Visualization of partial discharges with ultrasound

Neste artigo descreve-se como se efetua a visualização de descargas parciais com ultrassons no âmbito de uma predictive maintenance.

O QUE SÃO AS DESCARGAS PARCIAIS

As descargas parciais (DP) são pequenas falhas elétricas internas (ou superficiais) em isolamentos, e equipamentos de ultrassons são uma das formas mais práticas de detetar, medir e localizar essas falhas — especialmente em campo.

PRINCÍPIO FÍSICO

Quando ocorre uma Descarga Parcial, ela gera:

• impulsos elétricos rápidos
• vibrações mecânicas no material isolante
• ondas acústicas de alta frequência (typically 20 a 100 kHz, acima da audição humana)

Os sensores de ultrassons captam essas ondas e as convertem em sinais elétricos analisáveis.

Os ultrassons medem:

• Nível de pressão sonora
  • dBµV, dB SPL ou unidades relativas do fabricante
• Energia acústica
• Padrão temporal do sinal
• Frequência dominante

That is: é uma medição indireta, excelente para tendência e comparação, não para valor absoluto normalizado.

VISUALIZAÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS COM ULTRASSONS – COMO EFETUAR

A visualização pode ser feita de várias formas:

Valor numérico

• Intensidade do sinal ultrassônico (quanto maior, maior a atividade de DP)

Gráfico no tempo

• Pulsos repetitivos sincronizados com a rede elétrica indicam DP
• Ruídos aleatórios costumam ser interferência mecânica

Frequency spectrum

• Descargas parciais têm “assinaturas” típicas
• Corona, tracking e arco apresentam padrões diferentes

Localização espacial

• Movendo o sensor e comparando níveis com medidors de ultrassons simples
• No SONASCREEN: triangulação acústica (BEAMFORMING)

A CÂMARA ACÚSTICA SONASCREEN PARA VISUALIZAÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS COM ULTRASSONS

A câmara acústica portátil SONASCREEN 2 é a ferramenta para a visualização de descargas parciais com ultrassons.

A câmara acústica portátil SONASCREEN 2 gera imagens acústicas a partir da gama de frequências audíveis e de ultrassons. O dispositivo localiza fontes de som em tempo real e apresenta os resultados imediatamente no ecrã. Besides that, a câmara fornece um feedback audível através de auscultadores industriais. Tornamos os ultrassons audíveis e visíveis.

• Detecção fiável de fugas e descargas parciais, mesmo em ambientes industriais ruidosos e com fontes de som maiores presentes
• Matriz otimizada com 176 microfones e imagem acústica a 100 fps para resultados precisos em tempo real

• Módulo de imagem térmica (AND) integrado para um diagnóstico e análise mais abrangentes dos eventos gravados
• Software integrado de aquisição e análise de dados
• Resultados acústicos em tempo real a 100 fps
• Ampla gama de frequências (2 kHz – 100 kHz) para a deteção de sons audíveis e ultrassons
• Feedback acústico através de auscultadores industriais
• Dispositivo portátil com proteção IP54 (à prova de salpicos)
• 8 botões configuráveis para um controlo rápido
• Peso reduzido e tamanho pequeno
• Detecção de fontes sonoras em movimento rápido graças a uma alta resolução de 100 fps e obturador global
• Gravação e análise aprofundadas: a única câmara que permite o processamento posterior dos dados brutos gravados
• Dispositivo portátil: baixo peso, excelente ergonomia e tamanho compacto
• 8 botões configuráveis para um fluxo de trabalho intuitivo
• 4 modos diferentes com configurações predefinidas para uma operação intuitiva sem necessidade de formação extensiva
• IP 54 / proteção contra água e poeira: microfones encapsulados adequados para uso industrial
• Ecrã HD multitoque de 7 polegadas

COMO UTILIZAR O SONASCREEN PARA VISUALIZAÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS COM ULTRASSONS

No vídeo a seguir apresentado vê-se como se utiliza este equipamento para a visualização de descargas parciais com ultrassons.

ONDE A TÉCNICA DE MEDIÇÃO DE ULTRASSONS É MAIS EFICAZ

Esta técnica é mais eficaz nos seguintes equipamentos:

• Subestações energizadas
• Painéis de média e alta tensão
• Isoladores, buchas e chaves seccionadores
• GIS (em conjunto com UHF)
• Transformers (com sensores de contato)

limitations:

• Sensível a ruído mecânico (vento, engines, vibration)
• Não substitui ensaios elétricos em laboratório
• Depende muito da experiência do operador

Fluxo típico de trabalho:

1. Equipamento energizado
2. Visualização com sensor de ultrassons
3. Identificação de pontos com maior intensidade
4. Comparação com histórico (trend)

Confirmação com outros métodos (UHF, electric, thermography)

COMO DIFERENCIAR CORONA, TRACKING E ARCO COM ULTRASSONS

O som é uma das formas mais rápidas de distinguir corona, tracking e arco quando se usa ultrassom. Cada um tem uma “assinatura acústica” típica.

CORONA

Consiste na ionização do ar ao redor de condutores energizados (geralmente pontas, arestas, screws).

Som característico

• Chiado contínuo
• Lembra vazamento de gás ou “ssssss”
• Muito estável no tempo

Assinatura no ultrassom

• Frequency: 30–60 kHz
• Amplitude: baixa a média
• Sinal constante, pouco pulsante
• Normalmente sincronizado com a tensão

Onde aparece

• Barramentos
• Conectores
• Pontas metálicas
• Isoladores em ambientes húmidos

Quando se afasta a camara e o som diminui suavemente, costuma ser corona.

TRACKING

Consiste em descargas superficiais que “caminham” sobre o isolamento contaminado (dust, sal, humidity).

Som característico

• Crepitação
• Tipo fritura, “crec-crec-crec”
• Intermitente

Assinatura no ultrassom

• Frequency: 20–80 kHz
• Amplitude: variável
• Pulsos irregulares
• Evolui com o tempo (fica mais intenso)

Onde aparece

• Isoladores sujos
• Buchas
• Terminações de cabos
• Superfícies com umidade + Contamination

In practice, se o nível do som “pula” e muda de intensidade → tracking.

ARCO ELÉTRICO

O arco elétrico consiste numa descarga completa entre dois potenciais (falha grave).

O som característico é:

• Estalos fortes
• “PÁ! TÁ! CRACK!”
• Pode ser assustador

Assinatura no ultrassom

• Frequency: larga (wideband)
• Amplitude: muito alta
• Pulsos violentos e aleatórios
• Não precisa estar sincronizado com a rede

Onde aparece

• Conexões frouxas
• Contatos defeituosos
• Chaves e disjuntores
• Falhas avançadas de tracking

Na prática se o sinal satura o equipamento → arco iminente ou ativo. Atenção à segurança.

Resumo rápido

Type	Som	Comportamento	Gravity
Corona	Chiado contínuo	Stable	⚠ Baixa
Tracking	Crepitação	Irregular	⚠⚠ Média
Arco	Estalos secos	Explosivo	🚨 Alta

É muito importante nunca usar só o ouvido ou só o valor numérico. Deve-se também combinar:

• Som nos auscultadores
• Gráfico no tempo
• Frequency spectrum
  Inspeção visual e termografia

COMO O PADRÃO MUDA AO LONGO DO TEMPO (DE CORONA → TRACKING → ARCO)

A tendência do comportamento é muito importante para o diagnóstico preditivo. In practice, corona, tracking e arco não são eventos isolados, mas estágios de degradação do isolamento, como se pode ver no esquema a seguir apresentado.

Seguidamente mostra-se como o padrão acústico (ultrassom) evolui ao longo do tempo e o que observar em campo.

Estágio 1 – Corona (início da degradação)

Condição do isolamento: ainda íntegro, mas com campo elétrico concentrado.

Som

• Chiado suave e contínuo
• Muito repetitivo

Padrão no ultrassom

• Frequência dominante: 30–60 kHz
• Amplitude: baixa e estável
• Pouca variação ao longo dos dias/semanas

O que está acontecendo fisicamente

• Ionização do ar
• Produção de ozono e NOx
• Ataque químico lento ao isolamento

Risco

• Baixo no curto prazo
• Alto, no longo prazo, se ignorado

Sinal clássico: o valor em dB sobe devagar mês a mês.

Estágio 2 – Tracking (degradação ativa)

Condição do isolamento: superfície já contaminada e carbonizada.

Som

• Crepitação irregular
• “Fritura elétrica”

Padrão no ultrassom

• Banda mais larga (20–80 kHz)
• Amplitude flutuante
• Pulsos intermitentes, não uniformes

O que está acontecendo fisicamente

• Formação de caminhos condutivos
• Descargas superficiais repetidas
• Aquecimento localizado

Risco

• Moderado a alto
• Pode evoluir rápido (dias ou semanas)

Sinal clássico: gráfico “nervoso”, com picos que aparecem e desaparecem.

Estágio 3 – Arco (falha iminente ou ativa)

Condição do isolamento: rompido ou quase rompido.

Som

• Estalos secos e fortes
• Sons impulsivos

Padrão no ultrassom

• Espectro wideband
• Amplitude muito alta
• Saturação do sensor
• Pulsos caóticos

O que está acontecendo fisicamente

• Canal ionizado permanente
• Corrente elevada
• Erosão térmica e mecânica

Risco

• Crítico
• Pode causar explosão, incêndio ou desligamento imediato

Sinal clássico: aumento abrupto do nível ultrassônico em pouco tempo.

 A evolução típica ao longo do tempo é a seguinte:

Corona ────────► Tracking ───► Arco

(anos/meses)        (semanas)       (horas/dias)

Isto aparece no histórico de medições da seguinte forma:

• Corona: curva suave, crescimento lento
• Tracking: curva irregular, com saltos
• Arco: salto quase vertical

Por isso tendência é mais importante que valor absoluto quando se medem ultrassons.

A ação recomendada em cada em cada estágio é a seguinte:

Estágio	Ação recomendada
Corona	Monitorar + correção geométrica
Tracking	Limpeza, secagem, substituição planejada
Arco	Immediate intervention

A regra prática de campo é a seguinte:

Som contínuo = tempo para planear
Som intermitente = agir logo
Som explosivo = parar tudo

EXEMPLOS REAIS DE TENDÊNCIA EM DB

A seguir vêm-se exemplos de como a tendência em dB aparece na prática, da forma que se vê em inspeções com ultrassons conforme IEC 62478.

Importante: os valores são reais/típicos de campo, mas sempre relativos ao equipamento e ganho usado.

Example 1 — Corona estável (situação controlada)

Histórico (mesmo ponto, mesma regulagem)

Month	Nível ultrassônico
Janeiro	18 dB
Fevereiro	19 dB
Março	20 dB
Abril	20 dB

O que se ouve

• Chiado contínuo
• Som limpo, sem estalos

Interpretação

• Crescimento lento e previsível
• Enquadramento IEC: atividade inicial de DESCARGA PARCIAL
• Ação: monitorar

Assinatura clássica de corona
Curva quase reta, sem picos.

Example 2 — Corona → Tracking (degradação em curso)

Histórico

Semana	Level
S1	22 dB
S2	24 dB
S3	29 dB
S4	27 dB
S5	33 dB

O que se ouve

• Chiado + crepitação ocasional
• Sons intermitentes

Interpretação

• Aumento não linear
• Flutuações → contaminação / umidade
• Enquadramento IEC: Descarga parcial superficial (tracking)

Alerta amarelo
Aqui muita gente erra achando “normal” porque o valor às vezes cai.

Example 3 — Tracking avançado (pré-falha)

Histórico

DMC will be present at the	Level
D1	30 dB
D2	36 dB
D3	34 dB
D4	41 dB
D5	45 dB

O que se ouve

• Fritura forte
• Pulsos frequentes

Interpretação

• Tendência acelerada
• Grande variabilidade
• Enquadramento IEC: degradação ativa do isolamento

Janela curta de intervenção
Planejar parada agora, não no próximo ciclo.

Example 4 — Salto abrupto → Arco iminente

Histórico

Hour	Level
08:00	38 dB
10:00	40 dB
12:00	58 dB
12:05	Saturação

O que se ouve

• Estalos secos
• Sons explosivos

Interpretação

• Aumento quase vertical
• Fora do regime de descarga parcial (IEC 60270)
• Arco elétrico ativo ou iminente

Ação imediata

Como desenhar mentalmente as curvas

Corona:        ────────╮

Tracking:      ──╮─╯╮─╯╮

Arco:          ────│││⬆

Critérios práticos (usados em campo)

✔ +2 a 3 dB lentos → envelhecimento normal
⚠ +5 a 10 dB em semanas → tracking
🚨 +10 dB em horas/dias → arco iminente

(desde que regulagem, sensor e distância sejam constantes)

Regra de ouro para relatórios IEC

Nunca escrever:

“o valor atingiu 35 dB, portanto está crítico”

Escrever sempre:

“observou-se aumento de 13 dB em relação à medição de referência, indicando progressão da atividade de descarga parcial conforme a IEC 62478”

OS ULTRASSONS NAS NORMAS IEC

Visão geral de onde o ultrassom entra nas IEC

As normas IEC não substituem o método elétrico clássico, mas reconhecem o ultrassom como método complementar, sobretudo para:

• inspeções on-line
• equipamentos energizados
• diagnóstico qualitativo + trend

As principais são:

• IEC 60270
• IEC 62478

IEC 60270 — a base (método elétrico)

O que ela diz:

• Define descarga parcial como impulsos medidos em pC
• Método convencional elétrico
• Ambiente controlado (laboratório)

Ligação com corona / tracking / arco

• A IEC 60270 não classifica pelo “som”
• Ela fornece o referencial físico da descarga parcial
• Corona e tracking aparecem como padrões de pulsos elétricos
• Arco geralmente já ultrapassa o escopo de descarga parcial

A tradução na prática é a seguinte:
Use a IEC 60270 como referência teórica, mas não tente forçar pC em medições ultrassónicas.

IEC 62478 — onde o ultrassom entra oficialmente

Essa é a norma-chave para o que se descreveu.

O que ela reconhece:

• Ultrassom como método não convencional
• Uso em detecção, localização e análise de tendência
• Avaliação qualitativa da atividade de descarga parcial

Ligação direta com os estágios

Corona

• IEC 62478: Descarga parcial de baixa energia
• Ultrassom:
  • sinal contínuo
  • banda estreita
• Classificação: atividade inicial de descarga parcial

Descrito como:

“atividade de Descarga Parcial incipiente detectada pelo método acústico”

Tracking

• IEC 62478: Descarga parcial superficial
• Associada a:
  • Contamination
  • envelhecimento do isolamento
• Ultrassom:
  • pulsos irregulares
  • banda mais larga

Descrito como:

“atividade de Descarga Parcial superficial com degradação progressiva do isolamento”

Arco

• Aqui é crucial
  A IEC deixa claro:

O arco elétrico já não é descarga parcial

• Ultrassom:
  • saturação
  • impulsos caóticos
• Classificação normativa:
  • falha dielétrica
  • condição anormal de operação

A linguagem correta a utilizar é a seguinte:

“emissão acústica compatível com arco elétrico (além da fase de Descarga Parcial)

Como escrever isto corretamente num relatório IEC

Exemplo de texto 100% alinhado às normas:

“Foi detetada atividade acústica compatível com descargas parciais, conforme métodos não convencionais reconhecidos pela IEC 62478.

O padrão evolutivo do sinal indica progressão de ionização gasosa (corona) para descargas superficiais (tracking), com risco de transição para arco elétrico, condição que ultrapassa o regime de DESCARGA PARCIAL definido na IEC 60270.”

Tabela-Resumo (de acorod com IEC)

Estágio	Enquadramento IEC	Situação
Corona	Descarga parcial gasosa	Monitorável
Tracking	Descarga parcial superficial	Degradação ativa
Arco	Falha dielétrica	Fora do regime DESCARGA PARCIAL

Erros comuns a evitar

DESCARGA PARCIAL medida em dB”
Valor absoluto de descarga por ultrassom”

Correto:

• nível relativo
• trend
• correlação com IEC 60270

Regra de ouro normativa

IEC 60270 define o que é DESCARGA PARCIAL
IEC 62478 define como detetar fora do laboratório