Estimativa do estado de degradação de cabos isolados por meio da medição de indicadores de desempenho

abr, 2011

Edição 62 – Março / 2011

Por Loana Velasco, Luiz Carlos de Freitas, José Carlos de Oliveira, Darizon de Andrade, Fernando de Lima e Antônio Finazzi

O desenvolvimento de um protótipo que viabiliza a detecção de corrente de fuga e tensão de operação para empregar uma metodologia para o diagnóstico do estado operacional deste componente via indicadores de desempenho.

No que tange à confiabilidade operacional das redes elétricas ressalta-se a grande influência que os cabos isolados exercem sobre a qualidade dos suprimentos, com destaque aos indicadores de continuidade. À luz destes fatos, torna-se imprescindível a realização de pesquisas voltadas para identificação, modelagem e outros aspectos que esclareçam e quantifiquem os efeitos atrelados com as principais causas responsáveis pela degradação destes componentes de rede, a exemplo da denominada arborescência (water tree), tema este que têm merecido a atenção de pesquisadores internacionais.

Visando meios práticos para a avaliação dos efeitos finais do fenômeno da arborescência sobre a degradação precoce dos cabos e observando, de forma pontual, os estudos sobre a modelagem e métodos de diagnósticos, diversos trabalhos [1-9], têm sido desenvolvidos para a detecção deste tipo de falha e extração de informações e parâmetros de desempenho sobre o nível de degradação da camada de isolação de cabos. Estes, de um modo geral, contemplam investigações para a obtenção de meios e ferramentas práticas que auxiliem a manutenção preditiva por meio do acompanhamento do estado operacional dos cabos. Os métodos encontrados nas mencionadas referências possuem abordagens diferentes quanto ao mecanismo para os registros das informações, como apresentado em [8].

As pesquisas iniciadas pelo presente grupo de trabalhos foram conduzidas e reportadas nas referências [6-9]. Tais contribuições técnicas primaram pelo estabelecimento de modelos matemáticos destinados à representação e à simulação do fenômeno da arborescência e, a partir dos sinais obtidos, foram contemplados meios para a obtenção de parâmetros de desempenho do estado operacional de cabos isolados.

Prosseguindo nesta direção, o presente artigo encontra-se direcionado para a apresentação e discussão de avanços obtidos para se atingir indicadores representativos do estado de degradação dos cabos isolados a partir de medições diretas da tensão de suprimento e corrente de fuga. Utilizando tais informações, obtidas por um instrumento especialmente concebido para tal fim, são então determinados indicadores de estado utilizados, de modo clássico, para o diagnóstico do estado de operação destes componentes. Resultados experimentais realizados em um ambiente laboratorial e empregando trechos de cabos comerciais são também considerados no trabalho para fins de avaliação global da operacionalidade do protótipo de equipamento de medição em questão.

Concepção física do sistema de medição e características básicas do protótipo

A Figura 1 representa a estratégia de medição a ser empregada para os fins aqui almejados. No arranjo apresentado, o bloco associado com a medição local é responsável pela aquisição das amostras de tensão aplicada ao cabo e à corrente de fuga. Esta unidade constitui-se um dos pontos mais críticos do projeto do hardware, visto que utilizará tensões de valores elevados, mesmo levando em conta a presença dos transformadores de potencial e correntes de baixas magnitudes. Outro ponto relevante está na simultaneidade da aquisição dos sinais, pois os ângulos de fase têm influência relevante no processo de diagnóstico [1-9].

 

Em consonância com a metodologia concebida, a Figura 2 mostra o arranjo físico a ser utilizado para os registros das grandezas, a saber, tensão aplicada e corrente de fuga.  Como pode ser observado, a tensão é aplicada entre o condutor e a blindagem, enquanto que a corrente de fuga é determinada através de um sensor de corrente. A amostra do sinal de tensão aplicado sobre a isolação do cabo e o sinal de corrente fuga são registrados, utilizando-se um equipamento especialmente desenvolvido para os propósitos desta pesquisa e, por fim, enviados a um computador onde são gerados arquivos para posterior análise e aplicação da metodologia de diagnóstico.

Uma vez que os sinais de tensão são extraídos diretamente dos transformadores de potencial existentes nas instalações elétricas industriais, quanto aos problemas de monitoração das correntes em cabos de alimentação, como já esclarecido, optou-se pelo emprego de um alicate amperímetro de alta precisão. Tal dispositivo fornece, em seus terminais de saída um sinal de tensão diretamente proporcional ao valor da corrente medida, tornando possível a medição, a visualização e a análise do sinal desejado, quando utilizado em conjunto com instrumentos de medição e análise adequados.

Para os registros que se fazem necessários, também foi especificado um equipamento comercial designado por multimedidor e analisador de energia produzido por um fabricante nacional.

Protótipo de equipamento – Hardware

Dentre as propriedades contempladas pelo instrumento de medição concebido ressaltam-se os seguintes pontos principais:

  • Portabilidade: devido à necessidade de seu deslocamento para os pontos onde se fizerem necessários os registros;
  • Simplicidade operativa: possibilitar medições com o menor número possível de manobras, de preferência com o cabo com suprimento de tensão e carregamento normal (ou a vazio);
  • Adequação aos padrões de tensão: ser apropriado ao registro de tensões com valores compatíveis com as saídas típicas dos TPs comerciais;
  • Adequação aos níveis de corrente de fuga: possuir mecanismo de medição de corrente de fuga que não interfira nas conexões das blindagens aos pontos de aterramentos;
  • Hardware/software: primar por recursos de hardware comercialmente aprovados e em uso no setor elétrico, assim como softwares de comunicação e gerenciamento das ações.

A Figura 3 mostra o produto final especificado e adquirido de um fabricante nacional de instrumentação elétrica.

Dentre as principais características para o medidor construído ressaltam-se os seguintes pontos básicos:

  • Equipamento portátil;
  • Registrador de formas de onda de tensão e corrente, com display de cristal líquido e dispositivo para programação local;
  • Entradas para terra e neutro com, no mínimo, uma entrada para sinal de tensão de (10 mV a 500 VCA) e uma entrada para sinal de corrente (1 mA a 10 A-CA) com capacidade de aquisição simultânea desses dois sinais;
  • Alimentação 110/220 VCA, 50/60 Hz;
  • Resposta apropriada a frequências de até 4 KHz;
  • Medições realizadas por amostragem digital com duração programável de 1s até 1 h.

Estrutura do aplicativo para o cálculo dos indicadores de desempenho – Software

Em atenção aos objetivos anteriormente delineados, foram realizadas atividades associadas ao desenvolvimento de um software, no ambiente MATLAB®, para a determinação dos indicadores de estado operacional de cabos isolados.

O aplicativo desenvolvido, cujo fluxograma é apresentado na Figura 4, apresenta as seguintes funções básicas:

  • Determinação dos espectrogramas dos sinais de tensão de suprimento e de corrente de fuga;
  • Verificação se o sinal de suprimento apresenta distorções em níveis que possa conduzir a diagnósticos que não reflitam o nível de degradação presente na isolação do cabo;
  • Eliminação, quando for o caso, da influência da distorção da tensão de suprimento na corrente de fuga;
  • Recuperação do espectrograma do sinal de corrente de fuga devido, tão-somente, à presença de degradação da camada isolante.

Figura 4 – Fluxograma do aplicativo para determinação dos indicadores de estado.

Com tais premissas em mente, o diagrama ilustrado na Figura 5 apresenta a estrutura do aplicativo desenvolvido e implementado no produto final desta pesquisa.

Figura 5 – Metodologia para determinação dos indicadores de estado.

A partir da aquisição das formas de onda de tensão e corrente, torna-se possível o calculo dos indicadores para a determinação do estado operacional de um cabo, em consonância com os indicadores de desempenho abaixo descritos:

  • Distorção harmônica total da corrente de fuga – DHTI – esta grandeza apresenta valores crescentes à medida que o grau da deterioração aumenta, como reportado em [3];
  • Potência dissipada – ?P – A potência dissipada é um indicador de estado que está diretamente associado à densidade da deterioração [3];
  • Corrente de terceira harmônica – I3 – A magnitude desta componente tende a crescer com o incremento da degradação [2];
  • Ângulo de fase da terceira harmônica – ?3 – Trata-se de um indicador de estado que tende a zero com o aumento do grau de deterioração da camada isolante [1].

Por fim, vale ressaltar que, em vista da complexidade do fenômeno enfocado, as experiências obtidas até então indicam que é desejável e necessário proceder à análise conjunta dos indicadores empregados. Assim agindo acredita-se ser possível a emissão de diagnósticos confiáveis, no sentido de retratar, com maior confiabilidade, a situação operativa real com que se encontra um cabo isolado.

Estudos de casos e validação da estrutura de medição e diagnóstico

Para a avaliação do desempenho do equipamento foram realizadas atividades de testes experimentais em ambiente controlado, a fim de validar a estrutura de hardware e software desenvolvida. Para tal fim foram utilizadas diversas amostras de cabos isolados de classe de tensão de 8,7/15 KV, com isolação XLPE. Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos para três amostras de cabos utilizados por uma empresa concessionária.

Quanto ao nível de tensão utilizado para a realização dos testes, foi empregada a tensão de 8 KV, que corresponde ao valor nominal das amostras (cabos comerciais de 13,8 kV).

De posse das grandezas monitoradas procede-se a aplicação da metodologia para a obtenção dos indicadores de desempenho dos cabos ensaiados. Estas grandezas, que se destinam a permitir a avaliação do estado operacional, são aquelas comentadas no texto e obtidas de acordo com os procedimentos contidos em [8], os quais requerem, para alguns cálculos, o pré-conhecimento das parcelas ativa e reativa das correntes de fuga, motivo pelo qual procede-se, na sequência, a determinação desta primeira parcela [6].

Não obstante os valores constantes da tabela anterior expressem os resultados obtidos para as distintas grandezas a serem empregadas para os estudos de diagnóstico das condições operativas com que se encontram as amostras de cabos testados, há de se reconhecer, para o presente momento, a inexistência de um banco de dados que venha a permitir uma avaliação crítica e conclusiva sobre o tema. De fato, inspeções visuais e comparativas entre os valores não podem ser feitas em virtude de se tratar de trechos de cabos comerciais distintos, utilizados sob condições e tempo desconhecidos, enfim, não há valores de referência para o estabelecimento de uma base comparativa.

Apesar disso, de um modo geral pode-se verificar que, muito embora os desempenhos obtidos tenham sido similares, devido ao menor comprimento da amostra 3 e o fato de a corrente de fuga se apresentar em níveis próximos aos das demais, isto sugere que este cabo possa se apresentar em um estado de degradação mais avançado, observação esta corroborada com os indicativos atrelados ao ângulo da corrente de ordem 3 e ao respectivo valor das perdas.

Conclusões

O presente trabalho contemplou as bases de um instrumento, tanto no que se refere à estrutura de hardware quanto software, direcionado à determinação dos parâmetros de desempenho que expressem o estado operacional de cabos isolados no que tange aos padrões de degradação a que possam estar sujeitos no momento da monitoração. Fundamentando nestes princípios foi então construído e testado um protótipo de equipamento visando ao registro das correntes de fuga e respectivas tensões de operação, em que pese o fato de que os trabalhos de campo não exigem o desligamento dos cabos, mas tão apenas a desconexão das suas respectivas cargas. Este situação operativa exigida para os trabalhos de medição são factíveis de obtenção durante os programas de manutenção preditiva dos mais distintos complexos elétricos.

Quanto aos parâmetros focados como possíveis grandezas para o processo avaliativo, o trabalh

o buscou atender aos diversos procedimentos recomendados e encontrados na literatura, sem, todavia, apontar para um ou outro como sendo a melhor opção. De fato, seguindo as tendências mais atuais, os autores, no momento, são concordantes ao estabelecimento de uma metodologia de cruzamento de informações, estratégia esta que desponta como a mais promissora para uma avaliação mais consistente do processo.

Visando a ilustrar a utilização dos recursos obtidos, ensaios experimentais foram então realizados em um ambiente laboratorial através de três amostras de cabos comerciais distintos de média tensão. Muito embora os valores numéricos para os indicadores de desempenho discutidos no texto tenham sido obtidos, novamente, ressalta-se que, diante da ausência de um banco de dados de referências (por exemplo: ensaios em cabos novos), os valores extraídos não podem ser explorados de forma conclusiva.

Não obstante as ressalvas anteriores, os desempenhos obtidos aparentemente são indicativos que os cabos mostram comportamento similares, o que aponta para o fato que os mesmos, no que se refere a degradação de seus isolantes, sugerem a ausência de fenômenos severos afetando suas características físicas.

Agradecimentos

Os autores expressam seus agradecimentos à CAPES e ao CNPq pelas bolsas de mestrado e de doutorado no programa de pós-graduação da FEELT-UFU e outros apoios financeiros que viabilizaram a pesquisa.

Referência

[1] Y. Yagi, H. Tanaka, H. Kimuna, “Study on Diagnostic Method for Water Treed XLPE Cable by Loss Current Measurement”, Electrical Insulation 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 Harmonics in AC Loss Current”, Proceedings of the 7th International Conference on 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 Harmonic Distortion of the Insulation Loss Current as a Diagnostic Tool for High Voltage Cable Insulation”. Power Engineering Society Meeting, 2000, IEEE, vol.3, pp. 1615-1620, Jan, 2000.

[4] T. Furuhashi, K. Tohyama, T. Imai, Y. Murata, “Dissipation Current Waveform of Water Tree Deteriorated Low Density Polyethylene 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 Water Tree Deteriorated LDPE”, Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 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 Representação de Arborescências e Avaliação do Nível de Degradação de Cabos Isolados por meio da Análise da Corrente de Fuga”,  VII CBQEE – Conferência Brasileira sobre Qualidade de Energia Elétrica, Santos, Brasil, Agosto de 2007, p 86.

[7] F. N. Lima, J. C. Oliveira, D. A. Andrade, et. al, “Modeling Water Tree Phenomenon for Insulated Cable Loss Current Estimation”, In: IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America, Bogotá, Colombia, Aug.13-15,  pp. 1-6, 2008.

[8] F. N. Lima. – “Uma Contribuição À Estimativa de Indicadores de Desempenho do Estado Operacional de Cabos Isolados Sob a Ação das Arborescências” Tese de Doutorado em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia, 2008.Orientador: Professor José Carlos De Oliveira.

[9] M. D. Teixeira, J. C. Oliveira, C. R. Pacheco, O. C. Souto, “Avaliação do Estado Operacional de Cabos Isolados sob Condições Adversas: Estratégias e Proposta de Diagnóstico”, V SBQEE – Seminário Brasileiro sobre Energia Elétrica, Aracajú, Brasil, Agosto de 2003.

LOANA NUNES VELASCO é engenheira eletricista e mestre pela Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – Ilha Solteira. Atualmente, é aluna de doutorado do programa de pós-graduação na área de Qualidade e Racionalização da Energia Elétrica na Universidade Federal de Uberlândia-Brasil.

LUIZ CARLOS GOMES DE FREITAS é engenheiro eletricista, mestre e doutor pela Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Elétrica (UFU-FEELT). Atualmente é professor adjunto nível I da Faculdade de Engenharia Elétrica da UFU.

JOSÉ CARLOS DE OLIVEIRA é engenheiro eletricista, mestre pela Universidade Federal de Itajubá e Ph.D pelo Institute of Science Technology, de Manchester (UK). É pesquisador no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia.

DARIZON ALVES DE ANDRADE é engenheiro eletricista, mestre pela Universidade Federal de Uberlândia e Ph.D pela The University of Leeds (UK). É professor titular e pesquisador no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia.

FERNANDO NOGUEIRA DE LIMA é engenheiro eletricista, mestre pela Universidade Federal da Paraíba e doutor pela Universidade Federal de Uberlândia. Atualmente, é professor e pesquisador do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Mato Grosso.

ANTONIO DE PÁDUA FINAZZI é engenheiro eletricista e mestre pela Universidade Federal de Santa Catarina. Atualmente, é professor e pesquisador do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Mato Grosso.

Este artigo foi baseado no trabalho originalmente apresentado durante a 9th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications – Induscon 2010, que aconteceu de 8 a 10 de novembro de 2010, em São Paulo (SP).

O artigo está editado e pode ser lido integralmente na versão impressa da revista.

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