Puncturing artery

A norma IEC 60270 [80] define descargas parciais (DP) como descargas elétricas localizadas na união entre dois condutores, através do isolamento, que pode ou não ocorrer próximo de um condutor. Geralmente, tais descargas aparecem como pulsos que têm a duração menor que 1 microsegundo [µs].

As descargas parciais geralmente ocorrem nas regiões de descontinuidade ou imperfeição do isolamento sujeitas a um campo elétrico, onde o caminho formado pela descarga não une as duas extremidades dessa região de forma completa [81]. A ocorrência de DP depende da intensidade do campo aplicado nas extremidades desse espaço, além do tipo de tensão de teste aplicada (tensão alternada, tensão contínua, sinal transitório, impulso, etc.).

As descargas parciais podem ser classificadas em três categorias de acordo com a sua origem: descarga superficial, descarga externa e descarga interna, conforme figura 4.14.

Figura 4.14: (a) Descarga superficial; (b) Descarga externa; (c) Descarga interna

(a) (b) (c)

Fonte: [82]

As descargas superficiais ocorrem em gases ou líquidos na superfície de um material dielétrico, normalmente partindo do eletrodo para a superfície. Se a componente de campo elétrico que tangencia a superfície excede um determinado valor crítico o processo de descarga superficial é iniciado. Esse processo é conhecido como trilhamento e pode levar à ruptura completa da isolação.

As descargas externas também conhecidas como descargas por efeito corona são descargas parciais que ocorrem em ambientes isolados a ar ou gás. E ocorrem a partir de pontas agudas em eletrodos metálicos, em partes com pequenos raios de curvatura ou em condutores finos conectados a um alto potencial ou a terra. No início do processo de indução da tensão podem aparecer correntes de descarga e brilho característico. O processo químico desencadeado por descargas no gás cria subprodutos que são incorporados ao meio gasoso. E no ar, o corona gera ozônio que causa fissuras na isolação polimérica; os óxidos de nitrogênio junto com o vapor d’água podem corroer metais e depositar material condutor em isoladores e acaba levando ao trilhamento do material.

As descargas internas ocorrem nos espaços, geralmente vazios preenchidos com gás, presentes nos materiais sólidos e líquidos usados em sistemas de isolamento. As descargas em isolamentos sólidos podem ocorrer em cavidades capilares de gás em vazios ou trincas. Também podem se estabelecer em defeitos da estrutura molecular. Nos isolantes líquidos, as descargas parciais podem ocorrer em bolhas de gás devido a fenômenos térmicos e elétricos e em vapores de água criados em regiões de alta intensidade de campo elétrico.

Um aumento significativo do nível de DP ou a taxa de crescimento de DP podem fornecer uma indicação prévia para defeitos em evolução. Os pulsos de DP geram ondas eletromagnéticas, sinais acústicos, reações químicas, aquecimento local e sinais óticos. Assim, diferentes técnicas podem ser usadas para detectar estes fenômenos, tais como:

Medição de descargas parciais utilizando sistemas digitais de medição que aplicam processamento síncrono de sinais de DP em múltiplos canais, conforme mostra a figura 4.15. Isto torna a análise estatística eficiente, sendo possível discriminar os eventos de descargas parciais de ruídos, e identificar os tipos de falhas e sua localização.

Figura 4.15: Representação de esquema microprocessado de medida de descargas parciais

Fonte: [28]

A figura 4.16 apresenta uma visão ilustrativa de um sinal de descargas parciais dentro da unidade do sistema, desde a conversão Analógica/Digital do sinal até a extração dos parâmetros do pulso em um sistema de 3 canais.

Figura 4.16: Processamento de dados de DP em canais múltiplos com 3 unidades de aquisição de DP

Fonte: [28]

Os parâmetros selecionados dos pulsos de três diferentes unidades de aquisição podem ser correlacionados e exibidos em diferentes diagramas de avaliação, conforme segue:

- Diagrama de Relação de Amplitude em 3 Fases (3-Phase-Amplitude- Relation-Diagram – 3PARD), conforme mostra a figura 4.17;

Figura 4.17: Criação de 3PARD usando sinais de tensão de Descargas Parciais

Fonte: [82]

- Diagrama de Relação de Tempo em 3 Fases (3-Phase-Time-Relatio- Diagram – 3PTRD), conforme mostra a figura 4.18;

Figura 4.18: Diferenças de tempo entre os 3 pulsos de DP dentro do segmento L1

Fonte: [82]

- Diagrama de Relação de Frequências em 3 Canais (3-Center-Frequency- Relation-Diagram – 3CFRD), conforme mostra a figura 4.19.

Figura 4.19: Representação FFT para pulsos de DP com três filtros de passagem de banda

Fonte: [82]

Cada um desses diagramas separa diferentes origens de tipos de pulsos em agrupamentos. Além disso, cada agrupamento é selecionável para exibir de volta na configuração PRPD (phase-resolved partial discharge) clássica, apresentando uma única origem de descargas parciais para observar, conforme mostra a figura 4.20.

Figura 4.20: Representação de 3PARD com a separação dos sinais individuais

Fonte: [82]

A medição de descargas parciais utilizando o método acústico associa o fato de que um sinal acústico é emitido pela atividade de DP em consequência das

flutuações de pressão causadas pelas descargas elétricas. Por causa da curta duração dos impulsos de DP, as ondas de compressão resultantes têm frequências que variam até a faixa de ultra-sons. O espectro da frequência encontra-se na escala entre diversos Hz e centenas de kHz.

Este método tem uma sensibilidade limitada às falhas de DP nos enrolamentos internos, e é sensível ao ruído que não é gerado pela DP interna. Para melhorar a sensibilidade, este método pode ser combinado com os outros dois métodos de medição de descargas parciais. Os sinais elétricos podem ser usados para provocar o registro de sinais acústicos. E a utilização de filtros reduz a influência de ruídos indesejáveis.

Nos reatores, as ondas mecânicas geradas pela DP se propagam através do óleo, atingindo as paredes do tanque internamente. Do lado externo do tanque são instalados sensores piezoelétricos para a detecção dos sinais acústicos gerados. Usando técnicas de trigonometria, a fonte da emissão acústica pode ser localizada.

Os sensores possuem diversas características que necessitam de uma correta especificação, sendo elas:

-Número de sensores por reator: o número de sensores necessários para a detecção de falhas internas em reatores varia de acordo com o tamanho do reator, quantidade de canais disponíveis e tipo de falha a se detectar. Para a localização mais aproximada de falhas é necessário um número maior de sensores, de forma que o maior volume possível do reator possa ser monitorado;

-Pré-Amplificação: este item é de suma importância, pois apenas os sinais acústicos amplificados são enviados ao hardware de aquisição, eliminando-se os ruídos;

- Frequência de operação: fortemente dependente do tipo de falha que se deseja monitorar, visto que as falhas mecânicas estão associadas às frequências que variam entre 20 kHz e 50 kHz, ao passo que as falhas elétricas variam entre 70 kHz e 200 kHz;

- Frequência de ressonância: este parâmetro especifica a frequência onde o ganho de sinal é máximo. Para um máximo desempenho é necessário que o sensor possua uma frequência de ressonância em sintonia com o fenômeno que se deseja monitorar. Os sensores mais comuns possuem frequência de ressonância de 150 kHz.

A medição de descargas parciais utilizando-se Ultra Alta Frequência (UHF) baseia-se no fato de que as descargas parciais no óleo são processos elétricos muito rápidos e irradiam ondas eletromagnéticas com frequências de altíssimo alcance (300-3000 MHz), que são detectadas com sensibilidade de sondas UHF, semelhantes às mostradas na figura 4.21, e podem ser inseridas no reator através de suas válvulas de enchimento ou janelas de inspeção.

Figura 4.21: Sonda UHF

Fonte: [28]

A dissociação dos sinais de descargas parciais utilizando-se o método UHF, a partir do interior do tanque de um reator requer que os sensores sejam sensíveis aos sinais de UHF.

Os sinais de UHF têm muito menos sensibilidade do que os sinais acústicos, portanto conforme dito anteriormente pode ser vantajoso combinar os dois métodos. Calculando a média dos sinais acústicos e sincronizando aos impulsos de chegada de UHF, a influência do ruído acústico pode ser reduzida.

A provável localização de DP é conseguida utilizando-se os tempos de curso do sinal acústico combinado com a forma de onda e do tempo de chegada do sinal de UHF.

Combinando o método UHF com sensor acústico, instrumentação e processamento de dados adequados, é apresentada uma série de vantagens, tais como:

-Distinção mais fácil entre os sinais internos e externos de DP (efeito do tanque do reator atuando como "gaiola de Faraday / blindagem" para a detecção de UHF);

-Controle do diagnóstico com um maior entendimento do processo através da comparação com resultados obtidos em medições baseadas na norma IEC 60270;

- Localização geométrica da DP (ou por uma combinação de UHF e método acústico ou a aplicação exclusiva de um dos métodos, dependendo do reator sob teste);

Em comparação com o método da IEC 60270 apresenta a vantagem de utilizar a faixa de frequência UHF para a dissociação entre os sinais de DP, e possibilitar a aplicação do método em reatores com buchas sem tap capacitivo.