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SNPTEESEMINÁRIO NACIONALDE PRODUÇÃO ETRANSMISSÃO DEENERGIA ELÉTRICA

GSE-1719 a 24 Outubro de 2003

Uberlândia - Minas Gerais

GRUPO VIIIGRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS - GSE

AVALIAÇÃO DE ISOLADORES E PÁRA-RAIOS POLIMÉRICOS A PARTIR DO ENSAIO DEENVELHECIMENTO ACELERADO

Darcy Ramalho de Mello* Ricardo Wesley Garcia Flavio Bittencourt BarbosaCEPEL

RESUMO

Este trabalho apresenta uma análise dos resultadosobtidos em diversos ensaios de envelhecimentoacelerado realizados no CEPEL. Até o momento, foramrealizados um ensaio com isoladores bastão para138 kV e três ensaios com isoladores para 15 kV, dostipos bastão, pino e pilar e pára-raios para 12 kV,sendo que em um dos ensaios foram consideradasmontagens com diferentes cabos e amarrações, alémdas configurações normalizadas com tubo metálico earame. Os resultados obtidos mostraram a eficácia datécnica de ensaio utilizada e a importância dacompatibilidade dielétrica da interface entre isolador,cabo e amarração.

PALAVRAS-CHAVE

Ensaio de envelhecimento acelerado. Compatibilidadedielétrica. Isolador polimérico. Pára-raios polimérico.

1.0 - HISTÓRICO

A crescente aplicação de isoladores e pára-raiospoliméricos em sistemas de energia tem sidoevidenciada pela entrada no mercado de muitosfabricantes e pelo interesse dos usuários em conhecermelhor as suas características operacionais.

O desempenho deste tipo de equipamento estádiretamente relacionado ao envelhecimento do materialpolimérico que compõe o revestimento. Isto ocorredevido à ação de agentes naturais como radiaçãosolar, variações de temperatura, umidade, poluiçãoetc., associada ao fato de a energização provocardesgastes quando há cintilação superficial na presençade poluição ou por causa do efeito corona. Como o

envelhecimento natural se dá normalmente de maneiralenta, o estabelecimento de um processo acelerado dedesgaste, através de um ensaio de laboratório quesimule todas as solicitações experimentadas emserviço, tem sido fundamental para fabricantes eusuários destes isoladores, possibilitando umaavaliação mais rápida das suas característicasoperacionais.

A metodologia utilizada para a realização do ensaio deenvelhecimento acelerado foi baseada na normaIEC 61109 (1), onde é sugerido um ciclo de 5000 horaspara a sua realização. Esse ensaio objetiva areprodução das solicitações às quais estesequipamentos estão sujeitos ao longo de sua vida útil.

Devido à grande demanda por este ensaio, o CEPELfoi obrigado a montar um laboratório que permitisse oensaio simultâneo de um grande número de amostras,mas mantendo a confidencialidade e o sigilo. A longaduração do ensaio ( aproximadamente 7 meses ) e odesgaste na estrutura do laboratório somentepossibilitam realizar um ensaio por ano. Até omomento, já foram realizados 4 conjuntos de ensaios,sendo um deles com isoladores bastão para 138 kV eos demais com isoladores para 15 kV. Em um dosensaios, foram ensaiados simultaneamente pára-raiosfornecidos por fabricantes e outros retirados doalmoxarifado de empresas terceirizadas, maspertencentes aos mesmos fabricantes.

Os fabricantes têm optado por ensaiar equipamentosda classe de 15 kV pois, por ser um ensaio recente noBrasil e com duração bastante longa, podem colocarmais amostras no interior da câmara de ensaiopossibilitando obter conclusões sobre o desempenhodos diversos tipo de revestimento ensaiados.

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A possibilidade de ensaiar grande número de amostraspermitiu que, em um dos ensaios, fosse feita umaavaliação do desempenho de configurações completas,incluindo cabos com camada semi-condutora eamarrações diversas. Com isso pôde-se avaliar ainterface cabo – isolador – amarração.

A diversidade de materiais e configurações ensaiadospermite apresentar um painel sobre o desempenho dediversos equipamentos face às diversas solicitações àsquais foram submetidos .

2.0 - DESCRIÇÃO DO ENSAIO

A metodologia para a realização de ensaio deenvelhecimento acelerado foi estabelecida inicialmenteatravés do CIGRÉ (2), passando, posteriormente, afazer parte da norma IEC 61109, onde é sugerido umciclo para a realização do ensaio, que objetiva areprodução das solicitações às quais os isoladoresestariam sujeitos ao longo de sua vida útil.

A maior dificuldade está em transferir o resultado dolaboratório para as condições de operação no campo,através do que se convencionou chamar de fator deaceleração (que identifica a equivalência do tempopara a ocorrência do mesmo nível de deterioração),principalmente quando a metodologia de ensaio estábaseada em condições normalizadas. A determinaçãodeste fator é possível quando a simulação dascondições naturais está relacionada a parâmetros deuma determinada região de onde se conhecem o nívelde insolação, a periodicidade das chuvas, o grau depoluição etc., possibilitando a definição de um cicloespecífico, como o definido por H. M. Schneider et alli(3).

Para tornar prática a execução deste ensaio,considerando também o número de unidades queseriam ensaiadas, foi necessário fazer algumasadaptações no ciclo apresentado na norma IEC 61109de modo a definir um ciclo que reunisse os diversosefeitos gerados pelas solicitações simuladas e quemantivesse as características operacionais dolaboratório.

O ciclo de ensaio que é sugerido pela Norma IEC 1109se repete a cada 24 h e tem a duração de 5000 h. Eleconsiste na aplicação de várias solicitações sobre umisolador polimérico que se encontra energizado natensão máxima do sistema. Estas solicitações são:

• simulação de radiação solar, especialmente a UV(ultravioleta),

• chuva,• calor seco,• calor úmido (próximo à saturação),• umidade elevada à temperatura ambiente,• névoa de poluição leve.

Um exemplo de ciclo de ensaio normalizado com 24horas de duração, que inclui todas as solicitações, estáapresentado na Figura 1. Deve-se notar que o ciclo

citado é bastante complexo, principalmente quando onúmero de isoladores é grande, introduzindodificuldades para executar algumas fases.

umidificaçãoaquecimentochuvanévoa salinaradiação solartensão

FIGURA 1 – CICLO DIÁRIO NORMALIZADO

Baseado na experiência desenvolvida pelo CESI,nesse mesmo tipo de pesquisa (4), o CEPELestabeleceu um ciclo semanal, cujo esquema pode servisto na Figura 2, buscando conciliar as solicitaçõesestabelecidas pela norma IEC e a operacionalidade naexecução do ensaio.

A diferença mais significativa está no fato dosisoladores submetidos ao ciclo de envelhecimento doCEPEL não estarem energizados quando expostos àsimulação da radiação solar, devido à proximidade daslâmpadas. Contudo, esta modificação de ordemoperacional não reduz o efeito sobre os isoladores,pois em condições reais de operação, não há atividadede corrente de fuga na superfície dos isoladores empresença do sol. Também não foram consideradassolicitações de características mecânicas.

UMIDIFICAÇÃO

0 2412 2412 2412 2412 2412 2412 2412

1 2 3 4 5 6 7 DIA

CHUVA (1,5mm/mim)

NÉVOA SALINA (7kg/m3)

RADIAÇÃO UV (32 W/m 2)

TENSÃO ( kV)

AQUECIMENTO (Dt=15oC)

PAUSAS

FIGURA 2 – CICLO SEMANAL ADOTADO PELOCEPEL

3.0 - INFRAESTRUTURA LABORATORIAL

Os ensaios foram realizados na câmara climática dolaboratório do CEPEL, cujas dimensões são: 5,20m x4,60m x 4,60 m (C x L x A).

A fase da aplicação da névoa salina foi realizada comsalinidade de 7 kg/m3, conforme estabelece aIEC 61109. Foram utilizados seis bicos pulverizadores,identificado na norma IEC 60507 (5), sendo três emcada extremidade de uma das diagonais da câmara edirecionados para produzir a névoa de forma indiretanos isoladores.

A fase de calor úmido foi realizada com vapor, geradoa partir de um vaporizador do tipo utilizado em sauna,injetado na câmara sem pressão, produzindo umaelevação na temperatura ambiente de cerca de 6 oC,com o ar ambiente saturado de umidade.

Horas 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

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A chuva artificial foi gerada através do uso de diversospulverizadores instalados no teto da câmara, demaneira a produzir o efeito de lavagem, a redução datemperatura superficial dos isoladores e o aumento daumidade do ar à temperatura ambiente. Foi utilizadauma taxa de precipitação em torno de 1,5 mm/min.

A simulação da radiação solar foi feita utilizando-selâmpadas especiais do tipo fluorescente, cujo espectrode onda é bastante próximo do espectro solar na faixade interesse (UV-A), espaçadas de uma distância de7 cm entre si e colocadas a uma distância deaproximadamente 13 cm do eixo dos isoladores,suficiente para produzir a radiação média deultravioleta gerada pelo sol, em torno de 4,5 mW/cm2.A opção por este tipo de lâmpada, no lugar da lâmpadade xenônio, que é proposta na Norma, tem referênciana literatura sobre seu uso com bons resultados (8). Aslâmpadas ficaram dentro da câmara somente durante asimulação da radiação solar, por não ser possível criarum dispositivo prático para protegê-las durante a fasede névoa salina.

O sistema de geração de calor seco foi instalado nacâmara de modo a torná-la uma estufa, onde atemperatura final ficou limitada a 50oC, controlada portermostatos colocados no interior da mesma. O calorfoi gerado por circulação fechada de ar através de umbanco de resistências com ventilação forçada.

A energização foi obtida a partir de um transformadorinstalado fora da câmara, através da bucha depassagem da câmara, dimensionada para ensaios deaté 200 kV, sob névoa salina.

Um sistema de exaustão foi responsável pela retiradada névoa salina do interior da câmara, nos momentosde intervenção para a colocação dos “racks” daslâmpadas, e do vapor antes da fase de calor seco.

As fases de umidificação, de chuva e de aquecimentoforam automatizadas para facilitar sua operação nosperíodos da noite e da madrugada, enquanto a fase danévoa salina se deu durante o horário de expedientenormal do laboratório, por ser o período mais provávelde ocorrência de descargas nos isoladores.

Durante a realização do ensaio, foram monitoradas, emtempo real, através de um sistema de aquisição dedados, as seguintes informações:• Tensão elétrica,• Corrente de fuga ( em até 29 isoladores ).

4.0 - AMOSTRAS E ARRANJOS DE ENSAIO

4.1 Isoladores bastão para 138 kV

Foram ensaiados isoladores de 4 fabricantes diferentes(nacionais e estrangeiros), num total de 11 amostras,sendo 2 de isoladores tipo “line post”, 8 do tipo bastãoe uma cadeia com 9 unidades de vidro recobertas comborracha de silicone do tipo RTV. Os isoladorespoliméricos eram de borracha de silicone e de EPDM.

4.2 Isoladores bastão para 15 kV

Os isoladores bastão foram montados em umaestrutura suporte instalados na posição de ancoragem,energizados através de uma barra de alumínio deseção circular. Isoladores de vidro foram colocados noarranjo para possibilitar as medições de corrente defuga.

Nos três ensaios já realizados foram avaliadosisoladores de borracha de silicone, EPDM, ESP e deteflon, num total de 14 fabricantes, nacionais eestrangeiros.

4.3 Isoladores pino/pilar para 15 kV

Os isoladores pino/pilar foram montados em umaestrutura suporte instalados na posição vertical,normalmente energizados através de uma barra dealumínio. Em um dos ensaios realizados foi verificada acompatibilidade entre isolador – cabo e amarração,num arranjo com cabos HDPE, XLPE e nu eamarrações de fio nu, fio coberto, pré-formadopolimérico e anel de silicone.

Nos três ensaios já realizados foram avaliadosisoladores de epóxi, HDPE, EPDM, híbrido, deporcelana e de porcelana recoberto com borracha desilicone do tipo RTV, num total de 20 fabricantes,nacionais e estrangeiros.

4.4 Pára-raios para 12 kV

Os pára-raios foram montados similarmente aosisoladores pino/pilar.

No ensaio já realizado foram avaliados pára-raios de 4fabricantes nacionais e estrangeiros.

5.0 - AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO

O critério de aprovação do ensaio de envelhecimentoacelerado, conforme exposto na norma IEC 61109estabelece:

• não pode ocorrer mais que 3 (três) descargaselétricas disruptivas;

• não pode haver trilhamento nem perfuração nassaias;

• não pode ocorrer erosão que atinja o núcleo,expondo-o ao ambiente.

No caso dos pára-raios adotou-se, também:• o valor da tensão de referência medido antes e

após o ensaio deve ser menor ou igual a 5 %,• o valor das descargas parciais, quando aplicado

1,05 x Unominal, medido antes e após o ensaio deveser menor ou igual a 10 % e nenhum valor deveser superior a 50 pC.

4

5.1 Isoladores bastão para 138 kV

Os resultados obtidos indicaram uma superioridadedos isoladores de borracha de silicone em comparaçãocom os de EPDM. Nenhum dos isoladores apresentousinais de dano que os reprovassem, embora tenhamocorrido alterações superficiais.

Somente nos períodos de névoa salina os isoladoresapresentaram corrente de fuga, atingindo no máximovalores próximos a 200 mApico.

Os resultados detalhados estão apresentados nareferência (7).

5.2 Isoladores bastão para 15 kV

O envelhecimento provocou alterações nascaracterísticas superficiais da maioria dos isoladores,com significativa alteração da cor original, como podeser visto na Figura 3.

FIGURA 3 – ALTERAÇÃO DE COR EM ISOLADORESENSAIADOS

Diversos isoladores se danificaram sendo que aFigura 4 mostra um exemplo de falha.

Resultados detalhados estão apresentados na referência(8).

FIGURA 4 – FALHA OBSERVADA EM ISOLADORBASTÃO PARA 15 KV

Para verificar se os critérios de aprovação normalizadossão suficientes, alguns isoladores foram submetidos aoensaio de determinação da tensão disruptiva antes eapós o ensaio de envelhecimento e ao ensaio detensão mantida por 30 minutos com 80% do valor datensão disruptiva. Foi constatado que um dosisoladores, aprovado pelos critérios do ensaio deenvelhecimento, apresentou uma descarga durante oensaio de tensão mantida com projeção de materialusado para colar o revestimento, como pode ser visto

na Figura 5.

FIGURA 5 – ISOLADOR DANIFICADO NO ENSAIO DETENSÃO MANTIDA

5.3 Isoladores pino/pilar para 15 kV

5.3.1 Avaliação da compatibilidade cabo-isolador-amarração

As observações feitas ao longo do ensaio deenvelhecimento indicaram que cabos e amarraçõessofreram danos irreversíveis, danificando, em algumassituações, os próprios isoladores.

A configuração do isolador pilar de EPDM com caboHDPE e amarração com fio coberto não apresentoudanos aparentes ao longo do ensaio mas o mesmoarranjo com cabo XLPE, desde as primeiras 1000horas, mostrava sinais de atividade elétrica entreamarração e cabo e entre amarração e isolador.

As configurações do pilar híbrido com os cabos HDPEe XLPE e amarração com fio coberto nãoapresentaram danos aparentes.

A configuração do isolador pilar de porcelana comamarração de pré-formado de HDPE mostrou-sebastante frágil independente do cabo utilizado. Osdanos foram significativos afetando diretamente cabose amarrações, conforme apresentado na Figura 6.

FIGURA 6 – DANOS NA AMARRAÇÃO DO ISOLADORPILAR DE PORCELANA

Para as configurações com o isolador pino de epóxi,nos arranjos com amarração de pré-formado de HDPE,independente do cabo, também houve danossignificativos nas amarrações e nos cabos (Figura 7).Nos arranjos com amarração de fio coberto, com ocabo HDPE, não houve danos aparentes. No arranjo

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com cabo XLPE houve alguns danos entre cabo eamarração.

FIGURA 7 – DANOS NO ISOLADOR PINO DE EPÓXICOM CABO HDPE

Nas configurações do isolador pino com revestimentode HDPE de um fabricante e amarração de pré-formado de HDPE, os arranjos com cabo HDPEpraticamente não apresentaram danos. Já os arranjoscom cabos XLPE mostraram danos significativos emtodas as amarrações, como pode ser visto na Figura 8.

FIGURA 8 – DANOS EM ISOLADORES DE HDPE COMCABO XLPE E PRÉ-FORMADO DE HDPE

No arranjo com o isolador com revestimento de HDPEde outro fabricante, ocorreu queima significativa docabo XLPE, queima do anel de borracha de silicone,como pode ser visto na Figura 9, e trilhamento na parteinferior do isolador. O arranjo com o cabo HDPE,também apresentou danos (ver Figura 10).

Resultados detalhados estão apresentados nareferência (8).

FIGURA 9 – OUTROS DANOS EM ISOLADOR DE HDPECOM CABO XLPE E ANEL DE SILICONE

FIGURA 10 – OUTROS DANOS EM ISOLADOR DEHDPE COM CABO HDPE E ANEL DE SILICONE

5.3.2 Avaliação do isolador pino/pilar

Os danos nos isoladores pino de HDPE, energizadoscom cabo nu ou tubo de alumínio, se localizaram naregião da rosca, como pode ser visto na Figura 11.

FIGURA 11 – DANOS EM ISOLADOR PINO

5.4 Pára-raios para 12 kV

Ao final dos ensaios foram observados, na inspeçãovisual dos 04 (quatro) conjuntos que foram submetidosao ensaio, que não ocorreram descargas nos pára-raios, os valores de corrente de fuga foram inferiores a1 Apico e não houve perfuração nas saias Foramobservados sinais de erosão no corpo dos pára-raios,como pode ser visto na Figura 12, mas suaprofundidade não foi suficiente para provocar aexposição ao ambiente dos blocos resistores

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FIGURA 12 – EROSÃO NO CORPO DE PÁRA-RAIOS

O envelhecimento provocou alterações nascaracterísticas superficiais da maioria dos invólucrosdos pára-raios, com significativa alteração da cororiginal.

Somente 1 (um) dos 4 (quatro) conjuntos de 3 pára-raios ensaiados não apresentou variação percentualmáxima da tensão de referência superior ao limite de5% e todos os conjuntos apresentaram bomdesempenho no ensaio de descargas parciais.

6 .0 - CONSOLIDAÇÃO DOS RESULTADOS ERECOMENDAÇÕES

O ensaio de envelhecimento acelerado tem indicadopara fabricantes e usuários que isoladores e pára-raiospoliméricos sofrem alterações visuais que podem nãoafetar o desempenho elétrico dos mesmos, mastambém podem apresentar problemas que podemcolocar em risco a instalação.

Os ensaios realizados mostraram que acompatibilidade dielétrica entre o arranjo isolador-cabo-amarração é de fundamental importância e constitui-senum dos principais problemas para a implantação deredes aéreas compactas em ambientes agressivos.

Em função das particularidades de cada projeto, caberessaltar que alguns detalhes como a presença dalinha do molde localizada no plano perpendicular aoplano terra (no caso da configuração dos isoladores emposição de ancoragem) ou no mesmo plano docondutor (no caso dos isoladores tipos pilar e pino)devem ser evitados.

O uso da medição da tensão de referência, antes eapós o ensaio de envelhecimento em pára-raios, comocritério de aprovação se mostrou adequado, emboraestudos devam ser realizados com o objetivo derelacionar ( qualitativamente e quantitativamente ) ossinais de erosão com a variação da tensão dereferência.

Este ensaio, apesar de sua longa duração, permite aosfabricantes e aos usuários um maior conhecimento dascaracterísticas implícitas do produto a ser utilizado eseu desempenho face às diversas solicitações às quaisele estará submetido quando em serviço.

7.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(1) IEC 61109 - “Composite Insulators for ACOverhead Lines with a Nominal Voltage greaterthan 1000 V - Definitions, Test Methods andAcceptance Criteria”, 1992

(2) CIGRE WG 22.10 - Composite Insulators,“Techinical Basis for Minimal Requirement forComposite Insulators”, Electra no. 88, May 1983,pp 89-114

(3) Schneider, H. M. et alli., “Accelerated Aging andFlashover Tests on 138 kV Nonceramic Line PostInsulators”, IEEE Transactions on Power Delivery,Vol. 8, No. 1, January, 1993, pp 325-326

(4) Pigini, G. P., Marrone, G., Porrino, A., “ Results ofaccelerated aging tests on components of electricsystem made with polymeric materials” , CIGRÉpaper 15-07, Paris, France, 1988.

(5) IEC 60507 - “Artificial Pollution Tests on High-Voltage Insulators to be Used on AC Systems”,1991.

(6) Schneider, H. M. et alli., “Accelerated AgingChamber for Nonceramic Insulators”, 7thInternational Symposium on High VoltageEngineering, Paper 43.09, August 1991, Dresden,Germany.

(7) Garcia, R.W., e outros, “ Avaliação de isoladorespol iméricos submetidos a ensaio deenvelhecimento acelerado” , InternationalWorkshop on Transmission Lines Insulators, Riode Janeiro, Brasil, 1998.

(8) Garcia, R.W., Mello, D. R., “ Avaliação deisoladores poliméricos para redes de distribuição apartir do ensaio de envelhecimento acelerado” ,Relatório Técnico CEPEL 495/2000.