1. Por que comparar técnicas de descargas parciais
Descargas parciais (DP) são descargas elétricas localizadas que curto-circuitam apenas parte do isolamento entre condutores ou na superficie isolante. Elas aparecem em cavidades, bolhas, contaminação superficial, pontas condutoras e delaminações, e a sua ocorrência acima do nível de projeto é o sintoma mais precoce de fragilidade dielétrica em praticamente todo equipamento de alta tensão. O pulso de corrente associado tem tempo de subida de nanossegundos e amplitude pequena, o que faz da sua medição um problema de instrumentação de banda larga em um ambiente ruidoso: a subestação, o cubículo ou a casa de máquinas.
Há quatro famílias de detecção consolidadas: o método elétrico (capacitor de acoplamento, tap capacitivo ou transformador de corrente de alta frequência – HFCT), o método acústico, o método UHF e o método químico (análise de gases dissolvidos – DGA). Elas não competem entre si; cada uma responde a uma pergunta diferente – quanto (carga aparente em pC), onde (localização), o quê (tipo de defeito) e há quanto tempo (evolução). O objetivo deste artigo é comparar essas técnicas à luz das normas que regem a medição, IEC 60270, IEEE C57.160-2023, IEEE C57.143-2024 e IEC 60034-27-2:2023, e traduzi-las em layouts práticos de aplicação para três cenários que dominam a demanda por monitoramento: circuitos de média tensão de 15 a 36 kV, máquinas rotativas e buchas capacitivas com tap acessível. Ao final acrescenta-se a análise de HFCTs em ativos energizados, o sensor que resolve o problema quando não existe tap nem espaço para um capacitor de acoplamento.
2. As normas e o que cada uma governa
A IEC 60270 é a base metrológica de tudo o que vem depois. Ela define a carga aparente q, o circuito de medição composto por capacitor de acoplamento (Ck), impedância de medição (Zm) e instrumento, o procedimento de calibração por injeção de carga conhecida nos terminais do objeto, as classes de largura de banda (wide-band com f1 entre 30 e 100 kHz e f2 até 1 MHz, e narrow-band) e os requisitos de sensibilidade e ruído. É a única norma que permite expressar o resultado em picocoulombs e, portanto, é a única base para ensaios de aceitação com valores limite contratuais.
A IEEE C57.160-2023 aplica a IEC 60270 a buchas e transformadores de instrumento. Ela é relevante em dois sentidos: governa o ensaio da própria bucha que será monitorada, e governa o ensaio de rotina do sensor capacitivo usado para monitorar, quando esse sensor é ele mesmo um transformador de instrumento. Um sensor que não tem o seu nível de DP verificado em fábrica contamina a medição com DP própria, e a norma existe para evitar exatamente isso.
A IEEE C57.143-2024 é o guia de aplicação de monitoramento em transformadores imersos em líquido. Ela não define como medir DP, mas como decidir o que monitorar, onde posicionar sensores, como gerenciar dados e como construir a filosofia de alarme por carga aparente, taxa de repetição e tendência. É a norma que transforma um medidor em um sistema de monitoramento.
A IEC 60034-27-2:2023 trata da medição on-line de DP na isolação do estator de máquinas rotativas. É a referência mais madura sobre medição com o equipamento energizado e em carga: prescreve capacitores de acoplamento nos terminais, faixas de frequência HF e VHF, técnicas de separação de ruído por tempo de chegada, largura de pulso e mapa PRPD, e a interpretação por tendência de Qm por fase. Mesmo fora das máquinas rotativas ela serve como melhor prática de medição on-line, e por isso foi adotada como referência no application note AN-PD-1536 da HVEX.
3. Comparação das técnicas de detecção
O quadro abaixo consolida vantagens e limitações, com base na revisão apresentada em Ferraz (2022) e na experiência de campo da HVEX.
A compreensão deste quadro aponta: o método elétrico é o único que fecha a cadeia normativa desde a aceitação em fábrica até o monitoramento em campo, porque compartilha a unidade de medida (pC) e o procedimento de calibração da IEC 60270. Os métodos acústico e UHF acrescentam localização e imunidade a ruído, mas não sustentam um limite contratual. O DGA confirma a evolução e valida o diagnóstico, como fizeram os estudos de caso da tese com o crescimento de CO, CO₂, H₂ e CH₄ após a detecção elétrica, mas chega tarde para a intervenção preventiva.
4. Circuitos de média tensão de 15 a 36 kV
4.1 O problema
Em cubículos, painéis e barramentos de 13,8 a 36 kV não existe tap capacitivo. Os ativos de interesse são terminações de cabo, isoladores, buchas de passagem, contatos de disjuntor e os próprios enrolamentos de transformadores elevadores ou abaixadores. O espaço é restrito, e adicionar um capacitor de acoplamento convencional de alta tensão nem sempre é viável.
4.2 O layout HVEX (Divisor capacitivo)
O elemento central é um sensor capacitivo derivado do transformador de potencial de baixa potência (LPVT) da HVEX, um divisor capacitivo de isolação sólida certificado pela IEC 61869-11, no qual um tap dedicado de DP é trazido para fora e conectado a um quatripolo. A mesma unidade entrega uma réplica em 60 Hz da tensão de fase (referência de fase) e o sinal de DP em alta frequência.
A cadeia de medição é a seguinte:
Um sensor por fase no barramento de 13,8 kV (Um 17,5 kV, BIL 95 kV) e um sensor por fase no barramento de 36 kV (Um 36 kV, BIL 170 kV), instalados o mais próximo possível dos terminais do transformador e aterrados na malha da subestação.
Quadripolo secundário em caixa de terminais próxima aos sensores, contendo as impedâncias de medição IEC 60270, a separação passa-alta/passa-baixa entre sinal de DP e referência, proteção por centelhador a gás e TVS, e aterramento em ponto único. Quatro saídas BNC: HF1 (DP, lado 13,8 kV), HF2 (DP, lado 36 kV) e duas REF.
Cabo coaxial 50 Ω (RG-58/RG-223) ou link wireless até o HVEX Partial Discharge Meter: 500 MSa/s, 12 bits, 10 kHz a 100 MHz, filtros IEC 60270 wide-band e narrow-band, entradas 50 Ω para capacitor de acoplamento, HFCT e acoplador de bucha.
Software PDMS: PRPD, sequência de pulsos, gating de ruído, calibração em pC, histórico, exportação e relatório PDF/DOCX com diagnóstico assistido por IA.
4.3 O que a medição dupla e sincronizada entrega
Os dois canais compartilham a mesma base de tempo e a mesma referência de 60 Hz. Um pulso originado no enrolamento de AT chega ao lado de 36 kV antes e com maior amplitude do que ao lado de 13,8 kV; um pulso externo aparece em apenas um lado ou com polaridade invertida. Essa comparação de amplitude, polaridade e tempo de chegada é exatamente a técnica de separação de ruído prescrita pela IEC 60034-27-2, aplicada aqui a um transformador. O resultado é a discriminação entre enrolamento BT, enrolamento AT, cabos de alta tensão e equipamento externo sem desligar o circuito.
4.4 Comissionamento conforme norma
A calibração é feita com o circuito desenergizado, injetando 100 pC a 1 nC no terminal de AT do sensor conforme a IEC 60270, Cláusula 5, registrando o fator de escala em pC/mV por lado. Após a energização registra-se o ruído de fundo, ajustam-se filtros e gating e documenta-se a assinatura PRPD de referência de cada fase e lado. Os limites de alarme por carga aparente, taxa de repetição e inclinação da tendência seguem a filosofia da IEEE C57.143-2024.
4.5 Sugestão de uso
Onde o cubículo precisa de medição e proteção, o LPVT com tap de DP substitui o TP convencional e o capacitor de acoplamento por um único dispositivo primário. O medidor pode ser portátil e compartilhado entre subestações em campanhas periódicas, ou fixado para monitoramento permanente nos transformadores críticos. Em plantas de geração, o mesmo sensor de 15 kV instalado no barramento do gerador serve ao monitoramento do estator, o que leva ao próximo layout.
5. Máquinas rotativas
5.1 O que a IEC 60034-27-2:2023 pede
A isolação do estator é sólida, com resina epóxi-mica, e a DP em geradores e motores é intrinsecamente mais intensa do que em transformadores a óleo. A norma prescreve capacitores de acoplamento tipicamente de 80 pF a 1 nF instalados nos terminais da máquina ou no barramento de saída, medição nas faixas HF (3 a 30 MHz) ou VHF (30 a 300 MHz), separação de ruído pela combinação de tempo de chegada entre sensores, largura de pulso e mapa PRPD, e acompanhamento da grandeza Qm (magnitude do pulso de maior repetição) por fase, em função de carga, temperatura e umidade.
5.2 Como o layout HVEX se aplica
O sensor capacitivo LPVT de 15 kV com tap de DP é instalado nos terminais de saída do gerador ou do motor, um por fase, e o quadripolo entrega HF e REF ao HVEX PD Meter. Os capacitores de acoplamento de máquinas rotativas trabalham em uma faixa de frequência mais alta do que a dos transformadores, e a banda de 10 kHz a 100 MHz do medidor cobre tanto a faixa IEC 60270 quanto a faixa HF da IEC 60034-27-2. O padrão PRPD típico de descargas em ranhura, de descargas de delaminação e de descargas entre barras aparece em posições e polaridades características, que o diagnóstico assistido do PDMS classifica.
5.3 Sugestão de uso
Máquinas rotativas se beneficiam de medições periódicas em condições operacionais controladas (mesma carga, mesma temperatura) para que a tendência de Qm seja comparável ao longo dos anos. O medidor portátil compartilhado atende a uma frota de motores; geradores de usinas hidrelétricas, térmicas e eólicas críticas justificam sensor fixo e medidor dedicado. Quando o barramento de 13,8 kV alimenta ou é alimentado por máquinas rotativas, o mesmo sensor do Layout A serve aos dois propósitos, e a IEC 60034-27-2 passa a ser aplicável diretamente, e não apenas como melhor prática.
6. Buchas capacitivas com tap acessível
6.1 Por que o tap
Acima de 69 kV praticamente todas as buchas de transformadores e reatores são condensivas, com um divisor capacitivo interno cujo último eletrodo (C2) é trazido a um tap de teste. O tap foi concebido para ensaios off-line de capacitância e tangente delta, mas a sua configuração permite o monitoramento permanente. Como demonstrado na tese, é o ponto comum entre transformadores de potência e o de menor custo de implementação, porque não exige instalar nenhum elemento primário adicional.
6.2 A solução HVEX de monitoramento de bucha e transformador
O Sistema de Monitoramento de Capacitância, Tangente de Delta e Descargas Parciais para Bucha Condensiva, apresentado na página da HVEX como Monitor DP Online, faz três medições no mesmo ponto: DP conforme IEC 60270, capacitância e tan δ por soma vetorial das correntes das três fases, e corrente de fuga pela derivação capacitiva conforme NBR 5356. As características principais são unidade de aquisição com quatro canais simultâneos (três fases e uma corrente de fuga), faixa de leitura de −20 a +20 V, resposta em frequência de 2 MHz a −3 dB, armazenamento mínimo de 128 GB, comunicação IEC 61850, DNP 3.0 e Modbus por Ethernet RJ-45 com opção de conversor para fibra óptica, plataforma Shield-X para histórico de eventos e alertas e software PDMS para análise de RIV e DP com relatórios personalizados. A solução cobre buchas ABB GOB, Trench, RIP, GOE, BSP e outras, de 72,5 kV a 800 kV, em transformadores de potência e reatores de subestações de geração, transmissão e distribuição. As normas de referência são IEC 60270, IEC 60076 e 60076-3, NBR 5356, IEEE C57.143, IEEE C57.152 e IEEE C57.127.
6.3 Lições de engenharia do acoplador
O acoplador para tap capacitivo desenvolvido na tese [9] com pedido de patente aceito no INPI sob o número BR 302020004430-4, ilustra os cuidados que diferenciam um monitor de bucha confiável de um risco ao ativo. Em paralelo ao tap coloca-se um capacitor externo dimensionado pela relação C1/Cex para que a tensão em condições nominais fique em cerca de 7 V RMS, com margem para 12,1 V RMS em manobra, 24,3 V RMS no ensaio de 1 minuto e 57 V de pico em impulso atmosférico. A proteção deve garantir que, em caso de falha do acoplador, C2 nunca fique aberto, porque a desconexão da última camada do divisor produz sobretensão entre a camada semicondutora e a terra e pode levar a uma falha catastrófica com arco. O acoplador é metálico em alumínio anodizado, com vedação para o tap, prolongador para a geometria da derivação e placa de casamento de impedância e proteção. A tese também mostra, por simulação em ATP, o compromisso entre terminar o cabo em 50 Ω, que preserva a forma do pulso de DP, e manter alta impedância, que preserva a amplitude em 60 Hz necessária para medir capacitância e tan δ; a solução de monitoramento combinado resolve isso no processamento, ao custo computacional descrito no trabalho.
6.4 Sugestão de uso
Em transformadores e reatores acima de 69 kV, o tap é o primeiro ponto de monitoramento a instalar. Convém verificar o modelo da bucha antes do projeto, porque a falta de padronização de taps entre fabricantes e anos de fabricação exige adaptadores específicos e vedação testada. O painel de aquisição deve ficar o mais próximo possível dos acopladores, com cabos coaxiais em eletroduto galvanizado e seal tube, para que o sinal de DP não se degrade e o ruído irradiado não atinja a blindagem. O caso do reator de 500 kV analisado pela HVEX em 2026, em que a falha da bucha de AT foi tratada por análise de causa raiz, é o tipo de evento que esse monitoramento antecipa.
7. Análise de HFCTs em ativos energizados
7.1 O sensor
O transformador de corrente de alta frequência (HFCT) é um núcleo de ferrite bipartido instalado ao redor de um condutor que carrega a corrente de DP para a terra: o cabo de aterramento do tanque, o neutro de um transformador ou gerador, a blindagem de um cabo de média tensão na terminação ou o condutor de terra de um transformador de corrente ou de um para-raios. Ele não toca o circuito primário, não exige desligamento para instalação e é o único sensor elétrico aplicável quando o ativo não tem tap capacitivo e não há espaço ou justificativa econômica para um capacitor de acoplamento.
7.2 O que a experiência de campo mostra
Os estudos de caso da tese em transformadores de corrente e para-raios de subestações documentam tanto o valor quanto os limites da técnica.
No transformador de corrente, foi necessário usar HFCT porque alguns modelos não possuem tap capacitivo, e naqueles que possuem o tap remete ao aterramento da blindagem ativa, que a experiência de laboratório mostrou não ser um ponto ideal para falhas internas que não se refletem na armadura. Em laboratório, a medição por HFCT comparada ao MPD 600 apresentou desvio inferior a 5%. Em campo, com equipamento novo, as três fases mostraram manchas similares em amplitude e posição, cuja soma vetorial se aproxima de zero, identificando ruído de fundo. No modelo propenso a falha, uma fase apresentou mancha sem correspondência nas demais; a cromatografia um ano depois confirmou o diagnóstico com CO e CO₂ mais que dobrados, metano a 5 ppm e hidrogênio 20% maior.
Nos para-raios, a corrente de fuga é muito pequena e a medição é sensível a ruído ambiental e a descargas superficiais por contaminação. A campanha na SE Cuiabá combinou corrente de fuga True-RMS (faixa de 10 µA a 1 A com conteúdo harmônico), DP por HFCT HVPD 3712 com osciloscópio de 2,5 GSa/s e termovisão noturna, e apontou a fase com corrente de fuga acima do limite de 1 mA. A conclusão da tese é direta: a análise por HFCT mostrou-se de grande valia ao apontar dois equipamentos em falha, um transformador de corrente e um para-raios.
7.3 As armadilhas a evitar
Quatro dificuldades recorrentes aparecem em ativos energizados:
Múltiplos aterramentos. Se o objeto está aterrado em mais de um ponto, a corrente de DP se divide e o HFCT vê apenas uma fração dela, enquanto correntes de circulação da malha da subestação passam pelo condutor e induzem erros de leitura. O ponto de instalação deve ser o único caminho de retorno.\
Bobinas de bloqueio na entrada e saída de linhas refletem sinais de alta frequência e criam padrões que imitam DP.\
Calibração no domínio da frequência. HFCTs têm bandas e atenuações em dB diferentes por modelo; a resposta de transferência precisa ser levantada e o instrumento calibrado nessa base, uma prática ainda pouco difundida na metrologia. Sem calibração por injeção, o resultado é qualitativo e a interpretação depende da comparação entre fases e entre ativos.\
Penetração de ruído externo na mesma faixa de frequência da DP, o que torna indispensáveis o gating, a comparação entre canais sincronizados e a análise de largura e polaridade de pulso.
7.4 Sugestão de uso
O HFCT é o sensor de triagem de frota: instalado em minutos, sem desligamento, permite varrer dezenas de TCs, para-raios e terminações de cabo em uma campanha e classificar os ativos por assinatura PRPD e corrente de fuga. Quando um ativo é sinalizado, a confirmação vem pelo DGA ou tan δ, e a intervenção passa a ser baseada em condição. No HVEX PD Meter, a entrada para HFCT compartilha o mesmo software e a mesma base de tempo dos canais de capacitor de acoplamento e de tap de bucha, o que permite combinar os três tipos de sensor em um mesmo transformador: tap nas buchas, HFCT no neutro e no aterramento do tanque, e capacitor de acoplamento no barramento de MT.
Mapa de aplicação
A figura abaixo resume os layouts, o sensor adequado a cada ativo, as normas que os governam e as sugestões de uso.
Em síntese, a escolha do sensor é determinada pelo ponto de acesso disponível no ativo:
Não há tap nem acesso à terra isolada: capacitor de acoplamento tipo LPVT no barramento (15 a 36 kV, cubículos, geradores e motores).
Há tap capacitivo: acoplador de tap com medição combinada de DP, C, tan δ e corrente de fuga (buchas de 72,5 a 800 kV).
Há apenas um condutor de terra ou neutro acessível: HFCT (TCs, para-raios, cabos, tanque e neutro de transformadores).
Em todos os casos: aquisição de banda larga com filtros IEC 60270, canais sincronizados, PRPD, calibração em pC sempre que o desligamento permitir e filosofia de alarme por tendência conforme IEEE C57.143.
9. Referências
1. IEC 60270 – High-voltage test techniques: Partial discharge measurements.
2. IEEE Std C57.160-2023 – Guide for the Electrical Measurement of Partial Discharges in High Voltage Bushings and Instrument Transformers.
3. IEEE Std C57.143-2024 – Guide for Application of Monitoring Equipment to Liquid-Immersed Transformers and Components.
4. IEC 60034-27-2:2023 – Rotating electrical machines – On-line partial discharge measurements on the stator winding insulation.
5. IEC 61869-11 – Instrument transformers – Additional requirements for low-power passive voltage transformers.
6. ABNT NBR 5356 – Transformadores de potência; IEEE C57.152; IEEE C57.127.
7. HVEX. Application Note AN-PD-1536 Rev. A – On-line Partial Discharge Monitoring of a 13.8 / 36 kV Primary Circuit. Setembro de 2026.
8. HVEX. Sistema de Monitoramento de Capacitância, Tangente de Delta e Descargas Parciais para Bucha Condensiva de Transformador. Disponível em: https://hvex.com.br/solutions/laboratorios-de-ensaio/monitoramento-de-bucha-condensiva-e-transformador-de-potencia
9. FERRAZ, G. M. F. Detecção de Falha Prematura em Transformadores de Potência por Meio de Análise de Sinais de Descargas Parciais. Tese de Doutorado, Universidade Federal de Itajubá, 2022. Artigo associado: Energies, doi 10.3390/en13174351. Patente do acoplador: INPI BR 302020004430-4.