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A teoria da análise de resposta dielétrica (Dielectric Response Analyser - DRA) não é nova, ela foi primeiramente desenvolvida por KACHLER [19], mas não era utilizada como ferramenta de diagnóstico; somente mais recentemente pesquisas foram direcionadas a tecnologia de diagnóstico.

Segundo [16] existem 3 métodos baseados na DRA: Espectroscopia no domínio da frequência; Espectroscopia no domínio do tempo e Medição da tensão de retorno.

A espectroscopia no domínio da frequência (Frequency Domain Spectroscopy - FDS) tem como base fundamental a interação entre a matéria e a energia irradiada no momento de aplicação de um sinal. Isto permite identificar a estrutura química de um composto, o que pode ser aplicado para a detecção de um fator de umidade dentro de um reator.

A figura 4.22 mostra o desenho do isolamento de um transformador com os espaçamentos preenchidos com óleo isolante, e sendo aplicada uma tensão de teste no enrolamento de alta tensão, a corrente flui entre a isolação principal para o enrolamento de baixa tensão e volta para o instrumento de teste, onde ela é medida.

Figura 4.22: Representação do isolamento de um transformador

O mesmo princípio mostrado na figura 4.22 pode ser aplicado em reatores, onde a diferença está na aplicação da tensão de teste no enrolamento H0H1, com escoamento da corrente da isolação principal para o tanque do reator, que volta para o instrumento de teste, onde ela é medida, conforme mostra a figura 4.23.

Figura 4.23: Esquema de medição para um reator

Fonte: [99]

As propriedades medidas são a condutividade da celulose e do óleo, além do efeito de polarização interfacial. A polarização interfacial ocorre quando dois materiais com diferentes condutividade e permissividade (óleo e papel) estão dentro de um dielétrico. Assim os íons do óleo viajam para o eletrodo oposto e formam uma nuvem de carga que pode ser medida externamente como um efeito de polarização.

A polarização e a condutividade podem ser afetadas pela geometria do isolamento e sua composição. Assim, a medida do isolamento de um reator consiste na medida da superposição de vários efeitos, tais como as propriedades do papel e do óleo isolante.

A análise das propriedades dielétricas é dada com a combinação da polarização interfacial no isolamento do óleo e papel no reator combinando suas características.

A resposta dielétrica do isolamento registrada no domínio da frequência é obtida através das medições de fator de potência, com uma larga faixa de frequência, especialmente em baixas frequências, tipicamente de 0,001 Hz a 1000 Hz, como mostra a figura 4.24.

Figura 4.24: Espectroscopia do domínio de frequência

Fonte: [28]

O fator de potência com variação da frequência mostra, conforme a figura 4.24, uma curva típica em formato de “S”, que com o aumento do teor de umidade, da temperatura ou com o envelhecimento, aumenta para frequências mais elevadas. A umidade e o envelhecimento da celulose tem influência tanto em baixas quanto em altas frequências. A parte central da curva, que sofre grande variação de valores, reflete a condutividade do óleo. E a parte da elevação da curva registra as condições de geometria do isolamento.

A determinação da umidade é baseada em uma comparação da resposta do dielétrico do reator com a resposta de um dielétrico padrão, que através de um algoritmo apresenta a condição do isolamento, fornecendo o grau de umidade e a condutividade do óleo.

Esta metodologia também pode ser aplicada para avaliação de buchas de alta tensão, onde a medida do fator de potência em baixas frequências permite a detecção da umidade com elevada sensibilidade.

A espectroscopia no domínio do tempo é realizada com as medições das correntes de polarização e despolarização (Polarization and Depolarization Currents - PDC) em um intervalo de tempo (TP+TD), conforme mostra a figura 4.25. Para análise de um reator, um degrau de 100VDC é aplicado entre os terminais H1H0 e a massa durante um intervalo de tempo TP, chamado de tempo de polarização, onde flui uma corrente de carga da capacitância do reator, chamada de corrente de polarização. Decorrido o tempo de polarização TP, a chave “S” muda de posição e o dielétrico é curto-circuitado via amperímetro, durante um intervalo de tempo TD, chamado de tempo de despolarização. Então, a corrente de descarga, chamada de

corrente de despolarização, salta para um valor negativo, que gradativamente vai em direção do zero.

Figura 4.25: Correntes de polarização e despolarização de um sistema de isolamento

Fonte: [83]

De acordo com a teoria do dielétrico linear, o modelo expandido apresentado na figura 4.26b pode ser deduzido para descrever um comportamento dielétrico pela função de resposta dielétrica f(t) no domínio do tempo ou a característica de polarização χ(ω) e condutividade σ no domínio da frequência [22], [12]. A figura 4.26c apresenta o arranjo representativo dos calços, barreiras e canais de óleo no sistema de isolação principal de reatores. E por modelagem, esse arranjo pode ser simplificado conforme a figura 4.26d.

Figura 4.26: Arranjos e modelos de um sistema de isolação

Fonte: [83]

Para condições típicas de medição, a interpretação das correntes no domínio do tempo durante carga e descarga ocorre da seguinte forma: a condição de condutividade do óleo afeta a corrente de polarização, de maneira mais preponderante, na faixa de tempo t < 25s (tempo curto); a geometria do isolamento é caracterizada na faixa de tempo 25s < t < 250s (tempo médio) e a umidade e

envelhecimento da celulose é refletida na faixa de tempo t > 250s (tempo longo), conforme mostra a figura 4.27.

Figura 4.27: Interpretação das correntes de polarização e despolarização

Fonte: [28]

A medição da tensão de retorno (Recovery Voltage Meter - RVM) é baseada na aplicação de uma corrente contínua no enrolamento de reatores isolados a óleo e papel, onde devido ao fenômeno da polarização interfacial se verifica que mesmo após a retirada da fonte permanece uma tensão residual, identificada como tensão de retorno. O tempo em que o processo se dá depende da permissividade e resistividade dos materiais que formam o dielétrico, neste caso, óleo e papel.

Basicamente, a medição da tensão de retorno fornece um espectro obtido por ciclos, consistindo em três etapas e um tempo de relaxação (Ti = RiCi):

- a aplicação de uma tensão DC por um tempo de carga (Tc), no qual se percebe a polarização do dielétrico analisado;

- curto circuito em um tempo de descarga (Td = Tc), na razão da metade do tempo de carga, que remove a polarização da isolação para se obter a energia armazenada nos dipolos;

- abertura dos terminais para medida da tensão, obtendo-se então um valor de tensão de retorno (Ur) para um dado tempo de carga (Tc).

A figura 4.28 mostra todos os ciclos para medição da tensão de retorno nos terminais de um dielétrico.

Figura 4.28: Ciclos durante a medição da tensão de retorno

Fonte: [28]

Normalmente o ensaio inicia-se com Tc = 0,02 s, obtendo-se o correspondente Ur, e repete-se o procedimento para vários tempos de carga cada vez maiores, até um valor máximo de tensão de retorno (Urmax). A partir daí, tempos de cargas maiores vão gerar valores de tensão de retorno menores que Urmax, até que Tc atinja 1000 s, quando se encerra o ensaio.

Ao final do ensaio obtém- se uma família de curvas de tensão de retorno, cuja envoltória dos picos gera o chamado espectro de polarização, conforme mostra a figura 4.29.

Figura 4.29: Espectro de Polarização

Fonte: [84]

O pico desta envoltória representa uma resposta global dominante para a isolação e também um determinado teor de umidade, que pode ser obtido num gráfico Ur x Tc em escala logarítmica, conforme o mostrado na figura 4.30.

Figura 4.30: Tensão de Retorno vs Grau de Polimerização

Fonte: [84]

Pode-se então relacionar o teor de umidade da isolação, com a constante de tempo Tc, sendo que quanto menor o teor de umidade da isolação, menor o tempo de aplicação de carga, para que se atinja o valor máximo de tensão de retorno Urmax. O método também permite avaliar a qualidade dos processos de manutenção e recuperação de reatores, onde a isolação fica exposta ao ambiente por tempo prolongado. Quando a superfície isolante é exposta à umidade ambiente aparece um segundo pico no espectro de polarização. E o aparecimento de um pico extra na região mais rápida é indicativo de óleo isolante ruim, conforme mostra a figura 4.31.

Figura 4.31: Espectro de Polarização Típico vs Com umidade

Fonte: [84]

Os principais fatores que influenciam a medição de tensão de retorno em ensaios práticos são:

- a temperatura da isolação que deve estar homogênea e manter-se o mais constante possível durante o ensaio, assim para a estabilização da temperatura é necessário aguardar normalmente de 6 a 8 horas após o desligamento do reator e durante o ensaio não pode haver a circulação do óleo forçada por bombas ou a operação dos ventiladores.

- a situação histórica prévia do reator, pois a presença de cargas residuais, deixadas por outros ensaios em DC, no reator antes do ensaio irão influenciar nos resultados obtidos.

- o tempo de duração do ensaio que pode chegar a 10 horas, no caso de equipamentos novos ou com valores de umidade menor que 0,5%, pois com a umidade, a capacitância de polarização aumenta várias vezes, porém a resistência diminui centenas de vezes de modo que o tempo de relaxação (Ti) é reduzido sensivelmente, acelerando a resposta deste processo. Em termos práticos, um aumento de 1% no teor de umidade do papel pode acelerar a resposta em mais de 10 vezes.