Estimativa Estado Degradacao Cabos Isolados

7/23/2019 Estimativa Estado Degradacao Cabos Isolados

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Estimativa do estado de degradao de cabos isoladospor meio da medio de indicadores de desempenho

Edio 62 - Maro / 2011

Por Loana Velasco, Luiz Carlos de Freitas, Jos Carlos de Oliveira, Darizon de Andrade, Fernando de Lima e Antnio Finazzi

O desenvolvimento de um prottipo que viabiliza a deteco de corrente de fuga e tenso de operao paraempregar uma metodologia para o diagnstico do estado operacional deste componente via indicadores dedesempenho.

No que tange confiabilidade operacional das redes eltricas ressalta-se a grande influncia que os cabos isoladosexercem sobre a qualidade dos suprimentos, com destaque aos indicadores de continuidade. luz destes fatos,torna-se imprescindvel a realizao de pesquisas voltadas para identificao, modelagem e outros aspectos queesclaream e quantifiquem os efeitos atrelados com as principais causas responsveis pela degradao destescomponentes de rede, a exemplo da denominada arborescncia (water tree), tema este que tm merecido a atenode pesquisadores internacionais.

Visando meios prticos para a avaliao dos efeitos finais do fenmeno da arborescncia sobre a degradaoprecoce dos cabos e observando, de forma pontual, os estudos sobre a modelagem e mtodos de diagnsticos,diversos trabalhos [1-9], tm sido desenvolvidos para a deteco deste tipo de falha e extrao de informaes e

parmetros de desempenho sobre o nvel de degradao da camada de isolao de cabos. Estes, de um modogeral, contemplam investigaes para a obteno de meios e ferramentas prticas que auxiliem a manutenopreditiva por meio do acompanhamento do estado operacional dos cabos. Os mtodos encontrados nasmencionadas referncias possuem abordagens diferentes quanto ao mecanismo para os registros das informaes,como apresentado em [8].

As pesquisas iniciadas pelo presente grupo de trabalhos foram conduzidas e reportadas nas referncias [6-9]. Taiscontribuies tcnicas primaram pelo estabelecimento de modelos matemticos destinados representao e simulao do fenmeno da arborescncia e, a partir dos sinais obtidos, foram contemplados meios para a obtenode parmetros de desempenho do estado operacional de cabos isolados.

Prosseguindo nesta direo, o presente artigo encontra-se direcionado para a apresentao e discusso de avanosobtidos para se atingir indicadores representativos do estado de degradao dos cabos isolados a partir demedies diretas da tenso de suprimento e corrente de fuga. Utilizando tais informaes, obtidas por uminstrumento especialmente concebido para tal fim, so ento determinados indicadores de estado utilizados, demodo clssico, para o diagnstico do estado de operao destes componentes. Resultados experimentaisrealizados em um ambiente laboratorial e empregando trechos de cabos comerciais so tambm considerados no

trabalho para fins de avaliao global daoperacionalidade do prottipo de equipamento demedio em questo.

Concepo fsica do sistema de medio ecaractersticas bsicas do prottipo

A Figura 1 representa a estratgia de medio a serempregada para os fins aqui almejados. No arranjoapresentado, o bloco associado com a medio local responsvel pela aquisio das amostras de tensoaplicada ao cabo e corrente de fuga. Esta unidade

constitui-se um dos pontos mais crticos do projeto dohardware, visto que utilizar tenses de valoreselevados, mesmo levando em conta a presena dostransformadores de potencial e correntes de baixasmagnitudes. Outro ponto relevante est nasimultaneidade da aquisio dos sinais, pois os ngulosde fase tm influncia relevante no processo dediagnstico [1-9].

FIGURA 1 ESTRUTURA DO SISTEMA DE MEDIO IDEALIZADO.

Em consonncia com a metodologia concebida, a Figura 2 mostra o arranjo fsico a ser utilizado para os registrosdas grandezas, a saber, tenso aplicada e corrente de fuga. Como pode ser observado, a tenso aplicada entre ocondutor e a blindagem, enquanto que a corrente de fuga determinada atravs de um sensor de corrente. A

amostra do sinal de tenso aplicado sobre a isolao do cabo e o sinal de corrente fuga so registrados, utilizando-se um equipamento especialmente desenvolvido para os propsitos desta pesquisa e, por fim, enviados a umcomputador onde so gerados arquivos para posterior anlise e aplicao da metodologia de diagnstico.


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Uma vez que os sinais de tenso so extrados diretamente dos transformadores de potencial existentes nasinstalaes eltricas industriais,quanto aos problemas demonitorao das correntes emcabos de alimentao, como jesclarecido, optou-se peloemprego de um alicateampermetro de alta preciso.

Tal dispositivo fornece, em seusterminais de sada um sinal detenso diretamente proporcionalao valor da corrente medida,tornando possvel a medio, avisualizao e a anlise do sinaldesejado, quando utilizado emconjunto com instrumentos demedio e anlise adequados.

FIGURA 2 ARRANJO FSICO PARA AS MEDIES.Para os registros que se fazem necessrios, tambm foi especificado um equipamento comercial designado pormultimedidor e analisador de energia produzido por um fabricante nacional.

Prottipo de equipamento Hardware

Dentre as propriedades contempladas pelo instrumento de medio concebido ressaltam-se os seguintes pontosprincipais: Portabilidade: devido necessidade de seu deslocamento para os pontos onde se fizerem necessrios os

registros; Simplicidade operativa: possibilitar medies com o menor nmero possvel de manobras, de preferncia com o

cabo com suprimento de tenso e carregamento normal (ou a vazio); Adequao aos padres de tenso: ser apropriado ao registro de tenses com valores compatveis com as

sadas tpicas dos TPs comerciais; Adequao aos nveis de corrente de fuga: possuir mecanismo de medio de corrente de fuga que no

interfira nas conexes das blindagens aos pontos de aterramentos; Hardware/software: primar por recursos de hardware comercialmente aprovados e em uso no setor eltrico,

assim como softwares de comunicao e gerenciamento das aes.

A Figura 3 mostra o produto finalespecificado e adquirido de um fabricantenacional de instrumentao eltrica.

Dentre as principais caractersticas para omedidor construdo ressaltam-se osseguintes pontos bsicos: Equipamento porttil; Registrador de formas de onda de

tenso e corrente, com display decristal lquido e dispositivo paraprogramao local;

Entradas para terra e neutro com, nomnimo, uma entrada para sinal detenso de (10 mV a 500 VCA) e umaentrada para sinal de corrente (1 mA a10 A-CA) com capacidade de aquisiosimultnea desses dois sinais;

Alimentao 110/220 VCA, 50/60 Hz; Resposta apropriada a frequncias de

at 4 KHz; Medies realizadas por amostragem

digital com durao programvel de 1sat 1 h.

FIGURA 3 PROTTIPO DE EQUIPAMENTO PARA O DIAGNSTICODO ESTADO OPERACIONAL DE CABOS ISOLADOS.


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Estrutura do aplicativo para o clculo

dos indicadores de desempenho Software

Em ateno aos objetivos anteriormente delineados,foram realizadas atividades associadas aodesenvolvimento de um software, noambiente MATLAB, para a determinao dos

indicadores de estado operacional de cabos isolados.

FIGURA 4 FLUXOGRAMA DO APLICATIVO PARADETERMINAO DOS INDICADORES DE ESTADO.

O aplicativo desenvolvido, cujo fluxograma apresentado na Figura 4, apresenta as seguintesfunes bsicas: Determinao dos espectrogramas dos sinais de

tenso de suprimento e de corrente de fuga; Verificao se o sinal de suprimento apresenta

distores em nveis que possa conduzir adiagnsticos que no reflitam o nvel dedegradao presente na isolao do cabo;

Eliminao, quando for o caso, da influncia da

distoro da tenso de suprimento na correntede fuga; Recuperao do espectrograma do sinal de

corrente de fuga devido, to-somente, presena de degradao da camada isolante.

Com tais premissas em mente, o diagrama ilustradona Figura 5 apresenta a estrutura do aplicativodesenvolvido e implementado no produto final destapesquisa.

A partir da aquisio das formas de onda de tenso ecorrente, torna-se possvel o calculo dos indicadorespara a determinao do estado operacional de umcabo, em consonncia com os indicadores dedesempenho abaixo descritos: Distoro harmnica total da corrente de fuga -

DHTI esta grandeza apresenta valores

crescentes medida que o grau da deterioraoaumenta, como reportado em [3];

Potncia dissipada - ?P A potncia dissipada um indicador de estado que est diretamenteassociado densidade da deteriorao [3];

Corrente de terceira harmnica - I3 Amagnitude desta componente tende a crescer

com o incremento da degradao [2]; ngulo de fase da terceira harmnica - 3 Trata-se de um indicador de estado que tende azero com o aumento do grau de deteriorao dacamada isolante [1].

FIGURA 5 METODOLOGIA PARA DETERMINAODOS INDICADORES DE ESTADO.

Por fim, vale ressaltar que, em vista da complexidadedo fenmeno enfocado, as experincias obtidas atento indicam que desejvel e necessrio proceder anlise conjunta dos indicadores empregados.Assim agindo acredita-se ser possvel a emisso dediagnsticos confiveis, no sentido de retratar, com

maior confiabilidade, a situao operativa real comque se encontra um cabo isolado.

Estudos de casos e validao da estrutura demedio e diagnsticoPara a avaliao do desempenho do equipamentoforam realizadas atividades de testes experimentaisem ambiente controlado, a fim de validar a estruturade hardware e software desenvolvida. Para tal fimforam utilizadas diversas amostras de cabos isoladosde classe de tenso de 8,7/15 KV, com isolaoXLPE. Neste trabalho so apresentados osresultados obtidos para trs amostras de cabosutilizados por uma empresa concessionria.Quanto ao nvel de tenso utilizado para a realizaodos testes, foi empregada a tenso de 8 KV, quecorresponde ao valor nominal das amostras (caboscomerciais de 13,8 kV).

A Tabela I apresenta as fotos e algumascaractersticas das amostras utilizadas.


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A Fig. 6 apresenta o arranjo laboratorialimplementado para realizao dos ensaios, ondeobserva-se: o equipamento de medio, o notebook,o osciloscpio, a amostra sob teste, o transformadorelevador e o divisor capacitivo utilizado para aamostragem da tenso.

Apresentam-se, a seguir, as formas de ondaresultantes dos ensaios realizados. Para cada testeforam obtidas as formas de onda da tenso ecorrente de fuga.

De posse das grandezas monitoradas procede-se aaplicao da metodologia para a obteno dosindicadores de desempenho dos cabos ensaiados.Estas grandezas, que se destinam a permitir aavaliao do estado operacional, so aquelascomentadas no texto e obtidas de acordo com osprocedimentos contidos em [8], os quais requerem,para alguns clculos, o pr-conhecimento das

parcelas ativa e reativa das correntes de fuga, motivopelo qual procede-se, na sequncia, a determinaodesta primeira parcela [6].A Fig. 10 apresenta as formas de onda dacomponente ativa da corrente de fuga para asamostras de cabos, contemplando at a harmnicade terceira ordem. A opo pela limitao a estaordem harmnica se fundamenta nas exigncias dosmtodos empregados. Ressalta-se, ainda, que aforma de onda de tenso no est em escala e sedestina to somente a evidenciar que a corrente defuga encontra-se em fase com a tenso desuprimento.

A Tabela II apresenta, de forma consolidada, osresultados obtidos para os distintos indicadores deestado dos trs cabos contemplados anteriormente.


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Maiores informaes sobre os clculos dasgrandezas apresentadas podem ser obtidas em [8].No obstante os valores constantes da tabela anteriorexpressem os resultados obtidos para as distintasgrandezas a serem empregadas para os estudos dediagnstico das condies operativas com que seencontram as amostras de cabos testados, h de sereconhecer, para o presente momento, a inexistncia

de um banco de dados que venha a permitir umaavaliao crtica e conclusiva sobre o tema. De fato,inspees visuais e comparativas entre os valoresno podem ser feitas em virtude de se tratar detrechos de cabos comerciais distintos, utilizados sobcondies e tempo desconhecidos, enfim, no hvalores de referncia para o estabelecimento de umabase comparativa.Apesar disso, de um modo geral pode-se verificarque, muito embora os desempenhos obtidos tenhamsido similares, devido ao menor comprimento daamostra 3 e o fato de a corrente de fuga seapresentar em nveis prximos aos das demais, istosugere que este cabo possa se apresentar em umestado de degradao mais avanado, observaoesta corroborada com os indicativos atrelados aongulo da corrente de ordem 3 e ao respectivo valordas perdas.

ConclusesO presente trabalho contemplou as bases de uminstrumento, tanto no que se refere estrutura dehardware quanto software, direcionado determinao dos parmetros de desempenho queexpressem o estado operacional de cabos isoladosno que tange aos padres de degradao a quepossam estar sujeitos no momento da monitorao.Fundamentando nestes princpios foi entoconstrudo e testado um prottipo de equipamento

visando ao registro das correntes de fuga erespectivas tenses de operao, em que pese o fatode que os trabalhos de campo no exigem odesligamento dos cabos, mas to apenas adesconexo das suas respectivas cargas. Estasituao operativa exigida para os trabalhos demedio so factveis de obteno durante osprogramas de manuteno preditiva dos maisdistintos complexos eltricos.Quanto aos parmetros focados como possveisgrandezas para o processo avaliativo, o trabalhobuscou atender aos diversos procedimentosrecomendados e encontrados na literatura, sem,todavia, apontar para um ou outro como sendo a

melhor opo. De fato, seguindo as tendncias maisatuais, os autores, no momento, so concordantes aoestabelecimento de uma metodologia de cruzamentode informaes, estratgia esta que desponta como amais promissora para uma avaliao maisconsistente do processo.Visando a ilustrar a utilizao dos recursos obtidos,ensaios experimentais foram ento realizados em umambiente laboratorial atravs de trs amostras decabos comerciais distintos de mdia tenso. Muitoembora os valores numricos para os indicadores dedesempenho discutidos no texto tenham sido obtidos,novamente, ressalta-se que, diante da ausncia deum banco de dados de referncias (por exemplo:ensaios em cabos novos), os valores extrados no

podem ser explorados de forma conclusiva.No obstante as ressalvas anteriores, osdesempenhos obtidos aparentemente so indicativosque os cabos mostram comportamento similares, o

que aponta para o fato que os mesmos, no que serefere a degradao de seus isolantes, sugerem aausncia de fenmenos severos afetando suascaractersticas fsicas.

AgradecimentosOs autores expressam seus agradecimentos CAPES e ao CNPq pelas bolsas de mestrado e de

doutorado no programa de ps-graduao da FEELT-UFU e outros apoios financeiros que viabilizaram apesquisa.

Referncia[1] Y. Yagi, H. Tanaka, H. Kimuna, Study on Diagnostic Method forWater Treed XLPE Cable by Loss Current Measurement, ElectricalInsulation and Dielectric Phenomena, 1998. Annual Report.Conference on, Atlanta, GA, USA, vol. 2, pp.653-656, Oct, 1998.[2] T. Tsujimoto, M. Nakade, Y. Yagi, K. Adachi, H. Tanaka,Development of ON-SITE Diagnostic for XLPE Cable by Harmonicsin AC Loss Current, Proceedings of the 7th International Conferenceon Properties and Applications of Dielectric Materials, June 1-5-2003, Nagoya, Vol. 1, pp 73-76.[3] A. T. Bulinsky, E. So, S. S. Bamji, Measurement of the HarmonicDistortion of the Insulation Loss Current as a Diagnostic Tool for HighVoltage Cable Insulation. Power Engineering Society Meeting, 2000,IEEE, vol.3, pp. 1615-1620, Jan, 2000.

[4] T. Furuhashi, K. Tohyama, T. Imai, Y. Murata, DissipationCurrent Waveform of Water Tree Deteriorated Low DensityPolyethylene Sheet, Electrical Insulation and Dielectric Phenomena,2006 IEEE Conference on, 15-18 Oct. 2006, pp 529-532.[5] S. Masuda, S. Tsuboi, A. Fujita, K. Tohyama, T. Imai, Y. Murata,M. Kanaoka, Dissipation Current Waveform Observation of WaterTree Deteriorated LDPE, Electrical Insulation and DielectricPhenomena, 2005. CEIDP '05. 2005 Annual Report Conference on.16-19 Oct. 2005, pp 233-236[6] F. N. Lima, J. C. Oliveira, D. A. Andrade, R. M. T. Silva, A. P.Finazzi, Proposta de Modelo para Representao deArborescncias e Avaliao do Nvel de Degradao de CabosIsolados por meio da Anlise da Corrente de Fuga, VII CBQEE Conferncia Brasileira sobre Qualidade de Energia Eltrica, Santos,Brasil, Agosto de 2007, p 86.[7] F. N. Lima, J. C. Oliveira, D. A. Andrade, et. al, Modeling WaterTree Phenomenon for Insulated Cable Loss Current Estimation, In:IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition:

Latin America, Bogot, Colombia, Aug.13-15, pp. 1-6, 2008.[8] F. N. Lima. - "Uma Contribuio Estimativa de Indicadores deDesempenho do Estado Operacional de Cabos Isolados Sob a Aodas Arborescncias" Tese de Doutorado em Engenharia Eltrica,Universidade Federal de Uberlndia, 2008.Orientador: ProfessorJos Carlos De Oliveira.[9] M. D. Teixeira, J. C. Oliveira, C. R. Pacheco, O. C. Souto,Avaliao do Estado Operacional de Cabos Isolados sob CondiesAdversas: Estratgias e Proposta de Diagnstico, V SBQEE Seminrio Brasileiro sobre Energia Eltrica, Aracaj, Brasil, Agostode 2003.LOANA NUNES VELASCO engenheira eletricista e mestre pelaUniversidade Estadual Paulista Jlio de Mesquita Filho IlhaSolteira. Atualmente, aluna de doutorado do programa de ps-graduao na rea de Qualidade e Racionalizao da EnergiaEltrica na Universidade Federal de Uberlndia-Brasil.LUIZ CARLOS GOMES DE FREITAS engenheiro eletricista,mestre e doutor pela Universidade Federal de Uberlndia Faculdade de Engenharia Eltrica (UFU-FEELT). Atualmente

professor adjunto nvel I da Faculdade de Engenharia Eltrica daUFU.JOS CARLOS DE OLIVEIRA engenheiro eletricista, mestre pelaUniversidade Federal de Itajub e Ph.D pelo Institute of ScienceTechnology, de Manchester (UK). pesquisador no Departamentode Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Uberlndia.DARIZON ALVES DE ANDRADE engenheiro eletricista, mestrepela Universidade Federal de Uberlndia e Ph.D pela The Universityof Leeds (UK). professor titular e pesquisador no Departamento deEngenharia Eltrica da Universidade Federal de Uberlndia.FERNANDO NOGUEIRA DE LIMA engenheiro eletricista, mestrepela Universidade Federal da Paraba e doutor pela UniversidadeFederal de Uberlndia. Atualmente, professor e pesquisador doDepartamento de Engenharia Eltrica da Universidade Federal deMato Grosso.ANTONIO DE PDUA FINAZZI engenheiro eletricista e mestrepela Universidade Federal de Santa Catarina. Atualmente, professor e pesquisador do Departamento de Engenharia Eltrica da

Universidade Federal de Mato Grosso.Este artigo foi baseado no trabalho originalmente apresentadodurante a 9th IEEE/IAS International Conference on IndustryApplications Induscon 2010, que aconteceu de 8 a 10 de novembrode 2010, em So Paulo (SP).

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