Melhoramento da tensão disruptiva de cadeias de isoladores de vidro para linhas de transmissão

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA. MELHORAMENTO DA TENSÃO DISRUPTIVA DE CADEIAS DE ISOLADORES DE VIDRO PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO. DISSERTAÇÃO SUBMENTIDA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA. LUIZA ROBERTA PEREIRA LEITE ORIENTADOR: Prof. Dr. ARMANDO HIDEKI SHINOHARA. RECIFE, DEZEMBRO DE 2006.

(2) 2.

(3) 3.

(4) 4. “A imaginação é mais importante que o conhecimento” Albert Einstein.

(5) 5. AGRADECIMENTOS Primeiramente à Deus, que fez com que tudo isso se tornasse possível. Ao Prof. Dr. Armando Hideki Shinohara, que ao longo desses anos teve um papel fundamental na minha formação acadêmica, pela valiosa orientação e pela confiança de que poderíamos realizar um bom trabalho. Ao Engenheiro Gustavo Xavier e ao Prof. Dr. Edson Guedes da Costa, pela colaboração com informações valiosas para estruturação do meu trabalho. À Chesf, ANEEL e ao CNPq pelo suporte financeiro. À minha mãe por apoiar e incentivar meu trabalho, pelo amor incondicional e por estar sempre presente em todos os momentos da minha vida. À toda minha família, por acreditar na minha capacidade, me incentivando nos momentos mais importantes. À minha prima Livia Renata P. Torres, que sempre torceu para o meu sucesso. À Roberto José A. Silva, pelo apoio e companheirismo. Aos meus amigos e amigas, pela imensa torcida e incentivo permanente. Enfim, a todos que direta ou indiretamente colaboraram na execução deste trabalho..

(6) 6. RESUMO As cadeias de isoladores de vidro são largamente utilizadas tanto para isolar os condutores de eletricidade da terra como suportá-los mecanicamente nas torres das linhas de transmissão. A quebra parcial ou total das partes vítreas dos isoladores de vidro, por exemplo, por vandalismo, reduz drasticamente a suportabilidade à tensão elétrica devido à diferença de potencial e é um problema mundial porque é responsável por um número significativo de desligamentos não programados pelas empresas do setor elétrico. Na presente dissertação, visou-se estudar a tensão de disrupção numa cadeia de isoladores de vidro com diferentes unidades com a parte vítrea quebrada simulando uma linha de transmissão de 230 kV. Visou-se também desenvolver técnicas para aumentar a suportabilidade à tensão de disrupção aumentando a rigidez dielétrica da atmosfera em torno da cadeia de isoladores, assim como dos isoladores com aplicação de materiais dielétricos. Os seguintes experimentos foram realizados visando atingir os objetivos: (i) caracterizar os isoladores por radiografia digital para conhecer detalhes de sua estrutura interna; (ii) estudar a influência da distribuição dos isoladores de vidro com as saias vítrea quebradas ao longo da cadeia com dezesseis unidades, (iii) estudar a influência de atmosferas de ar e de gás SF6 sob pressões de até 1,3 atm numa câmara de acrílico utilizando até três isoladores e à freqüência industrial (60 Hz), (iv) estudar a utilização da jaqueta polimérica para aumentar a tensão disruptiva de isoladores. Estudos das tensões disruptivas foram realizadas em cadeias com 12, 10 e 9 isoladores de vidro com parte vítrea quebrada e distribuídos ao longo da cadeia em cinco diferentes configurações. Para efeito de comparação, a temperatura, pressão e umidade relativa foram corrigidas de acordo com a norma NBR 6936. As medidas de tensão disruptiva foram realizadas à freqüência industrial e sob impulso de manobra nas polaridades positiva e negativa. Como resultado, nas cadeias de isoladores de vidro com 6 unidades inteiras e 10 quebradas, observou-se uma diferença significante nos valores das tensões disruptivas em função da mudança na distribuição dos isoladores inteiros e quebrados ao longo da cadeia. Um resultado interessante ocorreu quando utilizamos 6 isoladores inteiros uniformemente distribuídos ao longo da cadeia e intercalados com 10 isoladores quebrados, onde obteve-se a tensão disruptiva de 459 kV, maior que quando utilizamos 7 isoladores inteiros intercalados com 9 quebrados, onde obteve-se o valor de tensão disruptiva de 448 kV. Este resultado pode ser atribuído à distribuição não uniforme de campo elétrico ao longo da cadeia e aumento do caminho. Nos ensaios com a câmara de atmosfera controlada, não se observou influência significativa da atmosfera de ar e SF6 e da pressão no valor da tensão disruptiva nos isoladores de vidro com as saias quebradas, que foi em torno de 15 kV. Por outro lado, o valor da tensão disruptiva para isoladores inteiros sob atmosfera de SF6 e sob a pressão de 1.3 atm alcançou um valor de 120 kV, enquanto que o valor da tensão disruptiva na atmosfera de ar e pressão local foi de 80 kV. Estudo comparativo sobre a tensão disruptiva da cadeia de 16 isoladores de vidro com as partes de vidro totalmente quebradas mas com pinos revestidos com jaqueta de nylon mostrou que a tensão disruptiva foi de 375 kV, que é cerca de 3,5 vezes superior do que uma cadeia com 16 isoladores quebrados convencionais. Consequentemente, os resultados positivos obtidos no presente trabalho poderão, com estudos mais detalhados, assegurar no futuro: um maior segurança na atuação das equipes que trabalham na manutenção de linhas energizadas e minimizar a quantidade de desligamentos das linhas de transmissão. Palavras-chaves: isoladores de vidro, tensão disruptiva, radiografia digital, gás SF6, Lei de Paschen, linhas de transmissão, vandalismo..

(7) 7. ABSTRACT Glass insulators chains are largely employed in the hot lines to isolate the electricity conductors from the earth and suppor them at the transmission line towers. The partial or total breaking of glass parts of the glass insulators, for example, for vandalism, drastically reduces the electric breakdown and is a national problem, responsible for a significant number of disconnections not programmed for the companies of the electric sector. At the present work, was aimed at to study the electric breakdown in a glass insulator chain with different units with the glass part broken simulating a 230 kV transmission line. It was also aimed at to develop techniques to increase the electrical breakdown of the atmosphere around the insulators chain as well as of the insulators with application of dielectric materials. The following experiments were conducted: (i) characterization of the insulators for digital x-ray, to know details of its internal structure; (ii) influence of distribution and position of glass insulators with broken glass sheds along the insulators string with sixteen units in suspension mode; (iii) influence of air and SF6 gas atmospheres up to 1,3 atm. in an acrylic chamber using until three insulators and industrial frequency (60 Hz); (iv) study of a polimeric jacket to increase the electrical breakdown of insulators. Measurements of the electrical breakdown voltages were conducted with twelve, ten and nine insulators with broken glass sheds distributed along the strings in five different configurations. For the comparison effect, the temperature, pressure and relative humidity had been corrected in accordance with the norm NBR 6936. The electrical breakdown was conducted in the industrial frequency, and in switching impulse with positive and negative polarities. As a result, in glass insulators chains with 6 good insulators and 10 broken units, a significant difference in the electrical breakdown voltage values was observed as a function of position and distribution of good and broken glass insulators. An interesting result is that an insulator string with six good glass insulators and almost uniformly distributed along with ten broken glass sheds showed higher electrical breakdown value, 459 kV, than and string with seven good glass insulators, 448 kV, intercalated with nine broken insulators. This result can be atributed to non uniform distribution of electrical field along the string and relatively longer path. For tests with the chamber, no significant influence of air and SF6 atmosphere and pressure on electrical breakdown voltage values could be observed for insulator with broken glass sheds, that it was around 15 kV. On the other hand, electrical breakdown voltage value was 120 kV for a good glass insulator in the SF6 atmosphere at 1,3 atm., and no more than 80 kV in air at room temperature and local pressure. Comparative study about electric breakdown os chains with 16 glass insulators with broken glass parts but with bolts coated with nylon jacket it showed electric breakdown was of 375 kV, that is about 3,5 times superior of that a chain with 16 broken conventional insulators. Consequently, the gotten positive results in the present work will be able, with detailed studies more, to assure in the future: a bigger security in the performance of the teams that work in energized lines maintenance and to minimize the amount of disconnections of the transmission lines. Key words: glass insulator, electrical breakdown, computed radiography, SF6 gas, Paschen law, transmission line, vandalism..

(8) 8. SUMÁRIO 1. Introdução...............................................................................................................9 1.1 Apresentação do problema e motivação ...................................................................10 1.2 Objetivos ................................................................................................................... 12. 2. Radiografia computadorizada de alta definição para avaliação dos isoladores de vidro empregados em linhas de transmissão........................................................14 2.1 Introdução ..................................................................................................................15 2.1.1 Princípio da metodologia do filme digital Imaging Plate ....................................15 2.2 Materiais e métodos....................................................................................................15 2.3 Resultados e discussão .............................................................................................16 2.4 Conclusões ................................................................................................................19 3. Avaliação experimental das tensões de disrupção nas cadeias de isoladores de vidro parcialmente danificadas por vandalismo ...................................................20 3.1 Introdução ..................................................................................................................21 3.2 Materiais e métodos....................................................................................................21 3.3 Resultados e discussão ............................................................................................25 3.4 Conclusões ................................................................................................................28. 4. Estudo da tensão disruptiva em cadeias de isoladores de vidro danificadas, em atmosferas de SF6 e ar ........................................................................................29 4.1 Introdução ..................................................................................................................30 4.1.1 Propriedades dos gases isolantes – O ar ......................................................30 4.1.2 Propriedades dos gases isolantes – O SF6 ....................................................31 4.1.3 Lei de Paschen ...............................................................................................32 4.1.4 Aplicação da Lei de Paschen com referência ao SF6 para construção de um dispositivo de re-isolamento dos isoladores....................................................33 4.2 Materiais e métodos....................................................................................................33 4.3 Resultados e discussão ............................................................................................37 4.4 Conclusões ................................................................................................................43. 5. Estudo da jaqueta polimérica para aumentar a tensão disruptiva de isoladores utilizados em linhas de transmissão ....................................................................44.

(9) 9. 5.1 Introdução ..................................................................................................................45 5.1.1 Características de alguns materiais selecionados para os ensaios...................45 5.2 Materiais e métodos....................................................................................................46 5.2.1 Ensaio de tensão disruptiva com isoladores quebrados utilizando materiais poliméricos em substituição ao cimento .........................................................46 5.2.2 Teste de disrupção à freqüência industrial no Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) da Universidade de São Paulo .................................................49 5.3 Resultados e discussão .............................................................................................52 5.3.1 Ensaio de tensão disruptiva com isoladores quebrados utilizando materiais poliméricos em substituição ao cimento .........................................................52 5.3.2 Teste de disrupção à freqüência industrial no Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) da Universidade de São Paulo .................................................53 5.4 Conclusões ................................................................................................................54. 6. Conclusões ..........................................................................................................55 7. Referências ..........................................................................................................58.

(10) 10. 1. INTRODUÇÃO.

(11) 11. 1.1 Apresentação do Problema e Motivação Os isoladores são utilizados tanto para isolar os condutores da terra como para suportar ou fixar condutores nas linhas de transmissão. Individualmente ou na forma de cadeias devem apresentar resistência mecânica suficiente para suportar os esforços provenientes do levantamento do cabo, peso do cabo, temperatura, ação do vento, e o peso dos outros isoladores na cadeia. O uso de cadeias de isoladores nas linhas de transmissão reduz a vibração mecânica transmitida à torre, reduz o custo e facilita a manutenção (Fuchs, 1979). Nas linhas de transmissão, o isolador está sujeito a um ambiente vulnerável, tais como cargas mecânicas, campo elétrico intenso, à ação de intempéries e danificações por vandalismo. Atualmente, existem vários tipos de isoladores: vidro temperado, porcelana e polimérico (figura 1.1). Cadeias de isoladores constituídas com isoladores de vidro ou de porcelana são utilizados há mais de 120 anos em linhas de transmissão. Mais recentemente, isoladores de compósito, conhecido também de isoladores poliméricos, começaram a ser empregados nas linhas de transmissão a partir da década de 70 (Yanaguizawa, 2003).. (a). (b). (c) Figura 1.1 – Fotos de isoladores para linhas de transmissão de alta tensão: (a) Isolador de vidro; (b) Isolador de porcelana; (c) Isolador poliméricos (Santa Teresinha, 2006; Alonso, 2006 ) Especificamente, os isoladores de vidro possuem uma vida útil relativamente longa, podendo chegar até 65 anos ou mais. Em termos construtivos, um isolador de vidro consiste de seguintes partes: campânula metálica, disco de vidro temperado, pino metálico e cimento aluminoso. Para efeito de ilustração, a figura 1.2 mostra um esquema de um isolador conha-bola. O vidro utilizado é temperado com excelente propriedade dielétrica e possui formato de um “chapéu”. A campânula e o pino são de aços galvanizados. O cimento tem a função estrutural de fixar o pino metálico ao disco de vidro temperado e pode suportar cargas mecânicas elevadas, dependendo.

(12) 12. do tipo de isolador, de 80 kN a 240 kN (Leite, 2004). A utilização dos isoladores em linhas de transmissão deve estar de acordo com a norma nacional da ABNT – Associação Brasileiro de Normas Técnicas (NBR 5032). Campânula. Cupilha. Cimento. Vidro. Pino de aço. Impermeabilização. Figura 1.2 - Esquema de isolador de vidro e suas respectivas partes construtivas (Pavlik, 1989). A quebra parcial e total da cadeia de isoladores de vidro, por vandalismo, é um problema nacional e é responsável por um número significativo de desligamentos não programados pelas empresas do setor elétrico. A quebra parcial ou total também pode resultar em desligamentos programados quando o número de isoladores na cadeia é inferior ao número mínimo estabelecido para atuação das equipes que trabalham com linhas energizadas, pois as quantidades de isoladores remanescentes na cadeia não oferecem segurança mínima para a realização das substituições dos isoladores danificados. De acordo com a regulamentação da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf), empresa responsável pela geração de energia para todo o nordeste do Brasil, uma equipe especializada em intervenções nas linhas de transmissão energizadas só atua, por exemplo, numa linha de 230 kV, se esta possuir pelo menos 7 isoladores inteiros, dentre os 16 que constituem a cadeia, independente de suas posições na cadeia, e se o tempo estiver nas condições consideradas ótimas (Xavier, 2003)..

(13) 13. (a). (b). Figura 1.3 – (a) e (b) Fotos de eletricistas trabalhando nas linhas de transmissão As novas regras do setor elétrico e as regulamentações mais rigorosas impõem ao setor elétrico o aprimoramento do fornecimento de energia de forma contínua e de qualidade. Dentro deste contexto, a busca de uma solução por um processo seguro e economicamente viável para obtenção do aumento do isolamento de uma cadeia de isoladores, mesmo depois de danificados, que permita a atuação com segurança das equipes de eletricistas que trabalham com linhas energizadas é de fundamental importância. Sabe-se que o valor da tensão disruptiva de um isolador de vidro típico íntegro para alta tensão de disrupção pode chegar até 80 kV. Mas, com parte vítrea quebrada, o isolador não suporta mais que 13 kV, devido à diminuição de caminho entre o pino e campânula e também devido à porosidade do cimento utilizado em seu interior (Leite, 2003). Para contornar este problema de vandalismo, a Chesf tem substituído as cadeias de isoladores de vidro por isoladores poliméricos. Entretanto, quando as saias dos isoladores poliméricos sofrem perfurações, tais furos praticamente ficam imperceptíveis, mas o mais agravante problema neste tipo de isolador é a quebra por fratura frágil do compósito que forma o seu interior, e como o isolador suporta mecanicamente o cabo, este é levado ao chão (Xavier, 2003). Uma possível causa é devido ao ingresso da umidade no núcleo do compósito e ocorrência de descargas parciais, fragilizando o compósito. Por esse motivo, a Chesf, que possui mais de 18 mil km de linhas de transmissão, vem utilizando em sua maioria os isoladores de vidro (cerca de 80 % do total de isoladores em operação). De acordo com os dados fornecidos pela Chesf, de um monitoramento realizado durante o período de 13 anos, entre 1988 a 2001, mostra que ocorreram 339 desligamentos das linhas de transmissão do sistema Chesf, que operam com 69 kV, 138 kV, 230 kV e 500 kV. Deste total, 75% foram causados por atos de vandalismo. Os 25% restantes foram devidos às descargas atmosféricas, falhas de fabricação dos equipamentos, manutenção e etc. Em torno de 40% de desligamentos por vandalismo causaram desligamentos automático e 60% remanescentes, foram desligados de acordo com a programação da Chesf (Chesf, 2001)..

(14) 14. Causas dos 339 desligamentos. 75%. 25% Vandalismo Outros. Tipo de desligamento por vandalismo. 60%. 40%. Intencional Automático. Figura 1.4 – Gráficos com causa dos desligamentos monitorados pela Chesf entre os anos de 1988 a 2001. (Yanaguizawa, 2003) 1.2 Objetivos Dentro do atual cenário de atos de vandalismo existentes nas cadeias de isoladores de vidro, e na tentativa de desenvolver metodologias capazes de minimizar desligamentos nas linhas de transmissão de energia elétrica e aumentar a confiabilidade dos trabalhos de substituição dos isoladores, este trabalho teve por objetivo estudar o comportamento das cadeias de isoladores de vidro utilizadas nas linhas de transmissão de 230 kV quando submetidas à tensão em diversas configurações e arranjos de isoladores inteiros e quebrados na cadeia, bem como desenvolver técnicas para o aumento da tensão disruptiva dessas cadeias, seja aumentando a suportabilidade de tensão da atmosfera circundante aos isoladores através do aumento da rigidez dielétrica da atmosfera, obtida com a aplicação de gases que possuem um valor elevado de tensão disruptiva, bem como aumentando a suportabilidade do próprio isolador, através da aplicação de materiais isolantes com ótimas características dielétricas no interior dos isoladores. . Objetivo geral:. Desenvolver uma técnica de aumento da suportabilidade de tensão dos isoladores de vidro para assegurar maior eficiência na atuação das equipes que trabalham em linhas energizadas e minimizar a quantidade de desligamentos nas linhas de transmissão.. . Objetivos Específicos:. . Caracterizar o isolador por radiografia digital para observar sua estrutura interna. Estudar o comportamento de cadeias de isoladores de 230 kV quando submetidos à tensão em diversos arranjos de posições de isoladores quebrados e inteiros ao longo da cadeia. Desenvolver uma técnica que proporcione o aumento da tensão de disrupção da cadeia, seja atuando externamente (aumento da suportabilidade de atmosfera externa ao isolador) ou internamente (modificação da estrutura. .

(15) 15. . interna do isolador com o objetivo de aumentar o valor da tensão disruptiva do isolador mesmo depois de quebrado). Realizar ensaios para avaliar as características elétricas do isolador modificado, bem como seu comportamento quando utilizado na forma de cadeia.. 2. RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA DE ALTA DEFINIÇÃO PARA AVALIAÇÃO DOS ISOLADORES DE VIDRO EMPREGADOS EM LINHAS DE TRANSMISSÃO.

(16) 16. 2.1 Introdução Neste capítulo, realizou-se um estudo comparativo entre isoladores de vidro íntegro e com a parte vítrea quebrada utilizando uma fonte de irídio-192 de baixíssima atividade. 2.1.1 Princípio da metodologia do filme digital Imaging Plate Na década de 80, visando aplicação médica, a FujiFilm do Japão desenvolveu um detetor inovativo bidimensional denominado de IP – Imaging Plate para radiografia, que possui mesclas das características dos detetores de pulso e integral. Em 1985, as características do IP foram detalhadamente investigadas e testadas como detetor de raios-X nas técnicas de difração e espalhamento de raios-X com radiação sincrotron (Jagannathan, 2000; Blettner, 2000; Veith, 2000; Amemiya, 1993;) e observou-se seguintes características: altíssima sensitividade, tempo relativamente curto para aquisição de imagens, faixa dinâmica maior, linearidade superior, excelente resolução espacial da ordem 25 mm, dados digitais são obtidos diretamente da leitora para o computador para tratamento de imagens. A figura 2.1 mostra a excepcional linearidade do Imaging Plate em relação o método filme convencional, quando ambos são submetidos a diferentes doses de radiação ionizante. A abscissa corresponde a doses de radiação emitidas por uma amostra padrão de 32P (radiação beta de 1,7 MeV). O eixo da ordenada à esquerda representa a quantidade de radiação luminescente acumulada pelo Imaging Plate. O eixo da ordenada à direita mostra à densidade de escurecimento de um filme de raios-X. Estas características são também similares para feixes de partículas beta de diferentes energias, elétrons, raios-X e raios-gama (Shinohara, 2005)..

(17) 17. Figura 2.1 - Comparação da linearidade dos detetores IP e filme de raios-X quando expostos à radiação beta de 32P por um período de 18 h. (Fujifilm global, 2006) 2.2 Materiais e métodos Foram utilizados isoladores de vidro típico de 10 polegadas de diâmetro, os quais são utilizados em linhas de transmissão, íntegro e com a parte vítrea quebrada (figura 2.2), que foram radiografados no Departamento de Energia Nuclear (DEN) da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) com um sistema de radiografia industrial digital IP utilizando uma fonte de irídio-192 de 3 mm de diâmetro e com 1,5 Ci de atividade. A distância entre a fonte e o detetor IP foi mantida em 65 cm. O tempo de exposição foi em torno de 300 segundos.. (a). (b). Figura 2.2 – (a) Isolador de vidro inteiro e (b) isolador de vidro quebrado, utilizados para ensaio com radiografia digital. Foi utilizada para leitura do filme Imaging plate um leitor da marca Cyclone (figura 2.3), cujo controle é realizado através de computador..

(18) 18. (a). (b). Figura 2.3 – (a) Leitor de Imaging plate. (b) detalhe da retirada do filme de dentro do leitor. O software utilizado para processamento das imagens de radiografia digital foi o Vixwin, onde foi utilizado o filtro “emboss” para realçar os detalhes do inteiror do isolador e melhorar a visualização dos detalhes. 2.3. Resultados e discussões As figuras a seguir mostram os resultados de ensaios de radiografia industrial digital em isoladores de vidro utilizando o filme IP e processamento de imagens digitais com filtros. A figura 2.4 mostra as imagens radiográficas de um isolador íntegro antes e após o processamento de imagem. A estrutura construtiva de um isolador de vidro é complexa, que é composto de partes metálicas (campânula, cupilha e pino), vidro e cimento estrutural. O pino metálico é fixado no interior do vidro através do cimento. A figura 2.4(b) mostra a imagem com foi obtida através do IP. Como mostra a figura 2.4(c), a aplicação do filtro “emboss” destaca detalhes, que não são possíveis de ser observados na imagem obtida.. (a). (b).

(19) 19. (c) Figura 2.4 - (a) foto de campânula e parte do vidro de um isolador íntegro, (b) imagem radiográfica obtida pelo sistema IP e, (c) imagem processada utilizando o filtro “emboss”. A figura 2.5 mostra as imagens radiográficas de um isolador de vidro com a parte vítrea quebrada. Em contraste com a imagem de um isolador de vidro íntegro, observa-se uma textura que pode ser atribuída como sendo as fraturas do vidro no interior do isolador. Para averiguar esta hipótese, a figura 2.6 mostra o interior do isolador de vidro quebrado, após a retirada do cimento e pino metálico. Pelo fato do vidro ser temperado, uma vez que a saia de vidro é quebrada, a fratura propaga-se em toda sua extensão, inclusive no interior do isolador. Aplicando o filtro “emboss”, a textura pode ser realçada. Portanto, a textura observada na imagem radiográfica digital do isolador quebrado, é devido à fratura do vidro, que usualmente seria difícil de observar numa radiografia convencional com filme de raios-X.. (a).

(20) 20. (b). (c) Figura 2.5 - (a) foto do isolador quebrado utilizado para ensaio de radiografia digital, (b) imagem radiográfica obtida pelo sistema IP e, (c) imagem processada utilizando o filtro “emboss”.. (a). (b). Figura 2.6 - (a) Vista do interior do isolador após a retirada do cimento e pino e (b) detalhes do interior..

(21) 21. 2.4 - Conclusões Como resultado, imagens radiográficas de ótima qualidade foram obtidas e, através de processamento de imagens digitais utilizando um filtro, pôde-se realçar e discernir detalhes que são difíceis de extrair em imagens originais, sem processamento, possibilitando assim, obter imagens radiográficas de alta definição. Ademais, mesmo utilizando uma fonte radioativa de baixíssima atividade, imagens radiográficas foram coletadas num tempo relativamente curto. Do ponto de vista de proteção radiológica, é muito mais seguro pois os operadores ficam sujeitos às doses mínimas e o tempo necessário para operar o sistema de radiografia IP é substancialmente reduzido. Estes resultados são animadores e abrem perspectivas para aplicação em vários setores de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, inclusive em plena operação do sistema..

(22) 22. 3. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DAS TENSÕES DE DISRUPÇÃO NAS CADEIAS DE ISOLADORES DE VIDRO PARCIALMENTE DANIFICADAS POR VANDALISMO. 3.1 Introdução Este capítulo tem o objetivo de avaliar a tensão disruptiva dos isoladores quando utilizados em forma de cadeia, e submetidos à tensão. A partir destes ensaios, pôde-se avaliar em quais configurações as cadeias representam os melhores valores de suportabilidade de tensão. 3.2 Materiais e métodos Nesta seção, descreve-se um estudo experimental comparativo sobre tensões disruptivas nas cadeias de isoladores de vidro. No estudo são utilizadas tensões na freqüência industrial e impulso de manobra com polaridades positiva e negativa. A comparação é realizada entre duas cadeias de isoladores de vidro: a) A primeira é constituída por 7 isoladores inteiros e 9 isoladores quebrados; Este número representa a quantidade mínima de isoladores inteiros contida em uma.

(23) 23. cadeia para que as equipes de manutenção possam atuar na linha energizada com segurança. (Xavier, 2003). b) A segunda por 6 isoladores inteiros e 10 isoladores quebrados; Esta configuração foi selecionada por conter apenas 1 isolador inteiro a menos que a configuração anterior tida como padrão para ensaios em linhas energizadas. Com isso pôde-se avaliar melhor o comportamento da tensão disruptiva das cadeias, com relação ao número e posicionamento dos isoladores inteiros. Para reproduzir as condições mais prováveis que ocorrem no campo, quando da atuação dos vândalos, 5 configurações diferentes de cadeias de isoladores foram montadas: • • • • •. Configuração 1: apresenta todos os isoladores inteiros juntos e colocados na parte superior da cadeia (próximo ao terminal de terra); Configuração 2: apresenta todos os isoladores inteiros juntos e colocados no final da cadeia (próximo ao terminal de fase); Configuração 3: apresenta todos os isoladores inteiros juntos e colocados na parte central da cadeia; Configuração 4: formada pela distribuição aleatória dos isoladores inteiros ao longo da cadeia; Configuração 5: os isoladores inteiros estão dispostos nas partes superior e inferior da cadeia e os isoladores quebrados estão todos agrupados no meio da cadeia.. As cadeias utilizadas são do tipo empregadas em uma linha de transmissão de 230 kV - torre de concreto e sem anel equalizador, que é composta de 16 isoladores. No total 19 isoladores de vidro temperado tipo concha-bola, com 254 mm de diâmetro, produzidos por um fornecedor mundial, sendo 12 isoladores quebrados e 7 inteiros foram selecionados aleatoriamente. Nas figuras 3.1 e 3.3 são mostradas, esquematicamente, as configurações adotadas no presente trabalho para o ensaio de disrupção. Enquanto que, nas figuras 3.2 e 3.4 são mostradas as cadeias durante os ensaios, montadas de acordo com as configurações adotadas. Legenda: Isolador Inteiro: Isolador quebrado:.

(24) 24. 1. 2. 3. 4. 5. Figura 3.1 - Esquema de uma cadeia de 16 isoladores com 6 isoladores inteiros nas 5 configurações adotadas para realização dos ensaios.. Figura 3.2 - Cadeias de isoladores a serem ensaiados de acordo com as configurações adotadas para 6 inteiros e 10 quebrados..

(25) 25. 1. 2. 3. 4. 5. Fig. 3.3 - Esquema de uma cadeia com 16 isoladores com 7 isoladores inteiros nas 5 configurações adotadas para realização dos ensaios..

(26) 26. Figura 3.4 – Fotografias das configurações utilizadas no ensaio de tensão disruptiva com cadeia de 16 isoladores de vidro, sendo 7 inteiros e 9 quebrados. Nos ensaios de impulso de manobra (polaridade positiva e negativa) e de tensão disruptiva à freqüência industrial à seco foram determinadas as tensões disruptivas de 50%. Os ensaios foram realizados de acordo com a norma NBR 6936/1992 da ABNT no Instituto Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo, São Paulo/SP. No total foram realizadas 370 aplicações de tensões de disrupção, sendo 50 aplicações de tensões de disrupção a freqüência industrial e 320 aplicações com impulso de manobra de polaridades positivas e negativas. O ensaio de tensão disruptiva de impulso de manobra foi realizado em um gerador de impulso de 15 estágios da marca Haefely, cuja tensão máxima é 3 MV. O ensaio de tensão disruptiva à freqüência industrial à seco foi realizado com auxílio de um transformador tipo cascata com 4 estágios, marca Toshiba e General Electric. Temperatura ambiente, umidade e pressão foram medidas Os valores das tensões disruptivas foram corrigidos para as condições atmosféricas padronizadas (T = 20°C,.

(27) 27. 13 g/l e 1013 mmbar). 3.3 Resultados e discussão Os resultados experimentais sobre os ensaios de tensões de disrupção de 50% à freqüência industrial e de impulso de manobra com as polaridades positiva e negativa são apresentados nesta seção. A combinação de 6 isoladores inteiros e 10 isoladores quebrados permitiu, entre outras, a montagem das 5 configurações distintas mostradas na figura 3.4, bem como para 7 isoladores inteiros e 9 quebrados estão mostradas na figura 3.6 Para melhor ilustrar os valores de tensão encontrados ao longo dos ensaios, os resultados foram apresentados em forma de tabela. Na tabela 3.3, encontram-se os valores para as cadeias com 6 isoladores inteiros. Tabela 3.1 – Resultados do ensaio de tensão disruptiva em cadeia de isoladores Configuração. Tensão disruptiva freq. industrial (kV). 1 2 3 4 5. 396,0 423,0 412,0 459,0 446,0. Tensão disruptiva impulso manobra positivo (kV) 474,0 600,0 519,0 663,0 NR. Tensão disruptiva impulso manobra negativo (kV) 704,0 734,0 696,0 728,0 NR. NR: Não Realizado.. Na figura 3.5 são apresentados os resultados das tensões de disrupção de 50% em função das 5 configurações adotadas no presente trabalho, para o caso de 6 isoladores inteiros na cadeia e 10 quebrados. Em particular, para a configuração 5 foi realizada somente o ensaio de tensão de disrupção com a freqüência industrial.. F r e q u ê n c ia in d u s t r ia l I m p u ls o p o s it iv o I m p u ls o n e g a t iv o 700. 500 400. 0. 1. 3. 4. 446. 728. 663. 459. 519. 412. 734. 423. 600. 2. 696. 100. 704. 200. 474. 300 396. Tensão (kV). 600. 5. Figura 3.5 - Tensões de disrupção numa cadeia com 6 isoladores inteiros e 10 quebrados para diferentes configurações realizadas com a freqüência industrial e impulso de manobra..

(28) 28. Na figura 3.5 pode-se observar que a posição (localização) dos isoladores inteiros influencia no valor da tensão de disrupção de 50% tanto de impulso de manobra como da tensão na freqüência industrial. A configuração 4 apresentou os maiores valores de tensões para que ocorresse a disrupção dentre as configurações testadas. Por outro lado, a configuração 1 apresentou os menores. Na tabela 3.2 são apresentados os resultados das tensões de disrupção de 50% em função das 5 configurações adotadas no presente trabalho, para o caso de 7 isoladores inteiros na cadeia e 9 quebrados. Estes resultados também são mostrados em forma de gráfico da figura 3.6. Em particular, para a configuração 5 foi realizada somente o ensaio de tensão de disrupção com a freqüência industrial. Tabela 3.2 – Resultados do ensaio de tensão disruptiva em cadeia de isoladores com 7 inteiros e 9 quebrados. Configuração 1 2 3 4 5. Tensão disruptiva Tensão disruptiva freq. industrial (kV) impulso manobra positivo (kV) 448,0 584,0 454,7 623,4 478,0 588,0 505,0 661,0 496,0 NR. Tensão disruptiva impulso manobra negativo (kV) 741,0 732,4 766,0 894,0 NR. NR: Não Realizado. F re q u ê n c ia in d u s tria l Im p u ls o p o s itiv o Im p u ls o n e g a tiv o. 900 800 600 500. 496. 894. 661. 505. 766. 588. 478. 732,4. 623,4. 741. 200. 584. 300. 454,7. 400 448. Tensão (kV). 700. 100 0. 1. 2. 3. 4. 5. Figura 3.6 - Tensões de disrupção nas cadeias de isoladores de vidro com 7 inteiros e 9 quebrados com a freqüência industrial e impulso de manobra. Na Fig. 3.6 pode-se observar que a posição (localização) dos isoladores inteiros influência no valor da tensão de disrupção de 50% tanto de impulso de manobra como da tensão na freqüência industrial. A configuração 4 apresentou os maiores valores de tensões para que ocorresse a disrupção dentre as configurações testadas. Por outro lado, a configuração 1 apresentou os menores. Os resultados experimentais evidenciam que as cadeias de isoladores que são constituídas por isoladores inteiros distribuídos igualmente espaçados e.

(29) 29. intercalados com isoladores quebrados apresentam tensões de disrupção de 50% maiores que as demais configurações. Na figura 3.7 são apresentados os valores das tensões disruptivas obtidos com a freqüência industrial para os casos de cadeias de isoladores constituídas por 6 e 7 isoladores inteiros e 10 e 9 isoladores quebrados, respectivamente. Para o efeito de uma comparação mais detalhada, os resultados obtidos com uma cadeia com 4 isoladores inteiros nas configurações 2 e 4 foram introduzidos. Analisando o gráfico individualmente para cada configuração, temos que o valor da tensão disruptiva para uma cadeia contendo 7 isoladores inteiros é sempre superior ao valor de tensão disruptiva para cadeias com números menores de isoladores inteiros (neste caso, 6 e 4 inteiros). Estes resultados evidenciam a necessidade do desenvolvimento de um dispositivo que proteja tais isoladores das danificações por vandalismo, e é de fundamental importância para minimizar os desligamentos nãoprogramados. Po outro lado, analisando todas as configurações de uma forma geral, os resultados, apresentados na figura 3.7 comprovam que cadeias de isoladores com um menor número de isoladores inteiros (6 isoladores na configuração 4) podem ter tensões disruptivas iguais ou levemente superior à cadeias com um número maior (7 isoladores nas configurações 1 e 2), dependendo da localização (posicionamento) dos isoladores na cadeia. Este resultado indica a possibilidade de um estudo mais detalhado visando um melhor entendimento sobre os mecanismos envolvidos e revisão dos procedimentos de atuação em linhas energizadas com número menor de isoladores inteiros dependendo da localização dos isoladores inteiros na cadeia. Hoje é estabelecido na regulamentação da Chesf que sete isoladores inteiros é o número mínimo para intervenção sem risco.. 6 iso la d o re s in te iro s 7 iso la d o re s in te iro s 4 iso la d o re s in te iro s. FREQUÊNCIA INDUSTRIAL [kV]. 600 500. 4 5 9 kV. 400 300 200 100 0. 1. 2. 3. 4. 5. C O N F IG U R A Ç Õ E S. Figura 3.7 - Comparação das tensões de disrupção medidas com a freqüência industrial nas cinco configurações das cadeias com 4, 6 e 7 isoladores inteiros..

(30) 30. 3.4 Conclusões Neste capítulo foram apresentados os resultados experimentais dos ensaios de tensão disruptiva a 50% para cadeias com seis e sete isoladores inteiros, reproduzindo uma cadeia de isoladores utilizada na linha de transmissão de 230 kV na condição mais crítica sem utilizar anel equalizador. Os valores de tensão de disrupção variam sensivelmente com as configurações e a quantidade de isoladores inteiros na cadeia. A posição (localização) dos isoladores inteiros é fator determinante no valor da tensão de disrupção de 50% tanto de impulso de manobra como da tensão na freqüência industrial. A configuração 4 que apresentou os isoladores distribuídos ao longo das cadeias apresenta os maiores valores de tensões para que ocorresse a disrupção, dentre as configurações testadas. O desenvolvimento de dispositivo que protejam os isoladores estratégicos da cadeia torna-se aliado fundamental para se obter a configuração de maior interesse para o setor de transmissão de energia elétrica, quando do ataque hediondo dos vândalos. Cadeias com 6 inteiros podem ter tensões disruptivas iguais ou superiores às cadeias com 7 inteiros, dependendo da localização dos isoladores nas cadeias. Este fato pode ser atribuído a uma maior distância do caminho a ser percorrido pelo arco elétrico, para que haja disrupção e distribuição não uniforme da tensão ao longo da cadeia. Este estudo pode ser aplicado para o caso da Chesf, onde a regulamentação só permite a intervenção para a troca de isoladores em linha energizada se houverem pelo menos 7 isoladores inteiros na cadeia, pois, dependendo da distribuição dos isoladores na cadeia, o valor da tensão disruptiva para 6 isoladores inteiros distribuídos ao longo da cadeia foi maior que o valor para 7 isoladores inteiros juntos na parte superior ou inferior da cadeia, porém é necessário um estudo mais detalhado, já que a manutenção em linha viva apresenta risco de morte para os eletricistas..

(31) 31. 4. ESTUDO DA TENSÃO DISRUPTIVA EM CADEIAS DE ISOLADORES DE VIDRO DANIFICADAS, EM ATMOSFERAS DE SF6 E AR.

(32) 32. 4.1 Introdução No presente capítulo, serão abordados a elaboração dos experimentos e os resultados dos ensaios de tensão disruptiva que foram realizados com a introdução de isoladores de vidro utilizados em linhas de transmissão de 230 kV em uma câmara especialmente projetada e construída com a função de trabalhar sob vácuo e pressão. Nesta câmara foram utilizadas atmosferas de ar e gás SF6 para simular o aumento do isolamento, isto é, promover o re-isolamento, de uma cadeia de isoladores de vidro danificada, através do aumento da rigidez dielétrica da atmosfera circundante aos isoladores remanescentes. 4.1.1 Propriedades dos gases isolantes – O ar O ar é o mais importante dos dielétricos gasosos por causa de sua prevalência universal na vida terrestre. Ele é uma mistura de diversos gases, na qual predomina o nitrogênio, com 78,1%, seguido do oxigênio, com 20,9%, cerca de 0,9% de argônio e de pequenas proporções de dióxido de carbono, hidrogênio, outros gases nobres e vapor d’água. O ar é um material isolante altamente confiável (ele rodeia todos os aparelhos elétricos e dele depende, em grande parte, o funcionamento seguro dos mesmos). Por exemplo: os condutores nus e aéreos das linhas de transmissão de alta tensão, suspensos nas torres por meio de isoladores de porcelana ou vidro, encontram-se isolados uns dos outros e em relação à terra, em toda extensão da linha, apenas pela camada de ar existente entre eles. A rigidez dielétrica do ar, entre os eletrodos planos, postados entre si de 1 cm, à pressão atmosférica normal, é de 32 kV/cm. Nas mesmas condições geométricas e à pressão de 10 atmosferas, a rigidez dielétrica aumenta para 226 kV/cm. A pressão tem considerável influência sobre a rigidez dielétrica do ar, bem como dos outros gases (Luna, 2006). Quando submetidos a pressões elevadas, o ar apresenta um comportamento dielétrico excelente, assim como a rigidez dielétrica do ar e dos outros gases pode se tornar mais fraca a baixas pressões; entretanto, tem valores elevados no alto vácuo. O ar e os gases altamente rarefeitos possuem notáveis propriedades dielétricas. Métodos modernos permitem a produção de vácuo com 10-7 mm Hg. Nestas condições, o ar está tão rarefeito que não pode produzir ionização. A rigidez dielétrica do ar rarefeito é muito alta e alcança valores inigualáveis, nem mesmo atingidos pelos melhores isolantes sólidos. Em contrapartida, o ar apresenta o inconveniente de determinar a formação de ozônio sob a ação de eflúvios, e esse gás, altamente oxidante, provoca a destruição lenta dos isolantes. Outrossim, a poluição atmosférica e o ar úmido determinam a corrosão de um grande número de metais e ligas, inclusive dos próprios isoladores (figura 4.1). Como se sabe, a umidade diminui consideravelmente as qualidades dielétricas dos isolantes em contato com o ar. (Luna, 2006)..

(33) 33. (a). (b). Figura 4.1 – Comparação entre (a) isolador íntegro e (b) isolador condenado por corrosão no pino, próximo ao cimento. 4.1.2 Propriedades dos gases isolantes – O SF6. O gás hexafluoreto de enxofre, SF6, tem sido largamente utilizado no setor elétrico como gás isolante em subestações blindadas e disjuntores por se apresentar como o melhor gás dielétrico comercialmente disponível e mais usado para tecnologias de alta tensão. Sua popularidade é resultante da combinação de propriedades que atendem a maioria das solicitações para isolamento, interrupção de arco, operação na faixa de temperatura, facilidade de manuseio e baixa toxidade (Boggs, 1989). As principais características do SF6 são: a) Não é tóxico, é inodoro e incolor; b) Não é inflamável e apresenta boa estabilidade química; c) Tem um extraordinário poder extintor de arco, estimado em duas vezes superior ao ar; d) Sua rigidez dielétrica é excelente. Nas condições normais de pressão atmosférica é 2,3 vezes maior que o ar, ou seja, cerca de 74 kV/cm; e) Apresenta fraca condutibilidade sônica; f) A sua condutividade térmica é elevada, o que facilita os problemas de dissipação de calor; g) Aparelhos isolados com SF6 são mais leves e mais competitivos do que aqueles isolados com dielétricos líquidos.. a). b). c). d). Por outro lado, o SF6 apresenta algumas desvantagens: Não obstante a sua rigidez dielétrica ser maior do que a do ar e a do nitrogênio, em condições normais de temperatura e pressão, para igualar-se com um isolante líquido (óleo), o gás deve ser usado sob pressões elevadas; O requisito anterior implica a utilização de tanques selados, capazes de manter as pressões que serão desenvolvidas pela variação da temperatura, quando do seu uso comercial. Embora seja um gás caracterizado por sua alta estabilidade química, a presença de enxofre em sua molécula, debaixo de certas condições, produz uma corrosividade que é de significativa importância; Mesmo sendo não tóxico, o SF6, quando decomposto por calor ou pelo arco.

(34) 34. elétrico, desenvolve misturas gasosas que contém ingredientes tóxicos, as quais são incolores e inodoras, dificultando a sua detecção. (Luna, 2006) 4.1.3 Lei de Paschen Segundo (Paschen, 1889), a Lei de Paschen relaciona a tensão disruptiva versus o produto da pressão pela distância entre os eletrodos, na presença de um dielétrico. Essa lei enuncia que mantendo a distância constante e aumentando a pressão atmosférica, é necessária uma tensão mais elevada para romper a rigidez dielétrica do material (Neves, 2001). Esta relação pode ser ilustrada graficamente pela figura 4.2, para o caso do gás SF6, nitrogênio e ar.. Figura 4.2 – Curva de Paschen para o ar, SF6 e nitrogênio. A rigidez dielétrica de um gás depende acentuadamente da densidade desse gás. Segundo Schmidt (1986), perante pressões elevadas e correspondente elevação das densidades, reduz-se a distância entre as moléculas e o afastamento entre os elétrons e o número de partículas por unidade de volume se eleva. Dessa forma, eleva-se o valor da tensão de ruptura do material, o que é sinônimo de elevação da rigidez dielétrica. Se em seguida houver uma redução da pressão, notase uma redução do valor da tensão de ruptura, devido ao aumento do afastamento médio entre os elétrons. Se, entretanto, a pressão continuar a ser reduzida, observase uma nova elevação da tensão de ruptura ou da rigidez dielétrica, fenômeno que é explicado pela redução do número de moléculas do gás, o que, por sua vez, reduz a probabilidade de uma ionização devido a choques entre partículas neutras de gás ou entre elétrons. No caso em que a pressão é tão baixa que corresponda a um vácuo elevado, não ocorre mais ruptura dielétrica por ionização. Nesse caso, os elétrons necessários ao aparecimento de uma descarga serão provenientes de destruição dos catodos metálicos aos quais esses elétrons foram arrancados. No vácuo, a rigidez dielétrica atinge valores de até 10³ KV/cm. Essa característica é,.

(35) 35. eventualmente, usada em alguns equipamentos que trabalham com tensões em alta freqüência. 4.1.4 Aplicação da Lei de Paschen com referência ao SF6 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)..

(36) 36. 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..

(37) 37. “Figura 4.5”. Tampa superior de acrílico Tarugo condutor de cobre. Parafuso de aço para fechamento. Suporte para anel de acrílico Anel de acrílico. Isolador para ensaio. Adaptador para fixar isolador, feito de câmpânula Tampa inferior de acrílico. Tarugo condutor de cobre. Figura 4.4 – Foto da câmara de acrílico para ensaio de tensão disruptiva com atmosfera de SF6. Válvula de segurança Tarugo condutor Medidor de pressão Válvula para gás Válvula para gás. Figura 4.5 – Detalhe da parte superior da câmara.. Parafuso para suspensão da câmara.

(38) 38. Porca e arruela para fechamento. O-ring. O-ring. Figura 4.6 – Detalhe da parte inferior da câmara.. Mangueiras. Cilindro de gás Vacuômetro Compressor. 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.

(39) 39. 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..

(40) 40. Em seguida realizou-se o teste com 1 isolador quebrado à baixa pressão (baixo vácuo), e obteve-se o valor de tensão disruptiva igual a 0,5 kV. Neste ensaio, observou-se uma descarga que surgiu entre o pino e a campânula do isolador (figura 4.10). Esta descarga, segundo Luna (2006), recebe o nome de eflúvio luminoso, que é uma descarga elétrica que ocorre antes de atingida a disrupção total do gás (ar). É acompanhada de uma emissão luminosa de cor violeta e de ruídos característicos. Nota-se também, no caso do ar, a formação de ozônio (O3), que é altamente 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),.

(41) 41. 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.

(42) 42. 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).. Esticador. Corda de nylon. Figura 4.14. Nova configuração da câmara, onde se utilizou uma corda de nylon para fechamento..

(43) 43. 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..

(44) 44. Tabela 4.1 – Resultados dos ensaios de tensão disruptivas com isoladores de vidro numa câmara de atmosfera controlada. 1 isolador quebrado Sistema de Fixação. Vácuo. Atmosfera gasosa Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm). Parafusos. 0,5 kV. 13 kV. Corda c/ esticador 1 isolador inteiro Sistema de Fixação. ***. ***. Vácuo. Parafusos. 5 kV. 68 kV. Corda c/ esticador 2 isoladores inteiros Sistema de Fixação. ***. 80 kV. Vácuo. Parafusos. ***. ***. Corda c/ esticador 3 Isoladores inteiros Sistema de Fixação. ***. 140 kV. Vácuo. Parafusos. ***. ***. ***. ***. Corda c/ esticador. ***. 178 kV. 208 kV. ***. ***. Gás SF6 (1,3 atm) 15 kV. *** Atmosfera gasosa Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm) 96 kV. *** Gás SF6 (1,3 atm) 106 kV. 122 kV Atmsfera gasosa Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm). 130 kV Gás SF6 (1,3 atm). ***. ***. 240 kV Atmosfera gasosa Ar local (0,95 atm) Gás SF6 (0,95 atm). 244 kV Gás SF6 (1,3 atm). 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.. Tensão disruptiva de isoladores 300 240 208. 250 178 140. (kV). 200 150 100. 244 1 isolador inteiro. 122. 130. 2 isoladores inteiros 3 isoladores inteiros. 80. 50 0 Ar. SF6 e pressão SF6 a 1,3 atm local. 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..

(45) 45. 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..

(46) 46. 5. ESTUDO DA JAQUETA POLIMÉRICA PARA AUMENTAR A TENSÃO DISRUPTIVA DE ISOLADORES UTILIZADOS EM LINHAS DE TRANSMISSÃO.

(47) 47. 5.1 Introdução Em função da existência de uma legislação mais rigorosa ao setor elétrico brasileiro, da demanda crescente e da necessidade de fornecimento de energia com qualidade, é necessário minimizar os desligamentos das linhas de transmissão oriundos de vandalismo. Sabe-se que os valores de tensão disruptiva são sensíveis às pequenas variações nas propriedades dos materiais tais como porosidade e tipos de materiais. No presente capítulo, visou-se estudar a tensão de disrupção de isoladores quebrados substituindo o cimento por materiais poliméricos de alta densidade e praticamente sem porosidade. 5.1.1 Características de alguns materiais selecionados para os ensaios Foram realizados testes de rigidez dielétrica em alguns isoladores quebrados cujo pino foi substituído ou coberto por polímeros termoplásticos com o objetivo de levantar dados para decidir qual o melhor material para ser empregado no interior do isolador, sendo utilizado como revestimento do pino ou substituindo o cimento devido a sua porosidade, que causa uma diminuição na suportabilidade de tensão do isolador. Os polímeros termoplásticos são conhecidos por possuírem boas propriedades elétricas e baixa absorção de água, além de capacidade de formar fibras (fios) e filmes, e são flexíveis e elásticos. Apesar destas ótimas características que o tornam atrativos para uso no setor elétrico, os materiais poliméricos não possuem boas características mecânicas, o que pode ser contornado com a aplicação de materiais reforçados com fibra de vidro (Luna, 2006). Os materiais selecionados foram: •. Polietileno (PE). É obtido pela polimerização do etileno e utilizado como material isolante em cabos elétricos e de comunicação. Tem boas propriedades mecânicas e é pouco higroscópico. É usado largamente para a fabricação de variados artigos domésticos, sob a forma de plásticos. É um dos polímeros mais industrializados do mundo. Suas principais características elétricas são (Luna, 2006): Resistividade = 1016 Ωcm, Constante dielétrica = 2 a 4 Ângulo de perdas = 2 a 5x10-4 Rigidez dielétrica = 300 kV/cm •. Poliamida. Esses polímeros se apresentam sob o nome comercial de nylon e se diferenciam entre si pela natureza de seus compostos de partida. Um dos mais usados é o chamado nylon 6.6, resultante da polimerização do ácido adípico e do hexametileno diamina. É um polímero elástico e também de forte resistência mecânica. Pode ser dissolvido somente por uns poucos solventes. Comparado com outros polímeros, o nylon é muito higroscópico. Suas características elétricas são as seguintes: Resistividade = 1013 Ωcm Contante dielétrica = 4 a 6 Ângulo de perdas = 1 a 5 x 10-2.