POLIETILENO RETARDANTE À ARBORESCÊNCIA PARA CABOS DE LONGA DURAÇÃO. DOW Brasil S.A. DOW Brasil S.A. DOW Chemical S.A.

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1 XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI a 10 de outubro Olinda - Pernambuco - Brasil POLIETILENO RETARDANTE À ARBORESCÊNCIA PARA CABOS DE LONGA DURAÇÃO Márcio T. Alves Marcello Mori Ram Ramachandran DOW Brasil S.A. DOW Brasil S.A. DOW Chemical S.A. mtalves@dow.com mmori@dow.com ramachs@dow.com Palavras-chave: Arborescência; Redes de Distribuição Subterrâneas; Retardância à Arborescência; XLPE-TR. Resumo A utilização do polietileno reticulado (XLPE) na fabricação de cabos de energia para distribuição sempre associou o fato da mais baixa taxa de perda entre os isolantes. Dados comparativos com a borracha etileno-propileno (EPR), mostram que o EPR, além de um maior custo final de fabricação, apresenta maiores perdas dielétricas. São apresentadas neste trabalho as vantagens do material para isolação baseado no polietileno reticulado, contendo aditivo retardante à arborescência (XLPE-TR), em comparação aos principais isolantes utilizados em cabos de energia. Dentre as principais vantagens do XLPE-TR são salientados a menor perda dielétrica, característica dos polietilenos que é realçada nos resultados observados para este material que mostra valores inferiores aos do EPR, permitindo que seja analisado como um importante item no custo de aquisição do cabo. Mas sem dúvida alguma, a retardância da arborescência é a principal característica deste material, que colabora significativamente para o aumento da vida útil dos cabos de energia. É apresentado o método de laboratório de crescimento induzido de arborescências, bem como a análise dos resultados mostrando a resistência dos materiais no desenvolvimento destes defeitos. 1. Introdução O XLPE é utilizado como material isolante desde a década de 60, quando começou a ser usado na fabricação de cabos subterrâneos. A utilização deste material permitiu alcançar uma temperatura de operação de 90 C, com uma enorme vantagem sobre seu antecessor, o isolamento termoplástico de polietileno, que apresentava como temperatura máxima de trabalho 70 C, motivando desta forma uma significativa melhoria no desempenho dos cabos com a utilização do XLPE 1. Desde então o XLPE tem sido usado de maneira intensiva no isolamento de cabos de energia devido a suas excelentes propriedades mecânicas e elétricas. Apesar das inúmeras vantagens apresentadas pelo XLPE, como trata-se de um polímero isolante, portanto este composto como todo material polimérico está sujeito ao desenvolvimento do fenômeno da arborescência. O fenômeno da arborescência foi descoberto na década de 70, alavancando o desenvolvimento de novos materiais isolantes como o polietileno de alto peso molecular, contendo aditivo retardante à arborescência, para fazer frente ao problema recém-descoberto. 1/7

2 Na década de 90, a melhoria dos compostos utilizados como semicondutores na produção de cabos de energia vieram colaborar sinergicamente na minimização do fenômeno da arborescência. Nessa época, também ocorreu o início da utilização do XLPE como material isolante, contendo agente retardante à arborescência, que representou um dos mais importantes avanços no processo de redução de falhas no desempenho dos cabos de energia 2. É da década de 90 outros avanços da técnica que melhoraram o processo de redução das falhas devido ao fenômeno da arborescência. Podemos citar, como exemplos, a utilização de capas de polietileno de baixa densidade linear, que aliado à utilização de compostos semicondutores superlimpos/superlisos, que colaboraram no aumento da vida útil dos cabos de energia. A utilização de capas de polietileno de baixa densidade linear mostrou significativa minimização do fenômeno, mantendo o meio mais seco pela redução da permeabilidade da umidade nos cabos, enquanto que o uso de semicondutoras superlimpas/superlisas minimizaram, de maneira significativa, o aparecimento das arborescências no isolamento pela redução dos pontos de nucleação das arborescências na interface semicondutora/isolação dos cabos de energia ARBORESCÊNCIA A arborescência é apontada como a principal causa dos defeitos dos materiais isolantes dos cabos de energia. É um mecanismo de envelhecimento sob a ação do campo elétrico, que está presente em todos os materias poliméricos 2. O termo arborescência é aplicado ao fenômeno devido a sua forma característica de crescimento observada no isolamento de cabos de energia que nos lembra a forma semelhante de uma árvore, daí a associação do nome. A arborescência reduz consideravelmente a rigidez ou suportabilidade do isolante polimérico, causando como consequência a ruptura do dielétrico. A arborescência ocorre em todos os polímeros, mas em muitos casos a sua observação pode ser mascarada pela presença de cargas nos compostos utilizados como isolação, que impedem a sua visualização. Fato como este ocorre na observação do EPR utilizado como isolação, que induz um melhor desempenho frente à presença do fenômeno, devido à dificuldade na observação das arborescências neste composto carregado. Nos dielétricos sólidos a arborescência é reconhecida como sendo o principal mecanismo de falha elétrica e a resistência do dielétrico à ruptura será fortemente diminuída pela presença das arborescências 3. As arborescências são classificadas em dois tipos a saber: Arborescência Elétrica e Arborescência de Água. A arborescência elétrica tem sua origem em um ponto de solicitação elétrica elevada e divergente, e progride no dielétrico seco pelo crescimento através de descargas parciais. A arborescência elétrica foi descoberta em 1912 por Rayner, que analisou a influência da ruptura dielétrica na presença de descargas parciais 3. Geralmente, a direção de propagação da arborescência elétrica tem o sentido do campo, sendo que sua duração ocorre em tempos relativamente curtos, podendo variar de segundos, até alguns minutos. O crescimento da arborescência elétrica é acompanhada por descargas parciais, e sua presença pode ser mensurada sendo caracterizada pela geração de gás e luminescência. A arborescência de água cresce no polímero dielétrico sob a ação do campo elétrico e necessariamente na presença de umidade, sem apresentar descargas detectáveis. Pode surgir devido a problemas causados durante a fabricação do cabo, como vazios ou imperfeições, onde o campo elétrico não é homogêneo. A arborescência de água tem esta denominação porque a água é o principal componente ativo neste processo de degradação. A descoberta da arborescência de água é atribuída a Miyashita 3, que em 1969 reportou a presença do fenômeno no isolamento de enrolamentos de motores submersos. Trabalhos posteriores confirmaram a ocorrência do fenômeno tanto em polietileno de baixa densidade (PEBD) como em XLPE. Na figura 1 é mostrado o aspecto característico de uma arborescência de água em desenvolvimento observada na isolação de um cabo de energia. 2/7

3 Figura 1 Crescimento típico de uma arborescência em dielétrico polimérico 1. A nucleação da arborescência pode ser causada pela existência de vazios, pela presença de contaminantes ou nos casos mais comuns pela ocorrência de protuberâncias na interface semicondutora/isolação. Considerando que as arborescências constituem um meio dielétrico de maior permissividade que o circundante, o seu aparecimento muda a distribuição do campo elétrico local, fazendo com que seja aumentado no ponto do defeito, produzindo a ruptura dielétrica pontual, permitindo o crescimento do defeito no isolamento polimérico. Quanto maior o teor de água presente no isolamento maior será a permissividade, e assim será maior o risco do aparecimento das arborescências. Conforme mencionado, o risco da ocorrência da ruptura dielétrica é diretamente proporcional ao teor de água. As arborescências são consideradas por Miyashita 3 e por Xu 4 como a principal causa das falhas da isolação dos cabos de energia. As arborescências de água podem apresentar-se na forma de Gravata Borboleta ou do tipo Leque. As do tipo gravata borboleta, mais inofensivas, são observadas no interior do dielétrico, enquanto as do tipo leque, onde devem recair nossa maior atenção, crescem a partir da interface semicondutora/isolação. A importância das arborescências tipo leque se deve à grande possibilidade destas arborescências de água, evoluírem para arborescências do tipo elétrica, que por sua vez irão causar a falha no cabo devido à ruptura do dielétrico como último estágio do processo. A maior intensidade de propagação do crescimento das arborescências nos polietilenos normalmente utilizados como isolação é verificada nos materiais constituídos pelo polietileno de baixa densidade, quando comparado ao polietileno reticulado 5. O crescimento observado das arborescências em ambientes com a presença de íons dissolvidos na água tende a ser mais intenso, pois a presença de sais dissolvidos na água tende a acelerar o crescimento. 3. QUALIFICAÇÃO DE ISOLANTES Os testes de qualificação de materiais isolantes resistentes ao crescimento da arborescência são realizados de acordo com o procedimento da norma ASTM D , conhecido também como AWTT ou seja Teste de Crescimento de Arborescência de Água. Este procedimento é realizado conforme mostrado na figura 2. 5kV (1.6 kv/mm), 1 khz Fonte AC 0.01 M NaCl 3 micron 6.4 mm mm 0.01 M NaCl (~ 1,100 µs/cm) Terra 3.2 mm Variaveis: Tempo Condutividade Stress Frequência Temperatura Figura 2 Teste conforme ASTM D O teste como mostrado na figura 2 apresenta o esquema utilizado na qualificação dos materiais isolantes a serem analisados como resistentes à arborescência, pela sua maior ou menor facilidade do crescimento das arborescências, análise que se apresenta como fundamental para o bom desempenho 3/7

4 em campo. Por outro lado, a eficiência em campo é realizado através de testes específicos diretamente nos cabos da rede, como aquele que mede a resistência a impulsos de corrente (ACBD). Devemos salientar, como mencionado anteriormente, que quanto maior a incidência de arborescências em um cabo, situação esta comum após alguns anos de uso, maior será a redução da rigidez ou suportabilidade do isolante polimérico, causando, como consequência, a ruptura dielétrica. A figura 3 mostra o teste de AWTT em duas amostras compostas por XLPE e XLPE-TR. Tais resultados foram obtidos utilizando-se as mesmas condições de teste. A análise da figura 3 nos mostra, de maneira clara, a significativa melhoria observada pelo uso de material de isolação, contendo retardante à arborescência. XLPE 0,680 mm XLPE-TR 0,324 mm Figura 3 Efeito do retardante no crescimento das arborescências em XLPE e XLPE-TR 1. Nota-se para os valores mostrados que o tamanho da arborescência apresentada pelo XLPE é maior que duas vezes o valor apresentado para o XLPE-TR, mostrando a eficiência deste material frente ao fenômeno e fazendo com que seja esperado uma vida útil de longa duração para os cabos produzidos com este material. 4. VALOR PRESENTE REAL VPR Um dos fatores fundamentais procurados pelo mercado na escolha de um cabo de potência, após alcançados os requisitos técnicos, é sem dúvida alguma o preenchimento do fator econômico. Das várias ferramentas utilizadas atualmente para auxiliar na tarefa de se encontrar o cabo com melhor rentabilidade é o cálculo do Valor Presente Real VPR. O VPR mostra, no tempo presente, os custos e benefícios do produto ou material durante toda a sua vida útil. Esta ferramenta tem sido realçada devido a sua simplicidade e ao mesmo tempo pela segurança da visualização da melhor alternativa para a escolha, pelo usuário, dos materiais para cabos de energia 7. O VPR em sua análise econômica mais simplista avalia os seguintes itens: Fator de dissipação Tempo de Vida Útil Reposição de Bens a) Fator de Dissipação: Uma das vantagens da utilização do polietileno como material de isolação é sem dúvida o baixo valor do fator de dissipação, quando comparado a outros materiais para isolação. Na figura 3 é apresentada a variação do fator de dissipação como função da temperatura para isolantes à base de EPR e XLPE-TR. Tal característica torna os polietilenos, incluindo o XLPE e o XLPE-TR, os materiais mais utilizados atualmente, como isolante de cabos de energia. Note-se que o fator de dissipação do XLPE e do XLPE-TR são similares, devido a suas matrizes polimérica idênticas. 4/7

5 Figura 4 - Fator de Dissipação X Temperatura 1. Podemos salientar na figura 4 que o fator de dissipação do XLPE-TR torna este material um dos compostos de melhor custo-benefício, quando comparados aos demais isolantes disponíveis no mercado. Algumas concessionárias de energia ao realizarem a análise econômica dos materias isolantes já se decidiram pelo uso do XLPE-TR em comparação ao EPR. O resultado desta acertada escolha pelas concessionárias de energia pode ser facilmente observada na figura 4, onde a indicação do material de isolação para os cabos de energia recai no XLPE-TR, tendo em vista que este material apresenta o menor fator de dissipação quando comparado aos da série de EPR, que podem mostrar valores de até 25 vezes superiores aos observados para o XLPE-TR. b) Tempo de Vida Útil: Fator de Dissipação (%) EPR B EPR A Temperatura (C) XLPE-TR O fator de dissipação apresenta-se como um elemento chave na decisão da escolha do material de isolamento de melhor performance. Por outro lado, podemos observar que o fator de dissipação como apresentado na figura 4 é uma determinação pontual, mas devido às suas características esta perda associada ao fator de dissipação pode ser quantificada por um determinado período de tempo, como mostra a figura US$ / 100 km / Ano EPR " B " EPR " A " XLPE-TR kwh Temperatura, C Figura 5 Perdas anuais versus isolação 8. A figura 5 apresenta o somatório da energia perdida devido ao fator de dissipação computada por um período de um ano, utilizando diversos materiais de isolação, para um comprimento padrão de rede de 100 km. Os resultados foram avaliados em função da temperatura de operação do cabo, a um custo de 5 centavos de dólar por quilowatt/hora. Conforme apontado na figura 4, que apresenta os fatores de dissipação dos materiais isolantes, a utilização do EPR como acarretará perdas muito superiores quando comparadas as observadas para o XLPE-TR, que são comprovadas na figura 5 que mostra um aspecto mais realista das perdas acumuladas. c) Reposição de Bens: A análise do VPR conforme apresentado até então, mostrou a vantagem do reduzido fator de dissipação do XLPE-TR, bem como a vantagem competitiva deste material com a mínima perda acumulada em um período de tempo. Para a figura 5 é possível ainda uma extrapolação dos dados apresentados para um tempo de vida útil de 40 anos, para o caso da análise de um cabo produzido com XLPE-TR. Para os casos analisados os estudos foram realizados em comparação à isolação constituída por EPR. Os resultados destas análises já justificariam a aquisição de um cabo tendo como material isolante o XLPE-TR pelas 5/7

6 vantagens oferecidas. A análise apresentada na figura 6, por sua vez, compara materiais idênticos estruturalmente, mas diferentes quanto a duração de sua vida útil em função do XLPE-TR apresentar o retardante à arborescência que torna sua vida superior a 40 anos. A análise da figura 6 fornece uma visão do terceiro item da análise do VPR, ou seja a comparação de materiais tendo como base a reposição de bens. Valores Relativos Reposição Instalação Aquisição XLPE XLPE TR Figura 6 Custos comparativos de cabos de energia em 40 anos 9. Os cabos isolados com XLPE apresentam em média uma vida útil ao redor de 20 a 25 anos, em contrapartida, os cabos isolados em XLPE-TR apresentam uma vida útil média superior a 40 anos. Tendo como premissa que os custos de aquisição e instalação sejam semelhantes para os cabos que utilizam o XLPE bem como o XLPE-TR como isolantes. Desta forma para os mesmos 40 anos de vida útil esperados para o XLPE-TR, teremos um desembolso a maior para os cabos de XLPE de quase 100%, devido à necessidade de reposição do cabo de XLPE 12. A longa duração do cabo de XLPE-TR é assegurada pelos aditivos especiais que garantem a retardância do crescimento das arborescências. O VPN pode ser então estruturado tendo em vista a somatória dos valores observados nas várias etapas da utilização da ferramenta a saber: VPN = Valores obtidos na análise da dissipação de energia + Tempo de vida útil + Reposição de bens. Esta ferramenta, sem dúvida alguma, direcionará o usuário para a escolha do melhor material a ser utilizado como isolamento em cabos de energia. 5. CONCLUSÃO A utilização do material XLPE-TR, como isolante em cabos de energia, é uma tecnologia conhecida a mais de 20 anos nos países desenvolvidos. Seu intenso uso é o resultado das excelentes propriedades, bem como a vantagem econômica oferecida pelo uso deste material. Como principais vantagens deste material relacionadas neste trabalho, podemos apontar a temperatura de operação, a retardância à arborescência, o aumento do tempo de vida útil do cabo e a sua excelente rentabilidade determinada pelo o uso do VPR - Valor Presente Real, que mostrou a importância da ferramenta na análise econômica na escolha de materiais de isolamento. O XLPE-TR tem sido escolhido como isolante em cabos de energia subterrâneos, pela sua utilização em temperaturas de operação de 90 C, além de apresentar o menor fator de dissipação quando comparado a outros isolantes. Outra vantagem apresentada pelo composto é a propriedade de retardância a arborescência, que apresenta uma ligação íntima com os parâmetros que regem o processo de difusão. Desta maneira os parâmetros da difusão serão mandatórios no processo de crescimento das arborescências 2. Assim, a temperatura, a presença de contaminantes, bem como a própria estrutura do polímero base apresentam enorme influência no processo, mas a água exerce um caráter marcante no desenvolvimento da arborescência. Como a arborescência um processo que afeta a todos os polímeros e que a presença da água é comum nos materiais de isolamento principalmente nos ambientes de instalações subterrâneas, teremos como 6/7

7 única alternativa para se evitar a falha dos cabos a utilização dos materiais retardantes a arborescência ou seja o XLPE-TR. Outra vantagem associada ao uso do isolamento XLPE-TR é o aumento da vida útil de 20 a 25 anos estimado para o XLPE, para no mínimo de 40 anos para o XLPE-TR. A longa duração associada aos cabos com XLPE-TR faz com que na análise do VPR deste composto tenha uma melhor performance na análise de custo-benefício quando comparado a isolantes à base de EPR, pelas vantagens oferecidas pelo reduzido fator de dissipação característico dos polietilenos, que implica em uma menor perda acumulada durante o período de análise que pode englobar os 40 anos de vida útil mínima do cabo. Mas sem dúvida alguma a utilização do VPR na análise da reposição de bens apresenta, de forma clara, as vantagens do XLPE-TR quando comparado ao XLPE, para um tempo de operação de 40 anos, onde se faz necessário a reposição do XLPE. Desde que a premissa básica de uma concessionária é levar ao usuário a demanda de energia requerida com a menor perda possível, nos parece razoável a escolha XLPE-TR como material fundamental para constituir a isolação dos cabos de energia, em função das inúmeras vantagens aqui apresentadas. Pois o XLPE-TR mostrou de maneira substancial a capacidade de promover a melhoria dos padrões de qualidade e segurança no fornecimento e maximização da rentabilidade na distribuição da energia elétrica. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Carvalho, J. W., Transformação de Polietileno para Fios e Cabos, DOW, Carvalho, J. W., A Arborescência em Sólidos Dielétricos Analisada como um Típico Caso de Difusão. 8 Congresso Brasileiro de Polímeros, ABPol, Águas de Lindoya / SP, Novembro/ Miyahita, Y., et. al., Mechanism of Water Tree Generation and Propagation in XLPE. 3rd Int. Conf. Prop. Appl. Diel. Mat. Proc., p. 147, Tóquio / Japão, Xu, J. J., et al., The Chemical Nature of Water Treeing: Theories and Evidence. IEEE Trans. Elect. Insul., p. 29, v. 10, n. 5, Nunes, S. L., et al., Water Treeing in Polyethylene A review of mechanisms. IEEE Trans. Elect. Insul., p. 437, v. EL-15, n. 6, ASTM 6097, Standard for measuring the Propensity of Materials to Grow Water Trees, Chandak, P., Project Report on Underground Distribution Cable Economic Analysis, Georgia Institute of Technology, 1 st October, Ramachandran, S., et al., A Comparative Economic Analysis for Underground Distribution Cables Insulated with TR-XLPE and EPR. IEEE Transm. and Distr. Conference, New Orleans, EPRI, Distribution Cable Research Digest, /7