Tendências Tecnológicas, Cabos Isolados para Média e Alta Tensão

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1 Tendências Tecnológicas, Cabos Isolados para Média e Alta Tensão Roger Tocchetto

2 Breve histórico: como chegamos onde estamos Materiais contemporâneos e tendências Desenvolvimentos recentes notáveis EPR sem chumbo Coberturas termofixas Soluções para todo-terreno

3 Isolamento de vidro e cera Juta saturada com borra de carvão, sobre borracha natural Primeira aplicação de borracha vulcanizada Isolamento de borracha natural, amolece a ~85 o C Algodão saturado com seiva, amolece a ~100 o C Introdução de Latex, amolece a ~80 o C

4 Iluminação Pública 1878, Paris: Iluminação por sistema de alta tensão conectando lâmpadas de arco voltaico ligadas em série foram instaladas para a Exposição de Paris. Iluminação elétrica permitiu atividades noturnas e mudou o mundo para sempre.

5 Vergalhão isolado por juta em canos de ferro Surgimento do PEBD: amolece a 102 o C Cabo PILC PEBD usado amplamente até meados dos 70 Arborescência elétrica detectada

6 A Década de 1970 International Workshop : Taxas de falhas devidas à arborescência elétrica subiram expressivamente. O fenômeno foi estudado na América do Norte e Europa (EPRI e Unipede-Discab), resultando na conversão do PEBD para o XLPE. A discussão de arborescência elétrica afetou diretamente os fabricantes de cabos, uma vez que a solução proposta requereu investimentos significativos em linhas de cura e redução de produtividade. Highlights dos anos 70 Ampla utilização de isolamento termofixo Ampla utilização de semicondutores extrudados Surgimento do EPR processável em linha de XLPE

7 A Transição nos Anos 70 Termoplástico Processo rápido + Não exige cura + Econômicos + Processo econômico + Material amolece - Susceptível a arborescência - Termofixo Processo lento - Requer cura - Materiais caros - Processo caro - Termicamente robusto + Resistente a arborescência + Termoplástico Termofixo

8 Parcela de Mercado de Cabos de MT, EUA % 5% 50% 25% 10% 65% 20% 45% 35% 30% 70% Principais observações - Eliminação de isolantes termoplásticos - XLPE foi sucedido por TR-XLPE - Aumento gradual na parcela de EPR sobre polietileno

9 Isolantes Termofixos Contemporâneos TR-XLPE Custo de matéria prima/kg + Constante dielétrica + Gradiente elétrico + Sensível a contaminantes - Dureza e flexibilidade - EPR Custo matéria prima/kg - Retardância a arborescência+ Confiabilidade + Alta flexibilidade + Tradicionalmente com Pb -

10 Cabos de Energia Robustos pela História Cabos CC isolados por juta em tubos de ferro Usados por mais de 90 anos em Nova Iorque Isolamento de papel e capa de Pb (PLIC) Em uso por mais de um século Isolante e semicondutores termofixos extrudados Tecnologia de materiais continua a evoluir hoje E no futuro?

11 Tendências para Cabos de Energia Evolução do EPR: Flexibilidade otimizada, livre de metais pesados e ótima confiabilidade. Eliminação de gargalos térmicos: Cobertura termicamente robusta, com comportamento termomecânico a par com o padrão dos isolantes contemporâneos. Redução de custos de projeto e menor impacto ambiental: Cabos de todo-terreno de fácil manuseio e instalação.

12 1 ISOLAMENTO EPR LIVRE DE CHUMBO

13 Isolamento EPR Livre de Chumbo Envelhecimento a 136 o C Estabilidade térmica superior

14 Isolamento EPR Livre de Chumbo ICEA AWTT High Voltage Time Test Excede requisitos ICEA AWTT

15 Isolamento EPR Livre de Chumbo Flexibility Testing Flexibilidade superior

16 Isolamento EPR Livre de Chumbo Accelerated Cable Life Test (ACLT) Durabilidade superior

17 2 Cobertura Termofixa

18 Cobertura Termomecanicamente Robusta Isolante termofixo tradicional opera a 105 o C Isolante de EPR é testado a 200 o C (hot creep) Coberturas tradicionais são PEBD, PP ou PVC: Materiais comuns em capas Polietileno (PEBD) Polipropileno (PP) PVC plastificado Temperatura de amolecimento Vicat 102 o C (1kg) 114 o C (1kg) 92.0 o C (1kg) TPOs como Hifax CA10A funde a 162 o C mas seu Vicat é 60 o C Cobertura é o componente mais frágil da construção de cabos modernos

19 Cabo Eólico Tradicional Item 95 mm 2 20/35 kv 240 mm 2 20/35 kv Espessura mm Diâmetro mm Espessura mm Diâmetro mm 1 Condutor de alumínio 11,0 17,5 2 Semicondutora interna 0,4 11,8 0,4 18,3 3 Isolante EPR 105 7,5 26,8 6,5 31,3 4 Semicondutora externa 0,4 27,6 0,4 32,1 5 Blindagem de cobre 0,7 29,0 0,7 33,5 6 Cobertura 1,9 32,8 2,0 37,5

20 Backfill 105 o C??? O que acontece com a cobertura ST7 quando a temperatura do condutor ultrapassa 90 o C?

21 Instalação Padrão Temperatura simulada da blindagem, o C CABO 95 mm 2 20/35 kv 240 mm 2 20/35 kv NORMAL 82 o C 88 o C SOBRECARGA 117 o C 123 o C Temperatura estável do sistema, resistividade térmica do backfill de 0,9K.m/W e temperatura ambiente a 20 o C

22 Solução: Cobertura Termofixa Confiabilidade do sistema é otimizada pela formulação de compostos especiais, compatíveis com o desempenho térmico do restante do sistema.

23 O que Acontece em Altas Temperaturas Teste termomecânico (ICEA S ) de 14 ciclos térmicos acumulando 6 horas de temperatura de sobrecarga (140 o C) durante o ciclo ativado, retornando à tamperatura ambiente no período de repouso. Descargas parciais e perdas elétricas são medidas no início e término do ensaio.

24 O que Acontece em Altas Temperaturas Em condições de abuso, o material isolante termofixo permanece funcional e intacto, enquanto a capa de PE termoplástico amolece e expõe a blindagem metálica. A cobertura é o componente mais frágil de cabos de energia modernos

25 O que Acontece em Altas Temperaturas As coberturas Wind da General Cable, por outro lado, permanecem intactas após ciclos térmicos emergenciais de sobrecarga. Compostos especiais termoestáveis confortavelmente superam temperaturas de overload até 140 o C, ao contrário dos <120 o C dos materiais ST7. Forex Wind

26 Sumário: Flexonax & Forex Wind Cabos Flexonax e Forex Wind podem operar em regime de curto circuito até 350 o C. Cabos Flexonax e Forex Wind podem beneficiar de blindagem reduzida em relação a cabos com cobertura ST7 tradicional. Flexonax e Forex Wind são mais seguros em situações de sobrecarga, em situações de correntes harmônicas, variações térmicas da temperatura ambiente e outros fatores que impactam a temperatura de serviço da cobertura.

27 3 Cobertura Termofixa All-Ground

28 Por que Cabos de Uso Direto Earth 105 MV $ $!! Coberturas com design mecanicamente robusto permite instalação sem backfill Reduz tempo em instalação Reduz dimensões da vala Reduz trânsito no projeto Cabos se encaixam e empilham Reduz custo do projeto Confiabilidade térmica excelente

29 Vala para Forex & Flexonax Earth Cabo MV padrão Cabo Earth MV 1m 0,4 m w > 0,30 m Backfill controlado Areia Solo nativo 0,3 m 3 diâmetros 0,9m 10 cm

30 Vantagens de Custo, Soluções All-Ground Estrutura de custo, projeto tradicional Estrutura de custo, projeto All Ground 15% Economias em transporte e backfill permitem custo de projeto ~15% menor

31 Testes em Campo, All-Ground Resistência de Impacto Mecânico => 4 impactos (Peso 26 Kg ; Altura 27 cm) Resistência a Abrasão => 8 ciclos (peso 48 kg ) Bom comportamento termomecânico => Envelhecimento em vala: Cabos instalados em condições agressivas (flint mesh ), compactado e não compactado. Cabo submetido a 50 ciclos térmicos (condutor a 100 C).

32 Teste Termomecânico Compactado 50 ciclos (8h de aquecimento, condutor a 100 C ) 10 cm solo agressivo 10 cm solo agressivo Cobertura de areia Compactação

33 Resultados ao Término do Teste Termomecânico Condutores intactos Blindagem intacta

34 Opções de Materiais: Earth Escolhas de Isolantes Forex XLPE ou TR-XLPE Flexonax Eco-Plus 105 LF-EPR Escolhas de coberturas TPE de alto desempenho Termofixo (350 o C curto) TPE resistente a chama Resistente a chama & termofixo Cabos com configuração Earth acomodam requisitos de projeto

35 Forex & Flexonax Earth Recomendados a: Solo duro ou agressivo Áreas urbanas de difícil acesso Áreas ambientais ou protegidas Longas extensões Parques eólicos ou foto-voltaicos

36 Conclusões: Tendências Otimização de atributos chave de isolantes de EPR; Consumidores e grupos de defesa ambiental devem continuar a pressionar para eliminação de metais pesados em compostos Lead-free Eliminação de gargalos térmicos em cabos com coberturas ST7 Compostos termo-competentes em uso como coberturas Desempenho termomecânico, custo total de projeto e considerações de impacto ambiental Coberturas All-ground

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