Descargas parciais (DP) são descargas elétricas localizadas que curto-circuitam apenas parcialmente a isolação entre dois condutores submetidos a diferença de potencial. Embora individualmente de baixa energia, elas constituem, ao longo do tempo, um dos principais mecanismos de envelhecimento e falha da isolação de transformadores, geradores e motores de média e alta tensão. Este artigo apresenta os fundamentos físicos do fenômeno, as grandezas que o quantificam, a base do método de medição segundo a IEC 60270 e os mecanismos pelos quais a DP degrada a isolação.

Por Raphael Leite Menezes Santos — Especialista em Sistema Elétrico de Potência · Tecnvolt Engenharia (Recife/PE)

1. Definição e contexto

A norma IEC 60270 define descarga parcial como uma descarga elétrica localizada que ponteia apenas parcialmente a isolação entre condutores e que pode ou não ocorrer adjacente a um condutor. Em termos práticos, a DP é uma microdescarga que ocorre em uma região onde o campo elétrico local supera a rigidez dielétrica do meio — tipicamente um gás aprisionado em um vazio, uma interface, ou o ar nas vizinhanças de uma ponta metálica.

O ponto central, do ponto de vista de engenharia de ativos, é que a DP é simultaneamente sintoma e causa. É sintoma porque sua presença e intensidade indicam que existe um defeito ou uma região de campo elevado na isolação; é causa porque cada descarga deposita energia que, repetida ao longo de milhões de ciclos da tensão alternada, erode progressivamente o material até a falha. Por isso, a medição de DP figura entre as técnicas de diagnóstico preditivo mais sensíveis para isolação de média e alta tensão, complementando ensaios como tangente delta, resistência de isolamento e, em transformadores, a análise de gases dissolvidos (DGA).

2. Fundamentos físicos: o mecanismo de cavidade

O caso canônico — e o mais relevante para isolação sólida e impregnada — é a descarga interna em uma cavidade (vazio, bolha ou delaminação) imersa no dielétrico. Dois fatores explicam por que a descarga se inicia preferencialmente no vazio, e não no material íntegro ao redor.

Primeiro, a distribuição do campo elétrico. Em um dielétrico de permissividade relativa ε_r tipicamente entre 2 e 4, um vazio preenchido por gás tem ε_r ≈ 1. Como a componente normal do deslocamento elétrico se conserva na interface, o campo no interior do vazio é amplificado em relação ao campo no sólido por um fator próximo de ε_r do material (para uma cavidade achatada, perpendicular ao campo). Em outras palavras, o gás — justamente o meio de menor rigidez — é submetido ao maior campo.

Segundo, a rigidez dielétrica do gás é muito menor que a do sólido. A tensão de ruptura do gás na cavidade segue, de forma qualitativa, a lei de Paschen: a tensão de ignição depende do produto pressão × distância (p·d) do vazio. Há, portanto, um valor mínimo de tensão de ignição associado a determinada geometria de cavidade. Quando a tensão aplicada eleva o campo no vazio acima desse limiar, ocorre a ruptura do gás — uma avalanche eletrônica do tipo Townsend, podendo evoluir para streamer em cavidades maiores.

2.1. O modelo capacitivo a-b-c

O comportamento elétrico da cavidade é descrito classicamente pelo modelo de três capacitâncias (a-b-c), atribuído a Gemant & Philippoff e amplamente difundido na literatura (Kreuger). Nele, a cavidade é representada pela capacitância C_c (o vazio), em série com a capacitância do dielétrico são acima e abaixo dela (C_b), e em paralelo com o restante do dielétrico (C_a).

• C_a: capacitância do volume de isolação sadia, em paralelo com o defeito;
• C_b: capacitância do dielétrico em série com a cavidade;
• C_c: capacitância da própria cavidade.

Quando a tensão sobre C_c atinge a tensão de ignição (U_i), o gás rompe e a cavidade descarrega quase instantaneamente, caindo para uma tensão residual (U_res). Essa variação abrupta de tensão na cavidade produz, nos terminais do objeto sob ensaio, um pulso de corrente de altíssima frequência e curtíssima duração (nanossegundos). É esse pulso — e não a carga física real no vazio, que é praticamente imensurável — que o instrumento detecta e converte na chamada carga aparente.

2.2. Por que a DP “pisca” perto dos picos de tensão

Como a ignição ocorre quando a tensão na cavidade ultrapassa U_i, e como essa tensão acompanha (com defasagem capacitiva) a tensão aplicada, as descargas internas tendem a se concentrar nos trechos de maior taxa de variação e amplitude da onda — tipicamente em torno dos quadrantes ascendentes, antes dos picos positivo e negativo. Esse comportamento é a base da interpretação por padrão resolvido em fase (PRPD), tratada em artigo específico desta série.

3. Grandezas que quantificam a descarga parcial

A IEC 60270 normaliza as grandezas do método elétrico. As principais são:

3.1. Carga aparente (q)

A carga aparente, expressa em picocoulombs (pC), é a grandeza central. Define-se como a carga que, se injetada instantaneamente entre os terminais do objeto sob ensaio, produziria a mesma leitura no circuito de medição que o pulso real de DP. É “aparente” exatamente porque não corresponde à carga física no defeito (sempre maior), mas a um equivalente medido nos terminais — reprodutível e comparável quando o sistema é calibrado.

3.2. Tensões de início e de extinção (DIV e DEV)

A tensão de início de descargas (DIV, discharge inception voltage) é o valor de tensão aplicada no qual a DP passa a ser detectada de forma sustentada quando se eleva a tensão. A tensão de extinção (DEV, discharge extinction voltage) é aquela em que a DP cessa quando se reduz a tensão. A histerese entre DIV e DEV — a DEV costuma ser inferior à DIV — está ligada à física da cavidade (tensão residual, cargas superficiais depositadas) e é, em si, uma informação de diagnóstico.

3.3. Taxa de repetição, energia e índices integrais

Além da magnitude, importam a taxa de repetição de pulsos (n) e medidas integrais como a corrente média de descarga e a potência de DP, que tentam capturar a energia depositada por unidade de tempo. Diferentes instrumentos e práticas reportam índices distintos; o essencial é que a severidade não se resume a um único pico de carga, mas ao conjunto magnitude × repetição × tendência temporal.

4. Princípio de medição segundo a IEC 60270

O método elétrico clássico baseia-se em um circuito com três elementos essenciais: a fonte de alta tensão livre de DP, o objeto sob ensaio (C_a) e um capacitor de acoplamento (C_k), associado a uma impedância/quadripolo de medição (Z_mi) sintonizada para os pulsos de alta frequência. O capacitor de acoplamento fornece um caminho de baixa impedância para o pulso rápido de DP, que é então captado e processado.

Um passo indispensável é a calibração: injeta-se no circuito uma carga conhecida (por meio de um calibrador que aplica um degrau de tensão sobre um capacitor de valor conhecido) para estabelecer o fator de escala em pC. Sem calibração, as leituras perdem rastreabilidade e deixam de ser comparáveis entre ensaios, equipamentos e ativos. O detalhamento do circuito, da calibração e do quadripolo é tratado em artigo dedicado desta série.

Métodos não convencionais — acústico e eletromagnético (UHF), normalizados pela IEC 62478 — complementam o método elétrico, sobretudo para localização da fonte, mas não substituem a quantificação em pC da IEC 60270.

5. Por que a descarga parcial degrada a isolação

A erosão provocada pela DP resulta da combinação de vários processos atuando na superfície interna da cavidade:

• Bombardeamento por partículas carregadas — íons e elétrons acelerados no campo erodem mecanicamente o polímero;
• Efeitos térmicos localizados — cada microdescarga deposita energia, gerando pontos quentes microscópicos;
• Ação química — em isolações poliméricas e em sistemas a óleo/papel, a descarga gera subprodutos (por exemplo, espécies oxidantes e gases) que atacam o material;
• Crescimento de arborescências (treeing) — em isolação extrudada, a DP pode iniciar e alimentar canais ramificados (electrical treeing) que avançam até a perfuração.

Esses mecanismos se realimentam: a erosão amplia a cavidade, o que altera U_i e a intensidade das descargas, acelerando a degradação. Daí o valor de detectar a atividade ainda incipiente — quanto mais cedo, maior a janela para intervir de forma planejada.

6. A descarga parcial nas máquinas elétricas

Embora o mecanismo físico seja comum, a manifestação da DP varia conforme o ativo:

• Transformadores de potência — DP no sistema óleo/papel, em buchas capacitivas, no comutador sob carga e em regiões de campo elevado dos enrolamentos. A medição é orientada pela IEEE C57.113 e pela IEC 60076-3, com localização acústica/UHF;
• Geradores — DP na isolação estatórica de alta tensão: descargas de ranhura (slot), de cabeça de bobina (end-winding) e internas por delaminação, conforme IEEE 1434 e IEC 60034-27;
• Motores de média tensão — mecanismos análogos aos dos geradores, com a peculiaridade dos acionamentos por inversor (VFD), em que o elevado dV/dt agrava o estresse (IEC 60034-18-41).

Cada um desses casos é desenvolvido em artigo próprio desta série, sempre a partir dos fundamentos aqui apresentados.

7. Da medição à decisão: critérios e cautelas

Um equívoco comum é buscar um número absoluto de pC que “aprove” ou “reprove” qualquer ativo. Não é assim que funciona. Os critérios de aceitação dependem do tipo de isolação, da classe de tensão, da geometria, da idade e do histórico, e estão definidos nas normas e especificações aplicáveis a cada equipamento. Além disso, a interpretação correta integra magnitude, padrão PRPD, tensões de início/extinção, estabilidade das leituras e, sobretudo, a tendência ao longo do tempo.

Por isso, a medição padronizada (IEC 60270) é condição necessária, mas não suficiente: a conversão dos dados em decisão de manutenção é tarefa de engenharia, idealmente sustentada por uma linha de base do próprio ativo.

8. Segurança e responsabilidade técnica

9. Conclusão

A descarga parcial é, ao mesmo tempo, um indicador precoce e um agente de degradação da isolação. Compreender seu mecanismo físico — a amplificação do campo no vazio, a ignição segundo a lei de Paschen e o modelo capacitivo a-b-c — é a base para medir corretamente (carga aparente, DIV/DEV, taxa de repetição) e para interpretar com critério. Aplicada de forma sistemática e comparada ao longo do tempo, a medição de DP transforma a manutenção de reativa em preditiva, protegendo ativos de alto valor como transformadores, geradores e motores.

Perguntas frequentes

Qual a diferença entre carga real e carga aparente?

A carga real é a que circula fisicamente na cavidade, praticamente imensurável a partir dos terminais. A carga aparente (pC) é o equivalente medido externamente, calibrado conforme a IEC 60270 — sempre menor que a real, porém reprodutível e comparável.

Por que a DP se inicia no vazio, e não no material íntegro?

Porque o vazio, de menor permissividade, concentra o campo elétrico, e o gás interno tem rigidez muito inferior à do sólido. A combinação faz a ruptura ocorrer primeiro ali.

Um único valor de pC define a gravidade?

Não. A severidade depende de magnitude, taxa de repetição, padrão PRPD, DIV/DEV e, principalmente, da tendência ao longo do tempo, interpretados conforme a norma e o tipo de ativo.

A DP pode ser eliminada por completo?

Nem sempre. Em alguns casos (corona externa, contaminação) é possível reduzir muito a atividade; em defeitos internos avançados, a ação é controlar o risco e planejar o reparo ou a substituição.

Referências