Resumo

A capacitância e a tangente delta são reconhecidos como alguns dos principais parâmetros para diagnóstico de condição da isolação de buchas, por serem diretamente afetados pela deterioração da isolação. Este artigo apresentará uma técnica para monitoração on-line da capacitância e tangente delta de buchas, além da experiência com sua utilização em campo para monitoração de buchas de 550kV e 245kV em autotransformadores e reatores de potência.

Serão descritos os resultados obtidos durante aproximadamente um ano, inclusive com a detecção on-line de deterioração da isolação de uma bucha de 550kV, evitando uma possível falha com explosão, o que foi posteriormente comprovado através de medições off-line de capacitância e tangente delta e por análise de gás-cromatografia em amostra de óleo da bucha.

Adicionalmente, serão apresentadas as questões práticas relacionadas à instalação dos sistemas de monitoração on-line de buchas tanto em transformadores equipados com Dispositivos de Potencial de Bucha (DPB), onde o tap da bucha já se encontra em ocupado, quanto em equipamentos onde foi possível a conexão direta ao tap da bucha.

Apesar de se tratar de um acessório dos diversos equipamentos citados, e de em geral seu custo individual ser relativamente pequeno quando comparado ao custo global do dispositivo, as buchas condensivas desempenham uma função essencial à operação de equipamentos de alta tensão tais como transformadores de potência e reatores de derivação.

Por outro lado, as buchas estão sujeitas a esforços dielétricos consideráveis, visto que é o primeiro equipamento a receber eventuais sobretensões decorrentes de manobras, impulsos atmosféricos ou outros fenômenos. Uma falha em sua isolação pode se refletir em danos não somente à bucha, mas também ao equipamento a que está associada. Em casos extremos, uma falha dielétrica em uma bucha pode levar à total destruição do equipamento de alta tensão, além do risco para as pessoas próximas.

Para evitar esse tipo de ocorrência, as concessionárias de energia utilizam-se tradicionalmente de programas de manutenção preventiva baseados no tempo, retirando o equipamento de serviço periodicamente para medições off-line de capacitância e tangente delta da isolação das buchas. Tomando-se como exemplo a norma ANSI/IEEE C57.19.100-1995 (1), são indicados intervalos típicos de 3 a 6 anos para se efetuarem essas medições. No entanto, essa filosofia de manutenção apresenta as seguintes desvantagens principais:

• A possibilidade de defeitos se desenvolverem no período de tempo entre duas medições, culminando em falhas graves,
• A necessidade de desligamento do equipamento para se realizarem as medições, acarretando custos por indisponibilidade e reduzindo a confiabilidade geral do sistema elétrico, e
• A ocupação das equipes de engenharia de manutenção, geralmente com número reduzido de pessoas, para a realização dos testes.

No caso de Furnas, o intervalo normal previsto no plano de manutenção da empresa para essas medições era de 6 anos. Entretanto, no caso da Usina de Serra da Mesa, suspeitas em relação a uma determinada família de buchas levaram à necessidade de redução do intervalo entre as medições off-line para apenas 3 meses em um banco de autotransformadores monofásicos de 133,33MVA 550/245/13,8kV e um banco de reatores monofásicos de 55MVAr 550kV, elevando em muito os custos de manutenção e de indisponibilidade do sistema.

A alternativa para superar estas desvantagens da manutenção baseada no tempo é a monitoração on-line da capacitância e da tangente delta das buchas, que permite que essas medições sejam feitas de forma contínua e durante a operação normal do equipamento. Dessa forma, em Novembro/2005 foi instalado o sistema de monitoração de buchas BM, da marca Treetech, para monitoração on-line da capacitância e da tangente delta dessas buchas.

As buchas do tipo condensiva têm seu corpo isolante constituído de diversas camadas isolantes cilíndricas concêntricas, intercaladas a camadas condutoras também cilíndricas cuja função é uniformizar ao máximo o campo elétrico, como mostra a Figura 1. A camada condutora mais externa é conectada à flange da bucha, e esta por sua vez ao terra. Já as camadas condutoras intermediárias permanecem isoladas, com potencial flutuante, com exceção de uma das mais externas, que é aterrada através de uma ligação removível próxima à base da bucha, denominada tap de tensão ou tap de teste (Figura 1). Para aplicação ao tempo, este conjunto, denominado corpo condensivo, estará contido em um invólucro impermeável, que pode ser de porcelana, silicone ou material polimérico à base de silicone.

Figura 1 – Forma construtiva de uma bucha condensiva

O conjunto descrito acima atua eletricamente como diversos capacitores conectados em série, formando um divisor de tensão capacitivo. Desta forma, a diferença de potencial total do condutor principal em relação ao terra é dividida entre os diversos capacitores.

Figura 2 – Circuito equivalente de uma bucha condensiva energizada

Quando a tensão fase-terra é aplicada à bucha, uma corrente, denominada corrente de fuga, passa a circular através de sua isolação, devido principalmente à sua capacitância, e em muito menor proporção devido às suas perdas dielétricas (expressas pelo fator de dissipação ou tangente delta). A Figura 2 ilustra esta situação; nesta figura podemos observar o equivalente elétrico obtido com a construção mostrada na Figura 1, já com a bucha energizada. Este é o modelo elétrico equivalente “série”. Um modelo elétrico “paralelo” poderia também ser aplicado, com os mesmos resultados. Com o modelo adotado, temos a seguinte corrente de fuga resultante:

Onde “R” representa a componente resistiva da impedância da isolação, que gera a parte resistiva da corrente de fuga, associada às perdas dielétricas, sendo “X” a componente reativa devido à capacitância da isolação.

O objetivo da monitoração on-line de buchas condensivas é a detecção de alterações na isolação da bucha ainda em sua fase inicial, indicando o desenvolvimento de condições que poderão levar à falha dielétrica do equipamento. Para isto é necessário detectar, com a bucha energizada, mudanças na capacitância e na tangente delta da isolação, ou seja, mudanças na impedância “Z” da isolação da bucha.

Em cada uma das buchas a corrente de fuga I_fuga flui através da capacitância C1 para o terra, passando pelo tap de teste ou de tensão, sendo esta corrente função da tensão fase-terra e da impedância da isolação. Desta forma, qualquer alteração na impedância da isolação (capacitância ou fator de dissipação) se refletirá em uma alteração correspondente na corrente de fuga que, em teoria, se poderia utilizar para a detecção da alteração ocorrida na impedância.

Entretanto, um dos obstáculos que se encontra para a detecção conforme descrito acima é a ordem de grandeza das alterações que se deseja monitorar. Alterações tão pequenas quanto um incremento algébrico de 0,3% no fator de dissipação de uma bucha podem representar a diferença entre uma bucha nova, em boas condições, e uma bucha no limite do aceitável. Fica evidente que uma alteração tão pequena no fator de dissipação provocará uma alteração praticamente insignificante na corrente de fuga da bucha, tornando inviável sua detecção por meio da monitoração apenas da corrente de fuga de cada bucha.

Uma das técnicas que permite superar a limitação prática demonstrada é a utilização da soma vetorial da corrente de fuga das três buchas em um sistema trifásico. Em um arranjo como este, as três correntes de fuga estão defasadas entre si em aproximadamente 120º, e normalmente tem a mesma ordem de magnitude, pois as três buchas têm capacitâncias em princípio semelhantes e as tensões das três fases estão próximas do equilíbrio. Com isso, a somatória das três correntes de fuga tende a um valor bastante menor que cada uma das correntes de fuga tomadas individualmente, como ilustrado na Figura 3.(a) para uma dada condição inicial de capacitâncias e fatores de dissipação.

Figura 3 – Correntes de fuga de três buchas em um sistema trifásico e sua somatória; (a) Para uma dada condição inicial; (b) Com alteração na capacitância e fator de dissipação da bucha da fase A.

Supondo agora que ocorra uma alteração na capacitância e no fator de dissipação da bucha da fase A, como mostrado na Figura 3.(b), o Vetor Alteração DI que expressa o deslocamento da corrente Ia de seu valor inicial até seu valor final se reflete também na corrente somatória, que é alterada em relação a seu valor inicial segundo o mesmo Vetor Alteração DI.

Este Vetor Alteração tem peso praticamente insignificante quando comparado à magnitude da corrente de fuga da fase A. Porém o mesmo não ocorre quando este vetor é comparado à corrente somatória, o que permite sua detecção e, por conseguinte, a detecção da alteração ocorrida na impedância da bucha em questão.

Pelo exposto acima, observam-se algumas características intrínsecas ao método utilizado:

• É necessária a determinação de uma referência inicial de correntes para o sistema, para em seguida compará-la às novas medições on-line, de forma a determinar as alterações ocorridas na capacitância e no fator de dissipação das buchas;
• Não é efetuada a medição dos valores absolutos de capacitância e tangente delta das buchas, mas sim a medição das variações ocorridas nestes parâmetros. Porém, uma vez que sejam conhecidos os valores iniciais de capacitância e tangente delta de cada bucha (valores presentes no momento em que é determinada a referência inicial de correntes), a medição das variações ocorridas permite conhecer os valores atuais de capacitância e tangente delta;
• No caso de buchas novas, podem ser utilizados como valores iniciais de capacitância e tangente delta os valores de placa determinados pelo fabricante das buchas. Porém para buchas já em operação é recomendável que, na instalação do sistema de monitoramento on-line, seja efetuada a medição destes parâmetros através de métodos convencionais, com as buchas desenergizadas. Com isso se garante que estão sendo utilizados pelo sistema de monitoramento valores iniciais corretos.

Como se pode observar do acima exposto, as correntes de fuga e a corrente somatória são influenciadas não apenas pelas mudanças na capacitância e tangente delta das buchas, mas também por alterações nas tensões fase-terra em cada bucha. Esta influência é eliminada por meio de tratamentos matemáticos e estatísticos realizados nas medições, razão pela qual o processo de determinação da referência inicial de correntes é efetuado num período de tempo ajustável de 1 a 7 dias após o início de operação do sistema de monitoramento. Já o processo de medição das alterações ocorridas, pelas mesmas razões, tem uma constante de tempo de resposta da mesma magnitude.

A construção física da bucha dá origem a um divisor de tensão capacitivo, como demonstrado anteriormente, sendo a porção inferior deste divisor normalmente curto-circuitada aterrando o tap da bucha, de modo que a tensão deste em relação ao terra é de zero volts. Para que seja possível a medição da corrente de fuga da bucha, este aterramento passa a ser efetuado pelo circuito de medição da corrente de fuga. Devido à baixa impedância deste circuito, a tensão do tap em relação ao terra permanece próxima de zero. No entanto, em caso de interrupção acidental do circuito de medição, o divisor de tensão capacitivo geraria uma tensão no tap da bucha que normalmente é superior à rigidez dielétrica do tap em relação ao terra, com riscos de danos à bucha.

Para evitar esta ocorrência, o adaptador de conexão ao tap da bucha está provido de dois dispositivos limitadores de tensão conectados em paralelo, em uma configuração redundante. Estes dispositivos entram em condução em caso de abertura do circuito de medição, constituindo um caminho de baixa impedância para a corrente de fuga, de forma que a tensão do tap em relação ao terra permanece em poucos volts. Os dispositivos limitadores de tensão não estão suscetíveis a desgastes de natureza elétrica ou mecânica, o que permite que cada um deles separadamente conduza, por tempo indeterminado, no mínimo 2,5 vezes a máxima corrente de fuga encontrada nos diversos modelos de bucha existentes.

Além disso, os dispositivos limitadores de tensão atuam como proteções contra as sobrecorrentes e sobretensões que se desenvolvem no tap da bucha quando da ocorrência de sobretensões transitórias no sistema elétrico. Isso permite também que todos os ensaios dielétricos (por exemplo, tensões de impulso) sejam realizados nas buchas já com o sistema de monitoração on-line conectado e em operação.

Figura 4 – Monitoração das buchas do banco de reatores monofásicos; (a) Reatores; (b) Adaptador no tap de bucha 525kV; (c) Painel Comum do banco de reatores; (d) Módulo de Medição para as buchas dos reatores

Figura 5 – Monitoração das buchas do banco de autotransformadores monofásicos; (a) Autotransformador com DPB; (b) Módulo de Interface na Sala de Relés; (c) Painel Comum do banco de autotransformadores; (d) Módulos de Medição para as buchas dos autotransformadores.

Com o Módulo de Interface conectado à intranet de Furnas, todas as informações do sistema de monitoração de buchas, tais como medições atuais e atuação de alarmes, podem ser acessadas remotamente dos escritórios da empresa na usina ou fora dela.

Através das medições off-line de capacitância foi possível confirmar também o alarme emitido pela monitoração de buchas on-line, indicando a existência de camadas de isolação em curto-circuito. Nessas medições foi verificada tangente delta de 0,97% e capacitância de 853pF, superior à indicada nas medições on-line. Essa diferença entre as medições se explica pelo fato da capacitância encontrar-se em um processo de elevação contínua, o que causa uma defasagem de tempo entre a capacitância real e a indicada pela monitoração on-line devido ao tempo de resposta desta, conforme explanado no item 2.3. Em outras palavras, se a capacitância das buchas se estabilizasse em um determinado valor, a medição da monitoração on-line alcançaria este mesmo valor depois de decorrido o seu próprio tempo de resposta.

As buchas de alta tensão condensivas são um acessório essencial para a operação de diversos equipamentos de alta tensão, tais como transformadores de potência e reatores. Este artigo demonstrou o princípio de funcionamento que permite a monitoração on-line deste tipo de bucha, assim como a experiência de aplicação desse sistema às buchas de autotransformadores monofásicos 550/245kV e de reatores monofásicos de 550kV em Furnas, na Usina de Serra da Mesa.

Durante a operação, as oscilações observadas nas medições on-line foram da ordem de até 0,4% para capacitância e 0,13% para tangente delta (em valor absoluto, no banco de reatores, onde esta é medida), permitindo ajustes bastante sensíveis para os alarmes. Isso permitiu que fosse detectada com sucesso a evolução de defeito na isolação de uma bucha de 550kV em um dos autotransformadores, permitindo a retirada de operação desse equipamento antes que ocorresse uma falha grave, com a provável explosão dessa bucha.

Dessa forma, ficou demonstrado na prática que a monitoração on-line de buchas pode ser um instrumento adicional e confiável para a prevenção de acidentes com esse tipo de equipamento, não somente aumentando a confiabilidade e disponibilidade do sistema elétrico e mantendo a integridade dos equipamentos, mas também aumentando a segurança para as pessoas presentes nas instalações.