Opções de tensão de teste para investigações de descargas parciais (DP) em cabos de média tensão (MV)

Autor: Robert Probst, Gerente de Produtos

Introdução

Desde a década de 1980, o teste de cabos a frequência muito baixa (VLF), no qual o cabo testado deve suportar uma tensão CA acima da nominal por um tempo de teste especificado sem ocorrência de arco elétrico, foi aceito como uma forma de melhorar significativamente a confiabilidade do sistema, reduzindo a quantidade e duração das interrupções. O teste com VLF foi a principal tecnologia que permitiu que as concessionárias de energia deixassem para trás a cultura de manutenção reativa generalizada, geralmente descrita como "falha", para adotar uma abordagem de manutenção preventiva proativa. No entanto, o teste com VLF é apenas um método de aprovação/reprovação e, quando uma rede a cabo é testada regularmente, são necessárias estratégias de manutenção preditiva e gerenciamento de ativos baseado em condição para fornecer mais informações sobre a condição da rede de cabos.

Atualmente, principalmente fora da América do Norte, os testes de diagnóstico em cabos de distribuição de média tensão (MT) e de transmissão de alta tensão (AT) são amplamente utilizados na maioria das concessionárias de energia. Dentre as diversas técnicas de diagnóstico disponíveis, duas se tornaram predominantes na indústria: medições do fator de dissipação (tan delta) e análise de descargas parciais (DP).

Durante o ciclo de vida de um cabo, esses dois métodos são complementares. Ambos têm vantagens e desvantagens, dependendo se o objetivo do usuário é identificar e localizar defeitos, avaliar o envelhecimento do isolamento principal ou monitorar a condição. O teste de fator de dissipação é uma medição global das perdas dielétricas, que determina de modo implícito o teor médio de arborescência no isolamento de um polímero, sem precisar das medições diretas da corrente de relaxamento isotérmico (IRC). No entanto, não é possível identificar defeitos isolados e pontos fracos. Portanto, os diagnósticos por teste de fator de dissipação são mais indicados para avaliar cabos com desgaste por tempo de serviço antes de prosseguir com testes adicionais, como o teste de resistência a VLF.

Por outro lado, a análise de DP é uma ferramenta poderosa em qualquer fase do ciclo de vida do cabo. Ela não oferece uma avaliação global do isolamento principal, nem indica o teor médio de arborescência, mas pode revelar e identificar defeitos locais e pontos fracos de uma natureza de alta resistência, como vazios. Além disso, descargas de superfície e descargas internas são mais comuns em interfaces em camadas (emendas e terminações), o que significa que o teste de DP é o método ideal para avaliar "acessórios", ou seja, as partes alteradas mecânica e eletricamente do conjunto de cabos, como terminações, juntas e emendas. Além disso, a análise de DP é particularmente útil em testes de aceitação e comissionamento. Isso possibilita avaliar diretamente a qualidade do trabalho, revelando defeitos que passariam em um teste de resistência a VLF em conformidade com os padrões, mas que, posteriormente, se deteriorariam lentamente e acabariam causando a falha do cabo em um período relativamente curto após a energização do circuito.
 

Principais parâmetros para a análise de DP

Tensão de início de descarga parcial

A tensão de início de descarga parcial (PDIV) é a tensão na qual os eventos de DP começam a ocorrer. Muitas publicações científicas demonstraram que a PDIV (o início de arborescências elétricas) é uma função da frequência da tensão de teste ou, em outras palavras, da taxa de variação da tensão (dU/dt) na região de cruzamento por zero durante a inversão de polaridade. A tensão de início em descargas superficiais e descargas internas em interfaces em camadas, como em emendas e terminações, é particularmente sensível ao gradiente de tensão.

Tensão de extinção de descarga parcial

A tensão de extinção de descarga parcial (PDEV) é a tensão na qual um evento de DP existente ou uma arborescência elétrica é extinto. Não há correlação direta conhecida entre PDIV e PDEV, mas os parâmetros seguem um padrão de histerese. Observações empíricas e experiência prática indicam que os níveis de PDEV estão tipicamente entre 0,8 e 0,9 vezes PDIV e, às vezes, tão baixos quanto 0,7 vezes. Foi descoberto que a atividade de DP se apaga com dU/dt muito lenta, o que dificulta a realização de medições de DP usando frequências baixas, como 0,1 Hz. Apenas uma fonte de tensão alternada amortecida (DAC) pode medir adequadamente PDIV e PDEV no mesmo ciclo de teste.

Intensidade de descarga parcial, mapeamento e localização

O equipamento de DP de última geração usa software para visualizar dados de DP em uma representação semelhante a um mapa do cabo em teste. O eixo y indica a carga aparente medida e ponderada, dimensionada em picoCoulombs (pC). O eixo x indica o comprimento físico do cabo, dimensionado em metros ou pés. De acordo com a IEC 60270, a criticidade de um ponto fraco é decidida considerando a intensidade de DP na tensão de operação U0. O mapeamento DP visualiza:

• Taxa de DP (o número de eventos de DP)
• O nível de intensidade de cada evento de DP
• A localização de cada evento de DP

A localização dos eventos de DP é determinada por meio da Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR) e a análise das diferenças de tempo de execução entre o pulso inicial e o pulso refletido.

Padrões de descarga parcial

Traçar cada evento de DP detectado de acordo com seu ângulo de fase em relação à tensão de teste gera padrões de descarga parcial resolvida em fase (PRPD). Diferentes condições de DP podem ser associadas a diferentes padrões de PRPD, de modo que os padrões de PRPD possam fornecer informações valiosas sobre o tipo de ponto fraco.

Tensões de teste para testes de DP off-line em campo

Com o teste de DP off-line, uma fonte de alimentação separada é conectada ao cabo. Isso permite que o teste de DP seja realizado em qualquer tensão desejada que, aliás, é uma vantagem em relação às medições DP on-line. Ao variar a tensão de cerca de 0,5 vezes a tensão nominal para 1,7 vezes a tensão nominal para cabos antigos, ou até 2 vezes a tensão nominal para novos cabos, é possível descobrir em que tensão DP começa. Se os eventos de DP não ocorrerem até que estejam bem acima da tensão de funcionamento (por exemplo, 1,5 ou 1,7 vezes a tensão de funcionamento), o cabo deve ser monitorizado, mas não é necessariamente um problema imediato. No entanto, se os eventos de DP começarem muito mais perto da tensão de funcionamento (por exemplo, 1,1 ou 1,2 vezes a tensão de funcionamento) esse cabo é mais preocupante e deve ser monitorado com mais frequência. Cabos com um PDIV abaixo da tensão de operação seriam de preocupação imediata e reparados ou substituídos conforme necessário. Por outro lado, os cabos que não exibem DP até a tensão máxima podem ter um intervalo de teste muito mais longo.

O ideal é que os cabos sejam testados para DP a 50/60 Hz para simular o que ocorre em serviço. No entanto, para fazer isso como um teste off-line exigiria fontes de alimentação muito grandes. Para reduzir os requisitos de energia, uma fonte VLF é usada. No teste de cabos, o termo VLF pode estar se referindo a uma forma de onda senoidal de VLF, VLF Cosseno Retangular (CR) ou CA amortecida (DAC). As ondas VLF senoidais e o VLF CR são contínuas enquanto a DAC consiste em pulsos discretos, que podem ter intervalos consideráveis entre eles. Como tensões de teste em um teste de DP, essas fontes de VLF apresentam diferenças significativas.

VLF CR de 0,1 Hz

A tecnologia VLF CR de 0,1 Hz foi inventada e patenteada no início da década de 1980 pela HDW. Foi a primeira tecnologia VLF introduzida no mercado e ainda é a mais comum dos dois métodos VLF padrão que são usados em todo o mundo. A forma de onda CR, um exemplo de 0,1 Hz mostrado na Figura 1, tem dois componentes:

• O estágio de parada com um platô de tensão semelhante a CC. Esse estado estável permite que a corrente de fuga efetiva seja medida, algo que não pode ser feito com a tecnologia de VLF sinusoidal. 
• O estágio de transição (ou oscilação) em que a inversão rápida de polaridade ocorre com a mesma inclinação de uma onda senoidal de frequência de energia de 50/60 Hz.

Os conjuntos de testes CR utilizam um circuito ressonante LC, realizando transferência periódica de energia entre a capacitância do cabo em teste e o reator indutivo interno do equipamento.

Devido à recuperação inerente de energia em cada meio ciclo, os conjuntos de testes de CR têm intrinsecamente uma capacidade de teste muito alta (a capacidade de carregar/descarregar a capacitância do cabo) e um consumo de energia muito baixo, tornando-os consideravelmente mais práticos para testes de campo do que conjuntos de testes sinusoidais.

Os conjuntos de testes VLF mais potentes do setor (no momento, 25 μF, 60 kV RMS) só podem ser produzidos com o uso da tecnologia CR. Eles operam em níveis de potência contínua que não são viáveis por meio da tecnologia de VLF sinusoidal, como pode ser facilmente visto a partir desses cálculos.

A potência aparente em VA, necessária para carregar um capacitor (neste caso, a capacitância do cabo em teste) é fornecida por S = 2π.f.C.U2, onde "f" é a frequência da tensão de teste aplicada em Hz, C é a capacitância a ser carregada em μF e U é a tensão de teste aplicada em kV. Com uma frequência de teste de 0,1 Hz, a potência aparente necessária para uma capacidade de 25 μF a 60 kV RMS é, portanto: 2π x 0,1 x 25 x 3600 = 56 520 VA ≈ 56 kVA
Na realidade, as fontes de alta tensão (AT) de testes de VLF sinusoidais têm de fornecer sempre uma potência mais aparente do que a necessária, por exemplo, de 115 a 130%, pelo que, no nosso exemplo, teriam de fornecer 64 kVA no mínimo. É impossível criar um conjunto de testes práticos com essa capacidade. Como explicado anteriormente, no entanto, os conjuntos de testes que usam a tecnologia CR recuperam a maior parte da energia durante a inversão de polaridade – aproximadamente 86% dela. Portanto, um conjunto de testes CR para o mesmo cabo precisaria fornecer apenas 56 x 0,14 = 8 kVA, o que representa uma solução muito mais prática (por exemplo, 3 x 208 V ou 3 x 380 V).

Outra característica da tecnologia CR é que a inversão de polaridade da forma de onda CR acontece em um ponto na forma de onda que tem uma taxa de variação comparável à taxa de variação da tensão de frequência de energia de 50/60 Hz. Como mostrado mais adiante neste artigo, a taxa de variação de tensão na região do cruzamento zero (dU/dt) é um fator crucial na obtenção de resultados de DP válidos, confiáveis e repetíveis.

A tecnologia CR também é um elemento fundamental para a criação de uma forma de onda DAC. Os componentes que compõem os sistemas DAC são os mesmos que os dos sistemas CR e só precisa de uma pequena alteração no interruptor de descarga para um conjunto de testes CR funcionar no modo DAC. Como as tecnologias DAC e VLF CR de 0,1 Hz. estão tão estreitamente relacionadas, foram introduzidos no mercado conjuntos de testes combinados há muitos anos e provaram ser populares e bem-sucedidos.

Uma vez que o VLF CR de 0,1 Hz. produz resultados de DP comparáveis à DAC e à frequência de energia de 50/60 Hz, é a única tecnologia de teste de cabo que pode fornecer simultaneamente os benefícios de um teste de resistência a VLF e os de um teste de diagnóstico de DP. Esse teste combinado é designado como "suporte monitorado" e oferece uma solução de diagnóstico abrangente que é particularmente útil ao comissionar novas instalações de cabos.
 

CA amortecida (DAC)

Como o VLF CR de 0,1 Hz., o DAC é um formato ondulado reconhecido em todas as normas internacionais relevantes, como a IEC 60270 e as Partes 3 e 4 do guia IEEE400. O teste DAC, usado no mundo todo há mais de dez anos, tornou-se o método padrão comprovado para a realização de diagnósticos de DP de campo não destrutivos em cabos MT e AT, uma vez que expõe o isolamento principal do cabo em teste à menor tensão possível (o tempo de exposição à tensão é de apenas cerca de 10 ciclos). Ele usa essencialmente o mesmo hardware que os conjuntos de teste VLF CR de 0,1 Hz., mas com modificações nos interruptores internos.

Figura 2: Tensão típica de excitação DAC com atividade DP

A Figura 2 mostra uma medição DP com DAC. O método de criação de uma tensão oscilante amortecida é a ressonância: uma fonte CC carrega o cabo e o interruptor de descarga fecha e permanece fechado, criando assim um circuito ressonante em série. A frequência ressonante para a transferência de energia entre um conjunto de teste DAC e o cabo em teste é uma função da indutância do reator indutivo no conjunto de teste, a capacitância do capacitor auxiliar no conjunto de teste e a capacitância do cabo em teste. Normalmente, a frequência ressonante está na faixa de 30 a 500 Hz. Os resultados de DP obtidos com DAC mostraram uma correlação muito boa com os resultados a uma frequência de potência de 50/60 Hz e, portanto, são totalmente comparáveis. DAC é a única tecnologia de excitação capaz de medir adequadamente a PDIV e a PDEV no mesmo ciclo de teste.

C. VLF sinusoidal de 0,1 Hz

A tecnologia VLF senoidal de 0,1 Hz foi introduzida no mercado em meados da década de 1990. Esse desenvolvimento foi conduzido por avanços na eletrônica de energia e por um crescente interesse do cliente no uso de diagnósticos tan delta em cabos antigos de serviço. Isso requer uma forma de onda senoidal; o tan delta não pode ser medido com VLF CR de 0,1 Hz. Os conjuntos de teste VLF senoidal de 0,1 Hz são baseados em uma linha de conversor CA-CC-CA de alta tensão que usa módulos IGBT. Diferentemente do VLF CR de 0,1 Hz., a energia para carregar o cabo não pode ser recuperada e deve ser dissipada como calor em um resistor dentro de uma janela de tempo de um quarto de ciclo antes de cada inversão de polaridade. O consumo de energia dos conjuntos de teste VLF senoidal de 0,1 Hz é normalmente de 1,15 a 1,3 vezes a energia necessária para carregar o cabo em teste e a capacidade de teste é, na maioria das vezes, de 5 a 10 vezes menor do que a dos conjuntos de teste VLF CR de 0,1 Hz. comparáveis.

Com uma fonte VLF senoidal de 0,1 Hz, o gradiente de tensão na região do cruzamento zero é aproximadamente 1000 vezes menor que o gradiente equivalente para uma tensão de frequência de energia de 50/60 Hz. Estudos empíricos sobre sistemas de cabos realistas, bem como pesquisas científicas, mostraram que um teste sinusoidal de 0,1 Hz geralmente não fornece resultados comparáveis à frequência de energia de 50/60 Hz. A PDIV – um parâmetro crucial para avaliar a criticidade e a severidade da atividade de DP – é frequentemente avaliada de forma incorreta, com desvios que variam de 10% a 60% do valor real e até 300% em casos extremos de descarga superficial. Isso tem o efeito de mascarar defeitos e pontos fracos próximos à tensão de operação, U0. A intensidade e o mapeamento de DP também podem diferir dos dados de DP obtidos com a frequência de energia de 50/60 Hz, o que pode resultar em avaliações de condição enganosamente otimistas. Isso ocorre devido à atividade de DP aparentemente baixa ou até inexistente em U0, o que é incorretamente atribuído a emendas e terminações por este método de teste.

Estudo de caso

Este estudo de caso fornece um exemplo das diferenças nas medições DP que podem ser esperadas ao usar cada uma das três formas de onda de tensão de teste. Os testes foram realizados pela ENSO (Energie Sachsen Ost), uma empresa alemã no estado federal da Saxônia, que atende aproximadamente 500 000 clientes e tem receitas de cerca de €1,1 bilhões por ano. O cabo em teste tinha 1335 m (4380 pés) de comprimento, cabo de 12/20 kV misturado com 10 emendas. Ele foi composto predominantemente por seções XLPE (NA2X(F)2Y 3 x 1 x 150), mas também tinha duas seções bastante antigas de cabos impregnados em massa de papel, não drenantes e preenchidos com óleo (NAHKBA 3 x 120). Houve, portanto, quatro emendas de transição. A Figura 3 mostra uma visão geral do cabo.

Figura 3: Representação "no software" do cabo em teste: 1335 m de comprimento, 10 emendas, 11 seções, verde = XLPE, azul = massa de papel, preto = emendas

O cabo foi testado com um sistema totalmente integrado instalado na unidade de teste que pode ser visto na Figura 4. O cabo de conexão de AT sem PD da van de testes terminou em um quadro de distribuição compacto isolado com SF6, sendo utilizado um adaptador para estabelecer uma conexão sem PD com o cabo em teste. A Figura 5 mostra os dados de DP obtidos usando três tensões de teste (VLF senoidal de 0,1 Hz, DAC, VLF CR de 0,1 Hz.). Os mapeamentos de DP na coluna esquerda foram observados em U0 e aqueles na coluna direita na tensão máxima de teste de 1,7 U0. É evidente que os resultados das investigações de VLF CR de 0,1 Hz e DAC são comparáveis. Isso era esperado, pois a frequência correspondente à inversão de polaridade da tensão de teste VLF CR de 0,1 Hz e a frequência da tensão de teste DAC são exatamente as mesmas (280 Hz, que está dentro da banda de frequência de energia). Além disso, o nível de DP e a intensidade de DP mostraram apenas pequenas diferenças entre U0 e 1,7 U0. A PDIV foi exatamente a mesma (5,8 kV) para todas as três tensões de teste.

No entanto, algumas das principais diferenças são evidentes entre os resultados de VLF senoidal de 0,1 Hz e DAC/VLF de CR de 0,1 Hz. Na tensão de operação, um único ponto fraco foi identificado com VLF senoidal de 0,1 Hz enquanto dois pontos fracos foram encontrados com as outras tensões de teste. Além disso, a intensidade de DP foi muito menor com a excitação VLF senoidal de 0,1 Hz em comparação com as outras formas de onda. Somente em tensões elevadas o VLF senoidal de 0,1 Hz conseguiu detectar o segundo ponto fraco no cabo. A taxa de DP no primeiro ponto fraco aumentou pouco com tensões de teste mais altas para 0,1 Hz VLF senoidal enquanto com VLF CR de 0,1 Hz e DAC houve um aumento significativo com o aumento da tensão. O nível de intensidade de DP medido com VLF senoidal de 0,1 Hz também foi significativamente menor em comparação com DAC e VLF CR de 0,1 Hz., dando a impressão de uma situação não crítica.

Figura 4: Conexão do sistema de diagnóstico DP ao cabo em teste

A conclusão que se pode tirar neste estudo de caso é que os testes de DP realizados com excitação de VLF CR de 0,1 Hz e DAC fornecem resultados comparáveis e são muito eficazes na revelação de falhas que podem, sem ação corretiva, levar a falhas de cabo. Os resultados obtidos com a excitação VLF senoidal de 0,1 Hz diferem substancialmente daqueles obtidos com as outras duas formas de excitação, sendo muito menos eficazes na detecção de pontos fracos no cabo.

Resumo e conclusão

Como vimos, há limitações significativas de desempenho ao realizar testes de DP com excitação VLF senoidal de 0,1 Hz e essas limitações não são observadas com excitação VLF CR e DAC de 0,1 Hz. Embora o DAC seja a tensão de teste padrão amplamente reconhecida para diagnósticos de DP em campo não destrutivos e minimamente invasivos em cabos de distribuição MT e de transmissão AT, o VLF CR de 0,1 Hz. é o método mais comum e eficaz de VLF utilizado em testes em cabos MT e pode ser usado para realizar testes de resistência monitorados, muito úteis durante a aceitação e comissionamento de novas instalações de cabos.

Principalmente porque permite que equipamentos de tamanho razoável sejam usados para testes tan delta, que não podem ser realizados com qualquer outro tipo de excitação, o teste VLF senoidal de 0,1 Hz também se tornou uma tecnologia amplamente utilizada. Os conjuntos de testes de VLF sinusoidais são, no entanto, suscetíveis à produção de medições incorretas de PDIV e frequentemente produzem representações da taxa de DP, da intensidade de DP e do mapeamento de DP que não são comparáveis às obtidas por testes de DAC ou à frequência de potência de 50/60 Hz. Isso se deve à taxa muito lenta de variação de tensão (dU/dt) na região do cruzamento zero. Além disso, os testes de resistência monitorados fornecidos por conjuntos de testes sinusoidais (VLF senoidal de 0,1 Hz mais tan delta e DP) são cegos para falhas de baixa resistência porque a corrente de fuga não pode ser medida. Essas limitações representam um problema significativo para a correta avaliação da condição e monitoramento de cabos e acessórios de cabos e, portanto, para uma tomada de decisão precisa e confiante.

Figura 5: 1 ENSO – mapeamento de DP comparando três ondulações diferentes na tensão de operação U0 e 1,7 U0. Superior: VLF senoidal de 0,1 Hz; Centro: DAC; Inferior: VLF CR de 0,1 Hz. Eixos X: comprimento do cabo em metros; Eixos Y: Nível de DP em picoCoulombs