XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão a 25 Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO -VIII GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS DE ALTA TENSÃO - GSE METODOLOGIA PARA IDENTIFICAÇÃO E CORREÇÃO DE PONTOS QUENTES EM CONTATOS E CONEXÕES DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO BASEADA NA ANÁLISE DA DISTRIBUIÇÃO DA CORRENTE ENTRE ELEMENTOS QUE OPERAM EM PARALELO Gabriel Ângelo de B. Vieira Msc.* FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS João Bosco Dias FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS RESUMO Este trabalho analisa as principais causas de ocorrências de pontos quentes em contatos elétricos que operam em paralelo, tais como dedos de contatos de secionadores de alta tensão. Constata-se que uma desigual distribuição de corrente entre estes dedos de contatos, oriundos de problemas de montagem, manutenção ou da própria operação eletromecânica do secionador, é um dos principais causadores do problema de pontos quentes nestes equipamentos. Em função deste estudo, são propostos procedimentos que minimizam a ocorrência destes problemas. Os resultados são aplicáveis a uma variedade de situações onde uma dada corrente é conduzida por um conjunto de contatos em paralelo. PALAVRAS-CHAVE Detecção de ponto quente, Equipamentos elétricos de alta tensão, contatos elétricos INTRODUÇÃO A ocorrência de pontos quentes em contatos e conexões elétricas em geral e especificamente em contatos fixos e móveis de equipamentos de alta tensão tem sido um constante problema à operação dos sistemas elétricos de potência ao longo de décadas. A termografia tem sido intensamente utilizada como uma das principais ferramentas de manutenção preditiva para detecção dos pontos com temperaturas anormais nestes contatos. Constata-se que embora a técnica de termografia seja eficaz para detectar pontos com temperaturas anormais, os mecanismos causadores destes pontos quentes, ainda não estão completamente esclarecidos. Este trabalho oferece uma contribuição, analisando os efeitos da elevação de temperatura em contatos e conexões de circuitos que operam em paralelo, tais como dedos de contatos de secionadores de alta tensão, esclarecendo alguns mecanismos de evolução dos processos que facilitam a ocorrência de pontos quentes. A compreensão destes mecanismos em uma dada situação tem o objetivo de orientar o técnico em relação às quais ações de manutenção serão mais eficazes para evitar a ocorrência de novos pontos quentes nestes contatos, evitando retrabalhos e a indisponibilidade dos sistemas de transmissão associados. Como em muitos outros ramos da ciência, a solução de problemas que surgem do comportamento operativo de contatos elétricos, sob várias condições de operação, envolve diferentes áreas da tecnologia. A ocorrência, na maioria dos casos simultânea, de diversos fenômenos termodinâmicos durante a operação de um contato elétrico, acentua as dificuldades envolvidas para a obtenção de soluções definitivas para a eliminação dos problemas de pontos quentes em contatos e conexões elétricas. (*) Rua Real Grandeza, n 219 sala Bloco A CEP Rio de Janeiro, RJ, Brasil Tel: (+55 21) Fax: (+55 21) gavieira@furnas.com.br

2 2 Influenciada por diversos fatores, tais como; pressão de contato, condutibilidade dos dedos de contatos, temperatura ambiente, presença de filmes óxidos na região de contato, etc. o valor final da resistência será a grandeza determinante da potência dissipada por um dado contato elétrico e conseqüentemente de sua temperatura final de operação. Para cada geometria construtiva de um dado contato estará definida a máxima potência que o mesmo poderá dissipar a uma dada temperatura ambiente, sem que haja alteração de suas características construtivas ao longo de sua vida operacional. Neste trabalho serão analisados os resultados de vários experimentos, tais como: (a) estudo da variação da resistência de contato x pressão de mola em um contato de um secionador de alta tensão; (b) modelagem de um circuito equivalente para um conjunto de dedos de contato operando em paralelo em um equipamento de alta tensão, analisando-se o efeito das diferenças entre os valores das resistências de contato iniciais na distribuição de corrente entre os contatos operando em paralelo e o modo pelo qual este mecanismo atinge o equilíbrio final, onde a temperatura anormal de um ou mais destes contatos representa o fenômeno de ocorrência de ponto quente. A partir dos resultados destes experimentos, as seguintes questões foram respondidas: (a) qual a real distribuição das correntes entre dedos de contato que operam em paralelo, em função de suas resistências equivalentes a frio? (b) partindo-se de valores aleatórios das resistências de contato iniciais (valores de ajustes de montagem do secionador), qual a influência destes valores no ponto de equilíbrio térmico dos dedos de contato, quando o secionador conduz um determinado valor de corrente? (c) após o equilíbrio térmico quais as potências dissipadas por cada dedo de contato? (d) quais procedimentos de ajuste e/ou modificações ao nível de projeto poderiam eliminar ou minimizar a ocorrência de pontos quentes em contatos elétricos que operam em paralelo, responsáveis pela conexão de importantes circuitos de transmissão e distribuição de energia elétrica em todo o mundo? Alguns dos resultados obtidos destes estudos foram implementados nas rotinas de manutenção de secionadores de alta tensão na empresa Furnas Centrais Elétricas S.A., tendo sido constatado melhora significativa do comportamento operativo destes equipamentos em relação à ocorrência de pontos quentes METODOLOGIA DA PESQUISA Este estudo foi conduzido, com base na análise de problemas encontrados na operação de secionadores de 3160A dos sistemas de transmissão de corrente contínua (±600kV DC) e alternada (750kV AC) da energia proveniente da UHE Itaipu Binacional, utilizados para referência neste trabalho, e na realização de ensaios no Centro Técnico de Ensaios de FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. em contatos destes secionadores, buscando-se simular a condições reais de operação. Os resultados obtidos são aplicáveis a uma grande variedade de situações onde uma dada corrente nominal é conduzida por um conjunto de contatos em paralelo ENSAIOS E SIMULAÇÕES 3.1. Ensaio 1 - Variação da resistência de contato x pressão nos contatos do secionador de referência Objetivo do ensaio Determinar a variação da resistência de contato com o aumento da pressão de mola em um dos dedos de contato do conjunto de contatos fixos do secionador de referência. A Figura 1 mostra o berço do contato fixo deste secionador e a Figura 2 o suporte de contatos utilizado no ensaio com as mesmas características elétricas e mecânicas.

3 3 Figura 1 - Berço de contatos de secionador Figura 2 Conjunto de dedos de contato de de 765 kv e 3160A secionador de 765 kv e 3160A Influência da pressão de mola na resistência entre dedo e lâmina de contato As partes em contato são chamadas contatos membros, ou simplesmente contatos quando não houver possibilidade de má interpretação. Conforme as regras conhecidas dos circuitos elétricos, eles são chamados eletrodos ou anodos e catodos. A força, P, é a carga mecânica que os mantém juntos. As superfícies dos materiais nunca são perfeitamente lisas, e se os contatos membros são idealmente duros eles nunca deverão tocar um no outro em mais que três pontos. Em um material real, o contato é sempre deformável, elasticamente e plasticamente, sob a ação da pressão. Conseqüentemente, os pontos de toque iniciais, desenvolverão pequenas áreas, e novos pontos de contato serão estabelecidos por efeito da pressão entre os contatos. A soma de todas estas pequenas áreas de contato forma a área de sustentação de carga de contato, Ab, a qual é muito menor que aquela anteriormente suposta. Por exemplo, a área de contato de sustentação de carga entre uma escova e um anel deslizante pode ser 100 ou 1000 vezes menor que a área polida; a segunda área nós chamamos área aparente de contato, Aa. A Eq. (1) representa a relação entre a área de sustentação de carga, Ab, a carga de contato, P, e a pressão média, p, P = p Ab...(1) A pressão local deve variar de ponto para ponto e gera uma deformação elástica em alguns pontos e plástica em outros. Em muitos casos entretanto, a área inteira Ab deve deformar-se plasticamente. A área de sustentação de carga respeitado os aspectos de condução de corrente deve consistir de três diferentes partes como a seguir: a) Porções com contato metálico. Através delas a corrente passa sem resistência de transição perceptível na interface, justamente como ocorre entre diferentes cristais em um metal compacto. b) Pontos quase-metálicos. Estas são áreas cobertas de filme nas quais o filme é suficientemente fino para ser facilmente permeável pela corrente eletrônica (fluxo de elétrons) por meio do efeito túnel, não se relacionando à resistividade própria do material do filme. Filmes tipicamente desta espécie são as adesões ou camadas quimicamente absorvidos de oxigênio atômico, do ar, as quais são formadas em qualquer superfície metálica limpa (4). c) Áreas cobertas por filmes estranhos multi-moleculares, particularmente manchas visíveis de filmes (óxidos, sulfetos, etc.). Como uma regra, tais áreas são praticamente isolantes Procedimento de execução do ensaio Ao ser realizado o aperto da mola de compressão do dedo de contato, mediante o ajuste do parafuso de fixação/compressão, foi medido para cada valor de pressão aplicada, a respectiva resistência de contato entre o dedo e a lâmina de contato. O Gráfico 1 abaixo apresenta a relação entre a pressão aplicada à mola de compressão do dedo e a resistência da interface entre o dedo e a lâmina de contato. Resistência de contato Resistência de contato x Pressão da mola y = 5888,5x -0, Angulo de aperto do parafuso mola

4 Gráfico 01 - Resistência de contato da interface 4 dedo/lâmina de contato(µω) x Pressão da mola sobre o dedo 3.2. Cálculo da distribuição de corrente em um conjunto de contatos composto de 8 dedos de contatos fixos e uma lâmina de contato móvel Na condição operativa ideal em que os valores das resistências de contato de cada interface dedo/lâmina do conjunto são iguais, a corrente total se dividirá igualmente pelo número de dedos do conjunto em paralelo. A Figura 3 mostra o circuito equivalente do conjunto de 8 dedos de contato de um secionador multidedos Figura 3 - Dedos de contato operando em paralelo, dividindo a corrente total. Ino minal Idedo = ooo 1 ; este valor será definido como corrente nominal do dedo número.. dedos Se os valores das resistências de contato dedo/lâmina são desiguais; Sejam os valores das resistências dos dedos de contato, iguais a: Rd 1, Rd 2, Rd 3, Rd 4, Rd 5, Rd 6, Rd 7, Rc 8 E respectivas resistências de contato individuais para cada interface de contato dedo/lâmina; Rc 1, Rc 2, Rc 3, Rc 4, Rc 5, Rc 6, Rc 7, Rc 8 A resistência total entre dedo n e lâmina de contato; Rtotal _ dedo _ n( Rtd n ) = Rdn + Rcnooo 2 A resistência equivalente do conjunto operando em paralelo será: 1 R e = ooo 3 Rtd Rtd Rtd Rtd Rtd Rtd Rtd Rtd Queda de tensão entre suporte dos dedos e lâmina de contato; V= Requivalente x Ilinha o oo 4 Corrente no dedo n ; V Re I ( dedo n ) = = I linha ooo 5 Rdedo Rtd n

5 2 Ptotal ( dedo n ) = Rtd n ( I dedo n ) ooo Simulação da condição operativa em que a resistência da interface dedo/lâmina de contato móvel de um dos dedos do conjunto, é variada de 0,2 a 2pu de seu valor nominal e o valor das resistências das interfaces dedo/lâmina de contato dos outros dedos são mantidas iguais e constantes ao valor nominal 2 Os Gráfico 2 abaixo, mostra a variação não linear da corrente em um dado dedo de contato, quando este operando em paralelo com o restante dos dedos, tem o valor de sua resistência de contato com a lâmina móvel, variada de 0,2 a 2 pu do valor de resistência ajustado para o restante dos dedos. O Gráfico 3, apresenta a variação da potência dissipada por este dedo de contato para a mesma condição anterior. Múltiplo da corrente no dedo de contato Corrente Dedo x Resistência de Contato 3,6 3,2 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Múltiplo da resistência de contato Gráfico 2 -Variação da corrente x Resistência contato Potência no dedo de contat Potência Dedo x Resistência de Contato 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Resistência de contato Gráfico 2-Variação da potência x Resistência contato 3.4. Simulação de um conjunto de contatos operando em paralelo em um equipamento de alta tensão, analisando-se o efeito de uma desigual distribuição de corrente entre os dedos de contatos, na temperatura final de operação Ensaio para levantamento da variação da resistência da interface dedo/lâmina de contato por efeito do aquecimento produzido pela corrente na região de contato, onde para cada valor de corrente aplicada, foi atingido o equilíbrio térmico do conjunto dedo/lâmina de contato. NOTA 1: A referência (4) pág Tabela (8.11) apresenta a variação da resistência de contato com o tempo, por efeito da temperatura na região de contato, para várias condições de pressão de contato. 120% Redução da Rcontato x Temperatura Percentual de Redução da Rc 100% 80% 60% 40% 20% y = -0,2038x + 1,0514 0% 0,00 0,40 0,80 1,20 1,60 2,00 2,40 2,80 3,20 3,60 4,00 Multiplos da C orrente Nominal

6 Gráfico 2 - Resistência de contato do dedo ( µω) x 6 Múltiplo da corrente nominal NOTA 2 :Valor nominal da resistência da interface dedo/lâmina de contato móvel é o valor de resistência ajustado para a condição de operação dos dedos de contato, de forma que os mesmos operem satisfatoriamente, ou seja, sem pressão excessiva de mola, no caso de secionadores de alta tensão que utilizam molas para esta função. A equação (7) abaixo é o polinômio representativo da redução percentual da resistência da interface dedo/lâmina de contato por efeito do aquecimento produzido pela corrente. y = 0,2038x + 1,0514oo o 7 ; onde x é a razão entre a corrente transportada por um dedo de contato e a corrente nominal do dedo. Desta forma para um secionador, por exemplo; de 3160 A, cujo conjunto de dedos de contato é composto por 8 dedos de contato, a corrente nominal de cada dedo de contato será 3160/8 = 395 A para a situação em que todas as resistências de contato sejam iguais. Para o caso em que as resistências sejam diferentes, a corrente em cada dedo será dada por (5); V Re I ( dedon ) = = Ilinha ooo 5 Rdedo Rtd n Ilinha I ( no min al. dedo) = ooo 1 n Re I linha I * dedo Rtd n R n equivalent e Neste caso: x = = = o o o 8 I no min aldedo I linha Rtd n n dedo n. ; múltiplos da corrente nominal do O valor final da resistência de contato de um dedo após o equilíbrio térmico será dado por: Rc n * Re = Rc frio ( dedo..." n") ( 0, ,0514 ) oo 9 ; onde Re é a Rtd quente ( dedo..." n") o quente ( dedo..." n") resistência equivalente dada por: = ooo 3 R e Rtd1 Rtd2 Rtd3 Rtd4 Rtd5 Rtd6 Rtd7 Rtd8 Trata-se de um sistema de equações não lineares, onde o número de equações é igual ao número de dedos em paralelo em um contato fixo ou móvel. Para o secionador de 8 dedos em questão: Rc Rc 8 * Re = Rc frio ( dedo...1) ( 0, ,0514 ) oo 10 Rtd quente ( dedo...1) o quente ( dedo...1) 8 * Re = Rc frio ( dedo... 2) ( 0, ,0514 ) oo 11 Rtd quente ( dedo...2) o quente ( dedo...2) Rc quente ( dedo... 8) = Rc frio ( dedo...8) ( 0, * Re Rtd quente ( dedo...8) + 1,0514 ) ooo 12 Neste ponto, estamos aptos a responder parcialmente as segunda e terceira e questões propostas:

7 7 (b) partindo-se de valores aleatórios das resistências de contato iniciais (valores de ajustes de montagem do secionador), qual a influência destes valores no ponto de equilíbrio térmico dos dedos de contato, quando o secionador conduz um determinado valor de corrente? (c) após o equilíbrio térmico quais as potências dissipadas por cada dedo de contato? Serão utilizados para a simulação os valores de resistências de contato medidas nos ensaios realizados para o secionador de referência Corrente nominal do secionador: 3160 A Número de dedos do conjunto do contato fixo = 8 Resistência do dedo de contato = 20 µω Caso 1: Resistências de contato dedo/lâmina iguais: Rtd 1 = Rtd 2 = Rtd 3 = Rtd 4 = Rtd 5 = Rtd 6 = Rtd 7 = Rtd 8 = 336 µω Calcular o valor final das resistências de contato dedo/lâmina após o equilíbrio térmico; Calcular as correntes nos dedos de contato após o equilíbrio térmico; Calcular a potência dissipada nos dedos de contato após o equilíbrio térmico; Após simulação obtêm-se: Valor final das resistências de contato na interface dedo/lâmina após o equilíbrio térmico; R contato_quente = 267,84 µω; Correntes nos dedos de contato após o equilíbrio térmico: Idedos de contato = 395 A Potência dissipada por cada dedo de contato após o equilíbrio térmico = 44,4 Watts Relação entre a resistência de contato a quente e a resistência de contato a frio: Rcq 267,84 = 0, 85 Rcf 316,00 Caso 2: Resistência de contato dedo/lâmina de um dos dedos varia de 0,2 a 1 pu do valor nominal Rtotall(1-7) Rdedo 8 Rcont.8 % Rn Rtotal8 0 R1 1 -R7 1 Rtotall(1-7) % Rc % Rtotal R8 0 Rfinal(8) ,0% ,84 287,84 84,76% 85,67% 267,84 287, ,9% ,36 288,36 84,92% 85,82% 250,85 270, ,6% ,09 289,09 85,16% 86,04% 229,58 249, ,3% ,95 289,95 85,43% 86,29% 208,25 228, ,9% ,96 290,96 85,75% 86,59% 186,87 206, ,6% ,17 292,17 86,13% 86,95% 165,40 185, ,3% ,65 293,65 86,60% 87,40% 143,79 163, ,0% ,51 295,51 87,19% 87,95% 122,00 142, ,6% ,93 297,93 87,95% 88,67% 99,87 119, ,3% ,24 301,24 89,00% 89,66% 77,10 97, ,0% ,33 306,33 90,61% 91,17% 52,57 72, ,6% ,24 316,24 93,75% 94,12% 23,26 43, ,3% ,05 321,05 95,27% 95,55% 13,74 33, ,0% ,34 328,34 97,58% 97,72% 2,56 22,56 % Rn % Rn Re I1 1 -I7 1 I8 0 Ilinha P1 1 -P7 1 P8 0 Ptotal P8/P1-7 Pd/Ptotal 84,76% 85,67% 35,98 395,00 395, ,00 44,91 44,91 359,28 1,00 12,5% 83,62% 84,64% 35,76 391,83 417, ,00 44,27 47,14 357,05 1,06 13,2% 81,99% 83,19% 35,44 387,33 448, ,00 43,37 50,24 353,84 1,16 14,2% 80,10% 81,52% 35,06 382,09 485, ,00 42,33 53,77 350,08 1,27 15,4% 77,86% 79,56% 34,61 375,90 528, ,00 41,11 57,82 345,61 1,41 16,7% 75,18% 77,25% 34,07 368,47 580, ,00 39,67 62,51 340,19 1,58 18,4% 71,90% 74,45% 33,40 359,39 644, ,00 37,93 67,99 333,48 1,79 20,4% 67,78% 71,00% 32,54 347,98 724, ,00 35,78 74,47 324,94 2,08 22,9% 62,42% 66,60% 31,41 333,14 827, ,00 33,07 82,18 313,64 2,49 26,2% 55,07% 60,69% 29,82 312,80 970, ,00 29,47 91,44 297,76 3,10 30,7% 43,81% 51,83% 27,30 281, , ,00 24,29 102,55 272,60 4,22 37,6%

8 8 23,26% 36,05% 22,10 220, , ,00 15,42 112,73 220,66 7,31 51,1% 17,18% 33,74% 19,44 191, , ,00 11,75 111,84 194,12 9,52 57,6% 4,27% 28,20% 15,23 146, , ,00 7,06 102,72 152,12 14,55 67,5% 4.0. CONCLUSÕES (a) Qual a real distribuição das correntes entre dedos de contato que operam em paralelo, em função de suas resistências equivalentes a frio? As correntes se dividirão inversamente proporcionais aos valores das resistências individuais de cada interface dedo/lâmina de contato. O dedo de contato que na fase de montagem tiver sua mola mais apertada que as demais, já iniciará conduzindo uma corrente proporcionalmente maior e irá operar com temperatura mais alta que os demais. (b) Partindo-se de valores aleatórios das resistências de contato iniciais (valores de ajustes de montagem do secionador), qual a influência destes valores no ponto de equilíbrio térmico dos dedos de contato, quando o secionador conduz um determinado valor de corrente? Os dedos de contato que iniciarem o processo de condução da corrente, com maiores parcelas de corrente, devido a uma menor resistência total do conjunto, resistência do dedo+resistência da interface dedo/lâmina de contato, sofrerão maiores aquecimentos e por conseqüência, maiores reduções finais de suas resistências de contato, alimentando desta forma um processo de realimentação, que poderá levar à ocorrência de um ponto com temperatura anormal ou em um caso mais grave a uma avalanche térmica com a conseqüente fusão dos contatos. (c) Após a energização de um secionador, onde na fase de montagem ou manutenção, tenha ocorrido uma acentuada desigualdade entre os valores ajustados das pressões de mola e respectivas resistências de contato, como ficariam as correntes e potências dissipadas por cada dedo de contato, após o equilíbrio térmico do conjunto? Analisando uma das situações anteriormente simulada, onde a resistência de contato de um dedo, foi inicialmente ajustada para 60% do valor ajustado para o restante dos dedos, verifica-se que após o equilíbrio térmico, as seguintes condições são encontradas: O valor final da resistência da interface dedo/lâmina de contato deste dedo se reduz a 72% do valor inicial; Corrente conduzida por apenas este dedo de contato é da ordem de 2,5 vezes a corrente conduzida por qualquer dos outros dedos de contato; A relação entre a potência dissipada por este dedo de contato e a potência dissipada por um dos outros 7 dedos é da ordem de 2,5 vezes. Nesta condição operativa, este dedo de contato dará provável origem a um ponto quente com conseqüente destruição do contato. (d) Quais procedimentos de ajuste e/ou modificações ao nível de projeto poderiam eliminar ou minimizar a ocorrência de pontos quentes em contatos elétricos que operam em paralelo? Observa-se que a partir de uma determinada pressão de contato (ajuste da mola) a redução de resistência de contato é mínima. Em algumas situações é possível medir individualmente os valores de resistência ajustado. Durante a manutenção, a troca apenas de um dos dedos de contato do conjunto favorecerá a ocorrência de novos pontos quentes, pois o dedo de contato novo predominantemente apresentará resistência de contato inicial menor que os demais. Desta forma recomenda-se a troca do conjunto de dedos de contato. O uso de lubrificantes na região de contato deverá ser limitado apenas às situações onde o mesmo seja imprescindível para a operação dos contatos, pois em todos os ensaios realizados pelo autor, após o aquecimento, houve elevação da resistência de contato com o uso do lubrificante REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Desenvolvimento de Tecnologia Óptica para Medição Multiponto de Temperatura de Filtros de Harmônicos, REVISTA FURNAS -ANO XXXI Nº 324 SETEMBRO 2005 (2) Electric Power Applications of Infrared and Thermal Testing, Cap. 16, I. Maldague, Xavier X.P. II. Moore. Patrick O. III. Series: Nondestructive testing handbook (3rd ed.) ISBN

9 9 (3) Diagnóstico de Campo da Condição Operativa de Subestações de 138 kv através de Termovisão J.T. Barreto Junior, S. G. de Carvalho, M. J. de Oliveira, H. J. A. Martins e A. N. da Silva. (4) Eletric Contacts Handbook, Ragnar Holm Ed. Springer-Verlag Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1958