Desenvolvimento de sistema para localização de faltas em cabos isolados

Orientador : Prof. Dr. Márlio José do Couto BonfimCo-orientador : Prof. Dr. Vitoldo Swinka FilhoDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa: Curitiba, 26/08/2014Inclui referênciasÁrea de concentração: Instrumentação eletrônicaResumo: Cabos isolados de média tensão (8,7/15 e 12/20 kV) aplicados em redes subterrâneas de distribuição de energia elétrica necessitam de atenção tanto nos momentos de falha da transmissão de eletricidade quanto na verificação das condições de degradação ao longo de sua vida útil. A técnica de Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR) se destaca para estes tipos de diagnósticos, pois é capaz de determinar a posição do defeito, limitando a região de intervenção sobre a rede. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema que utiliza a TDR em alta tensão, de modo que o elevado campo elétrico seja capaz de ionizar os defeitos na camada dielétrica que são ativados próximo da tensão nominal dos cabos. Estes defeitos, quando ativados, modificam a impedância característica local da linha de transmissão, resultando em reflexões de sinais eletromagnéticos de alta frequência que são utilizadas para determinar a que distância houve esta ocorrência. Para atingir os resultados foram efetuados experimentos que aplicam a TDR pelo método de pulso único de alta tensão e alta frequência e pelo método de pulso de baixa tensão e alta frequência acoplado à um pulso de alta tensão e baixa frequência. Com o experimento de pulso único de alta tensão foi evidenciado que a atenuação sofrida pelo pulso de reflectometria compromete a ativação de defeitos em comprimentos elevados de cabo, da ordem de centenas de metros. A atenuação dos sinais de alta frequência neste tipo de cabo é significativa, o que pode comprometer a qualidade da medida. Para melhor compreensão destes efeitos foi desenvolvido um modelo para simulação elétrica de um cabo isolado de média tensão com isolamento de borracha extrudada de Etilenopropileno (EPR). Neste modelo foram incluídas as perdas no dielétrico e no condutor, dimensionadas a partir da tangente de perdas e do efeito pelicular respectivamente. Com este modelo foram efetuadas simulações que resultaram em uma resolução espacial de detecção de defeito da ordem de meio metro, quando comparado a dados de reflectometria coletados. Por fim, após conhecer as limitações da aplicação de sinais de alta frequência nesse tipo de cabo, foram desenvolvidos os circuitos eletrônicos do sistema de pulsos acoplados. Este sistema foi desenvolvido para ser aplicado em trechos de cabo de até um quilômetro, com erro de detecção da posição da falha menor que 1% e amplitude do pulso de alta tensão variável até 10 kV. Palavras-chave: Reflectometria no domínio do tempo; Sinais eletromagnéticos de alta frequência; Linhas de transmissão; Modelagem; Perdas dielétricas; Efeito pelicular.Abstract: Insulated medium voltage cables (8,7/15 e 12/20 kV) applied in underground distribution networks of electricity require attention both in times of failure of transmission of electricity as the verification of the conditions of degradation throughout its life. The technique of Time Domain Reflectometry (TDR) stands out for these types of diagnoses, it is able to determine the position of the defect, limiting the area of intervention of the network. This paper presents the development of a device that uses high voltage TDR, so that the high electric field capable of ionizing the defects in the dielectric layer that are activated near the rated voltage of the cable. These defects, when activated, modify the local characteristic impedance of the transmission line, resulting in reflections of high-frequency electromagnetic signals that are used to determine how close this occurrence was. To achieve the results applying the TDR experiments using the single high voltage and high frequency pulse method and low voltage and high frequency pulse coupled with a high voltage and low frequency pulse were made. Experiment with single-pulse high voltage was shown that the attenuation of the pulse reflectometry compromises the activation of defects in high cable lengths, some hundreds of meters. The attenuation of high frequency signals in this type of cable is significant, which may compromise the quality of the measurement. For better understanding of these effects, it was developed a model for electrical simulation of a medium voltage cable with insulation of extruded rubber ethylene propylene (EPR). In this model the losses were applied in dielectric and conducting, scaled by tangent loss and skin-effect were applied respectively. In this model simulations that resulted in a spatial resolution of defect detection than half a meter were made, compared to reflectometry data collected. Finally, after knowing the limitations of the application of high frequency signals in this type of cable, the electronics of the pulses coupled system have been developed. This system was developed for use in long stretches of cable, up to one kilometer, with error detection of the position of the defect smallest that 1% and variable amplitude of high voltage pulse up to 10 kV. Key words: Time domain reflectometry; Electromagnetic high frequency signals; Transmission lines; Modeling; Dielectric loss; Skin effect