(*) Centro Politécnico da UFPR – caixa postal 19067 Curitiba, PR – Brasil Tel: (+55 41) 3361-6231 – Fax: (+55 41) 3361-6007 – Email: sussumu@lactec.org.br DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA XXX.YY 22 a 25 Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO III
GRUPO DE ESTUDO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO - GLT BANCADA DE ENSAIOS DE DEFLEXÃO EM ISOLADORES LINE-POST -
SUA CONCEPÇÃO, MONTAGEM E REALIZAÇÃO DE ENSAIOS EM AMOSTRAS ENVELHECIDAS.
Sussumu Valter Fukuda (*) Marcos José Mannala Muryllo Amalio de Souza LACTEC LACTEC COPEL
RESUMO
Este trabalho descreve a concepção, elaboração de projetos civil, elétrico, mecânico e de automação, desenvolvimento de bancada para ensaios de deflexão em isoladores tipo line post e apresenta também resultados de ensaios em isoladores poliméricos envelhecidos.
O presente trabalho complementa o trabalho apresentado no XVI SNPTEE, em 2001, na cidade de Campinas, intitulado ‘Investigação do comportamento a longo termo de isoladores poliméricos tipo line post, submetidos a solicitações eletromecânicas’ e apresenta outras possibilidades de utilização desta bancada.
PALAVRAS-CHAVE
Linha de transmissão, isolador line post, bancada de testes, deflexão. 1.0 - INTRODUÇÃO
As linhas de transmissão urbanas, em postes de concreto utilizadas pela Copel, desde a sua concepção há quase 30 anos, têm se tornado uma importante alternativa para suprir a grande demanda de energia elétrica presente nos grandes centros.
Com o desenvolvimento deste padrão construtivo, que utiliza isoladores tipo line post, uma investigação mais profunda das características e comportamentos elétricos e mecânicos destes isoladores tornou-se necessária. Durante esses anos, em virtude da aceitação deste padrão construtivo, houve acréscimo na utilização deste isolador, e verificou-se o surgimento de novos fabricantes de isoladores line post e de novas tecnologias de fabricação.
A investigação de novos materiais na indústria elétrica é de extrema importância, visando-se a confirmar que a sua utilização é segura, sobretudo em se tratando de transmissão em alta tensão no interior de áreas com densidade populacional elevada.
Nessa linha, em 2001, foi apresentado o trabalho ‘Investigação do comportamento a longo termo de isoladores poliméricos line post, submetidos a solicitações eletromecânicas’ no XVI SNPTEE (ver referência 1), onde se descreveu todo o processo de análise do comportamento de isoladores poliméricos submetidos à carga mecânica e tensão elétrica de 80 kV fase terra, por um período de 5 anos ininterruptos em ambiente levemente poluído. Tal investigação tinha por objetivo contribuir para a mitigação das barreiras para aplicação destes materiais em linhas de transmissão, principalmente em relação ao seu comportamento ao longo do tempo. Um dos pontos de
questionamento em relação aos elastômeros estava em sua vida útil, uma vez que se trata de material orgânico e este é mais suscetível à ação degenerativa da radiação ultravioleta, umidade e calor, entre outros.
Na oportunidade da execução deste projeto, percebeu-se a necessidade do desenvolvimento de uma bancada para realização de ensaios mecânicos em isoladores line post, Com a construção desta bancada, pôde-se analisar as alterações mecânicas destes isoladores, procurando estimar a redução da vida destes materiais, ver Figura 1.
Figura 1 – Vista Geral da bancada
A bancada de ensaios foi concebida de modo a permitir ensaios não somente em isoladores do tipo line post, como vislumbrado inicialmente. Com um mínimo de investimento adicional, foi possível conceber uma bancada flexível, de modo a ensaiar isoladores de suspensão e ancoragem, poliméricos ou de porcelana.
Outra característica desenvolvida para esta bancada foi a implementação de um controle de temperatura, de modo a permitir a execução de ensaios de ciclos térmicos, ruptura súbita com temperatura e outros ensaios que contemplam tração e temperatura simultaneamente.
No entanto, a flexibilidade da bancada desenvolvida não se limita ao ensaio de diferentes tipos de isoladores. Os projetos civis e mecânicos permitiram contemplar também ensaios de tração em cabos e acessórios para linhas de transmissão e distribuição, com trações até 300 kN.
O projeto teve início no final de 2001, sendo concluído em maio de 2004. 2.0 - DESCRIÇÃO DAS INSTALAÇÕES
A bancada foi construída dentro do laboratório de ensaios mecânicos do Lactec, no campus II (Centro Politécnico) da Universidade Federal do Paraná, em uma área total de 84 m² e comprimento total de 21 m. A bancada é constituída basicamente de seis partes: sistema de controle, corpo em concreto armado, sistema de tração, carro de alinhamento para direcionamento da tração, ancoragem para trações horizontais e base de fixação flexível.
As câmaras de temperatura permitem a realização de ensaios termomecânicos com temperaturas variando de -40 °C à +60 °C. A temperatura é controlada em tempo real, permitindo variação cíclica, em rampa ascendente ou descente. Todo este processo é controlado pelo sistema que é descrito no item 2.4.
2.1 Projeto Civil
Inicialmente, o anteprojeto previu a carga mecânica máxima de aplicação, em tração, de 30 kN, e 4 m de comprimento. Dada a experiência da equipe em projetos de bancadas de ensaio, como a bancada de cabos condutores e de vibrações, o projeto foi expandido para atender não somente ensaios de isoladores line post no modo flexão como também torção, tração e compressão.
Com isso a nova configuração da bancada passou a contar com vão útil de 14 m e capacidade de 300 kN de tração e compressão, tendo o corpo da bancada um comprimento total de 20 m.
Para o ensaio de carga de deflexão (Cantilever load test), a base e o sistema de transmissão de cabos de aço foram projetados para suportar uma tração máxima de 2000 kgf, e um momento de flexão máximo no isolador de 2000 kgf.m.
2.2 Projeto Elétrico /Acionamento
O sistema de acionamento é formado por um motor elétrico, redutor, e engrenagens de fusos. De acordo com a combinação destes componentes, definiu-se que o motor elétrico mais adequado para movimentar o conjunto deveria fornecer um torque máximo de 6,8 N.m.
Todos os demais componentes de acionamento do motor seguiram dimensionamentos usuais de projetos elétricos, tomando como base a potência elétrica do motor, associada ao torque desejado.
2.3 Projeto Mecânico
O dimensionamento do redutor, engrenagens, fusos, rolamentos e cabos de aço resumiram-se a técnicas usuais de dimensionamento através de catálogos de fabricantes, tendo como base as necessidades dos ensaios e características dos equipamentos.
Já o dimensionamento das peças para fabricação exigiu maior tempo e detalhamento adequado à aplicação destas peças. Foi necessário lançar mão de dimensionamentos através de cálculo analítico e também através de análise numérica.
O dimensionamento através do cálculo analítico seguiu os seguintes passos:
a. Criação e definição da geometria da peça, de acordo com a sua função e utilização, usando critérios como resistência, simplificação da fabricação, peso, etc.
b. A partir da geometria da peça e de acordo com a sua utilização e carregamentos externos, foram calculados os diagramas de momento fletor, de esforço cortante, de esforço normal, cisalhamento de roscas, cargas em parafusos de fixação, etc...
c. Definição do material da peça, usando critérios como resistência ao escoamento, preço, peso, etc. d. Após essas definições, foi calculado o coeficiente de segurança.
e. Com o coeficiente de segurança definido, passou-se ao passo de otimização das peças, de modo a obter facilidade de fabricação, menores custos, otimização do peso, etc., até atingir dimensões ótimas, dentro de uma faixa segura.
f. Com o modelamento das peças em programa de computador dedicado, foi possível analisar sua utilização em conjunto, e quando necessário, retornou-se ao passo de definição das dimensões e todo o processo de cálculo analítico de modo a alterar e corrigir as dimensões necessárias.
Para as peças em que o cálculo analítico não se mostrou adequado, optou-se pelo dimensionamento através de análise numérica. Verificou-se que esse procedimento foi importante para o dimensionamento das chapas, por exemplo, pelas quais é feita a ancoragem dos conjuntos no concreto. Essas chapas, por serem severamente carregadas mecanicamente, demandaram uma análise mais detalhada dos esforços resultantes, através de modelamento computacional das peças e simulação de aplicação de cargas mecânicas, permitindo identificar visualmente as distribuições de tensões na peça, determinando-se o coeficiente de segurança.
2.4 Projeto de Automação e controle
O sistema de controle é composto por um microcomputador com placas de aquisição e controle da National Instruments® (NI). O programa de controle foi desenvolvido com a ferramenta Labview® (National Instruments, Inc.) possibilitando a automação do conjunto, realizando os ensaios em isoladores automaticamente, com acompanhamento gráfico em tempo real das condições de ensaio.
O software, entre tantas outras qualidades, permite o acompanhamento e controle remoto do ensaio à distância, através da Internet. Este recurso é útil para ensaios de longa duração, onde se faz necessário uma assistência constante.
A bancada é composta por subsistemas, ver Figura 2, que são descritos a seguir:
Figura 2 – Esquema dos controles da bancada.
2.4.1 Controle de tração
Possui a função de tracionar o condutor até a carga desejada. A capacidade de tração da máquina é de 100 a 300.000 N. O sistema pode tracionar a amostra com diferentes velocidades, com rampa de carregamento programável e estabiliza a tração sem que haja sobrepassagem.
Partes que constituem o sistema de tração:
a. Servomotor: Motor de corrente contínua com imã permanente e escovas. Fornece torque na entrada do redutor de até 6,8 N.m. O torque é controlado pelo sistema de controle conforme a necessidade de tração;
b. redutor/fusos de esferas: Amplia o torque do servomotor fazendo deslocar o bloco que comprime a célula de carga;
c. célula de carga de compressão: Mede o valor de tração aplicada na amostra ensaiada. Para tanto, a célula de carga é a peça de ligação mecânica entre o carro de tração e o bloco acoplado no fuso de esferas, isto é, a força é transmitida toda pela célula de carga. Existem três capacidades distintas para as células de carga; d. bloco de tração: Corpo onde a amostra é presa através de um sistema de ancoragem bi-cônico.
Figura 3 – Sistema de controle de tração.
2.4.2 Controle da câmara de temperatura
A câmara de temperatura possui uma faixa de operação de -40 ºC a +60 ºC. Qualquer temperatura nesta faixa pode ser atingida, podendo-se reproduzir ciclos térmicos de temperatura, rampa controlada de aquecimento ou resfriamento. Pode-se utilizar até sete termopares para fechar a malha de controle de temperatura da amostra, conseguindo-se assim uma média precisa.
2.4.3 Controle do sistema de ar condicionado
A sala possui também um ar condicionado de 30.000 BTU’s, onde a temperatura da amostra ensaiada é controlada e monitorada através de até sete termopares instalados na amostra. Esses termopares fecham a malha de controle, fazendo com que a temperatura alvo seja alcançada e mantida com precisão de +/- 0,5 ºC. O recinto onde se encontra a bancada, além de possuir paredes e teto duplo para isolamento térmico, não recebe incidência solar em nenhuma de suas paredes, tornando desnecessário um aparelho de grande porte para o condicionamento da temperatura ambiente.
2.4.4 Controle da deformação da amostra
O ensaio pode requerer deformação controlada, como por exemplo, em um isolador onde a carga é aplicada em balanço. A tração é aplicada na extremidade da amostra e a deformação é controlada com a instalação de um transdutor de deslocamento, que fecha a malha de controle.
O carregamento pode ser controlado, conforme requeira a norma regente do ensaio. Assim como na carga, a solicitação da deformação pode ser em rampa, cíclica, constante até a ruptura ou manter a deformação constante. A resolução máxima obtida nos transdutores é de 5 µm.
3.0 - ENSAIOS
3.1 Descrição do funcionamento
O sistema de tração possui capacidade máxima de 300 kN, sendo composto por dois fusos de esferas com capacidade de tração de 170 kN cada, que trabalham em paralelo para gerar o carregamento de tração.
Os fusos são acionados por um sistema de servomecanismo PWM senoidal e controlado por microprocessador DSP (digital signal processing). O carro de alinhamento e direcionamento da tração reorienta a tração horizontal do sistema, tornando-a vertical, para que o esforço seja perpendicular ao isolador line post. Nesta configuração, a carga é limitada a 19,620 kN.m de momento fletor máximo resultante, ver Figura 4.
Figura 4 - Ensaio de flexão em isolador polimérico
Com a base flexível pode-se aplicar flexão ortogonalmente ao isolador line post, acompanhando as deformações do isolador ensaiado. A força de flexão é monitorada pelo sistema de controle que, através de células de carga, mantém um controle rigoroso do valor aplicado, fechando a malha de controle do sistema.
A deformação oriunda da aplicação de esforço no isolador é acompanhada por transdutores de deslocamentos indutivos. A deformação é acompanhada em tempo real em gráfico, ver Figura 5, sendo que a aquisição de dados pode ser inserida em algoritmos que trazem informações a respeito do comportamento e ou tendência da amostra ensaiada. Em caso de ruptura, o sistema suspende imediatamente a flexão (no caso do line post) ou tração no ensaio de isoladores de suspensão e ancoragem.
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 50 100 150 200 250 tempo (s) C ar g a (k N )
Figura 5 – Exemplo de dados fornecidos pelo software de monitoramento.
3.2 Ensaios realizados 3.2.1 Objetivo
O ensaio teve como objetivo a realização do teste de carga de falha à deflexão de isoladores envelhecidos, além de servir como base para a comprovação da eficiência da bancada desenvolvida, ver Figura 6.
Figura 6 – Ensaio de deflexão 3.2.2 Amostras
As amostras foram envelhecidas nas instalações do Lactec mediante carga de trabalho nominal com tensão elétrica, além de duas amostras envelhecidas nas instalações da Copel sob carga mecânica, apenas. Após 5 anos em processo de envelhecimento natural e acompanhamento das deflexões, amplamente descritos em [1], os isoladores poliméricos foram ensaiados na bancada, de modo a verificar se houve alguma alteração das propriedades mecânicas após este período.
Foram envelhecidas 7 amostras, das quais foram ensaiadas 5, no período de 29 de março a 10 de julho de 2005. As amostras ensaiadas apresentavam as seguintes características, relacionadas na Tabela 1:
Tabela 1: Característica das amostras Carga mecânica [kgf] MDCL [kN] Amostra 1 490 5,70 Amostra 2 630 6,60 Amostra 3 600 6,60 Amostra 4 450 5,70 Amostra 5 490 5,70
A carga de deflexão foi elevada rápida e suavemente de zero a aproximadamente 75 % da carga de deflexão especificada e então aumentada gradualmente em um tempo entre 30 s e 300 s até a ruptura do núcleo ou da terminação. Foram tomadas precauções para manter a direção tão perpendicular quanto possível ao eixo do isolador sem carga. A carga de falha de deflexão é a carga máxima medida durante o teste, que resultou na seguinte tabela:
Tabela 2: Resultados obtidos pelo ensaio
MDCL [kN] Carga de falha [kN] Relação Carga de falha / MDCL Amostra 1 5,70 14,960 2,62 Amostra 2 6,60 14,830 2,25 Amostra 3 6,60 15,005 2,27 Amostra 4 5,70 14,830 2,60 Amostra 5 5,70 13,422 2,35 3.2.3 Resultados
De acordo com os dados expressos na Tabela 2, verificou-se que os isoladores apresentaram um valor de carga máxima bastante superior às especificações de MDCL (Maximum Design Cantilever Load) do fabricante.
As amostras suportaram o processo de envelhecimento por um período de cinco anos sem alteração significativa em suas propriedades mecânicas.
3.3 Outros Ensaios
Além dos ensaios mencionados no subitem anterior, esta bancada pode ser utilizada para outros ensaios, como por exemplo, ensaios em cadeia de isoladores em formato ‘V’, utilizadas em linhas de transmissão urbanas de tensão 230 kV (ver referência 2), ensaios em cabos, ensaios em isoladores pilar e quaisquer ensaios de tração ou deflexão em peças metálicas diversas, como, por exemplo, as bases deformáveis utilizadas em isoladores de suspensão de linhas de Transmissão urbanas de 69 e 138 kV.
4.0 - CONCLUSÃO
O desenvolvimento desta bancada foi essencial para a realização precisa e confiável do ensaio de deflexão nos isoladores envelhecidos, tendo em vista a inexistência de equipamento similar no Brasil.
Dessa forma, a bancada permite a realização dos ensaios de deflexão e tracionamento de maneira confiável, monitorados em tempo real e em acordo com as exigências das normas nacionais e estrangeiras, não apenas em isoladores poliméricos, mas também em diversas outras peças, aumentando a confiabilidade e o conhecimento a respeito das soluções adotadas em projetos e construção de linhas de transmissão.
Os ensaios realizados nas amostras envelhecidas vem complementar o artigo ‘Investigação do comportamento a longo termo de isoladores poliméricos tipo line post, submetidos a solicitações eletromecânicas’, apresentado no XVI SNPTEE, demonstrando que os isoladores envelhecidos não apresentaram comprometimento de suas características de suportabilidade mecânica.
5.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) FUKUDA, S.V., HOFFMANN, J.N., OLIVEIRA, S.M.,MANNALA, M.J., SILVA, J.M. Investigação do comportamento a longo termo de isoladores poliméricos tipo line post, submetidos a solicitações eletromecânicas. XVI SNPTEE, Campinas-SP, 21 a 26 de Outubro de 2001.
(2) HOFFMANN, J.N., SOUZA, R.L., PROSDÓCIMO, N., MOREIRA, I.S., SWINKA Filho, V. Linha de transmissão compacta experimental em 230 kV. XVII SNPTEE, Uberlândia-MG, 19 a 24 de Outubro 2003. (3) INTERNATIONAL ELECTROTHECNICAL COMMISSION– Insulators for overhead lines – Composite line post insulators for alternative current with a nominal voltage > 1000 V - IEC 61952:2002.
