4. Estudo da tensão disruptiva em cadeias de isoladores de vidro danificadas, em
4.1.4 Aplicação da Lei de Paschen com referência ao SF 6 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).
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.
Figura 4.4 – Foto da câmara de acrílico para ensaio de tensão disruptiva com atmosfera de SF6.
Figura 4.5 – Detalhe da parte superior da câmara.
Tarugo condutor de cobre
Tarugo condutor de cobre Parafuso de aço para
fechamento
Suporte para anel de acrílico
Isolador para ensaio
Adaptador para fixar isolador, feito de câmpânula
Tampa superior de acrílico
Tampa inferior de acrílico Anel de acrílico “Figura 4.5” Medidor de pressão Válvula de segurança Válvula para gás Válvula para gás Tarugo condutor
Parafuso para suspensão da câmara
Figura 4.6 – Detalhe da parte inferior da câmara.
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
Porca e arruela para fechamento O-ring O-ring Mangueiras Vacuômetro Compressor Cilindro de gás
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.
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),
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
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).
Figura 4.14. Nova configuração da câmara, onde se utilizou uma corda de nylon para fechamento.
Corda de nylon Esticador
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.
1 isolador inteiro Atmosfera gasosa
Sistema de Fixação Vácuo Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm) Gás SF6 (1,3 atm)
Parafusos 5 kV 68 kV 96 kV 106 kV
Corda c/ esticador *** 80 kV 122 kV 130 kV
2 isoladores inteiros Atmsfera gasosa
Sistema de Fixação Vácuo Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm) Gás SF6 (1,3 atm)
Parafusos *** *** *** ***
Corda c/ esticador *** 140 kV 240 kV 244 kV
3 Isoladores inteiros Atmosfera gasosa
Sistema de Fixação Vácuo Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm) Gás SF6 (1,3 atm)
Parafusos *** *** *** ***
Corda c/ esticador *** 178 kV 208 kV ***
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.
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.
Tensão disruptiva de isoladores
80 122 130 140 240 244 178 208 0 50 100 150 200 250 300 Ar SF6 e pressão local SF6 a 1,3 atm (kV) 1 isolador inteiro 2 isoladores inteiros 3 isoladores inteiros
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.