Instrumentação para Monitoramento e Análise de Descargas Parciais

André Tomaz de Carvalho, Eletrobras Cepel

"Por ser baseado na arquitetura PXI, o sistema é escalável, flexível, e totalmente integrável a outros sistemas de monitoramento."

- André Tomaz de Carvalho, Eletrobras Cepel

O desafio:

Implementar um sistema de monitoramento online e análise de Descargas Parciais (DP) em geradores de usinas hidrelétricas da Eletrobras com vistas ao diagnóstico preditivo do isolamento elétrico de estatores.

A solução:

O Cepel desenvolveu um sistema de instrumentação modular para monitoramento online de DP em hidrogeradores utilizando instrumentação modular PXI e algoritmos de processamento de sinais implementados em LabVIEW. O sistema vem sendo adotado com eficácia pela Eletrobras como ferramenta de manutenção preditiva no seu parque gerador.

Autor(es):

André Tomaz de Carvalho - Eletrobras Cepel
Hélio de Paiva Amorim Júnior - Eletrobras Cepel
Caio Fleming Ferreira de Carvalho Cunha - Eletrobras Cepel

 

Introdução

O Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Eletrobras Cepel) se dedica há mais de 40 anos à pesquisa e desenvolvimento (P&D) relacionados a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, sendo considerado o maior centro de pesquisas em energia elétrica do Hemisfério Sul. Seu Departamento de Linhas de Transmissão e Equipamentos Elétricos (DLE) presta suporte às equipes de engenharia de manutenção das diversas empresas, capacitando seus profissionais e desenvolvendo novas tecnologias voltadas para o diagnóstico preditivo e o prognóstico de equipamentos.

Geradores ocupam lugar proeminente dentre os demais equipamentos do sistema elétrico, sendo recomendável seu monitoramento contínuo. Nos anos 90 o Cepel deu início ao desenvolvimento do SOMA – Sistema Orientado ao Monitoramento de Ativos, para monitoramento online de parâmetros mecânicos, térmicos e operacionais em máquinas rotativas. A plataforma PXI foi adotada devido aos requisitos de robustez, flexibilidade, e modularidade do hardware de aquisição de dados. No entanto, para acompanhar as exigências do estado da arte, restava ainda o monitoramento do isolamento estatórico de geradores.

O isolamento elétrico é o calcanhar de Aquiles de qualquer equipamento de alta tensão. Além de falhas na manutenção e de possíveis eventos contingentes, o próprio ciclo de operação normal dos equipamentos faz com que materiais isolantes sujeitos a vibração e a ciclos térmicos envelheçam e percam suas propriedades dielétricas. É necessário, portanto, avaliar a saúde da isolação nesses equipamentos com vistas à continuidade do fornecimento de energia e à redução de falhas.

O monitoramento de descargas parciais (DP) é uma forma eficaz de avaliar a integridade do isolamento em equipamentos elétricos de alta tensão. Em relação a outras técnicas tradicionalmente empregadas, a medição de DP apresenta a maior sensibilidade, possibilita a localização de defeitos e é a única técnica capaz de monitoramento online de geradores, sendo recomendável para o monitoramento da isolação em máquinas rotativas em geral. Com efeito, calcula-se que 89% das falhas ocorridas na isolação poderiam teoricamente ter sido detectadas através da medição de DP.

Para atender à demanda do monitoramento online da isolação estatórica em máquinas rotativas, o desafio consistiu em implementar um sistema de monitoramento online de descargas parciais o qual, além de ter comprovada eficácia, deveria manter a compatibilidade com a plataforma de hardware previamente adotada para o monitoramento de geradores, utilizando o padrão de instrumentação modular PXI e explorando suas características de flexibilidade e modularidade.

Características da Medição

Descargas parciais são descargas elétricas que percorrem uma pequena porção do caminho entre fase e terra ou fase e fase. Ocorrem em regiões de inserção gasosa que representam imperfeições no dielétrico (Fig. 1). Sua ocorrência pode indicar defeitos que podem evoluir para falhas na isolação com graves consequências.

 

 

 

A medição online de DP em geradores pelo método elétrico requer a instalação prévia de capacitores de acoplamento e impedâncias de medição apropriadas, como sugere a Fig. 2. O número de capacitores de acoplamento por fase pode variar em função das dimensões do gerador monitorado.

 

 

 

Descargas parciais são sinais pulsantes com componentes de frequência que podem atingir centenas de MHz, estocásticos, de amplitude variável, fortemente imersos em ruído. Os pulsos aquistados devem ter amplitudes registradas e ser correlacionados com a fase do ciclo de tensão. O produto da medição são histogramas bidimensionais, onde a taxa de repetição dos pulsos é agrupada em função de suas amplitudes e do ângulo de fase (Fig. 3).

 

 

 

IMA-DP

Sistemas digitais de medição de DP são constituídos por unidades de processamento digital de sinais (DSP) implementados em FPGA e em processadores convencionais, agregando um mínimo de circuitos condicionadores de sinal e conversores A/D (Fig. 4).

 

 

 

O sistema de Instrumentação e Análise de Descargas Parciais (IMA-DP) foi concebido para medição de DP na banda HF (<30 MHz) atendendo às normas técnicas IEC 60034-27 e IEEE Std. 1434-2014. O desenvolvimento do sistema aqui proposto se tornou viável a partir da disponibilização pela NI dos componentes modulares de hardware integráveis na plataforma PXI. A chave para o desenvolvimento foi a seleção do digitalizador NI PXIe-5122, com faixa dinâmica de 20V, 14 bits de resolução, taxa de amostragem de 100 MHz e largura de banda de 40 MHz. O módulo possui ainda circuitos de acoplamento para impedância, filtros analógicos anti-aliasing selecionáveis, amplificadores e atenuadores.

 

Com apenas dois canais de medição, foi adicionado à entrada do PXIe-5122 um módulo NI Switch PXIe-2593, capaz de expandir o sistema para a medição sequencial de até 16 canais, reduzindo significativamente custos de monitoramento por canal.

 

O PXIe-5122 envia os dados brutos digitalizados para o FPGA do módulo PXIe-7965R, onde o processamento pesado é feito em tempo real. O envio dos dados utiliza o barramento PXI-Express em uma conexão peer-to-peer. Finalmente, o processamento final e a consolidação de resultados é feita na controladora embarcada PXIe-8135. A Fig. 5 mostra a cadeia completa de medição. A Fig. 6 mostra os componentes utilizados e o fluxograma do processo.

 

 

 

O LabVIEW foi utilizado eficientemente como única linguagem na programação da aquisição de dados, do FPGA, do processamento de sinais e das interfaces de análise, banco de dados e geração de relatórios (Fig. 7).

 

 

 

 

 

 

Resultados

Após a instrumentação desenvolvida ter comprovado sua eficácia em laboratório e no campo, a Eletronorte adotou o IMA-DP como ferramenta de diagnóstico preditivo na avaliação de DP em hidrogeradores. O monitoramento online contínuo vem sendo realizado desde 2004 em dois geradores de 350 MW de Tucuruí, e desde 2013 em toda a usina de Coaracy Nunes (78 MW). O sistema vem sendo gradativamente adotado por todas as empresas do grupo Eletrobras, e foi recentemente selecionado por Itaipu Binacional para monitorar seus geradores. A Eletronorte tem publicado vários casos de sucesso nos quais o IMA-DP detectou falhas de isolamento e contribuiu eficazmente para a segurança dos geradores.

 

 

 

Conclusão

A integração de instrumentos modulares PXI permitiu a concepção de um sistema de monitoramento de DP baseao em algoritmos de processamento de sinais desenvolvidos pelo Cepel. Por ser baseado na arquitetura PXI, o sistema é escalável, flexível, e totalmente integrável a outros sistemas de monitoramento. Com a medição de DP, o monitoramento de grandes hidrogeradores pode agora ser realizado utilizando exclusivamente hardware NI, como é o caso das duas maiores usinas hidrelétricas brasileiras: Tucuruí e Itaipu. A utilização do hardware NI permitiu assim o desenvolvimento de uma ferramenta eficaz com custo competitivo e total domínio da tecnologia, um produto de grande sucesso, do qual a sociedade brasileira pode se orgulhar.

 

 

Informações sobre o autor:

André Tomaz de Carvalho
Eletrobras Cepel
Av. Horácio Macedo, 354 - Cidade Universitária Rio de Janeiro
Rio de Janeiro
Brazil
Tel: +55 21-2666-6446
tomaz@cepel.br

Figure 1. Cross Section of a Generator Bar With Cavities in Which PD May Occur
Figure 3. PD Pattern or Phase-Resolved Partial Discharge (PRPD) Graph
Figure 4. Block Diagram of a Digital PD Measurement System
Figure 5. IMA-DP Measurement Path Through Selected PXI Express Modules Used in Implementation
Figure 6. (a) Measurement Hardware for Online Monitoring of 16 PD Channels; (b) General Flow Chart of the Measurement System
Coupling Capacitors and PD Measurement Impedances Installed in the Three Phases of a Stator and Raw Signals Acquired
Figure 2. PD Raw Signals Immersed in Nois
Figure 7. Analysis and Report Generation Interface Screens of IMA-DP
Figure 8. Partial Discharges Monitoring at Eletronorte Tucuruí Hydro Power Plant