Ensaios de cabos poliméricos de média tensão

CABOS
ISOLADOS
Ensaios de cabos poliméricos
de média tensão
J.
BETTENCOURT
CÂMARA
(I. S. T.)
Eng." Electrotécnico
CEL-CAT - Fábrica Nacional de Condutores Eléctricos) SARL
resumo
Os cabos com isolamento polimérico apresentam-se
como substitutos dos tradicionais cabos isolados a papel.
Para garantir um comportamento fiável são incluídos nas
especificações respectivas diversos ensaios.
Com destino aos técnicos não especializados em cabos
eléctricos) mas que desejem ter um panorama geral dos
ensaios previstos numa das normas de maior divulgação,
resumem-se os ensaios previstos pela recomendação 502
da Comissão Electrotécnica Internacional (CEI).
abstract
The electric cables isolaied with polymers are used
more and more instead of the traditional impregnated
paper cables. General speahing, lhe speciiication of tests
aim to garantee a high reliability in operation.
This paper intend to give the engineers not specialized in electrical cables an usejul iniormation about the
most knouin stc ndards and recomendations. For that the
tests inserted in CEI-Recomendation
502 are resumed.
pelas curvaturas que os cabos têm de sofrer e pelo volume
consideravelmente maior das terminações próprias deste
tipo de cabo.
Estas vantagens e outras, associadas à capacidade de
transporte e resistencia a curto-circuitos, existentes apenas no caso de utilização de polímeros reticulados, têm
feito renascer o interesse pelos cabos poliméricos, mesmo
sabendo que o risco corrido com a utilização destes cabos
é consideravelmente maior do que o existente com cabos
de papel, e que se admita que a sua duração média
possa ser relativamente inferior à destes últimos.
Assim, para garantir que os cabos poliméricos tenham
uma fiabilidade aceitável foi introduzido nas especificações um certo número de ensaios, alguns deles exclusivos
deste tipo de cabo, que se admitem poder ser representativos duma qualidade asseguradora duma vida suficientemente longa e isenta de preocupações.
Dado o interesse existente por estes cabos, os mesmos
têm sido objecto de normalização internacional, sendo de
destacar a publicação N. o 502 da Comissão Electrotécnica
Internacional
(CEI), publicada pela primeira vez em
1975, cuja segunda e actual edição data de 1979, a qual
continua em intensa discussão nas reuniões dos Grupos
de Trabalho e do sub-Comité Técnico 20A daquela
. ,.,
•
A
•
•••
orgaruzaçao.
1- INTRODUÇÃO
ENSAIOS
2-
A utilização de cabos poliméricos em redes de média
tensão, que teve início no princípio dos anos 60, deu
lugar ao aparecimento, ao fim de curtos anos de serviço,
a fenómenos, então desconhecidos, e que provocaram o
abandono em escala apreciável desse tipo de cabos e do
retorno à utilização dos cabos de papel impregnado, que
disfrutavam e continuam a disfrutar duma justa fama
de serem um produto extremamente fiável, de duração
média assegurada superior pelo menos a 30 anos.
Os cabos isolados a papel continuam a ser os preferidos por alguns utilizadores, mas nos tempos mais recentes, têm vindo de novo a ser substituídos pelos cabos
poliméricos, dadas as inegáveis vantagens que estes apresentam, fundamentalmente no que se refere à facilidade
de instalação, à possibilidade de utilização de acessórios
mais simples e à existência de soluções economizadoras
de espaço, que não são possíveis com cabos de papel
422
DA PUBLICAÇÃO
Os ensaios de fabrico previstos
N.O 502 da CEI, podem ser agrupados
-
2.1 -
CEI-502
pela publicação
•
em 3 categorias:
Ensaios de rotina
..
Ensaios especiais
.
Ensaios tIpO
Ensaios de rotina
Entendem-se por ensaios de rotina os que são feitos
pelo fabricante em todos os comprimentos de cabo para
demonstrar a sua integridade.
Em caso de acordo entre o fabricante e o fornecedor,
o número de comprimentos de cabo onde se fazem estes
ensaios pode ser reduzido.
ELECTRICIDADE
157/158 - Novembro/Dezembro,
1980
Os ensaios de rotina previstos na publicação CEI-S02,
são os seguintes:
a) Medida da resistência eléctrica dos condutores
de cobre ou alumínio
b) Ensaio de tensão
c) Medida das descargas parciais
2.1.1 -
Medida
da resistência
eléctrica dos condutores
Trata-se de um ensaio convencional, realizado para
todos os tipos de cabos.
A medida é normalmente feita com corrente contínua,
utilizando-se uma ponte dupla de Kelvin e à temperatura
ambiente, corrigindo-se os valores medidos para a temperatura de 20') C, que é a temperatura para a qual, na
publicação CEI-228, se indicam os valores das resistências que não podem ser excedidos.
Na última edição da CEI-228, e ao contrário do que
sucedia na anterior, os valores da resistência máxima
especificados para cada secção são independentes
do
número de condutores do cabo e do número de fios do
condutor, para cada um dos dois tipos considerados:
rígidos e flexíveis.
2.1.2 -
2.2 -'Ensaios
Ensaio de descargas parciais
-
a) Exame do condutor metálico
b) Verificação de dimensões geométricas
c) Ensaio eléctrico prolongado
só para cabos de
tensão nominal superior a 3,6/6 kV)
d) Ensaio de extensão a quente (só para cabos
isolados a polímeros reticulados)
e) Ensaio do comportamento
dos compostos de
PVC (de isolamento e de bainha) a baixa
temperatura.
ELECTRICIDADE
1571158 -
Novembro! Dezembro,
2.2.1 -
1980
Exame de observação do condutor
Este ensaio faz-se visualmente, com o fim de determinar se IS carac terisricas do condutor
número de fios
e aspecto I estão de acordo com a publicação 228 da CEI.
2.2.2 -
Verificação
das características
geométricas
Este ensaio consiste fundamentalmente
na verincação
da espessura do isolante, e dos outros revestimentos do
cabo, nomeadamente da bainha exterior das eventuais
blindagens ou protecções mecânicas.
2.2.3 -
Este ensaio efectua-se apenas para cabos de tensão
nominal superior a 1,8/3 kV quando isolados a polietileno termoplástico ou reticulado e para cabos de tensão
nominal superior a 3,6/6 kV quando o isolamento for
em policloreto de vinilo (PVC) ou composto de etileno-propileno (EPR).
É considerado como um dos ensaios fundamentais
para os tipos de cabos em causa, embora não deixe de
haver dúvidas quanto à sua real representatividade,
pois
cabos que apresentam resultados satisfatórios neste ensaio,
têm tido comportamento
real em serviço não concordante com as conclusões extraídas daqueles resultados.
As descargas parciais são descargas eléctricas que
ocorrem numa zona limitada do isolante, não conduzindo
a disrupção imediata. Têm origem normalmente
em
descontinuidades do isolante, sendo as mais frequentes
causadas por deficiente contacto entre o isolante e as
camadas semi-condutoras que o limitam.
A publicação 270 da CEI refere os aspectos fundamentais da técnica deste ensaio.
especiais
Definem-se como ensaios especiais, no âmbito da
publicação CEI-502, os que são feitos pelo fabricante
sobre amostras de cabo acabado, ou sobre elementos
retirados do cabo, de forma a verificar o cumprimento
das exigências da norma, respeitantes ao cabo completo.
Os ensaios especiais previstos na publicação CEI-502
.
sao os seguintes:
Ensaio de alta tensão
Este ensaio consiste na aplicação duma tensão alternada, de frequência industrial, igual a 2,5 Uo + 2 kV
para os cabos de tensão inferior ou igual a 3,6/6 kV
e de 2,5 Uo para os cabos de tensão nominal superior,
sendo Uo a tensão simples nominal do cabo.
A aplicação da tensão tem a duração de apenas
5 minutos, manifestando a tendência modernamente existente para a redução daquele tempo. Com efeito, um
cabo que suporta uma tensão durante 5 minutos suporta-a
nonnaImente durante 10 ou 15 minutos e reduzindo o
tempo limita-se a fadiga provocada por uma tensão
naturalmente superior à que o cabo vai suportar durante
o funcionamento.
2.1.3 -
Os valores máximos de descargas impostos pela
CEI-502, sendo a tensão de ensaio de 1,25 UO) são de
20 pC para os cabos isolados a polietileno (PE), a polietileno reticulado (PR C) e a EPR, e de 40 pC para os
cabos Isolados a PVC. Contudo, os fabricantes visam
obter, nas suas fabricações, valores de descargas sensivelmente inferiores
Ensaio eléctrico prolongado
Este ensaio é semelhante ao ensaio de tensão de rotina
mas tem lugar sobre uma amostra de cabo com 5 rn de
comprimento e a duração de aplicação de tensão é de
4 horas.
A tensão aplicada é alternada, de frequência industrial, sendo o seu valor eficaz igual a 3 Uo.
Os cabos são considerados satisfazendo ao ensaio se
ao fim das 4 horas não tiver ocorrido perfuração do
isolante
2.2.4 -
Ensaio de extensão a quente
-Este ensaio é característico dos cabos C0111 isolamento
a polímeros reticulados \EPR ou PRC) e serve justamente para dar ideia do estado de reticulação do material de isolamento.
O método de ensaio descrito na publicação CEI-540
consiste em suspender verticalmente numa estufa a temperatura elevada (250" C para o EPR e 2000 C para o
PRC) pequenas amostras em forma de haltere retiradas
423
do isolante, as quais são submetidas à acção dum peso
que dá origem a uma tensão mecânica igual a 20 N /cm2.
.
~
Ao fim de 15 minutos determina-se a extensa o
sofrida pelo haltere, a qual não. d:ve excede~ 175 O/?
Apos retirada a carga que conduzia aquela tensao e apos
arrefecimento, a extensão não deve exceder 15 % do
comprimento inicial.
A medição directa da taxa de reticulação não é co~templada pela publicação 502, e o ln~todo ~e. ensaio
que vinha descrito na publi~açã3 540 fOI s~prImldo por
um aditamento a esta publicação. Este metodo, ~que ~e
baseava na extracção por solventes da parte nao renculada, é utilizado porém nalgumas especificações, como
sej a a especificação americana AEI C C 55-79.
2.2.5 -
Ensaios do comportamento
dos compostos de
PVC (isolamento e bainha) a baixa temperatura
Estes ensaios são feitos a -15° C para o material de
bainha e a-50
C para o PVC utilizado eventualmente
como isolante.
Estes ensaios são descritos na publicação CEI-540
e compreendem um ensaio de impacto mecânico a b.aixa
temperatura que se aplica a todos os cabos c~m b,aln.ha
de PVC c um ensaio de enrolamento, cuja tecmca
depende' do tipo de material em ensaio - isolamentos
de condutores de pequena secção, isolamentos de condutores de grande secção e bainhas de cabos.
2.3 -
Ensaios de tipo
Segundo a CEI-S02, os ensaios de tipo são ensaios
que o fabricante tem de executar antes de começar a
fornecer em bases comerciais um tipo de cabo coberto
por aquela especificação, de forma a demonstrar que as
características de serviço são satisfatórias para a aplicação
desejada.
~
.
Estes ensaios são duma natureza tal que nao necessitam ser repetidos, a não ser que sejam alterados os. materiais ou a construção do cabo, de forma a conduzirem a
modificação das suas características.
Os ensaios de tipo previstos na CEI-502 são os
seguintes:
-
Ensaio eléctrico compreendendo vários passos descritos em 2.3.1;
Medidas de espessuras de isolamento e bainhas;
Determinação das características mecânicas do isolamento, antes e depois de envelhecimento;
Determinação das características do material da
bainha, antes e depois de envelhecimento;
Ensaios de envelhecimento de provetes completos
do cabo;
Ensaio de perda de massa nos isolamentos e bainhas
de PVC;
Ensaio do comportamento do isolamento e bainhas
de PVC a altas temperaturas;
Ensaio do comportamento do isolamento de PVC
a baixas temperaturas;
Verificação da resistência do material de isolamento e bainhas em PVC ao fendilhamento (choque térmico);
-
Medida do índice de fluidez do polietileno aplicado
em isolamento ou bainhas;
Ensaio de envelhecimento na bomba de oxigénio,
do polietileno de isolamento e bai~as;
Ensaio de resistência ao ozono dos Isolamentos em
butilo ou EPR;
Ensaio de extensão a quente dos isolamerutos em
material reticulado (PRC ou EPR);
Ensaio de imersão em óleo de bainhas de material
.
elastornérico;
,
Determinação do teor em negro de fumo de bainhas
em polietileno;
.
Medida do encurtamento, a quente, dos Isolamentos em polietileno termoplástic? ou reticulad? ~
Resistência ao rasgão das bainhas elastomencas.
Alguns destes ensaios já
mente como ensaios especiais
amostras de cabos.
De todos os ensaios tipos
nos referiremos, em pormenor,
2.3.1 -
foram referidos anteriorfeitos regularmente sobre
acima mencionados apenas
no ensaio eléctrico de tipo.
Ensaio eléctrico de tipo
Este ensaio é feito sobre uma amostra de cabo com
10 a 15 m de comprimento e terminada pelos respectivos
acessórios de ligação, e compreende os seguintes passos:
a) Medida de resistência de isolamento à temperatura
ambiente
A resistência de isolamento R
tura ambiente, de preferência a
cerca de 20° C, ou corrigida para
A partir do valor da resistência
mina-se a constante de isolamento
seguinte fórmula:
K·1
=
R X
R
X 10-3
D
log
é medida à temperauma temperatura
de
este valor.
de isolamento deterKü que é dada pela
Mnkm
d
onde
R - resistência de isolamento em Megaoluns;
comprimento do cabo em metros;
D e d - diâmetros sobre o dieléctrico e sobre o condutor, respectivamente, em milímetros.
R -
Os valores de K, a 20° C não podem ser inferiores
aos valores dados na coluna respectiva do Quadro 1.
b) Ensaio de descargas
Este ensaio é feito de forma indicado no parágrafo
2.1.3 (ensaio de rotina) e os valores máximos permitidos
para as descargas são os aí indicados.
c) Ensaio de dobragem
Este ensaio consiste em dobrar um troço de cabo em
torno dum tambor cilíndrico, endireitá-lo e dobrá-lo ~e
novo sobre o mesmo tambor, de forma a que a geratnz
sobre a qual se dobrou o cabo, fique agora para o exte•
nor.
ELECTRICIDADE
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1980
QUADRO
VALORES
DA
1
e)
«,
CONSTANTE
DE ISOLAMENTO
DE CABOS ISOLADOS
VALORES
A1ATERIAL
DE
ISOLAMENTO
PVC
( baixa
tensão)
PVC
(média
tensão)
M/NIMOS
À
A 20 C
0
Para este ensaio, o cabo é aquecido à temperatura
de serviço, por um dos métodos indicados na publicação
502 da CEI, sendo a medida da tangente do ângulo de
perdas feita mediante a aplicação duma tensão igual
a 2
Os valores medidos não podem exceder os que se
indicam na última coluna do Quadro II.
Para os cabos isolados a PVC é necessário fazer
ensaios às temperaturas de 60, 70, 80 e 85° C e a ~ medidas de c, pacidade às mesmas temperaturas, para efeito
de verificação de conformidade com a nota referente ao
Quadro II.
Este ensaio so se aplica a cabos de tensão nominal
igualou superior a 6/10 kV.
DE K,
'
.
tem pcratur. ..l nt axt ma
de serviço
36,7
u;
0,037
367
0,37
Em estudo
Polietileno
Butilo
3670
3,67
EPR
3670
3,67
Medida da tangente do ângulo de perdas em função da temperatura
Em estudo
PRC
Este ciclo é executado 3 vezes.
O diâmetro do tambor é função do diâmetro do cabo.
Após este tratamento mecânico, o cabo é submetido
a novo ensaio de descargas, sendo os limites máximos
permissíveis para as descargas os especificados anteriormente.
f) Medida de resistência
funcionamento
Este ensaio é feito apenas para os cabos de tensao
nominal Uo/U igualou superior a 6/10 kV.
As medidas são feitas com uma tensão igual a 0,5 Uo
e 2
Os valores obtidos não devem exceder os indicados
nas colunas respectivas do Quadro II.
o;
MÁXIMOS
ADMISSÍVEIS
Neste ensaio aquecem-se os condutores do cabo a uma
temperatura
superior em 10° C à temperatura máxima
de funcionamento, fazendo-se passar pelos mesmos uma
corrente alternada.
A corrente de aquecimento é mantida por 2 horas,
seguindo-se wn período de arrefecimento natural ao ar,
com a duração de 4 horas.
DO FACTOR
TANGENTE
MATERIAL
DE
ISOLAMENTO
II
DE PERDAS
DO ÂNGULO
tg
s
DE CABOS
PVC
ISOLADOS
DE PERDAS
A temperatura ambiente
' .
Valor m aximo
a 0,5 Ue> Máxima subida entre 0,5 C e 2 U"
À tem perat ui a máxima de serviço
..
l'alor maxtm a a 2
0,1000
0,0065
(*)
•
·..
0,0010
0,0020
0,0010
· ..
..
0,0040
0,0020
0,0080
Butilo
. ... . . . .. . . .. ·.. ·..
0,0300
0,0055
0,0500
EPR
. . . . . . . . . . . .. ·.. ·..
0,0200
0,0025
0,0400
Polietileno
termoplástico
Polietileno
recticulado
(*)
de
g) Ensaio de ciclos de aquecimento
QUADRO
VALORES
máxima
O ensaio é feito à temperatura máxima de serviço,
da forma indicada na alínea a) deste parágrafo.
Os valores da constante de isolamento não podem
ser inferiores aos indicados na última coluna do Quadro I.
d) Medida da tangente do ângulo de perdas (tg o)
em função da tensão aplicada (à temperatura
ambiente)
,.,
à temperatura
u,
No caso de cabos isolados a PVC o produto da permitivi dade pela tangente do ângulo de perdas não deve exceder o valor
0,75, desde a temperatura
ambiente até 85° C. Além disso o valor de tg õ a 80n C não pode ser superior ao valor de
tg
a 60° C.
Os ensaios de medida de tangente do ângulo de perdas podem ser feitos em amostras não submetidas a ensaius de
dobragem.
Este ensaio só se aplica a cabos de tensão nominal igual ou superior a 6/10 kV.
o
ELECTRICIDADE
157/158-Novembro/Dezembro,
1980
425
Este ciclo é executado 3 vezes, após o que se executa
mais uma vez o ensaio de descargas parciais anteriormente referido. Os valores máximos permitidos para as
descargas são ainda os mesmos.
A amostra utilizada neste ensaio tem de ser submetida previamente, pelo menos, aos ensaios de dobragem
e de ciclos de aquecimento referidos nas alíneas c) e g).
3-
h) Ensaios de resistência a impulsos de ondas de
choque) seguido de ensaio de tensão
ENSAIOS
NÃO PREVISTOS
NA CEI-S02
A publicação 502 da CEI resulta, como rtodos as
publicações deste organismo, dum compromisso entre as
delegações dos países que se fazem representar nas respectivas sessões de trabalho.
Existem naturalmente normas de carácter nacional,
ou até de organizações privadas, que incluem ensaios
que não estão incluídos nas recomendações da CEI.
N o sector que estamos referindo são particularmente
relevantes, além da especificação da EDF-HN-33-S-23,
a especificação AEI C C 55-79 da Associaction of Edison
Illuminating Companies.
Este ensaio é efectuado a uma temperatura superior
em 50 C à temperatura máxima de serviço, aplicando-se
alternadamente 10 impulsos positivos e 10 impulsos negativos, com uma frente de onda de 1 a 5 IJ.s,nas condições
da publicação da CEI 230.
A tensão de pico deverá ter o valor indicado no
Quadro III.
A seguir à aplicação dos impulsos cada um dos con-
QUADRO III
VALORES DE PICO DE IMPULSOS
DE ONDAS DE CHOQUE
NO ENSAIO
DE CABOS ISOLADOS
Tensão nominal do cabo UII/U kV
3,6/6
6/10
8,7/15
12/20
18/30
Tensão de pico kV ... . .. . .. . .. . ..
60
75
95
125
170
dutores da amostra do cabo deve ser submetido a um
ensaio normal de tensão com a duração de 15 minutos,
sem que se verifique perfuração do isolante.
i) Ensaio de alta tensão durante 4 horas
Este ensaio consiste na aplicação duma tensão alternada com o valor de 3 Uo, sem que se verifique perfuraçao.
-
ASSINATURA
N a primeira destas especificações salienta-se um
ensaio de longa duração do cabo sob ciclos de aquecimento.
Na especificação AEIC, para além dos ensaios equivalentes aos da CEI, têm especial interesse o da contagem de vacúolos e outras imperfeições do isolante, assim
como o da observação do crescimento de «arborescências»
no isolante, fenómeno que parece estar na origem da
maior parte dos insucessos verificados com estes cabos
a quando do seu primeiro lançamento.
ANUAL
DA
energia. electrónica
500$00 durante o ano de 1981
envie cheque ou vale postal à EDEL
Rua D. Estefânia, 48-3.2,
Esq.
1000
ELECTRICIDADE
L IS 8 O A
157/158 - Novembro/Dezembro,
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