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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
VICTOR SALVINO BORGES
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE DETECTOR DE ISOLADORES COM
FALHAS
CURITIBA
2011
VICTOR SALVINO BORGES
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE DETECTOR DE ISOLADORES COM
FALHAS
CURITIBA
2011
Monografia apresentada à disciplina Projeto de
Conclusão de Curso como requisito parcial à
conclusão do Curso de Graduação de Engenharia
Elétrica, Setor de Tecnologia, Departamento de
Engenharia Elétrica, Universidade Federal do
Paraná.
Orientador: Prof.Dr. Edemir Luiz Kowalski
Coorientador: Msc. Luiz Felipe Ribeiro Barrozo
Toledo
iii
Agradecimentos
Agradeço aos meus pais e a minha família pelo amor e apoio incondicional.
Agradeço ao meu orientador Edemir Kowalski que me concedeu a oportunidade de
realizar este trabalho, disponibilizando todo o suporte técnico e apoio para o desenvolvimento do
mesmo.
Agradeço ao LACTEC pelo suporte técnico disponibilizado.
Agradeço a todos os colegas do LACTEC que de alguma maneira contribuíram para o
sucesso deste trabalho, seja na realização dos ensaios, com conselhos e até mesmo com um
simples café.
Agradeço a UFPR e aos meus professores que desde o inicio desta jornada vêm
contribuindo com o meu desenvolvimento profissional e pessoal.
Agradeço aos amigos que sempre me apoiaram mesmo nos momentos mais difíceis.
Um agradecimento especial ao meu amigo William Kendi que contribuiu de maneira
inestimável dedicando parte de seu tempo livre para ajudar na execução do protótipo
desenvolvido.
Agradeço a todos que contribuíram diretamente ou indiretamente para o sucesso deste
trabalho.
iv
Sumário
Sumário ......................................................................................................................................... iv
Lista de Figuras ............................................................................................................................ vii
Lista de Tabelas............................................................................................................................. x
Lista de Símbolos e Acrônimos...................................................................................................... xi
RESUMO ...................................................................................................................................... xii
ABSTRACT .................................................................................................................................. xiii
1 Introdução ............................................................................................................................. 1
2 Objetivos do trabalho ............................................................................................................ 4
3 Revisão Bibliográfica ............................................................................................................. 5
3.1 Inspeção instrumentalizada de redes de distribuição .................................................... 5
3.2 Técnicas ópticas ............................................................................................................ 6
3.3 Termovisores ................................................................................................................. 7
3.4 Técnicas sonoras ........................................................................................................... 9
3.5 Ultrassom ....................................................................................................................... 9
3.6 Rádio frequência Interferência - RFI ............................................................................ 12
4 Fenomenologia ................................................................................................................... 16
4.1 Descarga parcial interna .............................................................................................. 16
4.2 Descarga parcial superficial ......................................................................................... 17
4.3 Descarga parcial corona .............................................................................................. 19
5 Parte Experimental .............................................................................................................. 21
5.1 Materiais Utilizados e Equipamentos ........................................................................... 21
5.1.1 Estufa ................................................................................................................... 21
5.1.2 Fonte de Tensão .................................................................................................. 21
5.1.3 Multímetro Digital ................................................................................................. 22
5.1.4 Osciloscópio ......................................................................................................... 23
5.1.5 Ponta de Prova Capacitiva ................................................................................... 23
v
5.1.6 Resistor Shunt ..................................................................................................... 24
5.1.7 Analisador de Espectro ........................................................................................ 24
5.1.8 Detector de RFI .................................................................................................... 25
5.1.9 Ultrassom ............................................................................................................. 25
5.1.10 Antena ................................................................................................................. 26
5.1.11 Bobina de Rogowski ............................................................................................ 26
5.1.12 Isoladores de Pino Cerâmicos ............................................................................. 27
5.2 Arranjo do Ensaio ........................................................................................................ 27
5.3 Métodos ....................................................................................................................... 28
5.3.1 Primeira Etapa – Seleção dos Isoladores de Pino ............................................... 28
5.3.2 Segunda Etapa – Seleção das Faixas de Frequências ........................................ 28
5.3.3 Terceira Etapa – Análise dos Isoladores .............................................................. 29
5.3.4 Desenvolvimento do Protótipo e Avaliação de Desempenho ............................... 29
5.3.4.1 Desenvolvimento do Protótipo ..................................................................... 29
5.3.4.2 Avaliação de Desempenho .......................................................................... 30
5.3.5 Técnicas Padrão .................................................................................................. 30
5.3.5.1 Medição de descarga parcial com a bobina de Rogowski ........................... 30
5.3.5.2 Medição da Corrente elétrica de fuga .......................................................... 30
5.3.5.3 Levantamento do espectro de frequências .................................................. 31
5.3.5.4 Detecção do nível de Ultrassom .................................................................. 31
5.3.5.5 Detecção dos ruídos de RFI com equipamento comercial ........................... 31
6 Resultados e Discussão ...................................................................................................... 32
6.1 Seleção dos Isoladores de Pino ................................................................................... 32
6.2 Seleção das Faixas de Frequências ............................................................................ 32
6.3 Análise dos Isoladores ................................................................................................. 34
6.4 Especificação e Desenvolvimento ............................................................................... 38
6.4.1 Desenvolvimento do Circuito ............................................................................... 43
vi
6.4.2 Confecção do Protótipo........................................................................................ 44
6.5 Resultados do Protótipo ............................................................................................... 46
7 Conclusão ........................................................................................................................... 51
8 Trabalhos Futuros ............................................................................................................... 52
Referência ................................................................................................................................... 53
vii
Lista de Figuras
Figura 1: Inspeção instrumental visual (8) ..................................................................................... 6
Figura 2: Árvore em contato com a rede elétrica de distribuição ................................................... 6
Figura 3: Termovisor NEC modelo TH 5100 (4). ............................................................................ 8
Figura 4: Veículo preparado para inspeção termográfica de redes de distribuição (1). ................. 8
Figura 5: Imagem termográfica de isoladores de pino em uma linha de distribuição. Na imagem
da direita pode-se observar o primeiro isolador de disco da cadeia apresentando um
aquecimento se comparado aos demais isoladores e cabos (1) ................................................... 8
Figura 6: Detector de ultrassom SDT 170 (1). ............................................................................. 10
Figura 7: Inspeção de redes de distribuição com a utilização de ultrassom (4; 5). ...................... 11
Figura 8: Verificação do ponto de ocorrência de maior intensidade de descargas através do
sensor de ultrassom com mira a laser (12). ................................................................................. 11
Figura 9: Equipamento de RFI Locator modelo 240ª ................................................................... 13
Figura 10: Inspeção de redes de distribuição com a utilização do equipamento de rádio
frequência (4). .............................................................................................................................. 14
Figura 11: Conjunto de equipamento de inspeção de radio interferência MIT 160919 (5) ........... 14
Figura 12: Representação de uma inspeção em linha de transmissão de acordo com o manual
da COPEL - MIT 160919 (5) ........................................................................................................ 15
Figura 13: Exemplo de descarga parcial interna (22) .................................................................. 17
Figura 14: Representação dos caminhos condutores gerados por descarga parcial em um
material dielétrico polimérico (21) ................................................................................................ 17
Figura 15: Representação da descarga parcial superficial em um material dielétrico polimérico
(12) .............................................................................................................................................. 18
Figura 16: Isolador cerâmico danificado por trilhamento (12) ...................................................... 19
Figura 17: Efeito corona (27) ....................................................................................................... 20
Figura 18: Estufa utilizada na secagem dos isoladores de pino. ................................................. 21
Figura 19: Fonte de tensão CA. ................................................................................................... 22
Figura 20: Multímetro da marca Fluke utilizado nos ensaios. ...................................................... 22
Figura 21: Osciloscópio Tektronix modelo TPS2024 ................................................................... 23
Figura 22: Ponta de prova capacitiva Tektronix P6015 ................................................................ 23
Figura 23: Resistor Shunt ............................................................................................................ 24
Figura 24: Analisador de espectro Rohde & Schwarz modelo ESCS30 ...................................... 24
viii
Figura 25: Equipamento de RFI Locator modelo 240A ................................................................ 25
Figura 26: Medidor de ultrassom marca SDT modelo SDT170 .................................................... 25
Figura 27: Antena da marca LARSEN modelo NMOQ ................................................................ 26
Figura 28: Bobina de Rogowski ................................................................................................... 26
Figura 29: Isolador de Pino .......................................................................................................... 27
Figura 30: Diagrama do arranjo de ensaio de tensão aplicada. ................................................... 27
Figura 31: Comparação entre o espectro de frequência de um isolador bom com o ruído de fundo
"Branco" na faixa de 500 kHz e 100 MHz .................................................................................... 33
Figura 32: Comparação entre o espectro de frequência de um isolador que apresentou um nível
médio de descargas parciais com o ruído ambiente "Branco" na faixa de 500 kHz e 100 MHz .. 33
Figura 33: Comparação entre o espectro de frequência de um isolador que apresentou um nível
médio de descargas parciais com o ruído ambiente "Branco" na faixa de 500 kHz e 100 MHz .. 34
Figura 34: Ângulo de defasamento entre tensão e corrente [ °] versus a potência recebida [dBm]
para os isoladores secos. As linhas vermelhas representam os limiares de detecção. A área
vermelha (Ruim) indica a região em que devem se encontrar os isoladores ruins. A área verde
(Bom) determina a região em que devem se encontrar os isoladores em boas condições. As
demais áreas em branco caracterizam quando há a detecção incorreta de um isolador, sendo
este identificado como ruim estando bom ou bom estando ruim. ................................................ 36
Figura 35: Ângulo de defasamento entre tensão e corrente [ °] versus a potência recebida [dBm]
para os isoladores úmidos. As linhas vermelhas representam os limiares de detecção. A área
vermelha (Ruim) indica a região em que devem se encontrar os isoladores ruins. A área verde
(Bom) determina a região em que devem se encontrar os isoladores em boas condições. As
demais áreas em branco caracterizam quando há a detecção incorreta de um isolador, sendo
este identificado como ruim estando bom ou bom estando ruim. ................................................ 38
Figura 36: Simulação de filtro passa-faixas projetado ................................................................. 39
Figura 37: Comparação do nível de sinal recebido para diferentes filtros.................................... 40
Figura 38: Resposta do CI de detecção e analise da faixa de operação com ou sem amplificador
(30) .............................................................................................................................................. 41
Figura 39: Diagrama de blocos do detector desenvolvido ........................................................... 42
Figura 40: Esquemático da simulação ......................................................................................... 42
Figura 41: Gráfico da simulação dos parâmetros de espalhamento S11 e S21 .......................... 42
Figura 42: Circuito do protótipo .................................................................................................... 43
Figura 43: Leiaute da placa de circuito impresso do protótipo ..................................................... 44
Figura 44: Placa de circuito impresso corroída ............................................................................ 44
ix
Figura 45: Placa com os componentes soldados ......................................................................... 44
Figura 46: Detector conectado a antena ...................................................................................... 45
Figura 47: Detector em operação ................................................................................................ 45
Figura 48: Ângulo de defasamento entre tensão e corrente [ °] versus a potência recebida [dBm]
medida pelo analisador de espectro. As linhas vermelhas representam os limiares de detecção.
A área vermelha (Ruim) indica a região em que devem se encontrar os isoladores ruins. A área
verde (Bom) determina a região em que devem se encontrar os isoladores em boas condições.
As demais áreas em branco caracterizam quando há a detecção incorreta de um isolador, sendo
este identificado como ruim estando bom ou bom estando ruim. ................................................ 47
Figura 49: Resultado da medição de ultrassom. As linhas vermelhas representam os limiares de
detecção. A área vermelha (Ruim) indica a região em que devem se encontrar os isoladores
ruins. A área verde (Bom) determina a região em que devem se encontrar os isoladores em boas
condições. As demais áreas em branco caracterizam quando há a detecção incorreta de um
isolador, sendo este identificado como ruim estando bom ou bom estando ruim. ....................... 48
Figura 50: Valores de tensão [v] medidos pelo protótipo desenvolvido relacionados com o ângulo
de defasamento entre corrente de fuga e tensão [ °]. As linhas vermelhas representam os
limiares de detecção. A área vermelha (Ruim) indica a região em que devem se encontrar os
isoladores ruins. A área verde (Bom) determina a região em que devem se encontrar os
isoladores em boas condições. As demais áreas em branco caracterizam quando há a detecção
incorreta de um isolador, sendo este identificado como ruim estando bom ou bom estando ruim.
..................................................................................................................................................... 49
Figura 51: Resultados do RFI para os isoladores ensaiados ....................................................... 50
x
Lista de Tabelas
Tabela 1: Isoladores selecionados, nomenclatura adotada e classificação do nível de descargas
parciais ........................................................................................................................................ 32
Tabela 2: Resultado obtido no ensaio dos isoladores secos ....................................................... 35
Tabela 3: Resultado obtido no ensaio dos isoladores úmidos ..................................................... 37
Tabela 4: Resultados obtidos na segunda parte experimental .................................................... 46
xi
Lista de Símbolos e Acrônimos
CA – Corrente Elétrica Alternada.
CI – Circuito Integrado.
COPEL – Companhia Paranaense de Energia.
COPEL-DIS – COPEL – Distribuição.
DEC - Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora.
FEC - Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora.
IEC - International Electrotechnical Commission
LACTEC – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento.
MIT – Manual de Instruções.
NBR - Texto Normativo da Associação Brasileira de Normas Técnicas.
SMD – Surface Mount Device.
shunt - Resistor de derivação colocado em série ao circuito onde se deseja medir a corrente.
RF – Rádio Frequência.
RFI – Rádio Interferência.
dB – Símbolo de decibel.
dBu – Indicação do nível de intensidade de tensão medida referenciado a 0,775 V.
dBm – Indicação do nível de intensidade de potência medida referenciado a 1 mW
xii
RESUMO
Este trabalho apresenta o estudo para o desenvolvimento de um equipamento de
detecção aplicado na inspeção de isoladores da rede de distribuição. Para a melhor
compreensão do problema, realizou-se a revisão bibliográfica das técnicas de inspeção de redes
utilizadas pelas companhias de energia elétrica (RFI, termovisor e ultrassom), assim como os
processos de degradação de dielétricos e isoladores, apresentando os fenômenos das
descargas parciais (internas e externas) e descargas corona.
Para o projeto do equipamento e avaliação do mesmo, realizaram-se experimentos
simulando condições semelhantes às encontradas na rede, utilizando isoladores de pino
retirados de campo. Como variável de projeto adotou-se as componentes de RF geradas pelos
isoladores, avaliando-se o nível de sinal gerado por cada um.
Ao analisar os resultados obtidos em laboratório do protótipo e confrontar com os
resultados de outras técnicas de inspeção de redes (ultrassom e RFI), pode-se dizer que o
equipamento desenvolvido teve um bom desempenho, apresentando um índice de acerto de
aproximadamente 90% e desempenho semelhante aos das outras técnicas.
Palavra-chave: Redes de distribuição, inspeção instrumental, RFI, ultrassom, termovisor,
descargas parciais, isolador de pino.
xiii
ABSTRACT
This monograph presents a study for the development of a detection equipment used in
the inspection of insulators of the distribution system. For a better understanding of the problem a
literature review about inspection techniques used by electrical distribution system companies
was carried out (RFI, thermal imager and ultrasound), as well as the processes of degradation of
dielectrics and insulators, presenting the phenomena of partial discharge (internal and external)
and corona discharges.
For equipment design and evaluation, experiments were carried out simulating similar
conditions to those found on the distribution system, using field distribution systems removed pin
insulators. As variable of the project, the RF generated by insulators components were adopted,
evaluating the level of signal generated by each one.
By analyzing the results obtained in the laboratory prototype and comparing to the results
obtained from other inspection of distribution system techniques (ultrasound and RFI). So the
designed equipment had a good performance presenting a success rate of approximately 90%
and similar performance to other techniques.
Keyword: distribution system, inspection instruments, RFI, ultrasound, thermal imager,
partial discharge, Pin insulator
1
1 Introdução
Na sociedade atual a energia elétrica possui um papel indispensável, consequentemente
seus usuários vêm se tornando cada vez mais exigentes, exigindo das concessionárias
distribuidoras de energia melhor qualidade de serviço prestado e melhor qualidade de energia.
As redes de distribuição de energia elétrica, de média tensão, no Brasil são
predominantemente aéreas, cerca de 90%. Este sistema basicamente é constituído por
condutores nus fixados em isoladores tipo pino, instalados em cruzetas de madeira, concreto e
mais recentemente compósitos poliméricos. Quase em sua totalidade os isoladores tipo pino
utilizados são fabricados em porcelana que possui boas características elétricas e mecânicas.
Por serem redes aéreas estas serão afetadas pelas intempéries ambientais, poluição e
vandalismo. Desta forma os isoladores estão sujeitos a sofrerem perfurações devido às
descargas atmosféricas e a se degradarem devido à ação de poluentes ou de forma natural.
Também estes isoladores estão sujeitos a defeitos de fabricação ou até mesmo utilização de
matéria prima de qualidade duvidosa que quando instalados na rede podem apresentar defeitos
prematuramente (1).
A interrupção do fornecimento de energia elétrica resultará em elevados custos tanto
para empresa fornecedora de energia quanto para os consumidores. No primeiro caso a
empresa terá uma perda de receita pela interrupção do fornecimento de energia, custos de
deslocamento da equipe de manutenção, onde estas interrupções também poderão afetar os
índices DEC e FEC (2) que a empresa deve manter, podendo gerar multas que muitas vezes
atingem valores elevados. Para os consumidores industriais a interrupção não programada
poderá causar a paralisação da produção e em alguns casos à perda de produção. Para
consumidores comerciais a perdas de comunicação de sistemas de informática representa, por
exemplo, a indisponibilidade da venda de produtos entre outros e para consumidores
residenciais no mínimo um desconforto.
Uma das possíveis causas da interrupção pode ser a perfuração de um isolador de pino,
resultando em um curto-circuito fase-terra, acionando a proteção de sobrecorrente que após
algumas tentativas de religamento, caso o problema seja persistente, será desligado até que
uma equipe de manutenção identifique e solucione o problema. Devido ao grande número de
isoladores de pino integrantes do sistema de distribuição de energia e extensão dos
alimentadores, muitas vezes a tarefa de identificar o isolador danificado torna-se
consideravelmente demorada.
2
Segundo informações das concessionárias, maior parte dos isoladores defeituosos
poderiam ser identificados em inspeções preventivas da rede, onde os isoladores problemáticos
poderiam ser identificados e substituídos. Neste ponto tem-se o grande problema da
manutenção preventiva por meio da inspeção, ou seja, quais equipamentos ou técnicas
deveriam ser aplicados. A resposta que muitas concessionárias ou eletricistas retornam é a
inspeção visual, com ultrassom, rádio frequência ou termovisor. A experiência tem mostrado que
os altos investimentos nestes equipamentos não tem produzido resultados satisfatórios, pois os
problemas continuam a existir nas redes.
A perfuração em um isolador normalmente ocorre no ponto de contato deste com o
cabo. A identificação desta perfuração torna-se impossível de ser visualizada do solo, e em
muitos casos, com o isolador em mãos a olho nu não se observa o defeito, sendo este
identificado somente por técnicas ópticas ou por meio de ensaios de tensão aplicada e medida
de corrente elétrica de fuga, avaliando-se a resistência elétrica de isolamento do mesmo.
A inspeção visual realizada a distância apresenta limitações de observação, e a
inspeção visual em cada isolador pelo método de linha viva torna-se inviável. Os equipamentos
de ultrassom têm apresentado bons resultados (3), porém estão associados diretamente a
questões de interpretação do eletricista e possuem limitadores como a distância à fonte geradora
da componente sonora. O equipamento de termovisão é altamente eficiente para se identificar
pontos quentes como os que ocorrem em conexões, porém, são incapazes de apresentar
resultados positivos em isoladores de pino de redes de distribuição (4). O equipamento de rádio
frequência da forma que vem sendo utilizado, onde o observador identifica o problema por meio
do som em um fone de ouvido ou alto falante gera discussão com relação à interpretação,
porém, em trabalho realizado anteriormente (1) foi identificado que as componentes de rádio
frequência (RF) têm uma grande correlação com o estado de degradação dos isoladores, pois
quanto pior o estado do isolador maior será a corrente de fuga através do mesmo, maior serão
os níveis de descargas corona e parciais, como os discutidos por (1) e (4). Mesmo com estes
estudos, a análise dos resultados apresentados na forma de espectros, exige uma interpretação
do observador. Assim percebe-se a possibilidade do desenvolvimento de um sistema de
inspeção instrumental, para auxiliar o eletricista na rápida identificação de isoladores perfurados,
que analise as componentes de RF e produza um resultado satisfatório que dependa o menos
possível da interferência do observador (1).
Neste ponto, dando continuidade a este estudo desenvolve-se este trabalho de
conclusão de curso, objetivando levantar os espectros característicos de isoladores defeituosos
3
e desenvolvendo um equipamento que venha de forma simples apresentar os espectros
problemáticos.
4
2 Objetivos do trabalho
Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um protótipo capaz de identificar
isoladores de redes de distribuição de energia elétrica que apresentem um estado avançado de
degradação, sendo possível a classificação dos mesmos como “Bom” ou “Ruim” (necessita que
seja trocado ou não).
Para realizar esta classificação (bom/ruim) serão correlacionadas as componentes de RF
emitidas pelos isoladores com o ângulo de defasamento entre a corrente de fuga e a tensão
aplicada.
5
3 Revisão Bibliográfica
Para melhor compreensão do assunto, realizou-se a revisão bibliográfica das técnicas de
inspeção de redes utilizadas atualmente pelas companhias de energia elétrica.
3.1 Inspeção instrumentalizada de redes de distribuição
Atualmente é possível encontrar no mercado alguns dispositivos para inspeção de redes
elétrica de distribuição. Estes equipamentos foram objeto de estudo de um projeto em parceria
entre LACTEC e COPEL (1), em que se analisaram as características principais de cada
equipamento de inspeção; termovisor, ultrassom e rádio interferência - RFI.
Estas técnicas de inspeção instrumental tem sua aplicação descrita em um
procedimento interno da COPEL denominado MIT – Manual de Instruções Técnicas, este manual
tem uma breve descrição do equipamento seguido da orientação de como utilizá-lo em campo
(5).
A inspeção em campo segue um roteiro, onde primeiramente com um detector de RFI
instalado com uma antena radial em um veículo automotor faz-se a varredura do local até a
detecção de ruídos que possam representar isoladores com defeitos. Esta etapa determina a
área que contem a fonte emissora do ruído captado, porém não sendo possível identificar a
estrutura em que está a fonte emissora.
A etapa a seguir consiste de uma inspeção ponto a ponto das estruturas contidas nesta
área com o equipamento de ultrassom que possui uma ponteira a laser e antena parabólica
possibilitando uma analise mais detalhada da estrutura a fim de determinar onde está o
componente defeituoso.
Outro ponto bastante importante apresentado na MIT da COPEL é que para todos os
métodos, é recomendo para uma boa interpretação dos resultados fornecidos pelos
equipamentos que os operadores devem desenvolver uma sensibilidade para avaliá-los,
recomendando-se a baixa rotatividade do pessoal desta função, ficando evidente a dificuldade
em se interpretar os resultados e a dependência do operador (5).
Vários trabalhos relatam, (1; 4; 6), que a inspeção utilizando os termovisores não se
mostrou muito eficaz na detecção de problemas em isoladores, mas bastante útil na identificação
6
de pontos quentes na rede causados por problemas como conexões, contatos ruis e pontos de
oxidação que provocam o aquecimento de condutores e conectores (7).
3.2 Técnicas ópticas
Pode-se considerar como a primeira técnica de inspeção de linha de distribuição a
inspeção visual sem nenhum instrumento auxiliar, ou com binóculos que corresponde ao
operador inspecionando a rede a olho nu. Esta técnica é extremamente dependente da
experiência do inspetor de redes, sendo bastante eficaz na identificação de galhos, objetos
encostados na rede e defeitos visíveis e que se encontrem no campo de visual do eletricista,
mas não eficaz na detecção dos isoladores que apresentam algum tipo de problema que não se
encontrem no campo visual do eletricista ou que não possa ser visualizado a olho nu.
A Figura 1 e Figura 2 ilustram, consecutivamente, um exemplo de inspeção visual e de
galhos em contato com a rede elétrica.
Figura 1: Inspeção instrumental visual (8)
Figura 2: Árvore em contato com a rede elétrica de distribuição
7
3.3 Termovisores
Os termovisores originalmente foram desenvolvidos para fins militares, utilizados na
detecção de inimigos em ambientes com fumaça ou noturnos para aumentar a segurança dos
atiradores. Com o passar dos anos o maior domínio da técnica ajudou a reduzir os custos
viabilizando a aplicação de câmeras térmicas em outras áreas.
Seu funcionamento é baseado na detecção e interpretação da radiação infravermelha
(0,4–1000 µm) comparando o valor medido com o modelo de radiação do corpo negro. Esta
teoria relata que todos os corpos que possuem temperaturas acima do zero absoluto (0 ºK)
emitem radiação dentro do espectro infravermelho sendo a intensidade proporcional a sua
temperatura (9).
Em um sistema em que circula uma corrente elétrica, esta poderá causar o aquecimento
caracterizando perdas por efeito Joule. Baseado nisso iniciou-se a aplicação de câmeras
térmicas na inspeção de pontos quentes nas redes de energia elétrica.
Os equipamentos auxiliares como câmeras de infravermelho (pirômetros e termovisores)
e câmeras de ultravioleta (para detecção de corona) são utilizados como detectores de pontos
de aquecimento devido à corrente elétrica de fuga, como conexões mal feitas que apresentem
aquecimento (1).
Quanto à aplicação desta técnica na inspeção de redes de distribuição há muita
discussão sobre o assunto, sendo que alguns afirmam que as medições devem ser feitas no
período noturno para minimizar a influencia da radiação solar, outros afirmam que esta deve ser
feita no horário de pico do consumo de energia, pois teoricamente se teria uma maior circulação
de corrente pela rede. Mas os fabricantes garantem a eficiência do equipamento em qualquer
horário afirmando que os equipamentos possuem um sistema de correção da radiação de fundo
(10).
A
Figura 3 a Figura 5 mostram na sequencia um equipamento de termovisão utilizado na
inspeção de redes, exemplo de um veiculo com o termovisor instalado para inspeção e exemplos
de imagem termográfica da rede em que se faz o diagnóstico da mesma.
8
Figura 3: Termovisor NEC modelo TH 5100 (4).
Figura 4: Veículo preparado para inspeção termográfica de redes de distribuição (1).
Figura 5: Imagem termográfica de isoladores de pino em uma linha de distribuição. Na imagem da direita pode-se observar o primeiro isolador de disco da cadeia apresentando um aquecimento se comparado aos
demais isoladores e cabos (1)
9
A aplicação desta técnica na inspeção de isoladores da rede de distribuição não se
mostrou eficiente, pois ao analisar os isoladores retirados de campo por apresentarem
aquecimento não se constatou problemas no isolamento elétrico em sua grande maioria tendo
um acerto de 20% (1), concluindo-se que o aquecimento dos mesmos pode ser devido a outras
fontes.
3.4 Técnicas sonoras
As descargas parciais geram ruídos de natureza audível e não audível. A identificação
das fontes de ruído audível, na rede de distribuição, é um trabalho difícil por apresentar a grande
dependência da interpretação do operador e o ruído escutado ou captado sofrer grande
interferência do meio, mesmo com o auxilio de microfones direcionais.
Um breve exemplo de um problema desta técnica é que um operador que tenha uma
audição com problemas irá fazer um diagnóstico diferente de um operador com audição
saudável.
3.5 Ultrassom
O ultrassom são ondas sonoras cuja frequência de oscilação está acima de 20 kHz.
Alguns animais (golfinhos e morcegos) possuem a capacidade de emitir ondas ultrassônicas
(11). Este fenômeno observado nestes animais foi foco de estudo para muitos pesquisadores
interessados em utilizar esta técnica para vários fins, como o desenvolvimento do sonar durante
a segunda guerra mundial permitindo a detecção de objetos submersos e avaliação da
profundidade dos mares (12).
Com o término da segunda guerra mundial e o desenvolvimento de novas aplicações o
ultrassom passou a ser aplicado em diversos campos, sendo estas aplicações divididas entre
aplicações de baixa intensidade e alta intensidade.
Basicamente as aplicações de alta intensidade são aquelas em que o ultrassom irá
produzir a alteração do meio em que está se propagando, alguns exemplos são a limpeza por
cavitação, solda e homogeneização de materiais, ruptura de células biológicas e terapia médica.
10
Aplicações de baixa intensidade são aquelas em que se emite um sinal ultrassônico
através de um meio com a finalidade de se obter informações do mesmo, podendo citar as
aplicações de diagnostico médico, ensaios não destrutivos de materiais e medidas das
propriedades elásticas de materiais.
Como é de conhecimento o ouvido humano consegue interpretar apenas sons de
frequências compreendidas entre aproximadamente 20 Hz e 20 kHz. Estudos determinaram que
descargas parciais, corona, arcos e trilhamento elétrico como sendo fontes de ultrassom (3; 12),
portanto para a detecção do ultrassom gerado pela rede de distribuição é necessário a utilização
de equipamentos específicos. Estes equipamentos basicamente detectam as ondas
ultrassônicas através de um transdutor piezoelétrico que converte o ruído sonoro em sinal
elétrico. Por meio de um circuito este sinal é convertido em sinal audível. No mercado são
encontrados alguns equipamentos que possuem somente um fone de ouvido para que o
operador possa ouvir o ruído do sinal de ultrassom, em outros além do fone de ouvido há um
indicador de intensidade sonora em dBu.
Na Figura 6 pode-se visualizar o detector de ultrassom SDT 170 utilizado para a
inspeção instrumental de isoladores. Este equipamento possui um sensor acoplado a antena
parabólica para que seja possível a realização de medidas direcionais (ponto a ponto). O
equipamento pode realizar medições de sinais compreendidos entre -10 dBu e 120 dBu e opera
na faixa de frequência entre 16 kHz e 190 kHz. Outro diferencial deste detector é a mira a laser,
permitindo que o operador mire diretamente no ponto em que se deseja inspecionar.
Figura 6: Detector de ultrassom SDT 170 (1).
11
O procedimento de inspeção de redes de distribuição com o equipamento de ultrassom é
realizado ponto a ponto nas estruturas a partir do solo, aproximadamente a uma distancia entre 8
m e 12 m do ponto de inspecionado. Como se pode verificar na Figura 7 o inspetor utilizando um
fone de ouvido para escutar o ruído captado e realizar o diagnostico dos componentes da rede
em questão. Pela interpretação ser realizada a partir do ruído escutado pelo operador com o
fone de ouvido, fica evidente a dependência do diagnóstico com a percepção do eletricista (1; 3;
5).
A Figura 8 ilustra um exemplo em laboratório da detecção do ponto de maior ruído em
um isolador, utilizando um equipamento de ultrassom com mira a laser.
Figura 7: Inspeção de redes de distribuição com a utilização de ultrassom (4; 5).
Figura 8: Verificação do ponto de ocorrência de maior intensidade de descargas através do sensor de ultrassom com mira a laser (12).
12
Ainda não há nenhum padrão que determine qual é o valor limite que um isolador pode
emitir de ruído, sendo que na literatura se encontra alguns valores sugeridos como acima 5 dB
(4) em uma medição de campo representaria um isolador ruim, enquanto outro estudo ponta o
valor de 13 dB (1) em medições de laboratório.
Um estudo realizado por Lundgaard (13) relata que a distância entre a fonte de ruído e o
equipamento de medição influência significativamente o resultado da medição, pois este sofrerá
um excesso de interferência ambiente, não permitindo a localização precisa da fonte de
descargas parciais. A principal vantagem da inspeção com ultrassom é que o inspetor se
encontra a distância do ponto inspecionado, podendo realizar a tarefa sem invadir áreas
proibidas, locais não seguros e regiões com concentração de altos campos eletromagnéticos.
Outro estudo determinou em laboratório que a situação mais eficiente de inspeção é
aquela em que o operador se encontra a uma distancia de 1,5 m da fonte de descarga e com o
medidor sintonizado em uma faixa de frequências de 35 a 45 kHz (14).
3.6 Rádio frequência Interferência - RFI
Em 1880 Heinrich Hertz iniciou pesquisas experimentais sobre a elasticidade dos gases
e a propagação de descargas elétricas através deles, concluindo em 1887 que estas descargas
geram ações que se manifestam em forma de ondas, criando os termos “ondas indutiva” ou
“ondas aéreas” sendo hoje denominadas como ondas hertzianas ou popularmente como ondas
de radiofrequência (RF) (12).
A radiação de campos eletromagnéticos no espaço livre é uma das formas mais
utilizadas para a transmissão de informação, de forma básica utiliza-se da técnica de modulação
de uma portadora. Sendo o alcance e a capacidade de transportar informação dependentes do
tipo de modulação, frequência da onda portadora, potência e sensibilidade do
transmissor/receptor e da eficiência de acoplamento do sistema emissor/meio/receptor (15).
As descargas parciais e corona produzem ondas eletromagnéticas que se propagam em
todas as direções a partir do ponto de geração possuindo frequências características que podem
interferir nos sistemas de comunicação. Com base neste fenômeno é que o equipamento de RFI
foi desenvolvido.
O principio de funcionamento do equipamento de RFI é semelhante ao de um rádio
convencional, onde é acoplada à entrada do aparelho uma antena para a captação do sinal de
13
RF. O sinal passará por um filtro sintonizável que pode ter sua frequência central variada,
varrendo o espectro de frequência em busca de uma faixa em que possa ser detectado o ruído
gerado pela estrutura, sendo então avaliada a interferência entre o ruído gerado pela estrutura
no sinal de fundo captado.
Na literatura há uma diversidade de faixas de frequência que caracterizam o ponto ótimo
de operação do detector de RFI, sendo sugerido por Shibab e Wong (16) que o sinal emitido seja
captado por uma antena bicônica na faixa entre 30 MHz e 300 MHz. Os dados são armazenados
e analisados estatisticamente através da média e mediana dos picos. Uma segunda forma
sugerida seria a análise do sinal medido através da transformada de Fourier. Estas técnicas têm
apresentado resultados satisfatórios na detecção de diferentes tipos de problemas em
isoladores.
Em um estudo realizado em parceria entre COPEL e LACTEC (1) constatou-se em
laboratório e em campo como sendo a faixa de operação ótima para a detecção de isoladores
com descargas parciais, a faixa de frequência compreendida entre 1.8 MHz e 40.2 MHz, sendo
confiável em relação a interferência externa. Para este estudo o equipamento utilizado pode ser
visualizado na Figura 9.
Figura 9: Equipamento de RFI Locator modelo 240ª
O equipamento em questão opera na faixa de frequência compreendida entre 1,8 MHz e
1000 MHz. Ao girar o botam de “FREQ” varia-se a frequência central do filtro passa-faixas
sintonizando o equipamento na frequência desejada. Há um visor em que permite observar a
forma de onda no domínio do tempo do ruído captado. Há um ajuste de ganho e um medidor de
intensidade do sinal ambos sem escalas em dB e dBm. O manual do equipamento não
apresenta informações sobre a largura de banda do filtro utilizado, dificultando a determinação
14
de exatamente qual seria a faixa de frequência total em que se compreende o ruído captado,
deixando a interpretação do resultado para a experiência do inspetor.
A Figura 10 exemplifica como é feita e o resultado de uma inspeção em campo,
enquanto que a Figura 11 e Figura 12 mostram o equipamento de RFI e o procedimento de
inspeção sugeridos pela COPEL (5).
Figura 10: Inspeção de redes de distribuição com a utilização do equipamento de rádio frequência (4).
Figura 11: Conjunto de equipamento de inspeção de radio interferência MIT 160919 (5)
15
Figura 12: Representação de uma inspeção em linha de transmissão de acordo com o manual da COPEL - MIT 160919 (5)
16
4 Fenomenologia
Para a melhor compreensão dos processos de degradação dos isoladores, se faz
necessário a compreensão dos conceitos e efeitos das descargas parciais e corona.
As descargas parciais têm sua terminologia normatizada pela IEC-270 e pela norma
brasileira NBR-6940 (17; 18). Encontra-se na literatura algumas divergências nestas definições,
segundo Kreuger (19) o termo “ionização” é utilizado incorretamente pela literatura inglesa e
estadunidense, que consideram o mesmo termo para o fenômeno de descarga parcial, e os
termos “ponto de ionização” e “nível de ionização” são igualmente incorretos.
A utilização da palavra “corona” na literatura estadunidense para definir descargas
parciais no interior de vazios e o termo “detector corona” utilizado para definir instrumentos de
medição de descargas parciais, também são considerados incorretos. A terminologia atual
diferencia as descargas em parcial interna, parcial superficial e descarga corona (17).
Sucintamente define-se descarga parcial como a descarga elétrica que ocorre em uma
região do espaço submetida a um campo elétrico, cujo caminho condutor formado pela descarga
não une os dois eletrodos de forma completa (20).
4.1 Descarga parcial interna
Nos processos de fabricação de equipamentos e materiais isolantes pode-se ter vazios
ou inclusões, bolhas de ar que se formam no interior do material durante seu processo de
fabricação ou algum “poluente” que venha a se misturar com a matéria base para a produção
dos isoladores (21).
Nestes vazios ou inclusões poderão iniciar as descargas parciais internas, a ocorrência
contínua destas descargas causará a alteração das propriedades das superfícies internas dos
vazios resultando em uma deformação do vazio, podendo gerar caminhos condutores
conhecidos como arborescência elétrica. O crescimento do processo de arborescência pode
levar o material à ruptura, formando um curto-circuito fase-terra (21).
A Figura 13 mostra a ocorrência de descargas no interior de vazios presentes em um
material dielétrico e a Figura 14 ilustra um processo de arborescência elétrica originada a partir
de descargas parciais internas.
17
Figura 13: Exemplo de descarga parcial interna (22)
Figura 14: Representação dos caminhos condutores gerados por descarga parcial em um material dielétrico polimérico (21)
Estes caminhos, arborescências, são canais preenchidos por materiais com
características condutoras, em sua maioria composta pelo carbono resultante das reações
químicas das moléculas do polímero sobre ação das descargas e vazios preenchidos com gases
também resultantes dessas reações. Dentro destes vazios também ocorrem descargas parciais
que aceleram o processo de crescimento da arborescência levando à ruptura do material (19),
(21).
4.2 Descarga parcial superficial
A descarga parcial superficial ocorre quando o campo elétrico paralelo à superfície de
um material dielétrico ultrapassa um determinado valor critico, devido a alterações na
18
condutividade da mesma, e assim inicia-se o processo de descargas entre o eletrodo e a
superfície do material (descargas elétricas superficiais) como mostra a Figura 15.
Figura 15: Representação da descarga parcial superficial em um material dielétrico polimérico (12)
Este efeito se caracteriza pela passagem de corrente elétrica superficial com alta
dissipação de calor resultando na degradação não uniforme do material dielétrico, favorecendo o
surgimento de bandas secas que ao interromperem o fluxo de corrente deformam o campo
elétrico que deixa de ser homogêneo podendo provocar o aumento das descargas parciais
superficiais agravando o processo de degradação do material isolante e iniciando a formação de
trilhamento ou trilhas elétricas (23; 24).
O trilhamento elétrico se propaga na direção do campo elétrico podendo levar a ruptura
do dielétrico, pois com o tempo irá se formar um caminho condutor com baixa impedância
superficial reduzindo a distância de arco e a distância de escoamento do isolador (24), pode-se
verificar um exemplo de trilhamento elétrico em um isolador na Figura 16.
19
Figura 16: Isolador cerâmico danificado por trilhamento (12)
Outros fatores podem promover o envelhecimento de isoladores de redes aéreas, como
radiação, calor, forças mecânicas, poluentes, proporcionam um ambiente propício para a
ocorrência de descargas parciais superficiais (25).
4.3 Descarga parcial corona
A descarga parcial corona ocorre a partir de eletrodos metálicos com pontas agudas que
causam um intenso campo elétrico em sua extremidade. A descarga irá ocorrer quando o valor
crítico da rigidez dielétrica do ar for ultrapassado, gerando assim uma descarga para o ar,
também conhecido como ionização do ar.
Ozônio, uma composição instável de oxigênios, é frequentemente gerado durante este
processo. A borracha, utilizada em equipamentos de proteção para manutenção de linha viva, é
bastante degradada pelo ozônio podendo acelerar o processo de envelhecimento do material.
Em um ambiente com umidade suficiente o ácido nítrico pode ser gerado, sendo que ambos
componentes (ácido nítrico e ozônio) gerados tem efeito prejudicial nos materiais, inclusive sobre
isoladores elétricos.
Na ocorrência destas descargas certa quantidade de energia é liberada na forma de luz,
som, partículas carregadas eletricamente e ondas eletromagnéticas na faixa de rádio frequência,
causando interferência nos sistemas de telecomunicações situados próximos às redes de
energia elétrica (26).
Um exemplo deste tipo de descarga pode ser visualizado na Figura 17.
20
Figura 17: Efeito corona (27)
21
5 Parte Experimental
5.1 Materiais Utilizados e Equipamentos
Para a realização dos experimentos foram utilizados os equipamentos e materiais
apresentados na sequencia:
5.1.1 Estufa
Foi utilizada a estufa da marca FANEN modelo 320 SE, ilustrada na Figura 18, com
circulação de ar forçada para realizar a secagem dos isoladores antes da realização dos
ensaios.
Figura 18: Estufa utilizada na secagem dos isoladores de pino.
5.1.2 Fonte de Tensão
Foi utilizado o “Multi Test Set” da marca Haefely modelo E 105.3 com o painel de
controle modelo 273. Durante os ensaios a fonte aplicou uma tensão fase-terra de 8 kV com uma
frequência de 60 Hz. A fonte pode ser visualizada na Figura 19.
22
Figura 19: Fonte de tensão CA.
5.1.3 Multímetro Digital
Para verificar a tensão aplicada pela fonte utilizou um multímetro digital da marca Fluke
modelo 87V True RMS Multimeter ilustrado pela Figura 20. A fonte de tensão era conectada a
um divisor capacitivo para que a tensão aplicada pudesse ser visualizada pelo multímetro.
Figura 20: Multímetro da marca Fluke utilizado nos ensaios.
Um multímetro de mesma marca e modelo foi utilizado para a medição da tensão de
saída do protótipo desenvolvido.
23
5.1.4 Osciloscópio
O osciloscópio da marca Tektronix modelo TPS2024 ilustrado na Figura 21, foi utilizado
nos ensaios para a medição, visualização e comparação das formas de ondas dos sinais
medidos pela ponta de prova capacitiva, bobina de Rogowski e corrente de fuga do isolador na
primeira parte experimental, na segunda parte experimental além destes também foram medidos
os sinas gerados pelo RFI Locator.
Figura 21: Osciloscópio Tektronix modelo TPS2024
5.1.5 Ponta de Prova Capacitiva
Para a medição no osciloscópio da tensão aplicada no isolador ensaiado usou-se a
ponta de prova para alta tensão da marca Tektronix modelo P6015, ilustrada na Figura 22.
Figura 22: Ponta de prova capacitiva Tektronix P6015
24
5.1.6 Resistor Shunt
Para auxiliar na medição da corrente de fuga utilizou-se de um resistor shunt conectado
ao pino do isolador, exemplificado no diagrama do item 5.2, sendo assim a medida de corrente
foi calculada a partir da queda de tensão no resistor. O resistor shunt pode ser visualizado na
Figura 23.
Figura 23: Resistor Shunt
5.1.7 Analisador de Espectro
Para analisar as faixas de frequências em que os isoladores geravam componentes de
RF e os níveis de sinais se fez necessário a utilização de um analisador de espectro sendo
utilizado o equipamento da marca Rohde & Schwarz e modelo ESCS30, ilustrado na Figura 24.
Figura 24: Analisador de espectro Rohde & Schwarz modelo ESCS30
25
5.1.8 Detector de RFI
Na segunda parte experimental fez-se uma comparação entre as técnicas de inspeção
utilizadas em campo. Para determinar o RFI gerado pelo isolador foi utilizado o equipamento RFI
Locator modelo 240A da marca Radar Engineers sintonizado em 40 MHz. O equipamento pode
ser visualizado na Figura 25.
Figura 25: Equipamento de RFI Locator modelo 240A
5.1.9 Ultrassom
Para a medição dos níveis de ultrassom dos isoladores na segunda parte experimental
foi usado o medidor da marca SVT modelo SDT170, o equipamento pode ser visualizado na
Figura 26.
Figura 26: Medidor de ultrassom marca SDT modelo SDT170
26
5.1.10 Antena
Foi utilizada a antena da marca LARSEN modelo NMOQ, ilustrada na Figura 27. Para
fins de compatibilidade dos resultados utilizou-se a mesma antena em todos os equipamentos de
medição de componentes de RF (Analisador de espectro, RFI Locator e o protótipo
desenvolvido). Esta antena acompanha o equipamento de medição de RFI utilizado pelas
equipes de inspeção em campo.
Figura 27: Antena da marca LARSEN modelo NMOQ
5.1.11 Bobina de Rogowski
Utilizou-se a bobina de Rogowski do modelo CI-F5.0-B da marca Bergoz, ilustrada na
Figura 28. Esta bobina é utilizada para a medição da ocorrência de descargas parciais nos
isoladores.
Figura 28: Bobina de Rogowski
27
5.1.12 Isoladores de Pino Cerâmicos
O objeto de estudo para a realização deste trabalho foi o isolador de pino cerâmico que
possui uma larga utilização nas redes de distribuição aérea. Um modelo semelhante ao utilizado
pode ser visualizado na Figura 29.
Figura 29: Isolador de Pino
5.2 Arranjo do Ensaio
O padrão do arranjo do ensaio e equipamentos utilizados em laboratório está
demonstrado no diagrama da Figura 30.
Figura 30: Diagrama do arranjo de ensaio de tensão aplicada.
O arranjo de ensaio consiste de um tripé metálico, no qual foi colocado em sua
extremidade superior um segmento de cruzeta polimérica, onde são fixados os isoladores de
pino a serem testados. O condutor é simulado por um tubo de alumínio preso com uma borracha
28
ao isolador para evitar pontas ou gaps. Também foram colocados nas extremidades do condutor,
alívios de campo elétrico a fim de eliminar a geração de possíveis ruídos que poderiam interferir
sobre os resultados do experimento. Utilizou-se um arame de alumínio para fazer a conexão
entre um dos alívios de campo e a fonte de alta tensão. Em todos os ensaios aplicou-se uma
tensão CA fase-terra de 8 kV sobre os isoladores.
Adotou-se como distância padrão entre o isolador e a antena quatro metros devido a
limitações do espaço físico em que foram realizados os ensaios.
5.3 Métodos
O método a ser aplicado ao desenvolvimento deste trabalho consistiu em quatro partes,
sendo a primeira parte a separação de um conjunto de dez isoladores de pino a serem utilizados
nos ensaios. A segunda parte consistiu em uma pré-análise de três isoladores de pino, conforme
o estado de degradação sendo classificados como bom, médio e ruim, objetivando o
levantamento das faixas de frequência a serem estudadas. Na terceira parte o estudo será
estendido ao conjunto dos 10 isoladores de pino dentro das faixas de frequências selecionadas
na etapa anterior. A quarta e última etapa será dedicada ao desenvolvimento do protótipo e a
avaliação de seu desempenho aplicando-se a mesma metodologia utilizada na terceira etapa.
5.3.1 Primeira Etapa – Seleção dos Isoladores de Pino
Com base em estudos anteriores desenvolvidos pelo LACTEC e UFPR (1; 4; 28) será
selecionada uma amostra de dez isoladores de pino de uma população retirada de campo. Estes
representarão três possíveis situações encontradas em campo, isoladores com baixo índice de
descargas parciais, nível médio de descargas parciais e com alto índice de descargas parciais.
5.3.2 Segunda Etapa – Seleção das Faixas de Frequências
Para a seleção das faixas de frequências a serem utilizadas nas etapas seguintes, serão
testados três isoladores que representem as três situações do processo de degradação, isolador
29
bom, com nível baixo de descargas parciais, isolador com nível intermediário de descargas
parciais e com alto nível de descargas parciais.
Para os três isoladores serão avaliadas as faixas de frequências de 500 kHz a 100 MHz,
100 MHz a 200 MHz, 200 MHz a 300 MHz, 300 MHz a 400 MHZ e 400 MHz a 500 MHz afim de
se determinar a faixa em que o ruído gerado pelos isoladores se mostra mais evidente.
5.3.3 Terceira Etapa – Análise dos Isoladores
Após a determinação da melhor faixa a ser estudada, descrita na segunda etapa, serão
realizados os ensaios dos dez isoladores escolhidos na etapa um, onde pretende-se levantar o
espectro de fundo, o espectro gerado por cada isolador, bem como a corrente de fuga e o sinal
detectado pela bobina de Rogowski.
Esta etapa será realizada para duas situações distintas. A primeira situação será
realizada com os isoladores secos após passarem duas horas em uma estufa a 90 °C. A
segunda situação consistirá do ensaio dos isoladores úmidos, após passarem a noite sob efeito
da umidade.
5.3.4 Desenvolvimento do Protótipo e Avaliação de Desempenho
5.3.4.1 Desenvolvimento do Protótipo
A partir dos dados experimentais coletados pode-se realizar a determinação dos
parâmetros de projeto do protótipo, faixa de frequência de operação e nível mínimo de sinal de
entrada. Com base nestes parâmetros pretende-se definir os filtros e amplificadores a serem
utilizados.
Durante o desenvolvimento dos projetos estes terão seus desempenhos analisados
através de simulações com o software “Qucs” (29) que possibilitará a realização de simulações e
analises de circuitos de RF. Serão analisados os desempenhos de circuitos projetados e
componentes comerciais.
Após definição do projeto a ser implementado serão iniciados os processos de compra
de componentes e montagem do protótipo.
30
5.3.4.2 Avaliação de Desempenho
Para avaliar o funcionamento do protótipo desenvolvido, serão realizados ensaios sobre
a mesma população de isoladores utilizados na terceira etapa. Neste caso serão considerados
os isoladores em uma condição ambiente, sem sofrer qualquer método de condicionamento
(úmido ou seco), para se simular uma situação de operação normal dos isoladores.
Além das medições padrões de corrente de fuga, tensão aplicada e descargas parciais
através da bobina de Rogowski serão realizados os levantamentos do espectro de frequência
para a faixa considerada ótima para o projeto.
Para se ter um paralelo entre os valores medidos pelo protótipo a ser desenvolvido e os
resultados das outras técnicas de inspeção serão realizadas medidas da intensidade de
ultrassom gerado pelos isoladores e os níveis de RFI.
5.3.5 Técnicas Padrão
5.3.5.1 Medição de descarga parcial com a bobina de Rogowski
O sistema de medição adotado nos ensaios e ilustrado na Figura 30 consiste em uma
bobina de Rogowski instalada na base do pino do isolador, entre a cruzeta e o isolador. É
conectada por um cabo BNC a um “casador” de impedância ligado em um dos canais do
osciloscópio. A detecção de sinais com a bobina de Rogowski é uma técnica utilizada para a
detecção de descargas parciais onde se mede o ruído da corrente de fuga que circula pelo pino
do isolador.
5.3.5.2 Medição da Corrente elétrica de fuga
Para registrar a corrente de fuga do isolador como ilustrado na Figura 30, o pino deste é
ligado em série a um resistor shunt e o mesmo aterrado. Está técnica possibilita o registro da
tensão equivalente detectada pela ponta de prova de alta tensão e forma de onda da corrente de
fuga possibilitando se obter o ângulo de defasamento entre a tensão e a corrente. Para a
determinação da corrente de fuga são considerados os valores pico a pico do sinal medido pelo
31
osciloscópio. Por se tratar de um sistema capacitivo quanto melhor o estado do isolador mais
capacitivo é o sistema, assim o ângulo de defasamento deve estar próximo a 90º.
5.3.5.3 Levantamento do espectro de frequências
Para o levantamento do espectro de frequências durante os ensaios utilizou-se uma
antena conectada a um analisador de espectro que realizou as varreduras do espectro de
frequências.
5.3.5.4 Detecção do nível de Ultrassom
A uma distancia de quatro metros do isolador se realizou a medição do nível de
ultrassom gerado. Para análise considerou-se o valor máximo medido em dBu.
5.3.5.5 Detecção dos ruídos de RFI com equipamento comercial
Como referência considerou-se a mesma distância de quatro metros utilizada no
levantamento do espectro de frequência e na medição do nível de ultrassom. Os resultados
foram analisados a partir das imagens geradas no visor do equipamento comercial de RFI
utilizado.
32
6 Resultados e Discussão
Nesta sessão serão discutidos e apresentados os resultados obtidos em cada etapa do
desenvolvimento do presente trabalho.
6.1 Seleção dos Isoladores de Pino
Com base em estudos anteriores desenvolvidos pelo LACTEC e UFPR (1; 4; 28) de uma
população de 127 isoladores de pino retirados de campo pela COPEL-DIS, e com base nos
resultados de medida do nível de ruído gerado por eles foram selecionados 10 isoladores de
pino divididos nas condições baixo índice de descargas parciais, nível médio de descargas
parciais e com alto índice de descargas parciais. A Tabela 1 apresenta os isoladores
selecionados, a nomenclatura adotada no trabalho para cada isolador e a classificação quanto
ao nível de descargas parciais.
Tabela 1: Isoladores selecionados, nomenclatura adotada e classificação do nível de descargas parciais
Isolador Nomenclatura Classificação
IB01 B1 Baixo
66 B2 Baixo
Isolador 6 M1 Médio
IB09 M2 Médio
IB06 R1 Alto
SN01 R2 Alto
IB14 R3 Alto
IB10 R4 Alto
IB12 R5 Alto
IS01 R6 Alto
6.2 Seleção das Faixas de Frequências
Para otimização do ensaio realizou-se uma etapa preliminar do mesmo com somente
três isoladores (B1, M1 e R1) classificados como em bom estado, estado de degradação médio e
com alto índice de descargas parciais. Esta parte do trabalho objetivou determinar quais seriam
33
as faixas de frequência a se analisar, pois há uma infinidade de possíveis pontos ótimos de
operação sugeridos na literatura (1; 16) e também foi uma forma de se verificar alguns
resultados publicados. Foram analisadas preliminarmente as seguintes faixas, 500 kHz a 100
MHz, 100 MHz a 200 MHz, 200 MHz a 300 MHz, 300 MHz a 400 MHZ, 400 MHz a 500 MHz.
Para o cálculo do nível de ruído gerado utilizou-se somente as medições do analisador de
espectro compreendidas entre 10 MHz e 60 MHz por ser a faixa onde a geração de
componentes de RF se mostrou mais evidente.
Pode-se observar pela Figura 31 a Figura 33 os resultados obtidos pelo analisador de
espectro para os isoladores B1, M1 e R1 para a faixa de frequência entre 500 kHZ e 100 MHz.
Figura 31: Comparação entre o espectro de frequência de um isolador bom com o ruído de fundo "Branco" na faixa de 500 kHz e 100 MHz
Figura 32: Comparação entre o espectro de frequência de um isolador que apresentou um nível médio de descargas parciais com o ruído ambiente "Branco" na faixa de 500 kHz e 100 MHz
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
dB
µV
Freqüência [MHz]
Isolador em Bom estado
B1
Branco
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
dB
µV
Freqüência [MHz]
Isolador em médio de descargas parciais
M1
Branco
34
Figura 33: Comparação entre o espectro de frequência de um isolador que apresentou um nível médio de descargas parciais com o ruído ambiente "Branco" na faixa de 500 kHz e 100 MHz
A Figura 33 deixa claro que a faixa compreendida entre 10 MHz e 60 MHz é a que
apresentou maior destaque do ruído eletromagnético gerado pelo isolador comparado com o
valor de referência (“Branco”) do local da medição, por isso se adotou esta faixa de frequência
como referência para os estudos desenvolvidos.
6.3 Análise dos Isoladores
Na sequencia são apresentados os resultados obtidos com a fase de levantamento do
espectro de frequências.
Para ser possível a comparação entre os resultados obtidos pelo analisador de espectro
foram realizadas duas medidas, sendo uma com todos os equipamentos do laboratório
desligados para a determinação do ruído de fundo no ambiente de ensaio onde se utilizou a
nomenclatura “Branco”, e outra com apenas a fonte de tensão ligada para a determinação do
ruído gerado por ela sendo intitulada como “Fonte”. A partir destes sinais pode-se determinar
qual é o ruído gerado pelos isoladores.
Devido a semelhança entre os valores medidos “Branco” e “Fonte” adotou-se como
referencia somente os dados do ruído de fundo do ambiente “Branco”.
A
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
dB
µV
Freqüência [MHz]
Isolador com alto índice de descargas parciais
R1
Branco
35
Tabela 2 e Tabela 3 apresentam os resultados obtidos na terceira parte experimental
para os isoladores secos e úmidos respectivamente. Pode-se visualizar a corrente de funga (I
Fuga), o ângulo de fase [graus°] e o nível de sinal captado (RF [dBm]) na faixa entre 10 MHz e
60 MHz.
Para a classificação de bom ou ruim foi considerado como limiares -60 dBm para o nível
de sinal recebido (> Ruim, < Bom) e para o ângulo de defasamento se considerou 60° (> Bom, <
Ruim).
Tabela 2: Resultado obtido no ensaio dos isoladores secos
Nom. I Fuga [A] Ângulo[°] RF [dBm]
Branco - - -64,28488329
B1 8,00E-04 87,305389 -65,06349981
B2 4,00E-03 37,832335 -66,10818228
M1 1,00E-03 84,934132 -64,84150584
M2 1,10E-03 83,209581 -65,05474964
R1 3,60E-03 48,071856 -53,59221145
R2 2,00E-03 74,155689 -61,97847521
R3 4,00E-03 54,862275 -58,2784396
R4 1,50E-02 44,191617 -52,92973669
R5 4,00E-03 64,239521 -56,75095132
R6 3,00E-03 46,994012 -57,02693517
Seco
Ao considerar como limiar para identificação dos isoladores ruins somente a potência
recebida de -60 dBm, seriam classificados como ruins os isoladores R1, R3, R4, R5 e R6,
enquanto que os isoladores B1, B2, M1, M2 e R2 seriam classificados como bons.
Considerando ainda somente os resultados dos isoladores secos e a população de 10
isoladores e comparando o resultado proposto pela analise das componentes de RF com os
resultados do ângulo de fase tem-se um acerto de 80% dos casos medidos, pois ao escolher
como limiar o ângulo de fase 60º deveriam ser detectados como ruins os isoladores B2, R1, R3,
R4, R6 e como bons os demais B1, M1, M2, R2, R5. As únicas discordâncias entre os resultados
é o isolador B2 que não foi detectado como ruim e o isolador R5 que foi detectado como ruim
pelo método das emissões de RF caracterizando dois erros na detecção correspondendo para
esta amostragem o equivalente a 80% de acerto.
Ao se analisar a corrente de fuga e as descargas parciais o isolador R5 mesmo estando
com o ângulo de fase um pouco superior a 60º este seria um diagnostico correto devido sua
corrente de fuga elevada na ordem de 4 mA e o alto índice de descargas parciais detectado. O
único isolador que não foi de fato detectado corretamente foi o B2 por não apresentar descargas
36
parciais mesmo com uma corrente de fuga elevada. Assim a taxa de assertividade é de 80% a
90% para este caso.
A Figura 34 mostra em um gráfico ângulo de defasamento [ °] pelo nível de sinal
recebido em [dBm] para uma melhor visualização dos resultados. As linhas vermelhas indicam
os limiares de detecção discutidos anteriormente e as regiões vermelha e verde representam as
zonas em que se teria a correta detecção dos isoladores.
Figura 34: Ângulo de defasamento entre tensão e corrente [ °] versus a potência recebida [dBm] para os isoladores secos. As linhas vermelhas representam os limiares de detecção. A área vermelha (Ruim) indica
a região em que devem se encontrar os isoladores ruins. A área verde (Bom) determina a região em que devem se encontrar os isoladores em boas condições. As demais áreas em branco caracterizam quando há a detecção incorreta de um isolador, sendo este identificado como ruim estando bom ou bom estando ruim.
Os resultados dos ensaios com os isoladores úmidos podem ser observados na Tabela
3.
-68
-66
-64
-62
-60
-58
-56
-54
-52
-50
0 20 40 60 80 100
dB
m
Ângulo de defasamento [ °]
Isoladores SECOS
B1
B2
M1
M2
R1
R2
R3
R4
R5
R6
Ruim
Bom
37
Tabela 3: Resultado obtido no ensaio dos isoladores úmidos
Nom. I Fuga [A] Ângulo[°] RF [dBm]
Branco -64,28488329
B1 2,75E-03 78,251497 -58,53876068
B2 2,00E-03 80,838323 -66,44513692
M1 2,75E-03 76,311377 -64,39350394
M2 2,00E-03 79,113772 -58,69919001
R1 4,00E-03 39,125749 -64,5898311
R2 4,00E-03 41,281437 -57,37581794
R3 2,00E-03 81,48503 -66,58421544
R4 1,75E-02 34,491018 -56,27894077
R5 8,50E-03 39,664671 -58,36020197
R6 5,50E-03 31,365269 -63,80622565
Úmido
Para a análise dos resultados obtidos para os isoladores úmidos foram usados os
mesmos limiares de detecção discutidos a partir dos resultados obtidos para os isoladores secos
(potência recebida de -60 dBm e ângulo de defasamento de 60º). Foi considerado como
referência o ângulo de fase por representar melhor o estado de degradação do isolador, pois
com a presença da umidade ocorre um aumento no valor da corrente de fuga.
Analisando o nível de componentes de RF medidos, os isoladores B1, M2, R2, R4 e R5
seriam detectados como ruins e os demais como bons (B2, M1, R1, R3 e R6). Enquanto que a
análise do ângulo de fase acusou como ruim os isoladores R1, R2, R4, R5, R6 e como bons B1,
B2, M1, M2 e R3.
Ao confrontar os dois diagnósticos tem-se que para a situação em que os isoladores se
encontram úmidos a detecção é correta somente para os isoladores B2, M1 e R3 como bons e
R2, R4 e R5 como ruins, representando um acerto de 60%.
A Figura 35 ilustra em um gráfico (ângulo de defasamento [ °] por nível de sinal recebido
em [dBm] para uma melhor visualização dos resultados. As linhas vermelhas indicam os limiares
de detecção discutidos anteriormente e as regiões vermelha e verde representam as zonas em
que se teria a correta detecção dos isoladores.
38
Figura 35: Ângulo de defasamento entre tensão e corrente [ °] versus a potência recebida [dBm] para os isoladores úmidos. As linhas vermelhas representam os limiares de detecção. A área vermelha (Ruim) indica
a região em que devem se encontrar os isoladores ruins. A área verde (Bom) determina a região em que devem se encontrar os isoladores em boas condições. As demais áreas em branco caracterizam quando há a detecção incorreta de um isolador, sendo este identificado como ruim estando bom ou bom estando ruim.
Comparando as duas situações (“seco” e “úmido”) se pode afirmar que quando ocorre a
redução das descargas parciais há uma redução das componentes de RF geradas
caracterizando que estas podem ser consequência direta das descargas parciais presentes nos
isoladores.
Outro ponto interessante foi o de que para alguns isoladores com a presença da
umidade estes apresentaram um valor maior de corrente de fuga, porém menor nível de
descargas parciais e ruído eletromagnético. Este efeito pode ser relacionado ao fato de que a
umidade preencheu vazios que geravam descargas parciais e aumentou a condução do isolador
(4).
6.4 Especificação e Desenvolvimento
A partir da etapa anterior foi possível confirmar que a melhor faixa de operação para o
detector a ser desenvolvido seria a compreendida entre 10 MHz e 60 MHz.
-68
-66
-64
-62
-60
-58
-56
-54
0 20 40 60 80 100
[dB
m]
Ângulo [ °]
Isoladores ÚMIDOS
B1
B2
M1
M2
R1
R2
R3
R4
R5
R6
Ruim
Bom
39
Estudou-se a possibilidade de se projetar um filtro para esta faixa de frequência, mas
algumas dificuldades surgiram. Por se tratar de um sinal de RF de baixa intensidade e frequência
relativamente alta se tornou bastante complexa a tarefa de se desenvolver filtros ativos, pois esta
faixa de frequência está acima da faixa de operação dos amplificadores operacionais mais
tradicionais.
Após um estudo sobre o projeto de filtros de RF foi observado que os resultados dos
mesmos sofriam grandes alterações devido a leves flutuações dos valores de componentes
discretos além da dificuldade em encontrar componentes eletrônicos de determinados valores no
mercado.
A Figura 36 ilustra a simulação de um filtro passa-faixa (6 MHz - 60 MHz) projetado
baseando-se na tabela de constantes para filtros Chebyshev de ordem cinco feito através da
associação de dois filtros, um passa-alta com limite inferior em 6MHz e um passa-baixas com
limite superior em 60 MHz.
Figura 36: Simulação de filtro passa-faixas projetado
Como se pode verificar na Figura 36 o filtro não apresentou o comportamento esperado
a partir dos dados de projeto. Ao se observar o gráfico da Figura 36 pode-se verificar que o limite
superior, que deveria ter o início da queda em 60 MHz apresenta na simulação um deslocamento
do limite superior para 30 MHz. Devido a esta dificuldade optou-se pela procura de soluções
encontradas no mercado.
40
Vale salientar que o exemplo ilustrado da Figura 36 foi apenas um dos vários filtros
projetados, mas por não terem apresentado resultados satisfatórios e nem terem sido aplicados
ao projeto estão somente ilustrando parte do desenvolvimento e estudos realizados durante o
trabalho.
Com base nos resultados experimentais onde verificou-se que a melhor faixa para
detecção dos sinais de RF é entre 10 MHz e 60 MHz e com informações dos datasheets dos
fabricantes de filtros comerciais realizou-se cálculos da potência de sinal que seria captada por
cada um deles. Os resultados obtidos são apresentados no gráfico da Figura 37.
Figura 37: Comparação do nível de sinal recebido para diferentes filtros
Observando-se o gráfico da Figura 37 verifica-se que a banda de passagem
compreendida entre 8,5 MHz e 44 MHz apresenta uma melhor separação entre os pontos dos
isoladores ruins e bons identificados pelo ângulo de defasagem e não há grande perda de nível
de sinal em dBm. Por se tratar de uma faixa de passagem bem ampla foi necessário fazer uma
associação de filtros, sendo um filtro passa-baixa com frequência de corte em 44 MHz e um
passa-alta com frequência de corte em 8,5 MHz.
Várias opções surgiram ao longo do trabalho quanto ao método de analise do sinal,
como por exemplo, analise do sinal de RF por um micro controlador atuando como um
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
0 20 40 60 80 100
[dB
m]
Ângulo [ °]
Análise das faixas de operação
35MHz-49MHz
26-60Mhz
8,5-60Mhz
8,5-44Mhz
20-60Mhz
41
analisador de sinais no domínio da frequência, mas como o intuito do trabalho era de se
desenvolver um dispositivo barato e prático optou-se pela análise dos níveis de sinal captados
pela antena. Este resultado conduziu à seleção do circuito integrado denominado amplificador
logarítmico desenvolvido para detecção de sinais de RF, disponível comercialmente. Este
componente converte um nível de sinal de RF na entrada para um nível de tensão em volts na
saída seguindo uma relação linear entre o nível de entrada em dBm e o nível de saída em volts.
Comparando a curva de resposta do dispositivo escolhido com os níveis de sinal que
devem ser detectados verificou-se que para um sistema composto somente do filtro passa-faixa
e o detector de sinal este estaria operando no limite inferior de sua curva de resposta, quase no
limite de saturação, com isso junto ao mesmo fabricante dos filtros escolheu-se um amplificador
de ganho aproximadamente 30 dB para deslocar a faixa de operação de -60 dBm para -30 dBm
como ilustrado na Figura 38.
Figura 38: Resposta do CI de detecção e analise da faixa de operação com ou sem amplificador (30)
Com os componentes selecionados e calculados o diagrama de blocos do sistema a ser
desenvolvido é o representado na Figura 39.
42
Figura 39: Diagrama de blocos do detector desenvolvido
Para se avaliar a resposta dos parâmetros de espalhamentos do circuito de RF projetado
(filtros e amplificador), realizou-se a simulação do esquemático apresentado na Figura 40. O
resultado desta simulação pode ser visto na Figura 41.
Figura 40: Esquemático da simulação
Figura 41: Gráfico da simulação dos parâmetros de espalhamento S11 e S21
43
Através da simulação foi possível analisar o desempenho dos filtros e do amplificador
verificando que o amplificador tem uma resposta estável para a faixa de frequência escolhida,
pois não apresenta zonas de instabilidade próximas a esta (S11>0 - instável). A resposta da
banda de passagem apresentou uma boa linearidade com um ripple inferior a 0,5 dB.
6.4.1 Desenvolvimento do Circuito
Ao analisar os datasheets dos componentes escolhidos foi constatado que não havia a
necessidade de muitos componentes periféricos complementares para a operação básica dos
mesmos, por isso a partir dos modelos sugeridos pelos fabricantes e placas de testes
desenvolveu-se o circuito mostrado na Figura 42.
Figura 42: Circuito do protótipo
Como os filtros e amplificadores eram do tipo montagem de superfície (surface mount)
adotou-se o mesmo para todos os outros componentes do circuito, utilizando-se componentes
SMDs.
Após o desenho do circuito e escolha dos tamanhos dos componentes gerou-se o layout
da placa de circuito impresso (Figura 43), dando inicio a etapa de confecção do protótipo.
44
Figura 43: Leiaute da placa de circuito impresso do protótipo
6.4.2 Confecção do Protótipo
As imagens a seguir ilustram o processo de confecção e operação do protótipo. A Figura
44 é um exemplo da placa de circuito impresso confeccionada não sendo exatamente a mesma
da Figura 45, pois foram feitas duas placas utilizando a que possuía melhor acabamento para
montagem do protótipo.
Figura 44: Placa de circuito impresso corroída
Figura 45: Placa com os componentes soldados
Na Figura 46 pode-se visualizar a caixa do protótipo com sua entrada conectada a
antena utilizada para realizar as medições em laboratório, enquanto que a Figura 47 mostra
45
como o detector é operado para realizar as medições. Foi utilizado como fonte de alimentação
duas baterias de 9 V em série.
Figura 46: Detector conectado a antena
Figura 47: Detector em operação
Nos testes iniciais para verificar o funcionamento do equipamento e compará-los aos
resultados dos outros métodos utilizou-se um multímetro conectado a saída do equipamento
configurado para medir tensão continua. Como os valores sofriam uma considerável flutuação e
aplicou-se o recurso de média disponível no multímetro, sendo estes valores considerados nas
análises do item 6.5.
46
6.5 Resultados do Protótipo
Para avaliar o desempenho do protótipo desenvolvido realizou-se o ensaio da mesma
família de isoladores amostrada. Os resultados do experimento podem ser visualizados na
Tabela 4. São ilustrados os resultados da corrente de fuga (I Fuga [A]), ângulo de defasamento
[°], nível de sinal medido pelo analisador de espectro para a faixa de frequência entre 10 MHz e
60 MHz (RF [dBm]), a interpretação do aparelho utilizado na inspeção instrumental RFI Locator
(RFI), nível de ultrassom medido no isolador (Ultrassom [dBu]) e o valor de tensão medido na
detecção utilizando o protótipo desenvolvido (Protótipo [V]).
Tabela 4: Resultados obtidos na segunda parte experimental
Nom. I Fuga [A] Ângulo[°] RF [dBm] RFI Ultra-som [dBu] Protótipo [V]
Branco - - -64,28488329 - - -
B1 1,60E-04 66,179641 -63,63734416 Nivel baixo 17 1,367
B2 8,00E-05 62,51497 -52,27293564 Sem ruído 0 1,358
M1 7,00E-05 68,326707 -62,02327685 Sem ruído 0 1,4
M2 7,00E-05 68,011976 -55,92773825 Sem ruído 12 1,394
R1 4,00E-03 7,005988 -61,95587233 Nivel Alto 24 1,504
R2 2,75E-04 28,670659 -50,5382527 Nivel Alto 14 1,418
R3 5,00E-04 21,762108 -53,48169517 Nivel Baixo 28 1,372
R4 2,25E-03 26,838323 -55,87498475 Nivel Alto 39 1,492
R5 8,40E-04 37,293413 -51,22950721 Nivel Alto 19 1,472
R6 5,20E-04 15,736527 -56,75917518 Nivel Alto 25 1,428
Ensaio Protóripo
Aplicando-se a mesma metodologia utilizada na segunda e terceira etapas experimental
realizou-se o levantamento do espectro de frequência na faixa entre 10 MHz e 60 MHz e obteve-
se o comparativo do nível de sinal medido pelo analisador de espectro em [dBm] com o ângulo
de defasamento, O resultado é mostrado na Figura 48.
47
Figura 48: Ângulo de defasamento entre tensão e corrente [ °] versus a potência recebida [dBm] medida pelo
analisador de espectro. As linhas vermelhas representam os limiares de detecção. A área vermelha (Ruim) indica a região em que devem se encontrar os isoladores ruins. A área verde (Bom) determina a região em
que devem se encontrar os isoladores em boas condições. As demais áreas em branco caracterizam quando há a detecção incorreta de um isolador, sendo este identificado como ruim estando bom ou bom
estando ruim.
Pode-se observar na Figura 48 que ao se analisar os limiares de detecção já discutidos
neste trabalho (-60 dBm e 60°), somente os isoladores B2 e M2 seriam detectados como ruim
erroneamente, caracterizando um acerto de 80%.
Trabalho encontrado na literatura (29), define que para a detecção utilizando a técnica
do ultrassom deve-se considerar como limiar de detecção o nível de 13 dBu (> Ruim, < Bom).
Com base neste estudo foram feitas as analises apresentadas na Figura 49.
-66
-64
-62
-60
-58
-56
-54
-52
-50
0 10 20 30 40 50 60 70 80
[dB
m]
Ângulo [ °]
Analisador de Espectro
B1
B2
M1
M2
R1
R2
R3
R4
R5
R6
Ruim
Bom
48
Figura 49: Resultado da medição de ultrassom. As linhas vermelhas representam os limiares de detecção. A
área vermelha (Ruim) indica a região em que devem se encontrar os isoladores ruins. A área verde (Bom) determina a região em que devem se encontrar os isoladores em boas condições. As demais áreas em
branco caracterizam quando há a detecção incorreta de um isolador, sendo este identificado como ruim estando bom ou bom estando ruim.
Pode-se observar que para estes isoladores a técnica do ultrassom apresentou um
índice de acertos de 90%, errando somente o resultado do isolador B1. O isolador apresentou
ruído na ordem de 17 dBu porém um ângulo de defasamento superior a 60º.
A Figura 50 ilustra os resultados da medição utilizando o protótipo.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10 20 30 40 50 60 70 80
[dB
u]
Ângulo [ °]
Ângulo [ °] x Ultra-Som [dBu]
B1
B2
M1
M2
R1
R2
R3
R4
R5
R6
Ruim
49
Figura 50: Valores de tensão [v] medidos pelo protótipo desenvolvido relacionados com o ângulo de
defasamento entre corrente de fuga e tensão [ °]. As linhas vermelhas representam os limiares de detecção. A área vermelha (Ruim) indica a região em que devem se encontrar os isoladores ruins. A área verde (Bom)
determina a região em que devem se encontrar os isoladores em boas condições. As demais áreas em branco caracterizam quando há a detecção incorreta de um isolador, sendo este identificado como ruim
estando bom ou bom estando ruim.
Após analise dos resultados obtidos definiu-se como limiar de detecção do protótipo a
tensão de 1,41 V. Para este caso somente o isolador R3 não foi detectado.
A Figura 51 apresenta os resultados obtidos com o equipamento comercial de RFI para
os isoladores avaliados.
1,34
1,36
1,38
1,4
1,42
1,44
1,46
1,48
1,5
1,52
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Ten
são
[v]
Ângulo [ °]
Protótipo [ângulo°]x[V]
B1
B2
M1
M2
R1
R2
R3
R4
R5
R6
Fundo
Ruim
Bom
50
Figura 51: Resultados do RFI para os isoladores ensaiados
Observando resultados obtidos pelo equipamento RFI apresentados na Figura 51 pode-
se observar que há a concordância entre os resultados obtidos com o protótipo e o equipamento
comercial de RFI. Ambos apresentaram o mesmo diagnóstico dos isoladores (B1, B2, M1, M2 e
R3 bons e R1, R2, R4, R5 e R6 ruins), o que caracteriza um desempenho de 90% na detecção
dos isoladores.
51
7 Conclusão
O presente trabalho teve como foco principal o desenvolvimento de um protótipo voltado
para a inspeção instrumental de redes de distribuição por meio de detecção de componentes de
RF. Como o intuito foi analisar as componentes de RF geradas pelos isoladores, realizou-se um
estudo sobre a faixa de frequência que contém estes sinais e os níveis de sinal gerado pelos
mesmos. Foi analisada uma população de dez isoladores de pino com diferentes estados de
degradação, verificando uma relação entre o estado de degradação do isolador e o nível de sinal
de RF medido. O nível de sinal determinado foi de –60 dBm compreendido na faixa de
frequência de 10 MHz e 60 MHz.
Foram selecionados os componentes eletrônicos, realizado o projeto e simulações do
circuito. O protótipo teve seu desempenho avaliado em laboratório, correlacionado seus
resultados à técnica de ângulo de defasagem, e técnicas convencionais de inspeção
instrumental utilizadas em campo, ultrassom e RFI.
O protótipo desenvolvido apresentou resultados equivalentes ás demais técnicas de
inspeção, onde para os ensaios em laboratório obteve-se um índice de acerto de 90% quando
comparado com a técnica de medida de ângulo de defasagem. Com relação às demais técnicas
de inspeção instrumental os resultados obtidos são semelhantes aos detectados pelo RFI e
ultrassom.
O protótipo ainda necessita de melhorias e estudos mais detalhados para sua aplicação
em campo, sendo que os resultados obtidos e apresentados neste trabalho ainda são fruto de
um trabalho inicial para uma primeira versão do projeto.
O resultado geral do trabalho foi a oportunidade de se desenvolver um trabalho de
investigação científica visando o desenvolvimento de tecnologia de grande importância para a
formação acadêmica e para as empresas concessionárias de distribuição de energia.
52
8 Trabalhos Futuros
Com o desenvolvimento deste projeto de Conclusão de Curso, se observou
oportunidades para a continuidade deste trabalho, bem como seu aperfeiçoamento. Podendo-se
citar:
Aplicação do dispositivo em campo e avaliação de seu desempenho;
Determinação experimental do ruído gerado pelo circuito desenvolvido;
Estudos visando a redução ou eliminação de ruído interno do circuito;
Desenvolver estudo com uma população maior de isoladores para que se possa
definir melhor o limiar de detecção;
Estudo para se avaliar a relação entre os níveis dos sinais medidos pelo
protótipo com a distância ao isolador avaliado;
Desenvolver um sistema que realize a indicação automática da presença de
componentes de RF geradas por isoladores que necessitam de substituição,
eliminando desta forma o julgamento do estado de isolamento dos isoladores
pelos usuários;
Desenvolver uma antena direcional para operar na faixa de frequência
determinada neste estudo a fim de possibilitar a indicação das estruturas que
apresentam isoladores com problemas, bem como melhorar a eficiência do
protótipo desenvolvido.
53
Referência
1. KOWALSKI, E.L, et al., et al. Sistema de inspeção instrumental para detecção de falhas em
isoladores nas linhas de distribuição, Projeto 2866-032. Curitiba : s.n., 2006.
2. ANEEL. Agencia Nacional de Energia Elétrica - Qualidade do Serviço. ANEEL. [Online]
http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=79&idPerfil=2.
3. DE OLIVEIRA, H. R. P. M., et al., et al. Evaluation of the Insulation of 15 kV – 25 kV Feeders
and Procedures for Substitution of Damaged Units. EEE International Symposium on Electrical
Insulation. 2006.
4. ALESSI, Lincon Pereira e OGAWA, Silvio Katsuo. ESTUDO COMPARATIVO ENTRE AS
TÉCNICAS APLICADAS À INSPEÇÃO INSTRUMENTALIZADA DE REDES DE DISTRIBUIÇÃO
DE ENERGIA ELÉTRICA. Universidade Federal do Paraná. Curitiba : s.n., 2010.
5. COPEL. Manutenção de Redes de Distribuição - Inspeção Instrumental. Manual de Intruções
Técnicas - MIT. 1998.
6. SULLIVAN, Jeff. Infrared diagnostics of distribution line fuse problems. 2002.
7. DA COSTA, Humberto Silvino Alves. Calibração de um Termovisor para Planejamento da
Produção. Dissertação de Mestrado. Rio de Janeiro : PUC-Rio de Janeiro, 2007.
8. BATHKE JUNIOR, Wille. Mourãoense revoluciona COPEL, Blog do Wille Bathke Jr. [Online]
http://wibajucm.blogspot.com/2011/10/projeto-de-um-mouraoense-revoluciona.html.
9. KREITH, Frank. Princípios da transmissão de calor. São Paulo : Editora Edgard Blucher Ltda,
1977.
10. DUTTA, P.K. e DUTTAGUPTA, P.B. Novel signal processing techniques for fault detection
and location in HV sub transmission and transmission lines. IEEE 2nd International Conference
on Advances in Power System Control, Operation and Management (APSCOM -93). Dez de
1993, pp. p.673-678.
11. PÉCORA, Jesus Djalma e GUERISOLI, Danilo M. Zanello. Ultra-som. Programa Incentivo
à Produção de Material Didático do SIAE - Pró-Reitorias de Graduação e Pós-Graduação da
USP.
12. AMBRÓZIO, Dionizio Ribeiro e NOVOLAR, Ivan. Análise das técnicas de ultra-som e
rádiointerferência para verificação da ocorrência de descargas parciais em isoladores. Trabalho
de Conclusão de Curso. 2009.
54
13. LUNDGAARD, L. E. Partial Discharge-Part XIV: Acoustic Partial Discharge Detection-
Practical Application. IEEE. September/October de 1992, Vol. v. 8 Nº 5.
14. JERMENDY, L. e SIMON, S. Insulation Diagnostic Methods. IEEE Power Delivery. 1998,
Vols. v.2 p.81-85.
15. MUHLEN, Sérgio Santos. Interferência e Compatibilidade Eletromagnética. 2002.
16. SHIHAB, S. e WONG, K.L. Detection of faulty components on power lines using radio
frequency signatures and signal processing techniques. IEEE Power Engineering Society Winter
Meeting. 23-27 de Jan. de 2000, Vols. v. 4, p.2449 -2452.
17. IEC 270. Partial Discharge Measurements. 1981.
18. NBR 6940. Técnicas de Ensaios Elétricos de Alta Tensão Medição de Descargas Parciais.
nov. 1981.
19. KREUGER, F.H. Pa. Partial discharge detection in high-voltage equipment. 1989.
20. KREUGER, F.H., GULSKI, E. e KRIVDA, A. Classification of partial discharges. IEEE
Transactions on Electrical Insulation,v.28, n.6, p..917-931. 1993.
21. SWINKA-FILHO, V. Imagens de defeitos por descarga parcial estimulada por raios-X
pulsado em materiais dielétricos poliméricos.Tese de Doutorado em Engenharia e Ciência dos
Materiais, Universidade Federal do Paraná. 2000.
22. TEIXEIRA JUNIOR, José. Medições de descargas parciais.
23. FAGUNDES, R.C. Avaliação de Acessórios Poliméricos de Redes Compactas protegidas por
meio de Ensaio de Multiestressamento e Simulação Computacional. Dissertação apresentada
como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre. 2008. Programa de Pós-Graduação em
Engenharia e Ciência dos Materiais – PIPE, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do
Paraná.
24. PORTELLA, K. F., et al., et al. Efeitos da poluição atmosférica (litorânea e industrial) em
isoladores da rede elétrica da região metropolitana de Salvador. Química Nova, v. 31, p. 340-
348. 2008 .
25. MUNARO, Marilda, et al., et al. Fatores de influência na compatibilidade de cabos
protegidos, isoladores e acessórios utilizados em redes aéreas compactas de distribuição de
energia elétrica, sob condição de multi-estressamento. CONGRESSO DE INOVAÇÃO
TECNOLÓGICA EM ENERGIA ELÉTRICA, 2, Salvador, 2003. Anais... 13-14 Nov., 2003, Vols.
v.1 p.555-560.
55
26. COSTA, A.A. Aperfeiçoamento do Método FETD para simulação de Descargas Elétricas
Não-Lineares. Dissertação apresentada como requisito parcial para a obtenção do grau de
Mestre, no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEE, Setor deTecnologia,
Universidade Federal do Paraná – UFPR. 2007.
27. Spellman High Voltage Electronics Corporation. Spellman High Voltage Electronics
Corporation. [Online] http://www.spellmanhv.com/Technical-Resources/Faqs/Technology-
Terminology/What-is-corona.aspx.
28. MACHADO, Rafael P., et al., et al. METODOLOGIA PARA A INSPEÇÃO
INSTRUMENTALIZADA À DISTÂNCIA POR MEIO DE RÁDIO INTERFERÊNCIA E
ULTRASSOM DE ISOLADORES DE PINO. CITTES -Cier.
29. Quite Universal Circuit Simulator. Qucs project. [Online] http://qucs.sourceforge.net/.
30. ANALOG DEVICES. Low Cost DC-500 MHz, 92 dB Logarithmic Amplifier AD8307.
