ANÁLISE DE FALHA EM CABO DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 ANÁLISE DE FALHA EM CABO DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA I.B.Cunha 1 ; R.C.S.Reis 1 ; M.B.Leite 1 ; S.Griza 1,2 ; D.A.Martins 1 ; Igor Barboza Cunha; Rua Arauá, 696, Apto São José, Aracaju-SE, / cunhaib@gmail.com 1 Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Sergipe 2 Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Sergipe RESUMO Cabos de transmissão de energia elétrica são geralmente fabricados em cobre ou alumínio. Além de propriedades elétricas e baixo custo de produção, os cabos precisam exibir resistência mecânica e à corrosão. Neste estudo realizou-se a análise de falha de um cabo de transmissão de energia que rompeu em uso. Parte do enrolamento do cabo foi selecionada para análises de fratura em baixo aumento e em microscópio eletrônico de varredura, análises químicas, análises metalográficas e ensaios de dureza. Constatou-se que a falha ocorreu devido a uma mudança microestrutural ocorrida em uma região específica do cabo, que sofreu aquecimento localizado e resfriamento brusco, promovendo a formação de uma microestrutura mais 6510

2 dura e frágil que não resistiu às solicitações cíclicas sofridas pelo cabo. Recomendam-se cuidados especiais no uso de tais cabos, a fim de garantir maior segurança quanto a aquecimentos pontuais que possam produzir tais defeitos. Palavras-chave: cabo, alumínio, microestrutura, queima, frágil, dendritas. 1. INTRODUÇÃO Cabos de transmissão de energia elétrica são geralmente fabricados em cobre ou alumínio. Os cabos muitas vezes são fabricados na configuração de encordoamento concêntrico, a qual é composta de uma ou mais camadas (coroas) de fios. Os cabos podem ser fornecidos em diversas classes de encordoamento e têmperas para melhor satisfazer as exigências de aplicação. Além de propriedades elétricas convenientes e baixo custo de produção, os cabos precisam exibir resistência mecânica e à corrosão, devido às condições em que são submetidos em uso. O rompimento de condutores elétricos está entre os grandes problemas enfrentados pelas redes de distribuição de energia elétrica, pois podem gerar, especialmente em centros urbanos, acidentes que causam efeitos negativos à imagem das filiais de energia, além da interrupção do fornecimento e o correspondente gravame financeiro que o problema ocasiona. Neste estudo foi realizada a análise de falha de um cabo de transmissão de energia (Figura 1), que rompeu em uso. Figura 1 Segmento do cabo rompido. 6511

3 2. MATERIAIS E MÉTODOS O segmento do cabo foi submetido à limpeza através de água e agente tensoativo. Parte do enrolamento do cabo foi selecionada para análises de fratura. Foram obtidas imagens macroscópicas da fratura, através de lupa de baixo aumento (Zeiss Stemi 2000). Alguns dos fios analisados em lupa foram selecionados e submetidos à análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV Jeol Carry Scope 5700). Posteriormente foi realizada uma análise microestrutural dos fios através de preparação metalográfica padrão e ataque químico com reativo a base de álcool e 0,2% de HF. As imagens foram obtidas através de microscópio óptico (Leica DM 2500). Finalmente, foi realizada uma análise de microdureza (Shimadzu HVM) a fim de verificar variações de dureza em função da eventual variação de microestruturas encontradas. As medições de microdureza foram realizadas com carga de 1kgf e tempo de aplicação de carga de 10 segundos. A média de cinco medições foi tomada como valor da microdureza em cada microestrutura do material. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES As análises realizadas em baixo aumento indicaram que alguns fios do enrolamento apresentavam fratura plana, aspecto típico de fratura frágil. Outros fios, no entanto, apresentavam morfologia de fratura dúctil, com aspecto taça/cone (1), como observado na Figura 2. As análises de fratura em MEV evidenciam o aspecto de fratura plana. Na Figura 3, além da fratura, verifica-se uma porção de material do fio deformada lateralmente. As análises em MEV indicaram a presença de grandes poros em regiões dos fios que apresentaram fratura plana (Figura 4). Nos fios que apresentaram fratura na forma taça/cone, observou-se apenas a formação de coalescimento de microcavidades (Figura 5). 6512

4 Figura 2 Fios fraturados com diferentes morfologias: fraturas planas e fraturas na forma taça cone. Figura 3 Um dos fios que apresentou fratura plana, frágil. Observa-se além da superfície de fratura uma porção de material deformado para a lateral. Figura 4 Superfície de fratura plana de um dos fios apresentando poros sobre a superfície. 6513

5 Figura 5 Coalescimento de microcavidades vistos nas fratura taça/cone. Após o ataque químico foram reveladas tanto a microestrutura original do fio de alumínio (2), quanto estruturas dendríticas junto às regiões das fraturas planas (Figura 6). Estas regiões dendríticas apresentam grandes poros (Figura 7) e descontinuidades agudas (Figura 8). As estruturas dendríticas não são esperadas em fios deformados por trabalho mecânico para fabricação de fios de transmissão de energia elétrica. Estas estruturas se formam durante a solidificação rápida do material. Para ocorrer a transformação da estrutura alfa do alumínio em estruturas dendriticas, é necessario uma fusão e solidificação brusca, que produz a estrutura direcionada dendrítica, de dureza mais alta. Com efeito, os ensaios de microdureza indicaram 155 HV na região dendrítica e 45 HV na região do metal base. Este aumento de dureza associado à formação de uma estrutura mais frágil e repleta de defeitos internos (poros e defeitos agudos), favorece a fratura frágil do fio. Uma possibilidade de fusão localizada é devido ao aquecimento localizado do cabo condutor, quando ocorre descarga elétrica por curto circuito ou queda de raios. 6514

6 Figura 6 Microestrutura constituída de fase de alumínio alfa. Na parte de baixo da figura, observam-se as dendritas de solidificação. plana. Figura 7 Microestrutura dendrítica e poros em uma região junto à fratura Figura 8- Microestrutura transformada dendrítica junto a uma fratura plana. Observam-se poros e descontinuidades agudas. 6515

7 4. CONCLUSÃO Constatou-se que a falha ocorreu devido a uma mudança microestrutural ocorrida em uma região específica do cabo, que sofreu aquecimento localizado e resfriamento brusco, promovendo a formação de uma microestrutura mais dura e frágil. Estas transformações dendríticas são comuns em casos de aquecimentos localizados em cabos de transmissão de energia, quando eles sofrem alguma descarga elétrica localizada. 5. REFERÊNCIAS (1) WILLIAM D.CALLISTER, JR. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. RJ, LTC EDITORA, (2) AMERICAN SOCIETY FOR METALS, Metals Handbook, 9 ed., Metals Park, Ohio, v. 13, ANALYSIS OF FAILURE TO CABLE TRANSMISSION OF ELECTRICITY ABSTRACT Transmission cables of electric power are usually made of copper or aluminum. In addition to electrical properties and low production cost, the cables need to display mechanical and corrosion resistance. In this study held out the analysis of failure a power transmission cable that broke in use. Part the scrolled of cable was selected for analysis of fracture with below 6516

8 increase and scanning electron microscopy, chemical analysis, metallographic analysis and hardness tests. It was found that the failure happened due to a microstructural change occurring in a specific region of the cord, which suffered localized heating and fast cooling, promoting the formation of a more hard and brittle microstructure could not resist requests to cyclical suffered by cable. Special care is recommended in the use of such cables to ensure greater certainty as to specific heaters that can produce such defects. Keywords: cable, aluminum, microstructure, burn, fragile, dendrites 6517