TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO OUTUBRO/2016 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO OUTUBRO/2016 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA ANÁLISE DO ENVELHECIMENTO DE ISOLADORES POLIMÉRICOS POR MEIO DA CORRENTE DE FUGA Lucas Gabriel Músico Orientador: Prof. Dr. Estácio Tavares Wanderley Neto Resumo - Este artigo investiga métodos de envelhecimento artificial de isoladores de poliméricos comparando-os com isoladores envelhecidos naturalmente ao tempo, levando em conta fatores elétricos como a corrente de fuga e a taxa total de distorção harmônica. Palavras-Chave: Isoladores poliméricos, isoladores de silicone, envelhecimento artificial, envelhecimento natural, corrente de fuga, THD. I INTRODUÇÃO Isoladores são elementos elétricos largamente utilizados na rede elétrica, para criar uma distância segura de um elemento energizado a uma região aterrada. São comumente encontrados em postes, linhas de transmissão, entradas de linha, entre outros. Fabricados de materiais cerâmicos, poliméricos e vidros, cada um deles possuindo suas vantagens e desvantagens. Desde os anos 60, os isoladores poliméricos sâo usados em equipamentos de transmissão e distribuição de energia elétrica em adição aos isoladores de cerâmica e de vidro. Isoladores poliméricos foram originalmente destinados a áreas urbanas com altos índices de poluição atmosférica e alto risco de vandalismo. Porém, seu uso tem se expandido em quase todos níveis de tensão. Por se encontrarem muitas vezes em ambientes agressivos, estão susceptíveis a condições que promovem o deterioramento de seu material, como a umidade, variação de temperatura, raios ultravioletas, poluição, etc. A substituição dos isoladores poliméricos aos isoladores de vidro e cerâmica ocorreu quando o seu custo passou a ser menor e também o fato de ser mais leve e ter melhor desempenho em ambientes agressivos. Dentre as vantagens dos isoladores poliméricos estão: são hidrofóbicos e, portanto, não permitem o acumulo de filmes de água em sua superfície, apresentam menor peso em relação aos isoladores de cerâmica e de vidro podendo-se diminuir o dimensionamento de torres e postes ou aumentar a distância ao potencial de terra, maior resistência mecânica, resistência à poluição, isoladores poliméricos não permitem o acúmulo de sujeira o que diminuiu os gastos com manutenção e limpeza. [2] As desvantagens desse tipo de isolador são que os danos mencionados são difíceis de se detectar e são vulneráveis à erosão e trilhamento. Pelo fato de isoladores poliméricos possuírem natureza orgânica, estão sujeitos a degradação ambiental e portanto, sua expectativa de vida é difícil de se prever. Por meio do envelhecimento artificial busca-se recriar condições semelhantes porém, mais intensas que os isoladores em ambientes agressivos estão sujeitos e assim estudar quais propriedades elétricas são afetadas no processo. Uma padronização dessa metodologia de estudo pode auxiliar na pesquisa e criação de novos isoladores mais resistentes e com um tempo de vida útil maior diminuindo a frequência de substituição dos isoladores existentes. II REFERENCIAL TEÓRICO Segundo Pinheiro (2008, p. 86) [1] vários pesquisadores a partir da década de 80 aumentaram a quantidade de experimentos em isoladores poliméricos devido ao aumento de sua utilização, mas até hoje a literatura carece de estudos que verificam as consequências da utilização de isoladores poliméricos em ambientes agressivos sendo que o campo de estudo é muito vasto. Porém os estudos até então realizados foram importantes por provarem que os isoladores poliméricos devido ao seu menor peso e, no caso dos espaçadores poliméricos, a possibilidade de suportarem 3 cabos, permitiram que a largura das linhas de transmissão e distribuição fossem diminuídas em mais de 60% alcançando assim o título de linhas compactas. 1

2 Segundo Pinheiro (2008, p. 88) [1], entre os defeitos típicos observados por equipes de manutenção da empresa Light (empresa de distribuição de energia elétrico do Rio de Janeiro) em materiais de redes compactas instaladas em ambientes agressivos, pode-se destacar: degradação presente no material dos cabos, espaçadores, amarrações e isoladores (trilhamento elétrico e erosão), devido a ocorrência de descargas parciais, rompimento de amarrações, espaçadores e cabos cobertos no ponto de amarração. Isolador A, do tipo ancoragem, material silicone (SI), 15 kv. Entre os defeitos que podem se originar a partir de condições ambientais adversas estão: diminuição da resistência superficial do isolador, deformação da geometria do isolador (diminuindo a distância isolada) e, consequentemente aumento da corrente de fuga. Garcia et al (1997 apud PINHEIRO, 2008) [3] em seu estudo utilizou isoladores poliméricos que passaram por sessões de envelhecimento acelerado para análise de suas características elétricas, mecânicas e de material em relação a isoladores poliméricos novos. O seu objetivo era justificar a possibilidade de continuidade na utilização de isoladores poliméricos envelhecidos, uma ação realizada por muitas empresas brasileiras. Após a análise não foi possível estabelecer uma classificação entre os isoladores, mas foi possível constatar que os isoladores de borracha de silicone se portavam melhor que os de borracha Etileno-Propileno-Dieno (EPDM) em condições de superfície, a partir da avaliação da corrente de fuga. Outra conclusão foi que a utilização do recobrimento de borracha de silicone em isoladores de vidros permitiu que eles apresentassem um desempenho elétrico comparável aos poliméricos. Isolador B, do tipo pino, material: polietileno de alta densidade (PEAD), 15 kv. III METODOLOGIA No presente artigo buscou-se métodos para a comparação e análise de isoladores de polietileno de alta densidade e silicone envelhecidos artificialmente em laboratório e traçar um paralelo com isoladores semelhantes envelhecidos naturalmente pelo tempo em condições ambientais, tendo em vista a corrente de fuga e a taxa total de distorção harmônica, fatores influenciados diretamente pelo deterioramento do material. Para fins de comparação, não serão mencionadas as marcas dos fabricantes dos isoladores utilizados na pesquisa. São eles: 2

3 Isolador C, do tipo ancoragem, material silicone, 15 kv. gerador de tensão alternada, do fabricante Haefely, do Laboratório de Alta Tensão da Universidade Federal de Itajubá. Foram observadas as formas de onda da tensão aplicada e da corrente de fuga. Para a corrente de fuga utilizou-se um resistor de 75 kω em série com os isoladores. Esquema elétrico do circuito de ensaio: Isolador D, do tipo pino, material PEAD, 15 kv. Mediu-se a tensão através do equipamento Pico-Scope ligado em um notebook com um software próprio. Foram colhidas 2 milhões de amostras para janela de 50 milissegundos programa picoscope gerou arquivos em.csv (valores separados por vírgula), onde a primeira coluna possuia a informação do tempo, a segunda da corrente e a terceira da tensão aplicada. A partir daí utilizou-se um programa no MatLab, para a realização da plotagem e cálculos dos fatores desejados. Lógica do programa utilizado foi: Para o envelhecimento artificial, os isoladores foram mantidos em um tanque a 60 C, com 1,5pu de tensão (12 kv) e chuva intermitente (10 minutos com chuva e 80 minutos sem chuva) e divididos em lotes com mesmo tempo de permanência nas dadas condições. Os isoladores envelhecidos naturalmente ficaram entre 4 a 12 anos sendo utilizados em campo em diferentes localidades. Tanto os isoladores envelhecidos artificialmente e naturalmente, foram submetidos a tensão de 8 kv (tensão nominal é 15 kv fase-fase, 8 kv fase-terra) em 60 Hz no 3

4 Gráfico 1: isolador A, horas de envelhecimento por corrente máxima de pico em µa Os resultados obtidos dos dois tipos de isoladores, foram comparados e referências entre as formas de onda, valor de pico e taxa total de distorção harmônica (THD) analisadas a fim de se observar relações entre o envelhecimento natural e o artificial. Gráfico 2: isolador A, anos em campo por corrente máxima de pico em µa IV RESULTADO E DISCUSSÃO Após a coleta dos dados e utilização do programa mencionado, montaram-se gráficos de cada isolador de cada lote de envelhecimento juntamente com os envelhecidos naturalmente. Os gráficos foram obtidos em uma janela de 50 milissegundos, em vermelho está a tensão aplicada ao isolador, 8 kv em 60Hz e em azul está a tensão sobre o resistor shunt de 75 kω em série com o isolador, o valor real da corrente foi obtido dividindo-se os valores da curva por O gráfico das componentes harmônicas foi montado abaixo, ressaltando-se cada componente harmônica inteira, juntamente com sua intensidade e a taxa total de distorção harmônica (THD). Gráfico 3: isolador B, horas de envelhecimento por corrente máxima de pico em µa Por conta da alta densidade de gráficos, optou-se por deixá-los em anexo, apresentando somente os gráficos comparativas dos valores obtidos. Denominaram-se isoladores tanque aqueles que foram envelhecidos artificialmente e isoladores campo os que foram envelhecidos naturalmente. 4

5 Gráfico 4: isolador B, anos em campo por corrente máxima de pico em µa Gráfico 7: isolador D, horas de envelhecimento por corrente máxima de pico em µa Gráfico 5: isolador C, horas de envelhecimento por corrente máxima de pico em µa Gráfico 8: isolador D, anos em campo por corrente máxima de pico em µa Gráfico 6: isolador C, anos em campo por corrente máxima de pico em µa Gráfico 9: isolador A, horas de envelhecimento por THD 5

6 Gráfico 10: Isolador A, anos em campo por THD. Gráfico 13: isolador C, horas de envelhecimento por THD Gráfico 11: isolador B, horas de envelhecimento por THD Gráfico 14: isolador C, anos em campo por THD Gráfico 12: isolador B, anos em campo por THD Gráfico 15: isolador C, horas de envelhecimento por THD 6

7 V CONCLUSÃO Gráfico 16: isolador D, anos em campo por THD Nos gráficos apresentados no anexo, pode-se observar a corrente de fuga com algum teor de harmônicos e adiantada da tensão. Esperava-se que em todos os casos os valores máximos de pico das correntes fossem se elevando conforme o número de horas que o isolador fora envelhecido, o que fortaleceria a hipótese de que o envelhecimento está favorecendo a corrente de fuga. Observa-se que a corrente máxima de pico em todos os isoladores envelhecidos artificialmente segue a tendência de que quanto maior o tempo no tanque maior a corrente de fuga se comparados os que passaram menos tempo com os que passaram mais tempo no tanque de envelhecimento. No isolador B, a tendência apresentou-se de forma linear, onde cada isolador mais velho apresentou corrente de fuga maior que o anterior. Nos isoladores A e C, a corrente de fuga se intensificou com o tempo de envelhecimento artificial, porém não apresentaram o mesmo comportamento linear que o isolador B, onde em duas ocasiões a corrente não seguiu ao padrão, no isolador A diminuindo nos isoladores de 2500 para 3000 horas e de 4500 horas para 7500 horas e no isolador C nos lotes de 0 para 1000 horas. No isolador D, a corrente de fuga, apesar de ter se intensificado com o tempo entre o isolador mais novo e o mais envelhecido, um padrão claro não pode ser observado, onde os lotes de 0, 1500 e 2000 horas possuem quase a mesma corrente de fuga, e os de 3000 e 3500 horas possuem maior corrente do que o de 4500 e 7500 horas. O teor de harmônico apresentou um comportamento linear e crescente apenas no isolador C envelhecido artificialmente. Em todos os outros casos, os valores apresentaram flutuação e um padrão não pode ser observado. Nos isoladores envelhecidos naturalmente, o aumento da corrente de fuga causado pelo envelhecimento não foi possível de se observar, com exceção do isolador C, pelo fato de poucas amostras terem sido obtidas e analisadas. Após o término deste trabalho, pode-se concluir que o envelhecimento de isoladores por meios controlados, exibe comportamento diferente aos envelhecidos naturalmente no sentido de que somente a idade é um fator determinante. Constatou-se que o um maior grau de envelhecimento agrava mais as condições de quantidade de corrente de fuga do que as taxas de distorção harmônicas totais. Porém algumas condições que se encontram no envelhecimento natural, não puderam ser reproduzidas em laboratório, tais como a presença de luz ultravioleta provinda do sol, poluição e outros elementos que se encontram na atmosfera e podem ou não afetar a condição de envelhecimento. Pode-se concluir de isoladores envelhecidos naturalmente que, quando comparadas suas propriedades elétricas, mais importante que o tempo que um isolador passou em campo é a localidade em que ele se encontrava instalado. Um isolador que envelheceu em áreas litorâneas possui maior degradação do material e consequentemente piores propriedades elétricas do que um que envelheceu em um ambiente urbano, que por sua vez possui maior degradação que um envelhecido no ambiente rural. Portanto, um estudo mais centralizado e menos generalizado focando uma área em específico poderia apresentar resultados mais conclusivos a respeito. O objetivo principal deste trabalho, que era traçar um paralelo entre o envelhecimento em laboratório e o natural, não pode ser completamente cumprido. Apesar das condições de agravamento da corrente de fuga terem sido observadas, as condições ambientais não puderam ser reproduzidas 100% em laboratório, o que compromete em parte a busca desse objetivo. VI REFERÊNCIAS [1] PINHEIRO, W. A corrente de fuga como parâmetro indicativo do estado de degradação de materiais poliméricos de rede compacta de média tensão, instalados em ambientes agressivos. 247 f. Tese (Doutorado em Egenharia). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, [2] Portal Electrotechnik - A website on engineering, Polymeric Insulators - an Overview. Disponível em: < Acesso em 01 de Outubro de [3] SALMAN, M. A. M. Aging of Polymeric Insulators (an overview). Reviews on Advanced Materials Science, São Petersburgo, v. 13, n. 2, p ,

8 VII Anexos 8

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