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Centro de Engenharia Elétrica e Informática

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Proposta de Pesquisa – Segundo Projeto

Doutoramento

Pedro Henrique Venske da Rocha

Campina Grande, Paraíba

Agosto, 2015

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Caracterização do espectro eletromagnético irradiado de isoladores poliméricos de 230 kV sob poluição artificial

Proposta de Projeto e Pesquisa apresentada à Coordenação do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Campina Grande, em cumprimento às exigências do Programa de Doutoramento em Engenharia Elétrica.

Pedro Henrique Venske da Rocha

Orientando

Edson Guedes da Costa, D. Sc.

Orientador

Campina Grande, Paraíba. Agosto de 2015

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SUMÁRIO

1 Título do Projeto ........................................................................................................ 4

2 Descrição do Projeto .................................................................................................. 5

3 Revisão Bibliográfica ................................................................................................. 8

4 Objetivos ................................................................................................................. 11

5 Cronograma de Atividades ....................................................................................... 12

Referências ................................................................................................................. 13

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1 Título do Projeto

Caracterização do espectro eletromagnético irradiado de isoladores poliméricos

de 230 kV sob poluição artificial.

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2 Descrição do Projeto

As Linhas de Transmissão (LT) são estruturas importantes para o transporte de

energia elétrica das centrais geradoras até os centros consumidores. Devido à alta

potência transmitida, têm importância ampliada, uma vez que são também responsáveis,

indiretamente, pelo fornecimento ininterrupto de energia elétrica a uma grande

quantidade de consumidores. Dentre os componentes presentes na LT, destacam-se os

isoladores de tensão, pois são responsáveis pela sustentação mecânica entre as partes

energizadas e as torres aterradas.

Os isoladores de tensão, utilizados nas LT, têm como principal função, garantir

o isolamento elétrico entre os condutores energizados e as torres de sustentação. Além

disso, possuem, também, a função de sustentar fisicamente os cabos de energia à eles

conectados. Portanto, necessitam ter uma alta suportabilidade dielétrica entre seus

terminais, bem como, serem capazes de suportar elevado esforço mecânico. Dentre as

cargas mecânicas solicitadas pelo isolador, está a de tração, originada do peso dos

cabos, e, em maior amplitude, as de dilatação e contração, originadas pela intensa

variação de temperatura a que eles são submetidos.

Problemas relacionados aos isoladores de LT acarretam prejuízos elevados,

pois, em casos de falhas, por exemplo, descarga disruptiva, podem causar curtos-

circuitos. Neste caso, o transporte de energia é interrompido, causando a

indisponibilidade da LT. Outro exemplo possível de falha é a ocorrência de um colapso

na estrutura do isolador, ocasionando a fratura do mesmo, deixando o cabo sem

sustentação, vindo este a cair no solo. Nessa situação, além da indisposição da LT, os

problemas ocasionados são agravados devido ao risco de vida das pessoas que possam

ser atingidas pelo cabo, além do maior tempo necessário para o conserto. Portanto, a

atenção das equipes de manutenção com os isoladores deve ser priorizada, vista as

graves consequências que venham a ocorrer em caso de falha nesses componentes.

Embora existam muitos estudos na área de diagnóstico de isoladores, ainda é

um tema bastante explorado em pesquisas. A principal dificuldade encontrada para a

tarefa de inspecionar isoladores de LT é a subjetividade em se mensurar o estado de

degradação do isolador, quando estão em operação. Além disso, soma-se o fato de

estarem localizados no alto das torres de transmissão, alcançando às vezes 30 metros de

altura, e também o difícil acesso até essas torres, instaladas, muitas vezes, em locais

intransitáveis, próxima a vegetações densas e morros. Portanto, fica exposta a

importância em desenvolver métodos e tecnologia, cada vez menos invasivas, que

auxiliem o diagnóstico de isoladores.

Estudos recentes têm focado no desenvolvimento de métodos capazes de

realizarem a classificação de isoladores, de forma não invasiva, a partir de determinados

parâmetros de análise, tais como: ruído ultrassônico, corona, radiação infravermelha e

radiofrequência.

Em específico, por exemplo, quando um classificador neural é utilizado para

distinguir padrões de irradiação de radiofrequência, originados a partir de isoladores

com diferentes graus de degradação, faz-se necessária, para o treinamento da rede, a

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priori, uma avaliação subjetiva (visual) do isolador. Assim, a rede neural artificial

(RNA) poderá relacionar os sinais de radiofrequência com as classes de degradação

definidas pela avaliação visual, feita anteriormente. Este treinamento é denominado de

supervisionado. Um fator que limita esse método de classificação é a subjetividade

envolvida na avaliação visual, realizada para definir em quais classes de degradação as

amostras de isoladores pertencem.

Como consequência da avaliação inicial do isolador ser subjetiva, através da

observação visual de características degradantes em sua estrutura física, têm-se, em

muitos casos, a imprecisão em validar o método a ser proposto. Esse fato decorre da

imprecisão envolvida na avaliação visual, acarretando resultados não esperados do

método de classificação.

No presente contexto, restringindo-se a análise ao método de classificação

através do sinal de radiofrequência, evidencia-se que o aperfeiçoamento dessa técnica se

torna necessária, para melhor avaliar os resultados obtidos. Assim, de modo a tornar

mais objetiva a mensuração inicial do real estado de degradação do isolador, a utilização

de poluição artificial parecer ser uma alternativa eficiente. A partir da análise do

isolador submetido à poluição artificial, de condutividade elétrica conhecida, é esperada

a validação do método de classificação com maior acurácia.

Neste trabalho, pretende-se testar um método de classificação de isoladores

poliméricos de LT de 230 kV, submetidos à poluição artificial, a partir da análise do

sinal de radiofrequência, irradiado quando estão em operação. O método de

classificação a ser utilizado já foi desenvolvido em Rocha (2015), no qual, foram

utilizados os coeficientes wavelets do sinal captado como entrada para a RNA. Ainda

sobre o método que foi desenvolvido, o mesmo constava de três neurônios na camada

de saída, indicando que o mesmo era voltado a reconhecer apenas três tipos de classes.

No referido trabalho, foram utilizados cinco isoladores, os quais foram

avaliados, inicialmente, de forma visual, a fim de definir em que grau de degradação se

encontravam. Dessa forma, o treinamento da rede está sendo influenciado por um

critério subjetivo, obtido pela avaliação inicial realizada de forma visual.

Com objetivo de eliminar a subjetividade envolvida no procedimento de

classificação, e consequentemente validar o método de classificação de forma mais

eficaz, o presente trabalho utilizará apenas um isolador. O isolador com menor grau de

degradação, ou seja, o mais íntegro, será adotado para os testes. Então, o isolador,

poluído com diferentes tipos de poluição artificial, será submetido a testes com tensão

nominal. Antes de cada aplicação do material poluente no isolador, o mesmo será

lavado, a fim de garantir que haverá depositado sobre ele, apenas a contaminação

artificial com concentração conhecida.

O procedimento constará em utilizar, como agente poluidor, uma solução

salina à base de Caulim. São propostas cinco soluções, diferenciando-se apenas na

concentração do sal diluído em água. Como forma de mensurar o grau de concentração

salina presente na solução, é adotado o parâmetro físico de condutividade elétrica,

medido em mS/cm. As cinco soluções de Caulim, preparadas para os testes, são

definidas com condutividades elétrica de 3 mS/cm, 6 mS/cm, 13 mS/cm, 30,7 mS/cm,

68,5 mS/cm.

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Desta forma, deseja-se que o método de classificação, baseado no sinal de

radiofrequência, seja capaz de separar os sinais medidos provenientes dos testes dos

isoladores, impregnados com poluição artificial de diferentes graus. Portanto, o método

de classificação neural, aproveitado do trabalho de Rocha (2015), será modificado, de

modo a contempla na sua saída, as cinco possíveis classes que pertencem o isolador

poluído com as diferentes soluções de Caulim.

Complementarmente, com objetivo de verificar a influência da concentração da

solução poluente na operação do isolador, serão realizadas, também, medições da

corrente de fuga pelo do isolador. Com isso, adiciona-se mais um parâmetro para a

análise dos resultados que obtidos pelo classificador neural.

Os experimentos deste trabalho serão realizados no Laboratório de Alta Tensão

(LAT) da UFCG. O isolador a ser analisado será posto a uma altura de

aproximadamente 3 metros do solo, sendo sustentado, pela parte superior, por uma

estrutura metálica fixada na parede. No terminal inferior do isolador, será conectado o

condutor energizado, de modo a simular uma distribuição de campo elétrico próxima à

encontrada em campo. Afastada de 5 metros em relação ao pronto mais próximo do

isolador, está uma antena log-periódica, direcionada ao isolador, que realizará a captura

do espectro eletromagnético. A faixa espectral a ser analisada neste trabalho será de

20 MHz até 2 GHz. A configuração (setup) do ensaio é ilustrada na Figura 1.

Conectado à antena, estará um analisador de espectro, que têm como função coletar o

espectro de radiofrequência e salvar em arquivo. O método de classificação será executado no

ambiente Matlab®.

Figura 1: Setup do ensaio com isolador.

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3 Revisão Bibliográfica

Os isoladores poliméricos, também denominados de compósitos ou não

cerâmicos, foram inicialmente comercializados na década de 60. Sendo empregado

principalmente nas linhas de transmissão, tornaram-se atraentes devido ao seu peso

reduzido e menor dimensão física, em relação aos cerâmicos. Entretanto, no início de

sua produção, surgiram muitos relatos de falhas estruturais e de isolamento, devido,

principalmente, aos processos rudimentares de fabricação e aos materiais utilizados na

composição do dielétrico (QUEIRÓS, 2013). Atualmente, os isoladores poliméricos já

conquistaram a confiabilidade necessária para substituírem os isoladores vítreos,

empregados desde o início, prova disso é o crescente aumento na quantidade de

poliméricos presentes. Por exemplo, no sistema CHESF, em 1998, os isoladores de

polimérico representavam apenas 2% do total empregado em LT, já em 2004, esse

percentual subiu para 23% (CAVALTANTI, 2004).

Vista o aumento no uso de isoladores de polimérico, pesquisas que têm por

objetivo estudar esse tipo de isolador têm se tornado frequente, em especial, aquelas

direcionadas ao diagnóstico de forma não invasiva.

A análise do ruído ultrassônico, gerado por isoladores, com objetivo de

classificá-los, é estudado em Bezerra et al (2008). No referido estudo, são testados

métodos de classificação estatísticos, Fisher e Karhunen-Loève, e baseado em

inteligência artificial, como as redes neurais artificiais (RNA). Nesse trabalho,

inicialmente, as amostras de isoladores, adquiridas diretamente do fabricante, foram

submetidas a testes de raio-x, com o objetivo de identificar a existência de bolhas

internas. Então, na referida pesquisa, o critério adotado para validar os métodos de

classificação testados foi a existência de bolhas internas no isolador, conhecida

previamente por meio de teste de raio-x. Portanto, realizou-se uma avaliação inicial das

amostras de forma objetiva, a partir dos resultados dos testes de raio-x.

Na dissertação de Rocha (2014), é proposto um método de classificação de

isoladores, baseado na análise do espectro de radiofrequência irradiado quando estão em

operação. No método desenvolvido, utilizou-se o processamento de sinais através da

transformada wavelet e posteriormente uma RNA para realizar a classificação. Foram

utilizados isoladores com diferentes graus de poluição, sendo avaliados inicialmente

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apenas de forma visual. Com isso, não foi possível validar os resultados obtidos pelo

classificador com algum parâmetro obtido de forma objetiva.

Na pesquisa de Neri et al (2005), são avaliados os parâmetros de temperatura e

corona para classificar o isolador polimérico. Os pesquisadores utilizaram apenas

isoladores novos. Foram implantados, artificialmente, cinco defeitos nesses isoladores,

com objetivo de verificar a influência de tais alterações nas medições de temperatura e

corona. Os defeitos implantados nos isoladores consistiram na inserção de fios de cobre

ou seção circular sem aderência, em diferentes posições ao longo do isolador. Portanto,

nessa pesquisa, a validação dos resultados, a partir verificação da temperatura e das

descargas corona, foi realizada através da implantação de defeitos artificiais nos

isoladores novos.

No trabalho de Fangcheng et al. (2010), objetivou-se a classificação de

isoladores a partir da imagem capturada de uma câmera de ultra-violeta (UV),

denominada de detector de corona, na qual, é possível visualizar a ocorrência de

descargas corona. No referido estudo, utilizou-se, como parâmetro para avaliar

inicialmente os isoladores, a densidade equivalente de sal depositado, abreviado pela

sigla inglesa ESDD (equivalent salt deposit density). Assim, isoladores foram poluídos

artificialmente com diferentes valores de ESDD e submetidos a testes em uma câmara

de névoa, na qual, foi possível o controle da umidade relativa do ar. Dessa forma, a

validação dos resultados de classificação teve como referência um valor objetivo, no

caso, o valor de ESDD de cada isolador.

Considerando uma análise prática, onde foram capturados isoladores do campo,

Abouelsaad et al. (2013) fazem uma análise de isoladores que foram utilizados em seis

regiões do Egito. Essas regiões são caracterizadas pela presença de diferentes tipos e

intensidades de poluentes no ambiente, acarretando em diferentes graus de degradação

dos isoladores. Os isoladores permaneceram nessas regiões por aproximadamente cinco

meses, então, foram retirados e submetidos a testes de medição de ESDD,

condutividade superficial, corrente de fuga e tensão de ruptura dielétrica. Constatou-se,

a partir dos resultados, a influência que têm a poluição ambiente no depósito de

poluentes na superfície do isolador, e também o efeito que acarreta na operação do

mesmo. Verificou-se, por exemplo, que enquanto no isolador de uma determinada

região, o valor da ESDD era 1,25 mg/cm² e a condutividade superficial era de 57 µS, já

no isolador retirado de outra região, a ESDD medida foi de 2,25 mg/cm², e o valor da

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condutividade elétrica era de 275 µS. Evidencia-se, com isso, o quanto que a

condutividade superficial é sensível a variação do valor de ESDD.

Constatada a alta influência do valor de ESDD na condutividade elétrica do

isolador, Fangcheng et al. (2006) propuseram um método, baseado em RNA, para

estimar o valor de ESDD de isoladores. Foram definidos, como parâmetros de entrada

da rede, a corrente de fuga, a razão entre o terceiro e primeiro harmônicos, a umidade

relativa do ar e a temperatura. Os resultados obtidos, pela RNA, do valor estimado da

ESDD eram comparados com as medições efetivamente realizadas. Os pesquisadores

relataram um erro relativo médio do método de aproximadamente 1,364%. Fica

caracterizada a importância de tal estudo, pois, é vislumbrada a possibilidade para

estimar o valor de ESDD do isolador sem a necessidade da realização de um

procedimento mais específico e trabalhoso, que é a medição da ESDD.

Percebe-se, após uma sucinta revisão bibliográfica de trabalhos que tiveram

como objetivo, direto ou indireto, o estudo de poluição em isoladores de alta tensão, que

o tema dá margem a diversas linhas de pesquisas que objetivam caracterizar o isolador.

Portanto, pretende-se neste projeto, estudar os efeitos causados pela inserção de

poluição artificial, de diferentes concentrações, em isoladores poliméricos, utilizados

em LT de 230 kV. A análise será realizada através do espectro de radiofrequência

irradiado pelo isolador. Como forma de validar, de maneira objetiva, os resultados

obtidos, deverá ser utilizado apenas um isolador nos testes. Este isolador, antes de cada

procedimento de poluição artificial, será lavado cuidadosamente, a fim de retirar todo o

material depositado em sua superfície. Assim, espera-se que o isolador, em cada teste,

possua a graduação de poluição correspondente ao que será definido na solução, o qual

será aplicado. Este procedimento garante, também, que variações relacionadas a

características construtivas de isoladores não interfiram nos resultados.

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4 Objetivos

É proposto, como objetivo geral deste projeto, identificar, por meio de um

classificador neural, as variações ocasionadas no espectro de radiofrequência irradiado

de um isolador polimérico, submetido à poluição artificial com diferentes

condutividades elétrica. Objetiva-se, também, testar diferentes condições climáticas,

variando-se a umidade relativa do ar no momento dos experimentos, com auxílio de um

ventilador com aspersor. Espera-se que seja possível, com isso, através da RNA,

relacionar os padrões espectrais, obtidos das medições com o mesmo isolador, com os

diferentes tipos de poluição, de acordo com a condutividade elétrica da solução poluente

e a umidade relativa do ar.

Para uma descrição mais detalhada dos objetivos envolvidos na pesquisa,

elencam-se os seguintes objetivos específicos:

Revisar a literatura sobre métodos de classificação de isoladores poliméricos;

Estudar os métodos de poluição artificial em isoladores;

Preparar as soluções que serão depositadas nos isoladores;

Realizar ensaios, em laboratório, do isolador poluído com soluções de

diferentes valores de condutividade elétrica, em ambiente com a umidade

relativa do ar controlada;

Testar, no ambiente Matlab®, o método de classificação de sinais de

radiofrequência, através do uso da transformada wavelet e de RNA.

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5 Cronograma de Atividades

A seguir, são enumeradas as atividades a serem executadas no decorrer da

pesquisa. Na Tabela 1, é apresentado o Cronograma de Atividades Proposto para este

projeto de pesquisa.

1- Revisão bibliográfica;

2- Definição da metodologia empregada nos experimentos de medições;

3- Realização dos experimentos de medição em laboratório;

4- Análise e processamento dos dados obtidos no experimento de medição;

5- Avaliação do algoritmo e realização de testes;

6- Defesa do segundo projeto de pesquisa.

Tabela 1: Cronograma de atividades.

Atividades Meses de 2015

Ago Set Out Nov Dez

1 X X X X

2 X X

3 X X

4 X X X

5 X X X

6 X

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Referências

ABOUELSAAD, M. A.; ABOUELATTA, M. A.; ARAFA, B.; IBRAHIM, M. E., Environmental pollution effects on insulators of northern Egypt HV transmission lines, Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), 2013 IEEE Conference on, 2013, Shenzhen, China, pp. 35-38. BEZERRA, J. M. B. et al., Application of Pattern Recognition Techniques to non Invasive Insulation Monitoring. Conference Record of the 2008 IEE International Symposium on Electrical Insulation. Vancouver. 2008. p. 96 – 99. CAVALCANTI, F. J. M. M., Controle e Análise de Desempenho de Isolamento de Linhas de Transmissão em Ambientes com Poluição, Visando Ações Preventivas. Recife: Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Pernambuco, 2004. Dissertação de Mestrado. FANGCHENG, F.; SHENGHUI, W.; HEMING, L., Insulator Pollution Grade Evaluation Based on Ultraviolet Imaging and Fuzzy Logic Inference, Power and Energy Engineering Conference (APPEEC) 2010 Asia-Pacific, 2010, Chengdu, China, pp. 28-31. FANGCHENG, L.; ZHONGYUAN , Z.; BIN, H.; JIANXING, Z., The Setup of Artifical Neural Network Model for Estimating the Insulator Pollution Degree, Circuits and Systems, 2006. APCCAS 2006. IEEE Asia Pacific Conference on, 2006, Singapura, pp.1469-1472. NERI, G. G. N.; COSTA, E. G.; GARCIA, R. W. S.; PAIVA, O. L. S., Avaliação de Técnicas de Monitoramento de Isoladores Poliméricos, 6º Encuentro de Potencia, Instrumentación y Medidas, 2005, Montevideo, Uruguay. QUEIRÓS, J. P. M. Análise comparativa do comportamento dielétrico dos isoladores compósitos com isoladores em materiais convencionais. Porto: Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Portugal, 2013. Dissertação de Mestrado. ROCHA, P. H. V. Classificação de isoladores de vidro de alta tensão a partir do espectro eletromagnético irradiado. Campina Grande: Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande, 2014. Dissertação de Mestrado. ROCHA, P. H. V. Caracterização da degradação em isoladores poliméricos de 230 kV a partir do espectro eletromagnético irradiado, Campina Grande: Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande, 2015. Projeto e Pesquisa de Doutorado.