Estudo da Distribuição de Campo Elétrico em Isoladores Poliméricos: uma abordagem computacional e experimental

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1 SBSE - Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos Belo Horizonte MG a de abril Estudo da Distribuição de Campo Elétrico em Isoladores Poliméricos: uma abordagem computacional e experimental Ailton Lopes Souza Ivan José da Silva Lopes Universidade Federal de Minas Gerais Departamento de Engenharia Elétrica Abstract--O artigo investiga a distribuição de campo elétrico ao longo da superfície de isoladores poliméricos e seu aumento devido à presença de gotas de água nesta, por meio de simulações computacionais, utilizando o método de elementos finitos, e de experimentos laboratoriais. Diferentes fatores que afetam esta distribuição são analisados, dentre eles, as dimensões e a posição do de equalização, e a presença de gotas de água na superfície de isoladores. Além disto, medições de tensão de rádio interferência (RIV) são realizadas em um isolador de kv sob condições de superfície seca e molhada. Os resultados sugerem aumento considerável no campo elétrico, de forma a alcançar valores suficientemente elevados, ocasionando o surgimento de corona e o consequente envelhecimento precoce do isolador. Index Terms--Efeito corona, distribuição de campo elétrico, isoladores poliméricos, elementos finitos, RIV. A I. INTRODUÇÃO utilização de isoladores poliméricos mostra-se crescente em todo o mundo, destacando-se principalmente em países asiáticos. No Brasil, este processo se dá de forma menos acelerada, porém vem se intensificando nos últimos anos. Este crescimento se justifica nas vantagens apresentadas pelo polímero quando comparado aos materiais isolantes convencionais, porcelana e vidro. Dentre as principais vantagens dos polímeros estão características inerentes a este, como seu baixo peso e a hidrofobicidade, que proporciona seu melhor desempenho frente as condições de poluição. Particurlamente a hidrofobicidade confere ao isolador a capacidade de, quando em contato com a umidade, dificultar a formação de uma camada uniforme de água sobre sua superfície, limitando a passagem da corrente de fuga. Este trabalho teve o apoio financeiro fornecido pelo CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico). Ailton Lopes Souza (alopes@cpdee.ufmg.br), Ivan José da Silva Lopes (ivanlopes@ufmg.br) Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais UFMG, Av. Antônio Carlos, Belo Horizonte, MG. Devido ao seu emprego crescente, o conhecimento do comportamento dos isoladores poliméricos sob condições adversas tem se tornado de grande interesse. Estas condições podem conduzir ao surgimento de corona e descargas de banda seca na superfície do isolador, levando à perda da sua hidrofobiciadade, erosão do material e falha do isolamento [,]. Pesquisas e experiências de campo apontam para um forte relacionamento entre o efeito corona e o processo de envelhecimento em isoladores poliméricos [-]. Atualmente, é de conhecimento que o corona é responsável por uma série de efeitos, tais como o estresse mecânico devido a formação de carga espacial, a geração de radiação ultra violeta, ozônio, dentre outros[]. Recentemente, novos problemas relacionados à degradação e falha de isoladores têm sido reportados, fazendo com que modelos onde se incluam a avaliação do efeito das gotas sejam propostos []. O conhecimento da distribuição do campo elétrico ao longo da superfície do isolador polimérico tem ganhado grande importância [-]. Deste modo, a análise desta distribuição e de suas alterações sob condições de serviço, particularmente a influência da presença de gotas de água em sua superfície, é de interesse. Estes estudos auxiliam na prevenção de falhas devido aos danos causados pela exposição ao corona por longo período, assim como no projeto destes tipos de isoladores e de seus anéis de equalização. Dentro deste contexto, este trabalho tem por objetivo a avaliação da distribuição de campo elétrico ao longo da superfície de isoladores poliméricos por meio de simulações numéricas e experimentos laboratoriais. As alterações na distribuição devido à presença de água são investigadas. Um modelo eletrostático bidimensional simplificado é apresentado e verificado experimentalmente para um isolador polimérico de kv. Os resultados apontam para alterações na distribuição do campo elétrico que levam ao aparecimento de corona, causando envelhecimento precoce.

2 SBSE - Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos Belo Horizonte MG a de abril II. MODELAGEM BÁSICA As simulações numéricas foram realizadas utilizando um modelo bidimensional, cujas análises se deram por meio do emprego do programa FEMM [], o qual se baseia no método de elementos finitos. Inicialmente investigou-se o efeito da presença de uma gota em uma superfície isolante hidrofóbica, submetida a um campo elétrico uniforme. Este modelo básico pode ser visto na Fig.. Avaliou-se um arranjo composto de eletrodos submetidos a uma tensão constante. Entre os eletrodos inseriuse material isolante, ar e uma gota de água. O campo elétrico foi avaliado ao longo da superfície do isolante entre os dois eletrodos. A Fig. exibe o perfil do campo elétrico obtido na situação descrita anteriormente, ressaltanto o fato do aumento deste na junção tripla. Fig.. Visão tridimensional do perfil do campo elétrico, distorção devido presença de uma gota. Fig.. Modelo básico: gota inserida em campo elétrico uniforme, modelagem proposta. A partir da observação dos resultados apresentados na Fig., verifica-se um aumento e distorção no campo próximo à junção tripla: água, ar e isolante. A distorção no campo pode ser melhor visualizada ao se compor uma visão tridimensional deste, obtida pelas simulações bidimensionais avaliadas ao longo da superfície do isolante, com diversos cortes paralelos ao centro da gota. Em arranjos mais complexos há uma clara dificuldade no uso de modelos de duas dimensões, visto que a presença de estruturas adjacentes afeta a distribuição de campo. Deste modo, as análises e interpetações acerca das simulações devem ser realizadas com cuidado. Outro fato importante está em torno da deformação da gota com o campo e da formação de carga espacial, eventos não considerados no cálculo eletrostático. III. MODELAGEM DO ISOLADOR A partir do modelo básico iniciaram-se estudos em um arranjo mais complexo: um isolador polimérico de alta tensão. Para isto criou-se um modelo bidimensional deste isolador, o qual pode ser visualizado na Fig.. E alterado E uniforme Campo Elérico (V/m) (a) Distância (mm) Fig.. Modelo básico: gota inserida em campo elétrico uniforme, distribuição de campo elétrico. (b) Fig.. Isolador polimérico de kv (a) e seu respectivo modelo para análise computacional (b).

3 SBSE - Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos Belo Horizonte MG a de abril A. Anéis Equalizadores Para o estudo das alterações na distribuição de campo proveniente da utilização de anéis equalizadores utilizou-se um modelo baseado em isoladores de kv, visto que esta é a menor tensão em que, se é recomendado pelo fabricante, o uso de de equalização, não sendo seu emprego, portanto, obrigatório. Deste modo, é de interesse verificar a necessidade do seu uso, bem como da sua melhor configuração: posição de instalação e geometria. Para isto avaliou-se a redução na intensidade do campo causada pela variação de um de seus parâmetros: raio do (r), raio do tubo do equalizador (rtubo), e altura (h) do em relação à terminação energizada. As curvas geradas podem ser vistas nas Figs. a, onde o campo foi avaliado a. mm da superfície do isolador. Como o intuito deste estudo é a averiguação da influência do, o campo no interior das saias não foi avaliado para melhor comparação entre resultados. h = -cm h = cm h = cm h = cm 9 Fig.. Influência da altura de instalação do de equalização no Campo Elétrico. r = cm r = cm r = cm r = cm redução do valor máximo. Deste modo, o posicionamento do um pouco acima da terminação energizada alcança maior redução do campo. Com relação ao raio do de equalização, vê-se que este não apresenta redução significativa na intensidade do campo, sendo que o posicionamento do muito próximo ao isolador não mostrou nenhuma redução significativa na superfice deste, este fato é evidenciado pela Fig.. rtubo = cm rtubo = cm rtubo = cm rtubo = cm 9 Fig.. Influência do raio do tubo do de equalização no Campo Elétrico. A Fig. apresenta a variação do campo com o raio do tubo do de equalização. Por meio desta, constatou-se que este parâmetro possui grande relevância na redução do campo, alcançando cerca de % de redução. O aumento deste raio proporciona redução no campo, passando por um ponto ótimo, a partir do qual esta redução diminui. Vale ressaltar que a redução não ocorre independente para cada parâmetro, sendo um problema que envolve a otimização de três variáveis. Mesmo assim, este tipo de estudo apresenta a influência, de forma intuitiva, dos parâmetros individualmente na redução do campo elétrico na superfície do isolador. com sem 9 Fig.. Influência do raio do de equalização no Campo Elétrico. Verifica-se, pela análise da Fig., que a altura de instalação do de equalização é um fator importante na redução do campo nas proximidades da fase, com cerca de % de Fig.. Comparação entre campo elétrico com e sem equalizador.

4 SBSE - Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos Belo Horizonte MG a de abril A Fig. exibe a maior redução do campo obtida pelo ajuste manual do de equalização, com amplitude cerca de vezes menor que na ausência do. Esta redução foi obtida pela configuração com diâmetro do, diâmetro do tubo e altura do em relação à terminação energizada de. cm,. cm, e. cm respectivamente. B. Isolador Parcialmente Molhado A fim de se verificar a influência de gotas de água depositadas na superfície do isolador, elaborou-se um modelo baseado em um isolador polimérico de kv molhado, visualizado na Fig. 9 juntamente com seu contorno. Cada gota foi modelada por uma semi-esfera tendo. cm de diâmetro e ângulo de contato com a superfície do isolador de 9 (o que corresponde a um alto grau de hidrofobicidade). As permissividades relativas utilizadas para o isolador, ar e água foram.,. e. respectivamente. A Tabela I resume os resultados obtidos pela análise computacional dos modelos do isolador seco ou molhado, na ausência ou presença do de equalização. Por sua análise, observa-se que a ausência de equalizador pode conduzir à formação de corona, quando o isolador for submetido à umidade, visto que o valor de campo crítico está em torno de. kv/cm []. Este valor refere-se a um campo médio local. Campo Elétrico (kv/cm) Campo Elétrico Campo Elétrico médio Fig.. Campo elétrico calculado e sua média local correspondente para isolador molhado. IV. ENSAIOS (a) Fig. 9. Isolador sob teste (a) e seu respectivo contorno (b) para estudo do efeito da umidade. A Fig. apresenta a distribuição de campo elétrico ao longo do isolador polimérico de kv molhado e com de equalização instalado, destacando os primeiros cm junto à terminação energizada, onde a maior parte da tensão é sustentada e, portanto o campo é mais intenso e propenso à formação de corona. Vê-se ainda que a presença de gotas na superfície do isolador aproximadamente dobra o campo médio, além de aumentar a distorção deste, fato evidenciado pela Tabela I. (b) TABELA I Valores de campo elétrico calculados Condições do Isolador E max (kv/cm) E medio (kv/cm) Seco e sem.. Seco e com.. Molhado e sem.. Molhado e com.. As alterações na distribuição de campo devido à presença de gotas de água na superfície do isolador foram experimentalmente averiguadas em laboratório, por meio da medição da tensão de rádio-interferência (RIV) avaliada em um isolador polimérico de kv. A Fig. apresenta a representação do circuito de teste enquanto que a Fig. mostra uma visão do arranjo experimental no laboratório. Fig.. Representação esquemática da montagem experimental para medição de RIV. O procedimento adotado para realização dos ensaios consistiu em se medir o RIV gerado pelo isolador, enquanto a tensão aplicada foi aumentada de a kv em passos de kv. Na primeira parte do experimento o isolador estava seco. A tensão foi elevada a kv por três vezes e a média do RIV para cada passo de tensão foi calculada. Na segunda etapa do experimento, o isolador foi molhado por meio de um spray, e repetido o procedimento de medição anterior. A Fig. (a) mostra a foto do isolador sob teste, enquanto a Fig. 9 as primeiras quatro saias deste após ter sido molhado.

5 SBSE - Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos Belo Horizonte MG a de abril praticamente o mesmo. Este resultado está de acordo com o discutido anteriormente, obtido por medições de RIV. Isolador Seco Isolador Molhado. E (kv/cm) Fig.. Montagem experimental. V. RESULTADOS E DISCUSSÕES O valor de RIV médio medido para as condições da superfície seca e molhada do isolador é apresentado na Fig.. Como pode ser visto, para o isolador molhado o nível de RIV é sempre maior que seu correspondente nível para o isolador seco, o que indica um campo elétrico elevado nas proximidades de sua superfície. Para as duas situações, a curva mostra um nível constante de RIV em torno de db. Entretanto, para o isolador seco este platô ocorre entre e 9 kv, tensão próxima à nominal em um sistema de kv. Para o isolador molhado este platô ocorre à uma tensão menor, entre e kv. A tensão para alcançar db de RIV é cerca de % menor para o isolador molhado. Esta situação indica que o isolador molhado é mais propenso à formação do corona em tensões menores quando comparado ao isolador completamente seco e limpo.. 9 Tensão (kv) Fig.. Campo Elétrico médio simulado para os primeiros cm próximo à terminação energizada para isolador seco e molhado. A Fig. mostra o correspondente perfil do campo elétrico obtido nos primeiros. cm ao longo da superfície do isolador para este nas condições seco e molhado. Nota-se um aumento súbito do campo elétrico devido a presença de gotas de água, o que ocaisona uma elevação do campo elétrico médio na região próxima à terminação energizada. Isolador Seco Isolador Molhado 9 Isolador Seco Isolador Molhado E (kv/cm) RIV (db) 9 Tensão (kv) Fig.. RIV médio obtido em ensaios controlados para isolador seco e molhado. Com o objetivo de se estabelecer uma relação entre o campo e o RIV medido, o campo elétrico médio, para as situações de ensaio, foi avaliado computacionalmente, conforme Fig.. Como se pode observar, próximo a kv (isolador molhado) e a kv (isolador seco) o campo elétrico médio é Distâcia (cm) Fig.. Intensidade de campo elétrico calculado nos primeiros cm ao longo da superfície do isolador para kv de tensão aplicada. Os resultados apresentados ao longo do trabalho por meio de simulações e comprovados pela medição de RIV, sugerem a formação do corona quando os níveis de campo elétrico ultrapassam. kv/cm, valor este baseado em estudos previamente realizados []. Deve-se ressaltar, no entanto, que o valor de campo elétrico para início do corona não pode ser considerado um valor fixo. Como o processo de formação do corona, assim como o de sua auto-sustentação, é determinado por um campo elétrico não uniforme distribuído em uma região próxima ao eletrodo, este valor de campo é função da geometria dos eletrodos e da distribuição espacial deste campo.

6 SBSE - Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos Belo Horizonte MG a de abril Conforme Fig., pode-se dividir a região na qual se deseja avaliar a existência do corona em três regiões distintas []. Uma região denominada ativa ou de brilho, onde ocorre a ionização, localizada geralmente bem próxima ao eletrodo ativo. Uma região de deriva, onde o campo elétrico não possui intensidade suficiente para acelerar elétrons e, portanto não ocorre ionização. E uma região de carga espacial livre. Fig.. Esquemático da descrição das regiões de descarga por corona. A ionização por colisão ocorrerá e se auto-sustentará somente quando o critério de Townsend se verificar, ou seja, quando a taxa de ionização na região ativa, a qual varia espacialmente ao longo desta, gerar elétrons suficientes para sustentar o fenômeno []. Desta forma, o campo a ser considerado para a formação do corona depende da geometria do eletrodo e deve ser avaliado ao longo da região de brilho. O valor até aqui considerado,. kv/cm, é uma estimativa, devendo ser verificado para cada situação. Os autores atualmente investigam os modelos propostos na literatura para definição de um critério de início de corona que possa melhor expressar as diferenças entre os níveis de RIV constatado nos experimentos com isolador seco e molhado. VI. CONCLUSÕES A distribuição de campo elétrico ao longo da superfície de isoladores poliméricos de alta tensão foi numericamente e experimentalmente avaliada, sob condições de superfície seca e molhada. Adicionalmente um estudo sobre o posicionamento do de equalização foi apresentado. Um modelo bidimensional simplificado foi utilizado para as simulações numéricas, empregando-se o método de elementos finitos. A distribuição de campo foi obtida por meios computacionais e comparada com experimentos desenvolvidos em laboratório, onde se foi medido o RIV para as condições do isolador polimérico de kv seco e molhado. Os resultados mostram que o aumento do campo elétrico devido à presença de gotas de água na superfície do isolador é considerável, alcançando valores que levam ao aparecimento do corona, constatado pelas medições de RIV. Este fato pode conduzir ao envelhecimento precoce do material. VII. REFERÊNCIAS [] A. E. Dickson, J. P. Reynders; The effects of corona on the surface properties and chemical composition of silicon rubber insulators ; Proceedings of the IX Intl. Symposium on High Voltage Engineering; pp. - ; 99. [] E. A. Cherney; Silicone rubber dielectrics modified by inorganic fillers for outdoor high voltage insulation applications ; Proceedings of the Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena; pp. -9,. [] V. M. Moreno, R. S. Gorur; Impact of corona on the long-term performance of nonceramic insulators ; IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation; Vol., No., pp. -9,. [] B. Pinnangudi, R. S. Gorur, A. J. 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Raju; Dielectrics in Electric Fields ; Marcel Dekker, Inc.,. VIII. BIOGRAFIAS Ailton Lopes Souza é aluno do curso de pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Graduou-se em Engenharia Elétrica pela UFMG em. Suas principais áreas de interesse são engenharia de alta tensão e compatibilidade eletromagnética, nas quais desenvolve pesquisa atualmente. Ivan J. S. Lopes é Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) desde 99. Graduou-se em Engenharia Elétrica e recebeu o título de Mestre em Engenharia Elétrica pela UFMG, em 9 e 99, respectivamente. Em recebeu o título de Ph.D. em Engenharia Elétrica e de Computação pela University of Waterloo, Canadá. Sua área de atuação inclui a engenharia de alta tensão e suas aplicações, materiais dielétricos e isolamento elétrico, e compatibilidade eletromagnética.