UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA PIBIC: CNPq, CNPq/AF, UFPA, UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO Período: Agosto/2016 a Janeiro/2017 (X) PARCIAL ( ) FINAL IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho): Montagem do Laboratório de Alta e Extra Alta Tensão da Universidade Federal do Pará. Nome do Orientador: Marcus Vinicius Alves Nunes Titulação do Orientador: Doutor Faculdade: Faculdade de Engenharia Elétrica 1

2 Instituto/Núcleo: Instituto de Tecnologia Laboratório: Laboratório de Alta e Extra Alta Tensão da UFPA Título do Plano de Trabalho: Montagem e Ensaios de Geradores de Impulso Atmosférico (de Tensão) no Laboratório de Extra Alta Tensão (LEAT) da UFPA. Nome do Bolsista: Denise Ferreira da Silva Luz. Tipo de Bolsa: ( ) PIBIC/ CNPq ( ) PIBIC/CNPq AF ( )PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador (X) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA AF ( ) PIBIC/ INTERIOR ( )PIBIC/PARD ( ) PIBIC/PADRC ( ) PIBIC/FAPESPA ( ) PIBIC/ PIAD ( ) PIBIC/PIBIT 2

3 INTRODUÇÃO Apesar dos sistemas de energia operarem em regime contínuo na maior parte do tempo, os mesmos estão sujeitos a sobretensões e sobrecorrentes causadas por surtos de baixa frequência e transitórios eletromagnéticos (alta frequência) devido a correntes impulsivas provenientes de descargas atmosféricas[1]. Em um sistema de energia a causa mais frequente no número de interrupções do fluxo de potência é a ruptura da isolação. Isso acontece pelo fato do isolamento estar sujeito a tensões superiores à tensão nominal que podem ter origem interna ou externa como por exemplo as descargas atmosféricas com formas de onda, intensidade e duração diversas[2]. Para saber o comportamento dos equipamento sujeito a sobretensões é necessário a realização de ensaios previstos em norma que determina o nível de tensão, duração, origem da sobretensão, temperatura, umidade e assim por diante, pois cada equipamento possui suas particularidades e por isso diferentes normas. Os ensaios podem ser realizados através da aplicação de formas de ondas que representam cada tipo de sobretensão e são geradas por equipamentos específicos como os Geradores de Impulso Atmosféricos que podem gerar tanto impulsos de tensão como impulsos de corrente. Um ensaio impulsivo de alta tensão por exemplo pode ser feito em vários equipamentos como isoladores, transformadores, cabos de alta tensão, etc. Realizado por um sistema composto por gerador de impulso, instrumentos de medição e controle da forma de onda e o próprio equipamento a ser ensaiado. Segundo [3] os equipamentos elétricos, caracterizam-se por possuir níveis de isolamento padronizados, ditados pela sua tensão nominal de operação e denominados de NBI (Nível Básico de Isolamento) para determinar a suportabilidade do equipamento em relação às sobretensões de origem externa e NIM (Nível de Impulso de Manobra) para as sobretensões de origem interna. Os geradores de impulso são então necessários para verificar as condições de suportabilidade dos equipamentos elétricos de alta tensão, quando submetidos a esforços dielétricos normalizados. Adicionalmente, os geradores de impulso são necessários na pesquisa e desenvolvimento de novos equipamentos elétricos e materiais isolantes, bem como no estudo dos fenômenos associados às altas tensões[3]. Neste contexto vários ensaios são realizados nos Geradores de Impulso 3

4 de Tensão como os Impulsos de manobras e os impulsos atmosféricos nos quais se simula sobretensões originadas por descargas atmosféricas e surtos provenientes de chaveamento no sistema de potência. Os ensaios de impulsos de tensão são realizados com mais frequência que os com impulsos de manobra pois a maioria dos equipamentos que estão envolvidos nos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica estão mais sujeitos a sofrerem com descargas atmosféricas diretas e indiretamente. As sobretensões de origem interna quase sempre são devidas às manobras ou chaveamentos no sistema elétrico, sendo uma das mais severas o religamento em alta velocidade de linhas de transmissão trifásicas com carga residual. Os surtos de manobra caracterizam-se por possuir tempo de crescimento de algumas centenas de µs e duração de vários milhares de µs, possuindo em geral energia superior ao dos surtos atmosféricos, principalmente em sistemas elétricos cuja tensão de operação é superior a 230 kv[4]. A Norma ABNT NBR 6936/1992 estabelece a forma de onda padrão tanto para impulso atmosférico como para impulso de manobra que é 1,2/50µs para impulso atmosférico e 250/2500µs para impulso de manobra. A Norma também fornece a forma de onda cortada tanto no tempo de frente como no tempo de cauda para o impulso de tensão. Esse corte ocorre quando uma descarga disruptiva interrompe o impulso de tensão no tempo de frente ou no tempo de cauda. Quando o ar é o isolamento principal de determinado equipamento o ensaio é chamado não destrutivo e o fenômeno físico associado à aplicação dos impulsos tem natureza probabilística. Neste caso vários procedimentos de ensaio que utilizam métodos estatísticos, com amostragens constituídas de um número significativo de aplicações, para permitir a determinação da suportabilidade do equipamento em função de uma dada probabilidade de descarga são adotados[3]. 4

5 JUSTIFICATIVA O Laboratório de Extra Alta Tensão da UFPA surgiu pela necessidade da região amazônica ter um local próximo aos grandes empreendimentos do setor energético como Belo Monte, onde se possa realizar testes em equipamentos de alta tensão para verificar suas condições de uso adequado sem prejudicar a transmissão de energia elétrica. Ele visa atuar junto a empresas e instituições na pesquisa de soluções tecnológicas para a melhoria de equipamentos e sistema elétrico, desenvolvimento e controle de qualidade de equipamentos, realizando ensaios de rotina, de tipo e ensaios especiais em diversos equipamentos. OBJETIVOS a) Consolidação do LEAT na prestação dos serviços relacionados a comissionamento e outros ensaios em equipamentos de alta tensão no mercado de energia regional. b) Formação de mão-de obra (pesquisadores) na área de alta tensão com foco em Geradores de Impulso Atmosféricos. c) Para atingir os objetivos principais destacados, é necessário o domínio das técnicas de ensaios com o gerador de impulso atmosférico de tensão, de acordo com as metas específicas: Elaboração de instrução técnica para a montagem do gerador de impulso atmosférico de tensão, para que a adequação às normas possa ser realizada pelos próprios membros do laboratório, aumentando a autonomia da utilização do gerador no LEAT_ UFPA. Elaboração de instrução técnica para ensaios de tensão suportável na isolação de equipamentos de alta tensão para a padronização e adequação ás normas vigentes. MATERIAIS E MÉTODOS O presente projeto será executado segundo a seguinte metodologia e cronograma, baseado em elaboração de instrução técnicas de montagem de geradores e de testes de impulso atmosférico de tensão: Revisão Bibliográfica: onde será elaborada e discutida de forma resumida uma lista de publicações relacionadas com o tema da pesquisa; 5

6 Estudo dos fenômenos de sobretensões atmosféricas, dos circuitos geradores de tensão e impulsivas; Estudo de materiais dielétricos aplicados na engenharia elétrica submetidos a altas tensões e testes de suportabilidade a elevados níveis de tensão; Elaboração de instruções técnicas para ensaios de tensão suportável, baseada nas normas vigentes, e estudo de caso para ensaio em isolação escolhida, ensaios e testes em dielétricos. RESULTADOS 1. Geradores de Impulso de Tensão Os Geradores de Impulso de Tensão são equipamentos responsáveis por gerar um impulso de curta duração em cargas com características bem distintas. Eles são empregados na simulação de descargas atmosférica e impulsos de manobra no qual os equipamentos de alta tensão estão sujeitos. São formados por um conjunto de capacitores que são carregados (de 100 KV à 200 KV) em paralelo por um retificador que fornece tensão em corrente continua. Quando a tensão estipulada é totalmente carregada, os capacitores se descarregam em série através dos centelhadores e toda tensão é aplicada no objeto sob ensaio. Os Geradores de impulso de tensão são caracterizados por uma tensão de saída nominal U0 (que é obtida pela máxima tensão de carga por estagio e multiplicada pela quantidade de estágios envolvidos no processo de ensaio), pelas capacitâncias série e pela máxima energia armazenada[4]. Eles têm que cumprir determinadas regras que são obtidas por normas e que são fundamentais no processo de ensaio dos diversos equipamentos de alta tensão. Uma dessas regras é gerar formas de onda padrão de 1,2/50 µs para impulsos atmosféricos e 250/2500 µs para impulsos de manobra com suas respectivas faixas de tolerância em equipamentos sob ensaio de baixa capacitância e com fator de eficiência de tensão relativamente alto. Além disso, ele deve gerar as mesmas formas de onda para equipamentos com elevada capacitância, mas com fator de eficiência inferior pois nestes casos os equipamentos ensaiados possuem em sua maioria isolação não auto-recuperante que leva a outros procedimentos fazendo os níveis de tensão diminuir[4]. 6

7 Os Geradores de Impulso também tem como função gerar formas de onda não padronizadas pois estas podem ocorrer no sistema elétrico de potência. Ele tem que fornecer formas de onda padrão em equipamentos indutivos e como ocorrem diversos aplicações de impulsos consecutivos no objeto sob ensaio, o Gerador deve dar a possibilidade de operar automaticamente para facilitar os testes. Um impulso pode ser caracterizado como uma tensão ou corrente transitória aperiódica que cresce rapidamente até o valor de crista e decresce lentamente até o valor zero. O impulso de tensão representado por uma dupla exponencial é definido basicamente pelo seu tempo de frente ou tempo de subida, pelo tempo de descida ou tempo de cauda (que é 50% do valor de pico) e pelo valor de pico de tensão[3]. O impulso atmosférico se diferencia do impulso de manobra pelo tempo de frente pois impulsos com tempo de frente até 20 µs são considerados impulsos atmosféricos e os com tempo superior são geralmente considerados como impulsos de manobra. Além disso, o impulso de manobra também pode ser caracterizado pelo tempo até o meio valor superior ao do impulso de tensão[5]. Na figura 2.1 vemos a forma de onda padrão para impulso atmosférico pleno o qual não é interrompido por uma descarga disruptiva. Essa forma de onda despreza o efeito das indutâncias e capacitâncias parasitas no circuito de ensaio. Figura 1.1 Impulso atmosférico pleno. Fonte: [5] 7

8 O impulso atmosférico é normalizado para um tempo de frente de 1,2 µs com uma tolerância de ± 30% e o tempo de cauda de 50µs com tolerância de ± 20% e referindo-se a ele como impulso 1,2/50 µs. O tempo de frente T1 é um parâmetro virtual definido por uma constante no valor de 1,67 vezes o intervalo de tempo T entre os pontos A e B da Figura 1. A origem virtual O1 é o instante anterior ao ponto A e o tempo de cauda T2 é um parâmetro virtual que está entre a origem virtual O1 e a metade do valor de crista na cauda[5]. Já para os ensaios dielétricos com impulsos de manobra tem-se a forma de onda padrão de 250/2500 µs com tolerância de ± 20% para o tempo de frente e ±30% para o tempo de cauda como mostrado na figura 4. O intervalo de tempo TAB está entre a origem real até o momento em que a tensão atinge seu valor máximo. T2 é o intervalo de tempo entre a origem real e o momento em que a tensão atinge pela primeira vez a metade do valor de crista na cauda e Td é o intervalo de tempo que a tensão excede 90% do valor de crista[5]. Figura 1.2 Impulso de manobra pleno. Fonte: [5] Os Geradores de Impulso de Tensão são baseados no circuito multiplicador de Marx. Para gerar tensões muito elevadas, um banco de capacitores é carregado em paralelo e então descarregado em série. Este circuito que carrega os capacitores em paralelo e depois os conecta em série para descarga foi inicialmente proposto pelo engenheiro alemão Erwin Otto Marx[5]. Atualmente, os circuitos modificados de Marx 8

9 são usados para os Geradores de Impulso de múltiplos estágio. A figura 1.3 apresenta o esquemático do circuito de Marx. Figura Circuito de Marx do Gerador de impulsos de múltiplos estágios. Fonte:[6]. A Resistência de carga Rs do circuito é responsável por limitar a corrente de carga do capacitor cerca de 50 a 100 ma e a capacitância C é dimensionada com base no produto C.Rs para ficar em torno de 10 a 60 segundos[3]. O espaçamento entre os Gaps G é escolhido de tal forma que a tensão de ruptura do espaçamento seja maior que a tensão de carga V. O circuito de Marx utiliza os spark gaps como dispositivo de chaveamento representadas por G. Os spark gaps são acionadas simultaneamente por meios externos deixando os capacitores em série com uma capacitância equivalente de Cn onde n é o número de estágios do gerador. R1 e R2 são os resistores de forma de onda serie e paralelo responsáveis por gerar tanto o tempo de frente da onda como o tempo de cauda e T é o objeto de teste. 2. Gerador de Impulso de Tensão do Laboratório de Extra Alta Tensão da UFPA O Gerador de Impulso de Tensão do Laboratório de Extra Alta Tensão da UFPA foi fabricado pela HAEFELY modelo SGVA , se baseia no circuito multiplicador de Marx e foi construído em estágios. Ele possui uma tensão máxima de 3600 KV, máxima energia de 540 KJ, foi projetado para fornecer uma tensão de 200 KV por estágio, energias de 10 KJ, 15 KJ, 20 KJ e 30 KJ no topo. Desta forma, pode-se alcançar altos níveis de tensões assim como armazenar grandes energias[6]. 9

10 Sua base tem formato de retângulo e esta é feita de aço a qual também suporta o retificador de carga. Ainda na base, encontra-se o sistema de segurança de aterramento que curta e aterra todos os capacitores de impulso além do sistema de colchões de ar para fazer a movimentação da estrutura no laboratório. O Gerador consiste em três colunas de isolamento sendo que em cada estágio dois capacitores de alta tensão estão dispostos em um formato triangular. Todas as esferas de centelhamento ou spark gap estão localizadas em uma estrutura cilíndrica vertical tipo chaminé próximos às colunas de isolamento e desempenham o papel de colocar em série os estágios previamente carregados em paralelo de modo a descarregar sobre o objeto a ser ensaiado um impulso de tensão de elevada magnitude. Os resistores de frente (em série) que formam o impulso de frente da onda e os resistores de cauda (em paralelo) que formam a cauda são colocados em um conector em formato de colchete e estão localizados entre as esferas de centelhamento e os capacitores de impulso. O formato desses conectores facilita a troca dos resistores em situações onde se deseja ajustar por exemplo a forma do impulso. Além dos resistores de frente e de cauda, o gerador também possui os resistores de carga e os resistores de potencial com funções específicas que serão citadas posteriormente. No interior do Gerador de impulso encontra-se uma escada vertical até seu topo feita de material isolante que permite alcançar as plataformas dos estágios, e a cada três estágios existe uma plataforma ajustável. Esse formato facilita o trabalho e dá mais segurança na hora da locomoção em seu interior. O sistema de teste é constituído pelos equipamentos principais e os equipamentos auxiliares de medições do valor de pico ou análise da forma de onda. Os equipamentos principais são o retificador de energização, o gerador de impulso, o sistema de controle e o divisor de tensão. Os componentes auxiliares são o resistor de derivação Shunt, o Chopping Gap, sistemas de medição para a análise da forma de onda do impulso e circuito de teste do transformador chamado circuito glaninger. A figura 2.1 mostra o Gerador de Impulso de Tensão do Laboratório de Extra Alta Tensão da UFPA. 10

11 Figura Gerador de impulso de tensão Fonte: Laboratório de Alta Tensão UFPA (LEAT_UFPA) 3. Descrição Funcional O sistema de teste de impulso de tensão opera sob um sistema de controle o qual carrega o gerador através da unidade de carga e isto é conseguido pelo fato dos estágios estarem conectados em paralelo através do carregamento dos resistores. Desta forma, o tempo de carga e a tensão de carga podem ser selecionados na unidade de controle. O diagrama da figura 3.1 mostra as funções básicas do sistema. Figura Esquemático do sistema de acionamento de um ensaio de impulso de tensão[7]. 11

12 Os capacitores de todos os estágios são conectados em paralelo através dos resistores de carga por um lado e através de uma rede de resistores de frente e de cauda no outro lado e eles são carregados com uma tensão DC pré-selecionada através do retificador de carga. A tensão de carga é medida no retificador de carga e mostrada no sistema de controle. O carregamento é controlado de acordo com as especificações das funções e depende da seleção da tensão e do intervalo de impulso. A figura 3.2, representa o circuito de um dos estágios do gerador, onde Cs é a capacitância do estágio, SG ( spark gap ) é o centelhador de disparo do gerador, Rp e Rs são os resistores do tempo de cauda e de frente respectivamente, Rch representa o resistor de carga equivalente do resistor, Lloop é a indutância do circuito teste e Cload é a capacitância da carga (objeto sob ensaio+ divisor capacitivo+ capacitâncias parasitas). O disparo do impulso de tensão ocorre quando através do sistema de controle envia-se um sinal de disparo de pulso com tensão de aproximadamente 12 KV ao amplificador de disparo localizado na base do gerador e um eletrodo auxiliar inserido na primeira esfera causa uma faísca. Esse processo faz com que ocorra a diminuição da tensão de ruptura das esferas do primeiro estágio e inicia-se o centelhamento. E então, por efeitos de capacitâncias parasitas, o acionamento do primeiro estágio gera sobretensões nos gaps dos estágios sucessivos e o nível da sobretensão depende dos valores dos resistores de frente e de cauda. Um padrão de enrolamento especial é utilizado no resistor de cauda para aumentar a sobretensão. Figura esquemático de um arranjo para ensaio de impulso de tensão Fonte: [7] 12

13 4. Sistema de Medição do Gerador de Impulso de Tensão O sistema de medição é fundamental para análise e avaliação dos equipamentos, por isso, deve-se garantir a qualidade, adequação e exatidão nas medições. O ambiente no qual o sistema de medição opera, deverá ter folgas para as estruturas dos equipamentos e ligação ao terra. A presença de fortes campos elétricos e magnéticos transitórios podem afetar significativamente o desempenho e precisão do sistema de medição, portanto cuidado especial deve ser tomado para tais instrumentos para garantir a operação confiável e precisa[4]. O sistema de medição é formado pelos dispositivos de conversão (divisor de tensão, Resistor de derivação Shunt, etc.), por um sistema de transmissão (cabo coaxial ou fibra ótica) e os instrumentos de medição (osciloscópio, digitalizadores, voltímetros e etc.). O divisor de tensão é utilizado para medir tensões elevadas e possui a função de reduzir a tensão aplicada nos ensaios a níveis que se possa medir no equipamento de controle sem danifica-lo. O divisor utilizado no laboratório é do tipo capacitivo amortecido RC 2400 KV e 350 pf. Figura Divisor de tensão. Fonte: LEAT_UFPA 13

14 O resistor de derivação Shunt de modelo SH-Q é o dispositivo de conversão mais utilizado para medições de impulso de corrente. Ele é feito de um cilindro de aço inoxidável o qual possui flanges de acoplamento e conectores coaxiais para fazer a medição de corrente. É preenchido com uma areia especial e possui um parafuso de 10mm (chamado de terminal quente) sendo a porca do parafuso em formato de orelha, juntamente com uma placa de 12,5mm de orifício que é o terminal do terra. Figura Resistores de derivação shunt. Fonte: LEAT_UFPA. O Chopping Gap é um componente de alta tensão utilizado juntamente com o Gerador de impulso de tensão e tem por função cortar os impulsos atmosféricos e impulsos de manobra (os cortes podem ser no tempo de frente ou no tempo de cauda, dependendo do tipo de equipamento a ser ensaiado) simulando uma descarga disruptiva. Ele possui 4 módulos com duas colunas e cada módulo possui 3 pares de esferas de centelhamento com 200 mm de diâmetro e um capacitor de amortecimento responsável pelo controle da distribuição da tensão ao longo do equipamento. Cada esfera é construída para trabalhar com uma tensão máxima de 200 KV. 14

15 Figura Dispositivo Chopping Gap Fonte: LEAT_UFPA 5. Sistema de Controle GC 223 e Sistema de Análise de Impulso Equipamentos de alta tensão em redes de transmissão e distribuição de eletricidade estão sujeitos a estresses elétricos por dois tipos diferentes de sobretensões transitórias: sobretensões causadas por operações de manobra, e aquelas causadas por interferências atmosféricas, como por exemplo, descargas atmosféricas. Nos testes de alta tensão esses estresses são simulados por impulsos de tensão de dupla exponencial, com parâmetros de tempo e amplitude especificados. Para gerar e medir essas formas de onda de impulso de tensão são utilizados os sistemas de controle. A figura 5.1 mostra um sistema completo de teste de impulso de tensão. 15

16 Figura Sistema completo do teste de impulso de tensão Fonte:[7] O sistema de controle do gerador de impulso de tensão, inclui todos os elementos necessários para controlar o sistema de teste de descargas atmosféricas e de manobra. Toda a operação do gerador é automatizada e isso inclui carregamento dos estágios, aplicação do impulso e aterramento do gerador. O equipamento de controle vem com um sistema de Intertravamento o qual é ligado à porta da sala de controle que dá acesso à área de ensaio do laboratório e qualquer violação de segurança faz com que o sistema desative o gerador priorizando a segurança pessoal. A figura 5.2 mostra a imagem frontal do controle do gerador de impulso. Figura Sistema de controle GC 223 Fonte: LEAT_UFPA. O GC 223 executa várias funções entre elas, a conversão analógico/digital de valores de medidas do sistema de impulso, controle e regulação da tensão de 16

17 carga, tempo de controle do disparo, disparo das esferas de centelhamento sincronizadas com a tensão AC, entrada e saída digital das portas do gerador, controle dos dispositivo de corte do impulso (Chopping Gap), proteção contra sobretensão em todas as entradas e saídas de linha, controle do sistema de segurança e filtro da potência de entrada. O sistema de análise dos impulsos modelo HiAS 734, é um multicanal com alta precisão digital onde se faz medidas, avaliação e analise dos impulsos de tensão e corrente e que podem ser aprimoradas de acordo com a IEC 61083, IEC 60060, IEC60099 e IEC60230 que são os padrões relevantes para testes de alta tensão. A avaliação automática das formas de impulso acima mencionadas, bem como um modo de avaliação manual estão disponíveis no analisador. Na figura 5.3 tem-se o sistema completo de controle do gerador de impulso. Figura Sistema de controle completo Fonte: LEAT_UFPA 6. Isoladores Elétricos 6.1 Introdução Em meados de 1835 ocorreu a invenção do telégrafo elétrico e com ele surgiu a necessidade de transportar dados e energia elétrica em linhas aéreas para longas distâncias e então o desenvolvimento de isoladores iniciou-se por tais necessidades. Os primeiros isoladores que foram fabricados eram de pino e tinham um isolamento de baixa qualidade em ambientes úmidos. Um aperfeiçoamento foi 17

18 visto com a introdução de uma cavidade cheia de óleo no caminho da corrente de fuga e os isoladores com esta melhoria foram utilizados na primeira linha de transmissão trifásica de 15 kv do mundo (de Laufen para Frankfurt, em 1891). O isolador de pino teve seu projeto modificado para tensões mais elevadas ou seja, ele aumentou suas dimensões gerais e teve condições de suportar melhor as tensões mecânicas da linha[8]. O isolador de disco foi desenvolvido mais tarde pela limitação da rigidez mecânica das porcelanas disponíveis e a dificuldade de manuseio dos isoladores devido ao peso elevado (um isolador pino para uma linha de 77 kv tinha 40 cm de diâmetro e pesava 28 kg). Mas o uso dos isoladores de disco também teve dificuldades como perfuração ou rachaduras da porcelana e corrosão do pino[8]. Como alternativa ao isolador de disco em 1920, o isolador bastão foi fabricado depois que as características mecânicas da porcelana foram melhoradas, essa alternativa surgiu apenas pelo fato do isolador de bastão ser mais leve que o de disco e isso facilitou o manuseio. Por volta de 1970 para melhorar o problema de peso, substituiuse a porcelana por polímeros envolvendo um núcleo de fibra de vidro, resultando em um isolador bastão com uma redução de peso de até 90%[8]. Os isoladores bastão compostos poliméricos continuam em uso desde 1950, mas sua utilização, atualmente, ainda é vista com restrição e receio. Um isolador elétrico tem a principal finalidade de isolar um corpo condutor de outro corpo qualquer, possuindo um grande valor de resistência elétrica e poucos elétrons livres em sua estrutura (à temperatura ambiente), não permitindo a livre circulação de cargas elétricas, portanto, atua inversamente ao condutor elétrico. Simplificando, é totalmente o contrário de um corpo condutor que possui muitos elétrons livres em sua estrutura (à temperatura ambiente). É um dispositivo que garante o isolamento elétrico de fios ou cabos energizados, entre seus pontos de sustentação adjacentes. São componentes cujos processos de engenharia, produção, testes e aplicação em campo são muito mais complexos do que se pode julgar em um primeiro olhar eles estão presentes em todas as subestações, usinas e equipamentos elétricos de relevância no sistema. Os isoladores atuam como suportes mecânicos e ao mesmo tempo atuam na isolação das principais estruturas e equipamentos elétricos de qualquer instalação, muitas vezes sujeitos a cargas mecânicas contínuas de mais de meia tonelada de peso. Em paralelo, devem ser capazes de suportar continuamente 18

19 os campos elétricos aos quais estão expostos e suas perturbações pré-definidas. Da mesma forma, devem suportar distúrbios meteorológicos (chuvas, vendavais, granizo) dentro de seus limites de projeto, ataques por contaminantes (sal, maresia, poluição), ataques de fungos nas regiões de alta umidade como a floresta amazônica, e ainda estão expostos a vandalismo[9]. Os isoladores elétricos podem ser feitos de materiais como porcelana, vidro e polimérico. A porcelana é um elemento heterogêneo, formado por uma mistura de substância argilosa de quartzo e feldspato, e atualmente existem dois tipos de massa para fabricação de isoladores a quartzosa e a aluminosa. Os isoladores de vidro podem ser feitos de vidro recozido ou temperado. Já os isoladores poliméricos podem ser compostos constituídos de, pelo menos, dois materiais isolantes, um núcleo e um revestimento, ou não compostos constituídos somente por um material polimérico, seja uma resina (caso do epóxi ou do concreto polimérico) ou um polímero (caso do polietileno). O núcleo é composto por diversas fibras de vidro unidas por um processo denominado pultrusão[8]. Na tabela 1 tem-se as vantagens e desvantagens dos materiais utilizados para fabricação dos isoladores. Tabela 1: Vantagens e desvantagens dos materiais constituintes dos isoladores[10]. 19

20 7. Tipos de Isoladores Os isoladores podem ser de diversos tipos os principais são os isoladores de pino, de disco, pilar, bastão e suporte. Nas figuras a seguir pode-se ver as diferenças entre os tipos de isoladores. Figura Isolador de pino de vidro ou porcelana. Fonte: [8] Figura 7.2- Isolador de disco de vidro ou porcelana[8] Fonte: [8] 20

21 Figura Isolador pilar de porcelana. Fonte: [8] Figura 7.4 Isolador bastão composto polimérico Fonte: [8] 21

22 Figura Isolador suporte pedestal de porcelana Fonte: [8] 8. Características Dimensionais dos Isoladores Os Isoladores elétricos possuem características dimensionais específicas de acordo com cada tipo que serão vistos a seguir. 8.1 Isoladores de Disco e Bastão Os isoladores de disco e bastão possuem diâmetro do dielétrico, passo, distância de arco, distância de escoamento, distância de escoamento específica, norma e classe de engate. Figura Diâmetro e passo de um isolador de disco Fonte: [8] 22

23 8.1.1 Distância de Arco A distância de arco é a distância que pode ser medida de duas formas: A seco (também conhecida como linha de arco): é a menor distância entre os eletrodos (ver Figuras 23 e 24) Sob chuva: é a soma das distâncias percorridas pela lâmina de água ao correr sobre o isolador (ver Figura 23). Figura Distância de arco de um isolador de Disco[8] Fonte: [8] Figura Distância de arco de um isolador bastão. Fonte: [8] 23

24 Figura 8.4- Distância de arco de um isolador de pino. Fonte: [8] Tabela 2 Distância de arco de um isolador[8] Distância de Escoamento Menor distância, ou a soma das menores distâncias ao longo do contorno da superfície externa do corpo isolante do isolador, entre as partes que normalmente são submetidas à tensão de operação do sistema[8] 24

25 Figura 8.5- Distância de escoamento isoladores de disco, bastão e pino respectivamente. Fonte: [8] Distância de Escoamento Específica Relação entre a distância de escoamento medida e o valor eficaz fase-fase da tensão máxima de operação. 8.2 Isoladores Pilar, de Pino e Suporte Os isoladores pilar, pino e suporte possuem as seguinte características dimensionais: diâmetro do dielétrico, altura, distância de arco, distância de escoamento, distância de escoamento específico, norma e classe de engate. Podemos conhecer nas figuras todas essas características. 9. Ensaios em Isoladores O ensaios em isoladores podem ser divididos em quatro grupos que são os ensaios de projeto, ensaios de tipo, ensaios de recebimento e os ensaios de rotina. 9.1 Ensaios de Projeto Atualmente visto somente em normas de ensaios de isoladores poliméricos, este tipo de ensaio tem por objetivo verificar a adequação do projeto, do material e do método de fabricação (tecnologia). A NBR traz uma tabela relacionando quais os ensaios que devem ser repetidos quando ocorre qualquer alteração no projeto de um isolador pilar polimérico[11]. 25

26 9.2 Ensaios de Tipo Os ensaios de tipo servem para verificar as principais características de um isolador que dependem, principalmente de seu projeto. Geralmente, quando se trata de um novo projeto ou um novo processo de fabricação do isolador, os ensaios de tipo devem ser realizados uma única vez, num pequeno número de unidades. No caso de alteração do projeto ou processo de fabricação, os ensaios devem ser repetidos. Quando ocorrer, e a mudança afetar apenas determinadas características do isolador, somente os ensaios de tipo referentes a essas características devem ser repetidos[13]. Os ensaios de tipo são os relacionados a seguir e devem ser executados de acordo com as prescrições da ABNT NBR 5032, ANSI C29.1 ou IEC [12]: Tensão suportável de impulso atmosférico; Tensão suportável à frequência industrial, sob chuva; Perfuração elétrica sob impulso de tensão; Radiointerferência; Poluição artificial; Verificação dimensional; Ruptura eletromecânica; Ruptura mecânica; Desempenho termomecânico; Resistência mecânica residual. A montagem dos isoladores para os ensaios em questão deve ser feita de acordo com a ABNT NBR 5032[12]. 9.3 Ensaios de Recebimento Os ensaios de recebimento destinam-se a verificar as características de um isolador sujeitas a variar com o processo de fabricação e com a qualidade dos materiais empregados. Os ensaios de recebimento são utilizados como ensaios de aceitação de uma amostra de isoladores retirados aleatoriamente de um lote que tenha atendido as exigências dos ensaios de rotina de sua respectiva norma. A NBR 5032 aceita a possibilidade do comprador dispensar um ou a totalidade dos ensaios 26

27 de recebimento, mediante a verificação de relatórios de ensaios previamente realizados pelo fabricante em isoladores equivalentes[13]. 9.4 Ensaios de Rotina Para Isoladores de vidro e Porcelana Os ensaios de rotina destinam-se a eliminar isoladores defeituosos e devem ser realizados durante a fabricação, sobre cada um dos isoladores produzidos. Admite-se que os ensaios de rotina podem ser acompanhados por inspetor credenciado pelo comprador, mediante prévio acordo comercial. No caso dos ensaios de rotina serem realizados pelo inspetor durante o recebimento, a amostragem máxima a ser ensaiada é de 10% do lote, mediante prévio acordo comercial entre fabricante e comprador, sendo o número máximo de falhas admitidas de 3% em cada ensaio. Caso o número de falhas seja maior, o lote deve ser considerado em desacordo com esta Norma e ser reprovado[13] Para Isoladores Poliméricos O objetivo dos ensaios de rotina é eliminar os isoladores bastão compostos poliméricos com defeitos de fabricação. Esses ensaios devem ser realizados sobre cada isolador produzido [13]. 27

28 CONCLUSÃO Os ensaios elétricos em alta tensão como visto ao longo deste trabalho são de extrema importância para verificar a qualidade dos equipamento que serão colocados em funcionamento na rede de transmissão e distribuição de energia elétrica. Para tais verificações se faz necessário o uso de dispositivos de alta tensão como os Geradores de Impulso Atmosféricos que permitem tais testes. Estes ensaios simulam a realidade sofrida por vários equipamentos que estando em campo sofrem com as condições climáticas impostas pela natureza como poluição, descargas atmosféricas etc. Além disso, tem-se as sobretensões por chaveamento que muitas vezes podem ser até piores devido a sua intensidade. Também, a região amazônica é uma área que devido aos altos índices de raios e sua umidade do ar faz com que os equipamentos de alta tensão sofram com maior intensidade, então é de extrema importância os diversos tipos de ensaios realizados em equipamentos que operarão nesta região para não interromper o fornecimento de energia elétrica. Nesse sentido os isoladores que apesar de serem equipamentos simples se tornam essenciais no sistema de transmissão e distribuição e sua falha pode causar grandes transtornos. Por isso seu acompanhamento desde a fabricação até sua instalação devem ser minuciosamente acompanhados e testados para não ocorrer falhas. Portanto, Laboratório de Extra Alta Tensão da Universidade Federal do Pará oferece a região norte a oportunidade de estar inserido no mercado de energia elétrica voltado para os diversos tipos de ensaios em equipamentos de Extra Alta Tensão como isoladores, cabos de alta tensão, transformadores etc. Além disso os profissionais da área tem a oportunidade de se qualificar e conhecer este campo que até pouco tempo estava concentrado na região sul e sudeste do país. 28

29 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] TELLÓ, M; DIAS, G.A.D.; RAIZER, A.; ALMAGUER, H.D.; MUSTAFA, T.I.; COELHO, V.L. Aterramento Elétrico Impulsivo em Baixa e Altas Frequências. 1 ed. Porto Alegre: Edipucrs, [2] REIS.R.P.A, Estudo de um Sistema de medição de Alta Tensão Impulsiva, Belo Horizonte, [3] SCHAEFER, C,J, Ensaio de Impulso Atmosférico e de manobra, São Paulo [4] ELETRONORTE, Teoria e Ensaios de Impulso de Alta Tensão [5] INTERNATIONAL ELECTRTECHNICAL COMMISSION. IEC : High- Voltage test technique Part 1: General definitions and test requirements. Geneva, [6] NAIDU, M. S.; KAMARAJU, V. High Voltage Engineering. 4th ed. New Delhi: McGraw-Hill Publishing Company Limited [7] HAEFELY,H.V. Manual do Equipamento Gerador de Impulso de Tensão [8] MELLO, Darcy. Isoladores Elétricos, Eletronorte, Belém [9] LAVIERI, Arthur. Isoladores Elétricos - componentes básicos para um sistema elétrico. Canal Energia. São Paulo, 23 de Fevereiro de [10] [11] NBR 15232: Isolador pilar composto para linhas aéreas de corrente alternada, com tensões acima de V, [12] NBR 5032: Isoladores para linhas aéreas com tensões acima de 1000 V Isoladores de porcelana ou vidro para sistemas de corrente alternada ; 2004 [13] MELLO, Darcy; GUIMARÃES, Fernando; CARVALHO, Silvia; BARROS, Ana. Ensaios em Isoladores e em Cadeias de Isoladores, Cigré-Brasil,

30 DIFICULDADES A principal dificuldade encontrada é com relação aos ensaios com os Isoladores elétricos pois devido a alguns problemas técnicos do Gerador de Impulso de tensão que não foram resolvidos pela fabricante não se pode desenvolver com profundidade os principais ensaios previstos em norma. Além disso, tem-se a dificuldade na montagem dos equipamentos para a realização dos ensaios pois como a maioria são muito pesados e requerem uso de outros componentes que ainda não temos no Laboratório fica inviável a realização de determinados ensaios específicos. Parecer do Orientador: A Bolsista vem desempenhando seu Trabalho de Pesquisa no Laboratório de Alta tensão da Universidade Federal do Pará, conforme previsto inicialmente em seu plano de trabalho. A mesma vem demonstrando grande empenho nas suas atividades de pesquisa, seguindo a proposta inicialmente estabelecida, tanto na parte teórica quanto prática de sua pesquisa de Iniciação Científica, o que vem também impactando positivamente em sua formação na área de Eng. Elétrica e equipamentos de sistemas de Potência. A Bolsista cumpre todos os seus horários de trabalho e vem avançado gradualmente em sua pesquisa, podendo com os resultados que ainda serão obtidos em Laboratório chegar a produção de Trabalhos científicos para submissão a congressos em sua área de pesquisa. Por estes motivos sou de parecer favorável a aprovação do presente relatório parcial de pesquisa PIBIC, 1º Semetsre de