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Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - Cepel Avaliação Dielétrica | Set 2012
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
Avaliação Dielétrica de Equipamentosde Alta Tensão com base nas
Descargas Parciais
Conceitos, Medição e Interpretação
Apresentador: Alain F. S. Apresentador: Alain F. S. LevyLevy
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Materiais
Algumas Características dos Materiais Utilizados em Equipamentos e Instalações Elétricas
Materiais condutores: (cobre, ferro, aço, alumínio, etc. )
São os responsáveis pelas funções de transporte de energia entre vários pontos de um sistema.
Os condutores são caracterizados por impedâncias série pequenas e logo, permitindo o fluxo de correntes elevadas com quedas de tensão pequenas.
Exemplo do cobre padrão:
Resistividade de massa: m 0,15 .m ou .mm2/m,
para um fio de 1m com 1gResistividade de volume: v 0,017 .m
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Material Prata Cobre Ouro Alum.
Resistividade (.m)
16,4 . 10-9 17,2 . 10-9 24,5 . 10-9 28,0 . 10-9
Condutores
Condutores - Exemplos
R = .l /A
= E / J →E
(V/m)
J(A/m2)
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• Materiais isolantes: (ar, vidro, porcelana, resinas, epoxi, borrachas, papel, óleos, SF6, etc. )
São os responsáveis pelas funções de proteção e isolamento entre as partes energizadas e os pontos de terra locais, sem perdas nas funções operacionais dos equipamentos.
Os sistemas isolantes são caracterizados por impedâncias muito elevadas e logo, correntes reduzidas e diferenças de potencial elevadas.
A rigidez dielétrica é uma característica básica dos materiais isolantes, e é definida pela suportabilidade máxima em kV/mm até a qual não há correntes circulantes pela amostra ensaiada.
A rigidez dielétrica pode se alterar com a temperatura, espessura da amostra, forma da tensão aplicada, taxa de subida da tensão, forma dos eletrodos, etc.
Materiais Isolantes
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Exemplos
Material Papel Mica Vidro Teflon
Resistividade(.m)
10,0 . 109 0,5 . 1012 1012 3,0 . 1012
Isolantes
10201020
→ isolante ≈ 1020 condutor
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Eletrodo
MaterialIsolante
Eletrodo
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Eletrodo
MaterialIsolante
Eletrodo
Representação elétrica de um material isolante
Zf C
Alta Tensão
Ri
If
Ir Ic
Eq
Sendo: C – capacitância global entre eletrodos;
Zf – impedância em paralelo
Ri – resistência de isolamento;
Ic – corrente de carga capacitiva;
Ir – corrente resistiva de perdas;
If – corrente de fuga.
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Diagrama fasorial representativo
Sendo: Ir / Ic – fator de perdas do circuito (medição da Tg ); - defasagem entre a corrente total e a tensão aplicada.cos = Ir / (Ir+Ic) – fator de potência;
Quando as perdas tendem a zero, o capacitor torna-se ideal e tende a zero. Logo, cos = sin = tg
Ic + Ir
V
Ic
Ir
Ic + Ir
V
Ic
Ir
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Materiais Condutorese Isolantes
Trafo
R =
Isolante
Carga
Condutor
Geração
Terra
Impedância Série = 0
Isolante Isolante Isolante
C = 0
L =
TP IsoladorPára-raios
Porque Descargas Parciais ?
DP x Tg δ
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Materiais semicondutores
Podem ser obtidos industrialmente via confecção de fitas, resinas, tintas, papéis, etc.
São os responsáveis pelas funções de isolamento progressivo entre eletrodos separados por campos elétricos intensos, permitindo sua distribuição de forma progressiva.
Exemplos de sua utilização são os terminais de barras de geradores, buchas de alta tensão, terminações de cabos de alta tensão.
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Semi-condutores
Semicondutores - exemplos
Material Carbono Germânio Silício
Resistividade(.m)
40,0 . 10-6 0,47 640
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Bucha de alta Tensão
127 V127 V
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Bucha de alta TensãoDistribuição de Potencial
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Isolamento progressivo
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Ionização – Qualquer processo pelo qual um átomo torna-se eletricamente carregado;Corona – micro descargas elétricas que ocorrem normalmente ao ar em regiões de campo elétrico intenso;O termo “efeito corona” é mais utilizado no caso de descargas ocorrendo no ar em torno de um elemento condutor assim como streamers, centelhamentos, micro-descargas ou descarga auto sustentada;Ionização interna – Usado pelas normas no caso do corona interno aos pára-raios, sendo quantificado pela medição de RIV, normalmente em V;Descargas Parciais – a seguir...
Nomenclatura
FotoCoronaFotoCorona
St Elmo
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O que são Descargas Parciais na Teoria Física?
Elétrons livres são elementos existentes nas áreas externas dos materiais condutores, tendo liberdade e movimentação contínua. Os primeiros elétrons do processo são criados por foto-ionização. Quando acelerados por um campo elétrico, na fronteira com um ambiente com gás, colidem com átomos neutros produzindo a movimentação de outros elétrons e íons positivos.
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As colisões, sendo inelásticas, conservam a maior parte da energia dos elétrons e íons, o que facilita a manutenção do processo.Do ponto de vista elétrico, esse processo corresponde à geração de correntes impulsivas de polaridades positiva e negativa, com uma grande variedade de amplitudes, formas temporais e taxas de repetição.
O que são Descargas Parciais na Teoria Física?
Quanta
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Movimentação de Elétrons livres –
superfícies metálicas
Elétrons livres e átomos
O que são Descargas Parciais na Teoria Física?
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A colisão de elétrons acelerados sobre átomos neutros, pode mudar a órbita de seus elétrons retirando parte da energia cinética dos elétrons acelerados. Em outro instante, os átomos excitados voltam ao seu estado inicial de menor energia, liberando o excesso de energia sob a forma de ondas eletromagnéticas e luz. Daí surgem os Campos Eletromagnéticos Radiados e o Corona Visual.
O que são Descargas Parciais na Teoria Física?
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Ionização e elétrons x Corrente elétrica
Ionização - criação de elétrons e íons devido a um campo elétrico.
O tráfego de elétrons entre dois pontos gera a corrente elétrica.
Corrente = vazão de elétrons em um condutor ou dielétrico – Unidade básica do Sistema Internacional: em ampères (A)
SI
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Ionização e elétrons x Corrente elétrica
Carga de 1 elétron = 1,6 x 10-19 coulombs
1 coulomb = 6,2 x 10+18 elétrons
1 pC = 6,2 x 10+6 elétrons
1 A = 1 coulomb/s = 6,2 x 10+18 elétrons / s
120 pC = 7,4 x 10+8 elétrons em um pulso, dá início ao streamer
2A - 30a
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O que são Descargas Parciais na Engenharia Elétrica ?
Descargas ParciaisDescargas Parciais são são descargas elétricas descargas elétricas localizadaslocalizadas, ou seja, que não chegam a , ou seja, que não chegam a percorrer todo o caminho dentro de um percorrer todo o caminho dentro de um material isolante colocado entre dois material isolante colocado entre dois condutores submetidos a uma diferença de condutores submetidos a uma diferença de potencial.potencial.São São pulsos de correntepulsos de corrente de alta frequência que de alta frequência que ocorrem, de maneira repetitiva, no interior dos ocorrem, de maneira repetitiva, no interior dos sistemas isolantes dos equipamentos de alta sistemas isolantes dos equipamentos de alta tensão.tensão.
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Para efeito de compreensão pode-se dizer que Para efeito de compreensão pode-se dizer que Descargas ParciaisDescargas Parciais são “ são “Descargas Descargas DisruptivasDisruptivas” ocorrendo em pequena parte de ” ocorrendo em pequena parte de um material isolante.um material isolante.Em muitos casos, o Em muitos casos, o CoronaCorona na superfície de na superfície de materiais condutores e dielétricos também é materiais condutores e dielétricos também é medido como sendo medido como sendo Descargas ParciaisDescargas Parciais..
O que são Descargas Parciais na Engenharia Elétrica ?
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Norma IEC 60270 – Definição de Descargas Parciais
Definição de Descargas ParciaisDescargas Parciais segundo a norma IEC 60270:
É uma descarga elétrica localizada que curto-circuita parcialmente um material isolante separando dois condutores e que pode estar adjacente ou não a um dos condutores.
Normas
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O que são Descargas Parciais?
ALTA TENSÃO + GEOMETRIA / ELETRODOS
Distribuição deCampo Elétrico
Aceleração deElétrons Livre
Ionização das Moléculas de Gás
Descargas parciaisEmissãode Luz
CoronaSuperficial
CorrentesConduzidas
Aquecimento
VibraçõesMecânicas
ProdutosQuímicos
CamposRadiados
Radiointerferência(TRI e RI)
RuídoAudível
FilmeCélulaFilmeCélula
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MecânicosMecânicos
ElétricosElétricos
LuminososLuminosos
TérmicosTérmicos
QuímicosQuímicos
Efeitos das DP´s – Uma ordem de sensibilidade
Sensib
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-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Tempo (ns)
Te
ns
ão
(m
V)
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Tempo (ns)
Te
ns
ão
(m
V)
Células de teste
Gerador
Óleo isolante – Elemento flutuante
Descargas Parciais: Sinais no domínio do tempo
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hw3hw2
hw1
Tm1
Tm3Tm2
Im1
Im2Im3
90%
50%
30%
10 15 20 255
1
Time, nsC
urre
nt, a
rb. u
nit
Pulsos de corrente no ar
Sinais no domínio do tempo
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time, ns
curre
nt, a
rb. u
nit
0
1
0 20 40 60 80 100
(a)
time, ns
curre
nt, a
rb. u
nit
0
1
0 50 100 150 200(f)
Pulsos de corrente no ar
Descargas Parciais no
domínio do tempo
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time, ns
curre
nt, a
rb. u
nit
-0.2
0.2
0.6
1
0 1 2 3 4 5(b)
time, ns
curr
ent,
arb.
uni
t
-0.2
0.2
0.6
1
0 1 2 3 4 5(f)
Pulsos de corrente no óleo
Descargas Parciais no
domínio do tempo
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-5
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4 5time, ns
curr
en
t, m
A
Pulsos de corrente no óleo
Descargas Parciais: Sinais no domínio do tempo
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-0,2
0,2
0,6
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10time, ns
curr
en
t, a
rb. u
nit
Pulsos de corrente no óleo
Descargas Parciais: Sinais no domínio do tempo
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Descargas Parciais: Sinais sobre a freqüência industrial
Y: 1,2 pC/DivNível DP vs
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Y: 1,2 pC/DivNível DP vs
Descargas Parciais: Sinais sobre a freqüência industrial
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Descargas Parciais: Sinais sobre a freqüência industrial
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Descargas Parciais: Mapa estatístico pC x fase x número
DP(pC)
fase
LabViewLabView
11
Estatística simulada1Gerador4
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Em dielétricos sólidos, as DP´s são produzidas pela ionização de pequenas cavidades de ar no interior do dielétrico;
Em líquidos, pela ionização de bolhas de gás no seu interior;
No ar, pela ionização das moléculas de ar nos pontos de maior gradiente de potencial.
Ambiente onde as Descargas Parciais ocorrem
FilmeÓleoFilmeÓleoMoise
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Descargas Parciais podem ocorrer em quaisquer pontos do dielétrico; Na junção de dois dielétricos diferentes ou adjacentes ao
condutor; Do lado do eletrodo aterrado; Podem também ocorrer seguidamente em múltiplos
pontos do sistema isolante.
Locais de ocorrência das DP´s nos sistemas isolantes
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A necessidade dos ensaios de DP's vem do fato que estas são uma fonte contínua de deterioração do material isolante, ou seja, modificam suas propriedades dielétricas diminuindo sua suportabilidade;
Dependendo da intensidade das DP's, a vida útil do material será reduzida. A medição de DP pode indicar uma certa expectativa de vida útil dos dielétricos.
Porque medir as Descargas Parciais ?
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É uma forma de controle de qualidade do sistema isolante;
Forma de controle dos processos construtivos e dos materiais utilizados na fabricação de equipamentos;
Verificação das condições dielétricas após manutenção de equipamentos;
Porque medir as Descargas Parciais ?
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Motivos para Avaliação dos Equipamentos quanto às DP
Identificação de possíveis montagens irregulares, complementações de outras avaliações, identificação do início de descargas internas, etc.
Verificação do estado dielétrico antes e após outros ensaios de solicitação dos equipamentos;
Previsão para manutenção preventiva.
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As disrupções ocorrem sempre em meio gasoso
São pulsos discretos de curta duração e taxa de ocorrência elevada (atuação repetitiva)
Promovem a elevação de temperatura do dielétrico
Não apresentam nenhuma característica visível a olho nu, ou seja, quando da abertura de um equipamento, pode não ser possível confirmar a presença de DP, a menos que o defeito tenha proporções muito críticas.
Algumas Características das Descargas Parciais
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Norma IEC 60270
Que grandezas podem estar associadas às DP´s e que podem ser medidas?
- Carga Aparente (q), medida em pC – é a carga que, se fosse injetada em um tempo muito curto, nos terminais externos de um equipamento, causaria a mesma queda de tensão sobre uma impedância de medição de um circuito de ensaio, do que a própria carga real gerada no interior desse equipamento;
qit
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Que níveis de Descargas Parciais são aceitáveis?
– Equipamentos de alta tensão em geral: <10 pC
- Cabos blindados de alta tensão: < ruído de fundo (1 a 2 pC)
- Motores e geradores: 2 a 5 nC
- Transformadores de potência de grande porte: < 300 pC
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- Taxa de repetição das descargas – é o número de descargas ocorrendo por uma unidade de tempo, dentro de uma determinada faixa de amplitudes das descargas;
- Ângulo de fase das descargas (i) e
tempo de ocorrência (ti) – é a posição
do pulso de descarga em relação ao período T da onda de tensão aplicada a frequência industrial:i = 360 (ti / T)
Norma IEC 60270
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Norma IEC 60270
- Corrente média das descargas (C/s ou A):
I = (q1 + q2 + q3 + ... + qi)/Tref
- Potência média das descargas (W):
P = (q1u1 + q2u2 + q3u3 + ... + qiui)/Tref
- Pico de tensão (mV) sendo a queda de tensão sobre um resistor por onde passa a corrente devido às DP´s
pC x mV
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- Pressão acústica (dB);
- Campo Eletromagnético Radiado (dB);
- Energia das descargas;
- Número de descargas;
- Reações químicas;
Outras grandezas que podem ser avaliadas
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Distâncias de alguns km;Correntes de dezenas de kA;Duração de dezenas de µs;
Descargas atmosféricas x Descargas parciais
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Descargas atmosféricas x Descargas parciais
Descargas AtmosféricasDistâncias de alguns km;Correntes de dezenas de kA;Duração de dezenas de µs;
Descargas ParciaisDistâncias de frações de mm;Correntes de alguns mA;Duração de frações de ns (?);
Escala: 1/10.000.000
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Como se representa eletricamente uma DP?
Conforme as características do material, existirá em seu interior uma certa quantidade de cavidades de várias formas e dimensões preenchidas com ar e gases.
Representação Elétricadas Descargas Parciais
Modelo x engenho
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Costuma-se, para efeito de simplificação e de análise, considerar uma única cavidade de contorno plano, pois as várias partes do dielétrico podem ser simuladas idealmente por capacitores de placas paralelas.Assim, pode-se formar um circuito equivalente simplificado conforme mostra a figura.
Representação Elétricadas Descargas Parciais
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Eletrodo
MaterialIsolante
EletrodoEletrodo
Eletrodo
C1
v v1
v2 C2
C
Representação Elétricadas Descargas Parciais
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C2 representa a capacitância da cavidade;
C1 é a capacitância total em série com C2;
C é o restante da capacitância em paralelo com o conjunto C1 e C2.
C1
v v1
v2 C2
C
Representação Elétricadas Descargas Parciais
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Para cada capacitância existe também uma resistência correspondente, que está sendo aqui desprezada.A tensão nos terminais da cavidade ( V2 ), em função dos parâmetros do circuito e da tensão aplicada externamente, é dada por:
V2 = V.C1 / (C1 + C2)
Representação Elétricadas Descargas Parciais
C1
v v1
v2 C2
C
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Uma descarga parcial significa um curto circuito através da capacitância C2, o que acarretará numa
diminuição da tensão nos terminais do dielétrico de V e uma queda de tensão nos terminais de C2 de
V2 = V2.
C1
v v1
v2 C2
C
Representação Elétricadas Descargas Parciais
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Pode-se determinar o valor de V em função de V2 e
dos parâmetros do circuito através do equilíbrio de cargas antes e após a descarga parcial:
qantes = V.(C + C1.C2 / (C1 + C2)) = V2.(C1 + C2) / C1
qapos = (V - V) ( C + C1 )
C1
v v1
v2 C2
C
Representação Elétricadas Descargas Parciais
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Da equação acima conclui-se que a variação de tensão nos terminais do objeto sob ensaio (V ) é proporcional à tensão nos terminais da cavidade ( V2 = V2 ) e função das capacitâncias do dielétrico ( C1 e C ).
Como: qantes = qapos
Desenvolvendo:
V = V2 . C1 / ( C + C1 )
C1
v v1
v2 C2
C
Representação Elétricadas Descargas Parciais
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Retrospectiva: Impedâncias
Resistores Impedância não varia com a freqüência
ZR = Constante
Indutores Impedância aumenta com a freqüência
ZL = j2 f L
Capacitores Impedância diminui com a freqüência
ZC = 1 / (j2 f C)
cc
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L
Lim Zf
0C
Lim Zf
L
Lim ZL
0C
Lim ZC
tende para circuito aberto.
tende para curto circuito.
tende para circuito aberto.
tende para curto circuito.
ZR não varia com a freqüência. LabViewLabView
Retrospectiva: Impedâncias
33
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Circuito com geração de pulsos em um condutor em relação ao espaço;Sinais radiados e conduzidos por capacitâncias parasitas; Impedâncias para o terra muito grandes;
Adição de um acoplamento capacitivo para o terra (Cap. de Alta Tensão) – Caminho preferencial para os pulsos de corrente;Adição de um resistor em série com o capacitor – Medição da corrente pela queda de tensão em seus terminais;
Circuito Elétrico para medição das Descargas Parciais
FLIPFLIP
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Item sob ensaio
Zm
Fonte60 Hz
filtroCk
DP
it
it
Circuito para medição das Descargas Parciais
Ck – Acoplamento capacitivo
Zm – Resistor de medição
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Procura-se medir uma grandeza que esteja diretamente associada à vida útil do material dielétrico e que seja pouco sensível às variações de capacitância do circuito de ensaio. A “carga real q2”, que é a carga gerada nos terminais da cavidade devido à DP, é a grandeza mais indicada, porém esta carga não pode ser medida na prática.
Grandezas a medir
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Define-se então uma carga q, chamada de “Carga Aparente", a qual, caso seja injetada instantaneamente nos terminais do objeto sob ensaio, produzirá uma queda de tensão igual àquela provocada pela descarga parcial.A "carga aparente" q pode ser medida.
Grandezas a medir
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A Carga Aparente será medida como sendo o reflexo da carga real nos terminais do
equipamento e será quantificada como sendo a integral dos pulsos de corrente conduzidos por um circuito, em uma determinada faixa de
freqüência
Grandezas a medir
rádio
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Espectro de freqüência das Descargas Parciais.
Transformadas de Fourier
Retrospectiva – Espectro de freqüência
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Centelhamento
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 100 200 300 400 500
Tempo (ns)
Te
ns
ão
(m
V)
Descargas Parciais Domínio do tempo
sDP'
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - Cepel Avaliação Dielétrica | Set 2012
Espectro de freqüência de um centelhamento ao ar ambiente
60
70
80
90
100
110
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Freqüência em MHz
Ate
nu
açã
o R
ela
tiva
em
Db
Descargas Parciais Espectro de freqüência
Analisador de Espectro ?
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Centelhamento a 50%
-1000
-500
0
500
1000
1500
0 500 1000 1500 2000 2500
Tempo (ns)
Te
ns
ão
(m
V)
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50
60
70
80
90
100
110
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Freqüência em MHz
Ate
nuaç
ão e
m d
B
82,1 %
100 %
92,9 %
71,4 %
Curva de atenuação em frequência até 100 MHz.Sinal aplicado em 82,1 % e medição realizada nos vários pontos ao longo de um enrolamento estatórico.
Descargas Parciais Espectro de freqüência
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0).()( dtetifi tj
Transformadas de Jean Fourier
Sendo:
)()( 0tt eeIti
Representação de uma DP por dupla exponencial:
Calculando-se:
)11
()( 0 jjIfi
f.2
LabViewLabView 222A2A
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2
1)).((
2
1)(
f
f
tj dfefiti
Voltando para o domínio do tempo:
0
)( dttiqObtendo-se a carga:
0
2
1
0 ..11
2dtdfe
jj
Iq tjf
f
Transformadas de Jean Fourier
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Item sob ensaio
R
C
VRi
iL
Simulação em Circuito RLC
LabViewLabView
44
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Calibrador de DP´s
Cc
Rc
AT
Terra
Ci
Ck
Zm
Q = Cc.V
V
LabViewLabView
66
Oscil, pneu
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C k
Z m
A
B
Calib.C i
CampoCrítico
i(t)
CampoCrítico
Z m
A
B
C k
i(t)
Calib.
C i
Calibração
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Localização em cabos
CaboLocal dodefeitoTerminal
de medição
t2
t3
t1
Tempo depropagação
PC
cabo
Osc
AcoplFonte
de altatensão
Imp
Lx
A B
Local dodefeito
Medição
Q/2Q/2 LabViewLabView 5151
IPH TreeIPH Tree
5252
5353
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Co
Ro
Alta Tensão
Calibrador
C1
C2
Zm
Baixa Tensão
DP
DSP
Medição em TrafoNo campo
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C1
C2
H3
Zm
C1
C2
H2
C1
C2
H1
TC TCDPDP
D
DP PC
D - disjuntor de AT C1 - cap. da bucha de AT TC - transformador de
corrente de alta freqüência DP - instrumento para
medição de DP Zm - imp. de medição
Medição em trafo no campo
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Novos modelos de
Padrões de DP
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Novos modelos propostos Padrões de DP(Werle)
Filtro
passa
banda
Am
plifi
cador
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