SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Transcrição

1 SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1.0 GSE/1 14 a 17 Outubro de 2007 Rio de Janeiro - RJ GRUPO XIII GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÃO E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS - GSE UMA EXPERIÊNCIA BEM SUCEDIDA DE MEDIÇÃO NO CAMPO DE DESCARGAS PARCIAIS EM TC S PARA SISTEMAS DE 550 KV LEVY, Alain François Sanson* CEPEL - RJ NASCIMENTO, Lidio Francisco de Albuquerque SANZ, Jacques Philipe Marcel DE CARVALHO, João Dantas TOSTES, Jorge Augusto Siqueira ELETRONORTE - PA RESUMO Este trabalho tem por objetivo apresentar as soluções encontradas para a realização de ensaios de tensão suportável a 60 Hz e de descargas parciais, pelo método elétrico normalizado, em ambiente de usina a céu aberto, e também, apresentar os principais resultados encontrados. Todas as atividades se direcionaram para a avaliação de um lote de TC s para sistemas de 550 kv e foram realizadas na Usina Hidrelétrica de Tucuruí no Pará, em um trabalho de equipe envolvendo a ELETRONORTE, o CEPEL e o fabricante. PALAVRAS-CHAVE Medição no Campo, Descargas Parciais, TC INTRODUÇÃO A medição de Descargas Parciais em equipamentos de alta tensão é uma técnica consagrada para fins de avaliação de desempenho elétrico de seus sistemas isolantes. Quaisquer imperfeições construtivas quer sejam devidas ao projeto ou ao processo de montagem, bem como qualquer fragilidade do conjunto isolante para as condições de distribuição geométrica do campo elétrico, podem ser detectadas por meio do ensaio de descargas parciais. Normalmente esse tipo de medição é realizado em laboratório e sob condições ambientais bem controladas. A motivação que originou a realização dessas medições foi a necessidade de se garantir que todas as características de desempenho elétrico estabelecidas no fabricante não foram alterados após o transporte e preparação das unidades para sua instalação em definitivo na subestação. Há duas décadas atrás não se conseguiria imaginar a possibilidade de se realizar medições de descargas parciais em ambientes não laboratoriais posto que é necessária uma sensibilidade elevada e um nível de ruído mínimo já que se trata de sinais que não poderiam exceder a ordem de alguns pc. Já no decorrer dos anos 90, com a evolução dos sistemas digitalizados, com as facilidades no uso da informática, com a evolução dos processos e técnicas de medição e análise da informação e, sobretudo com o avanço do * Av. Um s/nº - Cidade Universitária CEP: Rio de Janeiro - RJ Tel.: (021) Fax: (021) alain@cepel.br

2 2 conhecimento na arte da medição de descargas parciais, essa medição começou a ser, aos poucos, implementada em atividades de campo. No caso particular desse trabalho aliou-se o conhecimento adquirido nesse tipo de medição em diversas atividades de laboratório e campo com o uso de um sistema digital que pudesse fornecer mais confiança e poder de análise sobre os resultados das medições, sobretudo no que se refere à identificação de possíveis sinais de ruído na medição. De uma forma mais ampla, o trabalho realizado pode ser dividido em três etapas bem distintas que vão influenciar substancialmente a qualidade dos ensaios pretendidos: - Definição do local mais adequado na usina onde fosse possível realizar as montagens de grande porte e que tivessem pouca probabilidade de ocorrência de interferências externas; - Definição da melhor montagem física possível do circuito de ensaio e do circuito de medição; - Definição do melhor ajuste da grandeza a ser medida e da instrumentação em relação aos procedimentos constantes da norma internacional adotada (1) DEFINIÇÃO DO LOCAL DOS ENSAIOS, DO TIPO DE MONTAGEM E DO CIRCUITO DE ENSAIO E MEDIÇÃO Inicialmente foi feito um levantamento das principais localidades na usina onde as medições poderiam ser realizadas com um mínimo possível de interferências eletromagnéticas. Obviamente existe um limite nessa escolha posto que outras condições de contorno teriam também que ser atendidas, tais como: o local deve ser suficientemente amplo para poder montar os equipamentos sob ensaio, a fonte de alta tensão e o divisor de tensão, e acomodar também uma casa de controle provisória; ter distâncias de isolamento suficientes para a aplicação de uma tensão suportável de cerca de 600 kv; ter um ponto de terra efetivo e a possibilidade de alimentação do regulador da fonte de alta tensão (no caso, um circuito trifásico de 380 V). No campo, o maior problema em termos de interferência eletromagnética, se refere àquelas diretamente radiadas no circuito de ensaio e medição, posto que não há blindagem no ambiente. Interferências conduzidas, tanto na alimentação do módulo regulador, quanto nos instrumentos de medição, podem ser minimizadas com a adoção de filtros passa baixa e, caso necessário, de transformadores de ultra-isolação. Mas que critérios devem ser considerados na escolha do local de ensaio? Não existe uma forma sistemática a ser seguida, porém algumas premissas podem ser estabelecidas: Evitar localidades próximas a oficinas mecânicas e locais onde há intensa utilização de equipamentos elétricos industriais tais como máquinas de solda, motores, etc; Evitar locais próximos a linhas de transmissão, de distribuição e de alta tensão; evitar locais próximos a subestações de quaisquer níveis de tensão. Em caso de dúvidas e suspeitas é possível fazer uma medição de interferência eletromagnética, utilizando um analisador de espectro ou um medidor de radiointerferência acoplado a uma antena tipo haste ou quadro. Essa medição deve ser realizada na faixa de freqüência que vai desde algumas dezenas de khz até alguns poucos MHz, que é a faixa possível para a medição de descargas parciais que certamente será realizada em banda estreita, conforme visto mais adiante. A experiência de medição de descargas parciais no campo tem demonstrado que ambientes de fábrica, bem como de usina apresentam normalmente menos problemas de interferências eletromagnéticas do que no interior de subestações posto que nesse último caso as interferências devido ao efeito corona costumam ser muito intensas e, ao mesmo tempo, estas possuem características elétricas (tanto em espectro de freqüência, quanto em taxa de amostragem e amplitudes) bem próximas das descargas parciais dificultando a análise da informação registrada (2). Outros tipos de fontes interferentes são mais fáceis de serem desconsideradas na medição caso se disponha de um sistema digitalizado capaz de armazenar as estatísticas de ocorrência das descargas parciais. O circuito de ensaio utilizado foi do tipo em ponte, conforme descrito na norma IEC 270 uma vez que essa modalidade é ideal para rejeição de interferências radiadas, e no mais, propicia a medição de descargas parciais em duas unidades ao mesmo tempo, o que reduziu substancialmente o tempo total de ensaio nesse caso em que se teve uma grande quantidade de TC s a ensaiar (1,3). Um diagrama com o circuito de ensaio pode ser visto na figura 1. Quando da realização do ensaio de tensão suportável, as duas impedâncias de medição de descargas parciais eram curto circuitadas na base dos TC s. Na figura 2 pode ser visto na base do TC, a conexão intermediária que propicia a colocação em paralelo, de uma impedância de medição localizada na casa de controle. Em seguida procurou-se a orientação e posicionamento adequado dos dois TC s e demais equipamentos de alta tensão de modo a se minimizarem os efeitos de sinais diretamente radiados sobre o circuito de medição. Isso foi obtido apenas aplicando-se um sinal de calibração no circuito. Curiosamente, a posição de menor ruído ocorria com os TC s alinhados na direção da subestação de alta tensão da usina.

3 3 Reg - Regulador de Tensão fabricante Hipotronics; Fonte - Fonte ressonante de alta tensão, 800 kv, fabricante Hipotronics; DT - Divisor de tensão, 800 kv, fabricante Hipotronics; TC1 e TC2 - Transformadores de corrente sob ensaio; DP - Medidor de descargas parciais pelo método balanceado, marca Tettex, modelo 9120; PC - Microcomputador auxiliar equipado com osciloscópio; V - Voltímetro do conjunto regulador; Gap - Dispositivo de proteção da instrumentação; Figura 1 - Diagrama do circuito de ensaio e medição utilizado nas medições de descargas parciais e ensaio de tensão suportável à freqüência industrial Figura 2 - Foto com detalhes da conexão realizada na base dos TC s. Uma vez realizada a medição nos dois primeiros TC s, foi escolhido um deles para servir de padrão. Caso, na seqüência dos ensaios, fossem registrados níveis de descargas parciais elevados, cada um dos TC s era ensaiado junto com o padrão para se detectar aquele que efetivamente estava com algum problema. O TC padrão

4 4 foi posicionado de tal modo a formar um triângulo eqüilátero com os outros dois. Assim foi possível confirmar também a diferença dos níveis interferentes com a alteração da posição dos TC s sob ensaio. Quanto à montagem do circuito de ensaio, foram necessários a construção de dois eletrodos (esferas) de alta tensão para se blindar a parte externa superior dos TC s. No mais, as conexões de alta tensão entre os diversos equipamentos foram especialmente preparadas com tubos rígidos e leves de tal forma a não se ter geração de corona até pelo menos uma tensão de 470 kv. Na figura 3 pode ser vista uma foto da montagem global realizada na usina de Tucuruí. Figura 3 - Fotos com o circuito de ensaio montado na Usina de Tucuruí Para o registro dos sinais de descargas parciais, foi utilizado um sistema em ponte da Tettex, modelo 9120 (Na figura 4 está apresentada uma foto da casa de controle com o módulo regulador e dois instrumentos de medição da Tettex), e um instrumento de medição digitalizado desenvolvido pelo CEPEL (IMA-DP). O IMA-DP foi ligado ao medidor da Tettex a partir de uma saída paralela do sinal que é enviado ao seu próprio detector e encaminhado para os visores analógico e osciloscópio. Figura 4 - Foto com o regulador de tensão e instrumento de medição de descargas parciais, montado na casa de controle

5 5 Por fim, foi necessário fazer uma varredura em freqüência para se escolher, na modalidade de medição em banda estreita, a faixa ideal na qual o sinal do calibrador tivesse indicação máxima e o ruído ambiente fosse minimizado. Assim diversas faixas entre 400 e 1000 khz puderam ser identificadas. Na maioria das vezes a medição foi realizada numa freqüência próximo de 800 khz, com uma banda de passagem de 10 khz. Finalmente, após a montagem do circuito definitivo e após cerca de uma semana de experiências e ajustes, conseguiu-se montar um circuito de ensaio e medição com níveis de ruído ambiente variando entre 2,5 e 8 pc (na grande maioria das vezes abaixo de 4,5 pc), conforme as variações de circuito e conforme o dia e horário dos testes. Essa condição de sensibilidade para medições no campo com níveis de ruído tão baixos, para uma tensão de ensaio fase-terra até 470 kv, representa um feito que se desconhece notícia divulgada de já ter sido realizado no Brasil. Se a medição fosse realizada pelo método direto, os ruídos seriam da ordem de 80 a 100 pc PROCEDIMENTOS DOS ENSAIOS E CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO Para a avaliação dos TC s foi considerado que o ensaio de tensão suportável a 60 Hz e a medição de descargas parciais seriam suficientes. A seqüência de ensaios em cada par de TC s foi realizada na seguinte ordem: - Ensaio de DP s, antes da tensão suportável a 60 Hz, durante 1 minuto, nos seguintes níveis de tensão: 127, 190, 286, 381, 476, 381, 286, 190 e 127kV; - Ensaio de tensão suportável a 60 Hz, durante 1 minuto, na tensão de 600 kv; - Ensaio de DP s, após a tensão suportável a 60 Hz, durante 1 minuto, nos seguintes níveis de tensão: 127, 190, 286, 381, 476, 381, 286, 190 e 127kV; Embora os ensaios de tensão suportável a 60 Hz devessem ser realizados na tensão de 650 kv, foram aplicadas apenas tensões de 600 kv, devido às limitações da fonte ressonante disponível no local. Como critérios de avaliação os TC s deveriam suportar a tensão de 600 kv e os níveis de descargas parciais, antes e após o ensaio de tensão suportável, deveriam se manter próximos aos níveis de ruído ambiente do local, na tensão de 381 kv. Eram tolerados amplitudes até da ordem de 15 a 20 pc nessa tensão. Esse valor corresponde ao nível máximo da tensão de operação fase-terra do sistema, acrescido de 20%. Embora as descargas parciais fossem também medidas na tensão de stress de 476 kv, os níveis registrados nessa tensão não eram considerados para fins de avaliação. Caso a medição inicial de descargas parciais apresentasse sinais expressivamente superiores aos níveis de ruído ambiente, o TC correspondente era classificado como reprovado e não se complementava os testes com a aplicação da tensão suportável na unidade. Este era encaminhado para as devidas providências de reparo no fabricante RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TENSÃO SUPORTÁVEL E DESCARGAS PARCIAIS Todos os TC s avaliados tiveram bom desempenho, no que se refere ao ensaio de tensão suportável a 60 Hz. Convém lembrar que somente os TC s isentos de descargas parciais eram submetidos a esse ensaio. Já no caso de descargas parciais, ao término da realização de medições em um grande número de TC s, foram detectados problemas em cerca de 10 % das unidades. Entre as unidades defeituosas, a ocorrência de descargas parciais se iniciava nos mais variados níveis de tensão, sendo que em um dos casos já se registravam sinais a partir de 50 kv. Outra característica observada foi que o comportamento dos TC s não foi uniforme em relação aos níveis de descargas parciais gerados nos variados níveis de tensão aplicados. As unidades com desempenho satisfatório possuíam níveis de descargas parciais inferiores a 50 pc na tensão de 476 kv. As unidades que possuíam problemas menos graves, puderam ser abertas e reparadas no próprio local. Outras unidades que tiveram problemas associados ao seu sistema dielétrico como um todo, tiveram que ser encaminhadas ao fabricante para os devidos reparos. Após os reparos, as unidades foram submetidas ao mesmo ciclo de avaliação. Na grande maioria dos casos, quando não se encontravam sinais de descargas parciais antes do ensaio de tensão suportável, também não eram encontrados sinais elevados após o ensaio de tensão suportável. Na figura 6 está apresentada uma coletânea de sinais de descargas parciais medidas em algumas unidades de TC s. Esses sinais são apresentados em forma de mapas estatísticos registrados durante um período de 40 a 60 s. O eixo horizontal corresponde às posições relativas dos pulsos em relação à fase da tensão à freqüência industrial. O eixo vertical corresponde às distribuições das amplitudes dos sinais de descargas parciais e as cores guardam uma relação com a taxa de ocorrência dos sinais em cada nível de amplitude e fase da tensão. O eixo vertical, assinalado em mv, não guarda relação com as amplitudes das descargas calibradas com a carga aparente em pc. O valor da amplitude da carga aparente medida foi obtida pelo visor osciloscópico do medidor da Tettex.

6 6 Descargas parciais medidas na tensão de 476 kv, após a tensão suportável a 60 Hz. Registrados sinais entre 20 e 25 pc Descargas parciais medidas na tensão de 190 kv, antes da tensão suportável a 60 Hz. Registrados sinais entre 70 e 100 pc Descargas parciais medidas na tensão de 286 kv, antes da tensão suportável a 60 Hz. Registrados sinais de até 200 pc Descargas parciais medidas na tensão de 50 kv, antes da tensão suportável a 60 Hz. Registrados sinais da ordem de 50 pc Figura 7 Mapas estatísticos da ocorrência de descargas parciais medidas durante um intervalo de 60 s CONCLUSÃO Uma das principais conclusões a que se chega nesse trabalho é que, embora um equipamento de alta tensão possa ser devidamente ensaiado nas instalações do fabricante ou em um laboratório, não se pode garantir que estes venham a estar em perfeitas condições de uso quando instalados na subestação em definitivo. As condições de armazenamento, dos tratos na instalação e sobretudo de transporte, podem afetar seu desempenho final. No caso particular da Eletronorte, as condições de transporte são um fator relevante a ser considerado. A segunda conclusão mais importante se refere à possibilidade de se realizar em condições muito adequadas a medição de descargas parciais em ambiente não blindado. Equipamentos com defeitos internos podem ser facilmente detectados com a realização da medição de descargas parciais. Esse potencial deveria ser mais freqüentemente utilizado pelas empresas geradoras e transmissoras de energia elétrica. No caso particular do potencial de se fazer medições de descargas parciais no campo, alguns fatores têm Maior influência no nível de ruído que estará ocorrendo durante toda a seqüência de medição. Esses fatores são: A capacitância dos equipamentos sob ensaio. Quanto maior for a capacitância de cada equipamento, maior será o nível de ruído na medição; A utilização do método balanceado de medição com dois TC s de mesma capacitância sendo ensaiados simultaneamente; A montagem do circuito de ensaio e medição estando geometricamente o mais compacto quanto possível; A escolha da freqüência e da banda de passagem para a medição dos sinais de descargas parciais.

7 7 Dessa forma foi possível concluir, que este tipo de ensaio é altamente recomendável como controle de qualidade de recebimento de equipamentos de alta tensão no campo e com essa atitude, evitar que equipamentos classe até 550 kv, com problemas internos sejam instalados em subestações, aumentando o risco de falha a curto ou médio prazo com conseqüente desligamento da subestação com envolvimento de perdas econômicas para reparos, substituição, não fornecimento de energia, multas, entre outros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Zaengl, IEC TC 42 WG CD September 95 Partial Discharge Measurements (2) Perkins, J.R., Some general remarks on corona discharges, Engineering Dieletrics Volume I: Corona Measurement and Interpretation. ASTM Special Publication 699, Philadelphia, 1979, pp (3) Curdts, E.B., "Fundamentals of Partial-Discharge Detection: System Sensitivity and Calibration",, Engineering Dieletrics Volume I: Corona Measurement and Interpretation. ASTM Special Publication 699, Philadelphia, 1979, pp