CASE - Diagnóstico de Falhas em Cabos MT

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Este trabalho tem como objetivo principal apresentar a atividade de diagnostico online dos cabos de distribuição energia em média tensão (4,16 KV), que alimentam a Aciaria da Gerdau – unidade Ouro Branco através do método online de descargas parciais. O parecer técnico foi a base necessária para o conhecimento do estado atual dos circuitos e elaboração de um plano para manutenção baseada na condição. O método online de descargas parciais foi adotado, pois permite detectar a presença de falhas devida tanto ao envelhecimento quanto a imperfeições na fabricação do sistema isolante.

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  • 1. DIAGNÓSTICO EM CABOS DE MÉDIA TENSÃO UTILIZANDO O MÉTODO DE DESCARGAS PARCIAIS ALEXANDRE GROSSI1 Resumo - Este trabalho tem como objetivo principal apresentar a atividade de diagnostico online dos cabos de distribuição energia em média tensão (4,16 KV), que alimentam a Aciaria da Gerdau – unidade Ouro Branco através do método online de descargas parciais. O parecer técnico foi a base necessária para o conhecimento do estado atual dos circuitos e elaboração de um plano para manutenção baseada na condição. O método online de descargas parciais foi adotado, pois permite detectar a presença de falhas devida tanto ao envelhecimento quanto a imperfeições na fabricação do sistema isolante. Palavras-chave – Diagnóstico, Falhas, Cabos, Descargas Parciais Introdução De acordo com diversos fabricantes, a vida útil média de condutores elétricos, trabalhando em condições normais de operação, é de 25 anos. Suas características construtivas apresentam diversas formas e tipos de fabricação, com características específicas. Este é um processo que requer cuidados para manter um nível de qualidade que satisfaça as normas em vigor. Sua isolação não é diferente. As isolações sólidas são fabricadas a partir de materiais como os termoplásticos (PVC) e os termofixos (polietileno reticulado – XLPE e borracha etileno-propileno – EPR), sendo este último com alta resistência ao surgimento do treeing. Treeing ou arborescência é assinalada como o principal responsável por falhas em XLPE em isolações sólidas dos cabos de distribuição (Júnior, 2008). Este processo de degradação quando submetido a diversos processos estressores como estresse elétrico, térmico, mecânico ou ambiental, sendo estes em operação, tem como consequência a ruptura do material. A fabricação dos cabos apresenta atualmente um bom resultado em seu processo quanto a minimização deste fenômeno, mas a degradação da camada isolante ainda é a principal causa de falha (Lima, 2008). Um dos fenômenos relacionados a falha por degradação é conhecida como descarga parcial (Silva, 2005). Assim com intuito de minimizar a presença desta anomalia nos cabos, torna-se necessário predizer quais as condições operacionais da isolação de cabos elétricos. Técnicas existentes e a medição das descargas parciais Avaliar as condições de degradação da isolação dos cabos elétricos vem tendo a observação do setor tanto de fornecimento de energia, como o setor industrial. A idéia é estabelecer um procedimento que venha permitir um monitoramento em condição de funcionamento. 1 alexandregrossi15@gmail.com Aluno do PPGEL – Programa de Pós Graduação de Engenharia Elétrica da UFSJ – Universidade Federal de São João del Rei
  • 2. Em (Teixeira, 2003) o trabalho apresentado investiga as principais metodologias empregadas no diagnóstico do estado operacional da isolação de cabos elétricos. Duas metodologias são chamadas a atenção para nosso estudo. A primeira está relacionada ao fator de dissipação ou tangente delta (tang. δ). Está técnica chama a atenção para as perdas na isolação observadas no ângulo formado pela corrente capacitiva da corrente de fuga que flui através desta isolação. Ainda em (Teixeira, 2003) o autor indica como dificuldade do método a possibilidade dos resultados estar com diagnósticos errados. A segunda seria o método da medição da resistência da isolação. Este teste é usado com o intuito de determinar a integridade do cabo a ser analisado. Quando os valores da resistência estiverem abaixo dos valores estabelecidos, existe aí a característica de que a isolação do cabo está perdendo suas características elétricas. A dificuldade do método encontra-se para medições em cabos com longas distâncias. Para estes casos as correntes de fuga capacitiva dependentes do tempo irão levar os medidores a alterações em suas leituras tornando impossível a obtenção de uma leitura estável e apurada (Vortex). Definição e classificação das descargas parciais Descarga parcial é uma descarga elétrica que ocorre numa região do espaço sujeita a um campo elétrico, cujo caminho condutor formado pela descarga não une os dois eletrodos de forma completa. Podem ser classificadas como: PD interna, PD superficial ou PD corona. Diversos autores vêm chamando a atenção para este fenômeno. Em (Filho, 2005) o autor mostra sua definição através do conceito de gradiente de tensão. Sabe-se que gradiente de tensão é a relação existente entre tensão aplicada ao dielétrico e sua espessura. Se o valor assumido por este gradiente ultrapassa valores capazes de gerar uma ruptura na isolação dos cabos, entende-se que este gradiente ultrapassou a rigidez dielétrica deste isolante no cabo. No processo de fabricação de um cabo, o aparecimento de bolhas ou vazios se dá por causas distintas, que dependem da natureza do material na maioria dos casos. Para o caso dos termoplásticos sua falha pode ocorrer na presença de ar no processo de injeção do polímero. Já nos termofixos a falha se justifica no processo químico de cura do elemento isolante. Em ambos os casos o surgimento destas falhas ou bolhas leva a uma baixa rigidez dielétrica neste ponto localizado, permite uma acentuada solicitação elétrica, levando a sua ruptura por estresse elétrico. Como todo o cabo está submetido ao mesmo gradiente de tensão da isolação, neste ponto localizado surge uma descarga elétrica denominada descarga parcial (PD - do inglês Partial Discharges). Um aprofundamento maior sobre as condições de ocorrência das descargas parciais e conceitos matemáticos correlatos encontra-se em (Silva, 2005). As medições de Descargas de Parciais – DP são testes realizados em diferentes tipos de equipamentos elétricos, como cabos, geradores, motores, a fim de avaliar o estado do sistema isolante. Estas medições permitem detectar a presença de defeitos devidos tanto a um processo de degradação como a imperfeições na fabricação do sistema isolante. Em comparação a outros testes dielétricos (isto é, a medição do fator de dissipação ou resistência de isolamento) o caráter diferenciador das medições de descargas parciais é a localização de pontos localizados de degradação do sistema de isolação avaliado.
  • 3. O fenômeno das Descargas Parciais está baseado no principio de que a maioria dos materiais isolantes possui micro-cavidades, seja por sua estrutura intrínseca, seja por sua manipulação durante o processo de fabricação. Quando esses materiais isolantes são submetidos a um campo elétrico de alto gradiente podem ocorrer descargas internas nas micro-cavidades que gradualmente provocam a “erosão” de suas paredes até que essa microcavidade tenha uma dimensão igual à espessura do material isolante, resultando então em uma descarga total e consequente falha do isolamento do cabo. As Descargas Parciais em um sistema isolante são o primeiro sintoma de que alguma anomalia está ocorrendo no material e por consequência a sua identificação permite, com antecedência, preverem-se possíveis falhas futuras. Desta forma, a avaliação qualitativa de uma rede de cabos de média ou alta tensão pode ser executada através da metodologia da medição de Descargas Parciais. Metodologia empregada na medição das DP’s A empresa TECHIMP desenvolveu um método de medição dessas DP’s de modo que a sua identificação, com separação e rejeição de ruídos, permite a observação de seus parâmetros online (sistema energizado) ou offline (sistema desernezidado). As medições on-line de descargas parciais adéquam vantagens operacionais e técnicas com relação às técnicas off-line. O sistema de alimentação das cargas não é interrompido durante os testes. O contexto mais importante dentro da visão técnica, é que o cabo pode ser monitorado através de sinal emitido constantemente, de modo que a variação em função do tempo e atividades de DP intermitentes podem ser detectadas, incluindo as conseqüências das condições operacionais, como sobre-tensões e variações de carga. Uma vantagem da técnica offline seria a possibilidade de obtermos um sinal externo com mínimo possível de ruído, com a utilização de uma fonte auxiliar de tensão. Para estes casos devemos levar em consideração que a potência desta fonte é proporcional a capacitância do cabo conforme a equação: 𝑃 = (2𝜋𝑓 𝑚𝑖𝑛). 𝐶. 𝑉2 Diante deste indicativo o gestor vem a tomar sua decisão para intervenção no sistema através de uma manutenção baseada na condição (CBM – Condition Based Maintenance), bem como uma noção correta de riscos definindo assim caminhos e ferramentas para mitigá-los. Para uma rede de distribuição subterrânea e cabos de média tensão, a medição das Descargas Parciais é feita através do adequado posicionamento de sensores indutivos tipo transformadores de corrente de alta frequência (HFCT – High Frequency Current Transformers) instalados no aterramento da blindagem metálica do cabo e/ou ao redor do mesmo, ou na sua indisponibilidade, por meio de sensores tipo manta flexível (FMC – Flexible Magnetic Coupler) que recobrem diretamente uma porção do cabo sob teste. Sua instalação é mostrada na figura1.
  • 4. Figua 1 – Instalação dos sensores ao redor do cabo HFCT A sensibilidade dos sensores possibilita a identificação de sinais de Descargas Parciais originadas em pontos distantes dos mesmos e a sua adequada localização pode ser feita através do reposicionamento desses sensores ao longo da linha, nas câmaras de emendas. Os sinais de Descargas Parciais são conduzidos por cabos coaxiais que interligam os sensores até o equipamento de detecção (PPDC - Portable PDCheck) que por sua vez é conectado a um notebook e assim, permite a leitura e avaliação dos resultados. O arranjo geral da cadeia de medição é apresentado na Figura 2. Figura 2: Arranjo geral da cadeia de medição de DP on-line TECHIMP O equipamento de detecção através de seu software fornece um padrão de separação em função da forma de onda do pulso, classificando assim os fenômenos de DP’s e ruídos. A identificação de defeitos é realizada por um sistema de inferência fuzzy que processa os marcadores para estimar a natureza do defeito subjacente. Este reconhece defeitos pertencentes à macro-categorias, como DP interna, DP superficial e DP corona. O ponto de partida da identificação é um grupo de rotinas, realizada por um equipamento de análise de inferência fuzzy, que extrai indicadores estatísticos dos sub-
  • 5. padrões de PRPD (Phase Resolved PD Pattern). Esta resposta proporciona uma primeira indicação de criticidade do defeito. As figuras 3,4 e 5 mostram a forma como o software apresenta os padrões (patterns) das DP’s que possam estar presentes. Figura 3: exemplo DP interna Figura 4: exemplo DP superficial Figura 5: exemplo DP corona Estratégia de manutenção O objetivo da gestão da manutenção passa pela busca de ferramentas que lhe traga melhor retorno, maior disponibilidade e desempenho de seus equipamentos. Para (Mendes, 2011) poucas são as empresas que se utilizam de técnicas de predição para gestão dos ativos e que estão disponíveis através de novas tecnologias. Por definição as técnicas preditivas são aquelas que se utilizam dos recursos de monitoramento da condição para evitar falhas eminentes. Ainda é sabido que tal técnica, aliada a outras já conhecidas reduz custo de manutenção, reduz a indisponibilidade, aumentando a confiabilidade da planta (Mendes, 2011).
  • 6. Como já relatado anteriormente a técnica de descargas parciais parte por um monitoramento das condições do sistema isolante analisado. Para o estudo em questão pode-se definir três estratégias de manutenção, sendo um monitoramento permanente, testes on-line periódicos, e manutenção planejada após a avaliação das tendências para avaliação da manutenção imediata. Uma das recomendações de avaliar a real condição do isolamento do cabo é avaliar as mudanças na tendência da DP. Para fazer isso, é necessário realizar medições repetitivas. A identificação dos defeitos é fundamental porque diferentes tipos de defeitos têm diferentes taxas de degradação, mesmo que tenham a mesma amplitude. A técnica proposta passa ainda por um critério de “semáforo”, que seleciona o grau de criticidade da falha, conforme figura 6. Figura 6: Seleção do grau de criticidade A observação da figura 5 nos leva a concluir que a luz verde índica níveis normais não sendo requerida nenhuma ação corretiva; a luz amarela requer medições mais frequentes para avaliação de tendências; a luz vermelha sugere imediata intervenção naquele trecho de cabo de onde foram originadas as descargas. Sendo assim a análise dos resultados amarelos e vermelhos faz-se através de uma tendência da evolução da DP. Assim é necessário realizar uma segunda medição para avaliar a Tendência ou Taxa de Incremento da DP, determinando o intervalo de medição conforme figura 7. Figura 7: Avaliação de tendências após segunda medição A equipe de manutenção pode ainda estar interessada em efetuar a manutenção do circuito do cabo logo que detecta cabos afetados por DP, sem avaliar a tendência. Esta é uma vantagem de utilizar as medições online. Lembramos que estas observações são sugestivas sendo de responsabilidade da equipe de manutenção qual real ação a tomar. Existe ainda o monitoramento permanente dos cabos. A detecção pode ser feita através de uma sala de controle, com sinais enviados por cabos óticos tendo em vista uma avaliação remota.
  • 7. Desenvolvimento do trabalho A rede de alimentação analisada encontra-se situada na empresa GERDAU – Unidade Ouro Branco, ramo siderúrgico, mais precisamente na Aciaria. É nesta etapa do processo onde ocorre o refinamento do gusa, e conseguinte a obtenção do aço. Seu sistema elétrico é composta de 6 painéis de média tensão divididos em EV1, EV2, EV3, EV4, EV5 e EV6 com tensão e freqüências nominais em 4,16kV e 60Hz. A este sistema temos cargas como lingotamentos, responsáveis pela solidificação do aço; pontes rolantes, para transporte de cargas líquidas; convertedores, formados por fornos refratários responsáveis pela transformação do gusa em aço; além de cargas de iluminação, no-breaks, fornos-panela, máquinas de solda entre outros. As perdas operacionais relacionados a falha do cabo que alimenta os convertedores, alimentado pelo EV4 está relacionados a perdas de corrida do aço por tempo parado para cada convertedor, sendo dois convertedores. O trabalho foi executado através da técnica online em agosto de 2013. Optou-se por esta ferramenta devido à ausência de uma fonte de tensão auxiliar necessária a aplicação da técnica offline. Para o caso em questão seria necessária uma fonte externa de potência adequada para geração de um sinal oriundo desta fonte. Os cabos de alimentação dos painéis e suas características são apresentados na tabela 1. Na maioria deles sua vida útil estimada gira em torno de 27 anos, evidenciando assim início de depreciação do mesmo. Tab. 1: Características elétricas dos cabos Os cabos analisados são os alimentadores principais de cada painel sem levar em contar os cabos de interligação. A justificativa é que os cabos de interligação não são solicitados com freqüência, podendo não sofrer, portanto situações de estresse que levariam a falhas por DP’s. Os diagramas esquemáticos dos alimentadores para cada circuito testado estão representados no diagrama 1. Aqui está sendo representado somente o EV1, mas os demais seguem a mesma configuração. Diagrama 1: diagrama de montagem de medição EV1, em carga Os resultados conclusivos das medições são apresentados na tabela 2. Circuito de Identificação Comprimento Tensão/Frequência Tipo cabo Número cabo/fase Isolação ENTRADA DO DISJ. 60652 SE ACIARIA 80 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 12x1c#600MCM EPR 5kV ENTRADA DO DISJ. 62352 SE ACIARIA 73 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 12x1c#600MCM EPR 5kV ENTRADA DO DISJ. 60752 SE ACIARIA 90 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 12x1c#600MCM EPR 5kV ENTRADA DO DISJ. 61652 SE ACIARIA 370 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 09x1c#600MCM EPR 5kV ENTRADA DO DISJ. 61752 SE ACIARIA 395 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 12x1c#600MCM EPR 5kV ENTRADA DO DISJ. 61852 SE ACIARIA 405 m 4.16 kV - 60Hz 5 kV 12x1c#600MCM EPR 5kV
  • 8. Tab.2: Resultados conclusivos Em um dado momento do ensaio foi detectado a presença de uma descarga interna existente no alimentador EV2, Fase T, cabo T3 mais precisamente próximo a uma emenda do cabo. Este resultado pode ser observado na tabela 3. Tab.3: Resultados conclusivos – presença de DP’s internas no alimentador EV2 A presença das DP pode ser observada nos gráficos da figura 8. Figura 8: Análise dos dados referente à Fase T – EV2– cabo 3, Descargas internas.
  • 9. Foi notada ainda a presença de descargas corona. Essas normalmente ocorrem em fontes externas como equipamentos adjacentes como motores, painéis, disjuntores entre outros. Estas observações são detalhadas na tabela 4 e nas figuras 9 (referência). Tab.4: Resultados conclusivos – presença de DP’s corona nos alimentados EV1 e EV2 Figura 9: Análise dos dados referente à Fase T – EV1 – cabo 2, Descargas corona. Recomendações para a manutenção  Onde o sistema é livre de descargas parciais (Alarme Verde), sugere-se repetir as medições após um ano a fim de se verificar o estado geral do sistema e se observar a possível presença de novos fenômenos de descargas parciais.  Onde descargas parciais foram detectadas (alarme amarelo), recomenda-se repetir as medições dentro de um intervalo de 06 meses a fim de se avaliar a amplitude e taxa de repetição das tendências das atividades de DP e planejar uma manutenção baseada na condição.
  • 10.  Nos circuitos alimentadores EV1, EV2 foram detectadas descargas corona e distúrbios com alta amplitude. Sugere-se estender as medições aos demais circuitos e cubículos destes alimentadores a fim de se localizar a origem dos fenômenos.  No alimentador EV2 sugere-se inspecionar a emenda existente na fase T e também verificar a continuidade da blindagem metálica do cabo. Considerações Finais Até o momento dentro da planta da Gerdau – unidade Ouro Branco a única referência que a gestão de manutenção dispunha para análise dos riscos operacionais junto às falhas em cabos elétricos seria a técnica de medição de isolação. Por não ser uma técnica baseada em condição e também não conclusiva, várias falhas são detectadas ao longo do tempo. Através das medições online de DP’s foi possível predizer ações futuras para os cabos e assim elaborarmos os planos de manutenção baseados em sua condição (planos CBM). Outro ganho observado é a possibilidade de criação de rotas de manutenção, pois á técnica permite ser realizada com equipamento energizado. Ainda, com os resultados encontrados foi disponibilizado aquisição do equipamento. Dentro do conceito de sinergia é possível atendimento as demais empresas do grupo e uma maior integração da técnica. Bibliografia  Filho, J. M. (2005). Manual de Equipamentos elétricos. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.  Júnior, S. R. (2008). Análise da ruptura dielétrica em materiais isolantes elétricos de cabos isolados XLPE e EPR por tomografia 2D e 3D. Dissertação de mestrado . Curitiba: UTFPR.  Lima, F. n. (2008). Uma contribuição à estimativa de indicadores de desempenho do estado operacional de cabos isolados sob a ação das arborescências. Tese de doutorado . Uberlândia: UFU.  Mendes, A. A. (2011). Manutenção Centrada em confiabilidade: Uma abordagem quantitativa. Dissertação de mestrado . Porto alegre: UFRGS.  Silva, G. C. (2005). Descargas Parciais estimuladas por raio-X contínuo e pulsado em materiais dielétricos: Similaridades e diferenças. Tese de doutorado . Curitiba: UFPR.  Teixeira, M. D. (Agosto de 2003). Avaliação do estado operacional de cabos isolados sob condições adversas: Estatégia e proposta de diagnóstico. Seminário Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica. V SBQEE . Aracaju.  Vortex, E. (s.d.). retirado de: www.vortex.com.br/notas/resistencia_%20isolamento.pdf.
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