Conheça o IDA: Uma entrevista com o Dr. Peter Werelius da Megger

Jill Duplessis - Gerente e Editora de Marketing Técnico Global

Em 27 de setembro de 2018, o Conselho das normas IEEE-SA aprovou o IEEE C57.161-2018 – Guia para teste de resposta de frequência dielétrica. Este trabalho segue o de outras organizações de padrões, como o TB 254, TB 414 e TB 445 da CIGRE – todos os folhetos técnicos que abordam aspectos do teste de resposta de frequência dielétrica (DFR).

Um teste de resposta de frequência dielétrica (DFR) é uma ferramenta de avaliação de integridade de isolamento que é mais detalhado do que os testes de triagem dielétrica tradicionais, como fator de potência/fator de dissipação. Testes de DFR podem ser usados, por exemplo, para avaliar a integridade do isolamento de transformadores, buchas, instrumentos e cabos de transformadores. Em um sistema de isolamento complexo, como o de um transformador, o teste de DFR fornece uma avaliação da umidade do isolamento sólido, condutividade do isolamento líquido e informações sobre o comportamento térmico do sistema de isolamento.
Com o aumento da atenção dada ao método de DFR, parecia um momento muito apropriado para Jill Duplessis da Megger falar com o Dr. Peter Werelius, que desenvolveu o primeiro conjunto de testes de DFR disponível comercialmente para uso em campo. Eis o que ele tinha a dizer.

JD: Obrigado, Peter. Gostaria de começar parabenizando você e aos seus colegas pelo seu trabalho colaborativo no guia IEEE recém-publicado! Em 1996, foi introduzido o primeiro instrumento de DFR disponível comercialmente, projetado para uso em campo, que é conhecido hoje como Megger IDAX. Como desenvolvedor, que conselho o seu "cientista" de hoje daria ao seu "cientista" de 22 anos atrás?

PW: Tenho a sorte de que meus princípios de orientação pessoal tenham servido bem ao desenvolvimento da tecnologia DFR. Gostaria de compartilhar, com base na minha própria experiência, que demonstrar generosidade aos meus primeiros e posteriores parceiros de negócios (com quem cofundei a WaBtech e a Pax Diagnostics), manter a honestidade e oferecer ajuda ao meu antigo empregador, assim como apoiar os primeiros clientes, me trouxe resultados extremamente positivos e inesperados. Meus parceiros, meus funcionários da época, meu antigo empregador, GE Programma, Megger, os primeiros clientes e o KTH (Instituto Real de Tecnologia) foram extremamente comprometidos e solidários.

JD: Eu fiquei realmente comovido quando aprendi sobre a origem do nome "IDAX". Entendo que isso é muito pessoal para você. Você pode explicar?

PW: Björn Bengtsson, que agora é Björn Jernström, e eu fomos os cofundadores da WaBtech AB. Quando discutimos um nome para nosso primeiro produto, falamos sobre alguns requisitos: de preferência ele deve ser um nome, bem como um acrônimo e, idealmente, o acrônimo deve funcionar em sueco e em inglês. Minha menina crescida agora, nascida em 1995, é chamada Ida e além de ser muito pessoal para mim, seu nome atendeu a nossos outros requisitos. Em sueco, foi IsolationsDiagnostickApparat, que foi posteriormente alterado para Isolations Diagnostick Analyzator e em inglês foi aparelho de diagnóstico de isolamento e, posteriormente, Analisador de diagnóstico de isolamento. Quando a Pax Diagnostics assumiu o IDA da GE-Programma em 2006, o nome do instrumento foi ligeiramente modificado para o IDAX (Analisador de Diagnóstico de isolamento da Pax). IDA e IDAX são pronunciados como nomes, não acrônimos.

JD: Você pode nos contar um pouco sobre a história dos instrumentos IDAX e como eles se desenvolveram ao longo dos anos desde a introdução do primeiro modelo?

PW: O desenvolvimento inicial do instrumento de DFR foi parte do meu projeto de Ph.D. que começou no início de 1992 na KTH (Royal Institute of Technology, Estocolmo). Em 1994, Björn Jernström se juntou a mim e me ajudou a transformar meu projeto acadêmico em um instrumento prático para uso em campo. No final de 1996, vendemos a primeira unidade comercial, o IDA#1, para Vattenfall, Suécia. A segunda unidade, o IDA#2, que entregamos na primavera de 1997 para a ABB Inc. Nos EUA, já estava significativamente mudada desde o IDA#1, de modo que caberia em uma caixa com metade do tamanho do anterior.  Após a Programma Electric ter adquirido a WaBtech no final de 1998, o instrumento IDA 200 foi desenvolvido e lançado em 2000. O IDAX 206 seguiu (2006) e o IDAX 300 entrou no mercado em 2008. Mais ou menos nessa época, os concorrentes começaram a aparecer. Desde então, melhoramos os algoritmos de processamento de sinal digital, de hardware e software. Um marco importante foi a introdução do acessório amplificador de pico 2000V em 2011.

JD: Houve alguma discussão sobre a necessidade de compensar os resultados do teste de DFR para subprodutos envelhecidos; ou em alguns casos, os resultados de umidade podem ser enganosos. Para os usuários perspicazes esse "falso indício" de certa forma coloca o foco de volta diretamente no banco de dados.

Fundamentalmente, a análise de DFR e os resultados que pretende fornecer, tais como o teor de umidade no isolamento sólido e a condutividade do óleo, baseiam-se na adaptação da curva de DFR medida à sua melhor correspondência em uma base de dados de curvas. O software de teste faz isso por meio da modelagem matemática – ajustando os parâmetros que afetam a forma da curva do modelo até que o software encontre a melhor correspondência. Os parâmetros incluem: 

• Relação do isolamento sólido (celulose) versus líquido (óleo)
• Umidade no isolamento sólido;
• Condutividade do óleo

Acho que é importante que os usuários reconheçam que não existe uma base de dados universal partilhada por todos os fabricantes de instrumentos. Ao adquirir um instrumento DFR, você está selecionando um banco de dados. O banco de dados determina a precisão dos resultados da avaliação de umidade. Se as diferenças observadas nas avaliações de umidade usando diferentes instrumentos DFR (ou nos resultados de um instrumento DFR em comparação com outras ferramentas de avaliação de umidade) forem explicadas como sendo devido a algum algoritmo de compensação indefinido, isso pode, com razão, fazer com que usuários perspicazes fiquem apreensivos.

Como um usuário pode fazer a validação do banco de dados de um fabricante de instrumentos? Além disso existe uma abordagem mais pragmática a ser adotada quando um usuário tem preocupações legítimas de que o envelhecimento do ativo pode estar distorcendo os resultados da avaliação de umidade?

PW: O fato de os subprodutos envelhecidos, ou mais especificamente os ácidos de baixo peso molecular, afetarem os resultados de DFR, já é conhecido na indústria há mais de 10 anos (Ver: Dielectric response of mineral oil impregnated cellulose and the impact of aging, D.Linhjell et. al. IEEE Transaction of Dielectrics and Electrical Insulation, 2007). Nosso banco de dados e outros são normalmente aplicados sem qualquer tentativa de compensar diretamente os resultados.  Uma base de dados tenta compensar o efeito dos produtos envelhecidos utilizando a condutividade do óleo medida, mas, na minha opinião esta abordagem não é bem sucedida. Foi relatado no papel mencionado acima que os ácidos de baixo peso molecular influenciam a resposta de DFR, mas os ácidos de alto peso molecular, que também podem afetar a condutividade do óleo, não afetam a resposta de DFR.

Na minha opinião, a influência de ácidos de baixo peso molecular não é um grande problema. Em isolamento seco, a interpretação de DFR indicará isolamento seco. Se o isolamento estiver moderadamente úmido, digamos, com teor de umidade de 2%, o nível de ácidos de baixo peso molecular geralmente é muito baixo. O único caso em que ácidos de baixo peso molecular podem influenciar a avaliação de umidade é o de um transformador muito envelhecido e úmido. No entanto, os ácidos também são muito ruins para o isolamento, de modo que um alto teor de ácido com baixo peso molecular combinado com o que acaba por ser um teor de umidade real ligeiramente menor que o estimado ainda requer que ações sejam planejadas.

Antes de investir, decida como tratar o transformador. Análises complementares, incluindo de líquido de isolamento, geralmente são realizadas para obter uma imagem mais completa sobre a condição do isolamento.

JD: Há alguns anos, um teste de DFR em um transformador íntegro pode ter durado bem mais que uma hora. Naturalmente essa foi a fonte de alguma preocupação no setor, já que a adoção de um teste exige que seu valor superasse seu custo – e o custo, é claro, é muito afetado pelo tempo que o teste leva para ser executado.

Uma tentativa precoce de reduzir o tempo de teste de DFR combinou o método de espectroscopia no domínio de frequência (FDS) preferido, que tem melhor imunidade à interferência, com o método de polarização e corrente de despolarização (PDC), organizando o instrumento para alternar para o uso de tensão CC para medição da corrente de polarização (PC) em baixas frequências. Estas são as frequências em que a medição do FDS é lenta, pois tem de aguardar a conclusão de vários ciclos muito demorados da tensão de teste aplicada. No entanto, a confiabilidade sofreu com essa abordagem combinada especialmente em ambientes de campo com ruído elétrico, porque o método PDC é particularmente suscetível a erros devido à interferência. Existe uma maneira de realizar testes de DFR rapidamente sem recorrer a uma abordagem que combine o FDS com o PDC?

PW: Sempre que puder realizar uma medição completa apenas no modo FDS, terá uma medição melhor e mais confiável. O método de CC tem duas desvantagens principais. O primeiro é fundamental e é que uma interferência de corrente CC aparecerá como perdas aumentadas (fator de potência/fator de dissipação) especialmente em frequências mais baixas. Isso pode levar à subestimação ou, mais comumente, à superestimação do teor de umidade. Em uma medida no domínio de frequência real, a interferência de corrente CC não afetará as perdas medidas. Em segundo lugar, você pode observar uma medição de CC (PDC) como a aplicação de todas as frequências ao mesmo tempo. Isso pode reduzir o tempo de medição, mas, ao distribuir a energia por todas as frequências, torna o método mais sensível à interferência de CA.

Um verdadeiro método no domínio de frequência que acelera o tempo de medição é realizado simplesmente aplicando várias frequências simultaneamente e extraindo dados de medição das frequências aplicadas simultaneamente. É claro que o nível de tensão de cada frequência precisa ser reduzido, o que torna as medições um pouco mais sensíveis à interferência de CA, mas a interferência de corrente CC ainda não afetará as medições. Essa abordagem de várias frequências é um avanço em relação à abordagem mais antiga de combinar FDS com PDC, que é mais sensível à interferência de CA e também bastante sensível à interferência de CC.

A economia de tempo do método de multifrequência é significativa. Por exemplo, usar três frequências simultaneamente reduz o tempo de medição em cerca de 40%.

JD: Falando de tempo, se eu estiver testando um transformador de três enrolamentos e quiser medir dois componentes de isolamento simultaneamente (por exemplo, CHL e CLT), isso requer um instrumento com canais de medição duplos. Se um instrumento alegar fornecer resultados de teste de DFR para dois componentes no mesmo tempo que leva para testar um único componente estou realmente recebendo o mesmo número de valores medidos por componente de isolamento que eu faria se tivesse medido cada componente de isolamento separadamente?

PW: Em alguns instrumentos de canal duplo, ambos os canais compartilham um único amperímetro e, com eles, metade do número de medições são feitas ou não há nenhuma economia de tempo. Um instrumento deve ter dois amperímetros se for realizar duas medições realmente simultâneas.

JD: A maioria dos instrumentos de teste DFR fornece um sinal RMS máximo de 140 V (pico de 200 V), principalmente porque essa tensão é suficiente para fornecer uma avaliação precisa da umidade do isolamento sólido. Além disso, a fonte de tensão é própria para um instrumento leve e facilmente transportado. No entanto, em alguns casos, é necessário um valor de 1400 V RMS para melhorar a precisão da medição – ou até mesmo para obter resultados de teste inteligíveis. Fale mais sobre isso.

PW: O nível de tensão mais utilizado é cerca de 140 V RMS, e isso é suficiente para a medição do isolamento CHL na maioria das condições. No entanto em situações em que há um alto nível de interferência ou ao medir CH, CL, reatores, buchas e transformadores de corrente (CT), um sinal de 140V RMS não fornece uma relação sinal/ruído de medição alta o suficiente para obter resultados significativos. Usar uma tensão de teste mais alta (1.400 V RMS/2.000 V pico) nessas situações melhorará a precisão da medição e é recomendado. E, voltando à sua pergunta anterior, usar uma tensão de teste mais alta também torna possível utilizar medições multifrequenciais para reduzir o tempo de medição em condições de interferência média.

JD: Nenhuma discussão sobre isolamento está completa sem abordar o tópico importante, o da temperatura.  Sabe-se bem que as características elétricas dos materiais isolantes variam com a temperatura. Como os testes de diagnóstico em isolamento dependem da detecção de mudanças nas características elétricas dos materiais, é importante que apenas dados obtidos à mesma temperatura sejam comparados. Dessa forma, qualquer alteração nos parâmetros elétricos medidos pode ser atribuída a uma mudança no estado do material e não a uma variação de temperatura. Como não é prático aguardar pelas mesmas condições sempre que os dados são necessários, um método alternativo para determinar o comportamento equivalente de um isolamento a uma temperatura de referência de 20 °C se torna extremamente importante. Muita informação sobre o comportamento térmico de um isolante pode ser obtida a partir dos resultados dos testes de DFR. Você pode explicar mais sobre isso?

PW: A interpretação de DFR usada no IDAX – e em outros instrumentos – é baseada na chamada técnica de curva mestre em que a resposta de DFR do material de celulose impregnado pode ser deslocada para outra temperatura simplesmente alterando o eixo de frequência com base na diferença de temperatura, mantendo a forma da curva inalterada. Em seguida, a análise é realizada à temperatura de medição real, por exemplo, 32 °C.

No entanto, as medições do fator de potência de rede (50/60 Hz) tradicionalmente são corrigidas para 20 °C utilizando um fator de correção aproximado. Sabe-se que este fator de correção depende do estado do isolamento e em alguns casos, isso introduz erros muito grandes. Felizmente, ao utilizarmos nosso conhecimento sobre a interpretação do DFR e o fato de que os instrumentos modernos de fator de potência podem varrer uma faixa de frequências, agora podemos determinar um fator de correção de temperatura muito mais preciso realizando uma varredura limitada de frequências no objeto de teste real.

JD: Pelo que você nos contou, Peter, está claro que você foi um verdadeiro pioneiro nos testes DFR e que ainda é um inovador muito ativo na área. Esta é uma avaliação válida?

PW: É um bom resumo, mas é justo reconhecer que meu trabalho inicial com testes DFR se baseou em pesquisas já realizadas por outros, notadamente por A K Jonscher no Reino Unido e pelo Professor Uno Gäfvert, Dr. Bo Nettelblad e Kenneth Johansson na Suécia. O grande avanço que nosso grupo de pesquisa no KTH, liderado pelo Professor Roland Eriksson, e depois meus colegas e eu fizemos foi levar os testes DFR do laboratório para o campo. Como você disse, eu permaneci – e ainda permaneço – muito envolvido com os testes DFR e fico feliz em ver como as técnicas que meus colegas e eu idealizamos e desenvolvemos estão sendo amplamente utilizadas. Claro, não temos mais o campo só para nós, mas dizem que a imitação é a forma mais sincera de elogio. Pesando por esse lado, fico sinceramente lisonjeado pelo fato de muitos dos nossos conceitos agora terem sido adotados por outros fabricantes de instrumentos.

JD: Obrigado pelo seu tempo, Peter.  Sei que você está muito ocupado, mas tenho certeza de que seu tempo foi bem aproveitado e os leitores ficarão fascinados pelos insights que você compartilhou sobre os testes DFR, antes e hoje.

PW: Foi um prazer.