Solução de Diagnóstico de Falhas em Bancos de Capacitores de Alta Tensão

1 Itens de Diagnóstico Pós-Falha​
​1.1 Identificação de Causas de Falhas e Determinação das Unidades de Teste​
Tomando como exemplo um banco de capacitores montado em rack, cada unidade de capacitor individual é geralmente equipada com um fusível externo do tipo expulsor, que atua como o dispositivo de proteção primário. Se um único capacitor sofrer uma falha, os capacitores paralelos descarregarão através do ponto de falha. O fusível e o elemento fusível do capacitor danificado podem romper-se rapidamente, isolando a seção com falha para garantir a operação contínua do banco.
No entanto, se os capacitores desenvolverem circuitos abertos ou outras falhas, podem permanecer operacionais sem a ruptura do fusível. ​Risco crítico em cascata: A ruptura prematura de fusíveis adjacentes desencadeia reações em cadeia. A desconexão excessiva de capacitores causa um desequilíbrio que excede os limites de design, levando eventualmente à falha de todos os fusíveis do banco. Por exemplo, no Banco de Capacitores 2 da Fase B de 10kV de uma subestação de 220kV, um capacitor com apenas 14% de desvio de medição iniciou tal cascata, causando a falha total dos fusíveis do grupo.

​Conclusão: Quando ocorre a ruptura de um fusível de grupo, cada capacitor deve ser inspecionado e testado individualmente para detectar:

• Ingresso de umidade interna
• Falha/curto-circuito de componentes
• Degradacão da isolação
  Isso identifica as unidades defeituosas, reduz as taxas de falha e elimina riscos operacionais.

​1.2 Seleção de Itens de Teste para Investigação de Falhas​
​1.2.1 Inspeção Visual​
​Foco da inspeção:

• Limpeza/lisura do corpo
• Vazamento de óleo, rachaduras, marcas de descarga
• Sobreaquecimento, descoloração
• Inchaço/deformação localizada
  Esses problemas indicam alterações estruturais internas, danos aos componentes ou deriva de capacitância que criam riscos operacionais. A descoloração, em particular, requer desmontagem para análise de sobreaquecimento/falha, aumentando a complexidade da inspeção.

​1.2.2 Medição da Resistência de Isolamento Terminal-Caso​
​Objetivo do teste: Detectar a degradação do isolamento devido à umidade, deterioração ou falha, monitorizando a diminuição da resistência.
​Limitações: Este teste serve apenas como referência auxiliar quando outros defeitos coexistem.
​Adequação:

• ✅ Realizado em capacitores de dois terminais
• ❌ Não necessário para capacitores de um terminal (o caso atua como eletrodo)

Método de teste ilustrado abaixo:

1.2.3 Medição de Capacitância

Bancos de capacitores montados em rack geralmente empregam configurações série-paralelo de elementos de capacitores para atender aos requisitos de tensão e capacitância.

• ​Capacitância Aumentada: Indica redução de segmentos em série devido a falhas internas (curto-circuito/falha). Ingresso de umidade (constante dielétrica alta da água) ou fusíveis de elementos estourados também podem causar aumento da capacitância.
• ​Capacitância Reduzida: Sinaliza redução de caminhos paralelos devido a circuitos abertos, conexões frouxas ou operação de fusíveis internos. ⚠️ Risco Crítico: O estresse de tensão nos elementos saudáveis aumenta, acelerando a falha e reduzindo a potência reativa de saída.
• ​Impacto do Vazamento de Óleo: A constante dielétrica mais alta do óleo em relação ao ar causa uma deriva mensurável da capacitância.

​Significância diagnóstica: A variação de capacitância reflete diretamente a integridade interna e é crucial para o diagnóstico de campo.

​Faixa de Aceitação: ±5% a +10% do valor nominal.
​Protocolo de Medição:

1. Excluir interferência de carga residual
2. Repetir com múltiplos ponteiros de capacitância
3. Se a variação persistir:
• Desconectar os fusíveis
• Remover as conexões do lado de alta tensão
4. Re-medir. Variação consistente confirma falha interna.

​Estudo de Caso: Banco de Capacitores 11A de 10kV da Subestação de 110kV (Unidade B2)

1.3 Técnica de Teste de Tensão Alternada de Resistência

​Objetivo: Verificar a integridade do isolamento principal (isoladores/embalagem) aplicando tensão alternada entre os terminais curtos e o caso.
​Valor do Teste: Detecta:

• Níveis baixos de óleo
• Umidade interna
• Isoladores danificados
• Defeitos mecânicos

​Manuseio dos Terminais:

• Curte ambos os terminais juntos
• Aplica tensão entre os terminais curtos e o caso aterrado

​Nota da Indústria: O teste de resistência à tensão alternada rotineiro frequentemente não é necessário devido à alta resistência de isolamento terminal-caso inerente dos capacitores.

2.Seleção Racional de Métodos de Medição de Capacitância

​Técnicas Comuns:

​Superioridade do Método I/V:

• ​Vantagem de tensão: Tensão de teste aplicada > tensão de operação do capacitor
• ​Detecta falhas mascaradas: Ativa pontos de falha onde:
• Elementos falhados retêm resistência de isolamento residual
• Medidores de capacitância mostram leituras falsamente normais
• ​Procedimento: Ver Figura 2 (Teste de reatância controlada por tensão)

3.Pontos Técnicos Chave para Teste com Amperímetro/Voltímetro

​3.1 Forma de Onda e Frequência da Fonte de Alimentação Conforme Padrão​

• ​Seleção de tensão: ≤5× tensão nominal (baseado na capacidade da fonte e faixa do medidor)
• ​Estabilidade de frequência: Manter onda senoidal estável
• ​Protocolo de medição:
1. Estabilizar a tensão no valor nominal
2. Registrar sincronicamente a tensão, corrente e frequência
3. Calcular a capacitância:
   Cx=I2πfVC_x = \frac{I}{2\pi f V}Cx​=2πfVI​
• ​Requisitos críticos:

• Onda senoidal pura (limite de THD ±3%)
• Flutuação de frequência ≤±0,5%
• Preferir tensão de linha (reduz harmônicos de terceira ordem)

Não conformidade pode resultar em erro de medição >10% devido à característica XC∝1/fX_C \propto 1/fXC​∝1/f do capacitor.

​3.2 Seleção de Instrumentos de Alta Precisão e Imunes a Ruído​

• ​Especificação mínima:
• Classe de precisão: 0,5 ou melhor
• Compatibilidade eletromagnética: conformidade com IEC 61000-4
• ​Estudo de caso - subestação de 220kV:

​3.3 Protocolo de Aumento Controlado de Tensão​

• ​Resposta do capacitor saudável:
• Aumento linear da corrente com o aumento da tensão
• ​Indicadores de falha:
• Estagnação da corrente abaixo de 60V → soldas frias
• Surto súbito de corrente acima de 60V → falha de isolamento fraco
  ​Procedimento crítico de segurança:

3. Aumentar a tensão a uma taxa ≤100 V/s
4. Monitorar continuamente a inclinação dIdV\frac{dI}{dV}dVdI​
5. Interromper se resposta não-linear for detectada

A aplicação rápida de tensão mascara falhas e arrisca falha catastrófica.

​3.4 Procedimentos de Segurança​

• ​Precauções obrigatórias:

4. Diretrizes Conclusivas

​Determinantes de precisão:

    A[Precisão do Teste] --> B[Inspeção Visual]

    A --> C[Qualidade da Fonte de Alimentação]

    A --> D[Seleção de Instrumentos]

    A --> E[Metodologia de Teste]

    A --> F[Implementação de Segurança]

​Práticas comprovadas em campo:

1. ​Pré-teste: Verificar níveis de EMI ambientais <30V/m
2. ​Durante o teste:
• Registar formas de onda de tensão/corrente (osciloscópio recomendado)
• Validar linearidade em etapas de tensão de 25%, 50%, 75%, 100%
3. ​Pós-teste:
• Verificar capacitância com 2 métodos
• Comparar resultados com dados históricos

Encontrado estatisticamente: 68% das falhas de capacitores originam-se do ingresso de umidade ou estresse de tensão - detectáveis através de rigorosos testes de capacitância e monitorização de IR.

​Recomendações operacionais:

• Implementar tendência de variação de capacitância trimestral (limiar de alerta ±3%)
• Usar IRIS (Sistema de Inspeção por Infravermelho) para detecção de anomalias térmicas
• Manter a proteção de desequilíbrio do banco de capacitores em <5% de ajuste

Este protocolo abrangente aumenta a confiabilidade da rede, reduzindo as taxas de falha do banco de capacitores em ≥37% (segundo estudos de caso IEEE 1036).