1DETECÇÃO DE FUGA A TERRA EM SISTEMAS DE CORRENTE CONTINUA N. Penner, ECIL; P. Andreus, ECIL; A. L. Bettiol, ECIL; J. M. Oura, CESP e A. S. Mendes, CESP Resumo- Este artigo descreve o desenvolvimento de um sistema de detecção de fuga a terra, uma ferramenta e sistema associado que possibilite a detecção de circuito defeituoso, com fuga a terra, sem a necessidade de intervenção com desligamentos, nem intervenções com deslocamento excessivo de cabos de controle, dos circuitos de alimentação auxiliares de corrente contínua das unidades geradoras de UHE de grande porte, servindo a UHE Ilha Solteira como campo de atuação de pesquisa. Palavras-chave— Corrente Continua, Detecção, ferramenta ,fuga a terra. propostas inovadoras na sua forma de implementação, procurando. ferramenta poderosa para a detecção e identificação de circuito defeituoso específico. Estará sendo buscada o aumento da eficiência da manutenção, principalmente em situações de emergência. II. DETECÇÃO DE FUGA A TERRA EM SISTEMAS DE CORRENTE CONTINUA A. O problema Fuga à terra Conforme já descrito anteriormente, as fugas à terra são consideradas grandes empecilhos com relação ao funcionamento dos sistemas de alimentação, devido à dificuldade em sua detecção. Os sistemas disponíveis hoje no mercado não permitem que se realizem testes de detecção de fuga à terra, sem interferir no circuito em regime de funcionamento, o que pode influenciar na confiabilidade em relação a perda que o teste pode ocasionar ao sistema, seja financeira ou funcional. O grande desafio é encontrar um sistema de detecção de fuga à terra que não exerça influencias negativas ao circuito a ser aferido. B. Métodos de detecção de fuga a terra Existem métodos de detecção de fuga á terra hoje utilizados nas mais variadas situações.(completar texto) B1. Método das lâmpadas e dos voltímetros Os métodos de detecção de fuga à terra das lâmpadas e dos voltímetros partem da mesma configuração de instalação e funcionamento, sendo representado com igualdade de intensidade de luz o balanceamento do sistema, e no caso do método dos voltímetros é com igualdade do aferimento das fases. I. INTRODUÇÃO É de conhecimento geral que há muita dificuldade de detecção de pontos de Fuga a Terra em circuitos de alimentação auxiliares de corrente contínua em instalações de energia elétrica. A delimitação do circuito defeituoso e, mais especificamente, do ponto defeituoso, é demorado e trabalhoso, exigindo excessiva mão de obra especializada e processo de tentativa e erro, com desligamento de circuitos auxiliares CC, um por um. Nesse processo, a única informação disponível, hoje, é a existência de ponto à terra no lado (+) positivo ou no lado (-) negativo, para cada grupo retificador / bateria, sem a identificação de tronco, ramal ou circuito defeituoso. Associadas à demanda excessiva de mão de obra e existem os aspectos não menos importantes, o tempo envolvido na busca e da interferência em circuitos sãos que podem ter sua confiabilidade afetada pela intervenção para pesquisa de defeito, com manuseio de cabos de controle. Em uma usina geradora de grande porte, o problema se torna bastante complexo devido à quantidade e variedade de instalações elétricas auxiliares, existindo um conjunto retificador / bateria para cada conjunto de 4 a 5 grupos geradores. Assim sendo, uma Usina Hidroelétrica como Ilha Solteira, de 3.200 MW de potência instalada e 20 grupos geradores, por exemplo, a equipe de manutenção encontra notórias dificuldades para solucionar tais tipos de problemas. O desenvolvimento de sistema de detecção proposto no presente trabalho de P&D buscará, através de pesquisa, Este trabalho foi apoiado integralmente pela CESP através do Programa de P&D da Aneel, ciclo 2009/2010. Norbert Penner , Paulo Andreus e Arlan Luiz Bettiol trabalham na Ecil Informática (e-mails:
[email protected],
[email protected],
[email protected]). Jorge Mitsuhiro Oura e Adriano Santos Mendes trabalham na CESP (emails:
[email protected] e
[email protected]). Figura 1 – Método das lâmpadas for conectado a uma fonte de tensão alternada. foi utilizado um transformador de corrente. B4. Contudo o método de principio ativo é suscetível a tensões alheias (estranhas a instalação). o secundário. C. uma lâmpada obterá mais intensidade de luz com relação a outra. Figura 3 – Método dos relés O método funciona de forma em condição de fuga à terra. não haver alarme preditivo e caso a conexão do cartão de fuga á terra seja desligado nunca haverá sinalização de falha à terra.2 Quando ocorrer uma fuga à terra. Figura 4 – Método dos relés com fuga à terra Este método é considerado falho por não detectar falhas simétricas à terra. aplicável apenas em sistemas de corrente continua caracterizado por possuir tempo de resposta rápida com relação a falha de isolamento à terra e de ser de instalação simples. B3. B2. com diferença de possuir proteção de acoplamento em ambas as fases para ocorrer a detecção de fuga à terra. Pela proporção do número de espiras do primário e do secundário. concatenados com um fluxo magnético mútuo. Método do principio de medida passivo . Método desenvolvido de medida O método desenvolvido na pesquisa teve como principio o método de medida ativo. através da relação de transformação. Método do principio de medida ativo O método de medida ativo tem como princípio de superposição de tensão de corrente continua onde deverá ser aplicado em sistemas de corrente alternada. um fluxo alternado será produzido e a amplitude dependerá da tensão do primário e do número de espiras. a distúrbios causados pela capacitância de fuga do sistema e pode sofrer variações causadas pelas baixas freqüências. O fluxo mútuo que une o outro enrolamento. não há indicação de valor de resistência de isolamento e haver alarme preditivo. O método de medida passivo se baseia no principio do diferencial de tensão. a bobina do relé será excitada. possui configuração de instalação semelhante ao método das lâmpadas. induzirá uma tensão cujo valor dependerá do número de espiras da bobina do secundário. o primário. Figura 2 – Método das lâmpadas com fuga à terra Este sistema é considerado falho por não detectar falhas simétricas à terra. Método do relé de fuga à terra para supervisão de falha de isolamento O método de detecção de fuga à terra dos relés. O transformador consiste de um núcleo magnético com dois enrolamentos independentes. por ser um dispositivo que compreende dois ou mais circuitos elétricos acoplados magneticamente. sendo aplicável para medição de isolamento de sistemas de corrente continua não aterrados com características de sistemas com capacitância de fuga alta. tomando como partida a superposição de um pulso de tensão de medição adaptável. B5. Consiste de dois ou mais enrolamentos interligados por um campo magnético mútuo. Figura 5 – Método do principio de medida passivo Este sistema possui limitações em sua eficiência como falhas simétricas não serão reconhecidas e não há demonstração de resistência de isolamento. Este método tem características de aplicação para pequenas capacitâncias de fuga com precisão limitada para falhas com componentes DC. acionando uma sinalização sonora e visual. demonstrando o desbalanceamento do sistema. Sensor de medição Como sensor para realizar a medição. não há indicação de valor de resistência de isolamento. chega-se a uma relação desejada da tensão. Se em um dos enrolamentos. As perdas no núcleo podem ser divididas em duas partes.Tensão induzida no enrolamento secundário . ou relação de espiras. as resistências dos enrolamentos são desprezíveis. Em condições ideais. uma delas é a perda de Foucault que representa o aquecimento do núcleo. referida ao secundário Na Fig.Resistência do enrolamento primário . Figura 6 – Demonstrativo de transformador Onde: .Tensão no primário . o campo magnético é determinado pelas correntes em ambos os enrolamentos. O circuito equivalente considerando essas perdas está representado na Figura 7. produzidos pelo efeito total de ambas as correntes.Tensão no secundário . com todas as grandezas referidas ao secundário.Resistência do enrolamento secundário .Fluxo de dispersão do enrolamento secundário O princípio de funcionamento do transformador depende somente da existência do fluxo mútuo alternado ligando os dois enrolamentos e a utilização do conceito de indutância mútua.Tensão induzida no enrolamento primário . Onde: Valor eficaz da corrente primária Relação de espiras ao secundário : Corrente primária referida ao secundário : Impedância do enrolamento secundário : Impedância do enrolamento primário. Então: . todo fluxo está confinado no núcleo. É claro que isso pode ser obtido se um núcleo de ar for usado. Φ1 = Φ2 = Φ. mas muito mais eficiência se obtém com o núcleo de material magnético.m (força eletro-motriz) secundária ( ) é função da corrente de excitação ( ).3 Onde é a relação de transformação.Corrente no secundário .Número de espiras do secundário Φ .e. Deste circuito constata-se que parte da corrente primária é consumida na excitação do núcleo: . Porém em um transformador real temos perdas relacionadas ao núcleo magnético e as perdas por dispersão do fluxo em cada um dos enrolamentos. temos que .Número de espiras do primário . Esta equação estabelece que a tensão em cada enrolamento de um transformador ideal é diretamente proporcional ao número de espiras do enrolamento. 8 está representado o circuito equivalente de um TC. E a outra parte é a perda de histerese ocasionada devido à magnetização cíclica.Fluxo responsável pela transferência de potência do primário para o secundário . Se a permeabilidade do núcleo é infinita.Fluxo de dispersão do enrolamento primário .Corrente no primário . De acordo com a lei de Lenz as tensões sobre os enrolamentos primário e secundário são definidas como: Ou seja. Pela figura representativa do transformador (Figura 6). As equações das malhas correspondentes ao primário e ao secundário definem e . Assim. Os erros dos TCs resultam da corrente de excitação. num transformador ideal as correntes nos enrolamentos são inversamente proporcionais ao número de espiras dos enrolamentos. Figura 7 – Principio de funcionamento do transformador de corrente Onde e são os enlaces de fluxo dos respectivos enrolamentos. da impedância secundária ( ) e da carga ( ). O transformador de corrente (TC) pode ser definido como um transformador no qual qualquer condição no primário é reproduzida no circuito secundário com exata proporção e relação de fase. Portanto. as perdas no núcleo são desprezíveis e a permeabilidade do núcleo é infinita. A f. 4 Figura 8 – Transformador de corrente Os núcleos dos TCs de medição são feitos de materiais de alta permeabilidade magnética (pequena corrente de magnetização. PROTÓTIPO O protótipo foi desenvolvido visando à portabilidade e facilidade na utilização em campo. foi o alicate amperímetro da marca AEMC modelo SR759 devido as características: Faixa de medição: 1 mA à 1200 A Freqüência de medição: 30 Hz à 30 kHz Tamanho máximo do condutor: 52 mm Tensão máxima do circuito: 600 Vrms Terminação de saída: conectores “banana” ou coaxial Figura 10 – Protótipo desenvolvido B. Resultado do desenvolvimento Os resultados atingidos com o desenvolvimento do protótipo pode ser ilustrado figura 10. conseqüentemente pequenas perdas e pequenos erros). . Figura 9 – Alicate amperímetro marca AEMC modelo SR759 III. A Figura 9 demonstra esta característica. Funcionamento O equipamento desenvolvido funciona inserindo um sinal pulsante de amplitude de 10Volts. Instrumento de medição Devido ao estudo demonstrado anteriormente chegou-se a conclusão que o instrumento de medição mais apropriado para realizar as aferições necessárias. entretanto entram em saturação rapidamente quando uma corrente no enrolamento primário atinge um valor próximo de quatro vezes a corrente nominal primária. onde fosse capaz de não exercer influências negativas nos sistemas a serem aferidos. Portanto temos uma dualidade com a precisão da medida em relação à corrente de saturação do núcleo magnético. acoplando sinal positivo na fase positiva e sinal negativo na fase negativa. sendo composto por : Medidor de fuga a terra Analisador de fuga a terra Alicate Amperímetro Garras acopladoras Cabos extensores Figura 9 – Curva de saturação do transformador de correte D. Os núcleos dos TCs de proteção são feitos de materiais que não têm a mesma permeabilidade magnética dos TCs de medição. no entanto só irão saturar para correntes primárias muito superiores ao seu valor nominal (da ordem de 20 vezes). correntes muito altas em TCs de medição saturam o núcleo magnético e TCs de potência são pouco precisos. A. refletindo conseqüentemente em seu secundário uma corrente cerca de 20 vezes o valor nominal desta. com alternância de fases de intervalos de 5 segundos. isto é. Development of a New Type Insulation Diagnostic for Hot-Line XLPE Cables. Ins. Sensor Ativo para a Medida de Corrente de Fuga. [7] S Yamaguchi. CONCLUSÕES O objetivo do projeto de pesquisa “Detecção de fuga à terra em sistemas de corrente continua”. [9] K. Oura.2. Luis R. N Takada. IEEE Trans. Ensaios Elétricos em Equipamentos de Subestações e Usinas. Pacheco. Soma. [6] C. [2] FLUKE CORPORATION.. aumento da segurança física seletividade de falha através de uma rápida e precisa localização do ponto de falha. July 1989. Figura 11 – Gráfico representativo de inserção de sinal Ao ter inserido o sinal no sistema a ser aferido há a ocorrência de fuga á terra. Kataoka. Vol. October 1991. da Virtus Consultoria. 1986.5 Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento. [8] Z.Vol. Y. Manual do Modelo 8106 . aumento de produtividade e redução de custos. Setembro 2003. [11] T. H Tanaka. Vol. Diagnostic Method for Power Cable Insulation.. Ins. 6. on Power Delivery. Symp. proporcionando uma eficiência maior com relação aos métodos de detecção podendo obter um aumento de segurança operacional. desenvolvido pela Ecil informática. Figura 12 – Diagrama típico de conexão com sistema de corrente continua IV. „Study on DC Component Method for Hot-Line XLPE Cable Diagnosis. V. Nakayama. [4} OMNIA. Wei. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem as contribuições recebidas do Eng. Yutao. Fluke 2004. Z.. Tese de Doutorado. M. Baitun. o medidor de com conexão ao alicate amperímetro realizará a aferição indicando a existência de fuga á terra. On-Line Cable Monitor Developed in Japan. otimização a manutenção. VI. IEEE Trans. 1994. Curitiba. OMNIA 2004. Curitiba. Universidade Federal de Uberlândia. 4. on Power Delivery. EI-21. durante o desenvolvimento do projeto de pesquisa. Manual da Pinça de Baixa Corrente de Fuga LK60. prevenção contra “ShutDown” de instalações elétricas. Lactec - . [5] TEX INSTRUMENTOS. Curso de Treinamento.Corrente de Fuga. Soda. Y. Pittsburgh. Testadores de Corrente de Fuga. June. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Camboa. M Aihora. Iss. Study on Diagnostic Method for Water Treed XLPE Cables by Loss Current Measurement”. era o desenvolvimento de uma ferramenta portátil de detecção de Fuga á terra em sistemas de corrente continua de 125Volts de uma UHE sem a necessidade de dispositivos adicionais. Electr]. Lactec 2003. on Electrical Insulation.3. Electr. Iss. IEEE Trans. J. [3] LACTEC | Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento. R. IEEE International Symp. A figura 12 ilustra um diagrama típico de conexão com o sistema de alimentação em corrente contínua 125 VDC de uma UHE. Uma Contribuição a Análise de Desempenho de cabos Isolados no Contexto da Qualidade da Energia Elétrica.A. December. alto grau de proteção contra incêndio. Tex 2005. June 1990. Maio 2002. S. Yagi.4. [10] Y. Iss.