Resumo

Este artigo, publicado na revista Eletricidade Moderna, mostra o princípio de funcionamento da monitoração de buchas de alta tensão condensivas em equipamentos como transformadores e reatores, com exemplos de aplicação e topologia típica de um sistema. A vantagem do sistema é evitar desligamentos periódicos para testes, substituindo a manutenção preventiva pela manutenção baseada no estado, com economia e redução do risco de falhas.

As buchas são acessórios aplicados em equipamentos de alta tensão com o objetivo de prover passagem à corrente elétrica entre o meio externo e o interior do equipamento, provendo também a isolação necessária em relação à carcaça do equipamento. Alguns dos exemplos de aplicação mais comuns são transformadores de potência, reatores de derivação e disjuntores de alta tensão.

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 desempenham uma função essencial à operação do equipamento.

Por outro lado, as buchas estão sujeitas a esforços dielétricos consideráveis, e 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 (no caso de um transformador de potência, por exemplo, os prejuízos em uma ocorrência deste porte podem ser de algumas centenas de vezes o custo da bucha que originou o problema).

Dentre os diversos tipos de bucha existentes, destacam-se para aplicação em equipamentos de alta e extra-alta tensão as buchas do tipo condensiva, em que seu corpo isolante consiste de diversas camadas isolantes cilíndricas concêntricas, intercaladas a camadas condutoras também cilíndricas cuja função é uniformizar ao máximo o campo elétrico. A camada condutora mais interna pode estar eletricamente conectada ao condutor principal, de forma a aumentar o raio e diminuir o campo elétrico nesta região (diminuindo também os intensos campos elétricos que podem ser causados por rugosidades no condutor principal). 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. Para aplicação ao tempo, todo este conjunto estará contido em um invólucro impermeável, freqüentemente de porcelana. A conexão da última camada (ou de uma das últimas camadas) condutora ao terra é feita geralmente através de uma ligação removível próxima à base da bucha, denominada tap de tensão ou tap de teste. Vide figura 1.

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 igualmente entre os diversos capacitores.

Figura 1 – Forma construtiva de uma bucha condensiva

Quando a tensão de operação é aplicada a uma bucha condensiva, 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.

Figura 2 – Circuito equivalente de uma bucha condensiva energizada

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, 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 tem 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 I_a 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 compara-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 destas parâmetros através de métodos convencionais, com as buchas desenergizadas. Com isso se garante que estão sendo utilizados pelo sistema de monitoramento valores iniciais corretos.

Uma outra questão não abordada até este ponto é que 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 de 10 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 de aproximadamente 10 dias.

Como exposto acima na introdução, a construção física da bucha dá origem a um divisor de tensão capacitivo, 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 direto é removido e substituído 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. Deve ser observado que, em caso de interrupção acidental  deste circuito de medição, o divisor de tensão capacitivo gerará 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 um dispositivo limitador de tensão que entra 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. Este dispositivo limitador não está suscetível a desgastes de natureza elétrica ou mecânica, o que permite que conduza a corrente de fuga por tempo indeterminado.

As figuras 4 e 5 ilustram a aplicação da monitoração de buchas em duas instalações. Nestas figuras se pode observar a topologia típica de um sistema de monitoração de buchas, constituído de 3 partes básicas:

• Adaptador para tap – provê a conexão elétrica ao tap da bucha, garantindo também sua vedação contra intempéries. Incorpora a proteção contra abertura acidental do circuito de medição, evitando que o tap permaneça em aberto;
• Módulo de Medição – recebe as correntes de fuga de três buchas de um conjunto trifásico, efetua as medições destas correntes e um primeiro nível de processamento das informações, disponibilizando-as para o módulo de interface através de uma porta de comunicação serial;

Módulo de Interface– recebe as informações do(s) módulo(s) de medição e efetua seu processamento matemático e estatístico, disponibilizando como resultado os valores atuais de capacitância e tangente delta nos displays frontais. Tipicamente, este módulo fornece saídas analógicas (mA), contatos de alarme e portas de comunicação serial.

Figura 4 – Monitoração de buchas em transformadores trifásicos

Na figura 4 são monitoradas as buchas do primário e do secundário de dois transformadores trifásicos 230/138kV 150MVA, em operação no sul o Brasil: (a) Adaptador de tap em uma das buchas do primário; (b) Adaptador de tap em uma das buchas do secundário; (c) Módulos de medição para as buchas do primário e do secundário; (d) Módulo de interface.

Na figura 5 são monitoradas as buchas do primário e do secundário de dois bancos de transformadores monofásicos 525/230kV 1000MVA, em operação em San Diego, Califórnia, EUA: (a) Adaptador de tap em uma das buchas do primário; (b) Adaptador de tap em uma das buchas do secundário; (c) Painel centralizador para um dos banco de transformadores com os módulos de medição para as buchas do primário e do secundário; (d) Módulo de interface instalado na sala de controle da subestação.

Figura 5 – Monitoração de buchas em transformadores monofásicos

As buchas condensivas são um acessório essencial para a operação segura de diversos equipamentos de alta tensão, tais como transformadores de potência e disjuntores. Este artigo demonstrou o princípio de funcionamento que permite a monitoração online desse tipo de bucha, assim como alguns exemplos de aplicações e a topologia típica de um sistema de monitoração.

Com isso, podem ser reduzidos ou mesmo eliminados os desligamentos periódicos para testes com a bucha desenergizada, substituindo a manutenção preventiva pela manutenção baseada no estado. Além da economia obtida ao eliminar desligamentos e procedimentos de manutenção que se revelam desnecessários na maioria das vezes, a monitoração on-line das buchas reduz o risco de falhas catastróficas que poderiam ocorrer no intervalo das manutenções preventivas, que geralmente têm periodicidade da ordem de anos.