efeito da porosidade do cimento na tenso disruptiva de

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EFEITO DA POROSIDADE DO CIMENTO NA TENSÃO DISRUPTIVA DE
ISOLADORES DE VIDRO PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO
L.R.P Leite1, J.A. Yanaguizawa1, A.H. Shinohara1, G.J.V. Xavier2
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R. Acad.Hélio Ramos, s/n, CDU, 50740-530, Recife-PE, [email protected]
Univ. Federal de Pernambuco, CTG, Departamento de Engenharia Mecânica
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Chesf – Companhia Hidrelétrica do são Francisco, Recife-PE
RESUMO
O isolador de vidro para linhas de transmissão consiste de: campânula metálica,
saia de vidro, cimento aluminoso e pino metálico. O cimento tem a função essencial de
fixar mecanicamente o pino para formar cadeias, e auxiliar no isolamento elétrico entre
o pino e a campânula após a quebra da parte vítrea. O valor da tensão disruptiva de
um isolador com vidro quebrado é cerca de 1/6 do isolador íntegro(80 kV) e observouse que a disrupção ocorre através do cimento. Esta observação motivou-nos a estudar
em mais detalhe os fatores que contribuem para esta redução. Além do decréscimo
abrupto do caminho entre o pino e a campânula, a causa principal de disrupção pelo
cimento foi atribuída à sua porosidade. Para certificarmos desta hipótese, realizamos
testes com vários tipos de materiais substituindo o cimento. O resultado mostrou que o
uso do nylon aumentou a tensão disruptiva de 15 kV para até 35 kV.
Palavras-chave: Cimento, isoladores de vidro, tensão de disrupção, porosidade.
INTRODUÇÃO
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Os isoladores de vidro são dispostos em série para formar uma cadeia e têm a
função fundamental de isolar eletricamente as linhas de transmissão de alta tensão,
bem como sustentar mecanicamente os cabos aéreos de transporte de energia fixados
nas estruturas metálicas, nas tensões de 69 kV até 500 kV. Os isoladores de vidro
possuem uma vida útil de mais de 40 anos, mas são os elementos mais vulneráveis de
uma linha, pois estão submetidos a cargas de natureza eletromecânica, à ação de
intempéries e ao vandalismo.
Os isoladores de vidro representam a maior parcela de isoladores instalados no
Brasil. Por exemplo, a Companhia Hidroelétrica do São Francisco (Chesf) – empresa
brasileira de produção, transmissão e comercialização de energia elétrica a nove
estados do norte-nordeste – possui cerca de 18 mil quilômetros de linhas de
transmissão e mais de 3 milhões de isoladores de vidro instalados, os quais
correspondem a 80% do total de isoladores utilizados pela empresa – sendo 10% de
porcelana e 10% poliméricos. 1-4
A quebra de isoladores de vidro por vandalismo é uma realidade nacional e
mundial. Segundo os dados da Chesf, entre os anos de 1988 e 2001 (13 anos)
ocorreram 339 desligamentos em suas linhas de transmissão, dos quais 75% foram
originados de atos de vandalismo. Os 25% restantes foram causados por descargas
atmosféricas, falhas de fabricação, interferência de terceiros, falhas de projetos e de
manutenção. Cerca de 40% dos desligamentos por vandalismo foram automáticos e
60% foram intencionais. O vandalismo nas cadeias de isoladores das linhas de
transmissão resulta na quebra da parte vítrea do isolador. Os desligamentos
intencionais (programados pela Chesf) ocorrem porque, uma vez quebrados os
isoladores de vidro nas linhas energizadas, não há segurança para os eletricistas
efetuarem a troca das unidades danificadas, quando o número de isoladores for menor
que 7 inteiros numa cadeia de 230 kV, por exemplo.
Os desligamentos causados por vandalismo implicam em (i) custos e despesas
para a substituição dos isoladores quebrados; (ii) prejuízo com as vendas, pois a
empresa deixa de fornecer energia elétrica no tempo em que a linha permanece
desligada; (iii) e ainda existe aplicação de multa por entidades governamentais –
Operadora Nacional de Sistemas Elétricos (ONS), Agência Nacional de Energia
Elétrica (Aneel) – que chega a ser 5 vezes maior que o prejuízo causado em 1 hora de
desligamento. Em função da existência de uma legislação mais rigorosa ao setor
elétrico brasileiro, da demanda crescente e da necessidade de fornecimento de energia
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com qualidade, é necessário minimizar os desligamentos das linhas de transmissão
oriundos de vandalismo.
Sabe-se que alta tensão é altamente sensível às pequenas variações nas
propriedades dos materiais tais como porosidade, tipos de materiais. No presente
trabalho, visou-se estudar a tensão de disrupção em isoladores quebrados e ensaios
isoladores quebrados substituindo o cimento por materiais poliméricos de alta
densidade e praticamente sem porosidade.
MATERIAIS E MÉTODOS
Isoladores de vidro para linhas de alta-tensão
Pela figura 1 observa-se que um isolador de vidro é formado basicamente por três
peças:
¾ Campânula de ferro maleável ou galvanizado a fogo, provida com engate tipo
concha-bola, complementada com cupilha de bloqueio de bronze ou de aço
inoxidável;
¾ Corpo (saia) de vidro temperado;
¾ Pino metálico de aço.
(a)
(b)
Figura 1 – (a) Fotografia de um isolador de vidro típico para alta tensão; (b)
Componentes do isolador e principais dimensões (Pavlik, 1989).
O vidro dos isoladores de alta tensão é um silicato pertencente à família soda-cal.
Para a formação da saia, o vidro é prensado, em estado pastoso, em moldes metálicos,
na temperatura aproximada de 1200°C, normalizado a 700°C e temperado com brusco
resfriamento por rajadas de ar frio na parte inferior da saia de vidro. Este processo de
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4
têmpera aumenta enormemente a resistência mecânica do vidro. Uma característica
marcante é que vidros temperados, ao serem quebrados, sofrem um processo de
“estilhaçamento”, produzindo numerosos e pequenos fragmentos.
As campânulas, antes de serem chumbadas com cimento ao corpo de vidro
temperado, são revestidas nas bordas com feltro, constituídos de fios de nylon ou
poliéster fixados com cola. A finalidade do revestimento consiste em impedir o contato
direto entre a campânula e o vidro durante o processo de vibração, evitando a
danificação do corpo e também o processo de deterioração, devido à presença de
álcalis, sódio e potássio na composição química do vidro. A parte do pino metálico a
ser cimentada dentro do corpo de vidro é revestida, por imersão, com verniz especial.
Este envernizamento destina-se a modificar o estado da superfície da haste para
aumentar a resistência aos esforços de compressão e do cisalhamento do cimento
quando o isolador é submetido à tração. Algumas características elétrica de um
isolador de vidro são apresentadas na Tabela I.
Tabela I – Principais características técnicas de um isolador inteiro, tipo suspensão,
modelo concha-bola (segundo norma NBR 7109).
Carga mecânica de tração
80 kN
Tração de rotina
40 kN
Diâmetro da saia
254 mm
Passo
146 mm
Peso
4,8 kg
Tensão disruptiva em freqüência industrial a seco
80 kV
Tensão disruptiva em freqüência industrial sob chuva
50 kV
Análise de cimento com a técnica de difração de raios-X
O isolador de vidro emprega um cimento especial para fixar o pino à saia de vidro.
Para identificar o tipo de cimento presente no isolador de vidro, amostras de cimento
foram analisada com a técnica de difração de raios-X de alta resolução na
Universidade de Tokyo, Japão, utilizando seguintes condições: radiação Cu-Kα1
monocromatizada com monocromador pirolítico de grafite, goniômetro θ-2θ utilizando
modo “step-scanning” com passo de 0,002o e tempo de coleta de 1 segundo por passo.
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5
A faixa de meidção foi 2θ de 10o a 90o. A identificação da fase cristalina foi realizada
com o software JADE6.0 e com o banco de dados da JCPDS-ICDD.
Ensaio de tensão disruptiva com isoladores quebrados.
Foram realizados ensaios de tensão disruptiva com isoladores quebrados no
laboratório de alta tensão da Universidade Federal de Campina Grande – PB. Estes
isoladores foram inseridos em uma câmara de acrílico com atmosfera controlada e,
variando-se os tipos de atmosfera no interior da câmara. Obtivemos vários resultados
que serviram de base para os demais experimentos com outros materiais no lugar do
cimento.
Inicialmente foi utilizada uma atmosfera de ar local, cuja pressão atmosférica era
de 0,95 atm e umidade relativa de 72%. Depois, foram utilizadas atmosferas de vácuo
e de gás SF6. Este último bastante conhecido e utilizado no setor elétrico pelas suas
propriedades dielétricas e como extintor de arco.
Ensaio de tensão disruptiva com isoladores quebrados utilizando materiais
poliméricos em substituição ao cimento.
Ensaios de tensão de disrupção em isoladores utilizando diversos materiais
poliméricos5 no lugar do cimento, dentre eles kapton (poliimida), 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 vídea utilizando torno;
- retirada do cimento remanescente com simples jato d’água.
- 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
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6
- isolador com jaqueta isolante pronto para ensaio de tensão de disrupção.
A figura 2(a) mostra um isolador quebrado com pino revestido por filme de kapton
e fixação é realizada por resina em lugar do cimento. Na figura 2(b), pode-se observar
um isolador quebrado com pino revestido por filme de polietileno, com espuma de
poliuretano em lugar do cimento.
(a)
(b)
Figura 2 – (a) isolador com pino revestido de kapton para teste de rigidez
dielétrica. (b) isolador quebrado com filme de polietileno enrolado no pino.
Na figura 3, pode-se observar o isolador cujo cimento foi substituído por uma
jaqueta de nylon (poliamida) para realização do ensaio.
Figura 3 - isolador com jaqueta de nylon e um pino metálico adaptado para o ensaio de
alta tensão.
Teste de disrupção à frequência industrial no Instituto de Eletrotécnica e Energia
(IEE) da Universidade de São Paulo.
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7
Foi realizado também um teste de disrupção à frequência industrial no Instituto de
Eletrotécnica e Energia (IEE) da Universidade de São Paulo 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.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Ensaio de tensão disruptiva com isoladores quebrados.
Na figura 4 podemos observar um cimento retirado de um isolador de vidro
utilizado em linhas de transmissão. Este cimento apresenta-se vários poros. Esta
porosidade diminui a suportabilidade à tensão disruptiva no cimento, diminuindo
também a suportabilidade do isolador como um todo.
Poro
Figura 4 - Cimento retirado dos isoladores de vidro apresentando presença de
poros.
Como resultado do ensaio de difração de raios-X no cimento retirado do isolador
de vidro, através dp difratograma apresentada na figura 5, identificamos a principal fase
cristalina como sendo Kataite (Ca3Al2(CH)12).
8
8
Figura 5 – Difratograma do cimento retirado de um isolador de vidro.
A tabela II apresenta os resultados dos ensaios de tensão disruptiva em
isoladores de vidro quebrado em diversas atmosferas com cimento. Observa-se que
houve um aumento na tensão disruptiva do isolador quando ensaiado em atmosfera de
gás SF6, já que este se apresenta como um gás de suportabilidade a tensão.
Tabela II – resultados dos ensaios de tensão disruptiva com isoladores quebrados
Atmosfera
Valor da tensão disruptiva (kV)
1° ensaio
2° ensaio
3° ensaio
4° ensaio
Ar
13
10
7
7
Vácuo
0,5
0,5
-
-
Gás SF6
15
8
11
-
Durante os ensaios de disrupção nos isoladores quebrados com cimento, houve
perda do material de cimento na parte inferior do isolador, próximo ao pino, como pode
ser visto pela figura 6. Esta perda pode estar associada às descargas elétricas que
ocorreram neste local durante a aplicação da tensão no isolador, observada pela figura
7.
9
9
Cimento
Figura 6 – Perda do cimento do isolador observado após o ensaio de tensão disruptiva
em isolador quebrado.
Figura 7 – Descarga ocorrida no isolador durante o ensaio de tensão disruptiva,
mostrando a descarga está ocorrendo através do cimento.
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 rigidez dielétrica. 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 III.
Tabela III: Dados sobre condições experimentais para teste de kapton e PET e
resultados do ensaio no ar.
Teste
1
Isolador
isolador de vidro quebrado
Espessura do filme
Sem filme
Tensão disruptiva (kV)
1
2
3
4
5
13
13
12
13
13
10
10
com cimento
2
filme de polietileno no pino
120 µm
18
28
---
---
250 µm
28
23
12
10
---
300 µm
24
---
---
---
---
Sem filme
35
---
---
---
---
do isolador
3
filme de kapton no pino do
isolador
4
filme de kapton no pino do
isolador
5
isolador de vidro quebrado
com jaqueta de nylon
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.
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 nenhum proteção especial. Os resultados podem ser visualizados no
gráfico da figura 8.
Tensão
350
300
250
375
200
150
100
50
107
16 isoladores quebrados (kV)
Tensão disruptiva em uma cadeia com
400
0
1
S e m ja q u e ta
2
C o m ja q u e ta
11
11
Figura 8 – 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
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. Por outro, verifica-se a necessidade de
aprofundar o estudo de pesquisa no sentido de obter um dispositivo que possa suportar
as tensões de disrupção de freqüência industrial e impulso de manobra, de acordo com
a norma NBR-6936.
CONCLUSÕES
De acordo com o estudo realizado com os isoladores quebrados e com o
cimento retirado dos mesmos, podemos concluir que utilizando materiais de maior
rigidez
dielétrica
e
menor
porosidade
que
o
cimento,
podemos
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 bem desempenho do isolador quando submetido à tração.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq e CAPES pelas bolsas de estudo e à CHESF/
ANEEL pelo suporte financeiro, ao prof.Dr. Edson Guedes da Costa, Laboratório de
Alta Tensão, UFCG, Campina Grande-PB pelos ensaios de alta tensão. A autora L.R.P.
Leite agradece ao programa PIBIC/CNPq/UFPE pela bolsa de iniciação científica.
REFERÊNCIAS:
1. Resende, E. M. - Materiais usados em eletrotécnica – Rio de Janeiro, Editora
Interciência, 1977.
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2. Fuchs, R. D. Transmissão de energia elétrica: linhas aéreas; teoria das linhas em
regime permanente. LTC, Rio de Janeiro, 1979.
3. Luna, A. M. Materiais para engenharia elétrica. Recife, CHESF, 19793.
4. Relatórios de atividades do projeto de P&D: Isolamento mínimo CHESF/ANEEL
5. O plástico na prática. Albuquerque, Jorge Artur C., Porto Alegre: 2ª ed., Editora
Sagra Luzzatto, 1999.
EFFECT OF THE POROSITY OF THE CEMENT IN THE BREAKDOWN VOLTAGE OF
GLASS INSULATORS FOR TRANSMISSION LINES
Abstract
Basically, glass isolator for hot lines consists on: metallic cap, glass skirt, aluminous
cement and metallic pin. Essentially, cement is employed to support mechanically the
metallic pin into glass skirt to form chain. In the field, glass part of a isolator is broken
by vandalism action. In this condition, the value of electrical breakdown of a broken
glass isolator is about 1/6 of a good glass isolator (80 kV). This decrease in value is
atributed to to the loss of long length mean path between metallic cap and pin and, also
due to the porosity of cement. In order evaluate the effect of porosity of cement in the
value of electrical breakdown, several tests were conducted with broken isolator
exchanging the cement by polymeric materials. As a result, substitution of cement by
nylon, the electrical breakdown shifted from 15 kV up to 35 kV. Therefore, finding of a
material with low porosity that can substitute cement should be a interesting solution for
high voltage tecnology.
Key-words : Glass cement, insulators, Breakdown voltage, porosity.