INFLUÊNCIA DA PRESENÇA DE ÁGUA NA SUPERFÍCIE DE ISOLADORES POLIMÉRICOS NA DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO ELÉTRICO

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1 INFLUÊNCIA DA PRESENÇA DE ÁGUA NA SUPERFÍCIE DE ISOLADORES POLIMÉRICOS NA DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO ELÉTRICO ISAAC B. QUEIROZ, EDSON G. COSTA Grupo de Sistemas Elétricos, Depto. de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande Av. Aprígio Veloso 882, Bodocongó, Campina Grande- PB Abstract A transmission and distribution electric system must be trustworthy and suffer minimum interruptions as possible. Nowadays, not programmed interruptions in the energy supply are hardly punished by the Aneel. The polymeric insulators had appeared in the decade of 1940, even so the first commercial version for transmission lines have appeared in the decade of The polymeric insulators are gradually substituting glass or porcelain insulators. The objective of this paper is to analyze the influence of the water presence in the surface of the polymeric insulators in the electric field distribution using the Finite Elements Method (FEM). Keywords Electric field, polymeric insulators, Finite Elements Method. Resumo Um sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica deve ser confiável e sofrer o mínimo de interrupções possível. Atualmente, as interrupções não programadas no fornecimento de energia são duramente punidas pela Aneel. Os isolamentos poliméricos surgiram no decênio de 1940, embora a primeira versão comercial para linhas de transmissão tenha surgido no decênio de A partir de então os isoladores poliméricos estão paulatinamente substituindo os isoladores de vidro ou porcelana. Este trabalho teve por objetivo analisar a influência da presença de água na superfície dos isoladores poliméricos na distribuição do campo elétrico utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF). Palavras-chave Campo elétrico, isolador polimérico, anel equalizador, método dos elementos finitos. 1 Introdução Um sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica deve ser confiável e sofrer o mínimo de interrupções possível. Atualmente, as interrupções não programadas no fornecimento de energia são duramente punidas pela Aneel, além de provocarem grandes prejuízos para consumidores e concessionárias. O bom estado de conservação e correto funcionamento dos isoladores estão intimamente relacionados com a confiabilidade e continuidade do serviço. As falhas em isolamentos elétricos são as principais causas das interrupções no fornecimento de energia elétrica aos diversos consumidores supridos por um sistema de potência (Bezerra, 2004). Assim, é importante e necessário o desenvolvimento de técnicas de monitoramento e prevenção de falhas em isoladores poliméricos. No decênio de 1940 surgiram os isolantes poliméricos, mas apenas na década de 1980 foi confeccionada a primeira versão comercial de isoladores poliméricos para linhas de transmissão (Hall, 1993). Desde então sua aplicação tem sido crescente e os isoladores poliméricos estão paulatinamente substituindo os isoladores de vidro ou porcelana. Os isoladores poliméricos apresentam certas peculiaridades que contribuem fortemente para sua crescente utilização, dentre elas hidrofobicidade, peso reduzido, fácil instalação, redução do custo de produção e transporte e sua resistência ao vandalismo. Em contrapartida esses isoladores apresentam um sério problema relacionado à detecção de defeitos, principalmente, os internos. Eles não apresentam indícios externos de falhas internas, de forma que a sua detecção visual é muito difícil. Assim, a identificação dos isoladores defeituosos só é possível em estado avançado de degradação, ou até mesmo após a falha. Os isoladores poliméricos são constituídos por três partes principais: o núcleo de fibra de vidro, que deve resistir aos esforços mecânicos provenientes do condutor; o revestimento de borracha, que tem propriedades isolantes e protege o núcleo da ação dos agentes externos mais hostis; e os terminais metálicos, que devem realizar as conexões isolador/condutor e isolador/estrutura de sustentação. Na Figura 1 é mostrada uma imagem de um isolador polimérico com suas partes constituintes (Rodurflex 2004). Figura 1. Partes constituintes dos isoladores poliméricos. Altas concentrações de campo elétrico podem resultar em corona e descargas parciais de alta inten-

2 sidade, aquecimentos localizados, carbonização e, conseqüentemente, reduzir a vida útil do equipamento. Este trabalho faz uma avaliação computacional da influência da presença de gotas de água na superfície dos isoladores poliméricos classe 230 kv na distribuição de campo elétrico. 2 Materiais e Métodos 2.1 Características dos Isoladores Poliméricos Um isolador polimérico tradicional classe 230 kv foi utilizado como objeto de estudo. Uma representação do equipamento com as suas dimensões é mostrada na Figura 2. Figura 2. Isolador polimérico classe 230 kv. As permissividades relativas utilizadas nas simulações foram: 2,8 para o núcleo do isolador e 3,5 para o revestimento polimérico. Tabela 1. Configurações de Anéis e Isoladores Utilizados. Tipo O Tipo P. Uso do isolador sem nenhum tipo de anel de equalização. Isolador com anel de equalização projetado no Laboratório de Alta tensão da UFCG (Vilela, 2007). As simulações foram realizadas aplicando-se um potencial de 146 kv no terminal de alta tensão dos isoladores. Este valor foi determinado a partir de (1). VOL VE = FTM 3 (1) em que, VE é a tensão aplicada do ensaio, em kv; VOL é a tensão de operação na linha, 230 kv, neste caso, e; FTM é o fator de máxima tensão operacional do sistema (1,1 ou 110%). 3 Resultados 2.2 Método dos Elementos Finitos 3.1 Configurações sem anel equalizador Diversos problemas com importância para a Engenharia podem ser descritos em termos de equações com derivadas parciais. O Método dos Elementos Finitos (MEF) é, atualmente, o método numérico mais utilizado para obter soluções aproximadas das equações parciais diferenciais. Devido às suas características de flexibilidade e estabilidade numérica, ele pode ser implementado na forma de um sistema computacional de forma consistente e sistemática. 2.3 Simulações Os modelos de isoladores necessários para a realização do estudo foram criados com auxílio de um software de desenho vetorial. Devido à simetria axial do isolador, foi desenhada apenas metade da secção longitudinal dos equipamentos. Após a criação dos modelos, o desenho foi importado pelo ambiente computacional de MEF, para dar-se início a caracterização dos materiais e contornos. As simulações contemplam isoladores perfeitos com e sem anel equalizador, na presença ou não de gotas de As duas configurações utilizadas nas simulações são mostradas na Tabela 1. A região de contato entre o terminal metálico, o núcleo e o revestimento polimérico é bastante susceptível a defeitos, pois nela ocorre a interface de contato entre três diferentes materiais. Portanto, nessa região, é importante que o estresse causado pelas altas concentrações de campo elétrico seja mínimo. O gráfico apresentado na Figura 3 representa os valores do campo elétrico ao longo da face superior do terminal de alta tensão do isolador, com configuração Tipo O com a superfície perfeita e seca. O ponto do gráfico à extrema esquerda representa o campo elétrico na interface entre a fibra de vidro reforçada e o revestimento polimérico. O ponto mais à direita no gráfico representa o campo elétrico na borda externa do anel de conformação de campo do terminal fase. Na região de contato entre os diferentes materiais observa-se um campo elétrico bastante elevado, da ordem de 40 kv/cm. As aletas do revestimento polimérico também devem ser cuidadosamente monitoradas, pois altas concentrações de campo elétrico podem resultar em corona e descargas parciais de alta intensidade, a- quecimentos localizados, carbonização e, conseqüentemente, reduzir a vida útil do equipamento. O gráfico apresentado na Figura 4 representa os valores do campo elétrico ao longo da superfície da primeira aleta do revestimento polimérico sem acú-

3 mulo de gotas de água. Nesta configuração o campo elétrico atinge valor máximo de 2,54 kv/cm na extremidade da aleta em questão. campo elétrico nas extremidades das gotas de água, atingindo valores de até 40 kv/cm, implicando num estresse alto ao material polimérico. Figura 3. Campo elétrico na face superior do terminal de alta tensão do isolador da configuração Tipo O, sem acúmulo de gotas de Figura 5. Campo elétrico na face superior do terminal de alta tensão do isolador da configuração Tipo O, com acúmulo de gotas de Figura 4. Campo elétrico ao longo da superfície da primeira aleta do isolador da configuração Tipo O, sem acúmulo de gotas de Os isoladores poliméricos em operação estão sujeitos às condições ambientais. Os equipamentos sofrem com acúmulo de poeira, perdas das propriedades hidrofóbicas, entre outras. A Figura 5 mostra em termos numéricos, os valores do campo elétrico ao longo de toda a face superior do terminal de alta tensão quando há presença de Observa-se um campo elétrico da ordem de 51 kv/cm na interface de contato. É possível constatar um aumento do valor do campo elétrico na região estudada. Fato que comprova que a presença de umidade pode acarretar em sérios ricos aos isoladores poliméricos. Foi feito o mapeamento do campo elétrico ao longo da superfície polimérica da primeira aleta. Nesta aleta foram depositadas as gotas de água. A Figura 6 mostra o resultado da simulação computacional. Nela é possível observar altos valores de Figura 6. Campo elétrico ao longo da superfície da primeira aleta do isolador da configuração Tipo O, com acúmulo de gotas de 3.2 Configurações com anel equalizador Os anéis equalizadores são comumente utilizados em isoladores para harmonizar a distribuição de campo elétrico na superfície polimérica e conseqüentemente proporcionar ao equipamento uma vida útil maior. As simulações foram refeitas considerando agora a presença do anel equalizador e os resultados serão comentados a seguir. A Figura 7 mostra a distribuição de campo elétrico obtida na simulação para a configuração Tipo P, com a superfície perfeita seca. Na imagem observase que o campo elétrico nas proximidades da interface de contato entre os materiais é da ordem de 5 kv/cm, deixando a região submetida a um menor nível de estresse elétrico e diminuindo a possibilidade de ocorrência de falhas que venham a comprometer a continuidade o fornecimento de energia aos consumidores.

4 Comparando este resultado com o resultado da simulação feita para o Tipo O, na situação em que a superfície encontra-se em perfeito estado percebe-se uma redução de aproximadamente oito vezes na intensidade do campo elétrico na região mais crítica, confirmando a importância do uso do anel equalizador. Foi feito o mapeamento do campo elétrico ao longo da superfície polimérica da primeira aleta. A Figura 8 mostra o resultado da simulação computacional. Nela é possível observar que o campo elétrico atinge valores da ordem de 10 kv/cm. Neste caso o anel equalizador desempenhou bem seu papel na minimização do campo elétrico na região de mais crítica, no entanto seu uso causou um aumento da concentração de campo elétrico nas proximidades da primeira aleta. Esse fato sugere a necessidade de cuidados e testes de campo quando se realiza o projeto de anéis equalizadores. A Figura 9 mostra a distribuição de campo elétrico obtida na simulação para a configuração Tipo P, com a superfície perfeita e com acúmulo de gotas de Na imagem observase que o campo elétrico nas proximidades da interface de contato entre os materiais é da ordem de 11,5 kv/cm, deixando a região submetida a um menor nível de estresse elétrico e diminuindo a possibilidade de ocorrência de falhas que venham a comprometer a continuidade o fornecimento de energia aos consumidores. A Figura 10 mostra o resultado do mapeamento do campo elétrico feito ao longo da superfície polimérica da primeira aleta. Nela é possível observar que o campo elétrico atinge valores máximos da ordem de 250 kv/cm. Figura 7. Campo elétrico na face superior do terminal de alta tensão do isolador da configuração Tipo P, sem acúmulo de gotas de Figura 9. Campo elétrico na face superior do terminal de alta tensão do isolador da configuração Tipo P, com acúmulo de gotas de Figura 8. Campo elétrico na face superior do terminal de alta tensão do isolador da configuração Tipo P, sem acúmulo de gotas de Figura 10. Campo elétrico na face superior do terminal de alta tensão do isolador da configuração Tipo P, com acúmulo de gotas de Nesta situação novamente observa-se que o anel equalizador conseguiu manter o campo elétrico na interface de contato em valores baixos em relação à situação na qual não foi utilizado nenhum instrumento de harmonização de campo. No entanto a região da primeira aleta ficou submetida a campos elétricos realmente altos.

5 Na Tabela 2 estão relacionados os valores encontrados através das simulações necessárias para a realização do estudo. Tabela 2. Resumo dos Valores Obtidos nas Simulações. Sem água Com água Terminal sem anel 40,0 kv/cm 51,0 kv/cm Terminal com anel 5,0 kv/cm 11,5 kv/cm Aleta sem anel 2,5 kv/cm 40,0 kv/cm Aleta com anel 10,0 kv/cm 250,0 kv/cm Os valores relacionados na Tabela 2 apontam para a confirmação da real necessidade do uso de anéis equalizadores para harmonizar a distribuição de campo elétrico nos isoladores poliméricos, na presença ou não de água. No entanto eles devem ser bem projetados e dimensionados adequadamente para que não comprometam outras áreas do equipamento ao mesmo tempo em que minimizam altas concentrações em outras regiões. 4. Conclusões Este trabalho permitiu, por meio de simulações computacionais, avaliar a distribuição do campo elétrico em isoladores poliméricos submetidos a condições distintas. As simulações realizadas possibilitaram avaliar os efeitos da presença de gotas de água na superfície polimérica do isolador. Foi possível observar a importância de se manter os isoladores com as características que lhe são peculiares. A presença do anel equalizador resultou em concentrações de campo elétrico menos intensas na interface de contato entre os diferentes materiais, mas em contrapartida intensificou os valores de campo elétrico na região da primeira aleta. O dimensionamento e o posicionamento adequados do anel influenciam na distribuição de campo elétrico, podendo elevar a vida útil dos isoladores. As simulações computacionais constituem uma maneira eficiente e rápida de verificar como o campo elétrico está distribuído ao longo dos isoladores. 2D_Eletromagnetismo.pdf, Arquivo capturado em novembro de RODURFLEX; High-Voltage Insulators. Disponível na internet via URL: atalogs.asp. Arquivo capturado em setembro de I. B. Queiroz, M. G. Neri, e E. G. da Costa. Mapeamento do Campo Elétrico em Isoladores Poliméricos com Defeitos. SBSE 2006 Simpósio Brasileiro de Sistemas elétricos, Campina Grande, PB, Brasil, R. Hackam. Outdoor HV Composite Polymeric Insulators. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. Volume 6 N O. 5, pp , October J. F. Hall. History and bibliography of polymeric insulators for outdoor applications. IEEE Transactions on Power Delivery. Volume: 8, Issue: 1, Jan Pages: E. G. da Costa, I. B. Queiroz, T. V. Vilela, M. G. Néri. Avaliação de Desempenho Elétrico de Isoladores Poliméricos e Anéis Equalizadores Utilizando o Método dos Elementos Finitos. ALTAE Congresso Latino Americano e V Congresso Ibero americano, Cuernavaca, Morelos, Mexico, de 29 de outubro a 2 de novembro de E. G. da Costa, Ruptura Elétrica em Resina Epoxy, tese de mestrado, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande, T. V. Ferreira, Estudo do Trilhamento de Núcleo em Isoladores Poliméricos. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Referências Bibliográficas BEZERRA, J. M. B.; Caracterização de Atributos de Sinais para Utilização de Técnicas de Reconhecimento de Padrões na Avaliação do Isolamento de Instalações e de Equipamentos Elétricos. Tese de Doutorado. COPELE. UFCG, Brasil L. A. Pereira. Método dos Elementos Finitos 2D Aplicado ao Eletromagnetismo. Disponível no sítio da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul na internet via URL: