Um Guia Completo para a Deteção Acústica de Descargas Parciais

Introdução

A descarga parcial em sistemas de isolamento de transformadores de corrente é o aviso prévio mais fiável de uma falha de isolamento iminente - e a deteção de emissões acústicas é o método mais prático para identificar a descarga parcial ativa em TCs de distribuição de energia instalados sem retirar o equipamento de serviço. Um TC que esteja a descarregar internamente de forma ativa comunica o seu estado de deterioração através de sinais acústicos ultra-sónicos que se propagam através do meio isolante e do invólucro - sinais que são detectáveis com o sensor piezoelétrico¹ equipamento, interpretável com a metodologia correta e acionável com a resposta de manutenção correta, tudo isto sem um único minuto de interrupção planeada.

A resposta direta é a seguinte: a deteção acústica de descargas parciais em TCs de distribuição de energia funciona através da deteção das ondas de pressão ultra-sónicas - normalmente na gama de frequências ultra-sónicas² - que são geradas sempre que ocorre um evento de descarga parcial no sistema de isolamento do TC, e a técnica tem um valor único para a manutenção de TC instalados porque não é invasiva, não requer a desconexão do circuito secundário, pode ser realizada em condições energizadas e fornece informações de localização que os métodos de medição de descargas parciais eléctricas não conseguem - permitindo que as equipas de manutenção distingam entre defeitos internos de isolamento do TC que requerem substituição urgente e fontes de corona externas que não requerem intervenção no TC.

Para engenheiros de manutenção de distribuição de energia, especialistas em avaliação do estado do isolamento e equipas de fiabilidade responsáveis pela gestão de frotas de TC, este guia fornece o quadro técnico completo para a deteção de descargas parciais de emissões acústicas - desde a física da geração de sinais acústicos até à seleção de sensores, metodologia de medição, interpretação de sinais e tomada de decisões de manutenção.

Índice

• O que é a descarga parcial em sistemas de isolamento por TC e como funciona a deteção de emissões acústicas?
• Como selecionar e posicionar os sensores de emissão acústica para a deteção de descargas parciais em TC?
• Como executar uma campanha de medição de descargas parciais acústicas em TC estruturada?
• Como interpretar os sinais de emissão acústica e tomar decisões de manutenção de TC?
• Perguntas frequentes sobre a deteção acústica de descarga parcial em TCs de distribuição de energia

O que é a descarga parcial em sistemas de isolamento por TC e como funciona a deteção de emissões acústicas?

A descarga parcial é uma descarga eléctrica que atravessa apenas parte do isolamento entre condutores - não constitui um caminho de rutura completo entre o condutor de alta tensão e a terra, mas degrada progressivamente o material de isolamento que rodeia o local da descarga até se formar um caminho de rutura completo. Nos sistemas de isolamento de TC - sejam eles de papel-óleo, epóxi de resina fundida ou gás SF₆ - a descarga parcial é o principal mecanismo de degradação que converte um sistema de isolamento de operacional em avariado numa escala de tempo que varia de meses a anos, dependendo da intensidade da descarga e do tipo de isolamento.

A física da descarga parcial no isolamento de TC

A descarga parcial ocorre em locais de fraqueza do isolamento - vazios em resina fundida, bolhas de gás em isolamento de papel-óleo, interfaces de delaminação, inclusões metálicas e regiões de tensão de campo elétrico localmente elevada. Nestes locais, o campo elétrico local excede a resistência à rutura do meio de isolamento dentro do defeito - tipicamente um vazio cheio de gás onde a resistência dieléctrica é muito inferior à do isolamento sólido ou líquido circundante.

Quando o campo local excede a força de rutura do vazio, ocorre uma descarga rápida dentro do vazio - com duração de nanossegundos a microssegundos. Esta descarga:

• Eletricamente: Produz um impulso de corrente no circuito primário e um impulso induzido correspondente no circuito secundário - a base dos métodos de medição da DP eléctrica
• Termicamente: Deposita energia no local de descarga, carbonizando o material de isolamento circundante e aumentando o vazio ao longo de ciclos de descarga sucessivos
• Acusticamente: Cria uma rápida mudança de pressão local - um impulso mecânico - que se propaga para fora do local de descarga como uma onda acústica através do meio de isolamento circundante e da caixa do TC

A emissão acústica de um evento de descarga parcial é um impulso de pressão de banda larga com um conteúdo energético significativo na gama de frequências ultra-sónicas de 20-500 kHz. O sinal propaga-se através do meio de isolamento do TC - óleo, resina ou gás - e através das paredes da caixa do TC, atenuando-se com a distância e reflectindo-se nas interfaces dos materiais, até atingir a superfície exterior do TC, onde pode ser detectado por um sensor piezoelétrico de contacto.

Principais parâmetros técnicos que definem a deteção de descargas parciais acústicas por TC:

• Gama de frequências de emissão acústica: 20-300 kHz para TC PD internos; energia de pico tipicamente a 80-150 kHz para isolamento de TC em papel oleoso; 100-250 kHz para isolamento de TC em resina fundida
• Velocidade de propagação do sinal: 1.400-1.500 m/s em óleo de transformador; 2.500-3.500 m/s em resina epóxi fundida; 5.100 m/s em caixa de aço - as diferenças de velocidade permitem a localização da fonte por métodos de tempo de chegada
• Atenuação do sinal: 6-12 dB por 100 mm em óleo; 15-25 dB por 100 mm em resina fundida; a atenuação aumenta com a frequência - os componentes de frequência mais baixa propagam-se mais longe da fonte de descarga
• Limiar de deteção: Carga mínima detetável de DP equivalente a aproximadamente 100-500 pC para sensores piezoeléctricos de contacto na caixa do TC; a medição eléctrica de DP é mais sensível (5-10 pC) mas requer acesso ao circuito secundário
• Resposta de frequência do sensor: Sensores piezoeléctricos de banda larga: Resposta plana de 20-300 kHz; sensores piezoeléctricos ressonantes: sensibilidade máxima a 150 kHz ±20%; os sensores ressonantes proporcionam uma maior sensibilidade na frequência de projeto, mas não detectam sinais fora da banda ressonante
• Normas aplicáveis: IEC 60270³ (medição eléctrica de DP - método de referência), IEC 62478 (técnicas de ensaio de alta tensão - emissão acústica), IEC 60599 (análise de gases dissolvidos - método de diagnóstico complementar)

A vantagem da deteção de emissões acústicas sobre a medição eléctrica de DP em aplicações de manutenção no terreno:

A medição eléctrica de DP segundo a norma IEC 60270 é o método de referência para a quantificação de DP - fornece medições de carga calibradas em picocoulombs e é o método utilizado para os testes de aceitação em fábrica. No entanto, a medição eléctrica de DP no terreno requer acesso ao circuito secundário do TC, um condensador de acoplamento calibrado e um ambiente de medição sem ruído - condições que raramente são possíveis numa subestação de distribuição de energia eléctrica energizada. A deteção de emissões acústicas requer apenas acesso físico à superfície da caixa do TC - pode ser realizada com o TC totalmente energizado, em carga, sem qualquer modificação do circuito secundário e na presença do ambiente de ruído eletromagnético que torna a medição eléctrica de DP impraticável no campo.

Como selecionar e posicionar os sensores de emissão acústica para a deteção de descargas parciais em TC?

A seleção e o posicionamento do sensor são as duas variáveis mais influentes na qualidade da deteção acústica de DP - um sensor corretamente selecionado na posição errada não detectará sinais internos de DP, e um sensor corretamente posicionado com a resposta de frequência errada detectará interferências externas em vez de descargas internas.

Seleção do sensor para a deteção acústica de DP por TC

Sensores piezoeléctricos de contacto (método primário):
Os sensores piezoeléctricos de contacto são pressionados contra a superfície da caixa do TC e detectam as ondas acústicas transmitidas através da parede da caixa. Proporcionam a mais elevada sensibilidade para a deteção interna de DP e são o método padrão para estudos acústicos de DP em TC.

Critérios de seleção:

• Gama de frequências: 50-200 kHz para os TC imersos em óleo; 80-300 kHz para os TC de resina fundida - a maior atenuação da resina requer uma maior sensibilidade de frequência para detetar sinais da fonte de descarga antes de estes se atenuarem para o nível de ruído
• Sensibilidade: Mínimo de -65 dB ref. 1 V/μbar para deteção fiável de fontes PD a distâncias até 300 mm através de óleo; mínimo de -55 dB para aplicações em resina fundida
• Compatibilidade da caixa: Base de montagem magnética para caixas de TC ferromagnéticas - proporciona uma força de acoplamento consistente e um posicionamento repetível do sensor para monitorização de tendências; acoplamento adesivo para caixas não ferromagnéticas

Sensores ultra-sónicos de bordo (método suplementar):
Os sensores ultra-sónicos sem contacto detectam a emissão acústica no ar de fontes de corona de superfície e de PD externa. São utilizados para distinguir o corona externo - que produz sinais fortes no ar mas sinais fracos no contacto - do PD interno, que produz sinais fortes no contacto mas sinais fracos no ar.

Posicionamento do sensor para diferentes tipos de TC

CT imerso em óleo (casquilho de porcelana ou compósito):

• Posição do sensor primário: Parede inferior do tanque, 50-100 mm acima da base do tanque - os sinais acústicos de origem petrolífera das fontes internas de DP propagam-se para baixo e concentram-se na base do tanque; esta posição maximiza a relação sinal/ruído para a deteção interna de DP
• Posição do sensor secundário: Parede central do tanque a 90° do sensor primário - permite a localização bidimensional da fonte por comparação do tempo de chegada
• Evitar: Superfície do casquilho - o corona externo na superfície do casquilho produz sinais acústicos fortes que irão mascarar os sinais PD internos se o sensor estiver posicionado no casquilho

CT de resina fundida (encapsulada em epóxi):

• Posição do sensor primário: A resina fundida tem uma atenuação acústica mais elevada do que o óleo, exigindo a colocação do sensor o mais próximo possível da localização prevista da fonte de DP (normalmente a interface do condutor de alta tensão ou a interface núcleo-resina)
• Posições do sensor secundário: Em intervalos de 120° à volta da circunferência do corpo do TC - permite a localização da fonte em três pontos para TCs encapsulados em resina
• Meio de acoplamento: O gel de acoplamento acústico é obrigatório para a resina fundida - a rugosidade da superfície do epóxi cria espaços de ar que atenuam gravemente os sinais de alta frequência sem o gel de acoplamento

Verificação da qualidade do acoplamento

Antes de registar medições PD, verificar a qualidade do acoplamento acústico:

$SNR_{acoplamento} = 20 \times \log_{10}\left(\frac{V_{signal}}{V_{noise}}\right) \geq 6 \text{ dB}$

Aplique uma ponta de lápis (fonte Hsu-Nielsen) na superfície da caixa do TC a 100-200 mm do sensor - isto produz um impulso acústico de banda larga que verifica se o sensor está corretamente acoplado e se o caminho do sinal está intacto. Um sensor corretamente acoplado apresentará uma resposta de impulso limpa com SNR ≥ 6 dB acima do piso de ruído de fundo.

Como executar uma campanha de medição de descargas parciais acústicas em TC estruturada?

Uma campanha estruturada de medição de PD acústica para um parque de TCs de distribuição de energia requer um protocolo de medição definido que permita a comparação entre TCs, entre períodos de medição e entre o TC em teste e uma referência saudável conhecida - porque os níveis absolutos de sinal acústico não têm significado sem contexto; são os níveis relativos e as tendências que identificam a deterioração do isolamento.

Etapa 1: Estabelecer medições de base

Antes de a deteção acústica de DP poder identificar TCs em deterioração, devem ser estabelecidas medições de base para cada TC da frota em condições reconhecidamente saudáveis:

• Registar a linha de base na entrada em funcionamento ou no último estado de saúde conhecido: Medir e documentar o nível do sinal acústico, o espetro de frequência e o padrão resolvido em fase para cada TC no momento da entrada em funcionamento ou imediatamente após um teste de isolamento saudável confirmado
• Documentar as condições de medição: Registar a tensão primária, a corrente primária, a temperatura ambiente e as condições meteorológicas - os níveis do sinal acústico PD variam com a tensão (tensão de início PD) e a temperatura (a viscosidade do isolamento afecta a propagação do sinal no óleo)
• Estabelecer a referência da frota: Identificar a distribuição estatística dos níveis de sinal acústico na frota de TC - os TC com níveis de sinal superiores a 6 dB acima da mediana da frota requerem investigação, independentemente do nível absoluto

Passo 2: Definir a sequência e a frequência das medições

• Inquérito anual aos TC com mais de 15 anos de idade: A degradação do isolamento acelera na segunda metade da vida útil dos TC; os levantamentos acústicos anuais de DP proporcionam uma resolução temporal suficiente para detetar a deterioração antes de esta atingir níveis críticos
• Inquérito semestral aos TC com problemas de isolamento conhecidos: As TAC que apresentaram níveis acústicos elevados no estudo anterior, as TAC com análise de gases dissolvidos⁴ resultados e CTs que sofreram eventos de sobrecarga térmica
• Inspeção imediata após a ocorrência de falhas: Qualquer TC que tenha sido sujeito a uma corrente de defeito que exceda 50% da corrente de curta duração nominal requer uma avaliação acústica da DP no prazo de 30 dias - o stress térmico da corrente de defeito pode iniciar a degradação do isolamento que se manifesta como DP nas semanas seguintes ao evento de defeito

Etapa 3: Executar o protocolo de medição

1. Preparar o ambiente de medição: Registar o nível de ruído ambiente com o sensor acoplado à caixa do TC mas com a fonte de sinal desligada - isto estabelece o nível mínimo de ruído para o cálculo da SNR; se o ruído ambiente exceder -40 dBV na banda de frequência de medição, identificar e eliminar as fontes de ruído antes de prosseguir
2. Aplicar o sensor em posições definidas: Utilizar o posicionamento específico do tipo de TC definido no passo 1 da secção de seleção de sensores; aplicar gel de acoplamento para TCs de resina fundida; verificar a qualidade do acoplamento com o teste de fonte Hsu-Nielsen
3. Registar a forma de onda no domínio do tempo: Captura de um mínimo de 10 segundos de sinal acústico contínuo em cada posição do sensor - suficiente para observar vários ciclos de frequência de energia e identificar a atividade de DP correlacionada com a fase
4. Registar o espetro de frequência: Análise FFT da forma de onda captada; identificar componentes de frequência de pico; comparar com o espetro de base - novos componentes de frequência acima da linha de base indicam nova atividade de DP
5. Registo padrão pd resolvido por fase⁵: Sincronizar a medição acústica com a fase da tensão de frequência de potência utilizando um sinal de tensão de referência; traçar a amplitude do evento acústico versus o ângulo de fase - a forma do padrão PRPD identifica o tipo de fonte PD
6. Aplicar a análise do tempo de chegada de vários sensores: Se dois ou mais sensores forem instalados simultaneamente, registar a diferença de tempo de chegada (TDOA) dos sinais acústicos entre as posições dos sensores - permite calcular a localização da fonte

Passo 4: Cálculo da localização da fonte

Para dois sensores em posições conhecidas na caixa do TC:

$\Delta d = v_{oil} \times \Delta t$

Onde $\Delta t$ é a diferença de tempo de chegada medida e $v_{oil}$ é a velocidade de propagação acústica no óleo (1,450 m/s). A fonte encontra-se numa hipérbole definida pela diferença de comprimento de percurso constante $\Delta d$ - com três ou mais sensores, a intersecção de várias hipérboles fornece a localização de uma fonte pontual.

Para um CT com geometria interna conhecida, é possível obter uma precisão de localização da fonte de ±20-50 mm com três sensores e uma medição cuidadosa do TDOA - suficiente para distinguir entre uma fonte de DP na interface do condutor de alta tensão (mais crítica), na interface núcleo-isolamento (gravidade moderada) e na parede do tanque (gravidade mais baixa).

Cenários de aplicação

• Inquérito anual à frota de TC das subestações de distribuição de energia: Sensores piezoeléctricos de contacto na parede inferior do reservatório; levantamento da amplitude e do espetro de um único sensor; comparação com a linha de base da frota; assinalar os TC com um aumento de >6 dB em relação à linha de base para um levantamento multissensor de acompanhamento
• Avaliação do estado do isolamento de TCs envelhecidos (>20 anos de serviço): Implantação de vários sensores com análise PRPD; localização da fonte TDOA; correlacionada com os resultados da análise de gás dissolvido; decisão de manutenção baseada em provas acústicas e químicas combinadas
• Avaliação do isolamento por TC pós-falha: Levantamento imediato com um único sensor no prazo de 30 dias após a ocorrência da avaria; comparação com a linha de base anterior à avaria; um nível de sinal elevado desencadeia um programa de monitorização acelerado
• Nova linha de base de comissionamento de CT: Levantamento multissensor completo na entrada em funcionamento; padrão PRPD registado como referência; espetro de frequência documentado; resultados armazenados no registo de gestão de activos de TC como base de referência ao longo da vida útil

Como interpretar os sinais de emissão acústica e tomar decisões de manutenção de TC?

Quadro de Interpretação de Sinais

A interpretação do sinal acústico de DP requer a distinção entre quatro categorias de sinais que produzem intervalos de amplitude sobrepostos, mas que têm espectros de frequência, padrões resolvidos por fase e implicações de manutenção distintamente diferentes:

Categoria 1: Descarga de vazio interno (mais crítica)

• Caraterísticas acústicas: Impulsos repetitivos a uma taxa de repetição de frequência de potência 2× (dois eventos de descarga por ciclo de tensão - um no meio-ciclo positivo, outro no negativo); frequência de pico 80-150 kHz; sinal mais forte no sensor de contacto do que no sensor aéreo
• Padrão PRPD: Grupos simétricos nas posições de fase de 45° e 225° (picos de tensão positivos e negativos); a distribuição da amplitude segue uma distribuição gaussiana dentro de cada grupo
• Implicações para a manutenção: Degradação ativa do isolamento interno - programar a substituição na próxima interrupção planeada; aumentar a frequência de monitorização para mensal até à substituição

Categoria 2: Descarga de rastreio de superfície (elevada gravidade)

• Caraterísticas acústicas: Padrão irregular de impulsos; correlação potência-frequência presente, mas assimétrica; frequência de pico de 50-100 kHz; sinal detetável tanto por sensores de contacto como por sensores aéreos
• Padrão PRPD: Aglomerados assimétricos - mais fortes num meio ciclo do que no outro; distribuição irregular da amplitude indicando um comportamento errático da descarga
• Implicações para a manutenção: Degradação do isolamento da superfície - normalmente na interface casquilho-flange ou na interface núcleo-resina; é necessária a substituição; não adiar para além da próxima paragem programada

Categoria 3: Corona externo (baixa severidade de CT)

• Caraterísticas acústicas: Sibilo contínuo em vez de impulsos discretos; sinal aéreo forte; sinal de contacto fraco ou ausente; frequência de pico de 20-50 kHz
• Padrão PRPD: Concentrado nos pontos de cruzamento zero da tensão (90° e 270°); distribuição de amplitude muito consistente
• Implicações para a manutenção: Corona externo de condutores adjacentes, isoladores ou hardware - sem degradação do isolamento do TC; investigar e corrigir a fonte de corona externo; não é necessária a substituição do TC

Categoria 4: Vibrações e interferências mecânicas (sem DP)

• Caraterísticas acústicas: Sinal contínuo na frequência de potência e harmónicas (50 Hz, 100 Hz, 150 Hz); sem correlação com a fase da tensão; sinal presente no sensor de contacto mas não correlacionado com a fase
• Padrão PRPD: Distribuição uniforme em todos os ângulos de fase - sem correlação de fase
• Implicações para a manutenção: Vibração mecânica de magnetostricção, componentes soltos ou fontes mecânicas externas - não é um sinal PD; não há preocupação com o isolamento; investigar a fonte mecânica se o nível de vibração for elevado

Fluxograma de decisão de manutenção

Correlação com métodos complementares de diagnóstico

A deteção acústica de PD fornece o diagnóstico de campo mais acionável - mas as suas conclusões são reforçadas pela correlação com métodos complementares:

• Análise de gases dissolvidos (DGA): A geração de hidrogénio (H₂) e metano (CH₄) em TCs imersos em óleo confirma a DP ativa; o acetileno (C₂H₂) indica uma descarga de arco de alta energia; a correlação entre o aumento do nível do sinal acústico e a taxa de geração de gás DGA confirma a fonte de descarga interna
• Imagem térmica (infravermelhos): Os pontos quentes na superfície da caixa do TC indicam um aquecimento resistivo a partir de trajectos de descarga de rastreio; a correlação com sinais acústicos no mesmo local confirma a atividade de descarga de superfície
• Medição eléctrica da DP (IEC 60270): Fornece uma medição de carga calibrada em pC - necessária para uma avaliação definitiva da gravidade; realizada durante uma interrupção planeada com o TC desenergizado e o circuito secundário acessível

Erros comuns de interpretação

• Atribuição de todos os sinais acústicos elevados à DP interna: O corona externo proveniente de hardware adjacente é a fonte mais comum de indicações acústicas falsas positivas de DP em subestações de distribuição de energia; compare sempre os sinais dos sensores de contacto e aéreos antes de concluir que existe DP interno
• Tomar decisões de substituição com base apenas na amplitude de uma única medição: Uma única leitura de amplitude elevada sem análise do padrão PRPD, comparação do espetro de frequência e correlação da linha de base não fornece provas suficientes para uma decisão de substituição; a avaliação acústica da DP requer o pacote completo de caraterização do sinal
• Ignorar os sinais acústicos abaixo do “limiar de alarme”: A degradação progressiva do isolamento produz níveis de sinal acústico que aumentam gradualmente ao longo de meses a anos; um sinal que está 3 dB acima da linha de base hoje e 4 dB acima da linha de base no próximo levantamento é mais preocupante do que um sinal que está 6 dB acima da linha de base mas estável - a tendência é mais informativa do que o nível absoluto
• Realização de um inquérito acústico PD imediatamente após um transiente de tensão ou um evento de comutação: As operações de comutação produzem sinais acústicos que podem persistir durante minutos nos TC imersos em óleo; aguardar um mínimo de 30 minutos após qualquer operação de comutação antes de iniciar medições acústicas de DP

Conclusão

A deteção de descargas parciais por emissão acústica é a técnica de monitorização de estado mais praticável disponível para TCs de distribuição de energia instalados - não requer interrupções, nem acesso a circuitos secundários, nem infra-estruturas especializadas de subestações, nem modificações no TC ou nos seus circuitos ligados. O valor da técnica não está na deteção de DP num único momento no tempo - está no estabelecimento de uma linha de base para cada TC da frota, na tendência do nível do sinal acústico ao longo de campanhas de medição sucessivas e na utilização do padrão resolvido por fase e do espetro de frequência para distinguir a descarga interna vazia que requer substituição urgente do corona externo que não requer intervenção do TC. Na gestão de frotas de TCs de distribuição de energia, a deteção de descargas parciais por emissão acústica é o investimento de manutenção que converte a resposta reactiva a falhas de TCs - substituição de emergência após uma avaria inesperada no isolamento - numa gestão planeada de activos, em que os TCs em deterioração são identificados meses antes da falha e substituídos durante as interrupções programadas, sem o risco de segurança, a interrupção da proteção e o custo de aquisição de emergência de uma falha não planeada de um TC.

Perguntas frequentes sobre a deteção acústica de descarga parcial em TCs de distribuição de energia

1. Compreender a tecnologia subjacente aos sensores piezoeléctricos utilizados na monitorização acústica de alta frequência. ↩

2. Explorar as caraterísticas específicas de frequência ultra-sónica produzidas por eventos de descarga eléctrica. ↩

3. Aceda à norma oficial IEC 60270 para a medição convencional de descargas parciais eléctricas. ↩

4. Saiba como a análise de gás dissolvido identifica a degradação do isolamento através de indicadores químicos no óleo. ↩

5. Guia pormenorizado sobre como interpretar padrões de descargas parciais resolvidos por fase para fins de diagnóstico. ↩