Descarga parcial: entrevista com os especialistas
Jill Duplessis editor da Electrical Tester, fala com o Dr. Detlev Gross e Markus Söller sobre a descarga parcial e os benefícios da análise de descarga parcial. Dr. Detlev Gross e Markus Söller são os mais indicados para responder às suas perguntas, pois são o fundador e diretor administrativo, respectivamente, da Power Diagnostix (uma empresa da Megger), um dos desenvolvedores mais experientes do mundo e fabricantes de equipamentos de teste para investigações de descarga parcial.
Jill Duplessis: Em um webinar recente que apresentou testes de descarga parcial (DP), Charles Nybeck da Megger explicou que, para que ocorra descarga parcial, as duas condições que devem ser atendidas são a disponibilidade de um elétron livre para iniciar uma avalanche de descarga e um campo elétrico local que ultrapassou o campo crítico inicial. Poderiam comentar sobre a distribuição de tensão em um dielétrico e o que causa não homogeneidade, por meio da qual uma parcela desproporcional de tensão é colocada em uma pequena parte localizada de todo o isolamento?
Detlev Gross e Markus Söller: Essas são boas perguntas e são difíceis de responder em apenas algumas frases. Como você disse, a ocorrência de DP depende dessas duas condições principais. Suas perguntas também destacam a necessidade de um entendimento fisicamente correto da distribuição elétrica local em campo. O campo elétrico na origem dos pulsos de DP afeta significativamente a distribuição do pulso do padrão de DP e, como resultado, ajuda a determinar a localização do problema em um ativo de AT. Isso é particularmente verdadeiro em sistemas trifásicos em que o campo elétrico local pode ser influenciado por uma, duas ou até mesmo todas as três fases, dependendo da área afetada. Não homogeneidades podem ser causadas por distorção da forma da tensão devido à saturação do núcleo, harmônicos, impulsos de raios ou pulsos de comutação do inversor, para citar apenas alguns. Além disso, o campo elétrico é afetado pelo uso de materiais com diferentes propriedades dielétricas e pelo design geométrico.
Jill Duplessis: A contaminação por umidade pode ser um gatilho para descarga parcial em grande parte porque a umidade reduz a força dielétrica do isolamento. A tensão inicial da DP diminui com um teor de umidade mais elevado, de modo que é concebível que a DP possa ocorrer em tensões normais de operação. Pensando em transformadores em particular, a descarga parcial é um risco com alto teor de umidade no óleo, pois a temperatura inicial borbulhante diminui à medida que o teor de umidade aumenta. Portanto em alguns casos, bolhas (ou seja, vazios) podem se formar em um transformador úmido em temperaturas operacionais e introduzir uma ou mais áreas possivelmente móveis de força dielétrica significativamente reduzida. Você poderia indicar o nível típico de contaminação por umidade em que a DP se torna uma preocupação real? Existe uma aproximação geral de quão úmido um ativo deve estar antes de ser suscetível à DP devido à umidade?
Detlev Gross e Markus Söller: Até onde sei, não existe uma fórmula geral que relacione o teor de umidade no óleo com a atividade de DP. No entanto, quanto mais as propriedades isolantes do óleo do transformador se deteriorarem à medida que ele se tornar mais úmido, maior será o risco de a DP ocorrer e mais gases serão gerados.
Jill Duplessis: A DP ocorre em condições específicas (um campo suficientemente forte e um elétron livre) e, em sistemas de CA, é repetitiva, em vez de ser um evento único. Há um período de recuperação e, em seguida, outra falha, recuperação, falha, e assim por diante. Quando a DP é iniciada em condições normais de operação, quais condições reais podem extingui-la em um ativo energizado?
Detlev Gross e Markus Söller: Vamos dar uma olhada em um exemplo que vem à mente. Uma partícula metálica saltando para cima e para baixo em um compartimento de Comutação com isolamento de gás (GIS) continuará a fazer isso, desde que o campo elétrico seja forte o suficiente para levantá-la. Um pulso de DP ocorre sempre que a partícula se aproxima do condutor interno e a folga entre a partícula e o gabinete de metal aterrado é suficiente para uma pequena descarga. Se a partícula metálica permanecer dentro do gabinete e dentro do campo elétrico esse processo continuará indefinidamente. No entanto ele pode ser interrompido por armadilhas de partículas na parte inferior do GIS. Quando a partícula cai em um coletor ela para de saltar, pois o campo elétrico é zero nessa área. Em geral, pode-se dizer que a DP é interrompida se não houver mais elétrons livres disponíveis ou se a intensidade do campo elétrico local ficar abaixo da intensidade do campo inicial.
Jill Duplessis: Agora, gostaria de voltar para o assunto da visualização da atividade de DP. Cada evento de DP produz um pulso de corrente, campo magnético associado, gás, luz e som. A detecção desses sintomas pode indicar que a atividade de DP está ocorrendo. Registrar ocorrências de pulso de DP (ou seja, tempo de ocorrência e magnitude) e correlacionar esses dados com a tensão de teste (e/ou sistema) aplicada para plotar a posição da fase dos pulsos de DP fornece informações adicionais sobre a natureza da atividade de DP. Espero que esta seja uma descrição adequada dos padrões de descarga parcial resolvida por fase (PRPD). Mas o que determina a aparência do padrão da PRPD? Por exemplo, por que a DP aparece, às vezes, imediatamente após o cruzamento zero da tensão aplicada enquanto em outros casos ela está concentrada ao redor do pico?
Detlev Gross e Markus Söller: Essa foi uma boa descrição da PRPD, que acreditamos ser a melhor maneira de caracterizar fenômenos de DP em sistemas de CA. Vemos centenas de diferentes padrões de DP e as variações visuais entre eles são o resultado de muitos fatores. Já mencionamos a importância da distribuição elétrica de campo na origem do defeito de isolamento como um critério que torna necessário sincronizar o sistema de medição com a tensão aplicada. Se não o fizer, é difícil ou mesmo impossível interpretar o padrão de DP. Além disso, a atividade de DP depende muito dos materiais envolvidos e dos potenciais em que são mantidos, pois materiais condutores, semicondutores e não condutores fornecem diferentes quantidades de elétrons livres. Na maioria dos casos estamos falando da física das descargas elétricas nos gases, porque, a menos que os gases sejam pressurizados, têm uma resistência elétrica muito mais baixa do que os materiais de isolamento sólidos ou líquidos. A ionização estocástica de moléculas de gás como ponto de partida para produzir elétrons livres afeta fundamentalmente a aparência de um padrão de PRPD. Por isso, não há resposta geral à sua pergunta sobre o motivo pelo qual os pulsos de DP aparecem, por vezes, no padrão de PRPD perto da passagem zero e outras vezes perto do pico. Com uma configuração laboratorial simples, podemos criar uma descarga corona que mostra todos os pulsos no pico. Nesse caso, os elétrons de descarga são fornecidos por materiais condutores em alta tensão ou potencial de aterramento. Por outro lado, se a DP começar em uma área sem ligação direta ao potencial de AT, como uma descarga de superfície em uma inclusão de gás em uma camada de isolamento, vemos que a maior parte dos pulsos aparecem logo após o cruzamento zero devido ao acoplamento capacitivo e à mudança de fase resultante.
Jill Duplessis: Obrigado. Vamos passar para padrões 3D. Quais informações adicionais eles fornecem em comparação com os padrões de PRPD?
Detlev Gross e Markus Söller: Os padrões de PRPD são uma representação de um conjunto de dados tridimensionais (x, y, z), com a posição da fase de DP (x), a amplitude de DP (y) e a quantidade de pulso (z) na posição de amplitude da fase durante um determinado período de tempo. Para tornar o padrão mais fácil de interpretar, o exibimos como uma vista bidimensional x-y e codificamos o número de pulsos (z) usando diversas cores. Estamos usando essa abordagem desde 1993 e, nessa época, a Power Diagnostix foi a primeira empresa do mundo a oferecer um instrumento comercialmente disponível com esse recurso de visualização em medições de DP. As cores diferentes são muito úteis para identificar pontos de acesso em um padrão e também ajudam a separar os diferentes tipos de defeitos que podem estar contribuindo para um padrão. Com sistemas trifásicos, também é possível ver a diafonia fase a fase em um padrão.
Jill Duplessis: Você poderia explicar o acoplamento cruzado e me falar sobre os métodos usados para lidar com ele?
Detlev Gross e Markus Söller: O acoplamento cruzado significa que um pulso de DP de alta frequência originado próximo ao potencial monofásico se torna detectável em todas as três fases em um sistema trifásico, como um transformador ou gerador, se um caminho de cruzamento (rede RLC) estiver disponível e a amplitude do sinal for ampla o suficiente. Os sinais de acoplamento cruzado geralmente apresentam mudança de fase de 120° ou 240°, e a amplitude frequentemente é diferente quando comparada às outras fases. Os sinais de acoplamento cruzado são realmente muito úteis quando se trata de análise e localização de falhas. Com testes de DP off-line ou testes em condições laboratoriais, a amplitude de DP pode ser comparada em diferentes regimes de energização (induzida, aplicada, neutra elevada etc.). Com transformadores, em particular, esse método é frequentemente usado para encontrar defeitos dentro dos enrolamentos.
Jill Duplessis: Estou interessado em saber mais sobre falsos negativos (problemas não detectados) nos testes de DP. Por exemplo entendo que este é um problema potencial com isolamento moldado de epóxi se a duração do teste não for adequada. Por quanto tempo os testes devem continuar para garantir que o isolamento moldado de epóxi esteja realmente sem DP? Existe a tendência de não detectar alguns defeitos mais do que outros, devido à sensibilidade de medição?
Detlev Gross e Markus Söller: Para responder a esta pergunta, vou recorrer à física de descarga de gás. Vamos imaginar que temos uma bolha de gás em material sólido, como um espaçador moldado de epóxi. Desde que não haja ionização das moléculas de gás pela radiação natural (fótons), nenhum elétron livre estará disponível. A ionização é um processo estatístico, a menos que seja desencadeada artificialmente por, por exemplo exposição a raios X. Com base nas figuras da literatura científica relacionada a este assunto, um vazio esférico de 1 mm de diâmetro sem elétrons livres próprios, em média, precisará esperar 103 segundos antes de ser atingido por um fóton. Isso indica que leva em média cerca de 16 minutos até que a atividade de DP comece em um vazio de 1 mm, o levanta uma questão interessante sobre os tempos padrão de teste de 1 minuto.
A sensibilidade necessária depende muito do tipo de ativo que está sendo testado. Os componentes moldados de epóxi são testados em uma faixa de < 2 a 10 pC. Com esses componentes, a sensibilidade é mais crítica do que o caso de outros ativos, onde os níveis de aceitação geralmente estão na faixa de centenas de PCs.
Jill Duplessis: Recentemente, aprendi que o Power Diagnostix é um dos poucos laboratórios de calibração do mundo que podem realizar procedimentos de calibração de acordo com as normas IEC. Qual é o significado da calibração em uma medição de DP?
Detlev Gross e Markus Söller: Todas as medições de descarga parcial que fazem referência à norma de teste IEC60270 exigem um procedimento de calibração que produza um valor de carga aparente mostrado em pC. A calibração é feita com um objeto de teste conectado a um dispositivo de desacoplamento e sistema de medição. O sinal de referência é gerado por um gerador de impulsos de DP calibrado que tem de cumprir a especificação do padrão e que tem de ser calibrado em um laboratório acreditado, como o da Power Diagnostix. Nosso laboratório nos permite calibrar nossos geradores de impulso e também fornecer um serviço de calibração para terceiros.
Jill Duplessis: Estou muito feliz com a Power Diagnostix se juntando à família Megger. Poderia explicar como as soluções de medição Power Diagnostix são exclusivas no mercado?
Detlev Gross e Markus Söller: A Power Diagnostix vem desenvolvendo e fabricando instrumentos de medição de DP desde o início da década de 1990. Temos orgulho de dizer que somos uma das poucas empresas no mundo que abrange todas as aplicações de DP com seus produtos. O conceito modular exclusivo de nossos produtos facilita atender a qualquer tarefa de medição. Você pode selecionar entre vários sensores de DP e unidades de desacoplamento, amplificadores HF e UHF e conversores de sinal, instrumentos portáteis e de monitoramento e software para produzir um sistema que seja perfeitamente adequado às suas necessidades específicas.
Jill Duplessis: O teste de descarga parcial pode ser realizado off-line em intervalos determinados pelo usuário ou on-line em uma base de monitoramento contínuo usando métodos convencionais ou não convencionais. Com tantas opções, como um usuário em potencial decide qual é a melhor combinação para uma aplicação específica?
Detlev Gross e Markus Söller: Nossa experiente equipe de engenheiros de aplicações e gerentes de vendas sempre ajudará os usuários a encontrar o pacote mais adequado para cada aplicação e cliente. Encontrar a melhor combinação pode parecer difícil a princípio, mas acertar realmente compensa quando se trata de medições reais de PD, investigações de falhas e localização de defeitos.
Jill Duplessis: Para quem é relativamente novo em testes e diagnósticos de DP, quais recursos você recomendaria para que eles obtenham sólido conhecimento nesses assuntos?
Detlev Gross e Markus Söller: O estudo da descarga parcial remonta a muitos anos, e pesquisadores do mundo todo publicaram uma grande quantidade de material sobre o assunto. Hoje, você encontra muitas informações de fonte confiável sobre testes de DP em geral e também sobre aplicações específicas nas publicações IEC, IEEE e CIGRE. Além disso, você encontrará muitas publicações comerciais na Internet, mas muitas são de qualidade duvidosa, então, leia usando seu senso crítico e uma boa medida de ceticismo. Finalmente, este ano, os engenheiros da Power Diagnostix estão apresentando webinars que abordam vários tópicos relacionados a testes de DP em transformadores, geradores, cabos e GIS. Se estiver interessado, acesse o website da Megger e encontre as informações mais recentes.
Jill Duplessis: Obrigado, Detlev e Markus, por compartilhar conosco todo o seu vasto conhecimento e ampla experiência no campo de testes de DP. Para alguns, é uma área desconhecida e às vezes confusa, mas suas respostas interessantes e reveladoras ajudaram a sanar as dúvidas e ajudaram a entender melhor os conceitos, as técnicas e os benefícios dos testes de DP.
