Metodologias de Análise da Vida Residual do Cabo Condutor

Devido à complexidade do mecanismo de falha de cabos condutores não há critério analítico capaz de representar adequadamente os diversos fenômenos que atuam em conjunto, como a superposição do problema de fadiga devido às tensões cíclicas com o fretting decorrente de microdeslizamentos entre superfícies em contato. Entretanto, o desenvolvimento de metodologias para análise da durabilidade de cabos condutores de energia é fundamental para o projeto de uma linha de transmissão, sendo necessário a caracterização de parâmetros que garantam a integridade da linha.

Nesse contexto, algumas metodologias foram propostas a partir da padronização do método da amplitude de flexão pelo IEEE (1966) e da formulação proposta por P-S, nas quais a deformação ou a tensão no cabo, medida com base no ponto 89 mm distante do UPC, é comparada com limites obtidos por meio de ensaios em laboratório para avaliar a severidade dos danos resultantes das vibrações eólicas. Em geral, três metodologias são utilizadas:

1. IEEE: Máxima deformação devido à flexão; 2. EPRI: Limite de resistência à fadiga;

3. CIGRE: Estimativa do tempo de vida do condutor.

3.6.1 Máxima deformação do IEEE

O Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica (IEEE) apresentou um critério baseado na formulação de P-S, junto ao método padrão de amplitude de flexão, para avaliar a durabilidade do condutor em função da máxima deformação sofrida pelo cabo durante a vibração. Foi estabelecido que, apesar da máxima deformação tolerada por um condutor de alumínio com alma de aço (ACSR) sem eventuais falhas por fadiga não poder ser precisamente especificada, valores entre 150 e 200 µin/in (microstrains) pico a pico podem ser tomados como um guia de valores seguros (IEEE, 1966). Apesar de se tratar de um critério bastante conservativo, muitos países ainda utilizam essa referência para avaliar o sistema de amortecimento de linhas de transmissão (EPRI, 2010).

3.6.2 Limite de resistência do EPRI

Em 1979, o Orange Book do Instituto de Pesquisa em Energia Elétrica (EPRI) usado como padrão por muitas empresas do setor elétrico, apresentou os valores limites de amplitude de tensão e máxima amplitude de vibração que poderia ocorrer durante a vida em serviço de diversos tipos de cabos, abaixo dos quais não haveria falhas por fadiga. Assim como a máxima deformação estabelecida pelo IEEE, o limite de durabilidade da EPRI é baseada na formulação de Poffenberger-Swart.

A partir de uma quantidade significativa de dados - obtidos mediante testes laboratoriais para diferentes tipos e tamanhos de cabos de alumínio com alma de aço,

estabelece que cabos ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced) com mais de uma camada de fios tem um limite de resistência à fadiga de 8,5 MPa ou um deslocamento

máximo de Yb = 0,23 mm. Esses valores podem ainda ser aplicados à condutores de alumínio

homogêneos (AAAC - All Aluminium Alloy Conductor) que utilizam fios de alumínio liga 1350 ou 5005, enquanto os condutores com fios liga 6201 ou similar possuem um limite de 5,7 MPa (EPRI, 2010).

Se a máxima amplitude de flexão for usada como critério para o limite de durabilidade, algumas concessões são permitidas (IEEE, 2007):

1. A amplitude de flexão pode exceder o valor limite em até 5% do número total de

ciclos;

2. Não mais do que 1% dos ciclos pode exceder 1,5 vezes a amplitude limite;

3. Nenhum ciclo pode exceder 2 vezes o valor limite.

3.6.3 Método de estimativa de tempo de vida do condutor da CIGRE

O método de estimativa de vida de cabos condutores proposto pela CIGRE, leva em consideração o efeito de todos os ciclos de vibração por meio da teoria de acúmulo de dano. A vantagem dessa metodologia é a determinação da vida residual do condutor em quantidade de anos através de modelos como o de Palmgren-Miner a partir de medições de campo durante certo período de tempo.

Os vibrógrafos instalados nas linhas de transmissão são utilizados para verificar a amplitude de flexão do condutor durante sua vida em serviço. Para tal, esse dispositivo é posicionado nas proximidades do grampo de suspensão e realiza medições de 1 a 12 segundos, com um intervalo entre 1 e 60 minutos durante 24 horas por dia e por até 3 meses a partir da instalação para o modelo PAVICA. Os dados coletados são armazenados em matrizes e extrapolados para o período de um ano, relacionando o número de ocorrências (número de ciclos) em função do deslocamento sofrido pelo cabo e da frequência de vibração, conforme ilustrado pela Figura 3.11.

Os dados de amplitude de vibração coletados pelo vibrógrafo são convertidos em amplitude de tensão via formulação de P-S e, por meio da regra de Palmgren-Miner, pode-se então quantificar a fração de dano provocada por unidade de bloco de amplitude de tensão devidamente armazenado pelo vibrógrafo. Note que o cálculo da fração de dano por nível de amplitude de tensão faz uso do número de ciclos de carregamento que o material resiste para determinado nível de tensão (curva S-N). Para tal, é possível obter curvas S-N em laboratório ou utilizar uma curva teórica obtida a partir de um banco de dados experimentais para cabos condutores denominada de Safe Border Line (CIGRE, 1999). Vale ressaltar que a curva teórica disponibilizada pela CIGRE apresenta dados referentes a diversos tipos de cabos, mostrando-se bastante conservativa na maior parte dos casos. A grande vantagem apresentada pelo resultado dessa metodologia é fornecer a vida remanescente do condutor em anos de serviço (FRONTIN, 2010).

Figura 3.11 - a) Matriz obtida por meio de um vibrógrafo extrapolada pelo período de um ano

(BELLORIO, 2009); b) Instalação do vibrógrafo modelo PAVICA (modificado: ROCTEST, 2005).