Melhoramento da tensão disruptiva de cadeias de isoladores de

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
MELHORAMENTO DA TENSÃO DISRUPTIVA DE CADEIAS DE
ISOLADORES DE VIDRO PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO
DISSERTAÇÃO SUBMENTIDA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
LUIZA ROBERTA PEREIRA LEITE
ORIENTADOR: Prof. Dr. ARMANDO HIDEKI SHINOHARA
RECIFE, DEZEMBRO DE 2006
2
3
4
“A imaginação é mais importante que o conhecimento”
Albert Einstein
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente à Deus, que fez com que tudo isso se tornasse possível.
Ao Prof. Dr. Armando Hideki Shinohara, que ao longo desses anos teve um papel
fundamental na minha formação acadêmica, pela valiosa orientação e pela confiança de que
poderíamos realizar um bom trabalho.
Ao Engenheiro Gustavo Xavier e ao Prof. Dr. Edson Guedes da Costa, pela
colaboração com informações valiosas para estruturação do meu trabalho.
À Chesf, ANEEL e ao CNPq pelo suporte financeiro.
À minha mãe por apoiar e incentivar meu trabalho, pelo amor incondicional e por
estar sempre presente em todos os momentos da minha vida.
À toda minha família, por acreditar na minha capacidade, me incentivando nos
momentos mais importantes.
À minha prima Livia Renata P. Torres, que sempre torceu para o meu sucesso.
À Roberto José A. Silva, pelo apoio e companheirismo.
Aos meus amigos e amigas, pela imensa torcida e incentivo permanente.
Enfim, a todos que direta ou indiretamente colaboraram na execução deste trabalho.
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RESUMO
As cadeias de isoladores de vidro são largamente utilizadas tanto para isolar os
condutores de eletricidade da terra como suportá-los mecanicamente nas torres das linhas
de transmissão. A quebra parcial ou total das partes vítreas dos isoladores de vidro, por
exemplo, por vandalismo, reduz drasticamente a suportabilidade à tensão elétrica devido à
diferença de potencial e é um problema mundial porque é responsável por um número
significativo de desligamentos não programados pelas empresas do setor elétrico.
Na presente dissertação, visou-se estudar a tensão de disrupção numa cadeia de
isoladores de vidro com diferentes unidades com a parte vítrea quebrada simulando uma
linha de transmissão de 230 kV. Visou-se também desenvolver técnicas para aumentar a
suportabilidade à tensão de disrupção aumentando a rigidez dielétrica da atmosfera em
torno da cadeia de isoladores, assim como dos isoladores com aplicação de materiais
dielétricos.
Os seguintes experimentos foram realizados visando atingir os objetivos: (i)
caracterizar os isoladores por radiografia digital para conhecer detalhes de sua estrutura
interna; (ii) estudar a influência da distribuição dos isoladores de vidro com as saias vítrea
quebradas ao longo da cadeia com dezesseis unidades, (iii) estudar a influência de
atmosferas de ar e de gás SF6 sob pressões de até 1,3 atm numa câmara de acrílico
utilizando até três isoladores e à freqüência industrial (60 Hz), (iv) estudar a utilização da
jaqueta polimérica para aumentar a tensão disruptiva de isoladores.
Estudos das tensões disruptivas foram realizadas em cadeias com 12, 10 e 9
isoladores de vidro com parte vítrea quebrada e distribuídos ao longo da cadeia em cinco
diferentes configurações. Para efeito de comparação, a temperatura, pressão e umidade
relativa foram corrigidas de acordo com a norma NBR 6936. As medidas de tensão
disruptiva foram realizadas à freqüência industrial e sob impulso de manobra nas
polaridades positiva e negativa. Como resultado, nas cadeias de isoladores de vidro com 6
unidades inteiras e 10 quebradas, observou-se uma diferença significante nos valores das
tensões disruptivas em função da mudança na distribuição dos isoladores inteiros e
quebrados ao longo da cadeia. Um resultado interessante ocorreu quando utilizamos 6
isoladores inteiros uniformemente distribuídos ao longo da cadeia e intercalados com 10
isoladores quebrados, onde obteve-se a tensão disruptiva de 459 kV, maior que quando
utilizamos 7 isoladores inteiros intercalados com 9 quebrados, onde obteve-se o valor de
tensão disruptiva de 448 kV. Este resultado pode ser atribuído à distribuição não uniforme
de campo elétrico ao longo da cadeia e aumento do caminho. Nos ensaios com a câmara de
atmosfera controlada, não se observou influência significativa da atmosfera de ar e SF6 e da
pressão no valor da tensão disruptiva nos isoladores de vidro com as saias quebradas, que
foi em torno de 15 kV. Por outro lado, o valor da tensão disruptiva para isoladores inteiros
sob atmosfera de SF6 e sob a pressão de 1.3 atm alcançou um valor de 120 kV, enquanto
que o valor da tensão disruptiva na atmosfera de ar e pressão local foi de 80 kV. Estudo
comparativo sobre a tensão disruptiva da cadeia de 16 isoladores de vidro com as partes de
vidro totalmente quebradas mas com pinos revestidos com jaqueta de nylon mostrou que a
tensão disruptiva foi de 375 kV, que é cerca de 3,5 vezes superior do que uma cadeia com
16 isoladores quebrados convencionais.
Consequentemente, os resultados positivos obtidos no presente trabalho poderão,
com estudos mais detalhados, assegurar no futuro: um maior segurança na atuação das
equipes que trabalham na manutenção de linhas energizadas e minimizar a quantidade de
desligamentos das linhas de transmissão.
Palavras-chaves: isoladores de vidro, tensão disruptiva, radiografia digital, gás SF6, Lei de
Paschen, linhas de transmissão, vandalismo.
7
ABSTRACT
Glass insulators chains are largely employed in the hot lines to isolate the electricity
conductors from the earth and suppor them at the transmission line towers. The partial or
total breaking of glass parts of the glass insulators, for example, for vandalism, drastically
reduces the electric breakdown and is a national problem, responsible for a significant
number of disconnections not programmed for the companies of the electric sector.
At the present work, was aimed at to study the electric breakdown in a glass insulator
chain with different units with the glass part broken simulating a 230 kV transmission line. It
was also aimed at to develop techniques to increase the electrical breakdown of the
atmosphere around the insulators chain as well as of the insulators with application of
dielectric materials.
The following experiments were conducted: (i) characterization of the insulators for
digital x-ray, to know details of its internal structure; (ii) influence of distribution and position
of glass insulators with broken glass sheds along the insulators string with sixteen units in
suspension mode; (iii) influence of air and SF6 gas atmospheres up to 1,3 atm. in an acrylic
chamber using until three insulators and industrial frequency (60 Hz); (iv) study of a polimeric
jacket to increase the electrical breakdown of insulators.
Measurements of the electrical breakdown voltages were conducted with twelve, ten
and nine insulators with broken glass sheds distributed along the strings in five different
configurations. For the comparison effect, the temperature, pressure and relative humidity
had been corrected in accordance with the norm NBR 6936. The electrical breakdown was
conducted in the industrial frequency, and in switching impulse with positive and negative
polarities. As a result, in glass insulators chains with 6 good insulators and 10 broken units, a
significant difference in the electrical breakdown voltage values was observed as a function
of position and distribution of good and broken glass insulators. An interesting result is that
an insulator string with six good glass insulators and almost uniformly distributed along with
ten broken glass sheds showed higher electrical breakdown value, 459 kV, than and string
with seven good glass insulators, 448 kV, intercalated with nine broken insulators. This result
can be atributed to non uniform distribution of electrical field along the string and relatively
longer path. For tests with the chamber, no significant influence of air and SF6 atmosphere
and pressure on electrical breakdown voltage values could be observed for insulator with
broken glass sheds, that it was around 15 kV. On the other hand, electrical breakdown
voltage value was 120 kV for a good glass insulator in the SF6 atmosphere at 1,3 atm., and
no more than 80 kV in air at room temperature and local pressure. Comparative study about
electric breakdown os chains with 16 glass insulators with broken glass parts but with bolts
coated with nylon jacket it showed electric breakdown was of 375 kV, that is about 3,5 times
superior of that a chain with 16 broken conventional insulators.
Consequently, the gotten positive results in the present work will be able, with
detailed studies more, to assure in the future: a bigger security in the performance of the
teams that work in energized lines maintenance and to minimize the amount of
disconnections of the transmission lines.
Key words: glass insulator, electrical breakdown, computed radiography, SF6 gas, Paschen
law, transmission line, vandalism.
8
SUMÁRIO
1. Introdução...............................................................................................................9
1.1 Apresentação do problema e motivação ...................................................................10
1.2 Objetivos ................................................................................................................... 12
2. Radiografia computadorizada de alta definição para avaliação dos isoladores de
vidro empregados em linhas de transmissão........................................................14
2.1 Introdução ..................................................................................................................15
2.1.1 Princípio da metodologia do filme digital Imaging Plate ....................................15
2.2 Materiais e métodos....................................................................................................15
2.3 Resultados e discussão .............................................................................................16
2.4 Conclusões ................................................................................................................19
3. Avaliação experimental das tensões de disrupção nas cadeias de isoladores de
vidro parcialmente danificadas por vandalismo ...................................................20
3.1 Introdução ..................................................................................................................21
3.2 Materiais e métodos....................................................................................................21
3.3 Resultados e discussão ............................................................................................25
3.4 Conclusões ................................................................................................................28
4. Estudo da tensão disruptiva em cadeias de isoladores de vidro danificadas, em
atmosferas de SF6 e ar ........................................................................................29
4.1 Introdução ..................................................................................................................30
4.1.1 Propriedades dos gases isolantes – O ar ......................................................30
4.1.2 Propriedades dos gases isolantes – O SF6 ....................................................31
4.1.3 Lei de Paschen ...............................................................................................32
4.1.4 Aplicação da Lei de Paschen com referência ao SF6 para construção de um
dispositivo de re-isolamento dos isoladores....................................................33
4.2 Materiais e métodos....................................................................................................33
4.3 Resultados e discussão ............................................................................................37
4.4 Conclusões ................................................................................................................43
5. Estudo da jaqueta polimérica para aumentar a tensão disruptiva de isoladores
utilizados em linhas de transmissão ....................................................................44
9
5.1 Introdução ..................................................................................................................45
5.1.1 Características de alguns materiais selecionados para os ensaios...................45
5.2 Materiais e métodos....................................................................................................46
5.2.1 Ensaio de tensão disruptiva com isoladores quebrados utilizando materiais
poliméricos em substituição ao cimento .........................................................46
5.2.2 Teste de disrupção à freqüência industrial no Instituto de Eletrotécnica e
Energia (IEE) da Universidade de São Paulo .................................................49
5.3 Resultados e discussão .............................................................................................52
5.3.1 Ensaio de tensão disruptiva com isoladores quebrados utilizando materiais
poliméricos em substituição ao cimento .........................................................52
5.3.2 Teste de disrupção à freqüência industrial no Instituto de Eletrotécnica e
Energia (IEE) da Universidade de São Paulo .................................................53
5.4 Conclusões ................................................................................................................54
6. Conclusões ..........................................................................................................55
7. Referências ..........................................................................................................58
10
1. INTRODUÇÃO
11
1.1 Apresentação do Problema e Motivação
Os isoladores são utilizados tanto para isolar os condutores da terra como
para suportar ou fixar condutores nas linhas de transmissão. Individualmente ou na
forma de cadeias devem apresentar resistência mecânica suficiente para suportar os
esforços provenientes do levantamento do cabo, peso do cabo, temperatura, ação
do vento, e o peso dos outros isoladores na cadeia. O uso de cadeias de isoladores
nas linhas de transmissão reduz a vibração mecânica transmitida à torre, reduz o
custo e facilita a manutenção (Fuchs, 1979).
Nas linhas de transmissão, o isolador está sujeito a um ambiente vulnerável,
tais como cargas mecânicas, campo elétrico intenso, à ação de intempéries e
danificações por vandalismo. Atualmente, existem vários tipos de isoladores: vidro
temperado, porcelana e polimérico (figura 1.1). Cadeias de isoladores constituídas
com isoladores de vidro ou de porcelana são utilizados há mais de 120 anos em
linhas de transmissão. Mais recentemente, isoladores de compósito, conhecido
também de isoladores poliméricos, começaram a ser empregados nas linhas de
transmissão a partir da década de 70 (Yanaguizawa, 2003).
(a)
(b)
(c)
Figura 1.1 – Fotos de isoladores para linhas de transmissão de alta tensão: (a)
Isolador de vidro; (b) Isolador de porcelana; (c) Isolador poliméricos (Santa
Teresinha, 2006; Alonso, 2006 )
Especificamente, os isoladores de vidro possuem uma vida útil relativamente
longa, podendo chegar até 65 anos ou mais. Em termos construtivos, um isolador de
vidro consiste de seguintes partes: campânula metálica, disco de vidro temperado,
pino metálico e cimento aluminoso. Para efeito de ilustração, a figura 1.2 mostra um
esquema de um isolador conha-bola. O vidro utilizado é temperado com excelente
propriedade dielétrica e possui formato de um “chapéu”. A campânula e o pino são
de aços galvanizados. O cimento tem a função estrutural de fixar o pino metálico ao
disco de vidro temperado e pode suportar cargas mecânicas elevadas, dependendo
12
do tipo de isolador, de 80 kN a 240 kN (Leite, 2004). A utilização dos isoladores em
linhas de transmissão deve estar de acordo com a norma nacional da ABNT –
Associação Brasileiro de Normas Técnicas (NBR 5032).
Campânula
Cupilha
Cimento
Vidro
Pino de aço
Impermeabilização
Figura 1.2 - Esquema de isolador de vidro e suas respectivas partes construtivas
(Pavlik, 1989).
A quebra parcial e total da cadeia de isoladores de vidro, por vandalismo, é um
problema nacional e é responsável por um número significativo de desligamentos
não programados pelas empresas do setor elétrico. A quebra parcial ou total
também pode resultar em desligamentos programados quando o número de
isoladores na cadeia é inferior ao número mínimo estabelecido para atuação das
equipes que trabalham com linhas energizadas, pois as quantidades de isoladores
remanescentes na cadeia não oferecem segurança mínima para a realização das
substituições dos isoladores danificados. De acordo com a regulamentação da
Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf), empresa responsável pela
geração de energia para todo o nordeste do Brasil, uma equipe especializada em
intervenções nas linhas de transmissão energizadas só atua, por exemplo, numa
linha de 230 kV, se esta possuir pelo menos 7 isoladores inteiros, dentre os 16 que
constituem a cadeia, independente de suas posições na cadeia, e se o tempo estiver
nas condições consideradas ótimas (Xavier, 2003).
13
(a)
(b)
Figura 1.3 – (a) e (b) Fotos de eletricistas trabalhando nas linhas de transmissão
As novas regras do setor elétrico e as regulamentações mais rigorosas impõem
ao setor elétrico o aprimoramento do fornecimento de energia de forma contínua e
de qualidade. Dentro deste contexto, a busca de uma solução por um processo
seguro e economicamente viável para obtenção do aumento do isolamento de uma
cadeia de isoladores, mesmo depois de danificados, que permita a atuação com
segurança das equipes de eletricistas que trabalham com linhas energizadas é de
fundamental importância.
Sabe-se que o valor da tensão disruptiva de um isolador de vidro típico íntegro
para alta tensão de disrupção pode chegar até 80 kV. Mas, com parte vítrea
quebrada, o isolador não suporta mais que 13 kV, devido à diminuição de caminho
entre o pino e campânula e também devido à porosidade do cimento utilizado em
seu interior (Leite, 2003). Para contornar este problema de vandalismo, a Chesf tem
substituído as cadeias de isoladores de vidro por isoladores poliméricos. Entretanto,
quando as saias dos isoladores poliméricos sofrem perfurações, tais furos
praticamente ficam imperceptíveis, mas o mais agravante problema neste tipo de
isolador é a quebra por fratura frágil do compósito que forma o seu interior, e como o
isolador suporta mecanicamente o cabo, este é levado ao chão (Xavier, 2003). Uma
possível causa é devido ao ingresso da umidade no núcleo do compósito e
ocorrência de descargas parciais, fragilizando o compósito. Por esse motivo, a
Chesf, que possui mais de 18 mil km de linhas de transmissão, vem utilizando em
sua maioria os isoladores de vidro (cerca de 80 % do total de isoladores em
operação). De acordo com os dados fornecidos pela Chesf, de um monitoramento
realizado durante o período de 13 anos, entre 1988 a 2001, mostra que ocorreram
339 desligamentos das linhas de transmissão do sistema Chesf, que operam com 69
kV, 138 kV, 230 kV e 500 kV. Deste total, 75% foram causados por atos de
vandalismo. Os 25% restantes foram devidos às descargas atmosféricas, falhas de
fabricação dos equipamentos, manutenção e etc. Em torno de 40% de
desligamentos por vandalismo causaram desligamentos automático e 60%
remanescentes, foram desligados de acordo com a programação da Chesf (Chesf,
2001).
14
Causas dos 339
desligamentos
75%
25%
Vandalismo
Outros
Tipo de desligamento
por vandalismo
60%
40%
Intencional
Automático
Figura 1.4 – Gráficos com causa dos desligamentos monitorados pela Chesf entre os
anos de 1988 a 2001. (Yanaguizawa, 2003)
1.2 Objetivos
Dentro do atual cenário de atos de vandalismo existentes nas cadeias de
isoladores de vidro, e na tentativa de desenvolver metodologias capazes de
minimizar desligamentos nas linhas de transmissão de energia elétrica e aumentar a
confiabilidade dos trabalhos de substituição dos isoladores, este trabalho teve por
objetivo estudar o comportamento das cadeias de isoladores de vidro utilizadas nas
linhas de transmissão de 230 kV quando submetidas à tensão em diversas
configurações e arranjos de isoladores inteiros e quebrados na cadeia, bem como
desenvolver técnicas para o aumento da tensão disruptiva dessas cadeias, seja
aumentando a suportabilidade de tensão da atmosfera circundante aos isoladores
através do aumento da rigidez dielétrica da atmosfera, obtida com a aplicação de
gases que possuem um valor elevado de tensão disruptiva, bem como aumentando
a suportabilidade do próprio isolador, através da aplicação de materiais isolantes
com ótimas características dielétricas no interior dos isoladores.
‰
Objetivo geral:
Desenvolver uma técnica de aumento da suportabilidade de tensão dos
isoladores de vidro para assegurar maior eficiência na atuação das equipes que
trabalham em linhas energizadas e minimizar a quantidade de desligamentos nas
linhas de transmissão.
‰
Objetivos Específicos:
ƒ
Caracterizar o isolador por radiografia digital para observar sua estrutura
interna.
Estudar o comportamento de cadeias de isoladores de 230 kV quando
submetidos à tensão em diversos arranjos de posições de isoladores
quebrados e inteiros ao longo da cadeia.
Desenvolver uma técnica que proporcione o aumento da tensão de disrupção
da cadeia, seja atuando externamente (aumento da suportabilidade de
atmosfera externa ao isolador) ou internamente (modificação da estrutura
ƒ
ƒ
15
ƒ
interna do isolador com o objetivo de aumentar o valor da tensão disruptiva do
isolador mesmo depois de quebrado).
Realizar ensaios para avaliar as características elétricas do isolador
modificado, bem como seu comportamento quando utilizado na forma de
cadeia.
2. RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA DE
ALTA DEFINIÇÃO PARA AVALIAÇÃO
DOS ISOLADORES DE VIDRO
EMPREGADOS EM LINHAS DE TRANSMISSÃO
16
2.1 Introdução
Neste capítulo, realizou-se um estudo comparativo entre isoladores de vidro
íntegro e com a parte vítrea quebrada utilizando uma fonte de irídio-192 de
baixíssima atividade.
2.1.1 Princípio da metodologia do filme digital Imaging Plate
Na década de 80, visando aplicação médica, a FujiFilm do Japão desenvolveu
um detetor inovativo bidimensional denominado de IP – Imaging Plate para
radiografia, que possui mesclas das características dos detetores de pulso e integral.
Em 1985, as características do IP foram detalhadamente investigadas e testadas
como detetor de raios-X nas técnicas de difração e espalhamento de raios-X com
radiação sincrotron (Jagannathan, 2000; Blettner, 2000; Veith, 2000; Amemiya,
1993;) e observou-se seguintes características: altíssima sensitividade, tempo
relativamente curto para aquisição de imagens, faixa dinâmica maior, linearidade
superior, excelente resolução espacial da ordem 25 mm, dados digitais são obtidos
diretamente da leitora para o computador para tratamento de imagens.
A figura 2.1 mostra a excepcional linearidade do Imaging Plate em relação o
método filme convencional, quando ambos são submetidos a diferentes doses de
radiação ionizante. A abscissa corresponde a doses de radiação emitidas por uma
amostra padrão de 32P (radiação beta de 1,7 MeV). O eixo da ordenada à esquerda
representa a quantidade de radiação luminescente acumulada pelo Imaging Plate. O
eixo da ordenada à direita mostra à densidade de escurecimento de um filme de
raios-X. Estas características são também similares para feixes de partículas beta de
diferentes energias, elétrons, raios-X e raios-gama (Shinohara, 2005).
17
Figura 2.1 - Comparação da linearidade dos detetores IP e filme de raios-X quando
expostos à radiação beta de 32P por um período de 18 h. (Fujifilm global, 2006)
2.2 Materiais e métodos
Foram utilizados isoladores de vidro típico de 10 polegadas de diâmetro, os
quais são utilizados em linhas de transmissão, íntegro e com a parte vítrea quebrada
(figura 2.2), que foram radiografados no Departamento de Energia Nuclear (DEN) da
Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) com um sistema de radiografia
industrial digital IP utilizando uma fonte de irídio-192 de 3 mm de diâmetro e com 1,5
Ci de atividade. A distância entre a fonte e o detetor IP foi mantida em 65 cm. O
tempo de exposição foi em torno de 300 segundos.
(a)
(b)
Figura 2.2 – (a) Isolador de vidro inteiro e (b) isolador de vidro quebrado,
utilizados para ensaio com radiografia digital.
Foi utilizada para leitura do filme Imaging plate um leitor da marca Cyclone
(figura 2.3), cujo controle é realizado através de computador.
18
(a)
(b)
Figura 2.3 – (a) Leitor de Imaging plate. (b) detalhe da retirada do filme de dentro do
leitor.
O software utilizado para processamento das imagens de radiografia digital foi
o Vixwin, onde foi utilizado o filtro “emboss” para realçar os detalhes do inteiror do
isolador e melhorar a visualização dos detalhes.
2.3. Resultados e discussões
As figuras a seguir mostram os resultados de ensaios de radiografia industrial
digital em isoladores de vidro utilizando o filme IP e processamento de imagens
digitais com filtros.
A figura 2.4 mostra as imagens radiográficas de um isolador íntegro antes e
após o processamento de imagem. A estrutura construtiva de um isolador de vidro é
complexa, que é composto de partes metálicas (campânula, cupilha e pino), vidro e
cimento estrutural. O pino metálico é fixado no interior do vidro através do cimento. A
figura 2.4(b) mostra a imagem com foi obtida através do IP. Como mostra a figura
2.4(c), a aplicação do filtro “emboss” destaca detalhes, que não são possíveis de ser
observados na imagem obtida.
(a)
(b)
19
(c)
Figura 2.4 - (a) foto de campânula e parte do vidro de um isolador íntegro, (b)
imagem radiográfica obtida pelo sistema IP e, (c) imagem processada utilizando o
filtro “emboss”.
A figura 2.5 mostra as imagens radiográficas de um isolador de vidro com a
parte vítrea quebrada. Em contraste com a imagem de um isolador de vidro íntegro,
observa-se uma textura que pode ser atribuída como sendo as fraturas do vidro no
interior do isolador. Para averiguar esta hipótese, a figura 2.6 mostra o interior do
isolador de vidro quebrado, após a retirada do cimento e pino metálico. Pelo fato do
vidro ser temperado, uma vez que a saia de vidro é quebrada, a fratura propaga-se
em toda sua extensão, inclusive no interior do isolador. Aplicando o filtro “emboss”, a
textura pode ser realçada. Portanto, a textura observada na imagem radiográfica
digital do isolador quebrado, é devido à fratura do vidro, que usualmente seria difícil
de observar numa radiografia convencional com filme de raios-X.
(a)
20
(b)
(c)
Figura 2.5 - (a) foto do isolador quebrado utilizado para ensaio de radiografia digital,
(b) imagem radiográfica obtida pelo sistema IP e, (c) imagem processada utilizando
o filtro “emboss”.
(a)
(b)
Figura 2.6 - (a) Vista do interior do isolador após a retirada do cimento e pino e
(b) detalhes do interior.
21
2.4 - Conclusões
Como resultado, imagens radiográficas de ótima qualidade foram obtidas e,
através de processamento de imagens digitais utilizando um filtro, pôde-se realçar e
discernir detalhes que são difíceis de extrair em imagens originais, sem
processamento, possibilitando assim, obter imagens radiográficas de alta definição.
Ademais, mesmo utilizando uma fonte radioativa de baixíssima atividade,
imagens radiográficas foram coletadas num tempo relativamente curto. Do ponto de
vista de proteção radiológica, é muito mais seguro pois os operadores ficam sujeitos
às doses mínimas e o tempo necessário para operar o sistema de radiografia IP é
substancialmente reduzido.
Estes resultados são animadores e abrem perspectivas para aplicação em
vários setores de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, inclusive
em plena operação do sistema.
22
3. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DAS TENSÕES
DE DISRUPÇÃO NAS CADEIAS DE
ISOLADORES DE VIDRO PARCIALMENTE
DANIFICADAS POR VANDALISMO
3.1 Introdução
Este capítulo tem o objetivo de avaliar a tensão disruptiva dos isoladores
quando utilizados em forma de cadeia, e submetidos à tensão. A partir destes
ensaios, pôde-se avaliar em quais configurações as cadeias representam os
melhores valores de suportabilidade de tensão.
3.2 Materiais e métodos
Nesta seção, descreve-se um estudo experimental comparativo sobre tensões
disruptivas nas cadeias de isoladores de vidro. No estudo são utilizadas tensões na
freqüência industrial e impulso de manobra com polaridades positiva e negativa. A
comparação é realizada entre duas cadeias de isoladores de vidro:
a) A primeira é constituída por 7 isoladores inteiros e 9 isoladores quebrados; Este
número representa a quantidade mínima de isoladores inteiros contida em uma
23
cadeia para que as equipes de manutenção possam atuar na linha energizada
com segurança. (Xavier, 2003).
b) A segunda por 6 isoladores inteiros e 10 isoladores quebrados; Esta
configuração foi selecionada por conter apenas 1 isolador inteiro a menos que a
configuração anterior tida como padrão para ensaios em linhas energizadas.
Com isso pôde-se avaliar melhor o comportamento da tensão disruptiva das
cadeias, com relação ao número e posicionamento dos isoladores inteiros.
Para reproduzir as condições mais prováveis que ocorrem no campo, quando
da atuação dos vândalos, 5 configurações diferentes de cadeias de isoladores foram
montadas:
•
•
•
•
•
Configuração 1: apresenta todos os isoladores inteiros juntos e colocados na
parte superior da cadeia (próximo ao terminal de terra);
Configuração 2: apresenta todos os isoladores inteiros juntos e colocados no
final da cadeia (próximo ao terminal de fase);
Configuração 3: apresenta todos os isoladores inteiros juntos e colocados na
parte central da cadeia;
Configuração 4: formada pela distribuição aleatória dos isoladores inteiros ao
longo da cadeia;
Configuração 5: os isoladores inteiros estão dispostos nas partes superior e
inferior da cadeia e os isoladores quebrados estão todos agrupados no meio
da cadeia.
As cadeias utilizadas são do tipo empregadas em uma linha de transmissão
de 230 kV - torre de concreto e sem anel equalizador, que é composta de 16
isoladores. No total 19 isoladores de vidro temperado tipo concha-bola, com 254 mm
de diâmetro, produzidos por um fornecedor mundial, sendo 12 isoladores quebrados
e 7 inteiros foram selecionados aleatoriamente. Nas figuras 3.1 e 3.3 são mostradas,
esquematicamente, as configurações adotadas no presente trabalho para o ensaio
de disrupção. Enquanto que, nas figuras 3.2 e 3.4 são mostradas as cadeias durante
os ensaios, montadas de acordo com as configurações adotadas.
Legenda:
Isolador Inteiro:
Isolador quebrado:
24
1
2
3
4
5
Figura 3.1 - Esquema de uma cadeia de 16 isoladores com 6 isoladores inteiros nas
5 configurações adotadas para realização dos ensaios.
Figura 3.2 - Cadeias de isoladores a serem ensaiados de acordo com as
configurações adotadas para 6 inteiros e 10 quebrados.
25
1
2
3
4
5
Fig. 3.3 - Esquema de uma cadeia com 16 isoladores com 7 isoladores inteiros nas 5
configurações adotadas para realização dos ensaios.
26
Figura 3.4 – Fotografias das configurações utilizadas no ensaio de tensão disruptiva
com cadeia de 16 isoladores de vidro, sendo 7 inteiros e 9 quebrados.
Nos ensaios de impulso de manobra (polaridade positiva e negativa) e de
tensão disruptiva à freqüência industrial à seco foram determinadas as tensões
disruptivas de 50%. Os ensaios foram realizados de acordo com a norma NBR
6936/1992 da ABNT no Instituto Eletrotécnica e Energia da Universidade de São
Paulo, São Paulo/SP. No total foram realizadas 370 aplicações de tensões de
disrupção, sendo 50 aplicações de tensões de disrupção a freqüência industrial e
320 aplicações com impulso de manobra de polaridades positivas e negativas.
O ensaio de tensão disruptiva de impulso de manobra foi realizado em um
gerador de impulso de 15 estágios da marca Haefely, cuja tensão máxima é 3 MV.
O ensaio de tensão disruptiva à freqüência industrial à seco foi realizado com auxílio
de um transformador tipo cascata com 4 estágios, marca Toshiba e General Electric.
Temperatura ambiente, umidade e pressão foram medidas Os valores das tensões
disruptivas foram corrigidos para as condições atmosféricas padronizadas (T = 20°C,
27
13 g/l e 1013 mmbar).
3.3 Resultados e discussão
Os resultados experimentais sobre os ensaios de tensões de disrupção de
50% à freqüência industrial e de impulso de manobra com as polaridades positiva e
negativa são apresentados nesta seção.
A combinação de 6 isoladores inteiros e 10 isoladores quebrados permitiu,
entre outras, a montagem das 5 configurações distintas mostradas na figura 3.4,
bem como para 7 isoladores inteiros e 9 quebrados estão mostradas na figura 3.6
Para melhor ilustrar os valores de tensão encontrados ao longo dos ensaios,
os resultados foram apresentados em forma de tabela. Na tabela 3.3, encontram-se
os valores para as cadeias com 6 isoladores inteiros.
Tabela 3.1 – Resultados do ensaio de tensão disruptiva em cadeia de isoladores
Configuração
Tensão disruptiva
freq. industrial (kV)
1
2
3
4
5
396,0
423,0
412,0
459,0
446,0
Tensão disruptiva
impulso manobra
positivo (kV)
474,0
600,0
519,0
663,0
NR
Tensão disruptiva
impulso manobra
negativo (kV)
704,0
734,0
696,0
728,0
NR
NR: Não Realizado.
Na figura 3.5 são apresentados os resultados das tensões de disrupção de
50% em função das 5 configurações adotadas no presente trabalho, para o caso de
6 isoladores inteiros na cadeia e 10 quebrados. Em particular, para a configuração 5
foi realizada somente o ensaio de tensão de disrupção com a freqüência industrial.
F r e q u ê n c ia in d u s t r ia l
I m p u ls o p o s it iv o
I m p u ls o n e g a t iv o
700
500
400
0
1
3
4
446
728
663
459
519
412
734
423
600
2
696
100
704
200
474
300
396
Tensão (kV)
600
5
Figura 3.5 - Tensões de disrupção numa cadeia com 6 isoladores inteiros e 10
quebrados para diferentes configurações realizadas com a freqüência industrial e
impulso de manobra.
28
Na figura 3.5 pode-se observar que a posição (localização) dos isoladores
inteiros influencia no valor da tensão de disrupção de 50% tanto de impulso de
manobra como da tensão na freqüência industrial. A configuração 4 apresentou os
maiores valores de tensões para que ocorresse a disrupção dentre as configurações
testadas. Por outro lado, a configuração 1 apresentou os menores.
Na tabela 3.2 são apresentados os resultados das tensões de disrupção de
50% em função das 5 configurações adotadas no presente trabalho, para o caso de
7 isoladores inteiros na cadeia e 9 quebrados. Estes resultados também são
mostrados em forma de gráfico da figura 3.6. Em particular, para a configuração 5 foi
realizada somente o ensaio de tensão de disrupção com a freqüência industrial.
Tabela 3.2 – Resultados do ensaio de tensão disruptiva em cadeia de isoladores
com 7 inteiros e 9 quebrados.
Configuração
1
2
3
4
5
Tensão disruptiva Tensão disruptiva
freq. industrial (kV) impulso manobra
positivo (kV)
448,0
584,0
454,7
623,4
478,0
588,0
505,0
661,0
496,0
NR
Tensão disruptiva
impulso manobra
negativo (kV)
741,0
732,4
766,0
894,0
NR
NR: Não Realizado.
F re q u ê n c ia in d u s tria l
Im p u ls o p o s itiv o
Im p u ls o n e g a tiv o
900
800
600
500
496
894
661
505
766
588
478
732,4
623,4
741
200
584
300
454,7
400
448
Tensão (kV)
700
100
0
1
2
3
4
5
Figura 3.6 - Tensões de disrupção nas cadeias de isoladores de vidro com 7 inteiros
e 9 quebrados com a freqüência industrial e impulso de manobra.
Na Fig. 3.6 pode-se observar que a posição (localização) dos isoladores
inteiros influência no valor da tensão de disrupção de 50% tanto de impulso de
manobra como da tensão na freqüência industrial. A configuração 4 apresentou os
maiores valores de tensões para que ocorresse a disrupção dentre as configurações
testadas. Por outro lado, a configuração 1 apresentou os menores.
Os resultados experimentais evidenciam que as cadeias de isoladores que
são constituídas por isoladores inteiros distribuídos igualmente espaçados e
29
intercalados com isoladores quebrados apresentam tensões de disrupção de 50%
maiores que as demais configurações.
Na figura 3.7 são apresentados os valores das tensões disruptivas obtidos
com a freqüência industrial para os casos de cadeias de isoladores constituídas por
6 e 7 isoladores inteiros e 10 e 9 isoladores quebrados, respectivamente. Para o
efeito de uma comparação mais detalhada, os resultados obtidos com uma cadeia
com 4 isoladores inteiros nas configurações 2 e 4 foram introduzidos. Analisando o
gráfico individualmente para cada configuração, temos que o valor da tensão
disruptiva para uma cadeia contendo 7 isoladores inteiros é sempre superior ao valor
de tensão disruptiva para cadeias com números menores de isoladores inteiros
(neste caso, 6 e 4 inteiros). Estes resultados evidenciam a necessidade do
desenvolvimento de um dispositivo que proteja tais isoladores das danificações por
vandalismo, e é de fundamental importância para minimizar os desligamentos nãoprogramados.
Po outro lado, analisando todas as configurações de uma forma geral, os
resultados, apresentados na figura 3.7 comprovam que cadeias de isoladores com
um menor número de isoladores inteiros (6 isoladores na configuração 4) podem ter
tensões disruptivas iguais ou levemente superior à cadeias com um número maior (7
isoladores nas configurações 1 e 2), dependendo da localização (posicionamento)
dos isoladores na cadeia. Este resultado indica a possibilidade de um estudo mais
detalhado visando um melhor entendimento sobre os mecanismos envolvidos e
revisão dos procedimentos de atuação em linhas energizadas com número menor de
isoladores inteiros dependendo da localização dos isoladores inteiros na cadeia.
Hoje é estabelecido na regulamentação da Chesf que sete isoladores inteiros é o
número mínimo para intervenção sem risco.
6 iso la d o re s in te iro s
7 iso la d o re s in te iro s
4 iso la d o re s in te iro s
FREQUÊNCIA INDUSTRIAL [kV]
600
500
4 5 9 kV
400
300
200
100
0
1
2
3
4
5
C O N F IG U R A Ç Õ E S
Figura 3.7 - Comparação das tensões de disrupção medidas com a freqüência
industrial nas cinco configurações das cadeias com 4, 6 e 7 isoladores inteiros.
30
3.4 Conclusões
Neste capítulo foram apresentados os resultados experimentais dos ensaios
de tensão disruptiva a 50% para cadeias com seis e sete isoladores inteiros,
reproduzindo uma cadeia de isoladores utilizada na linha de transmissão de 230 kV
na condição mais crítica sem utilizar anel equalizador. Os valores de tensão de
disrupção variam sensivelmente com as configurações e a quantidade de isoladores
inteiros na cadeia.
A posição (localização) dos isoladores inteiros é fator determinante no valor
da tensão de disrupção de 50% tanto de impulso de manobra como da tensão na
freqüência industrial.
A configuração 4 que apresentou os isoladores distribuídos ao longo das
cadeias apresenta os maiores valores de tensões para que ocorresse a disrupção,
dentre as configurações testadas.
O desenvolvimento de dispositivo que protejam os isoladores estratégicos da
cadeia torna-se aliado fundamental para se obter a configuração de maior interesse
para o setor de transmissão de energia elétrica, quando do ataque hediondo dos
vândalos.
Cadeias com 6 inteiros podem ter tensões disruptivas iguais ou superiores às
cadeias com 7 inteiros, dependendo da localização dos isoladores nas cadeias. Este
fato pode ser atribuído a uma maior distância do caminho a ser percorrido pelo arco
elétrico, para que haja disrupção e distribuição não uniforme da tensão ao longo da
cadeia.
Este estudo pode ser aplicado para o caso da Chesf, onde a regulamentação
só permite a intervenção para a troca de isoladores em linha energizada se
houverem pelo menos 7 isoladores inteiros na cadeia, pois, dependendo da
distribuição dos isoladores na cadeia, o valor da tensão disruptiva para 6 isoladores
inteiros distribuídos ao longo da cadeia foi maior que o valor para 7 isoladores
inteiros juntos na parte superior ou inferior da cadeia, porém é necessário um estudo
mais detalhado, já que a manutenção em linha viva apresenta risco de morte para os
eletricistas.
31
4. ESTUDO DA TENSÃO DISRUPTIVA EM
CADEIAS DE ISOLADORES DE VIDRO
DANIFICADAS, EM ATMOSFERAS DE SF6 E AR
32
4.1 Introdução
No presente capítulo, serão abordados a elaboração dos experimentos e os
resultados dos ensaios de tensão disruptiva que foram realizados com a introdução
de isoladores de vidro utilizados em linhas de transmissão de 230 kV em uma
câmara especialmente projetada e construída com a função de trabalhar sob vácuo
e pressão. Nesta câmara foram utilizadas atmosferas de ar e gás SF6 para simular o
aumento do isolamento, isto é, promover o re-isolamento, de uma cadeia de
isoladores de vidro danificada, através do aumento da rigidez dielétrica da atmosfera
circundante aos isoladores remanescentes.
4.1.1 Propriedades dos gases isolantes – O ar
O ar é o mais importante dos dielétricos gasosos por causa de sua
prevalência universal na vida terrestre. Ele é uma mistura de diversos gases, na qual
predomina o nitrogênio, com 78,1%, seguido do oxigênio, com 20,9%, cerca de 0,9%
de argônio e de pequenas proporções de dióxido de carbono, hidrogênio, outros
gases nobres e vapor d’água.
O ar é um material isolante altamente confiável (ele rodeia todos os aparelhos
elétricos e dele depende, em grande parte, o funcionamento seguro dos mesmos).
Por exemplo: os condutores nus e aéreos das linhas de transmissão de alta tensão,
suspensos nas torres por meio de isoladores de porcelana ou vidro, encontram-se
isolados uns dos outros e em relação à terra, em toda extensão da linha, apenas
pela camada de ar existente entre eles.
A rigidez dielétrica do ar, entre os eletrodos planos, postados entre si de 1 cm,
à pressão atmosférica normal, é de 32 kV/cm. Nas mesmas condições geométricas
e à pressão de 10 atmosferas, a rigidez dielétrica aumenta para 226 kV/cm. A
pressão tem considerável influência sobre a rigidez dielétrica do ar, bem como dos
outros gases (Luna, 2006). Quando submetidos a pressões elevadas, o ar apresenta
um comportamento dielétrico excelente, assim como a rigidez dielétrica do ar e dos
outros gases pode se tornar mais fraca a baixas pressões; entretanto, tem valores
elevados no alto vácuo.
O ar e os gases altamente rarefeitos possuem notáveis propriedades
dielétricas. Métodos modernos permitem a produção de vácuo com 10-7 mm Hg.
Nestas condições, o ar está tão rarefeito que não pode produzir ionização. A rigidez
dielétrica do ar rarefeito é muito alta e alcança valores inigualáveis, nem mesmo
atingidos pelos melhores isolantes sólidos.
Em contrapartida, o ar apresenta o inconveniente de determinar a formação
de ozônio sob a ação de eflúvios, e esse gás, altamente oxidante, provoca a
destruição lenta dos isolantes. Outrossim, a poluição atmosférica e o ar úmido
determinam a corrosão de um grande número de metais e ligas, inclusive dos
próprios isoladores (figura 4.1). Como se sabe, a umidade diminui
consideravelmente as qualidades dielétricas dos isolantes em contato com o ar.
(Luna, 2006).
33
(a)
(b)
Figura 4.1 – Comparação entre (a) isolador íntegro e (b) isolador condenado
por corrosão no pino, próximo ao cimento.
4.1.2 Propriedades dos gases isolantes – O SF6.
O gás hexafluoreto de enxofre, SF6, tem sido largamente utilizado no setor
elétrico como gás isolante em subestações blindadas e disjuntores por se apresentar
como o melhor gás dielétrico comercialmente disponível e mais usado para
tecnologias de alta tensão. Sua popularidade é resultante da combinação de
propriedades que atendem a maioria das solicitações para isolamento, interrupção
de arco, operação na faixa de temperatura, facilidade de manuseio e baixa toxidade
(Boggs, 1989).
As principais características do SF6 são:
a) Não é tóxico, é inodoro e incolor;
b) Não é inflamável e apresenta boa estabilidade química;
c) Tem um extraordinário poder extintor de arco, estimado em duas vezes
superior ao ar;
d) Sua rigidez dielétrica é excelente. Nas condições normais de pressão
atmosférica é 2,3 vezes maior que o ar, ou seja, cerca de 74 kV/cm;
e) Apresenta fraca condutibilidade sônica;
f) A sua condutividade térmica é elevada, o que facilita os problemas de
dissipação de calor;
g) Aparelhos isolados com SF6 são mais leves e mais competitivos do que
aqueles isolados com dielétricos líquidos.
a)
b)
c)
d)
Por outro lado, o SF6 apresenta algumas desvantagens:
Não obstante a sua rigidez dielétrica ser maior do que a do ar e a do
nitrogênio, em condições normais de temperatura e pressão, para igualar-se
com um isolante líquido (óleo), o gás deve ser usado sob pressões elevadas;
O requisito anterior implica a utilização de tanques selados, capazes de
manter as pressões que serão desenvolvidas pela variação da temperatura,
quando do seu uso comercial.
Embora seja um gás caracterizado por sua alta estabilidade química, a
presença de enxofre em sua molécula, debaixo de certas condições, produz
uma corrosividade que é de significativa importância;
Mesmo sendo não tóxico, o SF6, quando decomposto por calor ou pelo arco
34
elétrico, desenvolve misturas gasosas que contém ingredientes tóxicos, as
quais são incolores e inodoras, dificultando a sua detecção. (Luna, 2006)
4.1.3 Lei de Paschen
Segundo (Paschen, 1889), a Lei de Paschen relaciona a tensão disruptiva
versus o produto da pressão pela distância entre os eletrodos, na presença de um
dielétrico. Essa lei enuncia que mantendo a distância constante e aumentando a
pressão atmosférica, é necessária uma tensão mais elevada para romper a rigidez
dielétrica do material (Neves, 2001). Esta relação pode ser ilustrada graficamente
pela figura 4.2, para o caso do gás SF6, nitrogênio e ar.
Figura 4.2 – Curva de Paschen para o ar, SF6 e nitrogênio.
A rigidez dielétrica de um gás depende acentuadamente da densidade desse
gás. Segundo Schmidt (1986), perante pressões elevadas e correspondente
elevação das densidades, reduz-se a distância entre as moléculas e o afastamento
entre os elétrons e o número de partículas por unidade de volume se eleva. Dessa
forma, eleva-se o valor da tensão de ruptura do material, o que é sinônimo de
elevação da rigidez dielétrica. Se em seguida houver uma redução da pressão, notase uma redução do valor da tensão de ruptura, devido ao aumento do afastamento
médio entre os elétrons. Se, entretanto, a pressão continuar a ser reduzida, observase uma nova elevação da tensão de ruptura ou da rigidez dielétrica, fenômeno que é
explicado pela redução do número de moléculas do gás, o que, por sua vez, reduz a
probabilidade de uma ionização devido a choques entre partículas neutras de gás ou
entre elétrons. No caso em que a pressão é tão baixa que corresponda a um vácuo
elevado, não ocorre mais ruptura dielétrica por ionização. Nesse caso, os elétrons
necessários ao aparecimento de uma descarga serão provenientes de destruição
dos catodos metálicos aos quais esses elétrons foram arrancados. No vácuo, a
rigidez dielétrica atinge valores de até 10³ KV/cm. Essa característica é,
35
eventualmente, usada em alguns equipamentos que trabalham com tensões em alta
freqüência.
4.1.4 Aplicação da Lei de Paschen com referência ao SF6 para construção de um
dispositivo de re-isolamento dos isoladores
O objetivo de se estudar a Lei de Paschen e o gás SF6 nesta pesquisa foi a
construção de uma câmara de atmosfera controlada para re-isolar os isoladores
danificados por vandalismo nas linhas de transmissão, capaz de encapsular os
isoladores e aplicar em seu interior uma quantidade do gás SF6 que, como descrito
anteriormente, possui boas propriedades como extintor de arco voltaico.
Considerando a curva do ar na lei de Paschen, operando-se na região de
vácuo, é possível ter um ganho na rigidez dielétrica, permitindo a manutenção
segura nas linhas. Porém, para se alcançar tal vácuo (região esquerda do gráfico)
obrigatoriamente o ponto de mínimo deve ser superado, o que corresponde a um
risco de se ter uma descarga devido à perda de rigidez dielétrica nesse ponto de
mínimo. Entretanto, utilizando o gás SF6, pode-se alcançar um estado de rigidez
dielétrica desejado sem necessariamente se percorrer o ponto de mínimo,
considerado crítico.
Sendo assim, a câmara encapsula os isoladores, injeta gás SF6, obtendo-se
no seu interior uma mistura de ar e SF6.
4.2 Materiais e métodos
Na figura 4.3 é mostrado o esquema de uma câmara para ensaio de tensão
de disrupção com atmosfera controlada. Para construção da câmara de acrílico foi
utilizado um cilindro medindo 70 mm de altura, espessura de 6 mm e 300 mm de
diâmetro e dois discos de 300 mm de diâmetro externo, para vedar base e topo do
cilindro (tampas superior e inferior da câmara).
36
Figura 4.3 – Esquema da câmara de acrílico para ensaio de tensão disruptiva com
atmosfera de SF6.
Inicialmente, foram utilizados parafusos para o fechamento da câmara, que
posteriormente foram substituídos por cordas de nylon para minimizar as partes
metálicas e evitar a ocorrência de descargas pela parte exterior da câmara. Além
disso, foram utilizados anéis de acrílico na extensão do cilindro, que serviram para
fixar os parafusos de fechamento da câmara e suportar a alta pressão. A câmara foi
construída no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de
Pernambuco, Recife, Pernambuco. Nela foi inserido também um medidor de pressão
para o monitoramento da pressão interna da câmara e uma válvula de segurança.
Além disso, um compressor e uma bomba de vácuo foram utilizados para os testes
com a câmara. Detalhes construtivos da câmara podem ser observados nas figuras.
4.4 a 4.7.
37
“Figura 4.5”
Tampa superior de acrílico
Tarugo condutor de cobre
Parafuso de aço para
fechamento
Suporte para anel de acrílico
Anel de acrílico
Isolador para ensaio
Adaptador para fixar isolador,
feito de câmpânula
Tampa inferior de acrílico
Tarugo condutor de cobre
Figura 4.4 – Foto da câmara de acrílico para ensaio de tensão disruptiva com
atmosfera de SF6.
Válvula de segurança
Tarugo condutor
Medidor de pressão
Válvula para gás
Válvula para gás
Figura 4.5 – Detalhe da parte superior da câmara.
Parafuso para suspensão
da câmara
38
Porca e arruela para
fechamento
O-ring
O-ring
Figura 4.6 – Detalhe da parte inferior da câmara.
Mangueiras
Cilindro de gás
Vacuômetro
Compressor
Figura 4.7 – Vista geral da montagem dos equipamentos para ensaio com a
câmara no Laboratório de Alta Tensão do DEE/UFCG.
Os ensaios de tensão de disrupção foram realizadas no Laboratório de Alta
Tensão da Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, utilizando isoladores
de vidro temperado tipo concha bola, produzidos por um fabricante mundial, inteiros
e quebrados, e variando o número de isoladores dentro da câmara em um e dois no
vácuo, pressão atmosférica local (0,95 atm) e 1,2 atm a 1,5 atm. Os testes foram
39
realizados com gás SF6 e com ar local. Em todos os testes realizados com SF6, foi
feito vácuo para retirada do ar contido no interior da câmara para depois inserir o gás
SF6. A temperatura ambiente estava em torno de 26°C e a umidade esteve entre 72
e 76 %. A pressão local observada foi de 0,95 atm.
4.3 Resultados e discussão
A seguir, são apresentados os resultados experimentais sobre as medições
de tensões disruptivas à freqüência industrial de isoladores de vidro inseridos em
uma câmara de acrílico.
Inicialmente, testou-se 1 isolador quebrado em atmosfera de ar e pressão
local. O valor de tensão disruptiva encontrada foi de 13 kV. Houve descarga interna
no isolador quebrado, entre as trincas do vidro e o cimento (figura 4.8).
Figura 4.8 - Descarga interna ao isolador durante o ensaio de 1 isolador de vidro
quebrado na câmara com ar e pressão local. A seta aponta para o local da
descarga.
Devido às descargas elétricas, houve perda do cimento localizado abaixo da
saia de vidro do isolador, provavelmente devido à fratura por choque térmico (figura
4.9).
Figura 4.9 - Perda do cimento localizado abaixo da saia de vidro, devido às
descargas elétricas.
40
Em seguida realizou-se o teste com 1 isolador quebrado à baixa pressão
(baixo vácuo), e obteve-se o valor de tensão disruptiva igual a 0,5 kV. Neste ensaio,
observou-se uma descarga que surgiu entre o pino e a campânula do isolador (figura
4.10). Esta descarga, segundo Luna (2006), recebe o nome de eflúvio luminoso, que
é uma descarga elétrica que ocorre antes de atingida a disrupção total do gás (ar). É
acompanhada de uma emissão luminosa de cor violeta e de ruídos característicos.
Nota-se também, no caso do ar, a formação de ozônio (O3), que é altamente
oxidante. Esta descarga ocorreu no mesmo local onde houve perda do cimento
durante o teste com atmosfera de ar.
Figura 4.10 - Descarga observada durante o ensaio com baixo vácuo.
Após o teste, foi inserido gás SF6 na câmara, com pressão de 1,3 atm, onde
obteve-se o valor de 15 kV para a tensão disruptiva. Neste caso também se
observou uma descarga interna e não houve perda de cimento no isolador (figura
4.11).
Figura 4.11 - Descarga interna observada no ensaio com 1 isolador quebrado com
SF6 pressurizado.
Após os testes com isoladores quebrados, iniciou-se o trabalho com os
isoladores inteiros. Para os testes realizados com 1 isolador inteiro no vácuo, o valor
de tensão disruptiva para o isolador ensaiado foi de 5 kV. Neste caso, pode-se
observar uma descarga que contornava todo o vidro do isolador (eflúvio luminoso),
41
desde a campânula até o pino, como pode ser observado na figura 4.12.
Figura 4.12 - Descarga externa ao isolador inteiro quando ensaiado sob baixo vácuo.
Os baixos valores de tensão observados nos ensaios com isoladores sob
vácuo, tanto inteiro quanto quebrado, podem ser atribuídos ao baixo valor de
pressão obtida, ou seja, um vácuo ineficiente, cujo valor esteve próximo ao mínimo
da Lei de Paschen, que pode ser observado na figura 4.2. Segundo Luna (2006),
para o caso do ar, a tensão disruptiva mínima que é pode ser encontrada no ensaio
é de 326 V (ponto de mínimo da curva), valor muito próximo ao encontrado no
ensaio com isolador quebrado, que foi de 500 V, o que comprova mais uma vez a
ineficiência do vácuo aplicado no ensaio.
O isolador inteiro também foi ensaiado com atmosfera de ar e pressão local,
porém, Por conta da ocorrência de descargas externas à câmara, devido à grande
quantidade de elementos metálicos (válvulas de gases, medidor de pressão)
próximos à fase condutora, a câmara foi invertida. Nessa nova configuração, as
partes metálicas passaram a ficar em baixo, ligadas ao cabo terra. A câmara
invertida pode ser observada na figura 4.13
42
Figura 4.13 - Detalhe do aterramento das partes metálicas da câmara.
Além disso, passamos a usar uma nova concepção, mantendo a câmara
invertida e utilizando cordas de nylon branco em substituição aos 6 parafusos
metálicos. Foram utilizados também 3 esticadores metálicos para facilitar o
fechamento da câmara com a corda de nylon (figura 4.14).
Esticador
Corda
de
nylon
Figura 4.14. Nova configuração da câmara, onde se utilizou uma corda de nylon
para fechamento.
43
Após as modificações, os ensaios foram reiniciados com 1 isolador inteiro,
inicialmente em atmosfera de ar, sendo verificado o valor de tensão de 80 kV, valor
este que se encontra de acordo com a literatura para isolador seco e sem poluição
(Rezende, 1977). Para os ensaios com atmosfera de SF6 utilizou-se pressão local e
1,3 atm, e os valores de tensão encontrados foram de 122 kV e 130 kV,
respectivamente.
Os testes realizados com 2 isoladores inteiros resultaram em um alto valor de
tensão disruptiva, que chegaram a alcançar o valor de 240 kV para atmosfera do gás
SF6 e pressão local, e o valor de 244 kV quando esta pressão foi aumentada para
1,3 atm. O valor de tensão para o teste com atmosfera de ar e pressão local foi de
140 kV. Antes da disrupção completa dos isoladores, foram observadas descargas
parciais entre a campânula e o vidro do isolador (figura 4.15).
Figura 4.15. Descargas parciais durante os ensaios com 2 isoladores inteiros.
Os últimos ensaios realizados foram para 3 isoladores inteiros na câmara.
Estes ensaios foram realizados apenas para atmosfera de ar local e pressão local,
onde obtivemos o valor de tensão disruptiva de 178 kV, e para gás SF6 com pressão
local, onde se obteve o valor de 208 kV para tensão disruptiva.
Na tabela 4.1, temos um resumo e todos os valores de tensão disruptiva
encontrados nos ensaios com a câmara de atmosfera controlada. Esta tabela facilita
a visualização dos resultados, e análise das melhorias obtidas após as modificações
na câmara.
44
Tabela 4.1 – Resultados dos ensaios de tensão disruptivas com isoladores de vidro
numa câmara de atmosfera controlada.
1 isolador quebrado
Sistema de Fixação
Vácuo
Atmosfera gasosa
Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm)
Parafusos
0,5 kV
13 kV
Corda c/ esticador
1 isolador inteiro
Sistema de Fixação
***
***
Vácuo
Parafusos
5 kV
68 kV
Corda c/ esticador
2 isoladores inteiros
Sistema de Fixação
***
80 kV
Vácuo
Parafusos
***
***
Corda c/ esticador
3 Isoladores inteiros
Sistema de Fixação
***
140 kV
Vácuo
Parafusos
***
***
***
***
Corda c/ esticador
***
178 kV
208 kV
***
***
Gás SF6 (1,3 atm)
15 kV
***
Atmosfera gasosa
Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm)
96 kV
***
Gás SF6 (1,3 atm)
106 kV
122 kV
Atmsfera gasosa
Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm)
130 kV
Gás SF6 (1,3 atm)
***
***
240 kV
Atmosfera gasosa
Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm)
244 kV
Gás SF6 (1,3 atm)
Na figura 4.16, pode ser observado um gráfico que compara os valores de
tensão disruptiva para um, dois e três isoladores inteiros quando ensaiados sob
atmosfera de ar e gás SF6.
Tensão disruptiva de isoladores
300
240
208
250
178
140
(kV)
200
150
100
244
1 isolador inteiro
122
130
2 isoladores inteiros
3 isoladores inteiros
80
50
0
Ar
SF6 e pressão SF6 a 1,3 atm
local
Figura 4.16. Valores de tensão disruptiva para isoladores inteiros em ar e SF6
Neste gráfico podemos observar claramente o aumento dos valores de tensão
com a mudança de atmosfera dentro da câmara, sendo o uso do gás SF6 muito mais
eficiente do que o ar. Para o caso de três isoladores inteiros em SF6, observamos
que seu valor foi menor que o valor para dois inteiros. Provavelmente deve ter
ocorrido descarga exterior à câmara durante o ensaio, não se obtendo assim o valor
real da disrupção para os três isoladores.
45
4.4 Conclusões
Neste capítulo foram apresentados os resultados do estudo sobre a tensão de
disrupção de isoladores, quando submetidos a uma atmosfera de alta rigidez
dielétrica (SF6). Os ensaios elétricos para medição da tensão disruptiva foram
desenvolvidos com o projeto e construção de uma câmara de atmosfera e pressão
controlada que mostrou resultados satisfatórios. O acrílico utilizado é resistente à
alta pressão, ao vácuo e apresenta alta rigidez dielétrica. Isto possibilitou a medição
de diversos valores de tensão disruptiva à freqüência industrial de isoladores de
vidro inteiros e quebrados em atmosfera de gás SF6 e ar em diversos valores de
pressão.
Pode-se observar que, para o isolador quebrado, os resultados mostraram-se
pouco efetivos, visto que apresentaram baixos valores de tensão disruptiva se
comparados às demais configurações, ou seja, não houve um aumento significativo
no valor da tensão disruptiva quando ensaiado com ar e com gás SF6, fato esse que
pode ser atribuído à presença de rachaduras no vidro localizado dentro da
campânula do isolador (como mostrado no capítulo 2), que forma caminhos para a
descarga interna, não havendo muita influência da atmosfera que envolve o isolador
pela parte externa.
No que se refere aos isoladores inteiros, pode-se observar que houve um
ganho enorme no valor da tensão disruptiva do isolador quando ensaiado com ar e
com gás SF6 com a mesma pressão, tanto para a configuração com 1 isolador
inteiro, quanto para os testes com 2 e 3 isoladores inteiros. Pode-se observar isto
através do gráfico comparativo entre as tensões com ar e com gás SF6 à pressão
local (figura 4.16).
Os melhores resultados foram obtidos usando-se gás SF6 e pressão maior
que a atmosférica local (valor máximo de 244 kV para 2 isoladores inteiros e 1,3
atm), porém, mesmo utilizando-se pressão atmosférica local para o gás SF6, os
resultados foram bastante satisfatórios (240 kV para 2 isoladores inteiros).
Apesar de apresentarem bons resultados, os valores de tensão disruptiva
encontrados podem ser melhorados (elevados) se utilizarmos uma câmara feita
apenas com materiais isolantes (ou quantidade mínima de elementos metálicos),
evitando assim que descargas ocorrem pela parte externa da câmara.
46
5. ESTUDO DA JAQUETA POLIMÉRICA PARA
AUMENTAR A TENSÃO DISRUPTIVA DE
ISOLADORES UTILIZADOS EM LINHAS DE
TRANSMISSÃO
47
5.1 Introdução
Em função da existência de uma legislação mais rigorosa ao setor elétrico
brasileiro, da demanda crescente e da necessidade de fornecimento de energia com
qualidade, é necessário minimizar os desligamentos das linhas de transmissão
oriundos de vandalismo.
Sabe-se que os valores de tensão disruptiva são sensíveis às pequenas
variações nas propriedades dos materiais tais como porosidade e tipos de materiais.
No presente capítulo, visou-se estudar a tensão de disrupção de isoladores
quebrados substituindo o cimento por materiais poliméricos de alta densidade e
praticamente sem porosidade.
5.1.1 Características de alguns materiais selecionados para os ensaios
Foram realizados testes de rigidez dielétrica em alguns isoladores quebrados
cujo pino foi substituído ou coberto por polímeros termoplásticos com o objetivo de
levantar dados para decidir qual o melhor material para ser empregado no interior do
isolador, sendo utilizado como revestimento do pino ou substituindo o cimento
devido a sua porosidade, que causa uma diminuição na suportabilidade de tensão
do isolador. Os polímeros termoplásticos são conhecidos por possuírem boas
propriedades elétricas e baixa absorção de água, além de capacidade de formar
fibras (fios) e filmes, e são flexíveis e elásticos. Apesar destas ótimas características
que o tornam atrativos para uso no setor elétrico, os materiais poliméricos não
possuem boas características mecânicas, o que pode ser contornado com a
aplicação de materiais reforçados com fibra de vidro (Luna, 2006). Os materiais
selecionados foram:
•
Polietileno (PE)
É obtido pela polimerização do etileno e utilizado como material isolante em
cabos elétricos e de comunicação.
Tem boas propriedades mecânicas e é pouco higroscópico. É usado
largamente para a fabricação de variados artigos domésticos, sob a forma de
plásticos. É um dos polímeros mais industrializados do mundo. Suas principais
características elétricas são (Luna, 2006):
Resistividade = 1016 Ωcm,
Constante dielétrica = 2 a 4
Ângulo de perdas = 2 a 5x10-4
Rigidez dielétrica = 300 kV/cm
•
Poliamida
Esses polímeros se apresentam sob o nome comercial de nylon e se
diferenciam entre si pela natureza de seus compostos de partida. Um dos mais
usados é o chamado nylon 6.6, resultante da polimerização do ácido adípico e do
hexametileno diamina. É um polímero elástico e também de forte resistência
mecânica. Pode ser dissolvido somente por uns poucos solventes. Comparado com
outros polímeros, o nylon é muito higroscópico. Suas características elétricas são as
seguintes:
Resistividade = 1013 Ωcm
Contante dielétrica = 4 a 6
Ângulo de perdas = 1 a 5 x 10-2
48
Rigidez dielétrica = 120 a 270 kV/cm
•
Poliimida (Kapton®)
Possui rigidez dielétrica de 236 kV/mm (modelo H1N100, 25.4 mm). O filme de
poliimida é capaz de suportar altas temperaturas (400°C) e pressões. Não se altera
para a maioria dos agentes químicos. Como isolador, o Kapton® tem propriedades
dielétricas incomparáveis e uma notável resistência à tração, que permite construir
paredes mais delgadas para aumentar o desempenho e eficiência com baixo custo.
Filmes flexíveis de poliimida que mantêm excepcionais propriedades
mecânicas, químicas e elétricas em variações de temperaturas extremas. (Dupont,
2006)
5.2 Materiais e métodos
5.2.1 Ensaio de tensão disruptiva com isoladores quebrados utilizando materiais
poliméricos em substituição ao cimento.
Ensaios de tensão de disrupção em isoladores utilizando diversos materiais
poliméricos no lugar do cimento, dentre eles kapton (polimida), polietileno,
poliuretano e nylon foram realizados no Laboratório de Alta Tensão da Chesf.
Inicialmente, o pino do isolador foi retirado e foi substituído por um novo pino
revestido por materiais poliméricos. O cimento do isolador também foi substituído por
outro material. O processo de retirada do cimento e construção do novo isolador foi
desenvolvido de acordo com a seqüência abaixo.
- corte de uma parte do pino com a esmerilhadeira;
- retirada da parte remanescente do pino com o torno mecânico;
- retirada do cimento com broca diamantada ou ferramenta com vítrea utilizando
torno;
- retirada do cimento remanescente com jato d’água simples.
- revestimento pino metálico com material polimérico: filme de kapton, polietileno,
nylon, e outros
- fixação do pino revestido com material polimérico utilizando argamassa ou resina
especial
- isolador com jaqueta isolante pronto para ensaio de tensão de disrupção.
Esta seqüência pode ser visualizada nas figuras 5.1 a 5.5
49
Figura 5.1 – Corte de uma parte do pino com esmerilhadeira
(a)
(b)
Figura 5.2 – (a) Isolador quebrado sendo colocado no torno para retirada do
cimento e pino remanescente após o corte de parte do pino com esmerilhadeira. (b)
isolador sendo preparado para ensaio.
Figura 5.3 – processo de retirada do cimento e pino com torno mecânico
50
Figura 5.4 – Isolador quebrado após a retirada do pino e cimento.
(a)
(b)
Figura 5.5 – (a) Isolador quebrado após o processo de retirada do pino e
cimento, e novo pino a ser revestido para realização dos ensaios de tensão
disruptiva. (b) Detalhe do isolador sem pino e sem cimento.
Após a retirada dos pinos e do cimento remanescente, os isoladores foram
preenchidos com os materiais poliméricos selecionados para o ensaio. As três
configurações de isoladores utilizados no ensaio foram:
(a) Isolador com pino revestido de kapton, com espessuras de 250 e 300 µm.
(b) Isolador quebrado com pino revestido de filme de polietileno, com espessura
de 120 µm, fixado ao vidro com espuma de poliuretano.
(c) Isolador com jaqueta de nylon e um pino metálico adaptado para o ensaio de
alta tensão.
No caso do isolador revestido com jaqueta de Nylon, a jaqueta construída foi
usinada em forma de rosca, para se adaptar às ranhuras existentes no isolador
quebrado depois de retirado o cimento, como foi observado na figura 5.5 (b). A figura
5.6 mostra os detalhes do pino usinado com jaqueta de nylon.
51
(a)
(b)
Figura 5.6 – (a) Pino revestido com jaqueta de nylon. (b) detalhe das ranhuras da
jaqueta polimérica.
A figura 5.7 mostra os isoladores utilizados no ensaio, depois de modificados.
(a)
(b)
(c)
Figura 5.7 – (a) isolador com pino revestido de kapton para teste de rigidez
dielétrica. (b) isolador quebrado com filme de polietileno enrolado no pino. (c)
isolador com jaqueta de nylon.
5.2.2 Teste de disrupção à frequência industrial no Instituto de Eletrotécnica e
Energia (IEE) da Universidade de São Paulo.
Foi realizado também um teste de disrupção à frequência industrial com o objetivo
de comparar a tensão disruptiva em uma cadeia de 16 isoladores com pino
revestidos com nylon e 16 isoladores quebrados com sua composição original.
O pino foi usinado no Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE e foi
coberto com uma camada de nylon, para aumentar a suportabilidade de tensão. A
figura 5.8 mostra o pino coberto com a jaqueta.
52
Figura 5.8 – Isolador com pino revestido de nylon para teste de rigidez dielétrica.
Depois de revestido, os pinos foram inseridos nos isoladores quebrados, e
fixados por resina. As figuras 5.9 e 5.10 mostram os detalhes do isolador pronto e
colocado em forma de cadeia para o ensaio.
Figura 5.9 – Detalhe do isolador com pino revestido por jaqueta de nylon.
53
Figura 5.10 – Isoladores com pinos revestidos por nylon, colocados em cadeia para
ensaio de disrupção.
Os ensaios de tensão disruptiva foram conduzidos no Instituto de
Eletrotécnica e Energia (IEE) da Universidade de São Paulo. A figura 5.11 mostra os
arranjos utilizados no ensaio.
(a)
(b)
Figura 5.11 – (a) cadeia com 16 isoladores quebrados. (b) cadeia de 16 isoladores
com pinos revestidos por nylon.
54
Durante os ensaios observamos uma descarga entre a campânula e o pino do
isolador, bem próximo ao cimento. Essas descargas são mostradas na figura 5.12.
(a)
(b)
Figura 5.12 – Detalhes da disrupção ocorrida durante o ensaio de tensão
disruptiva nas cadeias de isoladores quebrados.
5.3 Resultados e discussão
5.3.1 Ensaio de disrupção com isoladores quebrados utilizando materiais poliméricos
em substituição ao cimento.
Os isoladores quebrados, mas com diferentes espessuras de kapton foram
submetidos a ensaios de tensão disruptiva. No experimento foram tomados valores
de tensão disruptiva para os diferentes tipos de isoladores quebrados com seus
respectivos pinos envolvidos por diversos materiais. Os resultados de ensaio de
disrupção encontram-se na tabela 5.1.
55
Tabela 5.1: Resultados dos ensaios com isoladores quebrados preenchidos com
materiais poliméricos.
Teste
Isolador
Espessura do filme
1
Isolador
de
vidro
quebrado com cimento
Filme de polietileno no
pino do isolador
Filme de kapton no
pino do isolador
Filme de kapton no
pino do isolador
Isolador
de
vidro
quebrado com jaqueta
de nylon
sem filme
Tensão disruptiva
(kv)
13
120 µm
28
250 µm
28
300 µm
24
sem filme
35
2
3
4
5
Observa-se que houve um aumento da tensão disruptiva dos isoladores que
tiveram o pino envolvido com kapton, em relação ao isolador quebrado
convencional, somente com cimento. Os resultados com a jaqueta de nylon em
isolador quebrado foram excelentes, visto que o valor de tensão disruptiva foi em
torno três vezes superior ao de um isolador quebrado somente com cimento.
5.3.2 Teste de disrupção à freqüência industrial no Instituto de Eletrotécnica e
Energia (IEE) da Universidade de São Paulo numa cadeia de 16 isoladores
quebrados com jaqueta de nylon.
Para verificar a efetividade da jaqueta polimérica, 16 isoladores foram preparados
e o resultado foi comparado com uma cadeia de isoladores com 16 isoladores
quebrados e sem nenhuma proteção especial. Os resultados podem ser visualizados
no gráfico da figura 5.12.
375
400
Tensão disruptiva (kV)
350
300
250
200
150
Tensão disruptiva
107
100
50
0
Sem jaqueta
Com jaqueta
Figura 5.12 – Gráfico comparativo entre as tensões de disrupção das cadeias de
isoladores de vidro testadas com e sem a substituição do cimento por nylon.
Como resultado, verificou-se que a tensão de disrupção com a freqüência
industrial foi 3,6 vezes superior a uma cadeia de isoladores sem o revestimento no
56
pino, atingindo um valor de 375 kV no primeiro ensaio. Em termos de
suportabilidade, o valor da primeira tensão é superior quando comparado com
cadeia com 4 (quatro) isoladores inteiros, que foi de 352 kV.
5.4 Conclusões
De acordo com o estudo realizado com os isoladores quebrados e com o
cimento retirado dos mesmos, pôde-se concluir que utilizando materiais de maior
rigidez dielétrica e menor porosidade que o cimento, podem-se melhorar
substancialmente as características elétricas de um isolador, no que se refere ao
aumento de sua tensão disruptiva e melhor desempenho elétrico nas linhas de
transmissão, porém é necessário um estudo detalhado das características
mecânicas do material, pois este deve apresentar também boa resistência mecânica
para assegurar o bom desempenho do isolador quando submetido à tração, bem
como aprofundar os estudos elétricos, tais como descargas parciais, ensaios sob
chuva, deteriorização ou degradação ao longo do tempo, entre outros.
57
6. CONCLUSÕES
58
Na presente dissertação, visou-se desenvolver uma técnica eficiente para
aumentar tensão de disrupção de uma cadeia de isoladores de vidro com unidades
danificadas, que é de grande interesse do setor elétrico para fornecimento contínuo
de energia elétrica e também para realizar manutenção com maior segurança das
linhas de transmissão energizadas. Para atingir os objetivos, uma série de ensaios
foram elaborados e realizados para medidas de tensão disruptiva em cadeias de
isoladores de vidro com: (i) unidades com a parte vítrea quebrada em diferentes
configurações, (ii) atmosfera de SF6 e ar sob pressão, (iii) pino do isolador com
jaqueta de material polimérico e (iv) radiografia computadorizada para a
caracterização dos isoladores de vidro íntegro e quebrado. A partir dos resultados
obtidos, as seguintes conclusões foram elaboradas:
Imagens radiográficas de ótima qualidade foram obtidas com o sistema de
radiografia computadorizada. Com auxílio de processamento de imagens digitais
utilizando o filtro “emboss”, os detalhes que são difíceis de observar em imagens
obtidas foram realçados. Através das imagens radiográficas, observou-se
claramente a diferença na estrutura interna do isolador íntegro e quebrado, que
auxiliarão na interpretação dos valores de tensão de disrupção em cadeias com
isoladores com a parte vítrea quebrada.
Nos ensaios de tensão disruptiva das cadeias com seis e sete isoladores de vidro
com a parte vítrea quebrada e dez e nove isoladores íntegros, respectivamente,
simulando uma cadeia de isoladores utilizada na linha de transmissão de 230 kV,
observou-se que os valores de tensão de disrupção variam sensivelmente com as
configurações e a quantidade de isoladores inteiros na cadeia. A posição dos
isoladores inteiros é um fator determinante no valor da tensão de disrupção tanto em
ensaios com impulso de manobra como de tensão na freqüência industrial. A
configuração com os isoladores de vidro íntegros distribuídos uniformemente ao
longo da cadeia, apresentou os maiores valores de tensões de disrupção dentre as
configurações testadas. A cadeia com 6 isoladores inteiros na configuração 4
apresentou maior valor de tensão disruptiva do que para 7 inteiros e 9 quebrados
nas configurações 1 e 2, onde os isoladores estão agrupados na parte superior e
inferior da cadeia, respectivamente. Em função deste resultado promissor, estudos
sobre a possibilidade de se adotar um número menor de isoladores inteiros na
cadeia para a manutenção de linhas de transmissão energizadas com segurança
podem ser também estendidos para cadeias de isoladores de tensão de 500 kV ou
maiores.
Os ensaios de disrupção em cadeias de isoladores de vidro foram realizados
também numa câmara cilíndrica de acrílico com atmosfera e pressão controladas. A
câmara de acrílico resistiu à alta pressão e ao vácuo. Isto possibilitou a medição de
diversos valores de tensão disruptiva à freqüência industrial de isoladores de vidro
inteiros e quebrados em atmosfera de gás SF6 e ar em diversos valores de pressão.
Observou-se que, para o isolador quebrado, os resultados mostraram-se pouco
efetivos, visto que apresentaram baixos valores de tensão disruptiva se comparados
às demais configurações, ou seja, não houve um aumento significativo no valor da
tensão disruptiva quando ensaiado com ar e com gás SF6, fato esse que pode ser
atribuído à presença de trincas no vidro localizado dentro da campânula do isolador,
que foram detectados com radiografia computadorizada, que forma caminhos para a
descarga interna, não havendo muita influência da atmosfera que envolve o isolador
pela parte externa. No que se refere aos isoladores inteiros, pode-se observar que
houve um ganho substancial no valor da tensão disruptiva do isolador quando
ensaiado com ar e com gás SF6 com a mesma pressão, tanto para a configuração
com 1 isolador inteiro, quanto para os testes com 2 e 3 isoladores inteiros. Pôde-se
observar isto através do gráfico comparativo entre as tensões com ar e com gás SF6
59
à pressão local. Os melhores resultados foram obtidos usando-se gás SF6 e pressão
superior do que a atmosférica local (valor máximo de 244 kV para 2 isoladores
inteiros e 1,3 atm), porém, mesmo utilizando-se pressão atmosférica local para o gás
SF6, os resultados foram bastante satisfatórios (240 kV para 2 isoladores inteiros).
Nos ensaios com três isoladores inteiros, não se conseguiu obter os reais valores de
tensão disruptiva, provavelmente por ter ocorrido descarga disruptiva pela parte
externa da câmara durante o ensaio. Apesar de apresentarem resultados
satisfatórios, os valores de tensão disruptiva encontrados podem ser elevados se for
utilizada uma câmara de diâmetro maior e feita apenas com materiais isolantes,
evitando assim que descargas ocorram pela parte externa da câmara. Apesar do
ótimo desempenho da câmara de atmosfera controlada, a dificuldade de
implementação do dispositivo na linha de transmissão tornou-a inviável para ser
utilizada em campo.
De acordo com resultados do estudo realizado com os isoladores quebrados
e com o cimento retirado dos mesmos, pôde-se concluir que utilizando materiais de
maior rigidez dielétrica e menor porosidade do que o cimento pode-se melhorar
substancialmente as características elétricas de um isolador, no que se refere ao
aumento de sua tensão disruptiva. Portanto, a partir de resultados obtidos, notou-se
que a melhor técnica de aumento da suportabilidade de tensão dos isoladores de
vidro para assegurar maior eficiência na atuação das equipes que trabalham em
linhas energizadas foi para o caso de isoladores com pinos revestidos por jaqueta de
nylon, onde a tensão disruptiva para uma cadeia com 16 unidades quebradas
apresentou um valor 3,5 vezes maior que o encontrado para o ensaio com uma
cadeia de 16 isoladores quebrados convencionais, isto é, com cimento e sem
jaqueta, porém é necessário realizar um estudo detalhado das características
mecânicas do material, pois este deve apresentar também boa resistência mecânica
para assegurar o bom desempenho do isolador quando submetido à tração nas
linhas de transmissão.
60
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