SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GLT 32 14 a 17 Outubro de 2007 Rio de Janeiro - RJ GRUPO III
GRUPO DE ESTUDO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO
TRILHAMENTO E EROSÃO EM NÚCLEOS DE ISOLADORES POLIMÉRICOS Edson Guedes da Costa* Tarso Vilela Ferreira Max G. G. Neri
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE RESUMO
Uma das maiores desvantagens dos materiais orgânicos em aplicações de alta tensão é a carbonização desenvolvida quando expostos a temperaturas altas. A carbonização pode ocorrer como decorrência de descargas superficiais ou de descargas parciais intensas. A carbonização, o trilhamento e a erosão superficial são efeitos indesejáveis criados durante descargas, e vastamente estudados e registrados nos últimos anos. Este trabalho investiga os casos menos aparentes de erosão e trilhamento, concentrando esforços em situações que deterioram o núcleo de fibra de vidro do isolador.
PALAVRAS-CHAVE
Isoladores poliméricos, trilhamento de núcleo, carbonização. 1.0 - INTRODUÇÃO
Os sistemas de isolamento têm um papel fundamental no suprimento ininterrupto e confiável de energia elétrica. Os isoladores é uma parte essencial nos sistemas de isolamentos das redes de energia elétrica. Atualmente, nas linhas de transmissão são usados isoladores não-orgânicos ou cerâmicos (porcelana e vidro) e isoladores orgânicos, os isoladores poliméricos.
Os isoladores poliméricos empregados nas linhas de transmissão são constituídos por ferragens terminais que fazem contato com o condutor e com as torres; núcleo de fibra de vidro reforçada que suporta os esforços mecânicos impostos ao equipamento; o revestimento polimérico que é responsável pelo aumento da distância de escoamento, estanquidade e proteção do núcleo contra radiação ultravioleta. Contudo, as interfaces entre dois ou mais materiais têm se mostrado como regiões com maior risco de falha. Na Figura 1 é mostrado um desenho esquemático de um isolador polimérico de suspensão.
FIGURA 1 - Desenho esquemático de um isolador polimérico de suspensão
Os isoladores poliméricos apresentam diversas vantagens em relação aos isoladores cerâmicos, tais como: São hidrofóbicos e mesmo sob condições de chuva apresentam correntes de fuga reduzidas; São mais leves e, portanto o tempo gasto em sua instalação é reduzido e conseqüentemente, o seu custo; São menos susceptíveis ao vandalismo, portanto diminuindo a principal causa de perda de uma linha de transmissão; Reduzidos custos com manutenção, pois não precisa ser lavado periodicamente (1).
Contudo, uma das maiores desvantagens dos materiais orgânicos em aplicações de alta tensão, é a carbonização desenvolvida quando eles são expostos a temperaturas altas. A experiência de campo e de laboratório tem mostrado que quando materiais orgânicos são expostos a um ambiente agressivo, o trilhamento é uma questão de tempo. A carbonização, o trilhamento e a erosão superficial são efeitos indesejáveis criados durante descargas, e vastamente estudados e registrados nos últimos anos (2). Como efeitos superficiais, estes fenômenos degradam prioritariamente o revestimento polimérico do isolador e seus danos são facilmente detectáveis durante inspeções visuais.
Este trabalho investiga os casos menos aparentes de erosão e trilhamento, concentrando esforços em situações que deterioram o núcleo de fibra de vidro do isolador. Este problema tem sido relatado por companhias de energia e sua evolução não é detectável por inspeção visual. Nos experimentos desenvolvidos foram utilizados isoladores perfeitos que tiveram trilhamento de núcleo artificialmente desenvolvido através de técnicas de envelhecimento acelerado em laboratório.
2.0 - TRILHAMENTO
Os isoladores poliméricos mostram muitas vantagens quando comparados com os isoladores cerâmicos. Mas, existem também desvantagens, como ligações covalentes mais fracas que são facilmente deterioráveis pela ação do calor, da atividade da descarga elétrica, por produtos químicos e pelos agentes naturais (luz solar, a umidade, a temperatura, etc.) (3). Entretanto, a presença dos hidrocarbonetos em sua composição é, provavelmente, a pior desvantagem. Quando as ligações químicas dos hidrocarbonetos são quebradas, é liberado carbono que em seu estado livre, condutor, proporcionando a formação de um trajeto carbonáceo chamado trilhamento.
2.1. Trilhamento de superfície
O trilhamento de superfície é um dos principais mecanismos de avaria observados em isoladores poliméricos. Descargas contínuas na superfície do isolador causam pontos quentes em determinadas regiões, levando a formação de caminhos ou trilhas carbonizadas, evoluindo entre a alta tensão e o eletrodo do lado terra (4).
Em todos os mecanismos de evolução de trilhamento, a temperatura tem um papel muito importante. Entretanto, o trilhamento de superfície é afetado pelas descargas internas que, dependendo do material polimérico e do seu enchimento, podem ter seu efeito externado. A ruptura completa ocorre quando a distância entre o ponto de vanguarda do trilhamento e o eletrodo de terra se torna pequena para o isolamento, dando origem a um curto-circuito e conseqüentemente ao desligamento. O processo de trilhamento de superfície pode ser detectado em inspeções com termovisão. Na Figura 2 pode ser visto um isolador polimérico com trilhamento superficial.
FIGURA 2 – Isolador classe 69 kV, cujo trilhamento de núcleo evoluiu para superfície. 2.2. Trilhamento de núcleo
O trilhamento de núcleo acontece na interface compreendida entre o núcleo de fibra de vidro e o revestimento polimérico do isolador, seguindo trajetos preferenciais de campo elétrico. Assim, o trilhamento se espalha pelo núcleo do isolador, carbonizando as regiões afetadas, distorcendo o campo elétrico e reduzindo a distância de isolação entre a alta tensão e a torre aterrada. Seu estágio inicial de desenvolvimento localiza-se nas regiões próximas à ferragem fase, geralmente antes da aleta mais próxima ao terminal, onde o campo elétrico é mais intenso e ocorrem as maiores temperaturas. Dependendo do material polimérico e do seu enchimento, o trilhamento de núcleo pode evoluir para o trilhamento de superfície.
O efeito do trilhamento de núcleo é de muito difícil identificação, pois a interface núcleo-revestimento não é visível e o calor gerado internamente é pequeno, não proporcionando uma elevação de temperatura razoável. Assim, o
isolador parece íntegro nas inspeções visuais e termográficas, o problema torna-se detectável quando o revestimento é danificado.
O trilhamento de núcleo é agravado pela intensidade das descargas parciais, evolução da carbonização, imperfeições construtivas da interface entre os materiais, umidade, características físico-químicas dos materiais, esforços elétricos e suas conseqüências, como o calor. A influência do calor pode ser verificada na localização da região onde o trilhamento começa a se desenvolver. Um isolador que desenvolveu trilhamento de núcleo pode ser visto na Figura 3. Neste isolador, o trilhamento evoluiu internamente durante vários anos até a retirada completa da linha. O isolador estava instalado em uma torre de ancoragem e o trilhamento ocorreu na parte superior, voltada para o céu, dificultando ainda mais a sua inspeção do solo. Contudo, fragmentos do revestimento foram encontrados no solo, denunciando a falha.
Caminhos carbonizados
FIGURA 3 – Isolador com núcleo carbonizado e revestimento destruído.
Nos isoladores estudados, o ponto de origem do trilhamento era sempre próximo à conexão metálica energizada. A região do isolador próxima ao terminal apresenta os maiores gradientes de temperatura como também os campos elétricos intensos. Através de minuciosas inspeções visuais em isoladores removidos do campo, percebeu-se que há um lado preferencial para a degradação, dependendo do sentido do vento. Como o revestimento do lado onde o vento incide refrigera mais eficientemente, em geral não se demonstram ali sinais de anomalias. Contudo, o lado do isolador que não recebe incidência do vento mostra uma fragilização do polímero e algumas rachaduras, onde poderia penetrar umidade. Ainda que não seja a principal causa do trilhamento de núcleo, a umidade tem uma influência significativa, como será mostrado adiante. Na Figura 4 são mostradas duas faces opostas de um mesmo isolador, evidenciando a fragilização do polímero de acordo com a incidência do vento. O isolador permaneceu instalado em uma torre de suspensão durante cinco anos em região quente e úmida até a sua retirada, em caráter preventivo e para uma análise detalhada.
A compreensão do desenvolvimento do trilhamento de núcleo ainda não foi totalmente esclarecida, mas a hipótese levantada neste trabalho é de que, no início, uma região do núcleo se carboniza pontualmente, devido a uma concentração de campo elétrico provocada por fatores externos ou falhas internas, onde muito provavelmente se desenvolve atividade de descargas parciais. A partir desta carbonização pontual, sendo influenciado por variações de grandezas elétricas e pressão gasosa na região, o trilhamento se desenvolve e se propaga.
(a) (b) FIGURA 4 - (a) Polímero no lado onde havia incidência do vento. (b) Polímero do lado onde o vento não incidia.
3.0 - TRILHAMENTO DE NÚCLEO EM LABORATÓRIO
Buscando recriar indícios de trilhamento de núcleo em laboratório e em tempo reduzido, foi elaborado um arranjo experimental. Para tanto, foram utilizados isoladores poliméricos classe 69 kV. Para que a concentração de campo ocorra no isolador polimérico, é sugerida a inserção de um eletrodo agudo, através do revestimento polimérico, de forma a entrar em contato com o núcleo, mas não perfurá-lo. Este eletrodo deve ser conectado a uma das ferragens terminais do isolador, e aplicado a uma distância adequada da outra ferragem. O arranjo foi montado e níveis da intensidade de descargas parciais foram adquiridos por um sistema de aquisição de dados. Três métodos diferentes de criação do trilhamento em laboratório foram testados, conforme descrito na Tabela 1. A tensão aplicada foi definida de acordo com o nível de descargas parciais apresentado no início dos ensaios. O nível foi definido em 300 pC.
Tabela 1: Variantes do método de criação do trilhamento em laboratório..
Tipo de arranjo Ilustração Comentário
Eletrodo aterrado, seco.
O eletrodo é conectado à ferragem do lado aterrado do isolador, e aplicado próximo à ferragem do lado fase.
Eletrodo em alta-tensão, seco.
O eletrodo é conectado ao lado fase e aplicado próximo à ferragem do lado terra.
Eletrodo em alta-tensão, com presença de umidade.
O eletrodo é conectado ao lado fase e aplicado próximo à ferragem do lado terra. A agulha utilizada é vazada, permitindo a entrada de água.
4.0 - RESULTADOS
Os resultados sinais de descargas parciais e fotografias foram coletados. Na Figura 5 é mostrado o aspecto do núcleo de fibra de vidro de um isolador polimérico perfeito, para efeito comparativo.
(a) (b) FIGURA 5 - Aspecto do núcleo de fibra de vidro perfeito. (a) Aumento de 50 vezes; (b) Aumento de 200 vezes. 4.1. Eletrodo aterrado, seco
Após o período de aplicação de tensão (168 horas) não ficou efetiva a manifestação da carbonização, conforme mostrado na Figura 6, onde podem ser observados dois níveis de detalhamento da região do núcleo exposta ao método.
(a) (b)
FIGURA 6 - Eletrodo aterrado a seco. (a) Aumento de 50 vezes; (b) Aumento de 200 vezes.
As imagens mostram uma pequena erosão na fibra de vidro, devido à intensa atividade de descargas parciais na região. Contudo, a região comprometida é muito pequena em relação ao tempo de aplicação do esforço elétrico. A Figura 7 mostra os valores absolutos dos níveis de descargas parciais durante toda a execução do ensaio.
Figura 7 - Níveis de descargas parciais em todo o ensaio, eletrodo aterrado, seco.
Os padrões de descargas parciais mostram uma diminuição do nível de descargas, conforme o avanço do tempo. A tensão paliçada foi mantida constante durante todo o ensaio. A diminuição do número de descargas com o passar do tempo pode ser justificada pelo aumento da pressão na cavidade onde o eletrodo se encontra, devido à liberação de gases no processo de descargas, aquecimento e carbonização. A carbonização pode algumas vezes conduzir à uniformização do campo, pois a configuração do campo elétrico também é modificada de acordo com a deposição de carbono na região, interferindo diretamente nos padrões e número de descargas (5).
4.2. Eletrodo em alta tensão
Na variante, eletrodo em alta-tensão, seco. observou-se uma maior área de erosão no núcleo do isolador, comparado ao caso da seção 4.1. Também foi observada uma perda de tenacidade por parte do adesivo que realiza a união revestimento-núcleo. O adesivo tornou-se quebradiço e soltava-se facilmente do núcleo, conforme pode ser observados na Figura 8.
(a) (b)
FIGURA 8 - Eletrodo em alta tensão, seco. (a) Aumento de 50 vezes; (b) Aumento de 200 vezes.
Os valores absolutos dos níveis de descargas parciais durante toda a execução do ensaio são mostrados na Figura 9.
FIGURA 9 - Níveis de descargas parciais em todo o ensaio, eletrodo em alta tensão, seco.
Os padrões de descargas parciais mostram uma diminuição do nível de descargas, conforme o avanço do tempo. Os picos observados foram estimulados por incrementos na tensão aplicada, visando aumentar o volume de descargas na região onde o eletrodo foi aplicado.
4.3. Eletrodo em alta-tensão, com presença de umidade
A presença da umidade na interface núcleo-revestimento mostrou-se um fator importante no desenvolvimento do trilhamento. A região em torno do ponto de contato do núcleo com o eletrodo sofreu carbonização e erosão. Os resultados mais promissores demonstraram-se nesta modalidade do método. Na Figura 10 podem ser observados estes aspectos.
(a) (b)
A Figura 11 mostra os valores absolutos dos níveis de descargas parciais durante toda a execução do ensaio.
FIGURA 11 - Níveis de descargas parciais em todo o ensaio, eletrodo em alta tensão, úmido.
Mais uma vez, o valor absoluto de descargas foi diminuindo com o passar do tempo. Os picos observados foram estimulados por incrementos na tensão aplicada, visando aumentar o volume de descargas na região onde o eletrodo foi aplicado.
4.0 - CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou uma breve discussão, fundamentação básica e alguns resultados de ensaios laboratoriais acerca do trilhamento de núcleo, problema que tem afetado os isoladores poliméricos.
Muitas disfunções apresentadas em isoladores poliméricos têm correlação com gradientes de temperatura ou campos elétricos intensos. Esta correlação pode apresentar-se como causa do problema, ou mesmo um dos seus sintomas. Os ensaios mostraram que, para o caso do trilhamento de núcleo, há grande importância da presença de umidade na interface núcleo-revestimento. Quando houve presença da umidade, os efeitos do trilhamento foram significativamente maiores.
A ocorrência de rachaduras e fragilização do polímero em curto prazo apontam no sentido de que os processos de fabricação e desenvolvimento de compostos devem ser aprimorados, para se tornarem mais resistentes às condições climáticas da região onde será instalado. A instalação de eletrodos de equalização corretamente dimensionados também inibe a formação do trilhamento, em função da redução das intensidades do campo elétrico.
O estudo do problema de trilhamento de núcleo é relativamente recente, mas os resultados encontrados estão incentivadores. Os resultados experimentos, através de ensaios de degradação acelerada, demonstram que a área afetada do trilhamento é ainda pequena, mas outros arranjos do método estão sendo testados.
5.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) Outdoor HV Composite Polymeric Insulators - HACKAM, R.;. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. Volume 6 NO. 5, pp. 557-585, October 1999. (1) History and bibliography of polymeric insulators for outdoor applications - HALL, J.F.; IEEE Transactions on Power Delivery. Volume: 8, Issue: 1, Jan. 1993. Pages: 376 – 385.
(2) Mathematical Model for Tracking Time Calculation for Polymeric Materials - SALAMA, M. M. A.; SALLAM, M. M. A. IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Baltimore, MD USA, 1992.
(3) Proposal of a Multi-core Model for Polymer Nanocomposite Dielectrics – TANAKA, T., KOZAKO, M., FUSE, N. AND OHKI, Y., in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 12, No. 4; August 2005
(4) Analysing the 2 D surface tracking patterns by using Cellular Neural Networks - UGUR M.; UCAN O. N.; KUNTMAN A.; OZMEN A., MEREV A.;. Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 1999. (5) A Ruptura Elétrica em Resina Epoxi com Campos Divergentes - COSTA, E. G. ; NAIDU, S. R. .. In: I ENCONTRO NACIONAL DE DESCARGAS PARCIAIS, 1983, SÃO PAULO - SP. ANAIS DO I ENCONTRO NACIONAL DE DESCARGAS PARCIAIS. SÃO PAULO - SP : COMITÊ BRASILEIRO DE ELETRICIDADE - CB-3, 1983. v. 1. p. 01-15.
6.0 - DADOS BIOGRÁFICOS Edson Guedes da Costa
Nascido Ribeirão, PE, em 31 de janeiro de 1954.
Doutorado (1999), Mestrado (1981) e Graduação (1978) em Engenharia Elétrica: UFPB. Instituição: Universidade Federal de Campina Grande, desde 2002.
Professor Associado I
Atua isolamentos elétricos, pára-raios de óxido de zinco, descargas parciais e campos eletromagnéticos. Tarso Vilela Ferreira
Nascido em Aracaju, SE, em 03 de julho de 1980.
Graduação (2005) em Engenharia Elétrica: Universidade Federal de Campina Grande Instituição: Universidade Federal de Campina Grande, desde 2003, como aluno. Engenheiro Pesquisador Júnior e aluno de Pós-graduação (mestrado).
Atua em isoladores poliméricos, pára-raios, descargas parciais, cálculos de campo e aquisição de dados. Max Gleison Gonçalves Neri
Nascido na Prata, PB, em 28 de setembro de 1977.
Mestrado (2005): UFCG e Graduação (2004) em Engenharia Elétrica: UFCG Instituição: Universidade Federal de Campina Grande
Engenheiro Pesquisador Sênior e aluno de Pós-graduação (doutorado). Professor Substituto, desde 2005. Atua em isoladores poliméricos, pára-raios, descargas parciais, cálculos de campo e aquisição de dados. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de externar gratidão à Eletrobrás, pelo apoio financeiro na pesquisa com Isolamentos Elétricos; ao CNPq, pelo apoio aos pós-graduandos e à Chesf, pela disponibilidade dos isoladores utilizados na pesquisa.
