3 Comportamento de Cabos com Cobertura Isolante Frente a Sobretensões
3.2 Processos físicos envolvidos na falha de isolamento em cabos cobertos
As seções seguintes deste capítulo abordam trabalhos consagrados na literatura referentes ao estudo de fenômenos físicos comumente associados ao emprego de cabos com cobertura isolante submetidos a tensões impulsivas. Fenômenos como o mecanismo de propagação do arco elétrico em condutores, o acúmulo de cargas superficiais na cobertura isolante, a ocorrência de descargas parciais e a influência da polaridade da tensão impulsiva aplicada na suportabilidade são discutidos a seguir.
3.2.1 Propagação do arco elétrico e fusão de condutores
Sobretensões que surgem na rede devido a descargas atmosféricas intensificam o campo elétrico no entorno do condutor e em regiões onde há uma maior distorção de campo. Caso a sobretensão seja suficiente para causar uma disrupção, com perfuração da camada isolante do cabo, tem início a ocorrência de um curto-circuito sustentado pela tensão de frequência industrial. Este curto-circuito se manifesta na forma de uma corrente elétrica elevada que será interrompida após a atuação da proteção do sistema. Em cabos desprovidos de cobertura isolante, o arco elétrico é capaz de deslocar-se devido à ação de forças eletromagnéticas e dos ventos (LEE et al., 1982). Contudo, em cabos cobertos, o arco elétrico não é capaz de se mover em função da alta resistência na interface perfuração/cobertura. Nesse caso, toda a energia transferida pelo arco concentra-se em um único ponto, elevando a temperatura local, resultando na ruptura do condutor, como ilustrado na Figura 3.1 (LEE, 1982).
Figura 3.1 . Propagação do arco elétrico em frequência industrial [Adaptado de (LEE, 1982)].
Os ensaios laboratoriais conduzidos por Nakamura et al. (1986) levaram à conclusão de que, quando empregadas amarrações condutivas (cabo nu) ou com cobertura semicondutiva, verificava-se a formação de descargas parciais entre a região de amarração do cabo e estruturas aterradas do isolador anteriormente à perfuração do cabo. Em amarrações isolantes (plásticas ou cabos cobertos) era mais acentuado o acúmulo de cargas na região de fixação do cabo ao isolador. Esse maior acúmulo altera o comportamento do cabo mediante aplicações impulsivas de tensão, reduzindo a frequência de descargas parciais e elevando a tensão necessária para formação de descargas parciais e perfuração do cabo (NAKAMURA, 1986).
Portanto, fenômenos não verificados em ensaios com cabos nus surgem ao serem ensaiados cabos com cobertura isolante. Tais fenômenos consistem nas descargas parciais, no acúmulo de cargas e na perfuração da camada isolante, discutidos separadamente a seguir.
3.2.2 Descargas parciais e acúmulo superficial de cargas
Nakamura et al. (1986) e Sekioka et al. (2008) observaram fenômenos que antecedem a perfuração da cobertura isolante quando cabos cobertos, típicos das redes de distribuição compactas foram testados. O primeiro deles, presenciado em tensões impulsivas de menor amplitude, é dado por um acúmulo de cargas (em decorrência de efeito corona) em regiões nas quais o campo elétrico apresenta maior distorção - regiões do cabo próximas ao isolador e na base do isolador. Aumentando-se a amplitude da
tensão impulsiva, eram vistas, ao longo da cobertura isolante do cabo e nas proximidades do isolador, um brilho e ruído audível de baixas intensidades. A ocorrência de descargas parciais acarreta no acúmulo de cargas (de polaridade oposta ao impulso aplicado) nas proximidades da superfície isolante dos cabos, alterando tanto a suportabilidade de cabos cobertos quanto o comportamento na ocorrência de descargas disruptivas.
Na presença de descargas parciais, verificam-se reduções momentâneas na amplitude da forma de onda da tensão aplicada ao cabo, conectando momentaneamente estruturas aterradas à superfície isolante do cabo. Quando há uma descarga com energia para provocar perfuração da camada isolante, observa-se um arco elétrico de brilho intenso no ponto de perfuração, que conecta o condutor ao ponto aterrado mais próximo.
Um fator importante, que deve ser levado em consideração ao serem ensaiados cabos cobertos, refere-se ao comprimento do condutor empregado. Devido ao acúmulo de cargas sobre a cobertura isolante dos cabos, pode haver o prolongamento do arco elétrico de forma a tangenciar toda superfície isolante do cabo. Se o cabo testado em laboratório não for suficientemente longo, as descargas superficiais podem atingir a sua extremidade, levando a uma disrupção sem que ocorra uma perfuração em sua cobertura isolante. Com base em ensaios preliminares, determinou-se como 5 m o comprimento satisfatório de cabo para que houvesse redução do número de descargas disruptivas para a sua extremidade quando ensaiada a estrutura com impulsos de tensão de polaridade positiva e, 10 m quando ensaiado com impulsos de tensão de polaridade negativa. Apesar da adoção de 10 m de cabo para impulsos de polaridade negativa acarretar descargas disruptivas para a extremidade do cabo, tal comprimento não pôde ser acrescido em virtude do elevado espaço exigido e limitações impostas pelas dimensões do laboratório no qual foram realizados os ensaios. As descargas superficiais são influenciadas pelo acúmulo de cargas e pela distorção do campo elétrico nas extremidades do cabo. Por não existir uma padronização do comprimento do cabo a ser utilizado em ensaios de suportabilidade em cabos cobertos, este se torna um dos tópicos de investigação desta dissertação de mestrado, que busca determinar o comprimento do
cabo que evita (ou reduz significativamente) a ocorrência de descargas superficiais para a ponta do cabo.
3.2.3 Influência da polaridade da tensão na suportabilidade de
estruturas com cabos cobertos
A realização de ensaios utilizando cabos nus em estruturas típicas de redes de distribuição compactas permite avaliar a influência da cobertura isolante dos cabos na suportabilidade dessas estruturas, além de representar uma condição referente à degradação total da camada isolante.
A tensão máxima suportável de uma estrutura depende tanto das características construtivas do isolador quanto da composição da cobertura isolante e da polaridade do fenômeno solicitante. Em ensaios com cabos nus realizados no contexto dessa dissertação de mestrado, verificou-se uma menor suportabilidade do sistema (cabo/isolador) quando considerados impulsos de tensão com polaridades positivas em relação à polaridade negativa.
Quando considerada a presença dos cabos cobertos, o sistema passa a ser composto por uma combinação de isolantes (cobertura do cabo e o ar). Nessa situação, para que haja o fluxo de uma corrente de falta no sistema, os diferentes meios isolantes devem sofrer ruptura. Ensaios conduzidos por Nakamura et al. (1986) e Sekioka et al. (2008) constataram uma maior suportabilidade de cabos cobertos mediante impulsos de tensão de polaridade positiva, resultado este oposto ao obtido para cabos nus. Resultado semelhante foi observado por Lima (2015a) em ensaios dedicados a avaliar a suportabilidade de estruturas de redes compactas frente a impulsos atmosféricos padronizados.