Análise comparativa do comportamento dielétrico dos isoladores compósitos com isoladores em materiais convencionais

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Análise comparativa do comportamento dielétrico dos isoladores compósitos com isoladores em materiais convencionais José Pedro Martinho Queirós Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Prof. Dr. António Carlos Sepúlveda Machado e Moura Julho de 2013 c José Pedro Queirós, 2013 Resumo A presente dissertação pretende demonstrar as principais características das tecnologias mais comuns para garantir o isolamento entre os condutores de linhas aéreas e as estruturas de apoio em sistemas de amarração e suspensão. Destes, destacam-se os isoladores cerâmicos do tipo campânula e espigão constituídos por dielétricos de porcelana e vidro, para os quais se procura descrever os principais constituintes e arranjos mais comuns. Além disso, evidencia-se a maturidade deste tipo de tecnologia derivado das várias décadas de utilização em sistemas de transmissão de energia. Procura-se também descrever de uma forma mais detalhada a tecnologia dos isoladores compósitos em face do estado de evolução deste tipo de equipamentos. Salientam-se vários relatos de aplicação nos diferentes níveis de tensão dos sistemas elétricos e consequentes dados de performance. São apresentados registos dos vários tipos de degradação verificados nas estruturas de ambas as tecnologias e os principais agentes responsáveis pela mesma, além de uma comparação entre as vantagens tecno-económicas que estas representam. Por fim, neste documento descreve-se ainda os esforços desenvolvidos para a montagem do novo Laboratório de Alta Tensão da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, a sua constituição, disposição dos equipamentos e técnicas normalizadas para realização de ensaios elétricos. São apresentados os resultados destes ensaios à rigidez dielétrica a isoladores compósitos e de porcelana destinados a redes de 150 kV e consequente análise do desempenho de ambos. i ii Abstract The present dissertation aims to demonstrate the main characteristics of the most common technologies to ensure the isolation between line conductors and support infrastructures in suspended and strain systems. From those are highlighted the ceramic cap and pin insulators with glass and porcelain dielectrics, for which are described the principal arrangements and compositions. Furthermore, it’s pointed de maturity of this kind of technology due to the several decades of implementation in energy transmission systems. By the same hand, it’s intended one description of the composite insulators’ technology regarding to this equipment’s state of evolution. Many practical reports and data are pointed for different voltage levels applied. Moreover, it’s presented the types of deterioration recorded in the structure of both types of technologies during service time and the stress agents responsible for them, besides the technical and economic advantages in their application. Finally, in this document it’s described the efforts taken in the assembling of FEUP’s new High Voltage Laboratory, its constitution, equipment disposition, and normalized techniques required to the dielectric strength tests on composite and porcelain insulators’. High voltage tests are made on both technologies and conclusion are presented. iii iv Agradecimentos Aqui gostaria de deixar umas palavras de apreço a todos aqueles que de alguma forma contribuíram durante a realização deste trabalho e me acompanharam durante o meu percurso académico, sentindo que muitas vezes as palavras não fazem jus ao sentimento de gratidão que possuo por essas pessoas. Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao Doutor António Carlos Sepúlveda Machado e Moura pela oportunidade de participar no projeto do novo Laboratório de Alta Tensão, pela orientação, confiança, e motivação demonstrada ao longo deste período. Além disso, agradeço também pela importância que teve nas minhas escolhas académicas, e pelo contributo que teve na minha formação. Devo também uma palavra de grande estima ao Eng. Vasques de Carvalho por todo o valioso conhecimento partilhado durante este período, pelo entusiasmo demonstrado, e sobretudo por todo o apoio prestado na busca por informação pertinente à caracterização dos mais variados equipamentos. Agradeço ao Sr. Eng. José Figueiredo da REN pelo fornecimento dos isoladores compósitos necessários à realização dos ensaios elétricos, e ao Sr. Eng. Gil Vicente Marcelino pela bibliografia facultada. Aos meus pais, Armando e Adélia Queirós, por todo o apoio, pela confiança, pelo esforço, pelo amor e carinho mostrados ao longo de todos estes anos. A eles lhes dedico esta meta, porque foram eles que sempre me inspiraram a alcançá-la. Agradeço também pelos valores que me transmitiram, pela motivação e compreensão nos momentos mais difíceis. Ao meu irmão Sérgio pelos mundos e fundos que sempre me proporcionou. Agradeço-lhe toda a partilha do valioso conhecimento prático, por me ensinar o que até então desconhecia, pela paciência e confiança depositada, mas sobretudo pelo companheirismo, pelo carinho e por desde sempre ser o meu exemplo a seguir. À Lisete pelo alojamento e paciência. A todos os meus amigos que me neste percurso académico, sobretudo ao Carlos Queirós, ao João Moura, ao Nuno Soares e ao Ricardo Ferreira, bem como a todos aqueles que cresceram a meu lado e com os quais partilho uma longa e forte amizade, são eles o Diogo Soares, a Mara Silva, o Marcos Alves e o Riccardo Azevedo. A todos eles lhe agradeço o apoio, companheirismo e bons momentos que partilhámos até agora. Por fim, uma palavra mais especial à Daniela. A ela lhe devo mais do que posso exprimir, por todas as vezes que me iluminou o caminho quando era mais difícil de percorrer, por ser a minha confidente, pelo amor que sempre me reconfortou, pelo apoio e inspiração, pela motivação e pelo orgulho que sempre me mostrou. José Pedro Martinho Queirós v vi “A alma é divina e a obra é imperfeita. Este padrão signala ao vento e aos céus Que, da obra ousada, é minha a parte feita: O por fazer é só com Deus. E ao immenso e possivel oceano Ensinam estas Quinas, que aqui vês, Que o mar com fim será grego ou romano: O mar sem fim é portuguez.” Padrão de Fernando Pessoa vii xiv LISTA DE FIGURAS 8.4 Comparação gráfica dos valores médios de tensão de disrupção obtida entre ensaios a seco e superfície molhada para os equipamentos em causa. . . . . . . . . 106 8.5 Coalescência da água pulverizada nas extremidades do isolador de porcelana. . . 107 Lista de Tabelas 4.1 Condição e prioridade de manutenção de um isolador compósito segunfo EPRI [21]37 5.1 Descrição aproximada de em ambientes típicos para os vário níveis de poluição [31]56 7.1 Tolerâncias permitidas entre os valores especificados e valores obtidos [50]. . . . 91 8.1 Características físicas e mecânicas dos isoladores compósitos ensaiados. . . . . . 99 8.2 Características físicas e mecânicas de cada unidade de isolador de porcelana da cadeiaensaiada.................................... 100 8.3 Valores dos expoentes mewcomo função do parâmetro g[50].......... 103 8.4 Dados relativos à medição das condições atmosféricas e resultados dos coeficientes necessários à normalização da tensão de contornamento. . . . . . . . . . . . . 104 8.5 Valores de tensão de disrupção registados (U) para os ensaios realizados em kV e respetivos correcções para as condições atmosféricas normalizadas (U0), bem como o valor médio dos resultados obtidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.6 Tempo necessário ao contornamento com 90% e 95% do valor médio de tensão de disrupção para os isoladores ensaiados, com limite de aplicação de 1 minuto. . . 105 xv xvi LISTA DE TABELAS Abreviaturas e Símbolos Lista de Abreviaturas: ATH Alumina Trihydrate CEI/IEC Comissão Eletrotécnica Internacional / International Electrotechnical Commission CIGRE International Council on Large Electric Systems EPM Ethylene Propylene Monomer EPDM Ethylene Propylene Diene Monomer EPRI Electrical Power Research Institute FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto FRP Fibre Reinforced Polymer g/m3grama por metro cúbico hPa hectopascal IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers LAT Laboratório de Alta Tensão LFE Linha de Fuga Efetiva kg kilograma kJ kilojoule kN kilonewton kV kilovolt mm milímetro mm/kV milímetro por kilovolt nm nanometro seg segundos Si-C Ligação química entre moléculas de silicone e carbono Si-O Ligação química entre moléculas de silicone e oxigénio SiR Silicone Rubber UV Ultravioleta xvii xviii ABREVIATURAS E SÍMBOLOS Lista de Símbolos: σDensidade relativa do ar calculada εrPermeabilidade elétrica relativa hHumidade absoluta calculada h0Humidade absoluta de referância h% Humidade relativa medida k1Coeficiente de correção da densidade do ar k2Coeficiente de correção da humidade do ar ktCoeficiente de correção da tensão de disrupção calculado pPressão atmosférica absoluta medida p0Pressão atmosférica absoluta de referência tTemperatura medida t0Temperatura de referência UValor de tensão de disrupção obtido U0Valor de tensão corrigido em função das condições atmosféricas presentes U50 Valor de tensão cuja probabilidade de disrupção é de 50% UF−FTensão Fase-Fase UF−TTensão Fase-Terra Capítulo 1 Introdução 1.1 Motivação e Objetivos O projeto de linhas elétricas envolve a escolha e dimensionamento de vários equipamentos necessários à funcionalidade do sistema de transmissão de energia, dos quais se destacam os isoladores pela dupla funcionalidade de suporte dos condutores elétricos e separação dos pontos de fixação com diferentes potenciais. Em condições normais estes equipamentos garantem o isolamento entre as linhas elétricas e as estruturas de suporte ligadas à terra. Porém, essa capacidade pode ser comprometida pelas condições ambientais e de serviço a que estes estão sujeitos, permitindo descargas disruptivas entre os seus terminais. A ocorrência do curto-circuito leva à saída de serviço das linhas de transmissão, afetando o fornecimento de energia elétrica e os elevados níveis de confiança exigidos. Portanto, o dimensionamento dos isoladores é um fator deveras relevante durante a projeção dos troços de linhas elétricas, visto ser necessário garantir a maior fiabilidade possível ao sistema em função das solicitações a que estes equipamentos vão ser sujeitos durante o seu tempo de vida útil. A proliferação dos materiais poliméricos permitiu desenvolver uma tecnologia concorrente aos isoladores cerâmicos, largamente utilizados para os vários níveis de tensão e tipos de aplicação. Os isoladores compósitos apresentam-se como uma alternativa cada vez mais fiável, com provas de mérito reconhecidas em vários casos de aplicação prática. No entanto, o facto do revestimento exterior ser um material orgânico pode originar degradações da sua estrutura ao longo do tempo de serviço. Esta possibilidade de envelhecimento suscita suspeitas quanto ao seu desempenho após alguns anos de atividade, nomeadamente nas suas capacidades mecânicas. Durante várias décadas, o desenvolvimento e desenho dos isoladores estiveram estagnados, muito devido aos fundos reduzidos na investigação, consequentes da grande concorrência e baixos preços de venda. Já durante a década de 60, o desenvolvimento das cadeias de polímeros prometiam fortes desempenhos mecânicos e elétricos quando aplicadas em isoladores. Nesse período, os processos de produção rudimentares e os tipos de materiais utilizados tornavam os isoladores suscetíveis a grande degradação, surgindo inúmeros relatos de falhas estruturais e de isolamento 1 2Introdução que comprometiam a estabilidade dos sistemas elétricos. Não obstante, a performance encorajadora dos materiais poliméricos levou a investigações em grande escala por forma a estender a sua duração média de vida para lá dos 30 anos. A sua evolução consistiu no desenvolvimento e teste de vários materiais, designs e métodos de produção, onde foram atingidos padrões importantes para um funcionamento mais fiável e de longa duração, ultrapassando as dificuldades iniciais. Quatro décadas passadas desde as suas primeiras aplicações, e muitos estudos ainda decorrem por forma a avaliar a fiabilidade desta nova tecnologia qua ainda cai em descrédito, apesar das várias vantagens já comprovadas. No presente trabalho pretende-se caracterizar a constituição dos equipamentos mais comuns nas linhas elétricas, com especial enfâse ao estado atual dos isoladores compósitos. Para tal, é efetuada uma revisão bibliográfica dos estudos científicos dedicados à análise do seu comportamento face a diferentes agentes de deformação, abordando também relatos de concessionárias elétricas sobre aplicações práticas. Posto isto, são apresentadas as diferentes vantagens tecno-económicas mais marcantes dos isoladores cerâmicos e compósitos. Ao longo do período de realização deste trabalho foram acompanhadas as operações de montagem do novo Laboratório de Alta Tensão da FEUP, o qual foi fundamental para a realização de ensaios elétricos à frequência industrial por forma a comparar a rigidez dielétrica entre isoladores compósitos e cerâmicos em condições de superfície seca e molhada através de pulverização manual. Pretende-se avaliar o comportamento de ambas as tecnologias face à condensação matinal a que podem ser sujeitos. 1.2 Estrutura da dissertação O documento pretende fornecer ao leitor um conhecimento avançado da constituição física dos isoladores compósitos e da sua eficiência face aos diversos agentes degradantes a que estes podem estar sujeitos. No capítulo 2 é apresentada a importância dos isoladores no projeto de linha elétricas, bem como a estrutura dos isoladores do tipo campânula e espigão, os quais são largamente empregues neste tipo de infraestruturas. Posto isto, são apresentadas as principais características dos dielétricos aplicados neste tipo de equipamentos, ou seja, da porcelana e vidro. Por sua vez, no capítulo 3 é feita uma descrição das peças constituintes de um isolador compósito, e apresentam-se as principais características do revestimento exterior destes equipamentos. Já no capítulo 4 demonstra-se a importância da monitorização dos isoladores em serviço e os métodos mais comuns para rastreio da sua condição física. Com recurso a casos ilustrados, são também apresentados os principais sinais de degradação e dano passiveis de serem encontrados nos isoladores compósitos e cerâmicos. No capítulo 5 são expostos os agentes responsáveis pelo envelhecimento dos isoladores, nomeadamente fatores ambientais, elétricos e mecânicos. Descrevem-se alguns dos fenómenos, sua formação e as consequências que estes representam para a estabilidade da estrutura do isolador. 1.2 Estrutura da dissertação 3 Em certos casos apontam-se possíveis soluções para a diminuição das solicitações aplicadas por esses agentes. Reunidas as informações acerca dos principais tipos de isoladores, no capítulo 6 demonstramse vantagens técnicas e económicas relativas ao uso de cada tipo de tecnologia. Além disso, apresentam-se vários relatos de experiências práticas com isoladores compósitos por parte de concessionárias elétricas nos mais variados ambientes e tipos de aplicação. No capítulo 7 realiza-se uma exposição da constituição do Laboratório de Alta Tensão através da descrição dos equipamentos presentes e do seu modo de operação. Descreve-se também os procedimentos e montagens necessárias à realização de ensaios a isoladores com suporte em normas internacionais da IEC, as quais são aplicadas nas experiências efetuadas aos isoladores. Desta feita, no capítulo 8 são enumerados os equipamentos a ser ensaiados e suas características físicas. São realizados ensaios à rigidez dielétrica a dois isoladores compósitos para 150 kV, um novo e outro retirado de serviço de uma linha da REN, sendo que este último apresenta a superfície completamente coberta por sedimentos. É efetuada uma comparação da tensão suportada entre ambos os compósitos bem como com uma cadeia de 10 isoladores cerâmicos a seco e com a superfície molhada por meio de pulverização. Pretende-se com isto simular o efeito da condensação em ambientes com nevoeiros matinais frequentes e avaliar a resistência dielétrica dos exemplares descritos. Por fim, no capítulo 9 são retiradas as conclusões sobre a informação apresentada neste trabalho e expostos possíveis trabalhos futuros dentro deste tema. 4Introdução Capítulo 2 Isoladores Cerâmicos Os isoladores são equipamentos essenciais na estrutura de linhas de transmissão aéreas para os vários níveis de tensão explorados. Apesar de representarem um custo relativamente baixo comparativamente ao custo total dos projetos de linhas aéreas, a sua função é determinante para garantir a fiabilidade do sistema. De facto, uma grande percentagem das saídas de serviço de circuitos de tensão elevada deve-se à falha de isolamento destes equipamentos. Todos os isoladores têm uma função mecânica de suporte das linhas e fixação às estruturas de apoio e isolamento elétrico entre os condutores e as partes ligadas à terra. Essa função é alcançada pelo uso de materiais não condutores com perfil adequado para garantir uma distância no ar suficientemente longa para que não ocorram descargas disruptivas às estruturas ligadas à terra. 2.1 Coordenação de isolamento O ar é um dielétrico com características variáveis no tempo em função das condições atmosféricas envolventes, com propriedades autorregenrativas, ou seja, adquire rapidamente as propriedades isolantes após a ocorrência de uma descarga disruptiva. Se a estrutura do isolador não for comprometida, o equipamento pode manter-se em serviço com garantias de estabilidade de funcionamento. Todavia, a degradação ou destruição parcial da sua estrutura leva a uma redução da sua capacidade de isolamento elétrico e ao aparecimento de descargas disruptivas com valores de tensão mais reduzidos. Assim sendo, em condições normais a cadeia de isoladores equivale a um circuito de impedância teórica infinita a fenómenos de descragas disruptivas, verificando-se, no entanto, circulação de correntes de fuga ao longo da sua superfície durante o período de serviço. No entanto, quando o campo elétrico é suficientemente elevado para estabelecer uma grande diferença de potencial entre os terminais do isolador, essa impedância pode não ser suficientemente elevada para impedir a ocorrência de um contornamento. À capacidade de um material dielétrico resistir a um valor limite de campo elétrico aplicado entre dois pontos sem que ocorra uma condução elétrica designa-se de rigidez dielétrica e é expressa em kV/mm. O valor da rigidez dielétrica é influenciado pela variação de parâmetros como: 5 12 Isoladores Cerâmicos Figura 2.6: Exemplo de colagem de areia a garantir maior aderência entre o cimento e o material dielétrico. •Flexibilidade de tamanho da cadeia, e consequente versatilidade na aplicação no sistema elétrico. A classe elétrica pode ser modificada com alteração do perfil do equipamento. O aumento do diâmetro da saia do dielétrico permite obter maior linha de fuga para cada unidade, tal como o aumento das saliências da superfície inferior. O aumento da linha de fuga não deve ser de tal forma elevado que comprometa a aerodinâmica da cadeia. Já o aumento do diâmetro do espigão leva a maiores capacidades mecânicas por unidade. Também é possível efetuar montagens de cadeias em paralelo por forma a conferir maior resistência à tração, a qual pode ser aplicada em casos de vãos extensos, cabos pesados, deposição de neve e ação de ventos fortes. 2.3 Isoladores de porcelana Caracteriza-se um material cerâmico como sendo inorgânico com ponto de fusão elevado e que resulta de uma manufaturação a frio que é submetida a um longo processo de secagem a temperaturas elevadas. Apenas após a secagem total da peça esculpida é que o material se encontra pronto para usos técnicos. Apresentam grande solidez, robustez à compressão, resistência a ataques químicos, e geralmente são quebradiços. Possuem grande energia superficial devido à quantidade de minerais ionizados, o que se traduz numa grande aderência de água e contaminantes presentes na atmosfera. A porcelana para fins elétricos consiste na mistura de vários minerais para formação de uma pasta, dos quais se destacam o quartzo, feldspato e argila. Cada um destes componentes tem uma influência predominante em aspetos térmicos, dielétricos e térmicos: •Quartzo — influencia o comportamento térmico da mistura, sendo que, quanto maior for a sua quantidade relativa, maior será a temperatura suportada pela porcelana. 2.3 Isoladores de porcelana 13 •Feldspato — determina o comportamento dielétrico do volume de porcelana através do aumento da rigidez dielétrica. •Argila — atribui maior capacidade de resistência a esforços de compressão em função da quantidade percentual presente na massa. A formação da pasta obedece a processos de produção e controlo de qualidade rigorosos para garantir que as partículas presentes possuam tamanhos adequados e homogeneidade de distribuição. As principais características físicas e químicas são determinadas pela composição do material cru e pelos ciclos de aquecimentos a que são sujeitos durante a produção, enquanto os detalhes de forma resultam de processos complexos de maquinação e manufaturação [3]. À mistura é adicionada água para garantir a plasticidade necessária ao torneamento da pasta e configuração do desenho. A quantidade de água presente na massa é controlada com grande rigor, visto que, se for muito húmida, a forma adquirida durante o torneamento tende a desfigurar-se, enquanto se for muito seca não permite um trabalho eficiente. Portanto, o controlo da plasticidade da massa ao longo do processo de fabrico é essencial à estabilidade do produto trabalhado, sendo que o produto final será totalmente isento de humidades. Deve-se garantir que a secagem da massa é o mais homogénea possível. Após o torneamento, operação onde se esculpe a forma do dielétrico, a massa é mergulhada numa solução vítrea e secada em fornos durante longos períodos. Neste processo, toda a água ainda presente na mistura é evaporada e regista-se uma contração do produto, ou seja, ocorrem grandes mudanças nas dimensões da peça. O aquecimento dos fornos é realizado através de curvas específicas para evitar fraturas internas da porcelana. O produto final apresenta uma matriz vítrea responsável pela aglomeração das partículas, a qual deve garantir porosidades abeta nula, boa distribuição dos materiais e inexistência de microfraturas, caso contrário pode comprometer a estabilidade mecânica e a rigidez dielétrica da peça. Quanto menores forem os poros (fechados) existentes na estrutura vítrea e menores forem as partículas presentes, maior será a robustez mecânica do dielétrico. A rigidez dielétrica da porcelana pode ser ultrapassada em casos de incidências de impulsos atmosféricos, caracterizados por frentes de onda muito rápidas, que podem perfurar o material e estabelecer um caminho condutor através do seu volume. Essa perfuração provoca uma diminuição efetiva do isolamento elétrico do elemento afetado, reduzindo para valores muito baixos a tensão necessária para provocar a descarga disruptiva entre os seus terminais. Permite ainda a penetração de água que pode levar a aumentos de solicitações mecânicas e consequente fratura do dielétrico. Há uma correlação entre o aumento da temperatura para lá dos 100oC e stress mecânico com a queda da tensão necessária à perfuração [3]. A porcelana é sem dúvida o tipo de material dielétrico mais usado para isoladores de todos os tipos nos sistemas elétricos. A maturidade tecnologia adquirida após várias décadas de experiência técnica, o conhecimento da sua atuação e a resistência a ataques químicos por partes dos elementos naturais e de origem humana levam a um domínio significativo do mercado dos isoladores. No entanto, em ambientes com poluição elevada, a superfície é facilmente coberta por contaminantes 14 Isoladores Cerâmicos que diminuem a resistividade superficial do isolador. Neste caso, a amplitude das correntes de fuga tende a aumentar, com consequências para a estabilidade mecânica e elétrica do isolador. O processo de oxidação das partes metálicas pode ser acelerado, de tal forma que pode ocorrer queda dos condutores por falha mecânica. Se se verificarem condensações na superfície, a rigidez dielétrica fica seriamente comprometida e pode levar à ocorrência de contornamentos à tensão nominal. Locais de grande atividade industrial, zonas costeiras, zonas tropicais, desertos, e áreas agrícolas são locais onde registam-se falhas na continuidade do fornecimento de energia graças aos contornamentos dos isoladores cerâmicos. O comportamento hidrofóbico dos isoladores compósitos tem mostrado grandes vantagens técnicas nestas circunstâncias. Como tal, a indústria procurou fundir a estabilidade mecânica dos cerâmicos com a hidrofobia dos compósitos através de revestimentos da superfície de isoladores de porcelana e vidro com borracha de silicone, tal como é possível verificar na Figura 2.7. A rigidez dielétrica é incrementada de forma significativa em situações de forte poluição sem grande ocorrência de chuvas ou ventos que contribuam para a limpeza do isolador [4]. Este tipo de solução tem sido adotada por várias companhias elétricas, em detrimento dos isoladores compósitos, justificada pela falta de experiência ou receios face ao comportamento mecânico destes últimos. Apesar de apurar o comportamento face à poluição, estes equipamentos continuam a apresentar desvantagens quanto ao seu peso e fragilidade da estrutura, contrariamente aos compósitos, além de que o processo de pintura necessário geralmente é caro. Figura 2.7: Isoladores de porcelana para suporte de linhas elétricas, sendo que o exemplar da direita foi revestido com borracha de silicone em toda a sua superfície. 2.4 Isoladores de vidro Tal como os isoladores de porcelana, os isoladores de dielétrico de vidro possuem várias décadas de serviço em linhas de transmissão de energia, o que lhes confere crédito nas escolhas do material empregue em novos projetos. Nos últimos anos regista-se uma tendência crescente no uso destes materiais em linhas de tensões mais elevadas, justificadas pela fiabilidade mecânica, mas 2.4 Isoladores de vidro 15 sobretudo pelo facto destes estilhaçarem quando ocorre uma fratura no seu volume. Este comportamento permite determinar empiricamente se as cadeias de isoladores possuem alguma unidade danificada, que no caso dos isoladores de porcelana pode ser impossível de detetar a olho nu. Os isoladores de porcelana podem ocultar perfurações que comprometem a rigidez dielétrica até ser realizada uma inspeção mais atenta à estrutura. Os isoladores de vidro usados até à década de 80 apresentavam comportamentos erráticos porque por vezes estilhaçavam espontaneamente, mesmo sem qualquer tipo de esforço mecânico ou elétrico. Mais tarde, a modificação dos métodos de produção originaram um vidro mais resistente e robusto, designado de vidro temperado. O aquecimento para lá do ponto de fusão da mistura, seguido de um arrefecimento brusco, leva a que a superfície contraia enquanto o interior, ainda quente, ainda possui forças de expansão. Portanto, a peça encontra-se com distribuições de força muito distintas, mas presas pela contração rápida da superfície num equilíbrio dinâmico. Caso as forças de expansão vençam a compressão efetuada (através de fratura ou erosão) toda a energia armazenada é libertada de uma só vez, estilhaçando todo o corpo da saia do isolador. Tal não compromete a união da cadeia, uma vez o vidro abraçado pela campânula permanece unido pelo cimento. A sua composição química resulta em constantes térmicas muito próximas dos metais, cerca de 35% menor, o que confere maior equilíbrio ao isolador durante os períodos de maior aquecimento a que o isolador está sujeito em serviço [3]. Uma vez que a rigidez dielétrica dos isoladores de porcelana está diretamente relacionada com a qualidade da matriz de vidro que une as partículas, encontram-se semelhanças no comportamento elétrico com os isoladores de vidro. Ambos possuem baixas permeabilidades elétricas e a resistência à perfuração diminui com o aumento da temperatura. Apesar disso, como o vidro não possui descontinuidades na sua estrutura, tende a ser mais resistente à perfuração. O aumento da temperatura provoca ainda o aumento da condutividade superficial, de tal forma que, em casos de poluição elevada, a corrente de fuga que se estabelece entre os terminais pode causar erosões fortes na estrutura do material. Com efeito, os isoladores de vidro são mais suscetíveis a danos devido a atividades elétricas na sua superfície, com especial enfase em contornamentos. Os isoladores de vidro têm conquistado um lugar no mercado das linhas de alta tensão, mas têm pouco significado em outras aplicações no sistema elétrico, como em subestações, onde os isoladores de porcelana representam a grande maioria dos equipamentos. 16 Isoladores Cerâmicos Capítulo 3 Isoladores Compósitos Os isoladores compósitos para aplicações exteriores apresentaram-se comercialmente nos anos 60 e, desde então, vários foram os casos de aplicações a linhas de transmissão um pouco por todo o mundo. Nesse período, os processos de produção rudimentares e os tipos de materiais utilizados tornavam os isoladores suscetíveis a grande degradação, tanto por exigências mecânicas como elétricas. Consequentemente, surgiram inúmeros relatos de falhas estruturais e de isolamento que comprometiam a estabilidade dos sistemas elétricos. Porém, o desempenho encorajador dos materiais poliméricos conduziu a investigações de grande escala por forma a estender a sua duração média de vida para lá dos 30 anos. A sua evolução consistiu no desenvolvimento e teste de vários materiais, designs e métodos de produção, onde foram atingidos padrões importantes para um funcionamento mais fiável e de longa duração, ultrapassando as dificuldades iniciais. Os estudos efetuados nos materiais dielétricos promoveram um aumento significativo da estabilidade do isolador, proporcionando uma alternativa tecnicamente interessante aos materiais cerâmicos. Apesar de inicialmente o material polimérico ter sido consideravelmente mais caro, as suas características mecânicas e elétricas ofereciam eventuais poupanças durante o período útil de vida, quer na instalação quer na manutenção [5] do equipamento. Portanto, este balanço económico permitiu aos isoladores compósitos competir num mercado fortemente dominado pelos materiais convencionais. Com o desenvolvimento das técnicas de produção e o aumento da competitividade industrial, verificou-se uma diminuição dos preços de venda deste tipo de equipamentos, aumentando expressivamente a sua competitividade. Na verdade, o surgimento de isoladores compósitos apresentou novas oportunidades de desenvolvimento para os isoladores convencionais. Em 1912, nos Estados Unidos, o preço médio dos isoladores de porcelana primitivos era de 6.25 cêntimos por libra, quando um dia de salário se aproximava de 2.50 dólares. Já em 1980, com remuneração média diária de 80 dólares por dia de trabalho, o preço de isoladores altamente desenvolvidos era pouco mais do que em 1912, e, portanto, o preço efetivo havia caído por um fator aproximado de 30. Desta feita, o preço dos isoladores convencionais era deveras baixo como consequência da elevada concorrência no mercado. As receitas baixas levaram à escassez de fundos para investigação e desenvolvimento destes equipamentos. As concessionárias elétricas previligiavam o custo de aquisição , desconsiderando 17 18 Isoladores Compósitos a qualidade do material. De certo modo, a relação entre preço e qualidade dos compósitos veio modificar a atitude das empresas perante os isoladores, privilegiando poupanças durante o período de vida útil e estabilidade de funcionamento [3]. Apesar da experiência com este tipo de equipamento se aproximar das quatro décadas, a sua fiabilidade após vários anos em serviço e esperança média de vida não são totalmente conhecidas, gerando muitas vezes controvérsia. Como qualquer outro tipo de isolador, o seu desempenho estará diretamente dependente do seu dimensionamento, das exigências mecânicas e elétricas, bem como do tipo de poluição a que está exposto. É de aceitação global que este tipo de isoladores, quando sujeito a combinações de solicitações elétricas fortes e níveis elevados de poluição, sofre alterações físicas visíveis e moleculares que levam à diminuição do seu comportamento dielétrico, conhecido como envelhecimento do isolador. O envelhecimento ambiental deve-se sobretudo a fatores como radiação ultravioleta da luz solar, chuva ácida, deposição orgânica e ozono. Na verdade, a interação entre essas duas exigências é complexa e nem sempre entendida. A degradação do material polimérico manifesta-se através da perda gradual de hidrofobia, que é a chave para o ótimo desempenho dielétrico destes isoladores. Quanto mais hidrofóbico, mais discretas serão as gotas de água e maior será o ângulo de contacto. Por outro lado, quanto mais hidrófilo, maiores serão os fios de água e, consequentemente, maiores serão as correntes de fuga e degradação por efeitos elétricos. Neste sentido, procura-se estudar a evolução do seu comportamento para vários tipos de exigência após envelhecimento, a fim de determinar os casos mais severos e o grau de confiança para serviços de períodos longos. 3.1 Constituição física e design A forma dos isoladores compósitos assemelha-se aos clássicos isoladores de fuste comprido (longrod), mas com construção especial no núcleo e cerca de 90% mais leve. Na sua constituição é possível identificar três peças fundamentais: os terminais metálicos de ligação, o núcleo em vara de fibra de vidro reforçada (FRP) e ainda o revestimento ou housing em material polimérico. A Figura 3.1 mostra a montagem e relação desses três componentes, sendo ainda realçada a posição da bainha de proteção à intrusão de humidades na vara. 3.1.1 Terminais de ligação Tal como no caso dos isoladores cerâmicos, os terminais de ligação têm como função o suporte e ligação dos condutores às torres de transmissão, e são compostos pelas mesmas classes de materiais, ou seja, aço forjado, alumínio moldado, forjado ou maquinado, e ferro maleável, sendo aço (galvanizado) o caso mais comum. Esta escolha deve-se sobretudo à densidade elevada do material e energia necessária para a sua fratura. Não obstante, para os isoladores compósitos, os metais devem ser mais dúcteis devido à compressão e cravação das varas fibrosas. De facto, as diferenças mecânicas entre os cerâmicos e os compósitos fibrosos (FRP) influenciam o design dos terminais. Enquanto os primeiros são quebradiços, isotrópicos e mais resistentes na compressão 3.1 Constituição física e design 19 Figura 3.1: Componentes típicos de um isolador compósito (adaptado de [6]) do que na tração, os segundos são não quebradiços, superiores na tração e altamente anisotrópicos. À parte do uso de secções cónicas, poucas são as características comuns no seu formato [3]. Neste tipo de isoladores é possível verificar a forma cónica tanto nas peças metálicas como na vara. A fixação do núcleo pode ser alcançada através de três processos representados na Figura 3.2 •Colagem — A vara é revestida com uma resina que garante a fixação à peça metálica de forma cónica que permite distribuir a tensão do núcleo ao longo da boca metálica. O ângulo de abertura deve aproximar-se dos 5opara otimização da distribuição de forças; •Compressão — A boca metálica é paralela à vara e assegura a ligação por compressão e uso de resina ou cimento. Este é o processo de fabrico mais comum devido à estabilidade em mudanças de temperaturas e elevada resistência mecânica. •Cunha metálica — O encaixe da vara à boca cónica é alcançada através de uma cunha metálica que a perfura no centro, separando-a axialmente. Este processo é desaconselhável por 20 Isoladores Compósitos não garantir um encaixe correto. Além disso, a introdução da cunha provoca o gretamento do núcleo, o que provoca fragilidades mecânicas e elétricas. Figura 3.2: Sistemas de Ligação entre núcleo fibroso e terminais por (a) compressão, (b) colagem e (c) cunha interna [3] Os terminais metálicos geralmente envolvem a vara com uma superfície de contacto longa, cerca de 4 a 5 vezes o diâmetro do núcleo, por forma a garantir uma progressão gradual da carga do metal para as fibras compósitas (Figura 3.3). Podem ser aplicados anéis de coroa para proteção do revestimento (housing), visto que minimizam a intensidade de campo elétrico junto dos terminais. Figura 3.3: Corte axial do terminal de ligação tipo compressão de um isolador compósito [7] 3.1 Constituição física e design 21 3.1.2 Núcleo A sustentabilidade mecânica nos isoladores compósitos é assegurada por uma vara de material fibroso que garante razões elevadas entre resistência à tração, volume e peso. Um núcleo de 22 mm de diâmetro possui o mesmo grau de resistência à tensão que um núcleo de 75 mm de porcelana. Tal deve-se ao facto do primeiro se encontra 12 vezes mais comprimido que o segundo, o que permite estender-se quase 20 vezes mais, ou seja, o seu módulo de elasticidade é muito superior. Todavia, devido à secção reduzida, o comportamento à compressão não é tão marcante, contrariamente aos materiais convencionais. Para aplicações em alta tensão, o material mais comum para o núcleo é a fibra de vidro do tipo E-glass reforçada com resinas epoxicas, em detrimento a resinas de poliéster. A resina forma uma matriz plástica que envolve os vários fios e tem como função proteger as fibras contra invasões bem como transferir a tensão daquelas que estão quebradas. Tanto as resinas de poliestirenos como epoxicas são viscoelásticas sendo sensíveis à temperatura e tendem a alterar as suas características ao longo do tempo. Da mesma forma, as fibras de vidro, que em algum momento da produção podem produzir imperfeições, estão sujeitas a perdas de propriedades mecânicas ao longo do tempo, agravadas pelo envelhecimento das resinas. A escolha da resina deve ter em conta o facto de existirem três tipos de materiais com coeficientes de dilatação térmica diferentes (FRP, resina e revestimento ou bainha). Posto isto, o processo de fabrico deve atender a altos padrões de qualidade, quer nos processos realizados, quer no tipo de materiais empregues, nomeadamente na qualidade e quantidade da matriz plástica aplicada. Na sua constituição, grande parte dos núcleos de FRP são formados por milhões de fibras de vidro expostas unidireccionalmente, em paralelo ao eixo axial, banhadas pela matriz plástica, conferindo uma distribuição anisotrópica, com grande pressão mecânica e resistência à tração. Apesar de vantajosa, a pressão a que o material se encontra é deveras sensível à presença de água. De facto, as resinas epoxicas são relativamente permeáveis à humidade, contudo, esta permeabilidade natural nunca foi apontada como causa de falha do núcleo sem que se verificassem fissuras no revestimento exterior que permitissem a entrada de água líquida. A penetração de água na vara leva à perda da resistência mecânica e consequente fratura do núcleo da direção normal ao eixo axial, seguido da possibilidade de queda da linha. Este fenómeno é conhecido como fratura frágil (brittle fracture) e está relacionado sobretudo com a corrosão originada pela presença de ácidos, os quais podem encontrar-se na atmosfera ou serem produto de descargas elétricas juntamente com água. A vara enfraquecida perde a resistência à carga que suporta e quebra (Figura 3.4). Trata-se de um processo de degradação contínuo e acelerado com grandes exposições da vara ao meio ambiente. Existem acontecimentos documentados de falha por fratura frágil, principalmente nos primórdios desta tecnologia, transversais a quase todos os manufatores. Efetuaram-se esforços de refinação das fibras de vidro de forma a tornar a FRP mais resistente aos ataques ácidos. A solução passa pela diminuição ou eliminação da concentração de boro e a sua substituição por outras substâncias como o magnésio, óxido de zinco (ZiO2) e/ou rutilo, que atribuem sete vezes mais 28 Isoladores Compósitos SiR. Além disso, a borracha EPDM parece ser mais indicada para instalações de tensão contínua, uma vez que os isoladores de SiR são severamente afetados nessas circunstâncias, apresentando maior degradação do revestimento quando exposto a este tipo de tensão [12]. Nos estudos de envelhecimento acelerado, é demonstrado que o envelhecimento é independente do tipo de tensão, ou seja, as modificações físicas em tensão contínua e alternada são semelhantes, contrariamente aos compósitos de silicone. Na teoria, a borracha EPDM seria a eleita para a composição do revestimento, já que oferece vantagens físicas que reduzem a possibilidade de envelhecimento precoce da superfície [13], e por um preço reduzido. Todavia, este material não fornece as mesmas características elétricas que o silicone, e, sobretudo, não dispõe do mesmo nível de hidrofobia nem da capacidade de transferir essa hidrofobia para uma camada de poluição que se encontre à superfície do isolador [14]. Apesar de pouco percebido, este facto é marcante na eficiência dielétrica dos isoladores de SiR em condições de poluição severa. A estrutura molécular do silicone, nomeadamente o seu baixo peso molécular, conferem a este material a possibilidade de regenerar a sua hidrofobia após perda parcial, contrariamente ao que acontece com o EPDM. Efetivamente, ambos os compostos apresentam vantagens estruturais e dielétricas para o revestimento dos isoladores. Na prática, efetua-se a mistura de ambos os polímeros (SiR+EPDM) para produzir um material com boas características dielétricas, estabilidade térmica, resistência mecânica e maior defesa contra ataques químicos. Mais, como a borracha EPDM tem custo reduzido, a mistura será muito mais barata em comparação com um revestimento de apenas SiR. As quantidades envolvidas de cada polímero na mistura determinam as características mecânicas e elétricas , e, portanto, deve existir uma ponderação entre maiores concentrações de EPDM ou SiR. Por forma a compreender o efeito das proporções de cada tipo de polímero nas características do novo material, na publicação [15] foram preparadas sete amostras com diferentes percentagens por peso (Figura 3.9), e determinadas as suas características mecânicas e dielétricas através de testes orientados segundo normas internacionais, nomeadamente: •Resistência a Rastejamento ou tracking — Oposição à formação gradual de um caminho condutor que é produzido na superfície ou dentro de uma material isolante, devido a efeitos combinados de solicitações elétricas e contaminação eletrolítica [16]; •Resistividade Volúmica — Resistência à circulação de corrente pelo corpo de um material isolante; •Rigidez dielétrica — Quociente entre a tensão máxima aplicada sem registo de falha, pela distância entre partes condutoras segundo determinadas condições de teste [16]; •Resistência ao arco — Habilidade de um material isolante resistir à influência de um arco elétrico ao longo da sua superfície segundo determinadas condições [16]; 3.2 Constituição do revestimento 29 •Índice de resistência ao rastejamento — Valor numérico da tensão máxima a que um material resiste sem apresentar rastejamento nem ocorrência de chamas persistentes sobre certas condições de teste [16]; •Constante dielétrica ou permitividade (εr)— Esta propriedade do material é a medida da energia armazenada num material isolante, devido à organização dos dipolos elétricos por influência de um campo elétrico; •Fator de dissipação ou tangente de perdas (tan (δ)) — Valor absoluto da razão entre a parte imaginária e real da permitividade relativa de um material isolante [16]. Exprime as perdas dielétricas causadas num material pelo movimento dos dipolos expostos sobre um campo elétrico . Estas perdas aparecem sob a forma de calor no material. Os resultados obtidos sugerem melhorias em todas as características elétricas com o aumento da borracha de silicone. Entre as características mecânicas, a resistência à tração da mistura diminui com o aumento da percentagem total de SiR, enquanto a percentagem de alongamento do material no momento de quebra aumenta, representando menores resistências mecânicas devido ao aumento da plasticidade. Portanto, procurou-se identificar a composição ótima entre EPDM e SiR na mistura com o compromisso entre as vantagens mecânicas e elétricas que os compósitos fornecem, respetivamente. Figura 3.9: Amostras de diferentes composições de EPDM e SiR por percentagem de peso [15] Como é possível observar na Figura 3.10 a), o tempo de resistência ao rastejamento do silicone puro (amostra G) é 60% maior do que EPDM puro (amostra A). Por outro lado, a resistência à tração do primeiro é quase 1/10 do segundo composto. Esta última aumenta de forma proporcional com a quantidade de EPDM, contrariamente à resistência ao rastejamento que diminui com o aumento da mesma. Em relação às propriedades da amostra G, numa mistura de 50:50 (amostra D) obtém-se uma redução de 16% de resistência ao rastejamento e um aumento de 366% na resistência à tração máxima [15]. Como as ligações entre o silicone e o oxigénio são mais fortes que as ligações entre dois átomos de carbono presente nos polímeros orgânicos (EPDM), há um aumento da rigidez dielétrica 30 Isoladores Compósitos Figura 3.10: Efeitos das diferentes misturas na resistência à tração em comparação com: a) resistência ao rastejamento; b) rigidez dielétrica [15] proporcional à quantidade de SiR. Na Figura 3.10 b) é percetível que o encontro entre as duas curvas ocorre para a concentração 50:50, representando apenas 24% de perdas na rigidez dielétrica em comparação com o silicone puro. Tanto a resistividade superficial como a resistividade volúmica não apresentam um aumento tão linear em função da presença de silicone na mistura. Na Figura 3.11 é percetível que estes parâmetros crescem significativamente para concentrações acima de 70% de SiR. Não obstante, como visto, para esses valores a resistência à tração é deveras baixa, ou seja, há uma penalização grave nas características mecânicas para atingir os valores mais elevados de resistividade elétrica . De forma geral, a bibliografia [15] aponta como solução ótima a mistura com 50% de cada polímero, justificado pelo aumento substancial do fator de alongamento e diminuição da resistência à tração , os quais podem comprometer a estabilidade mecânica do isolador. As penalizações nas características elétricas que ocorrem pela adição de EPDM são baixas e aceites pelo aumento substancial da resistência à tração . A Figura 3.12 resume as variações nas propriedades da mistura 50:50 em relação a 100% de SiR. Figura 3.11: Efeitos das diferentes misturas na resistência à tração em comparação com: a) resistividade superficial; b) resistividade volumica [15] 3.2 Constituição do revestimento 31 Na prática, efetuam-se misturas destes polímeros, mas cada fabricante aposta numa combinação própria sem revelar quais as quantidades envolvidas. Os revestimentos dos isoladores são predominantemente constituídos por borrachas de silicone, às quais são adicionados fillers para melhorar as suas qualidades físicas. Neste sentido, o estudo [15] fornece outra possibilidade de fabrico, com características interessantes e preço reduzido, mas não incluí o efeito que outros aditivos podem trazer ao revestimento dos isoladores. Figura 3.12: Principais variações nas propriedades elétricas e mecânicas da mistura 50:50 em relação com 100% de SiR [15] 3.2.3 Fillers Os materiais poliméricos usados para o revestimento de isoladores são usualmente formulados com elementos designados fillers, os quais proporcionam melhorias nos comportamentos mecânicos e ajudam a minimizar os efeitos derivados das solicitações elétricas a que estas peças estão sujeitas em serviço. São peças fundamentais na composição do revestimento, sobretudo para isoladores de borracha de silicone, já que estes possuem baixa resistência à tração. São usados para atingir requisitos fundamentais para manutenção de qualidade de serviço, nomeadamente aumento da resistência à tração, condução térmica, aumento da temperatura máxima suportável e redução de custo. Geralmente os fillers são classificados em duas classes principais tendo em conta a sua funcionalidade: fillers de reforço para resistência mecânica, ou fillers de extensão para propriedades de combate à degradação da superfície. A sílica e o carbono negro (fuligem) são exemplos de fillers de reforço que aperfeiçoam propriedades mecânicas de SiR através das ligações moleculares que estabelecem com o silicone. Distinguem-se ainda sílica fumada e sílica precipitada, sendo que a primeira contribui para aumentos mais significativos de propriedades como dureza e resistência à carga, enquanto a segunda proporciona maiores níveis de hidrofobia. A presença de humidade na sílica precipitada leva a menores resistividades volúmicas, maiores constantes dielétricas e fator de dissipação [17]. O quartzo e o hidróxido de alumínio (Al2O3) ou ATH são fillers de extensão inorgânicos muito usados na composição do revestimento. O ATH é usado como retardador de chamas, porque 32 Isoladores Compósitos quando a temperatura atinge aproximadamente 220oC, este liberta a água, arrefecendo a superfície do isolador e prevenindo aumentos rápidos da sua temperatura. Assim, quando presente na composição, atua como uma camada protetora dificultando a formação de caminhos condutores por rastejamento e erosão da superfície. Em [17] concluiu-se que existe a necessidade de concentrações altas de hidróxido de alumínio para resistência a rastejamento. Quando as quantidades são reduzidas, produzem-se erosões com cerca de 3mm de profundidade, porém, com o aumento dessas quantidades, atinge-se um valor crítico e as erosões mantêm-se perto de 1mm de profundidade. Assim, para cada mistura parece existir um ponto de saturação de ATH para o qual concentrações acima desse valor não proporcionam melhorias ao composto. Como se tratam de materiais baratos, há todo o interesse em adicionar a maior quantidade possível de fillers no composto. No entanto, o facto das ligações moleculares do ATH com o silicone serem bastante pobres, leva a que o aumento contínuo da porção deste material comprometa a resistência à tração e hidrofobia do polímero. Logo, o ATH não pode ser adicionado em excesso porque resulta em propriedades mecânicas pobres que comprometem a estabilidade dos isoladores. Este filler atua como uma barreira à difusão das cadeias de baixo peso molécular, e, portanto, diminui a capacidade de hidrofobia, bem como a rapidez de propagação desta propriedade para as camadas de poluição. É necessário ponderar os argumentos técnicos referentes à quantidade de hidróxido de alumínio: aumentar as porções para melhorar a resistência a rastejamento e erosão ou diminuir as porções por forma a manter a propriedade hidrofóbica do composto. Neste trabalho entende-se que a hidrofobia é a característica mais apelativa dos isoladores compósitos, e, como é responsável pela diminuição de correntes de fuga, ajuda na conservação do material através do controle de fenómenos de descargas parciais. A eficácia da adição dos fillers está ainda dependente do tamanho das partículas. O facto da sílica fumada possuir uma estrutura mais fina do que a sílica precipitada, e maiores cadeias, confere maior homogeneidade e dispersão. A Figura 3.13 fornece um resumo dos fillers mais comuns e as suas funções na proteção do revestimento. Figura 3.13: Principais variações nas propriedades elétricas e mecânicas da mistura 50:50 em relação com 100% de SiR [18] Capítulo 4 Degradação da estrutura Quando em serviço, todos os isoladores são confrontados com algum tipo de perturbação que pode comprometer a sua fiabilidade operacional a curto ou longo prazo. Pretende-se que o isolador apresente rigidez dielétrica elevada ao longo do seu serviço, sem que tal represente custos elevados de manutenção ou de substituição resultantes do desgaste por parte dos potenciais agentes de degradação. A natureza dessas perturbações é variada e com diferentes graus de severidade, dependendo das circunstâncias da instalação em que o material se encontra. Fatores como o nível de tensão, grau de poluição, tipo de clima, dimensionamento do isolador e qualidade de material são determinantes no período de vida útil. O tempo de serviço de um isolador terminará quando as solicitações a que está sujeito provoque avarias mecânicas, transformações que reduzam significativamente a sua resistência a contornamento ou evidências de envelhecimento que comprometam a segurança em serviço. De forma geral, as perturbações podem ser agrupadas em três categorias, nomeadamente, elétricas, mecânicas e ambientais, cada uma com diferente severidade de ataques e velocidade de envelhecimento do isolador. A resistência a estes agentes de desgaste diferem entre os isoladores cerâmicos e os polímeros e é determinante na escolha do tipo de material a utilizar atendendo às circunstâncias esperadas na instalação. Por um lado, os cerâmicos são mais resistentes a ataques químicos e descargas parciais, mas quebradiços e facilmente contaminados por poluição. Já os polímeros, devido à sua estrutura orgânica, sofrem desgaste tanto por ação de alguns compostos químicos como por descargas elétricas, mas apresentam hidrofobia, resistência à poluição e não são quebradiços. A velocidade de desgaste dos isoladores compósitos está diretamente relacionada com as escolhas técnicas e métodos de fabrico adotados por cada produtor. De facto, a falta de uniformização e regulamentação da produção destes equipamentos origina uma grande variedade de comportamentos deste tipo de isoladores, impulsionada por mudanças constantes nas misturas, design, técnicas de fabrico, entre outros. Os produtores podem aumentar os seus lucros com substituição de materiais ou pela sua redução, o que pode causar menores margens de segurança e redução do tempo médio de vida esperado. Cabe ao comprador avaliar a informação técnica do isolador e escolher aquele que mais se ajusta às suas exigências e disponibilidade financeira. 33 34 Degradação da estrutura 4.1 Monitorização e manutenção A monitorização da condição dos isoladores ou a previsão da necessidade de manutenção ao longo do serviço são vitais para a garantia de um funcionamento eficiente. As previsões são elaboradas tendo em conta o historial da tecnologia em causa e as circunstâncias de operação, isto é, se se tratar de um isolador cerâmico numa zona industrial ou costeira a necessidade periódica de limpeza é fundamental para garantir resistência a correntes de fuga, visto que rapidamente se verificam depósitos de impurezas que facilitam contornamentos. Porém, as previsões podem não representar verdadeiramente as condições de serviço em que os isoladores se situam e favorecer a modificação ou mesmo falha dos mesmos. Já uma inspeção visual confere, em certa medida, uma determinação mais apurada da qualidade do material, sobretudo no caso dos isoladores compósitos. Já que são mais resistentes a ataques químicos, os isoladores cerâmicos dificilmente apresentam transformações notáveis no seu visual, apesar de por vezes existirem microfraturas ou corrosões nas partes metálicas que representam perigo de avaria. Podem ser utilizadas varias técnicas de análise do estado físico e dielétrico dos isoladores, nomeadamente: •Inspeção visual — com auxílio de binóculos ou vigilância através de câmaras é possível determinar o estado da superfície do isolador, grau aparente de hidrofobia, grau de deposição de contaminação e ainda a exposição do núcleo dos isoladores compósitos. •Termografia — através do uso de câmaras de infravermelhos avalia-se a variação de temperatura ao longo do isolador, detetando possíveis perfurações das abas, quebras, absorção de humidades, rastejamentos (compósitos) e localização de descargas parciais. O aparecimento de pontos com temperatura elevada está diretamente relacionado com fenómenos de descargas parciais e formação de rastejamento ou erosões [19]. Todavia, esta técnica é um pouco sensível às condições térmicas ambientais do mesmo modo que é afetada por ventos fortes, nevoeiro e chuva. Posto isto parece ser mais conveniente efetuar as medições térmicas durante a noite. •Raio-X — uso de aparelhos portáteis ou fixos que permitem identificar danos internos ou modificações na estrutura interna que possam comprometer o funcionamento normal. Podem detetar quebras nos núcleos de fibra de vidro, separação do mesmo com os terminais metálicos, e ainda estado de acoplamento entre os pinos e as partes cerâmicas. •Medição do campo elétrico — a distribuição do campo elétrico ao longo do isolador é influenciada pela permitividade e condutividade dos materiais usados, bem como da sua geometria. Além disso, a presença de defeitos, poluição e humidade também afeta de alguma forma essa distribuição. Assim, um desvio elevado entre os valores medidos e os valores esperados pode indicar aumento de micro fraturas, perfurações ou quebras nos isoladores cerâmicos. Já nos compósitos aponta para absorção de humidade no interior, separação entre revestimento e núcleo, rastejamento ou ainda quebras e outros danos mecânicos. Diagnósticos de falhas através deste tipo de técnica podem ser dificultados pela presença de água, 4.1 Monitorização e manutenção 35 uma vez que as gotas na superfície modificam significativamente a distribuição de campo [19]. •Medição da corrente de fugas — o aumento da corrente de fugas pela superfície do isolador evidencia o aumento da deposição de contaminação, perda da resistividade e ainda diminuição da hidrofobia. Como tal, diagnostica-se um envelhecimento da superfície dos compósitos e consequente perda de capacidades dielétricas, bem como a necessidade de efetuar limpeza do isolador. •Deteção de interferência rádio — esta técnica de diagnóstico permite detetar ocorrência de descargas elétricas parciais (efeitos coroa por exemplo) através da emissão de radiofrequências as quais, dependo do tipo de descarga e da sua intensidade, podem originar a degradação da superfície. Muitas outras técnicas podem ser utilizadas, sobretudo com maior complexidade em termos de material necessário à sua realização, algumas das quais são de aplicação especial para os compósitos. As inspeções às condições estruturais e dielétricas em tensão são de grande importância para a fiabilidade do sistema, visto que avaliam o estado do isolador sem interrupção do serviço. Os exames laboratoriais são realizados após a substituição do isolador, e permitem determinar as influências que o meio envolvente tem sobre o mesmo e as causas de falha, se esse for o caso. Assim é possível estabelecer indicadores fundamentais à determinação das condições do material em futuras inspeções visuais, bem como as medidas a serem tomadas face às transformações registadas. A informação proveniente da monitorização é fulcral para decisões quanto a melhorias no design, especificações de construção, transporte e instalação, além de diferenciar qualitativamente os diferentes produtores. Presentemente, os isoladores compósitos registam maior acompanhamento em serviço, justificado pela possibilidade de envelhecimento e menor conhecimento da sua evolução. As vantagens inerentes da sua utilização levam à procura de padrões de comportamento e envelhecimento para diferentes circunstâncias. O tratamento desta informação permite uma evolução tecnológia em concordância com a experiência adquirida no terreno e assim minimizar as influências do meio envolvente. Quando instalados em ambientes de elevada poluição, estes equipamentos podem ser sujeitos a programas de limpeza a fim de retirar a acumulação excessiva de contaminantes nas suas superfícies, responsáveis pela modificação das suas características de isolamento. Estas manutenções são programadas consoante o grau e tipo de poluição registados numa região, a pluviosidade média e a classe de material utilizado. Deve avaliar-se o efeito dos contaminantes na modificação do desempenho dielétrico, bem como no envelhecimento dos materiais. Preferencialmente são efetuadas com a linha em tensão para maximizar a fiabilidade do sistema Como visto anteriormente, os isoladores compósitos, sobretudo os de SiR, têm excelentes comportamentos face à poluição devido à superfície de baixa energia livre e, portanto, necessitam de menores cuidados quanto à deposição de partículas comparativamente aos isoladores cerâmicos. Há uma grande vantagem económica com o uso de isoladores compósitos devido às ações de 36 Degradação da estrutura limpeza menos frequentes. Caso se registem evidências de ocorrência elevada de descargas parciais ou perda de hidrofobia, são efetuadas limpezas à superfície na esperança de recuperar algumas dessas propriedades e adiar a sua substituição. Porém, as limpezas não devem ser realizadas caso se verifiquem danos estruturais como rastejamento, erosão, separação de abas, vandalismo ou exposição do núcleo, com risco de permitir a infiltração de líquidos para o interior do núcleo fibroso e assim comprometer a sua estabilidade. Na publicação [20] o IEEE estabelece as formas de limpeza a serem empregues, tanto para os isoladores cerâmicos como para os compósitos. Os cerâmicos podem ser lavados tanto em tensão como fora dela segundo várias formas, nomeadamente: água a alta pressão, água a média pressão, água a baixa pressão em corrente ou bico, ar comprimido, varrido ou à mão. Por sua vez, a limpeza dos compósitos deve ser efetuada com aconselhamento prévio do produtor acerca dos métodos a serem usados. Geralmente, podem ser lavados com água, sendo que a pressão usada depende do tipo de molde usado (uma peça ou multi peças) e do polímero em causa. Quando em tensão podem ser limpos com ar comprimido segundo um processo de abrasão a seco, similar a jatos de areia, mas é desaconselhado para isoladores do tipo SiR, já que pode destruir a hidrofobia da superfície. 4.2 Tipos de envelhecimentos dos isoladores compósitos A categorização das transformações ocorridas e o grau de perigo que as mesmas representam para a estabilidade do isolador compósito está relacionada com o local onde essas ocorrem. Defeitos no núcleo significam maiores riscos devido à fragilidade da vara interna. Por exemplo, atos de vandalismo através de armas de fogo nas abas deste tipo de isolador frequentemente não implicam riscos ao seu funcionamento normal. Por outro lado, quando os projécteis perfuram o revestimento do núcleo, é necessário efetuar a substituição do equipamento, visto que num futuro próximo pode ocorrer fratura frágil ou descargas elétricas que arruínem a vara. O envelhecimento destes equipamentos tende a apresentar uma certa regionalização dos diferentes defeitos, ou seja, para cada constituinte de um isolador compósito existem degradações específicas, com diferentes graus de perigo e necessidade de intervenção. A EPRI defende uma classificação de prioridade de intervenção de quatro níveis, resultante de avaliações à localização e progressão da degradação/dano, as quais são apresentadas na Tabela 4.1 [21]. As classificações A e B representam degradações, devendo monitorizar-se o desenvolvimento das mesmas, enquanto C e D são rotulados como dano e obrigam à substituição do equipamento. Branqueamento (whitening) Regista-se o aparecimento de pó branco na superfície do isolador devido à libertação de alguma quantidade de fillers do polimero (Figura 4.1). Geralmente a degradação não é homogénea, ocorre tanto nas abas como no núcleo, e prevalece sobretudo perto dos terminais de ligação e do lado com maior incidência solar. Não representa risco ao funcionamento do equipamento e não são necessárias precauções especiais, logo possui uma classificação de A. 4.2 Tipos de envelhecimentos dos isoladores compósitos 37 Tabela 4.1: Condição e prioridade de manutenção de um isolador compósito segunfo EPRI [21] Figura 4.1: Caso de branqueamento do isolador compósito com especial incidência numa das faces [21]. Mudança de Cor (Color Change) A mudança da cor base do revestimento pode ser causada através de oxidação, exposição a ultravioleta, contaminantes e/ou descargas parciais (Figura 4.2). Não representa perigo para o funcionamento estável do isolador. Note-se que, como qualquer tipo de envelhecimento, há diminuição de algumas propriedades do material. Figura 4.2: Exemplo de mudança de cor do revestimento de um isolador compósito [22]. 44 Degradação da estrutura Figura 4.14: Exemplo de pequena perfuração no revestimento do isolador na parte inferior, o qual pode rapidamente expandir-se para uma situação semelhante à do topo [21]. Figura 4.15: Desunião entre aba e revestimento do núcleo [21]. fragiliza a resistência do material aos ataques dos agentes de degradação, o que pode provocar exposição da vara. A Figura 4.16 mostra um caso de erosão severa no fim do revestimento, com início na aba e propagação para o revestimento do núcleo. Figura 4.16: Caso de erosão severa na aba e revestimento do núcleo [21]. 4.3 Modos de avaria 45 Exposição da vara (Exposure of FRP) Consiste na exposição da vara de fibra de vidro às condições ambientais, devido a fenómenos que danificam o revestimento do núcleo (Figura 4.17), tais como erosão, rastejamento, perfuração, projéteis, desuniões, condições incorretas de manuseamento/instalação, entre outros. Acontece em casos de extrema atividade elétrica na superfície do revestimento, ambientes de poluição severa e/ou fraca qualidade do material do polímero. Neste caso, deve-se efetuar a substituição do isolador com urgência, visto que este acontecimento antecipa uma falha iminente. Figura 4.17: Degradação severa do revestimento e exposição do núcleo, resultante de ações de atividades elétricas na superfície [21]. 4.3 Modos de avaria A falha estrutural de um isolador compromete a continuidade de serviço de uma linha de transmissão de energia, de forma não programada, durante o período necessário à sua substituição. A falta de monitorização do estado físico, a fraca qualidade do compósito, e exposições prolongadas a poluição severa e esforços elétricos elevados podem resultar em danos sérios e, nos piores dos casos, em falha mecânica do isolador. As falhas mais preocupantes dos isoladores estão diretamente relacionadas com o fracasso da vara de fibra de vidro interna, consequente dos ataques a que esta está sujeita após violação do seu revestimento. De facto, e como visto anteriormente, geralmente as degradações nas abas não comprometem a estabilidade mecânica do isolador . Todavia, quando se verificam envelhecimentos no revestimento do núcleo, há um risco inerente à violação da FRP por infiltrações de água ou exposição a descargas elétricas, com especial atenção em regiões próximas dos terminais metálicos. A perceção do tipo de falhas destes equipamentos é fundamental para a evolução da confiança, estabilidade e tempo médio de vida. Neste sentido, a EPRI leva a cabo questionários às empresas de fornecimento de energia acerca dos problemas que encontram nos isoladores compósitos uma vez em serviço. Esta informação é então compilada e tratada numa base de dados, onde são realçadas as principais causas e tipo de falhas dos isoladores compósitos, as quais são diferenciadas segundo causas mecânicas ou elétricas. Procura-se estabelecer o peso percentual que falhas como 46 Degradação da estrutura fratura frágil, disrupção interna, destruição por atividade elétrica, quebra do núcleo e desacoplamento dos terminais representam nos acontecimentos relatados. De seguida são apresentadas as falhas mais comuns dos isoladores. Fratura frágil (Brittle fracture) Trata-se de uma falha mecânica do núcleo de FRP por separação completa, em duas ou mais partes, de forma transversal, resultante da combinação de ataques químicos com a tensão mecânica exigida ao isolador em serviço. Foi demonstrado que os agentes presentes nas resinas epoxies que impregnam as fibras de vidro da vara podem tornar-se ácidos na presença de água [24]. Como visto anteriormente, a resistência da fibra de vidro a estes ataques depende do tipo de material que a constitui e ainda do valor de concentração de ácido e da tensão mecânica a que o núcleo está sujeito. Num estado inicial, o ataque dos ácidos leva à rutura das fibras de vidro, originando fraturas internas que se desenvolvem transversalmente ao eixo axial. Esse desenvolvimento prolongar-se-á até ao momento em que a secção sã não suporta a tensão exigida e quebra. A fratura caracteriza-se por uma ou mais superfícies planas, sobretudo perpendiculares ao eixo, dando aparência que a vara foi cortada. Verifica-se ainda a separação de conjuntos de fibras segundo o eixo axial, designado de laminação (delamination). Frequentemente, a propagação da quebra do núcleo pela parte mais resistente origina o aparecimento de um espigão (broomstick), tal como demonstrado na Figura 4.18. Figura 4.18: Exemplificação de fratura frágil com registo de planos fratura, laminação e espigão [21]. Disrupção interna (Flashunder) A disrupção interna é uma avaria elétrica que ocorre quando a humidade entra em contacto com o núcleo de fibra de vidro e proporciona a formação de um caminho condutor pelo interior do isolador através do aumento gradual de condutividade. Portanto, trata-se da formação de rastejamento através do interior da vara FRP ou na sua interface com o revestimento, que compromete a capacidade de resistir à diferença de potencial a que o isolador está sujeito. Quando as ações dos 4.3 Modos de avaria 47 agentes degradantes se estendem para lá de uma distância critica dentro do núcleo, o isolador não resiste à tensão elétrica aplicada e ocorre uma disrupção interna através de um caminho resistividade elevada. Muitas vezes, após esta ocorrência e religação da linha de transmissão, o isolador pode providenciar isolamento suficiente e prevenir um defeito imediato. Tal deve-se ao facto da disrupção secar o interior do isolador e aumentar a resistência do isolador defeituoso. Contudo, com o tempo e nova infiltração o equipamento fica sujeito a novos defeitos, até ao ponto em que se regista a destruição da vara. Este tipo de falhas caracteriza-se pela manifestação de danos no revestimento que exponham a vara às condições atmosféricas, como é o caso pontos de perfuração, erosões, desuniões e outros. Além disso, o núcleo FRP adquire uma cor negra no percurso do caminho condutor, tal como é exposto na Figura 4.19. Figura 4.19: Vara FRP seccionada axialmente com registo de rastejamento devido a disrupções internas [21]. Destruição por descargas elétricas Consiste na destruição do núcleo e consequente falha mecânica devido a descargas elétricas intensas através de caminhos condutores formados pela penetração de água na estrutura interna do isolador. Deve-se ao prolongamento ou intensificação das disrupções internas, as quais podem carbonizar a fibra de vidro e causar o enfraquecimento da sua resistência à tração, de tal forma que o núcleo não é capaz de suportar a carga e cede (Figura 4.20). Tem especial incidência nas interligações entre os terminais metálicos e o revestimento polimérico graças à combinação da infiltração de água com as exigências elétricas. Desacoplamento do núcleo Como visto na secção 3.1.1, a ligação entre a vara FRP e os terminais metálicos é um processo deveras importante para assegurar a estabilidade do isolador ao garantir coesão de ligação e distribuição dos esforços mecânicos exigidos. O aquecimento excessivo da vara FRP, decomposição da matriz da resina e falta de compressão são exemplos de erros no processo de produção que, em combinação com cargas mecânicas, podem originar falhas quando em serviço. Nestes casos 48 Degradação da estrutura Figura 4.20: Carbonização da vara FRP e consequente falha mecânica [21]. o núcleo separa-se dos terminais metálicos ou falha por quebra, tal como demonstrado na Figura 4.21. Figura 4.21: Separação do núcleo dos terminais metálicos devido à decomposição da matriz de resina e excesso de carga mecânica [21]. 4.4 Defeitos nos isoladores cerâmicos As diferenças estruturais dos isoladores cerâmicos relativamente aos compósitos conferem comportamentos distintos face aos agentes degradantes. De forma geral, os cerâmicos são vulneráveis a danos por impacto, já que o material dielétrico é quebradiço, todavia altamente resistente a ataques químicos e descargas elétricas, com especial enfâse nos isoladores de porcelana, uma vez que o vidro é mais suscetível a ataques por parte de descargas [25]. O cumprimento da sua tarefa é especialmente ameaçada em ambiente de clima tropical, onde as condições atmosféricas são caracterizadas por humidade relativa persistente e acima de 80%, em que a corrosão pode levar à falha dos isoladores. A condensação da humidade na superfície diminui a impedância do caminho de fugas e facilita a circulação de correntes de fuga com amplitudes mais elevadas bem como maiores termos harmónicos [26], e, portanto, ocorrência de disrupções que causam corrosões nas partes metálicas como os espigões. Esta corrosão ocorre sobretudo na interface tripla de materiais metálicos, cimento e ar, causando a dilatação da parte enferrujada e aumento do stress na zona de ligação com o cimento. Além disso, a contaminação atmosférica pode contribuir tanto 4.4 Defeitos nos isoladores cerâmicos 49 para a diminuição da resistividade do caminho de fugas como para ataques ao cimento, com especial atenção para compostos salinos. Mais, a ocorrência de abrasão excessiva na superfície dos isoladores aumenta a rugosidade das abas e diminui a capacidade do isolador resistir à poluição, além de que compromete a galvanização das partes metálicas da cadeia. A deposição de sal forma um caminho condutor eletrolítico que aumenta a probabilidade de ocorrência de contornamento quando a superfície se encontra molhada. Logo, o combate à fixação de contaminantes em ambientes com poluição elevada é fundamental para a resistência a disrupções e prevenção de degradação antecipada, sendo que a solução passa, por exemplo, pelo aumento do perfil da parte inferior das abas. Testes de envelhecimento acelerado a isoladores cerâmicos mostram taxas de falha 15 a 30 vezes superior em casos de nevoeiro com partículas de sal em comparação com nevoeiro livre de contaminantes [27]. O aparecimento de corrosão e aumento da pressão na zona de interligação do cimento com porcelana pode danificar a coesão do dielétrico e causar fissuras radiais e perfuração. Testes de performance elétrica e mecânica a isoladores com estas falhas internas mostram reduções consideráveis nas propriedades dos isoladores de porcelana [27]. Falha de unidades dentro de uma cadeia de isoladores cerâmicos contribui para a diminuição do caminho de fugas, aumento da probabilidade de ocorrência de disrupções elétricas, bem como aumento das solicitações elétricas aplicadas aos equipamentos sãos, o que leva à aceleração do processo de degradação, e no pior dos casos, à avaria e queda dos condutores. A monitorização do estado físico das cadeias assume um papel preventivo quanto à possibilidade de falha das cadeias de isoladores, até porque grande parte dos equipamentos em serviço já ultrapassaram ou estão perto de ultrapassar o tempo médio de serviço de 30 anos [28]. Em alguns casos este período já foi largamente ultrapassado. A identificação de danos nos isoladores de vidro são facilmente percetíveis, visto que a saia danificada estilhaça restando apenas resíduos junto da cabeça metálica. A libertação rápida das forças de expansão no interior do vidro temperado é responsável pelo estilhaço espontâneo da saia, enquanto a parte superior é contida pela campânula metálica. Tal ocorre sobretudo por deformação adquirida durante o processo de fabrico ou por atos de vandalismo. Por sua vez, defeitos em cadeias de isoladores de porcelana não são facilmente percetíveis, uma vez que ocorrem maioritariamente dentro da campânula metálica. O número de defeitos e a sua dimensão aumentam com o tempo e podem causar perfuração. Portanto, a deteção de eventuais fragilidades passa pelo uso de equipamentos de trabalho em tensão, descritos anteriormente, os quais requerem mais recursos financeiros que uma simples inspeção visual. De facto, os isoladores cerâmicos são objetos com larga aplicação e registam muitos anos de experiência, o que permite padronizar os seus comportamentos consoante as circunstâncias de serviço. A variedade de degradações e danos destes equipamentos é substancialmente menor que nos isoladores compósitos, mas não os torna necessariamente mais fiáveis, visto que a sua falha também compromete a estabilidade da linha de transporte. Os longos anos de aplicação desta tecnologia permitem esperar defeitos específicos na estrutura dos isoladores, os quais são apresentados de seguida. 50 Degradação da estrutura Perfuração Consiste na perda de rigidez dielétrica pela diminuição do caminho de fugas através de um percurso menos resistivo pelo interior do material cerâmico, ou seja, permite a ocorrência de disrupções elétricas através do material dielétrico (Figura 4.22). Estas ocorrências resultam de falhas no interior do dielétrico resultantes de fenómenos de sobretensões (choque atmosférico e sobretensões de manobra) ou de defeitos adquiridos durante o fabrico. Um transitório de frente rápida pode exceder a rigidez dielétrica do cerâmico de tal forma que não permite o contornamento pela aba e atravessa o seu volume, devido ao elevado gradiente de subida da tensão aplicada. Portanto, trata-se de um fenómeno dependente de frequências elevadas. Figura 4.22: Caso de múltiplas perfurações no volume de porcelana, identificáveis pela cor mais escura [29]. Cria-se um caminho propício à penetração de água e ponto de fragilidade a stress mecânicos, sem evidências visíveis. A ocorrência de perfuração num isolador de vidro leva a que este se desintegre. Nos isoladores de campânula e espigão estes fenómenos ocorrem com maior frequência no topo da interligação entre cerâmica e partes metálicas devido às solicitações elétricas mais intensas, e com menor frequência pertos das abas, tal como mostra a Figura 4.23, numerado de 1 a 3 por ordem decrescente de ocorrência. Crescimento e erosão do cimento A composição de cimento usada nos isoladores para unir a cerâmica às partes metálicas é capaz de reagir com certos elementos atmosféricos e assim influenciar o volume de expansão ou contração do material. O aumento desse volume aplica forças de compressão à cerâmica numa zona de maior stress mecânico, originando uma fratura radial e consequente propagação ao longo do dielétrico (Figura 4.24). Como se trata de uma fratura, nos isoladores de vidro este acontecimento resulta no estilhaço da respetiva saia. A estrutura química de cimentos hidratados é de tal 4.4 Defeitos nos isoladores cerâmicos 51 Figura 4.23: Classificação de zonas de maior probabilidade de ocorrência de fenómenos de perfuração em isoladores do tipo campânula e espigão [29]. forma complexa que se torna difícil diagnosticar com rigor quais as condições que levam à expansão do cimento [3], sendo apenas possível identificar possíveis reagentes como óxidos de cálcio e magnésio. Este problema tende a ser específico de um lote de produção. Figura 4.24: Exemplo de fratura radial devido ao crescimento do volume do cimento [29]. Por outro lado, um cimento de fraca qualidade sujeito a ocorrência de fenómenos de coroa pode erodir de tal forma que deixa de garantir a união entre a cerâmica e as partes metálicas. Fica especialmente enfraquecido na presença de contaminantes atmosféricos como sal e certos sulfatos, ambos conhecidos por atacar o cimento [3]. Neste caso, o isolador perde resistência mecânica à tração e as partes que o constituem desacoplam-se, interrompendo a continuidade de uma cadeia. Corrosão das partes metálicas A galvanização das peças metálicas pode ser enfraquecida pela ação de detritos presentes no ar, o que permite a sua corrosão de forma rápida, especialmente em casos de corrente contínua (devido à deslocação de cargas elétrica e criação de diferença de potencial permanente na parte metálica) 52 Degradação da estrutura e com humidade elevada. Espigões envelhecidos tendem a apresentar corrosão nos pontos de interceção entre o cimento e ar o que comporta um enfraquecimento da resistência mecânica. Esta degradação leva ao aumento do volume dos metais e consequente pressão na interligação com o cimento. Portanto, há uma perda de resistência mecânica e possibilidade de fraturas tanto no cimento como na cerâmica. A corrosão ligeira no corpo da campânula não representa riscos à estabilidade, porém serve diagnóstico de falha de galvanização destas peças. Vandalismo Muitas vezes as especificações técnicas dos isoladores cerâmicos indicam a capacidade, em joules, destes resistirem a impactos de projécteis ou quedas. De facto, a propriedade quebradiça dos cerâmicos torna-os alvo de vandalismos através de tiros de armas de fogo ou arremessos de pedras, com especial ênfase nos isoladores de vidro, visto que estes estilhaçam. Como tal, há uma redução do caminho de fugas e aumento da probabilidade de contornamento, porém, no caso dos isoladores de vidro, não existe necessariamente redução instantânea da capacidade mecânica da cadeia, uma vez que as partes metálicas continuam a assegurar as ligações entre os componentes. Para certas empresas de distribuição e transporte de energia, o facto de estes equipamentos serem alvo de grande número de ataques por diversão, justifica a sua substituição por isoladores compósitos. Capítulo 5 Solicitações em Serviço As condições de operação de uma linha de distribuição ou transporte representam solicitações comportamentais aos isoladores que afetam o grau de isolamento ou fiabilidade ao longo do tempo. A atuação dos isoladores exteriores é função das circunstâncias ambientais, tais como a poluição atmosférica ou níveis de precipitação, que ao longo do tempo podem reduzir efetivamente a capacidade de isolamento da linha sob tensão para a estrutura de suporte com potencial nulo, e assim comprometer o funcionamento contínuo do sistema elétrico. De facto, a falha de operação de isoladores representa grande parte das saídas de serviço das linhas elétricas. É essencial identificar as principais causas de envelhecimento e degradação dos equipamentos através da perspetivação das solicitações esperadas aquando em serviço para cada local de implementação. Além disso, o tipo de tecnologia utilizada diferencia a reação do isolador aos esforços aplicados, isto é, enquanto os cerâmicos são inertes à degradação das suas abas por parte de agentes químicos, os compósitos podem apresentar alguma degradação, porém, estes últimos possuem melhor comportamento dielétrico em ambientes de poluição elevada. A escolha do equipamento deve ter em conta as fraquezas de cada material e ponderar as possíveis vantagens tecno-económicas em função do tempo esperado de operação. O envelhecimento dos isoladores e consequente perda de propriedades dielétricas deve-se à ação combinada de agentes de várias naturezas que ao longo do tempo afetam a estrutura dos equipamentos. Estas naturezas podem ser categorizadas segundo influências elétricas, mecânicas e ambientais. Por vezes as relações entre estes agentes são pouco percetíveis devido à complexidade de intervenientes, tal como o grau de severidade que certas condições representam. Além disso, estão dependentes da qualidade e formato dos equipamentos utilizados. Estas incertezas são mais elevadas no caso dos isoladores compósitos porque as cadeias poliméricas do material de revestimento são dinâmicas e, dependendo do tipo de composição, capazes de recuperar algumas das características afetadas, nomeadamente hidrofobia e novas ligações moleculares, após algum tempo sem adversidades. O envelhecimento do polímero do revestimento é ditado pela quebra das cadeias poliméricas ou das interligações existentes entre elas, resultando em segmentos menores e consequentes perdas físicas. Para melhor compreensão dos processos de degradação, são efetuados estudos com processos 53 60 Solicitações em Serviço e água aos 220oC, auxiliando na refrigeração da superfície. Contrariamente ao verificado com a radiação UV, as descargas elétricas possuem energia suficiente para quebrar as ligações entre o silicone e oxigénio [26]. 5.2.1 Efeito Coroa O facto dos isoladores cerâmicos possuírem peças metálicas ao longo da sua cadeia proporciona uma distribuição mais uniforme do campo elétrico comparativamente aos isoladores compósitos. A constituição física destes últimos apresenta baixa permeabilidade ao campo elétrico, o que origina distribuições disformes com especial incidência nas proximidades dos terminais metálicos. Aí a intensidade de campo elétrico é várias vezes superior à registada no meio da estrutura. Como tal, quando a linha se encontra sob tensão, o revestimento exterior está sujeito a solicitações elétricas relativamente constantes com intensidade dependente do nível de tensão e comprimento do equipamento. Após alguns anos em serviço podem ser registadas diferenças quanto ao estado do revestimento entre zonas mais próximas dos terminais e do meio do isolador compósito devido à ocorrência de descargas parciais [25]. Da mesma forma, os isoladores cerâmicos também podem apresentar maiores degradações nas pontas das cadeias, sobretudo nas interligações entre peças metálicas e cimento. O efeito coroa consiste na ionização de um fluido quando exposto a um campo elétrico intenso, em que a sua intensidade visual (arco) e sonora (zumbido) depende da intensidade desse campo e resulta numa mistura de energia térmica, radiação (Figura 5.3) e compostos iónicos como ozono e óxidos nitrosos, os quais podem converter-se em ácido nitroso na presença de humidade [36]. O ataque químico por parte destes ácidos ao revestimento, juntamente com a ação da radiação, provoca a degradação da superfície do isolador compósito. A degradação térmica não é um problema inerente à ocorrência de efeito coroa, uma vez que a temperatura não atinge valores entre os 200oC e 300oC necessários ao início desse processo. Os principais sinais de envelhecimento por efeito coroa são: gretamento, fissuração, perda significativa de hidrofobia no local de descarga ou erosão ligeira. No caso dos cerâmicos ocorre oxidação nas partes metálicas. A extinção e reaparecimento deste tipo de fenómeno estão particularmente relacionados com a variação da polaridade de correntes de fuga alternadas fortes ao longo da superfície do isolador. A intensificação do campo elétrico, como consequência de maiores níveis de tensão, leva ao aumento da intensidade dessas correntes e, consequentemente, ao aparecimento de efeitos de coroa cada vez mais audíveis e visualmente mais marcantes. Portanto, o valor da corrente de fuga é um fator de grande influência no estado do arco, uma vez que, se o seu valor for muito elevado, a energia acumulada no processo de descarga será maior, necessitando de mais tempo para deionizar. Neste caso, o arco não se extingue por completo quando a corrente atingir o valor nulo, formando um plasma que facilmente reacende a descarga no novo ciclo. Por outro lado, para valores mais reduzidos de corrente de fugas, mas suficientemente elevados para iniciar o processo, a descarga elétrica apesenta um comportamento intermitente, ou seja, extingue-se e reaparece [37]. A intensificação do efeito de coroa pode anteceder a ocorrência de uma descarga disruptiva, uma 5.2 Atividade elétrica 61 Figura 5.3: Ocorrência de efeito coroa num isolador compósito [29]. vez que possibilitam a ionização do ar através de um processo cumulativo, de tal forma que facilite o contornamento do isolador. A degradação da superfície do isolador leva ao aparecimento de teores harmónicos elevados na forma de onda das correntes de fugas, sobretudo quando o revestimento está molhado [25]. Frequências elevadas facilitam o aparecimento de fenómenos elétricos, contribuindo para a degradação do isolador. Figura 5.4: Aumento do campo elétrico no ponto de junção tripla [6] 62 Solicitações em Serviço A presença de gotas de água na superfície do isolador proporciona o aumento da atividade elétrica, sobretudo quando há depósito de poluição que contribua para o aumento da sua condutividade. Como apresentam grande permeabilidade elétrica, contrariamente à superfície cerâmica ou polímera, as gotas provocam o aumento localizado da intensidade do campo elétrico. É conhecido que o ponto de junção tripla entre a água (líquido), dielétrico (sólido) e ar (gás), que devido às diferentes permeabilidades, provoca aumentos dos valores máximos do campo elétrico disforme (Figura 5.4) [37]. Quanto maior for o número de gotas na superfície, maiores serão as distorções do campo, levando inclusive à intensificação da magnitude do campo perto dos terminais metálicos (Figura 5.5). Numa perspetiva global do isolador, o facto da superfície se encontrar molhada, provoca aumentos na intensidade média do campo elétrico ao longo de toda a estrutura, tal como é possível verificar na Figura 5.6 [38]. Nas experiências realizadas em [37] registaram-se aumentos de 1.22 a 1.44 vezes da intensidade do campo elétrico comparativamente ao caso de superfície seca. A presença de várias gotas e intensidades fortes de campo levam a que os fenómenos de coroa se desenvolvam entre os vários pontos de junção tripla, desde os extremos do isolador até à secção do meio, podendo ocorrer contornamento. Figura 5.5: Distribuição do campo elétrico ao longo de uma superfície polimérica seca (esq), com uma gota ao centro (meio) e com cinco gotas (dir) [37]. Figura 5.6: Simulação do campo elétrico médio ao longo da superfície do isolador em superfície seca (azul) e molhada (verde) [38]. 5.2 Atividade elétrica 63 Além disso, a intensificação do campo elétrico produz movimentos nas gotas de água que causam alterações nas suas formas (extensão, vibração, ondulação, ressonância), localização, quantidade e volume (evaporação, coalescência). Por conseguinte, a junção tripla tende a alongar-se com o achatamento das gotas (Figura 5.7) providenciando maior área de ocorrência do efeito coroa. A forma que as gotas tomam na presença do campo elétrico depende ainda de fatores como a inclinação, nível de hidrofobia, energia livre da superfície e temperatura [39]. A condutividade e volume das gotas influenciam significativamente os efeito coroa. O aumento da condutividade consiste em maiores concentrações de iões capazes de distorcer mais o campo elétrico, além de diminuir a resistência à passagem da corrente de fugas e, portanto, mais facilmente ocorrem fenómenos elétricos. Por sua vez, o aumento do volume de água provoca distorções do campo mais alongadas devido ao diâmetro da gota. Todos estes fatores influenciam a tensão necessária para a ocorrência de descargas de efeito coroa assim como o seu poder e frequência. Figura 5.7: Comportamento de gotas de água na presença de diferentes intensidades de campo elétrico [39]. Uma forma de controlar as solicitações elétricas registadas perto dos terminais metálicos passa pela aplicação de anéis de coroa, os quais consistem numa peça em alumínio com forma de anel tubular de superfície lisa (Figura 5.8). A escolha do alumínio deve-se ao facto de este material apresentar maiores vantagens quanto ao peso da peça, bem como maior resistência à corrosão. Não obstante, algumas empresas de distribuição substituem o alumínio pelo aço, visto que o segundo apresenta ponto de fusão superior. A presença do anel de coroa provoca uma redistribuição do campo elétrico para uma situação de menor concentração de linhas equipotenciais nas zonas de maior risco de ocorrência de degradação no ponto de interceção entre dielétrico, terminal metálico e ar. De facto, há uma diminuição substancial da magnitude desse campo, o que diminui a probabilidade de ocorrência de descargas por efeito coroa [38]. A Figura 5.9 mostra a intensidade de campo elétrico ao longo de um isolador compósito para uma tensão nominal de 230 kV com e sem anel de coroa, onde é percetível a diminuição brusca da intensidade nos primeiros centímetros do equipamento e o aumento ligeiro desse campo nas áreas intermédias [38]. Todavia, esta 64 Solicitações em Serviço diminuição é menos acentuada quando o anel e a superfície do isolador se encontram molhadas, atingindo muitas vezes valores capazes de iniciar o processo de descargas elétricas. Figura 5.8: Exemplo de aplicação de anel de coroa num isolador compósito [21]. A distribuição do campo elétrico e potencial ao longo do isolador, especialmente junto dos terminais metálicos, está diretamente relacionada com a geometria do anel, nomeadamente com o diâmetro do tubo anelar (secção transversal), da distância a que se encontra dos terminais metálicos e diâmetro do anel. Em [40] conclui-se que quanto maior for o diâmetro da secção transversal do tubo, menor será a intensidade máxima verificada nas zonas mais criticas. É de aceitação global que as dimensões ótimas e localização do anel dependem do tipo de isolador e tipo de aplicações em causa, uma vez que o campo elétrico é ainda afetado pelo tipo de terminais, número de condutores e modelo de torre de apoio. Por exemplo, para aplicações até 220 kV é recomendado o uso de apenas um anel no terminal de alta tensão, já para tensões iguais ou superiores a 400 kV devem ser implementados anéis em ambos os terminais [40]. Contudo, o uso deste equipamento leva necessariamente ao aumento do tamanho do isolador porque diminui a distância de arco do mesmo. 5.2.2 Descargas em bandas secas A formação de descargas em banda seca está ligada com a formação de caminhos eletrolíticos ao longo da superfície de um isolador e com humidades elevadas no ambiente que o rodeia. A ocorrência destes fenómenos pode ser severa para a integridade do material dielétrico, em função do tempo de duração, desenvolvendo temperaturas elevadas perto da superfície capazes de formar rastejamento ou erosões graves. De facto, trata-se de um agente de grande relevância na destruição do material dielétrico, principalmente no caso dos polímeros, os quais, apesar de possuírem fillers (ATH) capazes de reduzir esses efeitos, podem perder quantidades significativas de material caso as descargas sejam persistentes. 5.2 Atividade elétrica 65 Figura 5.9: Cálculo da distribuição de campo elétrico ao longo do isolador compósito com e sem anel de coroa[38]. Em condições de humidade elevada, a superfície de um isolador contaminado fica molhada e estabelece um caminho com maior condutividade elétrica do que a superfície do isolador, conduzindo ao aumento da corrente de fugas. A heterogeneidade da distribuição da poluição depositada cria resistividades distintas ao longo da superfície do dielétrico, e assim, estabelecem-se caminhos prioritários à circulação dessas correntes. Ora, quanto maior for a condutividade, maior será a corrente de fugas por esse caminho, e maiores serão as perdas ohmicas nesse local, visto que são proporcionais ao quadrado da corrente. Essas perdas provocam o aumento da temperatura e consequente evaporação da água nessas zonas, secando-as mais rapidamente que caminhos com menor condutividade. As bandas secas tendem a formar-se sobretudo em zonas estreitas, visto que aí a densidade de corrente é superior. O aparecimento dessas zonas origina distorções elevadas no campo elétrico na superfície do isolador que provocam diferenças potenciais significativas capazes de levar ao aparecimento de descargas elétricas. A intensidade do campo elétrico na banda seca difere ao longo da direção circunferencial, com valor máximo do seu centro e enfraquece com o afastamento do mesmo [41]. A criação deste tipo de descargas parciais pode ser alimentada por picos de corrente de fugas, agentes poluentes ou gases ionizados, de tal forma que se criam pontes entre regiões secas, culminando no contornamento do isolador. De seguida é esquematizado na Figura 5.10 a sucessão de eventos que levam ao aparecimento destes fenómenos. A capacidade de hidrofobia num isolador é determinante na prevenção de descargas de banda seca em casos de humidade elevada, uma vez que limita a circulação da corrente de fugas ao distribuir as gotas de forma discreta. Nos isoladores cerâmicos, as gotas tendem a coalescer facilmente sob a ação da gravidade ou do campo elétrico, criando caminho condutor para essas correntes. Porém, nos isoladores compósitos, a energia térmica libertada nestas descargas é suficiente para quebrar as ligações principais das cadeias poliméricas, e assim infligir danos sérios à integridade do revestimento do isolador, enquanto os cerâmicos são mais resistentes a estes fenómenos. A capacidade de resistência dos isoladores compósitos depende se houve transferência da hidrofobia para a superfície da camada de poluição. Caso não se verifique tempo suficiente, a água é 66 Solicitações em Serviço rapidamente mineralizada e coalesce. Figura 5.10: Sequência de eventos para formação de descargas em banda seca. 5.3 Esforços mecânicos 67 5.3 Esforços mecânicos Dependendo do tipo de instalação e da estrutura da torre de suporte, os isoladores de linhas são sujeitos a solicitações de cargas verticais (compressão ou tração) ou cargas transversais (stress de curvatura) capazes de degradar a sua estrutura ao longo do tempo de serviço e enfraquecer as ligações de suporte entre os vários constituintes. A escolha destes equipamentos tem em conta o peso dos condutores elétricos, além de excedentes temporários que possam aumentar as forças aplicadas, os quais são admitidos segundo fatores de segurança. As cargas solicitadas a um sistema de suporte estão dependentes da variabilidade das influências meteorológicas. Em situações de vento forte, o diâmetro do condutor oferece uma frente à passagem do ar o que leva a um aumento significativo das forças aplicadas, dependente ainda do tamanho do vão em causa e da existência ou não de camadas de gelo. A formação de gelo nos condutores e nas abas dos isoladores conduz à diminuição da aerodinâmica do conjunto e ao aumento do stress mecânico tanto por ação do vento como do peso do gelo. Além disso, as oscilações produzidas pelo seu movimento provocam fissuras nas interfaces dos diferentes componentes do isolador, com especial ênfase no caso dos cerâmicos já que são materiais quebradiços e de baixa plasticidade. O aparecimento de micro fraturas nos isoladores de porcelana é ponto de partida para o desenvolvimento de fraturas mais acentuadas que se desenvolvem sobre efeito de variações temporais de carga mecânica e efeitos térmicos ao longo do tempo, que por fim podem levar à perda de material dielétrico. Esse desenvolvimento é acelerado no caso de o isolador apresentar um desenho com vários pontos de tensão originados no processo de fabrico. No caso de linhas com cabos de alta temperatura, os isoladores devem ser sobredimensionados para lá do peso efetivo dos condutores, visto que estes últimos perdem resistência mecânica ao transformar o alumínio rígido para um estado mais pastoso. Consequentemente, há uma solicitação extra ao isolador com uma carga superior àquela registada quando a linha transporta baixas potências. Em regiões desérticas quentes, a temperatura média pode facilmente ultrapassar os 40oC durante o dia e cair para valores inferiores a 10oC durante a noite. Esta amplitude térmica é capaz de infligir danos internos na estrutura dos isoladores devido às diferentes constantes térmicas dos vários materiais que os constituem. Mais uma vez, este efeito afeta especialmente os isoladores de linha cerâmicos devido à presença de vários constituintes metálicos. A resistência mecânica dos isoladores compósitos está relacionada com a qualidade da vara FRP e da sua ligação aos terminais metálicos. Já os cerâmicos estão sujeitos à qualidade individual de cada isolador da cadeia, ou seja, de todas as interfaces que constituem uma unidade de isolador campânula e espigão. Um processo de fabrico deficiente num dos componentes pode causar facilmente a queda das linhas numa situação de maiores exigências. Outro aspeto importante na degradação por efeitos mecânicos prende-se com o transporte, armazenamento e manuseamento dos isoladores. Uma das principais causas de falha dos isoladores compósitos é a falta de cuidado no manuseamento do equipamento, porque produzem danos no revestimento polimérico que representam pontos de fraqueza durante o tempo de serviço. O 68 Solicitações em Serviço Figura 5.11: Forma incorreta de içar um isolador compósito. A corda deve ser atada nos terminais metálicos por forma a não danificar as abas [42]. armazenamento incorreto pode deformar o perfil dos isoladores compósitos, de tal forma que a distribuição do campo elétrico é modificada originando intensificações de potencial ao longo da superfície. Portanto, os isoladores compósitos devem ser colocados em tubos de cartão reforçado ou em caixas de madeira até ao momento de instalação e não devem ser empilhados com qualquer outro equipamento. Além disso, deve-se ter precauções quanto aos ataques de roedores ao material polimérico. Devem ser manuseados com grande precaução, sem arremessos, quedas ou torções e não devem ser içados ou agarrados por cordas nas abas, contrariamente ao que se verifica na Figura 5.11. Nos isoladores cerâmicos atos de negligência durante estes processo são facilmente percetíveis porque o material quebra e facilmente se deteta e substitui por unidade sã. Porém, tal como no caso dos compósitos, isoladores defeituosos em serviço diminuem a resistência tanto às solicitações elétricas como mecânicas. Capítulo 6 Casos de Aplicação e Vantagens Tecno-Económicas A introdução dos isoladores compósitos no mercado tem apresentado um crescimento mais significativo durante o século XXI com tendência a substituir os isoladores convencionais num nicho de mercado algo específico. De facto, a creditação das suas capacidades tem-se desenvolvido ao ritmo das experiências relatadas após utilização em casos práticos, nomeadamente em linhas de alta e média tensão, bem como subestações e aparelhos de proteção. Procura-se compreender o desenvolvimento do seu estado físico e das características dielétricas após alguns anos em serviço, sobretudo em condições mais adversas. Apesar de se reconhecerem vantagens intrínsecas no comportamento dielétrico e mecânico dos isoladores compósitos, regista-se uma predominância dos isoladores de porcelana nos vários campos de aplicação, justificada pela previsibilidade de comportamento deste tipo de tecnologia ao longo do seu tempo médio de vida útil. A maturidade da tecnologia dos isoladores cerâmicos confere um grau de confiança elevado para vários casos de aplicação, contrariamente aos compósitos que têm evoluído em concordância com os avanços na robustez dos materiais poliméricos, modificações de desenhos e relatos de casos de aplicação. Com efeito, a adoção alargada dos isoladores não cerâmicos por parte das empresas energéticas e ferroviárias é limitada pelo desconhecimento do seu desempenho e receio de aplicação em sistemas que exigem graus de fiabilidade elevados. Apesar de existirem casos de referência quanto ao sucesso do uso dos compósitos, assiste-se a um receio na aplicação generalizada para linhas de transmissão, visto que o processo de envelhecimento não é de todo compreendido ou não são efetuados estudos para avaliar o seu comportamento para as diferentes condições de operação. Não obstante, a escolha dos compósitos em função de uma análise antecipada das solicitações esperadas quando em serviço, pode resultar em vantagens técnicas e económicas significativas, visto que este tipo de material oferece comportamentos mais satisfatórios em condições de poluição e humidade elevadas comparativamente aos cerâmicos. Portanto, deve-se efetuar uma ponderação entre as vantagens reconhecidas, quer por estudos laboratoriais quer em serviço, com os receios de envelhecimento antecipado do revestimento polimérico. Geralmente, cada companhia implementa os isoladores compósitos em linhas de teste e aí avaliam a sua evolução, classificando-os 69 76 Casos de Aplicação e Vantagens Tecno-Económicas que este tipo de material foi sucessivamente aplicado em linhas de 69 kV e 230 kV nos últimos 30 anos. Inicialmente a estratégia de operação da SRP não incluía a instalação de anéis de coroa em isoladores de 230 kV, apesar destes serem recomendados para tensões tão elevadas. Todavia, como o ambiente do Arizona é relativamente limpo, nos primeiros lotes instalados não se verificaram condições para ocorrência de efeito coroa com intensidades que comprometessem o revestimento do isolador. Atualmente, em concordância com as práticas da indústria, os novos isoladores para este nível de tensão são acompanhados por anéis de coroa no terminal energizado. O facto de não existirem procedimentos normalizados para a substituição de isoladores compósitos com a linha permanentemente em tensão, e como as linhas de 500 kV são fundamentais no transporte e fornecimento de energia elétrica de tal forma que dificilmente podem ser retiradas de serviço, a SRP considera preferencial o uso de isoladores de vidro para estes níveis de tensão [45]. 6.3.2 Public Service Electric and Gas A PSE&G é uma empresa de distribuição de energia elétrica e gás no estado norte-americano de Nova Jersey. Como resposta a uma série de falhas dielétricas por parte dos isoladores de porcelana, foram extensivamente aplicados isoladores compósitos para linhas até 69 kV, e de forma menos frequente para tensões superiores, com os quais adquiriram resultados satisfatórios. Tal como no caso anterior, é prática interna a instalação destes isoladores sem anéis de coroa. Foram constatadas erosões no revestimento polimérico em alguns isoladores em linhas de 138 kV e, num dos casos, verificou-se exposição do núcleo interno [45]. Por forma a detetar facilmente os defeitos nos isoladores, e assim reduzir custos na inspeção da qualidade dos equipamentos, bem como levar a cabo operações de manutenção com linha em tensão, a PSE&G opta por usar isoladores de vidro para tensões superiores a 138 kV. 6.3.3 Xcel Energy A ocorrência de várias falhas mecânicas dos isoladores de porcelana em aplicações em suspensão e amarrações finais devido ao crescimento do cimento e consequente fratura radial após expiração do tempo útil de serviço, levou a que esta companhia apostasse nos compósitos para sistemas de suspensão e amarrações até 345 kV. Em linhas até 69 kV são utilizados os três tipos de materiais, porém em amarrações finais apenas aplicam isoladores de vidros. A Xcel registou ocorrências de fraturas frágeis nas primeiras gerações de isoladores compósitos, principalmente em níveis de tensão de 115 kV e 345 kV, sendo que este último inspira alguma descrença quanto à sua longevidade devido às degradações do revestimento. A escolha do tipo de material utilizado depende de uma avaliação económica durante o tempo de serviço estimado [45]. 6.3 Aplicações práticas de compósitos 77 6.3.4 NorthWestern Energy Como possui uma grande extensão de linhas de 500 kV e realiza as manutenções com as linhas em serviço, a NorthWestern aplica isoladores de vidro para níveis de tensão tão elevados. Esta escolha é válida até em locais mais remotos com vários registos de vandalismos, justificandose pela facilidade de deteção da violação da sua integridade em inspeções trimestrais por meio de helicóptero. Já os isoladores compósitos são ponderados apenas para linhas com tensões iguais a 115 kV ou inferiores, ou em 230 kV para casos de projetos especiais. As primeiras aplicações destes isoladores apresentaram problemas de produção que originaram infiltrações no núcleo interno e obrigaram à substituição antecipada. Realça-se o facto desta empresa possuir milhares de isoladores de porcelana com cerca de 60 anos de serviço nos vários níveis de tensão [45]. 6.3.5 Florida Power and Light O número excessivo de contornamento nos isoladores cerâmicos na década de 90, levou a FLP a instalar isoladores compósitos com revestimento em SiR e EPDM, por forma a reduzir a saída de serviço das linhas como consequência da contaminação acumulada. Mais tarde, foram analisadas as estatísticas de contornamentos nos diferentes tipos de materiais, onde se conclui que os isoladores com revestimento em borracha de silicone apresentavam contornamentos notoriamente mais escassos que os demais. Posto isto, os isoladores com revestimento EPDM em zonas com poluição elevada foram removidos e substituídos por compósitos de SiR. Além da redução de interrupções de serviço, a FLP reportou uma poupança de 73% nos custos de instalação em linhas de 500 kV, e maiores níveis de segurança porque houve menos casos de acidentes com trabalhadores [5]. 6.3.6 Qatar General Electricity and Water Corporation A grande expansão das infraestruturas elétricas no Qatar foi acompanhada por uma preocupação crescente com o desempenho dos isoladores em condições com graus elevados de poluição. Os registos históricos mostram que a principal causa de interrupções no fornecimento de energia deve-se em grande parte (cerca de 90%) à contaminação depositada na superfície dos isoladores, a qual favorece o contornamento das cadeias de isoladores. Na região do Médio Oriente registamse acumulações significativas de poeiras, sal, produtos químicos e areia que permanecem durante longos períodos, e que juntamente com a condensação ou nevoeiro matinal provocam descargas disruptivas nos isoladores de porcelana e vidro. O facto de se tratar de uma pequena península leva a que a influência das brisas marítimas ponha em causa a rigidez dielétrica dos equipamentos entre períodos de lavagem. A experiência adquirida mostra que a linha de fugas recomendadas na norma IEC 60815 para condições de poluição elevada têm pouco significado em regiões como o Qatar. Como tal, procede-se a um aumento do tamanho das cadeias para satisfazer os níveis de segurança. Os isoladores usados nas linhas da rede elétrica são maioritariamente vidro e porcelana com perfil aberto para facilitar a ventilação e limpeza natural. Os problemas resultantes das condições ambientais levaram à instalação de isoladores compósitos de EPDM e SiR em algumas das suas 78 Casos de Aplicação e Vantagens Tecno-Económicas linhas em 1994, aos quais não foram efetuadas nenhumas operações de manutenção até pelo menos o ano de 2007. Até então, não foram registadas falhas mecânicas ou dielétricas em nenhum dos equipamentos, ainda que alguns dos isoladores de polímero EPDM apresentavam sinais de branqueamento. Outras concessionárias do Golfo Pérsico, que enfrentam as mesmas dificuldades ambientais, encorajam o uso de isoladores de borracha de silicone. Assim sendo, em 2005 uma linha de 33 kV e 60 km de extensão numa zona de levado grau de poluição foi totalmente equipada com equipamentos deste tipo, a qual desde então não apresentou qualquer tipo de falha. Mais tarde, esta empresa aplicou o mesmo tipo de equipamentos numa linha de 66 kV com o mesmo sucesso. Os dados históricos das manutenções executadas nos isoladores de porcelana para 33 kV indicam um custo médio de 37 dólares por ano a cada cadeia. Nos casos em que foram aplicados isoladores revestidos com pelicula de silicone o gasto é aproximadamente metade. Considerando o preço de aquisição dos compósitos, 46 dólares em 2002, a análise económica para este tipo de investimento permite concluir um retorno do capital investido num período entre 3 e 4 anos [44]. 6.3.7 Saudi Electricity Company Na Arábia Saudita, o controlo da energia elétrica está entregue a uma única concessionária. Grande parte da zona este está sujeita a condições ambientais duras, muito por causa da forte indústria de extração petrolífera que aí se encontra, bem como da proximidade à linha costeira. Em 1979 registavam-se 12 interrupções anuais por cada 100 km de linhas de transmissão, mas com medidas de prevenção ativa (aumento da linha de fugas e limpezas frequentes) esse número desceu para 0.53 no ano de 2001. Porém, como os custos de manutenção são deveras elevados, 99 cadeias de isoladores de porcelana do tipo anti nevoeiro a operar há 15 anos numa linha de 230 kV, as quais necessitavam de lavagens a cada dois meses, foram substituídas por isoladores poliméricos de SiR, perfazendo um total de 3.2 km. Nessa altura, estimou-se um período útil de serviço para os compósitos de 25 anos, quando para os de porcelana geralmente admitia-se 30 anos. Além disso, considerou-se que não seria necessário lavar estes isoladores. Com estas premissas conclui-se que o custo total das cadeias de porcelana ao longo do tempo de serviço seria nove vezes maior comparativamente aos compósitos. Mesmo com substituição dos compósitos a cada 2.8 anos o sistema continuaria a ser rentável [46]. A substituição das 99 cadeias foi apoiada em equipamentos de testes colocados sob as mesmas condições de funcionamento. Mensalmente efetuaram-se inspeções visuais às condições físicas dos equipamentos e procura de sinais que remetessem para degradação da sua estrutura. A informação recolhida permitiu concluir um comportamento satisfatório sem qualquer tipo de limpeza à sua superfície. Apesar de esta experiência ser muito encorajadora não deixa de pecar por excesso de otimismo, visto que o tempo médio de operação de 25 anos para os compósitos é um valor virtual e bastante influenciável pelas condições ambientais e de serviço em que se encontram. Além do mais, em condições de poluição extrema, os compósitos podem igualmente necessitar de lavagens, ainda que menos frequentes. 6.3 Aplicações práticas de compósitos 79 6.3.8 State Grid Corporation of China e China South Grid Com a construção da gigantesca barragem das Três Gargantas na China surgiu a necessidade de transportar grande parte dos 22 GW instalados para os centros urbanos situados no este desse país. No final de 2004 estas duas empresas decidiram lançar um projeto de linhas de transmissão com grande capacidade de transporte em níveis de tensão de 1000 kV AC e 800 kV DC. A capacidade dessas linhas situa-se entre os 5000 e 6500 MW com condutores de elevada capacidade de transmissão (Figura 6.2). O esforço requerido por estas linhas para cada cadeia de isolador (simples ou dupla) situa-se entre os 300 kN e 420 kN, ou seja, esforços mecânicos deveras elevados. Grande parte do trajeto desta linha são zonas com graus de poluição médios ou elevados. Para atingir o grau dielétrico pretendido para este tipo de ambientes, as cadeias de isoladores de porcelana e vidro seriam demasiado compridas, o que resultaria num peso adicional indesejado, bem como estruturas de suporte da torre de transmissão reforçadas. Por tudo isto os isoladores compósitos foram uma opção muito atrativa, de tal forma que levou à discussão da sua aplicação para outros níveis de tensão. Todavia, estes isoladores equiparam unicamente montagens em suspensão, totalizando mais de 7000 unidades instaladas [47]. Figura 6.2: Linha de transmissão chinesa de 1000 kV AC com isoladores compósitos [47]. 6.3.9 Electric Israel Também na zona do golfo Pérsico, Israel possui condições climáticas pouco benéficas para a manutenção estável da rede elétrica no que diz respeito a falhas por contornamentos de isoladores. A época seca deste país permite a deposição de todo o tipo de poluição de origem marítima, desértica, industrial e agrícola. O facto de este país ser rota de migração de um grande número de 80 Casos de Aplicação e Vantagens Tecno-Económicas espécies de aves contribui de forma significativa para a contaminação dos equipamentos. O nível de poluição em certas zonas é de tal forma severo que, mesmo após os quatro meses da época de chuva, a camada de poluição acumulada fica parcialmente colada à superfície dos isoladores cerâmicos. Além disso, a concessionária elétrica encontrou problemas na qualidade dos isoladores de porcelana que levavam à ocorrência de perfurações e fraturas radiais por crescimento do cimento. Ao longo dos anos foram tomadas medidas com vista a diminuir a ocorrência de falhas por contornamento, nomeadamente por aumento da linha de fugas para lá dos valores recomendados através da extensão das abas e aumento do número dos isoladores, além do uso de isoladores de vidro em situações onde se previam desempenhos mais eficazes. Não obstante, nenhuma destas soluções erradicou os problemas até então registados. As primeiras experiências com os isoladores compósitos foram motivadas pela necessidade de resistência a atos de vandalismo em algumas das linhas de distribuição pelo ano de 1987. Os resultados obtidos ao longo dos anos levaram ao aumento da confiança neste tipo de equipamentos que levou ao aumento de unidades instaladas nas suas redes. Como se tratavam de uma tecnologia ainda imatura, ocorreram alguns casos de fraturas frágeis em isoladores com pouco tempo de serviço, os quais não hipotecaram a confiança que lhes foi atribuída. Mais tarde, o problema foi identificado como uma combinação entre o design pobre e a negligência no manuseamento durante a instalação. A capacidade hidrofóbica dos isoladores de borracha de silicone, mesmo com poluição acumulada, foi determinante para a expansão do número de equipamentos instalados, mesmo nos períodos em que o seu preço de aquisição era muito superior comparativamente à porcelana e tempo de serviço esperado era apenas 15 anos. De forma geral, a aplicação dos compósitos trouxe dois grandes benefícios para a concessionária: aumento da fiabilidade da exploração da rede elétricas nas condições de poluição severa, visto que reduziu consideravelmente o número de saídas de serviço por falha dielétrica (Figura 6.3); poupanças significativas no custo total referente à aquisição, instalação, manutenção e substituição deste tipo de equipamentos [48]. Figura 6.3: Número de saídas de serviço anuais de linhas de alta tensão por 100 km consequentes de poluição acumulada nos isoladores e causas desconhecidas, após implementação de isoladores compósitos [48]. 6.3 Aplicações práticas de compósitos 81 6.3.10 Rede Elétrica Nacional No ano de 2001 a REN iniciou um plano de investimentos na remodelação de subestações, aumento de capacidade de transmissão de energia elétrica levou à revisão das especificações dos equipamentos com vista ao aumento da fiabilidade do sistema de transporte. Até então, as linhas de transporte apresentavam vários incidentes com origem em incêndios florestais, descargas atmosféricas, poluição associada a nevoeiro e nidificação de cegonhas, as quais representavam cerca de 90% das causas de saída de serviço dos circuitos. Muitas das linhas de grande capacidade situam-se junto à costa nacional, estando sujeitas a deposição de minerais que afetam negativamente os isoladores de porcelana ou vidro. Por este motivo, e por forma a colocar de parte o programa de limpeza intensivo com custos de milhares de euros por ano, em 2004 foi lançado um programa de substituição desses equipamentos por isoladores compósitos nas linhas mais afetadas por deposição salina e nevoeiro. Passados três anos, o número de compósitos de borracha de silicone ascendia a 2074 unidades para níveis de 150, 220 e 400 kV, equipando cerca de 13% do número total de apoios (Figura 6.4). Com o aumento da presença destes isoladores, o número de apoios com necessidade de lavagem foi reduzido de cerca de 1500 em 2001 para pouco mais de 600 no final de 2007 [49]. Apesar da aplicação mais frequente deste tipo de materiais, não foi possivel encontrar informação oficial acerca da satisfação relativamente ao desempenho ou casos de falha dos mesmos. Figura 6.4: Evolução do número de apoios com isoladores compósitos (valores acumulados) [49]. 82 Casos de Aplicação e Vantagens Tecno-Económicas Capítulo 7 Laboratório de Alta Tensão Ao longo do primeiro semestre do presente ano, foram efetuados esforços para a construção do Laboratório de Alta Tensão (LAT) da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, no qual houve uma colaboração e participação diretas nos trabalhos e projetos realizados com vista ao seu funcionamento, visto que este procedimento era um objetivo fundamental no plano de trabalhos da presente dissertação. A preparação das condições de segurança e colocação dos equipamentos de alta tensão envolveram operações de grande complexidade logística e temporal. Pretende-se que estas instalações sejam capazes de realizar ensaios a equipamentos dielétricos com aplicação em sistemas de energia elétrica em alta tensão, por forma a caracterizar o seu desempenho e segurança segundo as condições normalizadas internacionalmente. Portanto, a realização desses ensaios obedece a uma série de condições estipuladas para que se garanta a veracidade dos resultados com o menor erro possível, e passível de ser reproduzido em qualquer parte do mundo. O conhecimento das características dos materiais é fundamental para o aumento da fiabilidade do sistema elétrico, visto que permite efetuar dimensionamentos em concordância com as condições esperadas em serviço. Além disso, para equipamentos de operações em linhas em tensão é crucial determinar a rigidez dielétrica dos materiais por forma a garantir os níveis de segurança máximos aos técnicos responsáveis por esse serviço. De seguida é apresentada a constituição do laboratório, nomeadamente os dispositivos de segurança, disposição dos equipamentos e regras de procedimento, bem como uma descrição dos equipamentos e sua função. 7.1 Constituição do LAT O laboratório de alta tensão situa-se no anexo do edifício J do departamento de engenharia eletrotécnica da FEUP, com uma área aproximada de 147 m2para disposição dos equipamentos e uma sala de operação onde estes são comandados. A necessidade de garantir um isolamento elétrico para o exterior levou a intervenções nas características da sala de ensaios, nomeadamente: •Aumento do pé direito do edifício para 12 metros; 83 84 Laboratório de Alta Tensão •Construção de uma gaiola de Faraday em torno da estrutura da sala; •Instalação de condições de mobilidade dos equipamentos de alta tensão; 7.1.1 Medidas de segurança passivas Em particular, a construção da gaiola de Faraday consistiu na colocação de chapas metálicas zincadas com espessura de 1.5 mm em todas as paredes do edifício e no pavimento (espessura de 2.5 mm), as quais se encontram todas eletricamente interligadas, quer por soldadura, quer por tranças metálicas, por forma a escoar as cargas elétricas que se formam durante os ensaios de forma segura para a terra. Para garantir a equipotencialização de todas as partes existe um barramento em anel de cobre de secção de 5x50 mm em torno do edifício, o qual se encontra ligado à terra através de 3 pontos: •Ligação às fundações metálicas do edifício J, com uma impedância de aproximadamente 0,7 ohms (medição em mês de Verão) (Figura 7.1 a)); •Ligação à terra exterior ao edifício com elétrodo simples (Figura 7.1 b)); •Ligação à terra do posto de transformação que alimenta o laboratório (Figura 7.1 c)). Figura 7.1: Pontos de ligação das terras do LAT ao barramento de cobre. A interligação das chapas metálicas ao anel de cobre é garantida por várias tranças metálicas equidistantes e centradas com cada coluna de chapas. Além disso, garante-se uma interligação de todas as partes metálicas pela parte superior da gaiola por um outro anel em fio de cobre de 10 mm2, o qual está conectado com o anel principal por 4 baixadas (Figura 7.2). O anel principal encontrase a uma altura de 20 cm do pavimento, fixado às chapas metálicas por isoladores orgânicos, exceto na travessa da porta para a sala de comando, onde o mesmo assenta no pavimento e isolado por uma tinta especial para o efeito (Figura 7.3). A continuidade da gaiola de Faraday da entrada para a sala de comando é assegurada através do uso de uma malha metálica com espaçamentos de 5x5 cm, e é diretamente ligada ao barramento 7.1 Constituição do LAT 85 Figura 7.2: Interligação entre anel superior e anel principal. de cobre através de trança metálica, tal como é percetível na Figura 7.3. Da mesma forma, o portão para acesso ao exterior é igualmente revestido por essa malha e as ligações à terra são asseguradas pelos rolamentos. Figura 7.3: Pormenor do barramento de terra na travessa da porta de entrada para a sala de comando e ligação da rede de proteção ao mesmo. Portanto, há um isolamento elétrico da sala de ensaios para o exterior assegurado pelo revestimento metálico de todo o perímetro. Estas medidas de segurança são aspetos passivos, mas fundamentais para a realização de ensaios. Além disso, é necessário garantir distâncias de segurança entre pontos com diferentes potenciais, para evitar descargas disruptivas indesejadas que não para o objeto em ensaio. As dimensões do laboratório não permitem manter as distâncias de segurança se os equipamentos forem mantidos no local necessário aquando da realização de ensaios. Assim sendo, quando um sistema é usado, o outro é recolhido o máximo possível ao respetivo canto e curto-circuitado. Por exemplo, o ensaio à capacidade máxima do transformador, 92 Laboratório de Alta Tensão dielétrica em condições de superfície seca e molhada. O conhecimento do comportamento dielétrico dos equipamentos é fundamental para garantir um dimensionamento correto dos sistemas de transmissão de energia, manutenção de níveis de fiabilidade elevados e assegurar os níveis máximos de segurança estipulados para equipamentos apropriados a trabalhos de manutenção em tensão (denominados TET). O equipamento de ensaio à frequência industrial presente no LAT consiste nas seguintes 4 unidades: •Transformador de 300 kVA alimentado por uma única fase a 50 Hz através do regulador presente na sala de comando. É constituído pelo acoplamento vertical de duas unidades (Figura 7.10 a)), cada uma com capacidade de produzir 300 kV, totalizando uma tensão máxima de saída de 600 kV e 0.5 A e um peso aproximado de 16 toneladas. A parte superior possui 3 toroides em alumínio, onde é conectado um tubo de baixa indutância que estabelece a ligação ao divisor de tensão. Também na parte superior é ligado um fio em cobre de secção reduzida que será ligado ao objeto de ensaio e assim lhe aplicará a tensão gerada pelo transformador. O arrefecimento deste equipamento realiza-se através de óleo não circulado. •Divisor de tensão (Figura 7.10 a)) permite transformar a tensão aplicada no objeto de ensaio, na ordem dos kV, num sinal proporcional de baixa amplitude através de capacidades em série. Permite ainda a ligação de um osciloscópio na parte secundária com intuito de observar a forma de onda aplicada e assim verificar as tolerâncias de distorções permitidas. O sinal de entrada chega através do contacto do tubo de interligação do transformador com uma das duas toroides que constituem o topo do divisor. Como se trata de um equipamento puramente capacitivo, garante divisões precisas numa gama de frequência entre 10 e 1000 Hz. •O regulador é um autotransformador de alimentação ao transformador com tensão ajustável através de comandos elétricos por parte do controlador, isolado a ar, revestido por uma caixa metálica (Figura 7.10 b)). Possui dispositivos de corte e contactores que atracam quando é dada a ordem de ligar a alta tensão. •O controlador (Figura 7.10 c)) permite determinar a tensão a aplicar ao objeto de ensaio num processo ascendente e de velocidade determinada pelo operador. É constituído por um voltímetro com três escalas, o qual obtém o sinal de entrada através da conexão com o divisor. Possui ainda um amperímetro para as correntes de fuga do sistema de terra do transformador, e possibilidade de determinar o máximo de corrente de fuga admissível, que quando atingida, leva ao corte de alimentação do transformador. A amplitude da tensão de saída do transformador é controlada por dois interruptores, um de subida e outro de descida. Além disso permite determinar a velocidade de subida/descida da tensão aplicada ao objeto em ensaio. 7.3 Equipamento de ensaio à frequência industrial 93 Figura 7.10: Equipamentos do sistema de frequência industrial: a) transformador (esq) e divisor de tensão (dir); b) regulador; c) unidade de controlo. Para a realização de ensaios à frequência industrial é necessário efetuar uma ligação em trança de cobre entre o terminal de massa do objeto em ensaio e o barramento de terra do próprio transformador (circuito por onde será medida a corrente de fuga), uma ligação entre a base metálica do divisor e barramento e, finalmente, a ligação da terra do transformador ao anel da sala de ensaio. Nessa situação, é necessário garantir a distância de segurança às estruturas envolventes em função do nível de tensão do ensaio. Mais, o sistema de gerador de impulso deve ser curto-circuitado e ligado ao anel de cobre. Periodicamente, o sistema de medição da tensão aplicada deve ser calibrado. Este procedimento é regido pela norma internacional IEC 60052 [51] e consiste na separação de duas esferas metálicas, uma alimentada pelo transformador e outra ligada à terra, segundo uma distância proporcional a um valor de tensão normalizado em função do diâmetro dessas esferas. Por exemplo, para uma distância de 20 cm e umas esferas de 75 cm de diâmetro (caso existente no LAT) é esperada uma tensão de disrupção de 492 kV (valor de pico) para as condições atmosféricas standard. A diferença entre os valores de disrupção e o normalizado permite calibrar o voltímetro do controlador, através das indicações do fabricante. 7.3.1 Ensaios à frequência industrial A publicação IEC 60060-1 impõe que a onda de tensão aplicada ao objeto em ensaio seja aproximadamente sinusoidal, com uma diferença máxima entre o valor máximo positivo e o valor máximo negativo menor que 2%. A aplicação da tensão deve começar com magnitude baixa por forma a prevenir a ocorrência de transitórios de valor elevado devido à comutação de circuitos. A ascensão desde o valor inicial deve ser lenta para permitir a leitura dos instrumentos de medição, mas não de tal forma lenta que provoque o aumento prolongado da solicitação elétrica estipulada no objeto de ensaio. De forma geral, esta condição é alcançada pela elevação de 2% da tensão estipulada para o ensaio por segundo após ultrapassar os 75% desse valor. O tipo de ensaio efetuado 94 Laboratório de Alta Tensão pode ser do tipo: •Teste de resistência à tensão estipulada — pretende-se verificar se o equipamento a ensaiar é capaz de resistir a uma tensão estipulada, a qual deve ser elevada segundo as condições anteriores e mantida no valor nominal durante 60 segundos. O objeto é aprovado caso não ocorram descargas disruptivas durante esse período de tempo. Após esse tempo, a tensão deve ser diminuída rapidamente, mas não subitamente para não originar transitórios que podem levar à descarga e danificação do objeto. •Teste com descarga disruptiva — pretende-se determinar o valor de tensão aproximado que origina a descarga disruptiva no objeto de ensaio. Deve-se aumentar a tensão de forma continua até que ocorra a descarga pelo objeto. Este procedimento deve ser repetido tantas vezes quantas o regulamento do objeto o indicar, e as medidas devem ser tratadas de forma estatística, tal como indicado no Anexo A da publicação IEC 60060 ou na norma regente do objeto de estudo. 7.4 Montagens elétricas e procedimento para ensaios de isoladores O teste à rigidez dielétrica dos isoladores para ondas periódicas (frequência industrial) e aperiódicas (impulso de tensão) obedece a uma série de parâmetros regularizados pelas normas internacionais IEC. A montagem da estrutura que serve de base ao isolador em causa procura reproduzir as influências que podem ocorrer sobre o campo elétrico devido à presença de outros objetos nas redondezas da cadeia. Por esse motivo as empresas podem especificar condições de ensaios diferentes da norma regente, por forma a conhecer as características do material nas condições em que o mesmo vai ser aplicado. Deve-se manter distâncias de segurança para que a descarga disruptiva ocorra entre os terminais do isolador e não para a estrutura de suporte. Assim sendo, dependendo do tipo de isolador (suporte ou linha e de classe de material) a base de suporte para a realização de ensaios elétricos obedece a especificações bastante distintas. Porém, os procedimentos para todos eles devem ter em conta as especificações gerais apresentadas na norma IEC 60060, nomeadamente: •As tensões de impulso devem ser expressas segundo o valor de pico da onda obtida, e para a frequência industrial deve ser apresentadas pelo valor eficaz; •Quando as condições atmosféricas naturais presentes no local de ensaio diferem das estipuladas como padrão (temperatura, humidade e pressão atmosférica), deve-se aplicar os fatores de correção segundo as formulas estipuladas nessa norma; •O isolador deve ser seco e limpo antes da realização dos ensaios; •Deve-se tomar precauções por forma a evitar condensação na superfície do isolador, especialmente quando a humidade relativa presente é elevada. Portanto, o objeto de ensaio deve ser submetido às condições atmosféricas do local durante um tempo suficientemente 7.4 Montagens elétricas e procedimento para ensaios de isoladores 95 longo que permita o equilíbrio térmico, normalmente 24 horas. Exceto indicações contrárias por parte do comprador ou produtor, não se deve ensaiar equipamentos quando a humidade relativa é superior a 85%, visto que os resultados tendem a ser erráticos. •O intervalo entre ensaios deve ser suficiente para que não se verifiquem influências do teste anterior. 7.4.1 Montagem de isoladores de suporte A norma IEC 60168 [52] especifica que, para ensaios a impulsos de choque atmosférico e frequência industrial, o isolador de suporte deve ser apoiado verticalmente sobre uma estrutura metálica em forma de U, com a abertura direcionada para baixo, com um comprimento total de pelo menos o dobro do tamanho do isolador e uma largura aproximadamente igual ao diâmetro da base das ferragens metálicas do isolador. Se o isolador possuir uma altura inferior a 1.8 metros, a estrutura em U deve ser colocada a pelo menos 1 metro de altura, caso contrário esta deve erguer-se no mínimo a 2.5 metros do solo. Esta estrutura deve ser ligada à terra. No topo do isolador coloca-se um tubo na horizontal, perpendicular à estrutura em U, com um comprimento de pelo menos 1.5 vezes o tamanho do isolador, e deve prolongar-se no mínimo 1 metro para cada lado do eixo do isolador. O diâmetro desse tubo é aproximadamente 1.5% da altura do isolador, com um mínimo de 25 mm. A tensão de ensaio deve ser aplicada entre o tubo e o suporte metálico, na ponta do condutor. A Figura 7.11 exemplifica um caso de ensaio realizado no LAT a um isolador de suporte de aproximadamente 1.70 metros para aplicações em circuitos de 150 kV, e procura demonstrar as relações entre as diferentes dimensões enunciadas anteriormente. 7.4.2 Montagem de isoladores de linha A norma IEC 60383 pretende definir os vários tipos de aplicações aceitáveis para isoladores cerâmicos em linhas e normalizar os ensaios praticáveis para determinação das propriedades mecânicas e dielétricas desses materiais. Da mesma forma, a publicação IEC 61109 [53] apresenta as mesmas linhas de conduta, mas aplicáveis aos isoladores compósitos. Porém, quanto à preparação das condições necessárias à realização de ensaios em alta tensão, a secção 11.1 dessa norma explicita que os testes para isoladores compósitos devem ser efetuados segundo os parâmetros apresentados no documento IEC 60383, ou seja, da mesma forma que os cerâmicos. Posto isto, a montagem para a realização de ensaios elétricos a cadeias de isoladores na posição vertical (IEC 60383-2 [54]) deve assegurar a fixação da parte superior numa estrutura conectada à terra através do uso de um cabo ou tubo metálico. O topo do isolador deve estar distanciado em pelo menos 1 metro do ponto de fixação. No fundo da cadeia deve ser colocado um tubo na horizontal com um tamanho superior a 1 metro, o qual será ligado à fonte de tensão. O tubo deve estar o mais próximo possível da cadeia mas a uma distância mínima de 0,5 vezes o diâmetro da última. O diâmetro desse tubo é aproximadamente 1.5% da altura da cadeia, com um mínimo 96 Laboratório de Alta Tensão Figura 7.11: Montagem de isolador de suporte segundo os parâmetros estipulados pela norma IEC 60168, e relação entre os tamanhos dos seus constituintes: hé a altura do isolador;La da largura chapa U; do diâmetro das ferragens; ka altura da base; to tamanho do tubo; Mo tamanho da chapa U. de 25 mm. Tem um tamanho mínimo de 1.5 vezes o tamanho do isolador, e deve prolongarse no mínimo 1 metro para cada lado do eixo do isolador. Tem que se garantir que todos os materiais circundantes se encontram a mais de 1.5 vezes (no mínimo 1 metro) o tamanho da cadeia de isoladores. A Figura 7.12 demostra uma solução para a fixação da cadeia de suporte de comprimento reduzido em concordância com as condições apresentadas. Figura 7.12: Montagem de isolador em suspensão segundo os parâmetros estipulados pela norma IEC 60383, e relação entre os tamanhos dos seus constituintes: hdesigna a altura da cadeia, e do diâmetro do isoladores. Capítulo 8 Ensaios Elétricos Tendo em conta as capacidades do recém-inaugurado Laboratório de Alta Tensão da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, procurou-se efetuar um estudo comparativo do comportamento dielétrico à frequência industrial entre isoladores compósitos e isoladores de porcelana para aplicação em linhas de alta tensão. Para tal foram efetuadas as devidas montagens de suporte e estabelecidos os circuitos de alimentação segundo as normas internacionais necessárias à realização deste tipo de ensaios. Os testes efetuados seguiram as linhas de conduta expressas pela normas IEC regentes para este tipo de atividade, nomeadamente a IEC 60061-1 e IEC 60383, por forma a garantir a maior precisão na definição da capacidade dielétrica. É de grande importância ensaiar todos os tipos de isoladores para aplicações exteriores sobre condições de chuva à frequência industrial, porém, uma vez que as instalações são recentes, ainda não é possível realizar este tipo análise no LAT. Todavia, foram simuladas condições de condensação matinal sobre os isoladores para prover noções da importância que as mesmas têm sob o comportamento dos equipamentos. Note-se que esta última não obedece ao rigor internacionalmente exigido, apenas serve para sugerir a redução da capacidade de isolamento, sobretudo em situações de deposição de poluição na superfície do equipamento. A precisão do equipamento de medição do sistema de frequência industrial foi testada através da correspondência entre a tensão de pico aplicada e o espaçamento predeterminado entre duas esferas condutoras de 75 cm de diâmetro, onde se concluiu que o mesmo se encontrava dentro da tolerância de 3%. Essa relação entre o espaçamento das esferas e a tensão que provoca o escorvamento, bem como a tolerância admitida, é estabelecida pela publicação IEC 60052 [55]. 8.1 Objetos de estudo Uma vez que o transformador do sistema de frequência industrial tem um limite máximo de 600 kV, os isoladores ensaiados necessitavam de possuir uma tensão de contornamento em condições secas inferiores a esse valor. Assim sendo, optou-se pelo ensaio a isoladores para linhas de transporte de 150 kV. Foram utilizados dois isoladores compósitos do tipo SiR, iguais, um novo e um usado, e uma cadeia de 10 isoladores de porcelana de campânula e espigão (Figura 8.1). Os 97 98 Ensaios Elétricos compósitos apresentam todas as abas com o mesmo diâmetro e saliências na sua superfície inferior. Ambos os isoladores poliméricos foram fornecidos pela REN, sendo que o exemplar usado foi retirado de serviço de uma das linhas do sul de Portugal, desconhecendo-se as razões que levaram à sua substituição. Este último apresenta a superfície completamente coberta por depósitos de poeiras e sem danos ou degradações aparentes na sua estrutura, tal como é demonstrado na Figura 8.2. Apesar da poluição depositada, a superfície conserva um grau elevado de hidrofobia, o que sugere que permaneceu tempo suficiente em repouso para que esta propriedade migra-se o topo dos sedimentos (Figura 8.2). Figura 8.1: Isoladores para realização de ensaios dielétricos: a) isolador compósito novo (esq) e usado (direita); b) cadeia de isoladores de porcelana. A deposição de sedimentos no isolador usado é destacada pela cor castanha adquirida. As Tabelas 8.1 e8.2 apresentam os dados físicos e mecânicos relativos aos isoladores compósitos e de porcelana, respetivamente. A norma IEC 60038 [56] estabelece os valores máximos de tensão a que um equipamento está sujeito para cada nível de tensão nominal, ou seja, para uma linha de transporte de 150 kV os equipamentos devem ser dimensionados para valores de operação em regime normal, em qualquer parte do sistema, de 170 kV. Este valor não inclui as influências de transitórios ocorridos por seccionamentos de circuitos ou outras variações de tensão temporárias. Note-se ainda que esta tensão é referente à diferença de potencial entre fases, ou seja, um valor composto, quando na verdade os isoladores estão sujeitos à diferença de potencial entre a linha e a terra. Logo, devem ser dimensionados através da tensão simples do valor composto de 170 kV: 8.1 Objetos de estudo 99 Figura 8.2: Pormenor de hidrofobia dos isoladores compósitos: a) isolador compósito novo; b) isolador compósito usado e coberto com sedimentos. UF−T=UF−F √3=170 √3=98.2kV (8.1) Posto isto, a linha de fugas específica para os isoladores compósitos é determinada pela divisão entre o comprimento total de linha de fuga e a tensão máxima a que está sujeito em serviço, tal como demonstrado na expressão 8.1. Tendo em conta a norma IEC 60815, o valor de 44,3 mm/kV corresponde a um caso de poluição elevada (Tabela 5.1), enquanto segundo os valores apresentados Tabela 8.1: Características físicas e mecânicas dos isoladores compósitos ensaiados. 100 Ensaios Elétricos Tabela 8.2: Características físicas e mecânicas de cada unidade de isolador de porcelana da cadeia ensaiada. na norma IEC 60071 trata-se de uma situação de poluição muito elevada. LFEcomposito =4450mm 98.2kV =44,3mm/kV (8.2) Tendo em conta as características dos isoladores de porcelana apresentadas na Tabela 8.2, e admitindo que o dimensionamento efetuado pela REN para este tipo de equipamentos obedece às recomendações apresentadas na norma IEC 60071, tal como sugerido no guia de coordenação de isolamento [57], ou seja, 31 mm/kV para o caso mais desfavorável, obtém-se uma cadeia de isoladores com 10 unidades. Este conjunto perfaz uma linha de fuga total de 3000 mm e uma distância de arco 1300 mm. Note-se ainda que o peso total da cadeia é de aproximadamente 42 kg, enquanto os compósitos pesam apenas 6 kg. 8.2 Montagens realizadas As montagens necessárias à realização dos ensaio aos isoladores tiverem em conta os parâmetros definidos na norma internacional IEC 60383-2 para o caso de cadeias de isoladores em sistemas de corrente alternada. O tamanho dos isoladores não permitiam elaborar um estrutura de suporte metálica semelhante à apresentada na Figura 7.12 devido à altura necessária para garantir que não ocorreria escorvamento para o solo. Posto isto, foram utilizados os dois sistemas de roldanas existentes no LAT, um para suporte do objeto de ensaio e outro para garantir a distância de segurança da terra do circuito. O isolamento do objeto de ensaio relativamente ao cabo de aço de suporte foi garantido pelo uso de um isolador compósito destinado para redes de tensão de 220 kV. Na união entre o objecto de ensaio e o isolador de suporte foi efetuada a ligação de terra. Os isoladores ensaiados foram içados a uma altura superior a 3 metros por forma a garantir que a descarga parcial ocorria entre os terminais do isolador e não para as chapas do solo. O sistema de suporte das ligações de terra foi erguido acima do terminal de terra do isolador ensaiado a fim de manter a ligação fora do alcance da descarga disruptiva e assegurar que a mesma intercetava o terminal desse isolado. 8.3 Procedimento 101 Tal como exigido na norma regente, foi colocado um tubo metálico com 3 metros de comprimento e um diâmetro de 28 mm, centrado com os isoladores ensaiados e ligado ao transformador. As peças de suporte do tubo conferem uma distância de 17 cm à base do isolador. A configuração da montagem realizada serve tanta para os ensaios à frequência industrial como para os ensaios ao choque atmosférico, com uma pequena modificação no sistema de terra, uma vez que no segundo caso o mesmo é efetuado com chapas de cobre finas e largura elevada. A Figura 8.3 demostra as disposições efetuadas para a realização desses ensaios. Figura 8.3: Configuração da montagem efetuada para ensaio dos isoladores. Note-se que a descida do condutor de terra deve ficar suficientemente distante do tubo sob tensão, por forma a não ocorrerem descargas intempestivas. 8.3 Procedimento Os procedimentos de ensaios aos isoladores tiveram em conta os aspetos considerados na norma IEC 60060 para ensaios à frequência industrial, os quais foram expostos anteriormente no Capítulo 7. Para todos os valores de tensão de disrupção registados é necessário aplicar os fatores de correção em função das condições atmosféricas presentes na altura do ensaio, em comparação com os valores standard estipulados e apresentados de seguida: 108 Ensaios Elétricos saias (Figura 8.5), onde permanecem como agentes capazes de deformar o campo elétrico. Esta deformação deve-se às diferentes permeabilidades elétricas da porcelana, água e ar, que provoca intensificação do potencial elétrico nos pontos de junção dos três elementos. Este efeito foi várias vezes observado através de descargas parciais entre as saias da cadeia, sem que essas provocassem o contornamento total da mesma. No caso de superfície molhada, o aumento da tensão aplicada levava ao aparecimento de eflúvios em torno dos espigões dos isoladores de porcelana, com especial enfâse nas primeiras unidades. Ocasionalmente, a primeira saia apresentava descargas parciais de tal forma fortes que interligavam o espigão de suporte do tubo à campânula do respetivo isolador através de vários caminhos ionizados. Quando sujeito a stress elétrico prolongado, o isolador de porcelana respondeu satisfatoriamente a 90% da tensão média de disrupção (igual à registada no isolador compósito). Contudo, para 95% desse valor, o tempo necessário à disrupção foi inferior ao dos compósitos. Já com a superfície molhada, o isolador foi submetido a 278 kV (90%) e 293 kV (95%) e rapidamente foi contornado. Assim sendo, conclui-se que a rigidez dielétrica dos isoladores de porcelana é fortemente afetada pela condensação de água na sua superfície, enquanto os isoladores compósitos apresentam maior resistência às solicitações dielétricas, mesmo com superfície coberta com sedimentos finos. Capítulo 9 Conclusões e Trabalhos Futuros 9.1 Considerações finais Ao longo deste documento foram apresentados vários factos acerca do comportamento dielétrico dos principais materiais empregues para garantir o isolamento elétrico entre linhas condutoras e estruturas de apoio, bem como a importância que os mesmos representam na estabilidade e fiabilidade das redes de transmissão de energia elétrica. Numa primeira fase foram apresentadas a constituição física dos isoladores cerâmicos do tipo de campânula e espigão. Conclui-se que o comportamento deste tipo de equipamento assenta sobretudo na transformação da força mecânica de tração exercida pelos condutos em forças de compressão sob os dielétricos dos diferentes isoladores que formam a cadeia. O sucesso dessa transferência de carga está principalmente relacionado com a forma do dielétrico, visto que é maximizada com o ângulo entre a saia e a parte vertical menores que 90o. Todavia, quanto menor for esse ângulo, maior será a concentração de forças em locais críticos, de tal forma que pode originar a fratura do dielétrico, devendo o desenho deste constituinte obedecer a um compromisso entre estas duas exigências mecânicas. Além disso, verifica-se grande preocupação com a coesão entre o dielétrico e as ferragens metálicas, necessitando de garantir uma expansão correta do cimento que as interliga. A porcelana destaca-se como o dielétrico de maior aplicação neste tipo de equipamentos, justificada pelo excelente desempenho a forças de compressão, grande resistência a ataques químicos e um elevado conhecimento do modo de funcionamento adquirido ao longo de várias décadas de aplicação no sistema elétrico. De facto, a porcelana desde sempre acompanhou a evolução da construção das redes elétricas mundiais. No entanto, em ambientes com poluição elevada, a superfície é facilmente coberta por contaminantes que diminuem a resistividade superficial do isolador, além de apresentar um comportamento pobre face à condensação de humidade ou chuva, permitindo aglomeração das gotas depositadas. A cobertura da superfície dos isoladores comuns com uma tinta de silicone aumenta significativamente a rigidez dielétrica em locais de poluição elevada, sendo esta solução cada vez mais aplicada pela indústria. Atualmente, assiste-se a uma tendência crescente de utilização de isoladores de vidro em linhas 109 110 Conclusões e Trabalhos Futuros elétricas de tensão mais elevada, baseada no facto de estes equipamentos estilhaçarem toda a saia em caso de defeitos, como fraturas internas, permitindo rapidamente identificar e substituir unidades danificadas. O método de interligação dos isoladores de campânula e espigão proporciona grande versatilidade na especificação da linha de fugas, aumento da rigidez dielétrica e capacidade mecânica através do aumento de isoladores que compõem a cadeia. Essa versatilidade permite o uso destes equipamentos nos mais variados níveis de tensão do sistema elétrico, bem como em diversos tipos de aplicação. Os isoladores compósitos surgiram nos finais da década de 60 como possíveis substitutos dos isoladores convencionais para linhas elétricas. Ao longo de quatro décadas de aplicação foram alcançados conhecimentos importantes quanto à sua estabilidade elétrica e mecânica que proporcionaram o avanço da qualidade e fiabilidade destes equipamentos. Dos principais esforços efetuados destacam-se o aumento da resistência química das fibras de vidro que compõem o núcleo interno, aumento da qualidade de selagem do mesmo e apuramento das misturas que constituem o revestimento exterior. Como o revestimento é composto por elementos orgânicos, torna-se suscetíveis a ataques químicos por reação com elementos atmosféricos verificando-se a degradação da superfície. Porém, e ao contrário dos cerâmicos, essas mesmas ligações proporcionam um comportamento não quebradiço e com baixa energia livre na sua superfície. O comportamento mais notável deve-se à estabilidade energética superficial do revestimento, que possibilita um comportamento extraordinário quanto à aderência da água, tornando-a altamente hidrofóbica e com excelente atuação face à poluição, logo, mais resistente a contornamento em situações de chuva. Dos vários polímeros aplicados neste tipo de tecnologia, destaca-se a borracha de silicone pela sua hidrofobia, contudo não deve ser aplicada de forma pura, visto que o seu comportamento mecânico progride com o aumento da percentagem de polímero EPDM utilizado. Além disso, a adição de fillers proporcionam o aumento da resistência à tração, condução térmica, aumento da temperatura máxima suportável e redução de custo. A eficácia destes últimos está relacionada com o tamanho das partículas e quantidade envolvida na mistura do polímero final. Fatores como o nível de tensão, grau de poluição, tipo de clima, dimensionamento do isolador e qualidade de material são determinantes no período de vida útil dos isoladores. Pretende-se que os equipamentos desempenhem corretamente as suas funções ao longo dos anos de vida útil e para tal, a monitorização das condições físicas dos isoladores ou a previsão da necessidade de manutenção são fundamentais. O correto dimensionamento da linha de fugas e do perfil do isolador bem como a previsão das condições ambientais presentes nos trajetos das linhas são medidas passivas que permitem determinar a periocidade de inspeções visuais a serem realizadas aos equipamentos. Essas inspeções podem ser efetuadas através de várias técnicas, algumas com maior fiabilidade e complexidade. O envelhecimento dos isoladores compósitos pode originar degradações ou danos na sua estrutura que poderão obrigar a sua substituição, uma vez que certas modificações podem comprometer a estabilidade mecânica do esquipamento e consequentemente, a continuidade de serviço das respetivas linhas. Já os cerâmicos são vulneráveis a danos por impacto devido à fragilidade do 9.1 Considerações finais 111 dielétrico, todavia altamente resistente a ataques químicos e descargas elétricas, especialmente no caso da porcelana. A degradação das propriedades elétricas e mecânicas dos isoladores devem-se à combinação de vários agentes naturais e circunstâncias de operação que os equipamentos enfrentam ao longo do seu tempo de serviço. A poluição ambiental representa uma das maiores ameaças à integridade da estrutura e condições de operação dos isoladores, destacando-se o efeito dos raios ultravioleta nos polímeros e a acumulação de sedimentos na superfície. Além disso, a distribuição dos campos elétricos pode causar degradações intensas nas regiões mais próximas dos terminais dos isoladores, através de fenómenos elétricos como o efeito de coroa e descargas parciais. Estas atividades são intensificadas pela presença de água na sua superfície, e como tal, mais propícia de ocorrer nos cerâmicos. Verifica-se ainda que o armazenamento, transporte e instalação dos equipamentos são deveras importante para assegurar as devidas condições mecânicas, as quais são essenciais ao funcionamento correto em serviço. A conquista de espaço no mercado por parte dos isoladores compósitos foi um processo gradual e diretamente relacionado com as experiências relatadas pelas companhias que apostavam nas suas características para a resolução de problemas para os quais os cerâmicos não eram capazes. Destas destacam-se a hidrofobia superficial e capacidade de transmissão desta para o topo da camada de poluição depositada após algum tempo sem solicitações significativas. Além disso, o peso muito inferior aos cerâmicos, a resistência ao vandalismo e rigidez mecânica permitem obter poupanças expressivas durante o tempo de serviço. Por outro lado, as ligações dos isoladores de campânula e espigão fornecem grande versatilidade no comprimento das cadeias utilizadas e extensas linhas de fugas, o que permite que sejam aplicados em todos os níveis de tensão. No entanto, é a experiência adquirida ao longo de várias décadas de aplicação dos cerâmicos que leva à preferência deste tipo de tecnologia, visto que o seu comportamento é mais previsível. O conhecimento das características dos materiais é fundamental para efetuar dimensionamentos em concordância com as condições esperadas em serviço. A determinação da rigidez dielétrica dos isoladores através de ensaios elétricos em ambiente laboratorial permite elucidar sobre o comportamento dos mesmos em condições representativas das enfrentadas em serviço. As experiências elétricas elaboradas neste trabalho permitem concluir que a capacidade dielétrica dos isoladores cerâmicos é fortemente afetada pela condensação de água na sua superfície, enquanto os isoladores compósitos, mesmo em caso de grande acumulação de poluição, mantém o mesmo grau de confiança comparativamente ao caso seco. Como tal, comprova-se que a hidrofobia por eles apresentada é uma mais-valia para a fiabilidade do sistema elétrico. Apesar de ainda existirem descrenças quanto aos isoladores compósitos, conclui-se que os mesmos representam uma aposta cada vez mais segura para aplicação em linhas elétricas, uma vez que a evolução dos métodos de fabrico e materiais utilizados providenciam maior resistência aos agentes de degradação, proporcionando ainda garantias de comportamentos distintos em ambientes de grande poluição. Além disso, as vantagens económicas inerentes à aplicação destes equipamentos representam um ponto deveras importante para a sua escolha. O seu comportamento dielétrico face a situações de poluição forte permite aumentar os níveis de confiança nos troços linhas de transmissão localizadas em zonas de risco elevado e com tendência de disrupções. Com 112 Conclusões e Trabalhos Futuros a proliferação desta tecnologia, antevê-se uma redução global dos preços de aquisição, permitindo elevar os casos de aplicação desta tecnologia. Portanto, conclui-se que o aumento da aplicação dos isoladores compósitos pode de facto apresentar vantagens técnicas e económicas para a exploração da rede de transmissão nos vários níveis de tensão e circunstância enfrentadas. 9.2 Trabalhos futuros Neste trabalho foram avaliadas várias vantagens técnicas e económicas da instalação de isoladores compósitos em linhas elétricas, em detrimentos dos convencionais isoladores de campânula e espigão. Atendendo à geografia do território português, e aos trajetos das linhas de alta tensão, é percetível que um grande número de apoios estão sujeitos a níveis de poluição elevados devido à proximidade da costa, de centros urbanos ou de áreas mais áridas. Portanto, seria proveitoso avaliar o impacto técnico e económico da utilização de isoladores compósitos em vários níveis de tensão. Mais, uma vez que a indústria aposta no revestimento de isoladores cerâmicos com tinta de silicone para incrementar a rigidez dielétrica, considera-se interessante um estudo comparativo entre este tipo de solução e os isoladores compósitos. Referências [1] ISO/IEC. Insulation co-ordination - Part 2: Aplication guide. IEC 60071-2, third edição, 1996. [2] Hiroya Homma, Toshiyuki Kuroyagi, Ryuichi Ishino, e Takeshi Takahashi. Comparison of leakage current properties between polymeric insulators and porcelain insulators under salt polluted conditions. Em Electrical Insulating Materials, 2005.(ISEIM 2005). Proceedings of 2005 International Symposium on, volume 2, páginas 348–351. IEEE, 2005. [3] JST Looms. Insulators for high voltages, volume 7. Peter Peregrinus Limited, 1988. [4] PM Pakpahan, MA Djauhari, et al. Investigation of comparison on porcelain and epoxy resin insulator conditions from a coastal area due to various parameters. Em Universities Power Engineering Conference, 2008. 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