AVALIAÇÃO DOS EFEITOS DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EM CABOS OPGW NORMALIZAÇÃO DO MÉTODO DE ENSAIO. Claude Franck Loewenthal

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1 GLT/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil GRUPO III LINHAS DE TRANSMISSÃO AVALIAÇÃO DOS EFEITOS DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EM CABOS OPGW NORMALIZAÇÃO DO MÉTODO DE ENSAIO RESUMO Como a utilização nos sistemas elétricos de cabos pára-raios do tipo OPGW, a importância e a responsabilidade associadas à função adicional destes cabos para telecomunicações, registros de falhas por efeitos de descargas atmosféricas, falta de informações sobre estes efeitos e falta de normas com especificações e métodos de ensaios para avaliação destes cabos quando às descargas atmosféricas, levaram a realização deste trabalho. Foram consideradas as características das descargas atmosféricas, as ocorrências de falhas e as experiências de outros países. Foi elaborado e validado um método de ensaio de descarga de corrente de continuidade, considerado suficiente para avaliar os efeitos dessas descargas em OPGW. PALAVRAS-CHAVE Linhas de transmissão, Cabos pára-raios, OPGW, Descargas atmosféricas, Normalização do método de ensaio INTRODUÇÃO Os cabos pára-raios OPGW (Optical Ground Wires) foram desenvolvidos considerando o aproveitamento do suporte disponível nas rotas das Linhas de Transmissão (LTs) de energia e as características particulares de transmissão de sinais de telecomunicações via fibras ópticas. Estes cabos vêm sendo utilizados no sistema elétrico brasileiro desde meados da década de 80, e atualmente mais de 25 mil km estão instalados. Com os recentes avanços no Claude Franck Loewenthal Consult Engenharia / FURUKAWA setor de telecomunicações brasileiro, a tendência é de aumento destas instalações por parte das empresas de energia, em parceria ou não com as de telecomunicação. Diante deste crescimento e pela importância que passam a ter os cabos OPGW, tem sido preocupação mundial estabelecer normas e especificações buscando garantir o seu desempenho e a confiabilidade das suas instalações. Grupos de Trabalho (GTs) específicos para tratar deste assunto foram formados no Brasil, no âmbito do CB03/ABNT, e várias normas já foram publicadas. Uma das últimas necessidades detectadas, diante da ocorrência de falhas em cabos pára-raios convencionais e OPGW, foi a de se ter especificações e um método de ensaio para avaliação dos efeitos de descargas atmosféricas nos OPGW. Recentemente, as atividades de um dos GT nacionais se concentraram na avaliação destes efeitos. Essas atividades resultaram na elaboração e validação do método de ensaio de descarga de corrente de continuidade e conseqüente alteração da especificação do OPGW. Este ensaio mostrou ser representativo e suficiente para avaliar o desempenho dos OPGW diante da incidência direta de descargas atmosféricas. Neste trabalho são apresentadas informações gerais sobre o cabo OPGW, os fatos novos originados de sua aplicação, a metodologia seguida para a elaboração do método de ensaio, os detalhes dos circuitos, arranjos, amostras ensaiadas e resultados obtidos nos ensaios de corrente de continuidade e as principais conclusões. Consult Engenharia / FURUKAWA Rua Vereador Augusto Staben, 86 CEP Curitiba PR Tel.: (0xx41) Fax: (0xx41) claude@ieee.org

2 FUNÇÃO ORIGINAL DOS CABOS PÁRA-RAIOS A função tradicional e original dos cabos pára-raios é proporcionar proteção contra descargas atmosféricas, limitando os seus possíveis efeitos nos componentes principais dos sistemas de transmissão de energia. O princípio eletromagnético básico, utilizado no projeto para instalação dos cabos pára-raios aterrados em LT aéreas, prevê a formação de uma zona probabilística de proteção na vizinhança espacial dos condutores das LT. A presença dos cabos pára-raios, adequadamente instalados e aterrados, minimiza a probabilidade da descarga atmosférica incidir diretamente nos condutores da LT, atraindo para si as descargas atmosféricas próximas, dentro da zona probabilística de proteção, proporcionando um caminho elétrico preferencial e de baixa impedância para as correntes resultantes serem escoadas para a terra. Os cabos pára-raios têm também, de forma agregada e circunstancial, a função de escoar para a terra correntes de curto-circuito. O desempenho mínimo esperado de um cabo páraraios, de acordo com sua função principal, está associado, portanto, a suportar a ocorrência de descargas atmosféricas diretas sobre sua superfície, sem sofrer danos que comprometam a continuidade de suas funções, ao longo de sua vida útil. Fio de aço/al Tubete Fibras óptica Fio de aço/al Tubo de Al FIGURA 1 OPGW tipo tight Composto de preenchimento Espaçador de Al Tubo de proteção Enfaixamento FUNÇÃO ADICIONAL DOS CABOS PÁRA- RAIOS OPGW A utilização convencional dos cabos pára-raios passou a ser considerada e reconhecida desde meados do século XVIII, a partir dos resultados do trabalho de Benjamin Franklin. Mais recentemente, no início da década de 80, a oportuna existência dos cabos páraraios convencionais nos sistemas de transmissão de energia, juntamente com o desenvolvimento e a experiência da utilização crescente de vias de fibras ópticas na transmissão de sinais de telecomunicação, originaram, entre outras, a idéia dos cabos pára-raios OPGW. Os cabos OPGW foram desenvolvidos para desempenhar as funções originais dos pára-raios e também a função adicional de abrigar e proteger fibras ópticas para transmitir sinais de telecomunicação. Essa transmissão se dá através da utilização de fibras ópticas adequadamente alojadas na região interna desses cabos. (ver Figuras 1, 2 e 3). A região externa, em torno dos elementos que contém as fibras ópticas, é projetada e construída para atuar como um páraraios convencional (ver Figura 4) por ocasião da ocorrência de descargas atmosféricas ou curtoscircuitos. Fibras ópticas Elemento central FIGURA 2 OPGW tipo loose Tubo de Al FIGURA 3 OPGW tipo loose 1.OPTICA L F I B E R 2. STAIN L E S S T U B E 3. A LUMI N UM T U B E Fio aço/al Fibras ópticas Tubo de aço inoxidável 4. A LUMI N UM - C L A D Composto de preenchimento STEEL W I R E

3 3 interrupção da transmissão de sinais de telecomunicação, ou até a queda do cabo e suas possíveis conseqüências para o sistema. FIGURA 4 - Cabo pára-raios convencional cordoalha de aço galvanizado A região interna do cabo, onde as fibras ópticas ficam abrigadas, é projetada e construída para dar condições para a transmissão de sinais de telecomunicação, sem interrupções ou variações significativas de desempenho, mesmo durante e após a ocorrência de descargas ou curtos-circuitos. Neste aspecto, há também uma função mecânica do cabo OPGW, que é a de prover proteção às fibras ópticas contra qualquer tipo de solicitação FATOS NOVOS COM A APLICAÇÃO DOS CABOS OPGW A importância e a responsabilidade, técnicas e econômicas, dos atuais cabos pára-raios OPGW são, portanto, muito maiores que as dos cabos pára-raios convencionais. Com isso, as empresas de energia elétrica, que possuem ou planejam possuir LT com cabos OPGW, vêm dispensando maior atenção e cuidado para garantir a confiabilidade desses novos e importantes componentes dos seus sistemas. 4.1 Falhas em cabos OPGW Como conseqüência da maior atenção sobre os cabos OPGW já instalados, tem sido registrado no país um número considerável de ocorrências de falhas com os OPGW durante incidência direta de descargas atmosféricas. Essas falhas consistem, principalmente, em danos nos fios da camada externa desses cabos, com o rompimento de fios. Em alguns casos, dependendo da arquitetura e dos material do OPGW, há possibilidades de danos também na região interna, onde estão abrigadas as fibras ópticas. Nos pontos de incidência das descargas, nas superfícies dos cabos atingidos, além de fios rompidos, são observadas ocorrências de fusão e perdas de materiais (ver Figura 5). Estas falhas podem resultar em comprometimento da suportabilidade mecânica dos cabos, perda de suportabilidade a correntes de curto-circuito, danos nas fibras ópticas acarretando atenuação significativa dos sinais ou FIGURA 5 Amostra danificada de cabo OPGW retirada de uma instalação. 4.2 Grupos de trabalho (GT) e normas Diante destes fatos, tornou-se necessário reunir no país grupos de especialistas, representantes das partes interessadas, para estudar o assunto e discutir a elaboração de documentos normativos. Pelas mesmas razões, este mesmo movimento já se desenvolvia em alguns países e atualmente o Brasil está atualizado ou, em alguns aspectos, mais avançado nas pesquisas e resultados alcançados. Já foram publicadas pela ABNT várias normas sobre cabos OPGW. Diante da falta de informações técnicas básicas e específicas relevantes e do estágio embrionário dos estudos internacionais sobre os efeitos de descargas atmosféricas em cabos OPGW, na época da elaboração da norma NBR Cabos pára-raios com fibras ópticas para linhas aéreas de transmissão (OPGW) Especificação, válida a partir de 01/06/98, optou-se por não incluir a parte referente a ensaios para avaliação desses efeitos. Com base em relatórios de empresas concessionárias de energia elétrica, registrando evidências objetivas da ocorrência de falhas significativas em cabos OPGW, por efeito de descargas atmosféricas, a discussão sobre este relato levou à extensão dos trabalhos do GT com os objetivos de revisar a norma de especificação do OPGW contemplando as descargas atmosféricas e elaborar uma norma de método de ensaio para avaliar os efeitos de descargas atmosféricas nos cabos OPGW A METODOLOGIA DE TRABALHO Para fundamentar a elaboração da norma-método de ensaio e revisão da especificação, e objetivando atender criteriosamente às necessidades que o assunto envolvia, foram realizados levantamentos de informações detalhadas sobre:

4 4 O fenômeno básico das descargas atmosféricas e seus parâmetros característicos e significativos para os objetivos do trabalho; Literatura voltada para experiências reais e laboratoriais sobre os efeitos de descargas atmosféricas em cabos OPGW; Experiências das empresas de energia elétrica do país sobre a ocorrência de falhas em cabos OPGW, com atenção principal às mais provavelmente atribuídas a descargas atmosféricas. As informações obtidas foram então apresentadas e discutidas com o objetivo de se elaborar um procedimento de ensaio realizável e representativo. Várias experiências foram feitas no laboratório do CEPEL, sendo que numa primeira série foram aplicadas 53 descargas em 14 cabos diferentes, sendo 8 OPGW e 6 pára-raios convencionais, com a participação de sete concessionárias de energia elétrica e seis fabricantes de cabos. Essa primeira etapa serviu para avaliar a adequação da instrumentação, equipamentos e instalações laboratoriais disponíveis, o procedimento de ensaio, os efeitos e a relevância de alguns parâmetros característicos das descargas reproduzidas no laboratório, juntamente com a relevância de alguns parâmetros relacionados com o cabo e com as suas condições de instalação CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E SEUS EFEITOS As correntes elétricas originadas por descargas atmosféricas têm tipicamente os seguintes componentes: Um primeiro impulso de polaridade positiva ou negativa, com amplitudes máximas da ordem de até centenas de ka e parâmetros de tempo da ordem de até dezenas de µs; Impulsos subsequentes, com amplitudes de até dezenas de ka e parâmetros de tempo de até centenas de µs; Um impulso de longa duração (corrente de continuidade), de polaridade positiva ou negativa, com patamares de corrente da ordem de centenas de A e duração da ordem de centenas de ms. A relevância de impulsos representativos destes componentes das descargas atmosféricas com referência aos danos provocados, foi avaliada em experiências laboratoriais. Foram realizados ensaios de impulsos de corrente de curta duração em diferentes tipos de cabos pára-raios. Foram aplicados impulsos com amplitudes de até 100 ka e duração de até dezenas de µs. Foi observado que estes impulsos de curta duração, independente de sua amplitude e de outros parâmetros do arranjo de ensaio, não têm efeitos danosos importantes quando atingem os cabos páraraios. Estes resultados confirmaram as informações obtidas em experiências realizadas por outros laboratórios internacionais. Nas experiências com impulsos de longa duração, foram observados efeitos danosos representativos daqueles ocorridos nos casos reais relatados. Estes efeitos se mostraram dependentes de vários fatores tais como: amplitude e duração da corrente, tração do cabo antes, durante e após a descarga, distância e forma de eletrodos utilizados para injeção da corrente no cabo, características de projeto, construtivas e dos materiais do cabo, etc.. Com isso, por decisão do GT, a revisão das especificações e a elaboração e verificação do método de ensaio foram tecnicamente baseadas nos resultados dos ensaios de corrente de continuidade. O fator decisivo considerado na classificação para o ensaio de descarga atmosférica do cabo OPGW é a carga total do impulso de corrente de continuidade. Esta classificação, seguindo a tendência internacional, acrescida da Classe A para contemplar regiões brasileiras onde a ocorrência de descargas é pequena, é de acordo com a Tabela 1. TABELA 1 CLASSES PARA CORRENTE DE CONTINUIDADE CLASSE A B C D Corrente elétrica (valor médio-a) Tempo. de aplicação (ms) Tolerância Carga elétrica (Coulomb) tolerância CIRCUITO, ARRANJO E MÉTODO DE ENSAIO DE CORRENTE DE CONTINUIDADE Os ensaios foram realizados inicialmente com o objetivo de subsidiar a elaboração de um método a ser normalizado. Na fase final, já com o método definido, foram realizados 38 ensaios em 8 diferentes tipos de cabos, sendo 7 OPGW e uma cordoalha de 3/8 HS, para várias classes de corrente, com a finalidade de verificar a adequação e praticidade do método proposto. O circuito de ensaio utilizado é mostrado na Figura 6 e o arranjo da amostra de OPGW para os ensaios é mostrado na Figura 7.

5 5 A B C T1-1 T1-2 T1-3 X L X L T1-4 T1-5 T1-6 X L (+) FIGURA 6 Circuito utilizado no ensaio de descarga de corrente de continuidade Fibras em loop Fonte de corrente contínua 7 - Equipamento para 2 - Isoladores medição óptica do cabo 3 - Dispositivo para tracionamento 8 - Corpode-prova 4 - Ancoragem passante 9 - Conectores 5 - Eletrodo 10 - medição de corrente 6 - Célula de carga contínua FIGURA 7 Arranjo para o ensaio de descarga de corrente de continuidade Como eletrodo, após varias experiências, foi adotado um vergalhão de aço carbono, com diâmetro de 12,7 mm e com a ponta cortada em seção reta (ver Fig. 8) RET 6 (-) 7 r R OSC. F 2 E G O.T. Para disparo do gap entre o eletrodo e o cabo sob ensaio, foram utilizados fios-fusíveis de cobre nu, com diâmetro máximo de 0,25 mm. Sempre que possível, foram utilizados dispositivos de ancoragem e conectores iguais àqueles utilizados na linha de transmissão a que se destina o cabo páraraios sob ensaio. Nos casos em que o sinal óptico foi monitorado, as fibras ópticas do cabo sob ensaio foram conectadas entre si por fusão, de tal maneira a formar um enlace óptico contínuo, com comprimento suficiente para medição de variações significativas de atenuação do sinal transmitido. As descargas de corrente, com os parâmetros referentes à classe especificada de acordo com a Tabela 1, foram aplicadas em pontos da amostra sob ensaio escolhidos aleatoriamente. Pelo método proposto, a distância mínima entre dois pontos de aplicação da descarga, em uma mesma amostra de cabo, deve ser tal que seja possível obter um segmento de 10 (dez) metros de cabo com apenas um ponto (local) de descarga. O método tem com inovação requerer também que, após a aplicação das descargas, as amostras sejam submetidas ao ensaio de tração levando a carga até o valor limite de ensaio. Esse valor dever ser determinado em função da carga máxima de projeto no cabo instalado na LT, com um coeficiente de segurança. Após tracionado, o cabo deve ser cuidadosamente dissecado para avaliação da extensão dos danos em todos os seus componentes. 8 - AMOSTRAS UTILIZADAS E ENSAIOS REALIZADOS As amostras de cabos OPGW e de pára-raios convencionais, para as duas séries de ensaios, foram fornecidas pelos fabricantes e pelas concessionárias de energia elétrica. Na primeira série de ensaios procurou-se determinar a distância mais conveniente entre o eletrodo e o condutor, o material, o diâmetro e o acabamento da sua extremidade, de forma que os efeitos decorrentes das descargas em laboratório se assemelhassem ao máximo aos efeitos constatados nos cabos por descargas atmosféricas. Dessa forma, as amostras foram instaladas na bancada com uma tração de 15% ± 1% das respectivas cargas de ruptura calculada, procurando seguir os critérios especificados para a instalação real dos cabos nas LTs. A segunda série de ensaios foi dedicada principalmente aos ajustes objetivando a repetitividade dos ensaios. A distância estabelecida entre o eletrodo e o corpo-deprova (gap) foi de 6,0 cm ± 0,5 cm RESULTADOS OBTIDOS FIGURA 8 Extremidade do eletrodo Todos os ensaios foram fotografados (ver Figuras 9 e 10) e os resultados analisados e registrados.

6 6 descarga aplicada, corrigido se o que for necessário; A descarga, raramente danifica a proteção das fibras óticas, não afetando seu desempenho. Essa constatação fez com que o monitoramento das fibras ópticas durante o ensaio fosse considerado opcional na norma [3] REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] MIL-STD-1757 A : Ligtning qualification test techniques for aerospace vehicles and hardware, 1980 FIGURA 9 - Local de incidência do arco com remoção da camada protetora dos fios, sem rompimentos [2] Joachim Bausch, Malte Böhme and Wolfgang Nolden, Lightning Stroke Current Strength of Optical Fibre Ground Wire OPGW, Elektrotechnische Zeitschrift, 11/1994, p [3] Norma produzida pelo grupo AGRADECIMENTOS FIGURA 10 Local da incidência do arco com o rompimento de três fios COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES O GT, com base em observações e dissecação dos cabos ensaiados, chegou às seguintes conclusões quanto aos danos causados por descarga: Os ensaios com impulsos de corrente de curta duração e corrente elevada não causam danos significativos e representativos nos cabos; Os ensaios com impulsos de corrente de longa duração (corrente de continuidade), foram os que causaram danos mais representativos dos danos causados por descargas atmosféricas, sobretudo os ensaios realizados com carga de 150 C; Em 80% dos ensaios com 150 C, a quantidade final (após tracionado o cabo até a tração limite de ensaio) de fios rompidos ficou entre 2 (dois) e 4 (quatro) fios; Os danos constatados em cabos devido às descarga atmosféricas e os obtidos nos ensaios; apresentaram aspectos semelhantes e foram razoavelmente equivalentes; O diâmetro dos fios da camada externa é fator importante para os danos; O acabamento externo ( proteção dos fios) e o material dos fios são fatores importantes na extensão dos danos; A tração no cabo sob ensaio exerce influência para efeito de avaliação de conseqüências dos danos causados pela descarga; A posição e as condições da extremidade do eletrodo (sem protuberâncias ou cavidades) são determinantes no resultado do ensaio Por isso, o eletrodo deve ser verificado antes e após cada Agradecemos a colaboração das empresas abaixo relacionadas, que disponibilizaram recursos humanos, materiais e financeiros, sem os quais o Grupo de Trabalho - GT OPGW, da CE do COBEI, não teria condições de concluir a tarefa a que se dispôs: ALCATEL CENTRAIS ELÉTRICAS DE SANTA CATARINA CELESC COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS CEMIG CENTRO DE PESQUISA DE ENERGIA ELÉTRICA CEPEL COMPANHIA ENERGÉTICA DE SÃO PAULO - CESP COMPANHIA HIDRO ELÉTRICA DO SÃO FRANCISCO CHESF CONSULT ENGENHARIA COMPANHIA PARANAENSE DE ENERGIA COPEL CENTRAIS ELÉTRICAS DO BRASIL S.A. - ELETROBRÁS CENTRAIS ELÉTRICAS DO NORTE DO BRASIL S.A. ELETRONORTE CENTRAIS ELÉTRICAS DO SUL DO BRASIL S.A. - ELETROSUL FICAP S.A. FUNDAÇÃO CPqD CPqD FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. FURNAS FURUKAWA INDUSTRIAL S.A. PRODUTOS ELÉTRICOS - FURUKAWA INSTITUTO DE TECNOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO LACTEC LIGHT SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A. LIGHT MDJ / ANK CABLES SIEMENS DO BRASIL PIRELLI CABOS S.A. PIRELLI WIREX CABLE