medições

mais frequentes para avaliação de tendências; a luz vermelha sugere imediata

intervenção naquele trecho de cabo de onde foram originadas as descargas.

Sendo assim a análise dos resultados amarelos e vermelhos faz-se através de

uma tendência da evolução da DP. Assim é necessário realizar uma segunda medição

para avaliar a Tendência ou Taxa de Incremento da DP, determinando o intervalo de

medição conforme figura 7.

Figura 7: Avaliação de tendências após segunda medição

A equipe de manutenção pode ainda estar interessada em efetuar a manutenção

do circuito do cabo logo que detecta cabos afetados por DP, sem avaliar a tendência.

Esta é uma vantagem de utilizar as medições online.

Lembramos que estas observações são sugestivas sendo de responsabilidade da

equipe de manutenção qual real ação a tomar. Existe ainda o monitoramento

permanente dos cabos.

A detecção pode ser feita através de uma sala de controle, com sinais enviados

por cabos óticos tendo em vista uma avaliação remota.

Desenvolvimento do trabalho

A rede de alimentação analisada encontra-se situada na empresa GERDAU –

Unidade Ouro Branco, ramo siderúrgico, mais precisamente na Aciaria. É nesta etapa

do processo onde ocorre o refinamento do gusa, e conseguinte a obtenção do aço.

Seu sistema elétrico é composta de 6 painéis de média tensão divididos em EV1,

EV2, EV3, EV4, EV5 e EV6 com tensão e freqüências nominais em 4,16kV e 60Hz. A

este sistema temos cargas como lingotamentos, responsáveis pela solidificação do aço;

pontes rolantes, para transporte de cargas líquidas; convertedores, formados por fornos

refratários responsáveis pela transformação do gusa em aço; além de cargas de

iluminação, no-breaks, fornos-panela, máquinas de solda entre outros.

As perdas operacionais relacionados a falha do cabo que alimenta os

convertedores, alimentado pelo EV4 está relacionados a perdas de corrida do aço por

tempo parado para cada convertedor, sendo dois convertedores.

O trabalho foi executado através da técnica online em agosto de 2013. Optou-se

por esta ferramenta devido à ausência de uma fonte de tensão auxiliar necessária a

aplicação da técnica offline. Para o caso em questão seria necessária uma fonte externa

de potência adequada para geração de um sinal oriundo desta fonte.

Os cabos de alimentação dos painéis e suas características são apresentados na

tabela 1. Na maioria deles sua vida útil estimada gira em torno de 27 anos, evidenciando

assim início de depreciação do mesmo.

Tab. 1: Características elétricas dos cabos

Os cabos analisados são os alimentadores principais de cada painel sem levar em

contar os cabos de interligação. A justificativa é que os cabos de interligação não são

solicitados com freqüência, podendo não sofrer, portanto situações de estresse que

levariam a falhas por DP’s.

Os diagramas esquemáticos dos alimentadores para cada circuito testado estão

representados no diagrama 1. Aqui está sendo representado somente o EV1, mas os

demais seguem a mesma configuração.

Diagrama 1: diagrama de montagem de medição EV1, em carga

Os resultados conclusivos das medições são apresentados na tabela 2.

Circuito de Identificação Comprimento Tensão/Frequência Tipo cabo Número cabo/fase Isolação

ENTRADA DO DISJ. 60652 SE ACIARIA 80 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 12x1c#600MCM EPR 5kV

ENTRADA DO DISJ. 62352 SE ACIARIA 73 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 12x1c#600MCM EPR 5kV

ENTRADA DO DISJ. 60752 SE ACIARIA 90 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 12x1c#600MCM EPR 5kV

ENTRADA DO DISJ. 61652 SE ACIARIA 370 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 09x1c#600MCM EPR 5kV

ENTRADA DO DISJ. 61752 SE ACIARIA 395 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 12x1c#600MCM EPR 5kV

ENTRADA DO DISJ. 61852 SE ACIARIA 405 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 12x1c#600MCM EPR 5kV

Tab.2: Resultados conclusivos

Em um dado momento do ensaio foi detectado a presença de uma descarga

interna existente no alimentador EV2, Fase T, cabo T3 mais precisamente próximo a

uma emenda do cabo. Este resultado pode ser observado na tabela 3.

Tab.3: Resultados conclusivos – presença de DP’s internas no alimentador EV2

A presença das DP pode ser observada nos gráficos da figura 8.

Figura 8: Análise dos dados referente à Fase T – EV2– cabo 3, Descargas internas.

Foi notada ainda a presença de descargas corona. Essas normalmente ocorrem

em fontes externas como equipamentos adjacentes como motores, painéis, disjuntores

entre outros. Estas observações são detalhadas na tabela 4 e nas figuras 9 (referência).

Tab.4: Resultados conclusivos – presença de DP’s corona nos alimentados EV1 e EV2

Figura 9: Análise dos dados referente à Fase T – EV1 – cabo 2, Descargas corona.

Recomendações para a manutenção

Onde o sistema é livre de descargas parciais (Alarme Verde), sugere-se repetir

as medições após um ano a fim de se verificar o estado geral do sistema e se

observar a possível presença de novos fenômenos de descargas parciais.

Onde descargas parciais foram detectadas (alarme amarelo), recomenda-se

repetir as medições dentro de um intervalo de 06 meses a fim de se avaliar a

amplitude e taxa de repetição das tendências das atividades de DP e planejar

uma manutenção baseada na condição.

Nos circuitos alimentadores EV1, EV2 foram detectadas descargas corona e

distúrbios com alta amplitude. Sugere-se estender as medições aos demais

circuitos e cubículos destes alimentadores a fim de se localizar a origem dos

fenômenos.

No alimentador EV2 sugere-se inspecionar a emenda existente na fase T e

também verificar a continuidade da blindagem metálica do cabo.

Considerações Finais

Até o momento dentro da planta da Gerdau – unidade Ouro Branco a única

referência que a gestão de manutenção dispunha para análise dos riscos operacionais

junto às falhas em cabos elétricos seria a técnica de medição de isolação. Por não ser

uma técnica baseada em condição e também não conclusiva, várias falhas são

detectadas ao longo do tempo.

Através das medições online de DP’s foi possível predizer ações futuras para os

cabos e assim elaborarmos os planos de manutenção baseados em sua condição (planos

CBM). Outro ganho observado é a possibilidade de criação de rotas de manutenção,

pois á técnica permite ser realizada com equipamento energizado.

Ainda, com os resultados encontrados foi disponibilizado aquisição do

equipamento. Dentro do conceito de sinergia é possível atendimento as demais

empresas do grupo e uma maior integração da técnica.

Bibliografia

Filho, J. M. (2005). Manual de Equipamentos elétricos. Rio de Janeiro: LTC –

Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.

Júnior, S. R. (2008). Análise da ruptura dielétrica em materiais isolantes

elétricos de cabos isolados XLPE e EPR por tomografia 2D e 3D. Dissertação de

mestrado . Curitiba: UTFPR.

Lima, F. n. (2008). Uma contribuição à estimativa de indicadores de

desempenho do estado operacional de cabos isolados sob a ação das

arborescências. Tese de doutorado . Uberlândia: UFU.

Mendes, A. A. (2011). Manutenção Centrada em confiabilidade: Uma

abordagem quantitativa. Dissertação de mestrado . Porto alegre: UFRGS.

Silva, G. C. (2005). Descargas Parciais estimuladas por raio-X contínuo e

pulsado em materiais dielétricos: Similaridades e diferenças. Tese de doutorado .

Curitiba: UFPR.

Teixeira, M. D. (Agosto de 2003). Avaliação do estado operacional de cabos

isolados sob condições adversas: Estatégia e proposta de diagnóstico. Seminário

Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica. V SBQEE . Aracaju.

Vortex, E. (s.d.). retirado de: www.vortex.com.br/notas/resistencia_%20isolamento.pdf.