O que são descargas parciais

Descargas Parciais: o que são e como prevenir em equipamentos elétricos?

A presença das descargas parciais (DPs) causam a dificuldade de sustentação dos componentes em isolar os materiais condutores, sendo que esses danos podem se agravar causando a perda do equipamento, e em cenários mais graves, podem aumentar o risco de incêndios, choques elétricos, deterioração do equipamento ou até explosões.
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O que são descargas parciais?

As descargas parciais são rápidos e pequenos rompimentos no isolamento de um material isolante, ou em sua superfície que podem ser caraterizadas como sinais elétricos pulsantes incompletos, intermitentes e rápidos, da ordem dos nano segundos, é importante ressaltar que as descargas parciais não chegam a percorrer todo o caminho entre os condutores.

Essas descargas, ocorrem devida à diferença de potencial proporcionada por um campo elétrico atuante, tem duração inferior 1 ms e são geralmente acompanhadas de emissão de som, luz, calor e reações químicas.

Elas podem ser iniciadas por vácuos, imperfeições e rachaduras em componentes dielétricos do equipamento e podem estar presentes em materiais sólidos ou gasosos. Como consequência podem fazer com que o isolamento se deteriore causando maiores complicações.

A presença das DPs causa a dificuldade de sustentação dos componentes em isolar os materiais condutores, sendo que esses danos podem se agravar causando a perda do equipamento, e em cenários mais graves, podem aumentar o risco de incêndios, choques elétricos, deterioração do equipamento e até explosões.

Como e por que ocorrem as descargas parciais?

Descargas parciais podem ocorrer em diversos componentes do sistema elétrico, tais como transformadores, cabos, isoladores, disjuntores, para-raios, comutadores e geradores.

Esses eventos indesejados podem ser desencadeados por uma variedade de fatores, incluindo:

  • Ativos envelhecidos;
  • Condições climáticas adversas;
  • Defeitos de fabricação;
  • Erros de projeto;
  • Falta de isolamento;
  • Falhas mecânicas;
  • Materiais de baixa qualidade;
  • Sobrecarga do sistema elétrico.

Característica da formação das descargas parciais

  1. Cavidades, incrustações por corpos estranhos, dielétricos heterogêneos, formação de trilhamento e erosão;
  2. Problemas de superfície pelo efeito corona ou formação de bandas de diferentes permeabilidades elétricas (como pontas e outros efeitos irregulares);
  3. Juntas divisórias entre materiais de isolamentos diferentes.

Efeitos de sua formação:

Todos os tipos de descargas parciais manifestam-se por meio de sinais de alta frequência, como luz, som e/ou arcos elétricos. Além disso, dependendo do meio dielétrico, seja ele gás, líquido ou sólido, podem ocorrer reações químicas.

Esses eventos são caracterizados por uma variedade de fenômenos físicos e químicos que ocorrem no local, tais como:

  • Pulsos eletromagnéticos conduzidos e irradiados;
  • Luminosidade;
  • Ruído acústico;
  • Acréscimo de temperatura;
  • Reações químicas.

Classificação das descargas parciais:

Classificação das descargas parciais

1. Descarga de superfície

Conhecida também como trilhamento superficial ou formação de bandas secas e bandas úmidas, ocorrendo comumente devido à umidade e falta de manutenção, levando à quebra do isolamento. Geralmente, essa falha se alastra até a perda por completo do equipamento. 

Este tipo de DP ocorre quando o componente de campo elétrico que tangencia a superfície ultrapassa o valor crítico determinado, nesse caso o processo de deterioração por Descarga Parcial se inicia. Esse processo pode levar ao rompimento da isolação, conhecido por trilhamento.

2. Descarga corona

Também conhecida como descarga externa, ocorre quando a descarga se encontra diretamente com o ar e se difunde pelas superfícies pontiagudas ou quinas de um condutor, emitindo som e radiofrequência. Nos estágios iniciais de indução da tensão podem ser caracterizadas por brilho da superfície e correntes de descargas pela formação de gases na superfície do material. Nesse processo químico são incorporados meios gasosos que podem gerar ozônio causando mais fissuras na isolação de materiais compostos por polímeros.

O efeito corona também gera efeitos de erosão em materias sólidos, comuns a eletrodos de aluminio ou degração de PEAD (polietileno de alta densidade) e silicone.

3. Descarga em vazio

São falhas no isolamento que ocorrem majoritariamente em sólidos, como em cabos, buchas e junções, levando a formação de gases em cavidades e/ou tricas nos espaços vazios. Também é conhecida como descarga interna. Já quando ocorrem em materiais líquidos, comumente acontecem em bolhas de gases devido ao aquecimento do vapor d’água criados em regiões com alta intensidade de campo elétrico.

4. Descarga em arco

É uma descarga elétrica de maior duração quando ocorre o rompimento elétrico de um gás, produzindo plasma dissipando-se pelo ar ou outro meio não condutor.

5. Descargas mistas

Este fenômeno ocorre quando ocorrem dilatações térmicas ou por esforços mecânicos, formando laminação interna do dielétrico, ou pela formação de pontas em condutores com revestimentos insuficientes, ou desgastado.

Diagnosticando as descargas parciais:

Para medir a descarga parcial de forma adequada, é necessário considerar o tipo do equipamento e sua isolação. Por exemplo:

Diagnosticando as descargas parciais
  • Em subestações isoladas a gás é possível aferir por sensores de ultrassom;
  • Em isoladores é perceptível por luz através de câmaras anecóicas;
  • Em geradores ou grandes motores através do método elétrico ao conectar sensores capacitivos no estator;
  • Em transformadores por cromatografia gasosa, pois o óleo se degrada com formação de gases de ativação ou pela análise da corrente de fuga.
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Metodologias de diagnóstico das descargas parciais

1.Método Elétrico

Caracteriza-se pela medição de pequenos sinais através de acopladores capacitivos. A calibração é realizada em função da carga aparente, sendo o procedimento de calibração padronizado e os valores das descargas parciais podem ser comparados entre circuitos e objetos de testes diferentes. Esse método também pode ser adotado para testar a integridade da isolação para a maioria dos equipamentos de tensão, assim como testes de aceitação de equipamentos devido à alta precisão e sensibilidade.

Vantagens:

As principais vantagens do método elétrico de medição de PD são as seguintes:

  • A calibração é realizada em função da carga aparente;
  • Devido ao procedimento de calibração padronizado, os valores de DPs que são medidos em pC podem ser comparados entre circuitos diferentes e objetos de teste;
  • É possível a identificação do tipo de fonte da DP;
  • Pode ser adotado para testar a integridade da isolação para a maioria dos equipamentos de tensão;
  • Pode ser usado para testes de aceitação de equipamentos devida à alta precisão e sensibilidade.

Desvantagens:

  • Oferece maior complexidade em localizar a fonte de DP;
  • Com o aumento da capacitância do objeto ensaiado a sensibilidade diminui;
  • Maior propensão a interferências eletromagnéticas.

2.Método acústico

A detecção de descargas parciais pelo método acústico tem como objetivo registrar o sinal acústico gerado durante sua ocorrência. Tais sinais são decorrentes de uma onda de pressão gerada pela liberação de energia das descargas parciais e sua detecção deve ser realizada pelo uso de sensores acústicos adequados. Em geral, o intervalo de frequência pelo qual os sensores devem ser capazes de operar está compreendido na faixa 20-250 kHz.

Nessa metodologia a adequação dos sensores deve ser tomada considerando a propagação de ondas no objeto de teste para garantir alta precisão e sensibilidade nos registros.

O dimensionamento de sensores acústicos para detecção de descargas parciais deve ser feito considerando o meio em que esses devem captar a onda. Os microfones são normalmente usados em ar e outros gases enquanto os hidrofones de materiais piezoelétricos são usados em meios líquidos.

Vantagens:

As principais vantagens do método acústico de medição de DPs:

  • Não invasivo, relativamente barato e de fácil utilização;
  • Maior imunidade à interferência eletromagnética;
  • Localização eficiente de fontes das DPs.

Desvantagens:

  • A calibração do sinal acústico em relação à carga de descarga parcial não é possível;
  • Não é tão conveniente para o monitoramento contínuo de DPs;
  • Não é muito útil para a estimativa de risco dos defeitos em transformadores, devido à alta atenuação do sinal acústico;
  • Lentidão do processamento de dados.
Metodologias de diagnóstico das descargas parciais​

3. Método de Ultra-Alta Frequência (UHF)

Esta metodologia baseia-se em detectar as emissões eletromagnéticas dos locais de descarga no isolamento produzidas pelos pulsos de descargas parciais. 

A vantagem do método UHF é que a relação sinal/ruído obtida, sob condições “in loco”, é superior quando comparada com a medição de DPs descrita na IEC 60270, fato que permite uma maior sensibilidade e precisão durante o processamento. Isso ocorre porque, em altas frequências, as ondas eletromagnéticas são mais atenuadas à medida que se propagam pelo meio.

Dessa forma, o ruído eletromagnético, responsável pela poluição dos sinais medidos, gerados mais longe do sensor UHF quando comparado à fonte de DPs sofre uma atenuação maior que as emissões eletromagnéticas da própria descarga, resultando em uma medição de maior qualidade devida à maior relação sinal/ruído.

Vantagens:

As principais vantagens do método UHF de medição de descargas parciais são:

  • Maior imunidade ao ruído, o que significa que o método UHF pode ser empregado para medição de DPs em ambientes ruidosos;
  • Boa precisão para localização dos defeitos frente aos outros métodos;
  • As formas de pulso e frequências associadas são preservadas por sensores UHF. Este aspecto é importante, pois diferentes tipos de defeitos podem gerar sinais de DPs de diferentes formas e frequências, que em muitos casos ajuda na identificação e localização das descargas;
  • Elevado sucesso em experiências práticas de medição e monitoramento em subestações isoladas a gás, sigla em inglês (GIS – Gas Insulated Substation).

Desvantagens:

  • No método UHF, as medições não podem ser calibradas em termos de carga aparente;
  • O método UHF é menos flexível, visto que os sensores UHF e acessórios relacionados são geralmente específicos de um tipo de equipamento;
  • Alto custo percentual frente a outros métodos.

4. Método Óptico

O objetivo da metodologia óptica é detectar radiação ultravioleta ou infravermelha emitida por descargas parciais usando receptores que dependem do meio ao redor (ar, hexafluoreto de enxofre (SF6 e óleo) para medição.

Vantagens:

Dentre as principais vantagens do método Óptico de medição de descargas parciais estão:

  • Toda a medição é isolada galvanicamente, de modo que não há influências nas medições, que são imunes a sinais indesejados.

Vantagens:

  • Acessibilidade do sensor dentro do equipamento;
  • Possibilidade de perda de calibração dos sensores ópticos;
  • Opacidade do meio, principalmente em óleos isolantes e perda de sinais.

5. Método Químico

O método químico para a detecção de DPs é um dos mais tradicionais e consiste na análise cromatográfica dos gases dissolvidos no óleo isolante do transformador, que são provenientes das reações químicas que se dão pela degradação de materiais isolantes do próprio equipamento. 

A metodologia se baseia no fato de que a quantidade e os tipos de gases dissolvidos no óleo contêm informações de falhas no sistema de isolamento.

Conforme a norma IEEE Std C67-113, cada tipo de defeito gera um ou mais tipos de gases no isolamento. 

Dessa forma, a análise cromatográfica é bastante útil por sua capacidade de avaliar os vários tipos de gases e possibilitar a identificação e o diagnóstico de diversos defeitos, desde o estágio inicial até os mais avançados. Entre os gases comumente gerados por defeitos internos, de acordo com Gutnik, destacam-se os que seguem:

  • Gases combustíveis: Hidrogênio (H2), Metano (CH4), Etano (C2H6), Etileno (C2H4) e Acetileno (C2H2);
  • Gases não combustíveis: Oxigênio (O2), Nitrogênio (N2), Monóxido de Carbono (CO) e Dióxido de Carbono (CO2).

Vantagens:

São vantagens do método químico, segundo BRUNINI:

  • A Eficiência na identificação de DPs, através da análise cromatográfica dos gases presentes no óleo;
  • A Metodologia consagrada com várias pesquisas consolidadas nesta área;
  • APermite identificar com facilidade a evolução da formação de gases no domínio do tempo.

Desvantagens:

  • Impossibilidade de mensurar a carga aparente das DPs;
  • Não permite a localização dos pulsos de DPs;
  • Equipamentos de medição online são caros e em sua maioria exigem gás de arraste ou partes móveis.
  • Aqueles sensibilizados por eletrodos fixos não possuem resolução suficiente em partes por milhão para detectar as ocorrências no início da formação de DPs.
Proteja seus equipamentos contra danos elétricos.

Proteção contra descargas parciais: medidas essenciais para equipamentos elétricos de alta qualidade!

Em resumo, a medição é viável em todos os casos, porém cada equipamento requer uma solução específica. Se o equipamento analisado apresentar descargas parciais acima dos valores normativos, é provável que sua suportabilidade seja baixa, afetando sua confiabilidade e levando a um processo contínuo de degradação.

Para garantir a proteção contra descargas parciais nos equipamentos elétricos, é essencial implementar medidas preventivas. Isso inclui a realização de ensaios conforme as normas de fabricação, a utilização de dispositivos de proteção e a adoção de manutenção preventiva com materiais e componentes de alta qualidade.

Além disso, é fundamental realizar testes e diagnósticos periódicos nos equipamentos para assegurar sua integridade e bom funcionamento.

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Sobre o autor:

Guilherme Ferraz

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