Décimo Quinto Encontro Regional Ibero-americano do CIGRÉ Foz do Iguaçu-PR, Brasil 19 a 23 de maio de 2013

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1 COMITÊ B2: LINHAS AÉREAS DE ALTA TENSÃO: Aspectos especiais de projeto e ensaios de isoladores para LT s de corrente contínua J. F. Nolasco* L. F. P. Ferreira JFNolasco Consultoria Electrovidro Brasil Brasil RESUMO O informe ora apresentado mostra, resumidamente, alguns aspectos especiais de projeto, fabricação e ensaios de tipo em isoladores, necessários quando de sua aplicação em LT s de corrente contínua, como é o caso, por exemplo, dos dois Bipolos HVDC nº1 e nº2, ora em projeto e/ou construção para a energia gerada pelas usinas do Rio Madeira, no Brasil. Descreve-se de início, sinteticamente, o processo de fabricação dos isoladores, com ênfase à produção do vidro temperado. Menção resumida será efetuada ao caso de isoladores de porcelana. A peça de vidro para HVDC deve possuir altíssima resistência e baixa impureza. Para se obter essa elevada resistência, é necessário modificar a composição do vidro, com a adição de elemento alcalino, por exemplo. Para se conseguir um dielétrico com baixa impureza, adotam-se controles severos nos dielétricos fabricados. Estes controles se fazem por meio de ensaios adicionais aos normalmente realizados para dielétricos destinados a Corrente Alternada. A massa vítrea de isoladores para HVDC agride extremamente o refratário de revestimento do forno, logo, é fundamental prepará-lo para receber a formulação própria para HVDC. Há ainda outros parâmetros analisados e que fazem parte da tecnologia associada ao caso. Para reduzir o índice de quebras, choques térmicos adicionais são efetuados para evitar a incidência de inclusões, que afetam especialmente Isoladores para HVDC. Em seguida, o informe descreve alguns ensaios mais importantes para se medir a qualidade de um isolador a ser aplicado em CC, destacando-se: Ensaio de migração iônica: Permite verificar se o vidro é capaz de suportar a passagem de uma quantidade de carga em Coulomb, correspondente ao tempo de serviço, estimado em 50 anos (Q50); Ensaio de Avalanche térmica: O aumento da corrente Iônica, com a consequente migração dos íons em uma só direção nos isoladores submetidos a CC pode provocar um aumento local da temperatura e, como consequência, a diminuição da resistência nesta região. Este fenômeno pode levar o isolador ao processo de avalanche térmica. Esse fenômeno pode causar a explosão dos isoladores de vidro temperado ou perfuração para isoladores de porcelana. O ensaio simula essa condição. Ensaio de Tensão de impulso com frente de onda íngreme - Ensaio de perfuração sob impulso: O objetivo deste ensaio é verificar a qualidade do processo de fabricação dos dielétricos. Peças de vidro com defeitos possuem grande probabilidade de explodir durante esse teste. 1 / 9

2 PALAVRAS-CHAVE LT HVDC, Bipolo, Isoladores, ensaios elétricos, migração iônica, avalanche térmica, isolamento, HVDC, ensaio de onda íngreme. 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos tem-se assistido a uma impressionante tendência para linhas de transmissão em corrente contínua e alta tensão e se iniciam estudos variados da corrente contínua em média tensão, devido principalmente à evolução cada vez mais acentuada da tecnologia de VSC (Voltage Source Converters). A importância de uma correta aplicação de isoladores para CC se torna evidente, em especial devido às características dimensionais e de teste que diferenciam esses isoladores dos correspondentes para CA 2. ISOLADORES PARA LINHAS DE CORRENTE ALTERNADA E CONTÍNUA: ASPECTOS DE DIMENSIONAMENTO E FABRICAÇÃO 2.1 Aspectos de dimensionamento predominantes em CA e em CC Quando dos estudos elétricos para definição de cadeias de isoladores, o tipo de tensão se alternada ou contínua possui características peculiares, com os critérios de dimensionamento diferindo pelo menos em parte. Em CC, devido à polarização, a tensão operativa predomina na definição do tipo de isolador, exigindo-se uma linha de fuga da ordem de 1,5 a 2 vezes a mesma para CA. Em CA, as sobretensões atmosféricas ou de manobra costumam prevalecer no dimensionamento da cadeia. 2.2 Fabricação do vidro temperado Será apresentado um exemplo relativo a isoladores de vidro, mencionando-se resumidamente, quando for o caso, algumas diferenças mais importantes para os isoladores de porcelana. A linha de fabricação dos isoladores de vidro tem como aspecto mais marcante a obtenção da têmpera do vidro, aproximadamente na seguinte sequência apresentada na Figura 1: Matéria Prima e preparação Fusão Prensagem Têmpera Tratamento Térmico Figura 1 sequência fabricação do vidro Inspeção Recebimento da matéria prima: são realizados controles de verificação da conformidade com a especificação com o objetivo de assegurar a constância da composição química (ex: aspecto, granulometria, umidade, composição química, etc.); Processo de preparação da mistura: a dosagem de cada componente é realizada por processo automático. Na mistura são utilizados cacos de vidro retornados da produção. Não é permitida a utilização de sucata de vidro proveniente de outro processo. Processo de fusão: O dielétrico submetido a um campo unidirecional, como exemplo a aplicação em corrente contínua, necessita alta resistividade intrínseca. Uma das soluções para conseguir uma massa vítrea com esta característica é modificar-se a composição com a adição de elemento alcalino, porém esta modificação agride o forno e aumenta o risco de inclusões no dielétrico, tornando indispensável a utilização de refratário adequado. A operação do forno deve possuir um controle de processo contínuo e severo para analisar o fluxo do vidro, a temperatura da massa vítrea, das fontes de aquecimento, etc... 2 / 9

3 Processo de prensagem do vidro: O dielétrico de vidro é moldado de acordo com o perfil desejado a partir da gota de vidro com temperatura e viscosidade homogêneas. O molde deve ser rigorosamente controlado para evitar que cause defeitos no dielétrico moldado. Processo de têmpera: Consiste no resfriamento brusco do vidro através de jatos de ar direcionados adequadamente sobre toda a superfície do dielétrico. A temperatura de aquecimento do vidro antes da tempera será definida em função das dimensões, peso e perfil da peça de vidro, podendo alcançar aproximadamente 700 C. A têmpera produz no dielétrico elevadas tensões internas, distribuídas adequadamente: tensão de compressão na superfície até uma determinada espessura equilibrada pela tensão de expansão do núcleo, conforme demonstrado na Figura 2. A distribuição da tensão na peça de vidro depende do seu perfil e do projeto de resfriamento. Zona de compressão Figura 2 Zona de Expansão Após ser submetido ao processo de têmpera, o dielétrico de vidro adquire uma grande resistência a esforços mecânicos e tem um melhor comportamento às variações térmicas, não havendo possibilidade de perfuração ou propagação de fissuras no dielétrico. Em caso de quebra de um isolador de vidro temperado (rompimento do equilíbrio das tensões de compressão e expansão), seu dielétrico se fragmenta em milhares de pequenos pedaços. As vantagens dessa ocorrência são: Facilidade de inspeção (visual) Segurança na manutenção em linha viva Tratamento térmico: Ensaios de rotina devem ser realizados no dielétrico de vidro após a prensagem, em atendimento à Norma IEC e à especificação técnica, a saber: Choque térmico ar frio/quente > 300ºC dielétrico de vidro; Choque térmico ar quente/água >100ºC dielétrico de vidro; Exame visual/defeitos tipológicos dielétricos de vidro e porcelana; Nota: Para assegurar baixas taxas de quebra espontânea durante a vida útil do isolador para corrente contínua, se faz necessária a realização de ensaios térmicos adicionais aos exigidos na Norma IEC, com o intuito de comprovar a pureza do vidro, a qualidade da têmpera e o processo de moldagem. 2.3 Aspectos importantes no controle da fabricação de dielétricos para HVDC Para se conseguir um dielétrico de corrente contínua de alta qualidade e confiabilidade, são necessários: Controle de Processo para assegurar resistividade uniforme e conforme os valores especificados e a pureza do material. Ensaios adicionais aos normalmente realizados para dielétricos destinados a Corrente Alternada devem ser realizados para eliminar dielétricos com defeitos que podem ter sido gerados durante o processo de fabricação, como por exemplo, inclusão. 3 / 9

4 Para determinada unidade fabril iniciar a fabricação de dielétrico para Corrente Contínua, é necessário ter um forno preparado adequadamente para fabricação de dielétrico de alta resistividade e torna-se obrigatório realizar ensaios de tipo no vidro previstos na norma IEC MONTAGEM DO ISOLADOR As partes metálicas do isolador são unidas à peça de vidro com cimento aluminoso. Uma das principais características do dielétrico de vidro e do cimento é a grande resistência mecânica à compressão, portanto, as partes metálicas, em particular o pino, foram projetadas de forma cônica para exercer uma força de compressão na região de maior estresse mecânico do dielétrico (cabeça) durante o trabalho à tração do isolador em LT. Ver Figura 3. Campânula Cabeça Cupilha Cimento Anel de Zn aderente Luva de Zn aderente Vidro temperado de alta resistência Força de tração Figura Acessórios metálicos Pinos e Campânulas O isolador para corrente contínua deve possuir ferragens com proteção adicional contra corrosão. Baseadas na experiência de 25 anos da LT de Itaipu (600 HVDC), as especificações técnicas do projeto Rio Madeira contemplam galvanização reforçada com valores superiores aos definidos na norma IEC 61325, exigindo uma massa mínima de zinco das partes metálicas de: 903 g/m² (128 μm) como um valor médio para todas as amostras medidas e 805 g/m² (114 μm) como um valor médio mínimo para cada amostra. O pino deve possuir uma luva de Zn com um volume exposto superior a 5 g, conforme previsto na norma IEC As campânulas devem ser protegidas com um colar de Zn com uma área da seção transversal superior a 40 mm². A norma IEC exige que o colar possua um volume superior a 5g 3.2 Processo de montagem O processo de montagem do isolador é definido no fluxo demonstrado na Figura 4. As fotos 1 e 2 apresentam o isolador para corrente contínua em detalhe: Preparação partes metálicas União do Vidro, pino e campânula com cimento (vibração) Cura do Ensaio Mecânico de Limpeza e Inspeção CQ Cimento Rotina (*) colocação de cupilha de Inspeção Recebimento Figura 4 Fluxo do processo de montagem 4 / 9

5 Notas (*): a) O ensaio mecânico de rotina é realizado em 100% dos isoladores, aplicando-se uma carga de 50% da carga nominal de ruptura. b) Para isoladores de porcelana, o ensaio elétrico de rotina deve ser realizado conforme previsto em norma IEC Anel de Zn na campânula Peça de vidro alta resistencia e perfil antipoluição campânula Pino com luva de Zn Foto 1 Foto 2 4. ENSAIOS EM ISOLADORES PARA LINHAS DE CORRENTE ALTERNADA E CONTÍNUA A tabela a seguir apresenta os ensaios de tipo e amostragem exigidos em especificações e na norma IEC Nela, estão sinalizados os testes aplicáveis aos isoladores de LT s de corrente alternada (AC) e de corrente contínua (CC). Ensaios Amostragem Aplicação 1. Verificação dimensional 10 AC e CC 2. Ensaio de tensão de impulso atmosférico, a seco 1 cadeia reduzida com 5 isoladores AC e CC 3. Ensaio de tensão suportável de corrente contínua, a seco 3 CC 4. Ensaio de ruptura eletromecânica (porcelana) 10 AC e CC 5. Ensaio de ruptura mecânica (vidro temperado) 10 AC e CC 6. Ensaio de acumulação iônica 50 CC 7. Ensaio de perfuração sob impulso (frente de onda) 5 AC e CC 8. Ensaio de avalanche térmica 10 CC 9. Ensaio de tensão suportável à perfuração, em SF-6 10 CC 10. Ensaio na luva de zinco (pino) 3 AC e CC 11. Ensaio no colar de zinco (campânula) 3 CC 12. Resistência residual 25 AC e CC 13. Ensaio termomecânico 10 AC e CC 14. Ensaio de radiointerferência (TRI) 10 AC e CC 15. Impacto 10 AC e CC A taxa de quebra é um ponto de análise imperativo para a garantia do bom desempenho do isolador nas linhas de transmissão. 5 / 9

6 As especificações técnicas do projeto Rio Madeira exigem taxa de quebra máxima de dois isoladores/10.000/ano. Devido à abrangência do assunto e à limitação de tempo, serão abordados somente os principais testes relacionados à avaliação da qualidade do vidro e, consequentemente, da taxa de quebra, que foram realizados nos isoladores de 210 kn e 300 kn do projeto Rio Madeira, a saber: Ensaio de avalanche térmica Ensaio de acumulação iônica Ensaio de perfuração sob impulso (frente de onda) Nota: Todos os ensaios realizados atenderam a especificação técnica e as normas exigidas. 4.1 Ensaio de Avalanche térmica Os isoladores submetidos a CC podem apresentar o efeito da avalanche térmica, que é a migração dos íons que compõem a estrutura vítrea em uma só direção, tais como sódio Na+, potássio K+ etc. Esse processo, quando não se estabiliza, provoca a explosão do dielétrico para isoladores de vidro temperado ou perfuração para isoladores de porcelana. O ensaio de avalanche térmica tem como objetivo verificar se no isolador não ocorre esse efeito. Um dos fatores preponderantes para evitar esse efeito é um dielétrico que tenha resistência ôhmica elevada Procedimento do ensaio de avalanche térmica Durante este ensaio, dez isoladores foram colocados em uma estufa com circulação de ar forçada para homogeneização da temperatura em toda a estufa. A temperatura de ar na estufa e a tensão aplicada foram registradas durante todo o ensaio. As características principais e as condições do ensaio devem ser conforme Norma IEC e foram as seguintes: Parte 1: Pré ensaio: Tempo pré-ensaio: mínimo 8 horas Temperatura da estufa: mínimo 80ºC Parte 2: Ensaio de avalanche térmica: Tempo do ensaio: mínimo 8 horas Tensão aplicada no pino: Isoladores carga mecânica< 300 kn: +110 kv DC (-0% + 5%) Isoladores de carga mecânica 300 kn: +125 kv DC (-0% + 5%) Temperatura da estufa: mínimo 80ºC Parte3: Ensaio de aplicação de tensão: Após término das oito horas do ensaio, os isoladores devem ficar na estufa por um período de 30 minutos. Em seguida, devem ser submetidos à tensão suportável a seco em CC polaridade positiva durante um minuto para verificar a ausência de perfuração Critérios de aceitação O projeto do isolador é rejeitado se qualquer isolador sofre perfuração ou quebra durante os ensaios 4.2 Ensaio de acumulação iônica Este ensaio é de importância relevante, pois uma das principais funções do material dielétrico sob tensão em corrente contínua é suportar o fluxo contínuo ao longo do tempo da migração iônica gerada pela corrente unidirecional. A norma IEC define o procedimento do ensaio de acumulação iônica, que tem como principal objetivo assegurar que o isolador suporte sem quebra ou perfuração uma carga em coulombs que passará por ele durante sua vida útil (Q = 50 anos). 6 / 9

7 4.2.1 Procedimento do ensaio de acumulação iônica O ensaio foi realizado seguindo o procedimento definido pela Norma IEC Primeira etapa: Verificação da resistência do corpo do isolador que se faz na seguinte sequência: Resistência a 90ºC (R 90 ); Resistência a 120ºC (R 120 ); Resistência a 150ºC (R 150 ). A norma não exige valores mínimos para a resistência do corpo do isolador, porém é sabida a importância desse parâmetro no desempenho do isolador na LT. Baseadas na experiência da linha de transmissão de Itaipu (600 kvdc), as especificações da LT do Rio Madeira exigem um valor de resistência (R 120 ) mínimo de 2,9 GΩ. A temperatura do ensaio é definida a partir da medição de temperatura do corpo do isoladortestemunha. Esta temperatura é medida em um ponto no interior do isolador, conforme Figura 5 que mostra também como foi instalado o sensor de medição. Garante-se, assim, a medição real de temperatura no isolador e não no ambiente da estufa. A tensão aplicada no isolador para o cálculo da resistência é de 70 KV, sendo a medição da corrente realizada duas (2) horas depois que a temperatura do isoladortestemunha alcançou o valor desejado, a fim de assegurar a homogeneidade da temperatura do isolador. O fluxo a seguir apresenta o resumo dos ensaios realizados: Medição de resistência do dielétrico: Ensaio realizado às temperaturas de: 90 C, 120 C, 150 C 10 isoladores de cada modelo foram ensaiados. Valor de resistência especificada para a temperatura de 120 C: 2,9 GΩ (especificação cliente) Cálculo do tempo de ensaio: Com o valor da resistência obtida no ensaio anterior, é calculado o tempo do ensaio de acumulação iônica para uma carga em coulombs simulando 50 anos de vida do isolador (Q 50 anos ) O procedimento de cálculo está definido na norma IEC Execução do ensaio de acumulação iônica: São testados 50 isoladores de cada modelo. O tempo de ensaio varia em função da resistência medida e da temperatura do ensaio: tempo calculado do isolador testado: 21dias (temperatura do ensaio: 95 C) Nota: A corrente que atravessa cada isolador deve ser monitorada e registrada a cada 4 horas; o valor obtido é utilizado para calcular a carga média diária em coulombs que passa em cada isolador. A foto 3 apresenta o arranjo dos isoladores na estufa. Verificação do ensaio de tensão suportável em CC polaridade positiva e negativa: Concluído o ensaio de acumulação iônica, todos os isoladores devem ser submetidos à tensão suportável em corrente contínua durante 1 min, com o objetivo de verificar a ocorrência de perfuração no isolador. Tensão de ensaio: +/- 150 kv (valor especificado). Critério de aceitação: O isolador submetido ao ensaio de acumulação iônica deve suportar (Q 50 ) sem quebra (vidro) e sem perfuração (porcelana); O isolador submetido à tensão suportável em CC durante 1 min não pode apresentar descarga ou perfuração 7 / 9

8 Figura 5 Sensor para medição de temperatura do isolador Foto Tensão de impulso com frente de onda íngreme (Ensaio de perfuração sob impulso) A especificação técnica exige que o ensaio seja realizado conforme a norma IEC e que atenda a taxa de crescimento superior a 2500 kv/s. A tensão de ensaio era de 2,8 pu da tensão U 50% de impulso, conforme norma, resultando, portanto, nos seguintes valores da tensão aplicada: Onda positiva: 2,8*132 = +370 kv (com tolerância < kv) Onda negativa: 2,8*121 = kv (com tolerância < kv) A Norma IEC menciona uma tolerância da tensão de ensaios de 0+10%. Durante a calibração da onda para este ensaio, não foi possível atender as duas exigências (Taxa crescimento superior a 2500 kv/s e tensão de ensaio). Isso, provavelmente, requereria uma mudança expressiva, por exemplo, com gaps ponta-ponta ao invés de esferas, como o laboratório preparara. Foi decidido trabalhar com uma tensão mais elevada, ou seja, acima dos 10% da tolerância especificada. Com isso se aumentaria a energia aplicada ao dielétrico, com relação ao previsto. A decisão se situou, portanto, do lado da segurança. Foi sugerido incluir na especificação o seguinte texto: caso seja necessário, pode-se aumentar a tensão de ensaio a um valor superior à tolerância prevista na norma, a fim de se atender a taxa de crescimento exigida. Avaliação deste ensaio Os resultados obtidos nesses ensaios mostraram que os isoladores foram submetidos a uma energia superior à especificada, sem apresentar falha. Exemplificamos a seguir as faixas de tensão e inclinação de onda, obtidas nos 5 primeiros isoladores ensaiados. Polaridade positiva: tensões de pico entre kv e kv, em relação ao mínimo especificado de kv CC; Polaridade negativa: tensões de pico entre kv e kv em relação ao mínimo especificado de 373 kv CC; Já as inclinações da onda variaram entre 2635 kv/s e 3050 kv/s, contra um valor mínimo especificado de 2500 kv/s. Assim sendo, os isoladores foram aprovados dentro deste critério. 8 / 9

9 6. CONCLUSÃO Linhas de transmissão em HVDC, em função do campo unidirecional, necessitam de materiais específicos para resistir ao fluxo de migração iônica e ao efeito eletrostático. Os isoladores cerâmicos (vidro e porcelana) destinados a corrente contínua requerem dielétricos de alta resistência e ferragens especiais; na fabricação, um controle de processo específico para garantir a qualidade e confiabilidade dos isoladores nas LT s para manter a taxa de quebra dentro dos padrões exigidos. Todos estes processos são bem definidos e a maioria deles se baseia em norma específica e em experiência de campo (aplicação desses materiais há mais de 40 anos). As linhas de transmissão em HVDC são altamente estratégicas e não podem ser submetidas ao risco de desempenho insatisfatório em função de utilização de isoladores inadequados. Em comparação a materiais inertes e estáveis como os isoladores de vidro, outros materiais são suscetíveis a envelhecimento ao longo do tempo, ou seja, envelhecem. No caso de isoladores poliméricos não existem normas estabelecidas para aplicação em corrente contínua e são grandes as dificuldades para se definirem técnicas confiáveis para monitorar a inspeção nesses isoladores nas LT s. Quando do projeto de linhas de corrente contínua, atenção especial deve ser dada à definição dos isoladores das cadeias, pois os mesmos apresentam requisitos diferentes dos empregados em corrente alternada. No caso de conversão de linhas de CA em CC, será necessária a substituição dos isoladores por unidades com alta resistividade e com maiores distâncias de escoamento (linhas de fuga). BIBLIOGRAFIA [1] Cigré TB 388: Impacts of HVDC Lines on the Economics of HVDC Projects; August 2009 [2] IEC 61325: Insulators for overhead lines with a nominal voltage above 1000 volts ceramic or gas insulator units for d.c. systems - Definitions, test methods and acceptance criteria [3] IEC 60437: Radio-interference test on high-voltage insulators [4] World Congress & Exhibition on on Insulators, Arresters & Bushings Rio de Janeiro, Brazil; May / 9