MONITORAMENTO E DIAGNÓSTICO DE BUCHAS DE ......DA SILVA, Leonardo Nunes Alves. Monitoramento e...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

MONITORAMENTO E DIAGNÓSTICO DE BUCHAS DE ALTA TENSÃO

Leonardo Nunes Alves da Silva

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Rio de Janeiro – RJ 2007


MONITORAMENTO E DIAGNÓSTICO DE BUCHAS DE ALTA TENSÃO

Leonardo Nunes Alves da Silva

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Área de concentração: Sistemas de potência Orientador: Orsino Borges de Oliveira Filho.



MONITORAMENTO E DIAGNÓSTICO DE BUCHAS

DE ALTA TENSÃO

Leonardo Nunes Alves da Silva PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

_____________________________________

Eng. Orsino Borges de Oliveira Filho, M.Sc (Orientador)

______________________________________

Prof. Ivan Herszterg, M.Sc (Co-Orientador)

______________________________________

Prof. Alessandro Manzoni, D.Sc.


DA SILVA, LEONARDO NUNES ALVES. Monitoramento e Diagnóstico de Buchas de Alta Tensão. Rio de Janeiro 2007. 88 páginas. Monografia, Universidade Federal do Rio de Janeiro.

iii

À minha mãe e minha avó, pelo carinho e dedicação.

iv iv

AGRADECIMENTOS

Gostaria de começar agradecendo a minha mãe Isaura e minha avó Rosa,

por terem me proporcionado todos os meios para que eu chegasse até aqui. Com

certeza não alcançaria tal objetivo sem as bases sólidas da educação recebida por

elas.

Agradeço também ao meu irmão Leandro por nossas saudosas memórias de

infância e por sua contagiante alegria em viver cada momento intensamente.

Agradeço a minha irmã Marita por todo carinho, zelo e preocupação que

sempre teve comigo e meu irmão. Grandes valores morais foram aprendidos com

ela.

Agradeço a todos meus familiares por cada palavra de incentivo e apoio na

longa e difícil jornada ate aqui.

Agradeço a todos os meus amigos que direta ou indiretamente contribuíram

para que eu chegasse nesse momento, em especial aos meus amigos da

graduação. Os cinco anos de convivência que tive com eles nunca serão

esquecidos.

Agradeço a todos os professores da UFRJ, em especial aos professores

Alessandro Manzoni e Ivan Herszterg, pela contribuição que deram para a realização

desse trabalho.

Agradeço aos engenheiros Alain Levy, André Tomaz, José Cardoso e Hélio

Amorim, colegas que sempre se mostraram dispostos a ajudar.

Por fim gostaria de fazer um agradecimento especial ao Engenheiro Orsino

Borges, por sua inestimável ajuda no desenvolvimento desse trabalho e pelo apoio e

atenção que sempre teve comigo durante os dois anos em que trabalhamos juntos

no CEPEL.

v

DA SILVA, Leonardo Nunes Alves. Monitoramento e Diagnóstico de Buchas de Alta Tensão. Rio de Janeiro 2007. 88 páginas. Monografia, Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Resumo

Esta monografia tem como objetivo a apresentação de um sistema de

monitoramento e diagnóstico “on-line” de buchas de alta tensão. É dada ênfase ao

monitoramento de três grandezas em especial: capacitância, tangente de delta e

descargas parciais, por serem consideradas as grandezas mais importantes no

diagnóstico de buchas.

Os capítulos iniciais do trabalho explanam de uma forma geral sobre assuntos

pertinentes a buchas de alta tensão e o capítulo 4 trata especificamente das

grandezas capacitância, tangente de delta e descargas parciais, mostrando o

programa de monitoramento que foi desenvolvido para elas no centro de pesquisas

de energia elétrica - CEPEL. O capitulo 1 é uma introdução sobre a motivação e a

importância do desenvolvimento de sistemas de monitoramento “on-line” de buchas

de alta tensão. O capitulo 2 fala sobre os tipos de buchas existentes, focando sobre

seus aspectos construtivos e de funcionamento, e por fim apresenta os principais

ensaios de buchas de alta tensão. O capítulo 3 discute a medição de outras

grandezas complementares para fins de diagnóstico de buchas de alta tensão, além

das grandezas principais focadas nesse trabalho. As grandezas capacitância,

tangente de delta e descargas parciais são apresentadas de forma apenas

qualitativa no capitulo 3. O capítulo 4 mostra com riqueza de detalhes as grandezas

capacitância, tangente de delta e descargas parciais, bem como mostra passo a

passo o desenvolvimento dos sistemas de medição e do programa de

monitoramento “on-line” para essas grandezas.

Por fim, no capitulo 5 pode-se ver que o sistema de monitoramento

apresentado nesse trabalho, em relação aos sistemas comerciais disponíveis no

mercado, têm algumas vantagens tais como uma maior facilidade para calibração,

portabilidade e integração dos resultados de diferentes grandezas monitoradas, o

que gera base para um diagnóstico mais efetivo para o desempenho dielétrico de

buchas de alta tensão.

vi

Sumário

AGRADECIMENTOS RESUMO

1. INTRODUÇÃO 1

2. BUCHAS DE ALTA TENSÃO 6

2.1. INTRODUÇÃO 6

2.2. TIPOS DE BUCHAS 6

2.2.1. BUCHAS NÃO-CAPACITIVAS 6

2.2.2. BUCHAS CAPACITIVAS 8

2.2.2.1. BUCHAS DE PAPEL RESINADO (RBP) 10

2.2.2.2. BUCHAS DE PAPEL IMPREGNADO EM ÓLEO (OIP) 11

2.2.2.3. BUCHAS DE PAPEL IMPREGNADO EM RESINA (RIP) 12

2.3. PROJETO DE BUCHAS DE AT 13

2.3.1. DIMENSÃO DO LADO DA BUCHA NO AR 15

2.3.2. DIMENSÃO DO LADO DA BUCHA NO ÓLEO 19

2.3.3. GRADIENTES RADIAIS 19

2.4. APLICAÇÕES PARA BUCHAS DE AT 20

2.4.1. BUCHAS PARA TRANSFORMADORES E REATORES 20

2.4.2. BUCHAS PARA SUBESTAÇÕES ISOLADAS A GÁS 27

2.4.3. BUCHAS PARA AT EM CORRENTE CONTÍNUA (ATCC) 28

2.5. ENSAIOS EM BUCHAS DE AT 30

2.5.1. MEDIDA DE CAPACITÂNCIA E TANGENTE DE DELTA 32

2.5.2. ENSAIOS DE SUPORTABILIDADE E DE DESCARGAS PARCIAIS 32

2.5.3. ENSAIOS DE IMPULSO DE TENSÃO 33

2.5.4. ENSAIOS DE ESTABILIDADE TÉRMICA 34

2.5.5. ENSAIO DE AUMENTO DE TEMPERATURA 34

2.5.6. OUTROS ENSAIOS 35

3. DIAGNÓSTICO DE BUCHAS 36

3.1. MEDIÇÃO DE CAPACITÂNCIA E TANGENTE DE DELTA 37

3.1.1. CUIDADOS RECOMENDADOS 37

3.1.2. EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO 37

3.1.3. PROCEDIMENTOS DE MEDIÇÃO 38

3.1.4. CORREÇÃO DE TEMPERATURA 39

3.1.5. INTERPRETAÇÃO DAS MEDIDAS 40

3.1.5.1. COMENTÁRIOS SOBRE A TANGENTE DE DELTA PARA BUCHAS OIP 40

3.1.5.2. COMENTÁRIOS SOBRE A TANGENTE DE DELTA PARA BUCHAS RIP 41

3.1.5.3. ANÁLISE DAS VARIAÇÕES DE TANGENTE DE DELTA EM BUCHAS OIP E RIP: 42

3.1.5.4. COMENTÁRIOS SOBRE A TANGENTE DE DELTA PARA OS TAPS CAPACITIVOS DE BUCHAS OIP E RIP 43

3.1.5.5. COMENTÁRIOS SOBRE A CAPACITÂNCIA 43

3.2. MEDIDAS DE DESCARGAS PARCIAIS 44

3.3. ANÁLISE DE GASES DISSOLVIDOS (DGA) 44

3.3.1. RETIRADA DE AMOSTRAS DE ÓLEO DE BUCHAS DE AT 44

3.3.1.1. PROCEDIMENTO DE RETIRADA DE ÓLEO PARA GOB, GOE E GOH. 45

3.3.1.2. PROCEDIMENTO DE RETIRADA DE ÓLEO PARA GOEK, GOM E SIMILARES: 47

3.3.1.3. PROCEDIMENTO DE RETIRADA DO ÓLEO PARA GOA, GOC E GOG: 47

3.3.2. ANÁLISE DE UMIDADE 48

3.3.3. INTERPRETAÇÃO DAS ANÁLISES 49

3.4. INSPEÇÃO DA SUPERFÍCIE DO ISOLADOR - HIDROFOBICIDADE 49

3.4.1. CLASSES DE HIDROFOBICIDADE 49

3.4.1.1. EQUIPAMENTOS DE ENSAIO 50

3.4.1.2. PROCEDIMENTO DE ENSAIO 50

3.4.1.3. CLASSIFICAÇÃO DA HIDROFOBICIDADE 50

3.5. TERMOVISÃO 53

4. SISTEMA DE MONITORAMENTO DE BUCHAS AT EM DESENVOLVIMENTO NO CEPEL 54

4.1. INTRODUÇÃO 54

4.2. OBJETIVOS E MOTIVAÇÃO PARA O DESENVOLVIMENTO DO PROJETO 54

4.3. SISTEMA DE MEDIÇÃO DE CAPACITÂNCIA, TANGENTE DE DELTA E DESCARGAS PARCIAIS. 58

4.3.1. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE MEDIÇÃO 58

4.3.2. SISTEMAS DE MEDIÇÃO PROPRIAMENTE DITOS 60

4.3.2.1. SISTEMA PARA MEDIÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS 60

4.3.2.2. SISTEMA PARA MEDIÇÃO DE CAPACITÂNCIA E TANGENTE DE DELTA 63

4.3.2.3. PROGRAMA DESENVOLVIDO 67

4.3.2.4. SIMULAÇÕES REALIZADAS EM BANCADA 67

4.3.2.5. ENSAIOS REALIZADOS EM LABORATÓRIO 68

4.3.3. ESTRUTURA E INSTALAÇÃO DO SISTEMA INTEGRADO DESENVOLVIDO 69

4.3.3.1. SISTEMA DE MEDIÇÃO 71

4.3.3.2. SISTEMA DE OPERAÇÃO 72

4.3.3.3. SISTEMA DE ANÁLISE 73

5. CONCLUSÕES GERAIS 74

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 76

7. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 77

1

1. Introdução

As buchas de alta tensão são partes importantes que integram os grandes

equipamentos de alta tensão presentes em todas as plantas de geração e

subestações de transmissão, distribuição e de grandes consumidores de energia

elétrica. São equipamentos hermeticamente fechados e projetados para trabalhar ao

tempo ou abrigados, submetidos às solicitações elétricas e mecânicas normais de

regime permanente ou anormais e transitórias previstas de ocorrerem em serviço.

Entretanto, fatores tais como possíveis falhas de projeto em termos de

dimensionamento e controle de campos elétricos, falhas nas execuções desses

projetos, má qualidade de materiais, armazenamentos inadequados no caso de

buchas reservas colocadas em serviço, penetração de umidade devida a defeitos na

vedação, bem como solicitações elétricas ou mecânicas imprevistas, podem levar a

ocorrência de falhas das buchas e, conseqüentemente, dos equipamentos dos quais

elas fazem parte. Alguns aspectos atuais, como por exemplo: necessidade de

projetos cada vez mais compactados e operação dos equipamentos em regime

permanente de carga máxima ou até mesmo em sobrecarga, têm também

contribuído para ocorrência de falhas tanto das buchas como dos equipamentos.

Soma-se a esses aspectos também a idade já avançada de grande parte dos

equipamentos em serviço no sistema elétrico brasileiro.

Do ponto de vista prático, em todas as empresas de geração, transmissão e

distribuição de energia elétrica do setor elétrico brasileiro há registros de diversas

ocorrências de explosões de equipamentos tais como transformadores de potência,

transformadores para instrumentos e reatores em serviço. Mais recentemente, têm

ocorrido várias falhas de transformadores de potência e reatores estratégicos para o

bom funcionamento do sistema elétrico brasileiro, com indicativos de terem sido as

buchas de alta tensão desses equipamentos as principais envolvidas nas falhas.

Essas falhas envolvem riscos elevados de acidentes envolvendo vidas

humanas e causam, entre outros inconvenientes, interrupções prolongadas de

fornecimento de energia, custos elevados na troca ou reparos dos equipamentos ou

parte deles e aumento nos valores dos contratos de seguros. Nas figuras 1.1, 1.2,

1.3 e 1.4, estão apresentados exemplos de falhas e incêndios envolvendo buchas de

alta tensão de transformadores de potência.

2

Figura 1.1 - Bucha de alta tensão após ocorrência de falha.

Figura 1.2 - Bucha de alta tensão em chamas após ocorrência de falha.

3

Figura 1.3 - Bucha de alta tensão e transformador em chamas após ocorrência

de falha.

Figura 1.4 – Técnicos visitando área após ocorrência de falha e incêndio em

bucha de alta tensão

4

Tem sido crescente, portanto, o interesse dessas empresas por sistemas para

monitoramento e diagnóstico sobre o estado operativo de buchas de alta tensão dos

equipamentos em serviço, de tal maneira que seja possível ter informações que

subsidiem as tomadas de decisão sobre a necessidade de retirada ou não dos

equipamentos de serviço, antes que falhas importantes aconteçam, evitando os seus

efeitos e prejuízos.

Várias técnicas de monitoramento e diagnóstico aplicadas em buchas de alta

tensão em serviço podem ser aplicadas para se identificar seu estado de

funcionamento e eventuais riscos ao sistema no qual ela opera e assim adotar uma

sistemática de avaliação on-line das buchas de alta tensão, visando dar maior

consistência ao diagnóstico dos equipamentos.

Atualmente, já há no mercado alguns sistemas para monitoramento e

diagnósticos de buchas de alta tensão em serviço ou “on line”. Todos eles são

baseados em grandezas relacionadas com o estado do sistema isolante das buchas,

sobretudo nas medições de capacitância e tangente de delta, que podem indicar

falhas internas e aumento de perdas no dielétrico da bucha, e na medição de

descargas parciais, que indicam início de ocorrência de descargas internas que

podem progredir para falhas completas. Integram esses equipamentos também o

monitoramento tradicional de gases dissolvidos no óleo e outros ensaios

complementares.

Dentre os métodos existentes, aqueles que utilizam os taps capacitivos das

buchas para fazer o monitoramento on-line da capacitância e tangente de delta e

das descargas parciais são os mais promissores. Essas grandezas, quando

integradas numa análise conjunta com outros dados sobre as buchas, processadas

e analisadas por meio de sistemas inteligentes, são capazes de fornecer

informações úteis sobre desempenho das buchas de alta tensão, contribuindo para

evitar as falhas e suas conseqüências.

Por toda essa importância das buchas de alta tensão e pelo interesse em sua

integridade no sistema elétrico, esse trabalho tem como objetivo principal apresentar

informações sobre sistemas utilizados para monitoramento e diagnóstico de buchas,

mas apresenta também informações mais aprofundadas sobre buchas de alta

tensão em geral nos capítulos iniciais, com o intuito de fazer uma introdução mais

5

detalhada para aqueles que não têm total domínio do assunto, além de

complementar o presente trabalho com material pertinente ao foco principal. Com

isso acredita-se que o assunto é apresentado de forma a propiciar um entendimento

mais didático e consistente para os interessados no tema.

6

2. Buchas de Alta Tensão

2.1. Introdução

Uma bucha de alta tensão (AT) é um dispositivo utilizado para fazer a

passagem de um condutor eletricamente energizado em AT através de alguma

barreira aterrada ou em potencial elétrico muito diferente do potencial elétrico do

condutor. Exemplos de tais barreiras são paredes que abrigam uma subestação e

tanques de metal utilizados em equipamentos de AT tais como transformadores,

reatores e disjuntores. Uma bucha de AT deve fornecer isolamento elétrico para a

tensão nominal e eventuais sobretensões do sistema e também serve como suporte

mecânico para os condutores e conexões externas.

2.2. Tipos de buchas

As características que definem os tipos de buchas de AT dependem da

tensão nominal, dos materiais e meios isolantes e do ambiente no qual ela será

instalada. Em termos gerais, as buchas são divididas em dois tipos: As buchas não-

capacitivas e as buchas capacitivas aterradas.

2.2.1. Buchas não-capacitivas

De uma forma bem simplificada, uma bucha não-capacitiva nada mais é do

que um condutor revestido por material ou meio isolante tais como porcelana, vidro,

resina, papel, etc. como mostrado na figura 2.1. O raio “a” é função da tensão

elétrica no condutor, das características do material isolante e da geometria dos

eletrodos e o raio “b” é função do ambiente no qual a bucha é utilizada.

Como mostrado na figura 2.2, a distribuição do campo elétrico nas buchas

não é linear através de sua camada isolante e nem ao longo de sua superfície. A

concentração de campo elétrico no meio isolante pode levar à ocorrência de

descargas parciais e comprometer a vida útil da bucha. Por outro lado, altos campos

axiais podem resultar em trilhamento e descargas na superfície do isolamento.

7

Conforme a tensão nominal aumenta, as dimensões da bucha, resultantes de

considerações sobre campo elétrico e possibilidade de descargas, podem aumentar

de tal forma a tornar impraticável a sua construção.

Figura 2.1 - Buchas não-capacitivas [1].

Figura 2.2 - Distribuição de tensão nas buchas não-capacitivas [1].

A não-uniformidade do campo elétrico numa bucha pode ser minimizada por

meio de mecanismos de controle considerados na etapa de projeto. Em buchas com

isolador de resina, um eletrodo de controle eletricamente ligado ao flange de

montagem pode revestir o próprio isolador, reduzindo o campo da interface do

8

flange. (figura 2.3). A função do eletrodo de controle, que tem forma de tubo, é

reduzir o gradiente do potencial no flange e ao longo da superfície da bucha.

Figura 2.3 - Controle de campo usando tubo de controle [1].

2.2.2. Buchas Capacitivas

Para tensões nominais acima de 50 kV, o princípio da bucha capacitiva

aterrada é geralmente usado, como mostrado na figura 2.4. O material isolante mais

utilizado para esse tipo bucha é papel com resina ou óleo, sob as seguintes

denominações:

• Papel resinado (RBP)

• Papel impregnado em óleo (OIP)

• Papel impregnado em resina (RIP)

9

Figura 2.4 - Bucha Capacitiva [1].

O papel é disposto em camadas em volta do condutor central da bucha,

formando capacitores concêntricos entre o tubo e o flange de montagem. O diâmetro

e o comprimento de cada camada são escolhidos de acordo com as capacitâncias

parciais, resultando numa distribuição uniforme do campo elétrico axial e um controle

de campo radial dentro dos limites do material isolante (figura 2.5).

Figura 2.5 – Linhas de potencial em buchas capacitivas e não-capacitivas [1].

10

2.2.2.1. Buchas de Papel Resinado (RBP)

Atualmente, o campo de atuação das buchas RBP está limitado à baixa

tensão, particularmente em chaves de manobra, devido às características dielétricas

do RBP. Nas buchas RBP, o papel é primeiramente coberto com resina fenólica ou

epóxica, para depois ser moldado, através de calor e pressão, em sua forma

cilíndrica e camada por camada, tendo cada camada uma densidade apropriada. A

utilização dessas buchas é limitada pela espessura e qualidade do material que foi

fabricada e pelo risco de instabilidade térmica em seu isolamento, que pode ocorrer

devido às perdas dielétricas geradas pela componente resistiva da corrente que

passa pelo material isolante. Essas buchas RBP são projetadas para operar com um

campo radial máximo de aproximadamente 20 kV/cm [1].

O isolamento das buchas RBP, simplificadamente, nada mais é do que um

laminado de papel e resina. A bucha, conseqüentemente, pode possuir uma

considerável quantidade de ar distribuído entre as lâminas, o que estabelece um

ponto fraco do sistema isolante quanto à possibilidade de descargas parciais.

Eventuais erros cometidos durante o processo de fabricação das buchas RBP

podem provocar rachaduras em formatos de circunferências no isolamento,

possibilitando um aumento do campo elétrico, o que torna ainda mais provável a

ocorrência de descargas parciais.

Quando em operação, a entrada de umidade pode provocar a delaminação,

que é o processo de separação involuntária das camadas de papel, assim como o

aumento e a instabilidade das perdas dielétricas no isolamento das buchas RBP.

Descargas que ocorrem nos finais das camadas de laminado provocam a

produção de carbono, que se estendem axialmente. Já descargas no espaço vazio

entre uma camada e outra, produzem disrupção radial entre elas. Ambas as formas

de descargas parciais são progressivas e têm efeito cumulativo. Quando

combinadas e com seus efeitos em estágio avançado levam a falha completa do

isolamento, seja por instabilidade térmica do sistema isolante ou por solicitações

geradas por sobretensões transitórias.

11

2.2.2.2. Buchas de Papel Impregnado em Óleo (OIP)

A isolação do tipo OIP é largamente utilizada em buchas de AT para

transformadores de potência, reatores e transformadores de instrumentos, que

operam em sistemas das mais altas tensões de operação existentes. Buchas OIP

são fabricadas com papel disposto em camadas e sua impregnação com óleo é feita

após secagem a vácuo.

Geralmente, o papel usado em sua fabricação é do tipo “Kraft” puro, que é um tipo

de papel normalmente amarronzado e feito a partir da polpa dos troncos de madeira

tipo eucalipto e tratado com uma solução de sulfato de sódio, que está disponível em

largura de até 5 metros. Essa largura é adequada para a maioria das aplicações,

mas para buchas de ultra-alta tensão, vários métodos de alongar o comprimento da

camada capacitiva são utilizados, tais como a técnica de construção multi-pedaços

ou com a utilização de fitas de papel. É de extrema importância que o papel seja

suficientemente poroso, para permitir eficiente secagem e impregnação, garantindo

características de suportabilidade dielétrica adequada. A figura 2.6 mostra as etapas

no processo de fabricação de uma bucha capacitiva do tipo OIP.

E n rro lla r c on p ro ce so M on ta je . P ro ceso d e v a c ío y E n sayo d e ru tin aE n ro la r c om p ro c es sod e s e cag em

M on ta g em P ro ce s so d e vácuo eim p reg na ção c om ó leo

E n s a io d e ro tin a

C am ad a d e a lum ín io

P ap e l k ra f t

Figura 2.6 – Processo de fabricação de uma bucha tipo OIP [3].

O óleo utilizado é um óleo mineral do mesmo tipo que se utiliza em

transformadores. Antes da impregnação com o óleo, deve ser realizado um processo

para garantir condições de baixa umidade e baixo volume de gás, como também alta

suportabilidade dielétrica. Em certas aplicações, outras propriedades também podem

ser importantes, como por exemplo, resistividade e conteúdo de fibra para buchas

utilizadas em corrente contínua (cc).

12

A fabricação da bucha pode ser realizada por uma montagem completa em

autoclaves ou em locais apropriados que permitam a aplicação de vácuo durante o

processo antes de sua impregnação com óleo. Defeitos de fabricação são

geralmente detectados em ensaios de rotina. No caso de uma montagem correta

das buchas OIP, nenhum tipo de substância gasosa será encontrado no seu interior

e, como conseqüência dos cuidados adicionais tomados no processo de fabricação,

atividades de descargas parciais ocorrerão para níveis muito mais altos de campo

elétrico, quando comparados com as buchas RBP. Assim, as buchas OIP são

designadas para trabalhar com campos radiais de valores típicos de 45 kV/cm [1].

2.2.2.3. Buchas de Papel Impregnado em Resina (RIP)

A isolação do tipo RIP foi desenvolvida na década de 60 para ser utilizada em

equipamentos de manobra em sistemas de distribuição e isolação de barramentos.

Mais recentemente, desenvolvimentos científicos aumentaram seu campo de

aplicação em equipamentos e estruturas com tensões de até 800 kV.

No processo de fabricação das buchas RIP, fitas ou folhas de papel crepe são

enroladas sobre um condutor. Camadas condutoras são montadas umas após as

outras, de uma determinada maneira que permita o controle da distribuição de

capacitâncias. O isolamento de papel, ainda sem nenhum tipo de tratamento, é seco

em uma autoclave, num processo controlado de calor e vácuo. Após esse processo,

a resina epóxi é então adicionada na fabricação. Como as buchas projetadas para

níveis elevados de tensão, da ordem de centenas de kV, podem ter comprimento

acima de 6 metros, é de suma importância que a resina tenha baixa viscosidade

para assegurar total impregnação. Durante o ciclo de cura da resina, eventuais

encolhimentos no comprimento original são controlados para evitar o aparecimento

de futuras fissuras, devido a esforços mecânicos internos. O produto resultante do

ciclo de cura é então submetido a um processo de secagem e retirada de gás, o que

faz com que a bucha tenha características de baixas perdas dielétricas e bom

desempenho em relação a descargas parciais. A figura 2.7 mostra o processo de

fabricação de uma bucha capacitiva do tipo RIP.

13

E n ro la r S eca g em e im p re g n açã ocom re s in a s o b vá cu o

U s in ag em M on ta g em e e n sa iod e ro t in a

C am ad a d e a lu m ín io

P ap e l c rep e

Figura 2.7 – Processo de fabricação de uma bucha tipo RIP [3].

Durante a fabricação, as camadas condutoras seguem a forma do papel

crepe. O espaço entre as camadas varia de acordo com saliências e depressões da

estrutura do papel crepe. O espaçamento das camadas das buchas RIP é,

conseqüentemente, maior do que o das buchas RBP e OIP. As buchas do tipo RIP

são projetadas para operar com campo radial de aproximadamente 36 kV/cm [1].

2.3. Projeto de Buchas de AT

O tipo de bucha de maior interesse para aplicação em alta tensão é o tipo

capacitivo e, por isso, seu projeto e aplicações são abordadas a seguir,

particularmente o caso de buchas utilizadas em transformadores de potência e

reatores.

É essencial que uma bucha de at seja projetada para suportar as solicitações

que são impostas tanto em regime permanente quanto em regime transitório. As

solicitações mais prováveis para buchas de at são mostradas na tabela 2.1.

Um parâmetro determinante das dimensões de uma bucha de AT é o campo

elétrico. A ação do campo elétrico se dá tanto radialmente, através da isolação,

quanto axialmente, ao longo de sua superfície. A determinação do máximo campo

permissível para cada material utilizado na isolação de buchas de AT tem sido feita

por experiência e por meio de ensaios laboratoriais, considerando uma expectativa

de vida útil de aproximadamente 40 anos.

14

Tabela 2.1 - Solicitações prováveis para buchas de AT

Elétrico Sobre-tensões de impulso atmosférico Sobre-tensões de manobra Tensão de freqüência nominal

Térmico Perdas Condutivas

Perdas Dielétricas Radiação Solar

Mecânica Esforços devidos a conexões externas Esforços mútuos devidos a ângulos de montagem Forças provocadas por fenômenos naturais Forças provocadas por curto-circuito

Ambientais Temperatura Natureza do meio circundante (ar, óleo, gás). Poluição

O projeto da parte capacitiva da bucha tem o objetivo de controlar as

solicitações de campos elétricos internos, mantendo-os abaixo de níveis

considerados seguros. A distribuição desses campos é dependente de quatro

fatores, conforme mostrado na figura 2.8.

• 0r , raio do condutor.

• nr , raio da camada exterior.

• ll , comprimento da primeira camada capacitiva.

• nl , comprimento da última camada capacitiva.

Figura 2.8 – Corte longitudinal simplificado de buchas capacitivas [1].

15

Nas seções 2.3.2 e 2.3.3 irá se abordar de forma quantitativa a dependência

da distribuição do campo em relação a esses quatro parâmetros.

Um desenho de uma bucha OIP típica, com uma extremidade operando no ar

e outra operando no óleo, é mostrado na figura 2.9.

Enrolamento Capacitivo

Porcelana do lado de Ar Porcelana do lado de óleo Flange Cabeça da Bucha Tubo Central Proteção contra Corona Apoio do transformador

Figura 2.9 - Secção de uma bucha típica de transformador [1].

2.3.1. Dimensão do lado da bucha no ar

Para uso em recintos fechados, com poluição e umidade moderados, buchas

que utilizam materiais isolantes que têm como composição fundamental resina não

precisam de proteções externas adicionais. Buchas que utilizam óleo, gás ou papel

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impregnado em óleo como isolante sempre exigem que a isolação seja protegida do

meio externo. Esta proteção é geralmente feita por porcelana, mas invólucros de

isoladores poliméricos vêm sendo também utilizados.

O comprimento do isolador é determinado considerando-se as solicitações

relacionadas a impulsos atmosféricos e de manobra. O projeto da bucha deve ser tal

que o campo axial ao longo da superfície do isolador seja o mais uniforme possível.

O comprimento é também afetado pelo ambiente no qual a bucha é exposta. Em

ambientes poluídos, a ocorrência de descargas superficiais em condições de alta

umidade e tensão normal de operação é dependente da distância da superfície

isoladora, como por exemplo, o comprimento da superfície isoladora entre a alta

tensão e a terra [6]. A norma IEC 60815 [6] fornece maiores detalhes técnicos sobre

o projeto de isoladores para utilização em atmosferas poluídas.

As informações sobre a severidade da poluição no ambiente onde a bucha vai

ser utilizada definem uma distância de escoamento mínima especificada (l), como

indicado na tabela 2.2. A distância de escoamento mínima total (L) para a bucha,

relativa a tensão, é determinada por [1]:

L = dK * rU * l

Onde:

dK = Fator de correção do diâmetro para aumento da distância de escoamento, com

o diâmetro médio do isolador mD

mD < 300 mm dK =1

300 < mD < 500 mm dK =1,1

mD > 500 mm dK =1,2

rU = Tensão nominal da bucha (kV)

Em certas áreas desertas ou costeiras, uma combinação de condições

climáticas adversas, como longos períodos sem chuva, freqüentes neblinas,

tempestades de areia, maresia, entre outras, leva a acumulação de poluentes

condutores e ocorrências de arcos elétricos entre pontos na superfície isoladora.

17

Para combater tais condições, as distâncias de escoamento são aumentadas para

valores acima 40 mm/kV [1].

Projetos modernos de isoladores de porcelana geralmente usam um perfil de

saias alternadas longas e curtas (ALS) no isolador. Esse perfil resulta num

desempenho superior para climas adversos, como por exemplo, a neblina e permite

uma limpeza mais fácil dos isoladores sob condições de chuva e vento.

A fabricação dos isoladores de porcelana para buchas de AT, quando feita

em uma única peça, é limitada pela tendência de encurvamento durante o processo

de queima, se a bucha tiver uma relação elevada entre sua altura e o diâmetro do

furo interno por onde passa o condutor. Para buchas de AT, essa relação é

tipicamente maior do que 6. Para resolver esse problema, a peça é subdividida em

seções e cada uma delas é submetida ao processo de queima. A bucha completa é

montada a partir da colagem das secções com adesivo epóxi. Por exemplo, a

porcelana que fica ao ar livre em buchas de 420 kV é montada, tipicamente, com

três seções para dar uma altura global de 3,5 m, com uma relação entre sua altura e

o diâmetro do furo de aproximadamente 10. Utilizando-se materiais adesivos de boa

qualidade adequadamente ajustados nas juntas das seções, pode-se considerar a

montagem como se fosse uma peça única.

A utilização de isoladores compostos poliméricos está restrita, no momento,

devido as grandes preocupações com estabilidade a longo prazo. Eles têm muitas

vantagens sobre os isoladores de porcelana, sendo mais leve, resistente à explosão

e tendo melhor hidrofobicidade devido ao composto de borracha com silicone

moldado sobre suas saias.

18

Tabela 2.2 - Níveis de Poluição, Severidades dos ambientes e mínimas distâncias de

escoamento [1].

Severidade Equivalente dos Ambientes (Valores de Referência) Método da névoa salina

Método da camada sólida

Vapor-Neblina

Kieselguhr

Níveis de Poluição e Ambientes típicos

Salinidade

(kg/ 3m )

Densidade do Sal Depositado

(mg/ 2cm )

Condutividade da Camada (µS)

Mínima Distância de escoamento especificada l (mm/kV)

I - Luz - Ventos constantes e / ou Chuva - Agrícola - Montanhoso (> 10 km acima do nível do mar, sem ventos marítimos).

5 -14 0,03 - 0,06 15 -20 16

II - Normal - Indústrias sem fumaça poluidora - Grandes quantidades de casas com ventos e / ou chuvas, expostos a ventos marítimos não muito próximos.

14 - 40 0,1 - 0,2 24 - 35 20

III - Pesado - Grande densidade de indústrias - Subúrbios de grandes cidades (perto do mar)

40 - 112 0,3 - 0,6 36 25

IV - Muito Pesado - Condutores empoeirados, Fumaça. - Fortes ventos úmidos do mar - Deserto

> 160 31

19

2.3.2. Dimensão do lado da bucha no óleo

O lado da bucha com isolador no óleo (figura 2.9, item 3) é normalmente uma

porcelana cônica ou uma armação de resina fundida. A graduação axial interna das

camadas capacitivas é dependente da tensão de ensaio a freqüência nominal que

resulta em um campo de aproximadamente 12 kV/cm. Isso determina a dimensão c

(figura 2.9). As dimensões b e c juntas com as exigências físicas do flange de

montagem e a corrente do transformador, determinam as dimensões nr e nl das

camadas capacitivas, vide figura 2.8 [1].

2.3.3. Gradientes Radiais

Ainda que seja possível projetar uma bucha com gradiente radial constante,

isso somente pode ser alcançado à custa de um gradiente axial variável. Na maioria

dos casos, um gradiente axial constante é desejável enquanto que o gradiente radial

pode variar e atinge o máximo no condutor ou para a camada no potencial de terra.

Os valores dos campos no condutor ( 0E ) e na camada de potencial de terra

( nE ) são dados pelas equações abaixo [1]:

0

0

( 1)

2 log

V aE

ar b

+=

1

( 1)

2 logn

n

V aE

ar b−

+=

Onde l

n

la

l= e

0

nrbr

= .

0E é máximo quando a < b e nE é máximo quando a > b .

O raio 0r é dependente da corrente nominal, do método de conexão entre a

bucha e o enrolamento do transformador e da forma como a bucha é construída. Um

valor ótimo de nr pode ser calculado.

Tendo determinado as dimensões das camadas capacitivas extremas, as

camadas intermediárias podem ser calculadas. O método detalhado do cálculo pode

variar, mas o objetivo é sempre conseguir campo radial aceitável em cada uma das

20

camadas capacitivas parciais e campo axial uniforme, com o mínimo número de

camadas.

Desde que, como exposto, o gradiente axial varia ao longo de toda a

espessura do isolador, o espaçamento entre as camadas capacitivas para tensão

constante entre quaisquer duas camadas, que formam um capacitor parcial, também

deve variar.

Não é necessário que as camadas capacitivas cubram 100% do comprimento

do lado de ar do isolador. Na prática, com 60 % ou menos da graduação interna por

meio de camadas capacitivas, já se tem uma adequada graduação para a maioria

das buchas.

2.4. Aplicações para Buchas de AT

2.4.1. Buchas para transformadores e reatores

Os transformadores para alta tensão necessitam de buchas terminais para

todos os enrolamentos de AT, e os reatores shunt precisam de buchas para a

entrada dos terminais de alta tensão. Dependendo da configuração do sistema, a

parte exterior pode operar no ar, óleo ou gás. Nas figuras 2.10 a, b, c e d, estão

mostrados exemplos de buchas de alta tensão utilizadas em transformadores de

grande importância no sistema elétrico brasileiro.

21

a) b)

c) d)

a) Transformador, 13,8/500 kV, 186 MVA, CHESF, UHE Luiz Gonzaga, uma fase da geradora, b)

Transformador 13,8/500 kV, GERASUL, UHE Salto Santiago, uma fase da geradora em GIS, c)

Maior transformador da América Latina, 16/500 kV, 416,5 MVA, TRACTBEL, UHE de

Machadinho, em laboratório para ensaios de localização de descargas parciais pelo método de

emissão acústica. d) Autotransformadores, 230/500 kV, ELETRONORTE, SE de Vila do Conde.

Figura 2.10 - Exemplos de buchas em transformadores e reatores de AT.

[Cortesia CEPEL].

22

Para tensões de até 50 kV, buchas do tipo não-capacitivas geralmente são

usadas. No caso dos transformadores do tipo “secos” (os que não utilizam nenhum

liquido para auxiliar no isolamento), elas são normalmente de resina moldada. Já

com transformadores que utilizam meios isolantes líquidos, buchas com isoladores

de porcelana são normalmente utilizadas para aplicações ao ar livre e com resina

moldada para conexões abrigadas.

As buchas capacitivas foram desenvolvidas para aplicações em tensões até

1600 kV. Buchas de transformadores e reatores não são exclusivamente do tipo

OIP, sendo as buchas do tipo RIP e algumas do tipo RBP também utilizadas,

particularmente para tensões acima de 245 kV. [1].

Em alguns casos, os cabos que vêm do enrolamento do transformador são

passados através do tubo da bucha e terminam na sua cabeça. Esse tipo de

conexão, chamado condutor guiado, é limitado a uma corrente nominal de

aproximadamente 1250 A, devido às limitações das dimensões de cabos flexíveis.

No caso de correntes mais elevadas, um tipo de conexão diferente pode ser

utilizado, fazendo com que o próprio tubo suporte da bucha seja o condutor,

conforme mostrado na figura 2.11.

Como as buchas que utilizam o sistema isolante do tipo RIP têm suas

camadas impregnadas em resina, que forma um conjunto sólido, elas não

necessitam de um tubo de suporte. No caso de conexões do tipo condutor guiado

utilizar cabos isolados a papel, a blindagem para o campo elétrico no terminal do

transformador não é necessária, permitindo assim uma redução de material utilizado

no terminal inferior da bucha.

A extremidade a óleo da bucha pode ser de duas formas: convencional e do

tipo reentrante. As buchas consideradas até agora nesse texto são do tipo

convencional. Através da comparação das duas formas, mostradas na figura 2.12,

pode ser visto que a parte que fica no óleo da bucha do tipo reentrante é mais curta

e, como não existe a necessidade de blindagem de campo, tem-se também uma

redução de material utilizado no terminal inferior da bucha. As buchas reentrantes

apresentam grande dificuldade em sua instalação, pois os condutores dos

transformadores devem ser isolados com papel para aproximadamente 30% da

tensão de operação, sendo possível o surgimento de gases em sua superfície

interna. Nas figuras 2.13, 2.14 e 2.15 estão mostrados detalhes de buchas de alta

tensão tipo capacitivas utilizadas em transformadores e reatores, incluindo um

23

detalhe de falha de isolamento na região do condutor, que deve suportar os 30% da

tensão total da bucha.

Figura 2.11 - Conexões em buchas de transformadores. (a) Tipo condutor guiado (b) Tipo conexão terminal

Figura 2.12 - Figuras do campo no lado do transformador de conexões de

buchas. (a) Tipo Convencional (b) Tipo reentrante

24

Figura 2.13 - Parte interna de uma bucha tipo capacitiva convencional, 500 kV,

utilizada na UHE da Itaipu Binacional [2].

Figura 2.14 - Bucha completa tipo capacitiva convencional, 550 kV, utilizada em

transformadores da GERASUL [2].

25

a) b) c) d)

a) Falha por descarga no isolamento papel-óleo, b) Reparo com fitas de papel,

c) Fase intermediária do reparo e d) Terminal do cabo pronto para ser inserido

na bucha para processo de secagem, vácuo e impregnação.

Figura 2.15 - Parte interna do final do condutor preparado para uma bucha capacitiva tipo reentrante. O isolamento dessa parte final do condutor deve

suportar cerca de 30% da tensão [2].

Para o flange de montagem da bucha, uma conexão com a última camada

capacitiva é trazida ao exterior através de um tap capacitivo. Este tap é utilizado

para medições de grandezas elétricas relacionadas ao transformador e à bucha,

como por exemplo, tensão, descargas parciais, capacitância e tangente de delta.

Como a capacitância da bucha é muito menor que a capacitância entre a última

camada e o terra, para prevenir a geração de alta tensão e centelhamento no tap

capacitivo é de suma importância que ele seja mantido curto-circuitado quando a

bucha estiver em serviço e o tap não estiver sendo utilizado. Em casos particulares,

um tap de potencial intermediário pode ser necessário. Nesse caso camadas extras

são incluídas para estabelecer um divisor de tensão com fator de escala diferente.

Este tipo de tap tem alta capacitância quando comparado a parte principal da bucha

26

e pode ser usado em operação para disponibilizar uma tensão de até 5 kV e com

uma potência de saída típica de 100 VA. Essa saída de tensão pode ser utilizada

para alimentar relés e para a conexão de impedâncias de medição de sistemas de

monitoramento e diagnóstico. Na figura 2.16 estão mostrados alguns detalhes de

taps capacitivos e conexões de impedâncias de medição nesses taps.

a) b)

c) d)

a) Tap capacitivo com tampa original que o mantém curco-circuitado. b) Tap

capacitivo aberto, c) Adaptador conectado ao tap capacitivo, d) Fixação de

uma caixa de impedância de medição conectada ao tap capacitivo de uma

bucha.

Figura 2.16 - Detalhes de tap capacitivo de bucha de transformador,

500 kV [Cortesia CEPEL].

27

2.4.2. Buchas para subestações isoladas a gás

As buchas de entrada para subestações isoladas a gás (GIS) de AT

freqüentemente utilizam porcelana pressurizada. O gás isolante dentro da bucha é o

mesmo dos dutos. O controle do campo é feito através de um arranjo de eletrodos

perfilados entre o flange e o condutor. A porcelana é dimensionada para resistir a

altas pressões do gás utilizado na GIS e apresenta complicações ao sistema se

sofrer algum tipo de dano em operação. Uma melhoria de projeto é feita por meio da

chamada bucha de pressão-dupla, onde um tubo reforçado de material polimérico é

usado coaxialmente no interior da bucha ao longo da porcelana e suporta a maior

parte da pressão exercida pelo gás. O intervalo entre o tubo e a porcelana faz com

que a porcelana esteja submetida a uma pressão reduzida.

As buchas do tipo RIP de gás para ar são fabricadas para tensões até 525 kV.

As camadas capacitivas do tipo RIP lacram a GIS e a porcelana pode ser preenchida

com um material composto ou gás em baixa pressão. Isso possibilita a utilização de

uma porcelana bem leve para ser usada e operada em qualquer ângulo sem

modificação. Para esse tipo de bucha, pesquisas estão sendo realizadas com o

intuito de substituir a porcelana por um isolador composto ou para modelar saias de

borracha com silicone diretamente sobre a superfície tipo RIP. Como o lado a gás da

bucha pode ser usado diretamente dentro ou muito perto de disjuntores, os

componentes da bucha devem apresentar boa resistência aos produtos da

decomposição do 6SF , particularmente o fluoreto de hidrogênio (HF). Isto pode ser

feito cobrindo as buchas RIP com uma espécie de esmalte rico em alumínio. Um

exemplo de bucha de alta tensão isolada a gás, mas com isolamento feito de

material polimérico é mostrado na figura 2.17 [1].

Em GIS, transientes muito rápidos (VFTs), resultantes de chaveamentos,

geram grandes problemas para conexões externas das buchas. Devido à velocidade

de propagação de um VFT, é possível o aparecimento de altas tensões entre o

condutor e a primeira camada da bucha capacitiva. Atualmente não existem ensaios

de rotina que demonstrem com precisão o comportamento dinâmico das buchas

para tais transientes. Entretanto, ensaios têm sido desenvolvidos através da

aplicação de impulsos atmosféricos cortados dentro do duto da GIS a

aproximadamente 70% do nível básico de isolamento do sistema [1].

28

Figura 2.17 - Buchas para GIS [1].

2.4.3. Buchas para AT em corrente contínua (ATCC)

O projeto de uma bucha para ATCC é fortemente influenciado pela

resistividade dos vários materiais que são usados em sua construção, em oposição

ao que acontece com a sua permissividade no caso de ATCA. Enquanto as

permissividades do papel, óleo, porcelana, entre outros materiais, variam

praticamente na mesma ordem de grandeza, suas resistividades variam numa

escala maior do que 10000:1. Conseqüentemente, é importante para o projeto de

buchas para ATCC o estudo da distribuição da tensão no corpo e no entorno da

bucha. Exemplos dessa distribuição são mostrados na figura 2.18. A primeira figura

na parte superior mostra o efeito do campo em corrente alternada numa bucha de

transformador do tipo papel impregnado em óleo. Um campo concêntrico é

produzido no óleo entre os isoladores de papel e a parede protetora do

29

transformador. Na segunda figura ao centro, a distribuição em corrente contínua

para o mesmo arranjo é mostrada, onde a alta resistividade do papel comparada

com a do óleo, concentra o campo na parte dos isoladores. Para reduzir essa

concentração de campo bem como o campo da superfície de porcelana, cilindros

concêntricos são colocados em volta da bucha. O resultado dessa técnica

construtiva é ilustrado pela terceira figura na parte inferior da figura 2.18. Na prática,

um grande número de cilindros e barreiras cônicas pode ser necessário para que se

alcance um controle de campo satisfatório. Como a relação entre as resistividades

dos diferentes materiais varia com a temperatura, estudos de campo são feitos para

valores acima dos valores nominais de operação do transformador, para tornar

possível conhecer o seu comportamento e o de suas buchas de AT com respeito à

distribuição de campo em condições críticas de solicitações.

Figura 2.18 - Figura de campos em Buchas HVDC [1].

Em um sistema ATCC, efeitos danosos de poluição e riscos de falhas com

ocorrência de incêndios são motivos de preocupação. Para reduzi-los, as buchas de

ATCC são desenvolvidas para trabalhar horizontalmente, levando diretamente os

condutores para dentro das construções ou equipamentos. Esquemas de soluções

alternativas com buchas horizontais são mostradas na figura 2.19. A poluição em

30

sistemas de ATCC pode provocar descargas superficiais na bucha, que por sua vez

em contato com alguma substância inflamável pode provocar incêndios. Como

agravante a essa situação, uma exposição à chuva da superfície isolante da bucha

poluída não uniformemente pode aumentar ainda mais os riscos de descargas.

Quando um isolador poluído é parcialmente protegido da chuva por algum tipo de

construção, a diferença na resistividade da superfície seca para a molhada reduz

drasticamente a tensão de descarga superficial. Outros métodos para melhoria de

desempenho de buchas em ATCC usando saias reforçadas e materiais isolantes

que absorvem menos a umidade têm sido desenvolvidos.

Figura 2.19 - Arranjos alternativos para transformadores

(a) Buchas Externas (b) Buchas de parede

2.5. Ensaios em buchas de AT

Ensaios adequados são essenciais para se ter certeza de que os

equipamentos vão operar com bom desempenho durante toda a vida útil

especificada. Os equipamentos elétricos de AT são ensaiados de acordo com

normas técnicas ou com especificações técnicas que levam em consideração

condições particulares dos sistemas onde os equipamentos vão operar. Do ponto de

vista elétrico, equipamentos tais como buchas de alta tensão são ensaiados para

31

avaliação do desempenho dielétrico: ensaios que envolvem aplicação de alta tensão

e do desempenho eletromecânico: ensaios que envolvem aplicação de correntes

mais elevadas, por exemplo: ensaios de curto circuito e de arco de potência. Há

também os ensaios para determinação ou verificação de parâmetros característicos

de projeto, como por exemplo, o ensaio para medição de capacitância e tangente de

perdas de uma bucha de alta tensão. Para possibilitar o ensaio de buchas em

laboratório de alta tensão nas condições representativas da instalação real no

tanque do transformador ou reator, um tanque de ensaio com dimensões adequadas

ao nível de tensão da bucha e com óleo isolante é utilizado. A figura 2.20 mostra um

desenho desse tipo de tanque e uma bucha de transformador sendo preparada para

ensaio.

2300

3150

TANQUE DE

ÓLEO

OBS.: Medidas em "mm"

4200

1000

1365

395

505

430

280

980

175

400

φ 495

METÁLICO

EPOXI

650

Figura 2.20 - Bucha de papel impregnado sendo prepara no tanque de ensaios

em laboratório de alta tensão [2].

32

2.5.1. Medida de capacitância e tangente de delta

Este ensaio é o mais aplicado mundialmente, quando se pensa em ensaios

em buchas de alta tensão e sistemas de isolação como um todo. O instrumento mais

comumente utilizado para essa medição é baseado na ponte de Schering e seus

resultados (para maiores detalhes, ver referência em [7]), principalmente o valor do

fator de dissipação, também chamado de fator de perdas ou tangente de delta, dá

uma indicação da qualidade do projeto, processo de fabricação e dos materiais

utilizados na bucha. Fator de dissipação ou tangente de delta é uma grandeza

associada às perdas no isolamento e relaciona a componente resistiva com a

componente capacitiva da corrente total que circula pela bucha. Com isso, pode

indicar aspectos do estado operativo ou da qualidade da estrutura isolante ou de

quantidade de umidade de uma bucha RBP e OIP. Um aumento contínuo na

tangente de delta é indicativo de deterioração do isolamento elétrico em operação

que pode estar acompanhado ou não do aumento de descargas parciais internas.

Por isso esses parâmetros são importantes para diagnósticos sobre o estado

operativo das buchas de alta tensão em serviço.

2.5.2. Ensaios de Suportabilidade e de descargas parciais

Embora classificados como ensaios separados, o ensaio de suportabilidade

em ATCA e a medição de descargas parciais são freqüentemente realizados em um

ensaio só. A forma mais simples de se quantificar descargas parciais é por meio da

medição de uma grandeza chamada carga aparente, medida em pC.

Descargas parciais são a maior causa de falhas em buchas de AT. Elas

possuem um efeito muito mais danoso nas buchas tipo OIP e por isso o limite de 10

pC para 1,5* 3rU foi estabelecido para restringir seus possíveis efeitos.

Geralmente, em condições de bom projeto, materiais adequados e bom processo de

fabricação, isolações do tipo RIP e OIP apresentam níveis de descargas parciais

inferiores a 10 pC.

Modernos sistemas de medição digitais que detectam as descargas parciais

foram desenvolvidos para melhorar a sensibilidade das medidas. Sistemas

33

desenvolvidos para monitoramento a partir de medidas de corrente no tap capacitivo

de buchas, podem mostrar os sinais associados às descargas parciais em terminais

de vídeo, na forma de uma elipse ou distribuídos de forma sincronizada ao longo da

senóide do sinal de tensão em corrente alternada do sistema. Descargas parciais

aparecem como pequenos pulsos, que podem ser medidos através de sua

comparação com outros pulsos já calibrados. Pela posição do pulso de descarga na

elipse ou ao longo da senóide, é possível identificar alguns tipos de falta que já são

catalogados.

Figura 2.21 - Buchas sendo ensaidas em laboratório de AT

[1] e [Cortesia CEPEL]

2.5.3. Ensaios de impulso de tensão

Sobretensões geradas por descargas atmosféricas e por manobras de

circuitos, representam transitórios que podem ocorrer em qualquer sistema de alta

tensão. Ensaios com tensões de impulso são realizados para se conhecer o

desempenho de equipamentos aos transitórios de alta freqüência. Solicitações

representativas de impulsos atmosféricos são aplicadas em buchas de todos os tipos

34

utilizadas em todos os níveis de alta tensão e solicitações representativas de

impulsos de manobra são aplicadas para buchas que trabalhem com um valor

nominal de tensão acima de 300 kV. Esses ensaios são realizados em laboratórios

de alta tensão durante o final da etapa de fabricação ou durante a fase de

recebimento do equipamento. Há casos de realização desses ensaios também após

reparos significativos. Por causa da infra-estrutura requerida em termos de

geradores de impulso e sistemas de medição, ensaios de impulsos são muito

raramente realizados no campo e por isso também não são utilizados para efeito de

monitoramento do estado operativo de buchas em serviço [1].

2.5.4. Ensaios de estabilidade térmica

Este ensaio é aplicado a buchas de transformadores de tensão nominal

superior a 300 kV. Com ele pretende-se demonstrar que perdas dielétricas não

levam a um aquecimento contínuo que indique possibilidade de instabilidade térmica

da bucha em operação. O ensaio é realizado com a bucha imersa em óleo aquecido

a 90ºC. Uma tensão igual à máxima sobretensão temporária projetada para a bucha

é então aplicada e por meio de medições periódicas de capacitância e tangente de

delta, o desempenho térmico da bucha é analisado. A bucha, em condições normais

de estabilidade térmica, deve ser capaz de dissipar o calor gerado pelas suas

perdas, o que é indicado por uma estabilização ou crescimento muito lento do valor

da tangente de delta ao longo do tempo. Caso contrário, a tangente de delta

aumenta continuamente até que um sobreaquecimento fora de controle ocorre,

resultando em um colapso da isolação. Devido ao baixo valor de tangente de delta

inerente às buchas OIP e RIP, a estabilidade térmica não é normalmente um

problema. Somente em certas aplicações, como de buchas óleo para gás onde o

resfriamento é restrito, é dada uma atenção especial ao ensaio de estabilidade

térmica [1].

2.5.5. Ensaio de aumento de temperatura

O objetivo desse ensaio é demonstrar a propriedade das buchas em

conduzirem correntes nominais sem exceder as limitações térmicas da isolação. As

buchas do tipo OIP e RIP são restritas para uma temperatura máxima de 105ºC e

120ºC, respectivamente. A mais alta taxa térmica do material das buchas RIP não

35

significa necessariamente que condutores de bitolas menores podem ser usados. O

Material das buchas RIP é um bom isolante térmico e o projeto das buchas OIP

permite mais prontamente um resfriamento dos condutores por convecção dentro do

óleo da bucha. As condições de operação de diferentes tipos de bucha,

particularmente as buchas de altas correntes usadas em arranjos de dutos de fase

isolada, devem ser cuidadosamente consideradas. Num ensaio típico, uma bucha

alcança valores nominais de corrente de 10 kA sob condições de ensaio padrão

seguindo especificações técnicas, enquanto que em um ambiente com a

temperatura do ar elevada, o que equivale ao ambiente interno de dutos, por

exemplo, a máxima corrente é reduzida para 7 kA. Isso causa óbvias dificuldades na

especificação e uso desse tipo de buchas [1].

2.5.6. Outros Ensaios

Em conjunto com os principais ensaios elétricos apresentados anteriormente,

outros ensaios ou cálculos podem ser requeridos para análise de outras

propriedades das buchas. Alguns deles são:

• Ensaios de vazamento: resistência a vazamento por pressões internas

e externas de óleo ou gás.

• Ensaios de esforços mútuos: demonstram a capacidade da bucha em

suportar forças impostas por conexões, curtos-circuitos, entre outros.

• Ensaios de curto-circuito: realizados para comprovar uma capacidade

térmica adequada e prevenir superaquecimentos e danos à isolação

durante ocorrência de curto-circuito.

36

3. Diagnóstico de buchas

Existem muitos métodos utilizados para realizar diagnósticos sobre estado

operativo de buchas de alta tensão, a partir do monitoramento de grandezas

relacionadas com o desempenho da sua isolação em serviço.

As principais grandezas elétricas monitoradas para fins de diagnósticos de

buchas e do próprio transformador são a capacitância, tangente de delta e as

descargas parciais.

Por estarem diretamente ligadas ao assunto principal desse trabalho, as

medições de capacitância, tangente de delta e descargas parciais serão abordadas

com um maior refinamento de detalhes no capítulo 4 e por isso nesse capitulo serão

feitas apenas análises qualitativas sobre essas grandezas.

Tendo em vista uma tendência metodológica atual de se ter um sistema

integrado para monitorar várias grandezas relacionadas ao estado operativo de

buchas de AT, procurou-se nesse capítulo analisar outras grandezas que não

fossem as do foco principal do trabalho. Essas outras grandezas dão informações

complementares sobre o estado operativo das buchas de AT e com isso possibilitam

um diagnóstico mais consistente e seguro desse equipamento. As grandezas e

ensaios complementares abordadas nesse capítulo são: Análise de gases

dissolvidos no óleo isolante da bucha, análise de umidade no interior da bucha,

classificação de hidrofobicidade e a termovisão.

As técnicas utilizadas para medição dessas grandezas são realizadas no

campo e podem ser feitas tanto com o equipamento fora de serviço como com o

equipamento em serviço, sendo esse último o caso mais desejado por representar a

realidade da operação e não requerer desenergização para realização da medição.

A seguir são mostrados alguns procedimentos utilizados para medição das

principais grandezas que servem como base para diagnóstico de buchas de

transformadores de potência, dando-se maior atenção aos que podem ser realizados

por meio de instrumentos já disponíveis comercialmente.

37

3.1. Medição de capacitância e tangente de delta

3.1.1. Cuidados Recomendados

Para iniciar qualquer trabalho que exija conexão de instrumentos nos

transformadores no campo, como é o caso da medição de capacitância e tangente

de delta das suas buchas de AT, deve-se ter certeza que o transformador está

desenergizado ou fora de serviço e adequadamente aterrado.

Como já foi observado anteriormente, o tap capacitivo das buchas não deve

ser deixado em aberto durante a operação do transformador. Os taps capacitivos

das buchas de AT já vêm equipados com uma tampa que serve para vedar o tap

contra a penetração de umidade, bem como para mantê-lo curto-circuitado. Para

conexão de impedâncias de medição ou instrumentos no tap capacitivo da bucha,

essa tampa deve ser removida com o transformador desenergizado e aterrado. As

impedâncias que são conectadas no tap devem ter componentes de proteção contra

sobretensão para o caso de alguma falha que possa colocar os terminais do tap em

condições de circuito aberto.

No caso de se tratar de substituição da bucha por uma bucha reserva, antes

de se colocar a bucha reserva em serviço, a sua capacitância e a tangente de delta

devem ser medidas, preferencialmente em laboratório, e comparadas com os

valores referenciados em avaliação técnica ou com relatórios de ensaios anteriores.

Se os resultados mostrarem que a bucha reserva está em boas condições, após a

sua instalação completa no transformador, a conexão elétrica entre o tanque e o

flange de montagem deve ser verificada.

3.1.2. Equipamentos de Medição

Pontes adequadas para medição de capacitância e tangente de delta no

campo estão disponíveis em diversos modelos de vários fabricantes e são, na sua

maioria, baseadas no princípio da ponte de Schering.

Para conectar a ponte no tap capacitivo, um adaptador especial deve ser

usado para certos tipos de buchas. Este dispositivo é descrito nas informações do

produto para cada tipo de bucha.

38

As pontes de medição comerciais de capacitância e tangente de delta,

normalmente já possuem fonte de tensão embutida. A tensão deve ser ajustada em

10 KV no mínimo e o sinal de tensão deverá estar livre de harmônicos. Para evitar

problemas, quando se ajusta o zero do indicador, a tensão deve ser sincronizada

com a tensão na rede.

3.1.3. Procedimentos de medição

Se a medição for feita em uma bucha por meio do tap capacitivo, não é

preciso que se desconecte o topo da bucha, sendo necessária apenas a abertura da

chave seccionadora que isola o transformador de todo o sistema.

Por medida de segurança e para se reduzir a influência da indutância dos

enrolamentos do transformador, todos eles deverão ser curto-circuitados.

Enrolamentos que não estão sendo utilizados na medição devem ser aterrados.

A ponte deverá ser colocada numa base livre de vibrações. Se o capacitor

padrão utilizado como referência para a medição for separado do instrumento, ele

deve ser colocado numa base isolada para não afetar o sinal que deve circular pela

impedância de medição.

Dependendo de qual isolamento está sendo ensaiado, a fonte de tensão será

conectada até o topo da bucha ou do tap capacitivo por cabos separados

Condutores para a aplicação de tensão ou para o retorno de terra não devem ser

iguais aos utilizados para as conexões do medidor. Os condutores do circuito de

medição devem ser os menores possíveis e não devem tocar em objetos aterrados.

Todos cabos utilizados na medição devem estar limpos e secos. Isto também se

aplica para as buchas que estão sendo ensaiadas e para o capacitor padrão. Se a

bucha está em sua caixa de transporte, devem ser evitados ambientes mais úmidos.

O tap capacitivo também deve ser limpo e seco.

Condições de muito baixa umidade podem ser necessárias do tap capacitivo

para uma medição da tangente de delta com melhor exatidão em cima de 2C . Nesse

caso, um equipamento especial para retirar umidade do ar deve ser utilizado.

39

3.1.4. Correção de temperatura

O valor medido de tan δ deve ter seu valor corrigido por causa do efeito da

temperatura, de acordo com os fatores de correção dados pela figura 3.1 e tabela

3.1. xGO representa todas as buchas capacitivas do tipo “papel impregnado de óleo”

(OIP) e xGS representa as buchas capacitivas do tipo “papel impregnado de resina”

(RIP). Assume-se que todas as buchas têm a mesma temperatura do óleo que está

no topo do transformador. A medição deve ser executada na temperatura mais alta

possível e correções serão feitas para 20º C.

Figura 3.1 - Tangente de delta como função da temperatura [10].

Atualmente existem instrumentos de medição digitais disponíveis no mercado

que já apresentam os resultados de tangente de delta com as devidas correções de

acordo com a temperatura informada. Esses instrumentos também apresentam os

resultados de capacitância e têm o mesmo princípio de funcionamento dos

instrumentos analógicos, a menos da automação do procedimento para ajustes e da

digitalização dos sinais.

40

Tabela 3.1 – Fatores de correção para tan δ

3.1.5. Interpretação das Medidas

3.1.5.1. Comentários sobre a tangente de delta para buchas OIP

A tangente de delta é uma propriedade crítica em buchas OIP. É determinada

principalmente pelo nível de umidade no papel e pelo grau de contaminantes no

sistema de isolação. Aliados a esses fatores, a tangente de delta tem grande

dependência da temperatura. O comportamento principal está mostrado na figura 3.2

para diferentes temperaturas e graus de umidade.

41

Figura 3.2 -tan δ em função do nível de umidade e temperatura em buchas OIP [10].

Para o fabricante do corpo capacitivo da bucha, o objetivo é alcançar o fator

de dissipação mais baixo possível, da ordem de 10-4. A contribuição para o fator de

dissipação advinda de contaminantes é evitada pelo próprio controle do material,

bem como por altas exigências de limpeza nos locais de fabricação. A quantidade de

umidade na bucha é determinada pela técnica de enrolamento e pelo processo de

secagem do corpo que forma a parte isolante da bucha.

3.1.5.2. Comentários sobre a tangente de delta para buchas RIP

Quando se mede tan δ em buchas RIP antes da bucha ser colocada em

serviço, podem aparecer divergências do valor de tan δ comparado com os valores

nominais. A razão disso, provavelmente, é penetração de umidade na camada de

superfície da bucha RIP. Isto pode ocorrer, por exemplo, se uma bucha é

armazenada sem sua bolsa protetora devidamente lacrada, permitindo que ar com

alto grau de umidade penetre na camada da superfície exterior da bucha.

Normalmente o valor de tan δ irá diminuir em relação ao seu valor inicial de

placa se a bucha for armazenada num local fechado com umidade controlada

42

durante uma semana. Se o transformador for energizado e a bucha for posta em

operação, o valor irá cair dentro de algumas poucas horas [10].

3.1.5.3. Análise das variações de tangente de delta em buchas OIP e RIP:

De acordo com os principais fabricantes de buchas de AT do tipo OIP e RIP,

os resultados de medição de tangente de delta realizados após a bucha ser

colocada em serviço devem ser analisados à luz de suas variações ao longo do

tempo. A periodicidade de medição depende da evolução dos resultados e,

atualmente, com o desenvolvimento de sistemas digitais de monitoramento das

buchas com os transformadores em serviço, esses resultados podem ser

acompanhados continuamente e informados remotamente aos técnicos

responsáveis via software e redes de comunicação.

As principais decisões e ações recomendadas pelos fabricantes de acordo

com as variações observadas são:

• Aumento de 0-25%:

O valor é registrado. Nenhuma ação adicional é recomendada.


O circuito de medida é verificado para ver se existe algum tipo de interferência

externa.

Influências externas podem ser, por exemplo, influências de correntes

próximas alimentando equipamentos ou barras de algum circuito. Se a diferença

permanecer, as gaxetas do plug do nível de óleo são trocadas de acordo com a

informação do produto para as buchas. O valor de medida é registrado e a bucha

pode ser retornada em serviço.


Medidas serão repetidas dentro de um mês ou acompanhadas

atenciosamente em um sistema de monitoramento contínuo.

43

• Mais do que 75%:

A bucha deve ser colocada fora de serviço, a menos que se tenha certeza

que o valor absoluto da tangente de delta seja menor do que 0,4%.

3.1.5.4. Comentários sobre a tangente de delta para os Taps capacitivos de Buchas OIP e RIP

Alguns usuários também querem usar a capacitância do tap capacitivo ( 2C ) e

a tangente de delta medida para o tap capacitivo como parâmetros para diagnóstico.

Baseados em experiências anteriores, recomenda-se que isso seja evitado. Existem

inúmeras razões para que esses valores não sejam utilizados, tais como:

O tap capacitivo é conectado à camada aterrada mais externa no corpo da

bucha. A camada sólida da camada aterrada contém um adesivo junto com

celulose. Isto significa que a contribuição para a tangente de delta daquela

parte difere da celulose pura no isolamento principal da bucha. Isto também

significa que esta parte não pode ser usada para propósitos de diagnósticos,

pois o adesivo afeta o valor da tangente de delta.

Como a camada externa é aterrada, conseqüentemente o isolamento entre a

camada externa e o flange de montagem não está sujeito a campos elétricos

não causando assim quaisquer perdas dielétricas.

É provável que se a bucha for colocada num local contaminado, impurezas

externas afetem o resultado. Umidade na proximidade dos taps capacitivos

também pode afetar as medidas.

Levando em conta todas as variações da tangente de delta em cima do

isolamento do tap capacitivo, devem-se considerar possíveis variações de 0,4

a 3,0 % nos seus valores medidos.

3.1.5.5. Comentários sobre a Capacitância

O valor medido da capacitância 1C deve ser comparado com o valor nominal

da bucha ou com relatórios de ensaios anteriores. Se um aumento de mais de 3%,

comparado com o valor medido em fábrica, for observado, deve-se entrar em

contato com o fabricante. Já o valor da capacitância 2C é influenciado pelo modo no

qual as buchas são montadas nos transformadores e por isso não deve ser usado

para diagnósticos.

44

3.2. Medidas de Descargas Parciais

Medições de descargas parciais são normalmente realizadas em ensaios de

rotina, podendo indicar efeito corona externo ou degradação do isolamento interno

das buchas de AT. Descargas resultantes de atividades elétricas no interior dos

transformadores ou reatores ou nas proximidades das conexões da bucha podem

ser evitadas conectando-se enrolamentos de medidas externos, restringindo assim a

medição somente das descargas parciais que ocorrerem nas próprias buchas. A

fonte de descargas parciais pode ser localizada por meio de métodos que utilizam

sensores acústicos.

3.3. Análise de Gases dissolvidos (DGA)

Esta análise atua de forma complementar às medições de capacitância e

tangente de delta de buchas de AT, para auxiliar num diagnóstico integrado do

estado operativo das buchas.

Esta análise pode ser usada unicamente nas chamadas “buchas preenchidas

por líquido”, como por exemplo, as buchas do tipo xGO . Normalmente não se

recomenda a retirada de amostras de óleo de buchas de AT, pois elas são lacradas

e qualquer retirada de óleo significa sua abertura em condições que nem sempre

estão de acordo com as normas para preservar suas características originais. Além

disso, corre-se o risco de fechamento incorreto da bucha, o que possibilita a entrada

de umidade e contaminates, comprometendo seu desempenho dielétrico. Entretanto,

quando um problema é reconhecido pelas características do óleo, por exemplo, um

alto fator de potência em cima de 1C , a retirada de amostras de óleo é necessária

para a análise dos gases.

3.3.1. Retirada de Amostras de Óleo de Buchas de AT

Amostras de óleo devem ser retiradas preferencialmente em condições de

clima seco. Se por alguma razão urgente a retirada tenha que ser feita em qualquer

outra condição climática, os seguintes procedimentos devem ser observados:

• Secar e limpar a área em volta do plug de coleta de óleo antes de retirada

da amostra

• Proteger a área do plug de eventuais condições de chuva.

45

A pressão interna da bucha de AT não deve ser alterada com a retirada da

amostra de óleo, pois foi fabricada para trabalhar num determinado intervalo fixo de

pressão. Sendo assim, o óleo removido da bucha deve ser substituído pelo mesmo

volume de óleo novo.

A antiga gaxeta também deve ser substituída por uma nova após a retirada da

amostra de óleo da bucha de AT.

3.3.1.1. Procedimento de Retirada de Óleo para GOB, GOE e GOH.

A retirada da amostra de óleo da bucha é feita através de um plug no topo da

bucha, com uma mangueira de borracha equipada com uma espécie de seringa

especial conectada em sua ponta que vai direto ao plug.

A localização desse plug é dada na figura 3.3. A dimensão da gaxeta é dada

na tabela 3.2 e seu material é de um tipo especial de borracha que resiste ao

contato direto com o óleo dos transformadores de potência.

46

Figura 3.3 – Localização dos Plugs de retirada para GOA, GOB, GOC, GOE,

GOH e GOG.

Tabela 3.2 – Dimensão para as gaxetas

47

3.3.1.2. Procedimento de Retirada de Óleo para GOEK, GOM e similares:

Deve-se conectar a extremidade da mangueira no bocal, e este na válvula no

flange, para que o procedimento da retirada de amostras de óleo seja realizado

corretamente. De acordo com a temperatura do ambiente externo à bucha, a

pressão em seu interior pode ser acima ou abaixo da pressão atmosférica. Depois

da retirada do óleo, a bucha não deve ser energizada por 12 horas no mínimo.

3.3.1.3. Procedimento de Retirada do Óleo para GOA, GOC e GOG:

Nas buchas GOA, GOC e GOG, as amostras de óleo devem ser retiradas

através de um plug de nível de óleo, localizado no topo da bucha de acordo com as

figuras 3.4 e 3.5. Se a bucha está verticalmente montada, o nível de óleo está

compatível com o nível do plug para uma temperatura de 20 ºC e a amostra é

retirada por uma simples seringa. Entretanto, se a temperatura do óleo é mais alta

do que 20 ºC, o nível do óleo será maior que o nível do plug e a mangueira, onde

fica a seringa que retira as amostras de óleo, é equipada com um bocal especial

para prover uma melhor conexão, conforme ilustrado na figura 3.4. Por fim, se a

temperatura está abaixo de 20 ºC, o nível de óleo será abaixo do nível do plug e a

amostra é retirada de acordo com a figura 3.5..

Figura 3.4 – Retirada de amostras de óleo em GOA para T > 20 ºC

48

Figura 3.5 – Retirada de amostras de óleo em GOA para T < 20 ºC

3.3.2. Análise de Umidade

Dependendo do tipo de manipulação que a bucha é submetida, o ambiente no

qual está operando ou ainda a forma como foi estocada, umidade pode aparecer em

seu interior, o que pode comprometer suas propriedades dielétricas. Aliados aos

ensaios de capacitância e tangente de delta, a análise de umidade atua também

como um complemento no diagnóstico do estado operativo de buchas de AT.

Esta análise é usada somente nas chamadas “buchas preenchidas por

líquido”, como exemplo temos as buchas do tipo xGO . Como já foi dito, não se

recomenda à retirada de amostras de óleo de buchas de AT, salvo em casos

excepcionais onde o conhecimento de seu grau de umidade é decisivo para se

conhecer o estado operativo da bucha.

Comparada com um transformador a bucha tem uma relação papel-óleo bem

mais elevada. Isso significa que, indiferentemente do processo de fabricação da

bucha, existirá sempre muito mais umidade no papel do que no óleo. No papel a

umidade é medida em %, enquanto que no óleo a umidade é medida em ppm,

partes por milhão.

Dependendo da temperatura da bucha, a umidade irá passar do papel pra o

óleo ou vice-versa, de acordo com as chamadas “curvas de equilíbrio” de umidade

óleo-papel. Devido a isto, a bucha sempre irá mostrar uma umidade mais elevada no

óleo, depois de certo tempo de serviço em altas temperaturas. Conseqüentemente,

para se chegar a valores válidos, a amostra de óleo deve ser retirada pelo menos 48

horas depois da bucha inteira ter alcançado a temperatura do local onde está

localizada.

A retirada de amostras de óleo de buchas de AT é executada de forma similar

à análise de gases dissolvidos (DGA) citada anteriormente.

49

3.3.3. Interpretação das Análises

A bucha é entregue pelo fabricante com a umidade de seu isolamento a óleo

de no máximo 3 ppm. Se concentrações de umidade mais altas forem medidas, é

sinal de que o sistema que lacrava a bucha de contato com o meio externo está

danificado.

Para concentrações maiores do que 10 ppm, é executada a medição de tan δ,

conforme descrito no item 3.1.3, e a retirada das amostras de óleo, obedecendo as

recomendações da seção 3.1.5. As buchas de AT que possuírem concentrações de

umidade em seu óleo maiores do que 20 ppm são retiradas de operação.

3.4. Inspeção da superfície do Isolador - Hidrofobicidade

Sabe-se que uma superfície isoladora que possua grande aderência à água

está sujeita a ocorrência de descargas superficiais, o que pode conseqüentemente

comprometer sua qualidade isolante. Por isso, é de grande importância se conhecer

esse grau de aderência, o que se chama de classificação de hidrofobicidade.

3.4.1. Classes de Hidrofobicidade

Um melhor desempenho dielétrico de isoladores tem como origem a chamada

hidrofobicidade, que é a capacidade que um material possui de repelir a água de sua

superfície. Essa propriedade sofre mudanças com o passar do tempo, devido à

exposição a condições climáticas externas e a desgastes elétricos provocados por

descargas parciais.

Sete classes de hidrofobicidade (HC 1-7) são conhecidas. HC 1 corresponde

a uma superfície completamente hidrofóbica, repelente a água, e HC 7, a uma

superfície completamente hidrófila, onde a água é facilmente aderida à camada

externa da superfície.

Com essa classificação, pode-se fazer uma precisa, rápida e fácil

identificação de hidrofobicidade dos isoladores inspecionados no campo.

50

3.4.1.1. Equipamentos de Ensaio

O único equipamento necessário para classificar a hidrofobicidade de

isoladores no campo é uma garrafa comum de spray capaz de produzir uma boa

névoa. A garrafa de spray utiliza água corrente e que não contenha nenhum tipo de

contaminante químico, tais como detergentes e solventes.

Podem-se utilizar também equipamentos auxiliares tais como uma lente de

aumento e uma lâmpada para auxiliar na visualização da superfície isoladora e uma

fita métrica, para a medição de dimensões.

3.4.1.2. Procedimento de ensaio

A área a ser ensaiada é de 50 – 100 2cm e se por algum motivo essa

exigência não puder ser satisfeita, deve-se fazer menção no relatório final.

Borrifa-se a água numa freqüência de 1-2 vezes por segundo a uma distância

de 25 ± 10 cm, mantendo-se o processo durante 20-30 segundos. A classificação de

hidrofobicidade é dada dentro dos 10 segundos depois de encerrado o tempo de

ensaio.

A classificação de hidrofobicidade pode ser dificultada por ventos fortes ou

outros fatores meteorológicos, e nesse caso também se deve fazer menção no

relatório final.

3.4.1.3. Classificação da Hidrofobicidade

A aparência do isolador após o ensaio é analisada de acordo com uma das

sete classificações de hidrofobicidade (HC), conforme dito anteriormente. O critério

para tais classificações é dado pela tabela 3.3.

Também se deve levar em consideração a forma no qual é feito o contato

entre as gotas de água e a superfície do isolador, o que é definido na figura 3.6.

Nesta figura, pode-se observar que existem 2 tipos de ângulo de contato: o ângulo

de contato avançado ( aθ ) e o ângulo de contato atrasado ( rθ ). Uma gota de água

exibe esses ângulos numa superfície inclinada.

O ângulo de contato atrasado é o mais importante para avaliar as

propriedades de hidrofobicidade da superfície de um isolador. O ângulo de

inclinação da superfície afeta rθ .

51

Tabela 3.3 – Critério para a classificação de hidrofobicidade

HC Descrição 1 Somente algumas gotas discretas são formadas

Θr >> 80º ou maior para a maioria das gotas

2 Somente algumas gotas discretas são formadas 50º< Θr < 80º para a maioria das gotas

3 Somente algumas gotas discretas são formadas

20º< Θr < 80º para a maioria das gotas e normalmente não ficam durante muito tempo com o aspecto circular

4 Gotas discretas e Rastros molhados de fluxo de água já são

Observáveis (como exemplo Θr = 0º). Áreas completamente molhadas < 2 2cm . Juntos cobrem < 90% da área testada.

5 Algumas das áreas completamente molhadas > 2 2cm e cobrem

< 90% da área testada.

6 Áreas completamente molhadas cobrem > 90%, mas pequenas áreas secas ainda são observadas

7 Uma contínua camada de água cobre toda a área testada

Plano Inclinado

Plano Horizontal

Figura 3.6 – Definição de ângulos de Contato

Fotos típicas de superfícies de isoladores em ensaio de hidrofobicidade são

mostradas na figura 3.7. O HC deve ser analisado para diferentes posições: ao longo

do isolador e ao longo da superfície em cada uma das seqüências de caminho (no

topo, na base, nas saias maiores, nas saias menores). Diferentes caminhos em volta

52

da circunferência do isolador devem ser considerados para uma mais detalhada e

fácil coleta de dados durante o ensaio.

Figura 3.7 – Exemplos Típicos de superfícies com HC de 1 até 6 [3].

53

3.5. Termovisão

Um aumento excessivo da temperatura na cabeça da bucha, quando

provocado pela passagem de correntes elétricas muito superiores às nominais, pode

ser um indicativo de problemas oriundos do sistema elétrico. Solicitações desse tipo,

se ocorrerem com freqüência muito alta durante um determinado intervalo de tempo,

podem determinar uma menor vida útil da bucha de AT.

Pontos quentes podem indicar também resistências de contato elevadas nas

conexões da bucha.

O monitoramento contínuo da temperatura da cabeça da bucha e seu

entorno, também geram informações importantes que podem contribuir para o

diagnóstico do seu estado operativo.

A termovisão é uma técnica realizada por meio de câmeras com sensores

térmicos, conforme mostrado na figura 3.8, que possibilita a visualização do espectro

térmico da superfície da bucha. Para a máxima corrente nominal, o terminal da

bucha apresenta uma temperatura por volta de 35 - 45 ºC acima do ar ambiente.

Temperaturas mais altas são indicativas de condições anormais de funcionamento e

através de monitoramento contínuo podem ser levadas em consideração para o

diagnostico das buchas.

Figura 3.8 – Espectro térmico de uma bucha energizada

54

4. Sistema de monitoramento de buchas AT em desenvolvimento no CEPEL

4.1. Introdução

Este capítulo tem como objetivo demonstrar a evolução e desenvolvimento de

uma parte do projeto de monitoramento de buchas de alta tensão de

transformadores de potência que está sendo desenvolvido pelo Centro de Pesquisas

de Energia Elétrica - CEPEL. A princípio, o assunto irá ser introduzido através de

uma breve explanação sobre os objetivos motivadores do projeto e sua respectiva

trajetória até o desenvolvimento do software de monitoramento on-line de buchas

capacitivas de alta tensão para transformadores de potência.

4.2. Objetivos e Motivação para o desenvolvimento do Projeto

Há muitos anos, diversos centros de pesquisa vêm se dedicando a pesquisar

e desenvolver sistemas para fins de medição, armazenamento e análise, bem como

de modelos para fins de avaliação operativa e diagnóstico de equipamentos elétricos

de alta tensão. O primordial objetivo nesses projetos é estabelecer sistemas de

monitoramento simples e modulares, confiáveis, eficientes e amigáveis, de tal

maneira que os estágios de monitoramento, processamento e armazenamento da

informação, análise e diagnóstico do equipamento elétrico possam ser

eficientemente realizados e ainda integrados por meio da utilização de diferentes

grandezas, criando assim conhecimento e potencial de análise para que cada

empresa tenha capacidade para decisões sobre intervenções em seus

equipamentos.

Aspectos relacionados ao desempenho dielétrico do isolamento, traduzido

pela medição e avaliação de grandezas que caracterizam suas condições, estão

sendo implementados pouco a pouco. Neste trabalho dar-se-á destaque a duas das

principais técnicas de avaliação de buchas capacitivas: a medição da Capacitância e

Tangente Delta (CTD) e medição de descargas parciais (DP).

55

Segue uma breve explanação a respeito do processo de desenvolvimento do

sistema de monitoramento de buchas realizado no CEPEL, tendo como foco

principal os seguintes objetivos:

• Estudo dos parâmetros mais importantes e representativos relativos às

medições do fator de perdas e das descargas parciais

• Definição das montagens e circuitos alternativos de medição conforme

as características de cada instalação

• Definição da instrumentação simples e apropriada nesse caso

particular

As medições do fator de perdas são realizadas tradicionalmente em

laboratório e nas indústrias, seja para verificar se os valores estão dentro de certos

limites normalizados, seja para fins de controle da variação das características de

determinado equipamento após uma seqüência de ensaios dielétricos. No projeto

desenvolvido, esse segundo enfoque foi o adotado, uma vez que se pretende

acompanhar a evolução das perdas ao longo da operação das buchas.

O fator de perdas (ou tangente de delta) é uma das grandezas que pode

indicar falhas dielétricas internas em buchas, além de fornecer informações

qualitativas quanto ao estado de envelhecimento do meio isolante. A deterioração

dos materiais componentes da estrutura isolante é um processo natural e contínuo

ao longo da vida útil dos equipamentos, e é causado por alterações físicas, pela

absorção de contaminantes, ou por reações químicas entre materiais, as quais

podem ser aceleradas por um conjunto de solicitações mecânicas, elétricas ou

térmicas.

O fator de perdas é um parâmetro que quantifica o fluxo de corrente resistiva

(corrente de perdas) à freqüência industrial, pelo meio que atua como isolamento

para tensões elevadas. Isto é, o fator de perdas está diretamente associado com

uma determinada característica de qualidade do sistema isolante.

O modelo elétrico simplificado, do ponto de vista dielétrico, de uma bucha de

alta tensão está apresentado na figura 4.1. Junto a ele, um diagrama fasorial

demonstra as correntes envolvidas no interior do objeto, sendo também mostrado o

ângulo (delta), pelo qual se estabelece a tangente (denominado fator de perdas).

56

Figura 4.1 - Circuito Elétrico simplificado para o isolamento de uma Bucha e o

Diagrama Fasorial de Corrente e Tensão [4].

O fator de perdas, que é uma grandeza medida na freqüência industrial, já é

bem conhecido nas avaliações de rotina de equipamentos e nas avaliações de tipo

realizadas em laboratórios de ensaio de AT. As diferenças propostas, no caso

particular desse projeto, estão nos seguintes aspectos:

• A medição deve ser realizada no campo em ambiente ruidoso e sem a

aparelhagem convencional normalmente utilizada;

• Busca-se identificar uma evolução dos valores de perdas, a partir de

uma condição previamente conhecida e bem definida e não um

determinado valor absoluto;

• Podem ser feitas comparações de leituras realizadas para as diversas

buchas de um mesmo transformador;

• O sinal medido deve ser obtido a partir de uma impedância de medição

que permita o compartilhamento com a medição do sinal de Descargas

Parciais e suas necessidades de sincronismo;

• Uso do tap capacitivo ou de potencial para conexão permanente das

impedâncias de medição para as grandezas medidas.

57

No que se refere às Descargas Parciais, estas são micro descargas elétricas

que geram pulsos de corrente elétrica, conforme pode ser visto na figura 4.2, as

quais, ao se manifestarem, podem ser registradas por circuitos e instrumentos dos

mais diversos. Dentre essas grandezas estão os sinais acústicos em freqüências

ultrasônicas (a partir de 30 kHz até cerca de 200 kHz), os sinais eletromagnéticos

conduzidos e radiados, variando nas faixas de freqüência desde dezenas de kHz até

a ordem de GHz, os subprodutos químicos da ocorrência das descargas e

luminosidade. Na prática, e em particular no caso das buchas de alta tensão,

procura-se registrar uma grandeza que seja representativa e com sensibilidade

suficiente para detectar estágios prematuros na deterioração dielétrica e que possa

ter uma certa quantificação que sirva como referência do quão crítico o sistema de

isolamento possa estar.

Figura 4.2 – Pulso de uma descarga parcial, onde a escala vertical é dada em

mV e a horizontal em nanosegundos.

As Descargas Parciais geram sinais de corrente de alta freqüência e ocorrem

em um domínio físico microscópico no interior dos dielétricos. Por outro lado, as

características de perdas dielétricas estão relacionadas com correntes à freqüência

industrial através de todo o dielétrico. O que ocorre na prática é que a geração de

descargas parciais pode, ao longo do tempo, comprometer a qualidade dos

dielétricos, aumentando perdas e colocando em risco o equipamento.

Portanto, embora as Descargas Parciais e o fator de perdas sejam

parâmetros úteis para se avaliar o comportamento dos sistemas isolantes dos

equipamentos, essas grandezas não guardam necessariamente uma relação direta

entre si. Um equipamento pode ter sido afetado por uma solicitação durante um

58

ensaio (ou outra contingência qualquer) de tal forma que seu fator de perdas tenha

sido alterado, sem, no entanto, apresentar diferenças em seus valores típicos de

Descargas Parciais.

Com a modelagem física do comportamento da tangente de delta na bucha,

desenvolveu-se um programa capaz de medir as grandezas pertinentes envolvidas,

processar os dados de acordo com o modelo físico e monitorar a bucha de forma

contínua. Com isso, espera-se obter resultados que auxiliem no diagnóstico mais

consistente das buchas de alta tensão, por meio de uma técnica de medição com

sensibilidade capaz de fornecer seqüencialmente e periodicamente as grandezas

associadas ao fator de perdas, sem a necessidade de qualquer retirada dos

transformadores de potência de sua operação contínua no sistema elétrico.

4.3. Sistema de Medição de capacitância, tangente de delta e Descargas Parciais.

4.3.1. Desenvolvimento do sistema de medição

A medição de descargas parciais em transformadores de elevada potência,

sempre causou discussões intensas, devido a pontos de vista distintos de técnicos

especializados. Os estudos relativos ao diagnóstico efetivo de equipamentos de alta

tensão vêm evoluindo pouco nos últimos anos e ainda não se conseguiu chegar a

recomendações sistemáticas para sua medição.

Apesar das opiniões divergentes dos grupos técnicos envolvidos em

pesquisas de medição de descargas parciais, existe um consenso de que a medição

de descargas parciais é uma ferramenta fundamental para estabelecer uma

avaliação consistente do desempenho de um sistema de isolamento elétrico.

Durante o desenvolvimento do projeto, tentou-se perceber os principais

fatores que afetam a qualidade da análise e diagnóstico do estado operativo dos

equipamentos elétricos de alta tensão, baseado numa coletânea de aquisições de

descargas parciais, tais como as faixas de freqüência de medição e a forma de

armazenamento dos sinais aquisitados. As condições de operação do equipamento

59

elétrico devem ser levadas em conta também em conjunto com os sinais

aquisitados.

Baseado nessas informações iniciais, optou-se por desenvolver um sistema

que pudesse ser flexível a ponto de propiciar um certo grau de adaptação às

características de cada instalação. Notadamente, as faixas de freqüência de

medição e a consideração de valores limites de descargas parciais são exemplos de

parâmetros que podem diferir para diferentes equipamentos elétricos. Do ponto de

vista da análise da informação, foi desenvolvido um procedimento que facilita a

visualização da evolução das descargas parciais em vários níveis, tal como pela

média global em um determinado período de medição. A visualização de mapas,

curvas e tendências pode ser flexibilizada e alterada conforme o interesse dos

usuários do sistema.

Outra meta importante foi a utilização de equipamentos modulares comerciais

de fácil aquisição no mercado e que tornaram o custo final do sistema de aquisição

de dados muito reduzido, facilitando os processos de manutenção e barateando os

reparos e futuras atualizações.

Os métodos em utilização atualmente capazes de monitorar o estado

operativo das buchas capacitivas baseiam-se fundamentalmente nos valores da

capacitância e tangente de delta medidos. O processo de envelhecimento ou de

degradação do isolamento de uma bucha pode ser efetivamente monitorado através

da avaliação destas grandezas.

O método proposto baseia-se no monitoramento integrado dessas duas

grandezas e outras, tais como descargas parciais e gases dissolvidos no óleo, de

forma a se consolidar mecanismos efetivos de diagnóstico desses equipamentos. De

antemão, valores iniciais de capacitância e tangente de delta são fornecidos pelo

fabricante no momento de recebimento do equipamento. Esses valores iniciais

servem como base para estabelecimento de variações limites que podem indicar

alguma anomalia.

Dentre os três tradicionais métodos existentes de medição de capacitância e

tangente de delta (a saber: Ponte de Schering, Somatório das Correntes e Detecção

do Cruzamento Zero), foi adotado o método da Detecção do Cruzamento Zero [8],

[9]. Nesse método sinais de tensão e corrente são convertidos em forma de ondas

retangulares, e a diferença de fase é obtida para ser utilizada no cálculo das

60

grandezas pertinentes. Além disso, utilizando técnicas de processamento de sinais,

o efeito dos harmônicos e ruídos externos pode ser minimizado, produzindo um

sistema praticamente imune a ruídos e, portanto, mais confiável.

A metodologia idealizada para os sistemas de medição de capacitância e

tangente de delta faz uso dos taps capacitivos das buchas de alta tensão dos

transformadores que estão sendo monitorados (ou do tap de potencial das buchas).

Dessa maneira, evita-se, por um lado, a inserção de novos componentes no sistema

elétrico para fazer parte dos sistemas de medição e, por outro lado, utiliza-se um

componente existente na própria bucha que está sendo também monitorada e que,

na maioria dos casos, é um componente sub-utilizado.

Por fim, vale ressaltar que para o sistema de medição de capacitância e

tangente delta, todos os cuidados relativos à proteção e segurança foram tomados

no projeto e confecção da impedância de medição a ser conectada no tap capacitivo

da bucha de alta tensão.

4.3.2. Sistemas de medição propriamente ditos

4.3.2.1. Sistema para medição de Descargas parciais

As descargas parciais geram um trem de pulsos de corrente elétrica em alta

freqüência, com amplitudes máximas da ordem de Aµ . Na figura 4.3 pode-se

identificar um trem de pulsos de descargas parciais ao longo de um ciclo de um

senóide.

61

Figura 4.3 – Trem de Pulsos correspondentes a descargas parciais, onde a

escala vertical é dada em mV e a horizontal em milisegundos

Quando se trata de sinais de alta freqüência, pode-se fazer a sua aquisição

através do circuito clássico mostrado na figura 4.4 [5], onde as descargas parciais

são captadas através do capacitor de acoplamento e medidas sobre uma

impedância de medição, que é construída basicamente com uma resistência da

ordem de algumas dezenas ou centenas de Ohms.

Para se melhor caracterizar um defeito no isolamento de equipamentos

elétricos, registra-se os pulsos de descargas parciais em função da fase da senóide

em que estes ocorrem. Para se fazer isso em laboratório, utiliza-se um divisor

capacitivo para se obter um sinal de sincronismo pela fase de alimentação. Em

casos de medição no campo, esse sinal vem de um dos TPs da própria subestação

do transformador de potência monitorado. Os sinais de descargas parciais e de

sincronismo seguem para o equipamento de medição para serem aquisitados e

processados.

Figura 4.4 – Circuito clássico para medição de DP [5]

62

Onde:

1 Regulador de tensão;

2 Divisor de tensão capacitivo;

3 Voltímetro;

4 Filtro “π” para altas freqüências;

5 Capacitor de acoplamento;

6 Medidor de Descargas Parciais (DP);

7 Impedância de medição;

8 Item sob ensaio.

Os sinais de descargas parciais são medidos no campo através de taps

capacitivos das buchas, os quais atuam como o próprio capacitor de acoplamento da

figura 4.4. Como as descargas parciais podem ocorrer tanto no isolamento das

buchas capacitivas quanto no interior dos próprios transformadores de potência, e

como se tem apenas um local para a medição do sinal das descargas, fica difícil

determinar a origem exata do local onde elas aconteceram. Esses sinais têm

diferentes amplitudes em função do local de ocorrência e da posição relativa do tap.

Por esses motivos, os resultados de medições de descargas parciais feitos no

campo em buchas capacitivas de transformadores são processados e analisados

considerando um comportamento estatístico das ocorrências, obtendo-se

informações mais consistentes para o monitoramento das descargas ao longo do

tempo.

Por ser tratado como um fenômeno estatístico, as descargas parciais

precisam ser aquisitadas durante vários ciclos da tensão. Tendo em vista sua

natureza de alta freqüência, normalmente até algumas dezenas de MHz, e pela

necessidade de serem aquisitados pelo menos dois pontos em um ciclo da

componente de freqüência maior, conforme o teorema de Nyquist, as descargas

parciais conduzem a problemas de espaço para armazenamento da informação.

A forma encontrada para se contornar o problema de espaço para registrar a

ocorrência de DP foi a construção do mapa estatístico de descargas parciais,

mostrado através da figura 4.5. Neste gráfico, o eixo horizontal representa fase, o

eixo vertical representa amplitude, e a graduação em cor indica o número de

ocorrências de DP (com determinada amplitude e em determinada fase) ao longo de

63

vários ciclos de aquisição. Desses mapas são extraídas muitas outras informações

além das usualmente registradas pelos sistemas digitais de medição de DP, tais

como o número total de DP registradas na medição, e os gráficos de número de

pulsos registrados em função da fase ou da amplitude que serão empregadas nas

etapas de análise e diagnóstico do equipamento.

Figura 4.5 – Mapa estatístico de DP [4]

4.3.2.2. Sistema para medição de Capacitância e tangente de delta

A metodologia do sistema de medição de capacitância e tangente de delta

(CTD) foi desenvolvida com base no circuito elétrico resultante da modelagem da

bucha e da impedância de medição, conforme apresentado na figura 4.6.

.

64

Figura 4.6 - Circuito resultante da modelagem para capacitância

de buchas AT [4].

Onde:

2C - Capacitância interna do tap capacitivo em paralelo com capacitância

externa conectada no tap capacitivo. 2C = 2iC + 2eC , sendo 2eC >> 2iC

2R Resistência equivalente da impedância de medição conectada

em paralelo com 2C .

1C - Capacitância de alta,

1R - Resistência interna de perdas,

1CI ,

2CI Componente capacitiva da corrente,

1RI ,

2RI - Componente resistiva da corrente,

TI - Corrente total,

1V - Tensão Fase-terra aplicada à Bucha,

2V - Tensão na unidade de baixa tensão do divisor formado por 1C , 1R e 2C ,

2R .

Na figura 4.7 é apresentado o diagrama fasorial das grandezas referentes ao

circuito da figura 4.6. A partir dessa representação é possível escrever as equações

que permitem estabelecer, para fins de monitoramento, os valores das grandezas

associadas à 1D e a tan δ1, conforme a seguir.

65

Figura 4.7 - Diagrama Fasorial de acordo com o circuito modelado [4].

Onde:

θ = fase entre 2V e 1V - 2V

As equações baseadas no circuito da figura 4.6 e no diagrama fasorial da

figura 4.7 são:

11

1

1tan

CWR=∂

222tan CWR=∂

)( 222 CWRArcTang=∂

)90tan(tan 21 ∂−−=∂ θ

1tan||||

2

2

22 +∂= −VCW

I

1tan||

/||

1

2

21

1

+∂−=

VV

WIC

O sistema para medição de CTD passou por uma fase de desenvolvimento

teórico, resumida acima, e por duas fases práticas de experiências em bancada e

ensaios em laboratório com alta tensão. Para as experiências em bancada e em

laboratório, o sinal 1V mostrado na figura 4.6 foi obtido por meio de divisor de tensão.

No campo, esse sinal é fornecido por um TP de medição já existente na subestação.

O diagrama simplificado do sistema pode ser observado nas figuras 4.8a e 4.8b.

66

Um programa de aquisição e processamento de sinais foi desenvolvido, tendo

por finalidade resolver, a partir dos dados aquisitados, as equações que modelam o

circuito elétrico capaz de possibilitar a obtenção dos valores de capacitância ( 1C ) e

tangente delta (tan 1D ). Na prática, considerando o condicionamento do sinal feito a

partir da impedância de medição, foram necessárias algumas variações nas

equações apresentadas acima para levar em conta o valor medido relacionado com

a tensão 2V , indicado por 2mV na figura 4.8b.

.

Figura 4.8a – Diagrama de blocos simplificado do sistema CTD

C2e

R1

R3R0

R4 R5

V1

V2mV2

C1

Bucha

C2i R2i

Impedância de Medição

Figura 4.8b – Circuito equivalente utilizado em bancada e no laboratório

67

4.3.2.3. Programa Desenvolvido

Para fazer o tratamento dos dados aquisitados tanto em experiências

realizadas em bancada, quanto em labotatório, foi desenvolvido um programa na

plataforma LabView. A tela principal desse programa está apresentada na figura 4.9.

Os dois gráficos no alto à esquerda referem-se aos sinais 1V e 2mV aquisitados,

conforme diagrama da figura 4.7 e circuito da figura 4.8b. Parâmetros de ajuste do

sistema são encontrados no alto à direita.

Figura 4.9 - Tela principal do programa desenvolvido para o sistema CTD

4.3.2.4. Simulações realizadas em bancada

Um sistema para desenvolvimento e ensaio foi montado em bancada, para

simular o caso físico real. O sistema CTD utilizado nas experiências de bancada é

apresentado na figura 4.10. Nele estão inseridos da esquerda para direita: um

módulo completo de aquisição, processamento e armazenamento e visualização de

68

sinais padrão PXI – 1042, um capacitor padrão 1000 pF que fez o papel de uma

bucha de alta tensão; a impedância de medição; um divisor de tensão e um variac.

Para simular diferentes perdas na bucha, diferentes resistores na faixa de

centenas de MΩ foram conectados em paralelo com o capacitor padrão. Em cada

caso a tangente de delta foi calculada e medida para comparação. Os resultados

apresentaram diferenças da ordem de 1% para os valores de capacitância e da

ordem de 5% para os valores de tangente de delta.

Figuras 4.10 - Componentes do sistema CTD montados em bancada

4.3.2.5. Ensaios realizados em laboratório

Nos ensaios realizados com o sistema CTD na fase de desenvolvimento e

validação em laboratório, foram utilizadas as instalações de alta tensão do CEPEL

na Unidade de Adrianópolis. Uma bucha de alta tensão, fabricada pela ASEA,

denominada GOB 650, com tensão e corrente nominal de 145 kV e 1250 A,

respectivamente, e um sistema automático de medição de capacitância e tangente

delta fabricado pela Tettex, foram utilizados como pontos de apoio ao

69

desenvolvimento prático e na avaliação do sistema. Uma visão panorâmica do

circuito de ensaio é apresentada na figura 4.11

Figura 4.11 - Circuito de medição e montagem do tap capacitivo da Bucha

Os valores obtidos pelo CTD com alta tensão em laboratório, quando

comparados com os obtidos por uma ponte de Schering normalmente utilizada em

ensaios de alta tensão, apresentaram diferenças da ordem de 5% para a

capacitância e da ordem de 25% para tangente de delta. Essas diferenças são

aceitáveis para efeito de utilização do sistema em monitoramento e podem ainda ser

melhoradas com uma análise detalhada das fontes de erro e possíveis correções.

4.3.3. Estrutura e instalação do sistema integrado desenvolvido

O sistema completo está constituído por três subsistemas integrados: o

sistema de medição e os sistemas de operação e análise.

O sistema de medição é responsável pelas funções de aquisição e registro

dos sinais de DP e capacitância e tangente de delta. O sistema de operação é

responsável pela configuração e pelo ajuste do hardware de medição, bem como

pela solicitação de medições. O sistema de análise inclui ferramentas para

visualização dos dados aquisitados e tratamento das informações consolidadas no

banco de dados ao longo do tempo, com vistas ao diagnóstico dos equipamentos

monitorados.

70

Para melhor visualização e entendimento da instalação física do sistema

desenvolvido, um exemplo do esquema de montagem efetuado é apresentado na

figura 4.12.

Além dos sinais das duas impedâncias, o sistema requer ainda um sinal de

referência, oriundo de um TP de medição instalado na mesma fase da bucha em

questão. O hardware de medição à jusante das impedâncias de medição também

deve ser específico para cada tipo de medição

Para medição de descargas parciais, são utilizados digitalizadores de alta

velocidade, cuja principal característica são as elevadas freqüências de amostragem

dos pontos, em função das componentes de alta freqüência das descargas parciais.

Para a medição de capacitância e fator de perdas, são utilizadas placas de

aquisição dinâmica de sinais, com elevado número de bits, cuja característica

relevante para esse tipo de medição é a exatidão na medição das defasagens entre

os sinais aquisitados pelos canais da placa.

Ao realizar uma medição, o sistema inicialmente busca na rede todos os

parâmetros necessários, e, após posicionar o canal correto, realiza o número

especificado de aquisições e processamentos na placa de aquisição

correspondente. O resultado de cada medição é registrado no banco de dados do

sistema.

Figura 4.12 - Diagrama simplificado do sistema integrado [4].

71

Os três sistemas comunicam-se através de uma rede, acessando um banco

de dados comum, como mostrado na figura 4.13. A seguir, cada um desses três

subsistemas é detalhado.

Figura 4.13 - Configuração do Sistema de medição [4].

4.3.3.1. Sistema de Medição

O sistema foi concebido de forma que, virtualmente, não houvesse quaisquer

limitações no número de sinais monitorados. Todo o hardware de medição é,

portanto, redimensionado pelo sistema de operação, de modo que o número de

canais de medição possa ser expandido conforme o número de buchas que se

queira monitorar.

O sistema de medição integrado deve utilizar o sinal que vem do tap

capacitivo da bucha para medir a capacitância, o fator de perdas e as descargas

parciais e para que isso ocorra, o sinal do tap é chaveado para dois valores de

impedância específicos para cada tipo de medição, conforme sugere a figura 4.12.

O hardware de medição é constituído por uma ou mais unidades

independentes de medição: computadores industriais padrão PXI. Cada chassi PXI

pode possuir um módulo controlador independente, e diversos cartões

digitalizadores com características adequadas a cada utilização, conforme mostrado

na figura 4.14.

72

a) Entrada do sinal de trigger externo; b) Cartões digitalizadores. c) Canais de digitalização. d) Módulo controlador. Figura 4.14 - Hardware de medição

4.3.3.2. Sistema de Operação

O sistema de operação contém duas camadas distintas: uma camada de

configuração do hardware de medição e uma camada de solicitação de medições.

A configuração do hardware de medição é totalmente remota, registrada pelo

sistema de operação no banco de dados. Cada unidade, ao iniciar o controle dos

seus instrumentos, o faz com base nas configurações previamente especificadas e

registradas no banco. Nesta camada do sistema de operação, o administrador do

sistema configura parâmetros de aquisição das placas de aquisição de dados,

especificando que canal irá monitorar cada sinal disponível.

Uma das principais funções da camada de configuração do hardware é tornar

a instrumentação absolutamente transparente para o usuário que posteriormente

solicitará as medições. Assim, uma vez configurado o hardware, este usuário se

limitará a especificar o transformador e/ou bucha capacitiva a ser monitorada e as

características desta medição, sem se preocupar com a configuração detalhada do

hardware e das placas de aquisição. Em outras palavras, este recurso torna a

instrumentação do sistema 100% virtual.

Após a configuração do hardware, o sistema estará apto a receber

solicitações de medições. Nesta camada, o usuário possui uma visão de todos os

pontos de medição que podem ser monitorados pelo sistema. As buchas podem

73

estar localizadas em um mesmo transformador, em um grupo de transformadores ou

reatores ou em outras unidades geográficas de uma mesma empresa.

Selecionados os pontos de medição desejados, o usuário programará

livremente o disparo das medições desejadas. Uma medição poderá ser disparada

de três formas distintas: por agendamento prévio, em resposta a um evento

(tipicamente uma determinada condição do transformador tal como sua carga,

temperatura, etc.) ou de acordo com um determinado período, para a consolidação

de um histórico de medições.

4.3.3.3. Sistema de análise

O sistema de análise permite visualizar e tratar o banco de dados de

medições realizadas pelo sistema. As medições podem ser tratadas isoladamente ou

em conjunto. Além das ferramentas de visualização das medições, um sistema

especialista permite traçar o perfil evolutivo da capacitância e tangente de delta ao

longo do tempo, permitindo análise e diagnóstico do objeto testado. Para isso são

utilizados algoritmos de inteligência computacional aplicados a bancos de dados

disponíveis.

Um sistema de análise evolutivo está em fase de implementação para a

análise das grandezas de capacitância e tangente de delta. Valores aquistados na

base do tempo poderão ser plotados e comparados com os valores estipulados

pelos fabricantes e pelos valores nominais de fabricação. Diferenças anormais entre

as grandezas poderão ser utilizadas na indicação de anomalias existentes no

isolamento elétrico das buchas.

Uma complementação desse sistema de análise de capacitância e tangente

de delta em buchas de alta tensão é seu estudo integrado com outras grandezas, e

que sejam também relativas a buchas. Tais grandezas poderiam ser análises de

óleo, ou da hidrofobicidade da superfície da bucha, conforme visto no capítulo 4 do

presente trabalho. Uma análise conjunta de diversas grandezas envolvendo a

bucha, com certeza poderia fornecer melhores diagnósticos para seu estado

operativo.

74

5. Conclusões gerais

Como dito anteriormente, esse trabalho não foi apenas sobre o

monitoramento e diagnóstico de buchas de alta tensão, ainda que esse fosse seu

foco principal. Como foi percebido, os capítulos iniciais foram de suma importância

para introduzir o assunto e enriquecer ainda mais o trabalho, com vários detalhes

pertinentes a buchas de alta tensão em geral. Isso deu uma boa base teórica para

se chegar ao foco principal desse trabalho, que foi abordado de forma detalhada nos

capítulos finais.

Através desse trabalho pode-se perceber a real importância dos estudos para

monitoramento e diagnósticos de buchas de alta tensão, especialmente as de

transformadores de potência. Tais equipamentos têm grande importância nas

instalações dos sistemas elétricos, o que leva a preocupações em aspectos atuais

de projeto, utilização e falhas, fazendo com que se tenha um crescente interesse por

sistemas de monitoramento desses equipamentos em serviço. Vem se realizando

diversos estudos visando o desenvolvimento de sistemas de medição de descargas

parciais e Capacitância e Tangente Delta para fins de monitoramento de

transformadores de potência, sobretudo de suas buchas de alta tensão. O sistema

desenvolvido tem características diferenciadas comparadas às dos atualmente

disponíveis no mercado por ter facilidades para calibração, portabilidade e

integração dos resultados de diferentes grandezas monitoradas a partir do “tap”

capacitivo ou do tap de potencial das buchas, gerando bases para um diagnóstico

mais efetivo sobre o desempenho dielétrico dos transformadores. Como motivação e

objetivos destacam-se os seguintes aspectos:

• Propiciar uma análise mais detalhada do comportamento das descargas

parciais e capacitância e tangente de delta em cada instalação de tal modo e

se ajustar o sistema de medição para a sensibilidade melhor possível;

• Reduzir os custos dos sistemas de monitoramento de tal forma que seja

viável sua instalação em um grande número de transformadores de potência;

• Flexibilizar o custo total do sistema em função do interesse específico em se

monitorar mais intensamente algumas unidades em detrimento de outras. A

filosofia de sistemas modulares possibilita arranjos dinâmicos ao longo do

tempo sem alterações do software que gerencia os instrumentos e daquele

que analisa os dados armazenados. Isso significa que ao longo do tempo os

75

módulos de aquisição entre os diferentes transformadores de potência de

uma subestação podem ser reorganizados;

• Reduzir os custos envolvidos na atualização de software e hardware;

• Reduzir os custos com a manutenção dos sistemas

• Facilitar a introdução contínua de ferramentas de análise e diagnóstico

aproveitando-se de toda estrutura do banco de dados que é obtido ao longo

do tempo;

• Simplificar os estágios de monitoramento, formatação da informação, análise

das descargas parciais, diagnóstico dos transformadores criando assim

conhecimento e potencial de análise em cada empresa que seja suficiente

para decisões de manutenção desse tipo de instalação;

• Relacionar, onde cabível, o comportamento das descargas parciais com

outras grandezas monitoradas tais como capacitância e tangente delta.

• Permitir que outras grandezas possam ser agregadas ao mesmo sistema sem

muito retrabalho quer seja de alteração de hardware ou de desenvolvimento

de software.

Uma das principais diferenças entre a maioria dos sistemas comerciais e o

apresentado no presente trabalho para monitoramento de Capacitância e Tangente

de Delta é que os sistemas comerciais somente podem ser utilizados em um circuito

trifásico enquanto que o CTD pode ser utilizado independentemente por fase. As

grandezas medidas por meio do CTD são diretamente correlacionadas com a bucha

da fase na qual a impedância de medição está conectada. Essa característica facilita

a calibração do sistema por comparação com sistemas de referência utilizados em

laboratório de alta tensão, os quais são todos monofásicos. A calibração dos

sistemas comerciais é muito dificultada porque é pouco comum a disponibilidade de

circuitos trifásicos de alta tensão em laboratórios de ensaios.

76

6. Referências Bibliográficas

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Energy Series 32.

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• [5] Zaengl, “IEC TC 42 WG – CD September 95 – Partial Discharge

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• [9] Pei Wang, M. R. Raghuveer, W. McDermid and J. C. Bromley, “ A Digital

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77

7. Bibliografia Consultada

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