Curso de Isoladores. Dimensionamento de isoladores sob condições de poluição. CEs D1 e B2. Darcy Ramalho de Mello

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1 Curso de Isoladores Dimensionamento de isoladores sob condições de poluição Darcy Ramalho de Mello Rio de Janeiro, 20 e 21 de Junho de CEPEL

2 Introdução O desempenho de isoladores usados em linhas de transmissão, em redes de distribuição e em subestações é um fator chave na confiabilidade dos sistemas de potência. Os isoladores devem não somente suportar a tensão de operação, mas também suportar sobretensões sem redução do seu desempenho que possa causar distúrbios, descargas disruptivas ou falha operacional. A redução do desempenho de isoladores para uso externo ocorre principalmente devido à poluição depositada sobre as superfícies isolantes que pode formar uma superfície total ou parcialmente condutora quando umidificada.

3 Introdução Agentes responsáveis pela umidificação da camada poluente (71% das descargas disruptivas) Percentual de descargas disruptivas em isoladores tipo suporte de porcelana em função das condições ambientais (Total de 568 descargas disruptivas)

4 Introdução A presença desta camada total ou parcialmente condutora é que indicará o desempenho que pode levar a ocorrência de uma descarga disruptiva. É impraticável, em muitas situações, evitar a formação desta camada condutora e consequentemente, os isoladores devem ser projetados de modo a evitar a ocorrência de uma descarga disruptiva. Está claro que o ambiente onde o isolador deve operar, junto com o isolador propriamente dito, determinará a severidade da camada de poluição sobre o isolador.

5 Introdução A tradução do ambiente em parâmetros que podem ser usados para projetar o isolamento apresenta, contudo, um dos problemas fundamentais no projeto de um isolamento externo com respeito à condição sob poluição. Isto é devido à ampla faixa de condições possíveis tais com a encontradas na região costeira, em regiões industriais e em áreas desérticas, assim como regiões com gelo e neve em altitudes elevadas. Um fator complicador é que as condições ambientais possuem seu próprio comportamento estatístico e isso é muitas vezes impossível de predizer.

6 Introdução Além disso, deve ser considerado o fator humano pois o aumento da disponibilidade de energia em um determinado local, com a construção de uma subestação, permite o aparecimento de um parque industrial, aumentando a poluição na região e consequentemente sobre os equipamentos da subestação. Este exemplo mostra como é difícil quantificar o efeito da poluição sobre um isolador a médio e longo prazo.

7 Antiga norma IEC A antiga norma IEC era um guia de poluição que foi publicado em 1986, baseado nos princípios estabelecidos durante a década precedente. A norma antiga apresenta diversas deficiências como: não levava em consideração a orientação de montagem; limitada para aplicação somente até a classe de 525 kv; não fala sobre o efeito da altitude; não se aplica a equipamentos em corrente contínua nem a isoladores poliméricos; o conceito de distância de escoamento apresenta uma visão simplista não abrangendo informações sobre o tipo de poluição, o perfil do isolador, as condições climáticas, etc.

8 Definições Distância de escoamento específica unificada (DEEU): distância de escoamento de um isolador dividida pelo valor eficaz da máxima tensão de operação ao longo do isolador Nota: O valor de tensão a ser empregado é fase-terra e não fase-fase como usado na norma antiga. Isto implica em um valor 1,732 vezes maior que o usado anteriormente.

9 Definições Densidade superficial de depósito de sal equivalente (DDSE): quantidade de cloreto de sódio (NaCl) que, quando dissolvida em água desmineralizada, fornece a mesma condutividade volumétrica do depósito natural de poluente removido de uma dada superfície do isolador dividida pela área dessa superfície, sendo geralmente expressa em mg/cm 2

10 Definições Densidade superficial de depósito não solúvel (DDNS): quantidade de resíduos não solúveis removidos de uma dada superfície do isolador dividida pela área dessa superfície, sendo geralmente expressa em mg/cm 2 Severidade da poluição local (SPL): valor máximo ou da relação DDSE/DDNS ou da SEL, registrado ao longo de um determinado período de tempo

11 Definições Salinidade equivalente local (SEL): valor da salinidade de um ensaio de névoa salina, executado de acordo com a ABNT NBR 10621, que fornece valores de pico de corrente de fuga comparáveis com os valores obtidos com um isolador semelhante, poluído naturalmente, energizado com a mesma tensão. Geralmente expressa em kg/m 3

12 Seleção e dimensionamento de isoladores A seleção adequada de isoladores a partir de um catálogo deve ser baseada: nas necessidades do sistema; nas condições ambientais. O grau de confiabilidade de que o tipo e dimensões do isolador tenham sido corretamente selecionados depende dos dados disponíveis, tempo e recursos envolvidos no projeto e varia de acordo com as decisões tomadas durante o processo de seleção, que pode ter três abordagens.

13 Seleção e dimensionamento de isoladores Três fatores são fundamentais na seleção da geometria mais apropriada de um isolador : O modo como a poluição se deposita na superfície do isolador; O modo como a poluição é naturalmente lavada; A natureza do contaminante, ou seja, se ele possui elevada quantidade de componente inerte que se acumula em grossas camadas ou se ele é bastante solúvel e condutivo, mas que é facilmente lavado.

14 Dados de Entrada Solicitações do sistema Condições ambientais Parâmetros do isolador Tipo de sistema: CA ou Tipo de poluição e níveis Comprimento total CC Tensão máxima de operação Sobretensões não transitórias em CA e CC Chuva, névoa, neblina, Tipo neve e gelo Vento, tempestades Material Temperatura, umidade Perfil Solicitações de desempenho impostas Distância de isolamento, geometria imposta, dimensões Trabalho em linha viva e a prática da manutenção Altitude Distância de escoamento Descargas atmosféricas, Diâmetro terremotos Vandalismo, animais Distância de arco Crescimento biológico Projeto mecânico e elétrico

15 Tensão máxima de operação Usualmente um sistema de corrente alternada é caracterizado pela tensão máxima de operação (U m ), ver NBR Para o isolamento fase-terra deve ser considerada a tensão fase-terra (U -T = U m / ). Para o isolamento fase-fase deve ser considerada a tensão fase-fase (U - = U m ). No caso de sistemas de corrente contínua, usualmente a tensão máxima de operação deve ser igual à máxima tensão fase-terra. No caso de formas de onda mistas, o valor eficaz da tensão pode precisar de ser usada.

16 Tipo de poluição Poluição Tipo A A poluição sólida com um componente não solúvel é depositada sobre a superfície do isolador. Esse depósito se torna condutivo quando úmido. Está mais frequentemente associada com áreas do interior, desérticas ou com poluição industrial. Mas pode também aparecer em áreas costeiras nos casos onde uma camada seca de sal cresce e sendo carregada pelo vento acaba por se depositar na superfície do isolador. Então, pode se umidificar rapidamente pela ação de névoa, nevoeiro, neblina, garoa ou chuvisco.

17 Tipo de poluição Poluição Tipo A Possui duas componentes principais denominados poluição solúvel e poluição não solúvel. Poluição solúvel: forma uma camada condutora quando umidificada e é subdividida em sais com elevada solubilidade (ou seja sais que se dissolvem rapidamente na água) e sais com baixa solubilidade. Deve ser medida pela DDSE. Poluição não solúvel: são poeira, cimento, areia, argila, óleos, etc. Deve ser medida pela DDNS.

18 Tipo de poluição Sais com elevada solubilidade Ca(NO 3 ) 2, - Nitrato de cálcio, Mg(NO 3 ) 2, - Nitrato de magnésio, CaCl 2 - Cloreto de cálcio, KCl - Cloreto de potássio, MgCl 2 Cloreto de magnésio NaCl Cloreto de sódio. ZnCl 2 Cloreto de zinco

19 Tipo de poluição Sais baixa solubilidade MgSO 4 - Sulfato de manganês, Na 2 SO 4 - Sulfato de sódio, Na 2 CO 3 - Carbonato de sódio, K 2 SO 4 - Sulfato de potássio, CaCO 3 - Carbonato de cálcio, CaSO 4 Sulfato de cálcio.

20 Tipo de poluição Influência dos materiais não solúveis Se o material que compõem a poluição inerte é hidrofílico, a água não fica na forma de gotas, mas sim na forma de filme. Adicionalmente uma fina película de água é retida na superfície do isolador. Durante o período de umidificação, mais sais solúveis são dissolvidos num filme contínuo de solução e, assim sendo, a condutância global se torna mais elevada. Ensaios realizados mostraram que para a mesma quantidade de poluição ativa, uma cadeia de isoladores pode ter o valor de sua tensão suportável reduzida de até 50% quando a quantidade de poluição inerte varia de 0,1 mg/cm 2 a 30 mg/cm 2.

21 Tipo de poluição Influência dos materiais não solúveis Tensão Isolador DDSE mg/cm 2 CA CC 250S DDNS U50% mg/cm 2 kv/unidade Corrente de fuga (ma) 0,03 0,068 15, ,079 14, ,25 0,079 10, ,135 10, DC 0,03 0,076 25, S 0,113 22, ,068 15, ,085 12, ,03 320DC 0,082 26,8 80 0,16 20,3 160

22 Por que conhecer o poluente? Formação de agentes corrosivos Corrosão por célula de concentração diferencial SO 3 + H 2 + O = H 2 SO 4 (ácido sulfúrico) Eletrólito = Água + Sal (NaCl, SO 3, etc)

23 Tipos de poluição Poluição tipo B Está mais frequentemente associada com áreas costeiras onde a água salgada ou névoa condutiva se deposita sobre a superfície do isolador. Outras fontes de poluição tipo B são, por exemplo: pulverização de culturas; névoa química; chuva ácida.

24 Descrição de ambientes típicos Tipo E1 50 km do mar, deserto ou terra plana árida, mas durante uma tempestade com ventos fortes, o nível de DDSE, nesta distância do mar, pode atingir um nível muito mais elevado. 10 km de fontes de poluição humanas, mas a presença de uma cidade grande terá influência por uma distância maior.

25 Descrição de ambientes típicos Tipo E2 10 km a 50 km do mar, deserto ou terra plana árida, mas durante uma tempestade com ventos fortes, o nível de DDSE, nesta distância do mar, pode atingir um nível muito mais elevado. 5 km a 10 km de fontes de poluição humanas, mas a presença de uma cidade grande terá influência por uma distância maior.

26 Tipos gerais de ambientes Tipo E3 3 km a 10 km do mar, deserto ou terra plana árida, dependendo da topografia da área costeira e da intensidade do vento. 1 km a 5 km de fontes de poluição humanas, mas a presença de uma cidade grande terá influência por uma distância maior.

27 Descrição de ambientes típicos Tipos E1, E2 e E3 Dentro de uma distância das fontes de poluição menor que a mencionada em cada um, mas: - a direção prevalecente do vento não provém diretamente das fontes de poluição; - e /ou lavagem mensal regular pela chuva.

28 Descrição de ambientes típicos Tipo E4 Mais longe das fontes de poluição que o mencionado em E3, mas: neblina densa (ou chuvisco) ocorre frequentemente após uma longa estação de acumulação de poluição seca (várias semanas ou meses); e/ou a presença de chuva forte com elevada condutividade; e/ou existência de elevado valor da DDNS, entre 5 e 10 vezes o valor da DDSE.

29 Descrição de ambientes típicos Tipo E5 Menos de 3 km do mar, deserto ou terra plana árida, dependendo da topografia da área costeira e da intensidade do vento. Menos de 1 km de fontes de poluição humanas, mas a presença de uma cidade grande terá influência por uma distância maior.

30 Descrição de ambientes típicos Tipo E6 Mais longe das fontes de poluição que o mencionado em E5, mas: neblina densa (ou chuvisco) ocorre frequentemente após uma longa estação de acumulação de poluição seca (várias semanas ou meses); e/ou a presença de chuva forte com elevada condutividade; e/ou existência de elevado valor da DDNS, entre 5 e 10 vezes o valor da DDSE.

31 Descrição de ambientes típicos Tipo E7 diretamente submetida a borrifos de água do mar ou névoa salina densa; ou submetida diretamente a contaminantes com elevada condutividade, ou poeira de cimento com elevada densidade e frequente umidificação por névoa ou chuvisco; áreas desérticas com rápida acumulação de areia e sal e condensação regular.

32 Agentes umidificadores Além da névoa, neblina e chuvisco, a formação de umidade na superfície do isolador ocorre principalmente por três mecanismos: condensação, absorção e choque térmico. A condensação sobre uma superfície ocorre quando a temperatura na superfície cai abaixo da temperatura de ponto de orvalho. A porcelana com calor específico de 0,22 cal/g/ o C se torna umidificada, devido à condensação, antes da borracha de silicone ou EPDM, que possuem calor específico de 0,35 cal/g/ o C e 0,55 cal/g/ o C, respectivamente.

33 Agentes umidificadores Em uma noite clara, um isolador de porcelana, perde calor para o ambiente, através de radiação, mais rápido do que o calor pode ser fornecido a ele pelas correntes de ar. Se a temperatura na superfície do isolador cai abaixo do ponto de orvalho, ocorre a formação de umidade sobre a superfície do isolador. A umidificação devido à condensação do orvalho é uma das principais causas de descarga disruptiva nos isoladores em serviço. Quanto à absorção, os sais são higroscópicos e absorvem umidade quando a umidade relativa está acima de 80%. Consequentemente, os sais que cobrem a superfície do isolador podem começar a se umidificar antes da temperatura do ponto de orvalho.

34 Agentes umidificadores O choque térmico ocorre nas primeiras horas da manhã, antes do nascer do sol. A baixa temperatura da madrugada reduz a temperatura do isolador, principalmente os cerâmicos. Assim sendo a umidade ambiente matinal se condensa rapidamente sobre esta superfície resfriada.

35 Avaliação da Severidade da Poluição Local (SPL) A medição da SPL é o valor máximo: Da DDSE e DDNS para poluição tipo A; Da Salinidade Equivalente Local (SEL) para poluição tipo B mas, em alguns casos, pode-se utilizar a medição da DDSE; Do Índice do Depósito de Poeira Solúvel (ITDP-S) e Índice do Depósito de Poeira Não Solúvel (ITDP- N) para ambos os tipos de poluição.

36 Material para coleta de poluentes 1 -Bacia 2 - Água destilada (condutividade volumétrica menor que 4 µs/cm) 3 -Recipiente graduado (1 de 1000 ml ou 2 de 500 ml) 4 -Pincel para remoção do poluente 5 - Estilete para raspar o poluente incrustado 6 - Esponja para remoção de poluente mais firmemente aderido ao isolador 7 -Condutivímetro (1 a 4000 µs/cm) 8 - Balança (para pesar o resíduo após evaporação da água destilada)

37 Metodologia para coleta de poluentes Coleta de poluentes no campo Coleta de poluentes em linha energizada

38 Cálculo da DDSE Medir a condutividade da solução proveniente da coleta e a condutividade da água destilada usada para coletar o poluente, em S/m, com um condutivímetro; Medir a salinidade da solução coletada e da água destilada usando a seguinte equação: S = (5,7 x Condutividade medida x 10 4 ) 1,03 O valor da DDSE, em mg/cm 2, é obtido pela seguinte equação: DDSE = (S coleta S água destilada ) x V / A sendo: V volume da coleta, em cm 3 A área da superfície coletada, em cm 2

39 Cálculo da DDNS O valor da DDNS deve ser calculado pela fórmula abaixo. DDNS = 1000 ( W f W i ) / A sendo: DDNS densidade de depósito de material não solúvel (mg/cm 2 ); W f peso do filtro de papel contendo poluentes, na condição a seco (g); W i peso inicial do filtro de papel, na condição a seco (g); A área da superfície do isolador para coleta de poluentes (cm 2 )

40 Indicação da SPL para poluição Tipo A Isolador de vidro ou porcelana passo 146 mm, diâmetro: 254 mm 8 ton ou 12 ton

41 Indicação da SPL para poluição Tipo A Utilizando isolador diferente do normalizado Parâmetro K s A ser aplicado no cálculo da SPL suportável Tipo de perfil Deserto Costeiro (b) Industrial / agrícola Rural / interior Aberto 0,4 + 0,3 0,6 + 0,3 0,7 + 0,3 0,6 + 0,2 Padrão / referência 1,0 1,0 1,0 1,0 Antipoluição 0,8 + 0,3 0,8 + 0,3 0,85 + 0,3 1,08 + 0,2 Bastão (perfil aberto) 0,4 + 0,3 1,6 + 0,4 0,4 + 0,3 0,4 + 0,3 Nota a Esses valores são válidos somente para arranjo de montagem na posição vertical. A severidade da poluição local para isoladores montados horizontalmente pode ser conservativamente semelhante ao dos isoladores em montagem vertical porque o arranjo horizontal geralmente coleta menos poluição. Nota b Durante condições de poluição rápidas (tipo tufão ou fortes ventos provenientes do mar)

42 Depósito desigual de poluentes Cadeia com 14 isoladores tipo disco

43 Indicação da SPL para poluição Tipo B Medição da condutância superficial ou da corrente de fuga em cadeias com isoladores padronizados e ensaios de névoa salina; Ensaios em laboratórios de campo.

44 Cálculo da SPL com coletor direcional de poeira

45 Cálculo da SPL com coletor direcional de poeira Índice da poluição do recipiente para depósito direcional de poeira µs/cm (considerar o valor mais alto) Valores de média mensal durante 1 ano Valores máximos mensais durante 1 ano Classe da severidade da poluição local < 25 <50 a Muito Leve 25 a a 175 b Leve 76 a a 500 c Média 201 a a 850 d Pesada > 350 > 850 e Muito Pesada

46 Determinação da Distância de Escoamento Específica Unificada (DEEU) Classes da severidade da poluição local a muito leve, b leve c média d pesada e muito pesada

47 Abordagens Método Abordagem 1 Abordagem 2 Abordagem 3 Usar os dados de campo ou de uma estação de ensaio situada no mesmo local, num local próximo ou num local com as mesmas características. Medir ou estimar a severidade da poluição local. Selecionar isoladores candidatos utilizando o guia de perfis e distância de escoamento. Selecionar ensaios laboratoriais aplicáveis e critérios de aprovação. Verificar e ajustar candidatos. Medir ou estimar a severidade da poluição local. Usar esses dados para o tipo e dimensão do isolamento baseado no guia do perfil e da distância de escoamento a seguir.

48 Abordagens Decisões Abordagem 1 Abordagem 2 Abordagem 3 O isolamento existente satisfaz as solicitações do projeto e é necessário usar o mesmo projeto de isolamento? Há tempo de medir a severidade da poluição local? SIM Usar o mesmo isolamento. NÃO Usar diferentes projetos de isolamento, materiais ou dimensões. Usar experiência para pré-selecionar a nova solução ou dimensão. SIM Medir Não Estimar

49 Abordagens Processo de seleção Abordagem 1 Abordagem 2 Abordagem 3 Se necessário, usar o guia do perfil e da distância de escoamento, para adaptar os parâmetros do isolamento existente à nova escolha. Selecionar isoladores candidatos. Ensaiar os candidatos se os dados do desempenho sob poluição não estiverem disponíveis. Se necessário, ajustar seleção/dimensões de acordo com os resultados do ensaio. Usar o tipo de poluição e clima para selecionar os perfis adequados usando o guia a seguir. Usar o nível de poluição e fatores de correção para o projeto do perfil e material de modo a dimensionar o isolamento.

50 Abordagens Precisão da abordagem Abordagem 1 Abordagem 2 Abordagem 3 Uma seleção com boa precisão. Uma seleção com uma precisão variando de acordo com o grau de erros e atalhos na avaliação da severidade da poluição local e com as pressuposições e/ou limitações do ensaio laboratorial selecionado. Possibilidade de sub ou sobre dimensionar a solução ao comparar com as Abordagens 1 e 2. Uma seleção com precisão variando de acordo com o grau de erros e atalhos na avaliação da severidade da poluição local e na aplicabilidade dos fatores de correção selecionados.

51 Abordagens O desempenho de um isolador sob poluição é determinado por interações complicadas e dinâmicas entre o ambiente e o isolador. Na Abordagem 1, tais interações são bem representadas em uma linha energizada ou em uma subestação e pode também ser representada num laboratório de ensaio. Na Abordagem 2, essas interações não podem ser totalmente representadas nos ensaios laboratoriais. Na Abordagem 3, tais interações podem somente ser representadas e atendidas em um grau limitado pelos fatores de correção normalizados.

52 Abordagens Os custos totais, incluindo as solicitações de desempenho impostas, têm de ser considerados quando da escolha da abordagem a ser utilizada. Sempre que as circunstâncias permitirem, as abordagens 1 e 2 devem ser adotadas. A Abordagem 3 pode ser simples e econômica para o processo de seleção e dimensionamento, mas pode levar a uma sub estimativa da SPL ou a uma solução menos econômica devido ao super dimensionamento do isolamento.

53 Períodos de avaliação para experiências operacionais (Abordagem 1), um período satisfatório de operação de 5 anos a 10 anos pode ser considerado aceitável. para experiências com uma estação de ensaios (Abordagem 1), um período de investigação de dois anos a cinco anos pode ser considerado como típico. para estimativa da SPL (Abordagens 2 e 3), é necessário realizar pesquisas quanto ao clima e ao ambiente e procurar identificar e analisar todas as possíveis fontes de poluição. Assim sendo, a estimativa não é necessariamente um processo imediato e pode requerer várias semanas ou meses.

54 Períodos de avaliação para medição da severidade local (Abordagens 2 e 3), um período de pelo menos um ano é necessário para ensaios laboratoriais (Abordagem 2), o tempo necessário é questão de semanas ou meses dependendo do tipo, escala dos ensaios e disponibilidade laboratorial.

55 Procedimento geral para o dimensionamento sob poluição Determinação da Abordagem apropriada 1, 2 ou 3 em função do conhecimento disponível, tempo e recursos. Coletar os dados de entrada necessários, principalmente quanto ao tipo de energização, tensão do sistema, tipo de isolamento aplicado (cadeia de isoladores, isolador tipo suporte, bucha, etc). Coletar os dados ambientais necessários, principalmente a severidade da poluição local e a classe da poluição. Seleção preliminar dos possíveis isoladores adequados à aplicação e ao ambiente. Determinação da Distância de Escoamento Específica Unificada de Referência (DEEUR) para os tipos de isolador.

56 Procedimento geral para o dimensionamento sob poluição Modificação, onde necessário, da DEEUR devido a fatores que dependem do tamanho, perfil, orientação, etc dos isoladores candidatos. Verificação de que os isoladores candidatos restantes satisfaçam outras solicitações do sistema e da linha (ou seja, geometria imposta, dimensões, aspectos econômicos) e alterar a solução ou as exigência caso não haja isolador adequado disponível. Verificação do dimensionamento, no caso da Abordagem 2, por ensaios.

57 Guia condensado para seleção de perfis

58 Guia condensado para seleção de perfis

59 Guia condensado para seleção de perfis

60 Guia condensado para seleção de perfis Perfil antipoluição

61 Guia condensado para seleção de perfis

62 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Montagem Vertical + - Vantagens e desvantagens dos principais tipos de perfis Perfil padrão Boa experiência em utilização nas classes muito leve ou média da SPL, em que uma grande distância de escoamento e um perfil aerodinâmico efetivo não são necessários Não evita a deposição de partículas trazidas pelo vento Perfil aberto ou aerodinâmico Acumula menos poluição devido ao perfil aerodinâmico e a boa limpeza natural A superfície total acumula mais poluição com tempestades, tufões, etc., requer um comprimento de cadeia mais longo. Boa experiência em utilização nas Classes A a C da SPL (especialmente em regiões áridas e semiáridas), em que um perfil aerodinâmico efetivo é necessário Perfil antipoluição Previne que as partes abaixo das saias se molhem durante chuva, etc. Longa distância de escoamento por unidade Há maior acúmulo de partículas trazidas pelo vento na parte de baixo das saias resultante da redução da capacidade natural de limpeza Perfil de saias alternadas Representa as vantagens e desvantagens relevantes de cada um dos perfis: padrão; aberto ou aerodinâmico e antipoluição com os benefícios de: - aumentar a distância de escoamento por unidade; - boa capacidade de resistência sob alta umidade; - boa capacidade de resistência sob congelamento.

63 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Montagem Horizontal Vantagens e desvantagens dos principais tipos de perfis + - Perfil padrão Acumula menos poluição devido à limpeza natural A superfície total fica exposta à poluição, porém fica acessível à limpeza natural Perfil aberto ou aerodinâmico Acumula menos poluição de modo que o perfil aerodinâmico proporciona uma melhor autolimpeza pela umidificação e vento A superfície total acumula mais poluição sob condições rápidas de acumulação, como as causadas por tempestades, tufões, etc. Requer um comprimento de cadeia mais longo Perfil antipoluição Longa distância de escoamento por unidade Partículas trazidas pelo vento acumulam-se nas superfícies mais profundas devido à redução da área exposta a limpeza natural Perfil de saias alternadas Representa as vantagens e desvantagens relevantes de cada um dos perfis: padrão; aberto ou aerodinâmico e antipoluição com os benefícios de: - aumentar a distância de escoamento por unidade; - boa capacidade de resistência sob alta umidade; - boa capacidade de resistência sob congelamento.

64 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Vantagens e desvantagens dos principais tipos de perfis ++ adequado, melhor escolha; + adequado; 0 neutro, particularmente sem vantagens ou desvantagens; - inadequado, mas pode ser utilizado; -- inadequado, evitar esta escolha se possível. Poluição Tipo A Poluição Tipo B

65 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Vantagens e desvantagens dos principais tipos de perfis considerando mesma DDEU

66 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Vantagens e desvantagens dos principais tipos de perfis considerando mesmo comprimento

67 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo disco Distância de escoamento (l) versus distância de arco (d) É uma avaliação mais detalhada do risco de arcos pontuais quando ocorrem bandas secas ou perda da hidrofobicidade. É também importante para evitar a poluição localizada nos pontos mais profundos e estreitos das saias

68 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo disco Ângulo da saia (α) Perfis abertos permitem uma lavagem natural mais eficiente da superfície do isolador, desde que o ângulo da saia não seja tão pequeno que impeça o escoamento da água.

69 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo disco Fator de escoamento (FE) = l distância de escoamento nominal de um isolador; s distância de arco do isolador. É determinada por uma cadeia de cinco isoladores ou mais.

70 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo disco Fator de escoamento (FE)

71 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, ocos e buchas Distância entre saias (s) x Profundidade da saia (p) Saias uniformes Importante para evitar curto-circuito entre saias reduzindo a distancia de escoamento por arcos entre saias. Saias alternadas

72 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, ocos e buchas Distância mínima entre saias (c) Saias uniformes Arcos entre saias por pequenos espaçamentos entre elas podem impossibilitar qualquer esforço para melhorar o desempenho pelo aumento da distância de escoamento. Saias alternadas

73 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, ocos e buchas Distância de escoamento (l) versus distância de arco (d) Saias uniformes É uma avaliação mais detalhada do risco de arcos pontuais quando ocorrem bandas secas ou perda da hidrofobicidade. Ela é também importante para evitar a poluição localizada nos pontos mais profundos e estreitos das saias. Saias alternadas

74 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, ocos e buchas Ângulo da saia (α) Perfis abertos permitem uma lavagem natural mais eficiente da superfície do isolador, desde que o ângulo da saia não seja tão pequeno que impeça o escoamento da água.

75 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, ocos e buchas Fator de escoamento (FE) = l distância de escoamento nominal de um isolador; s distância de arco do isolador.

76 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, ocos e buchas Fator de escoamento (FE)

77 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo pino Distância de escoamento (l) versus distância de arco (d) Saias uniformes É uma avaliação mais detalhada do risco de arcos pontuais quando ocorrem bandas secas ou perda da hidrofobicidade. Ela é também importante para evitar a poluição localizada nos pontos mais profundos e estreitos das saias. Saias alternadas

78 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Para isoladores tipo pino = Fator de escoamento (FE) l distância de escoamento nominal de um isolador; s distância de arco do isolador.

79 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Correção da DEEU para todos os isoladores DEEU corrigida = DEEU x K a x K ad Ka é o fator de correção para altitude e no Brasil usualmente é igual a 1, pois somente deve ser aplicado para LTs acima de 1500 m de altitude. O assunto se encontra em estudos pelo D1.44 do Cigré. Kad é o fator de correção para o diâmetro médio (Da) do isolador e se aplica a isoladores tipo suporte, tipo pilar, ocos e buchas. Kad = 1, quando D a < 300 mm Kad = 0,0005 D a + 0,85 quando D a > 300 mm

80 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Correção da DEEU para todos os isoladores Cálculo do diâmetro médio (Da) =

81 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Influência do diâmetro médio Quando o diâmetro médio aumenta, um valor maior da distância de escoamento é necessário para suportar o mesmo grau de poluição.

82 Isoladores de vidro e de porcelana para corrente alternada Exemplo de aplicação para isolador tipo disco DEEU final = 36,5 mm/kv tensão máxima fase-terra do sistema = 289 kv distância de escoamento mínima requerida = 289 kv x 36,5 mm/kv = mm distância de escoamento do isolador tipo disco candidato = 380 mm quantidade de isoladores na cadeia = / 380 = 27,76 isoladores arredondando para 28 isoladores distância mínima de escoamento final = 28 unidades x 380 mm = mm.

83 Isoladores poliméricos para corrente alternada Isoladores poliméricos apresentam certas vantagens quanto ao desempenho resistente à poluição sobre os isoladores de porcelana e de vidro, com igual distância de escoamento, devido à sua forma e materiais de revestimento. O princípio da distância de escoamento linear, utilizado no projeto dos isoladores de vidro e porcelana foi aplicado também aos isoladores poliméricos, pois o mesmo tem sido aplicado ao longo dos últimos 25 anos nesses isoladores com ótimos resultados. Cabe ressaltar também que o comportamento a longo prazo de um isolador polimérico depende do estresse elétrico total e local cujo valor, duração e posição dependem do nível de poluição, umedecimento, perda/recuperação da hidrofobicidade e desenho de perfil do isolador.

84 Isoladores poliméricos para corrente alternada Tipos de perfis Isolador tipo pilar, tipo suporte e isolador oco Isolador tipo suporte e isolador oco Perfil típico Perfil típico com nervuras pronunciadas Perfil típico com saias alternadas

85 Isoladores poliméricos para corrente alternada Distância entre saias (s) x Profundidade da saia (p) Importante para evitar curto-circuito entre saias reduzindo a distancia de escoamento por arcos entre saias. Saias uniformes Saias alternadas

86 Isoladores poliméricos para corrente alternada Distância mínima entre saias (c) Saias uniformes Arcos entre saias por pequenos espaçamentos entre elas podem impossibilitar qualquer esforço para melhorar o desempenho pelo aumento da distância de escoamento. Saias alternadas

87 Isoladores poliméricos para corrente alternada Distância de escoamento (l) versus distância de arco (d) Saias uniformes É uma avaliação mais detalhada do risco de arcos pontuais quando ocorrem bandas secas ou perda da hidrofobicidade. Ela é também importante para evitar a poluição localizada nos pontos mais profundos e estreitos das saias. Saias alternadas

88 Isoladores poliméricos para corrente alternada Ângulo da saia (α) Perfis abertos permitem uma lavagem natural mais eficiente da superfície do isolador, desde que o ângulo da saia não seja tão pequeno que impeça o escoamento da água.

89 Isoladores poliméricos para corrente alternada Fator de escoamento (FE) = l distância de escoamento nominal de um isolador; s distância de arco do isolador.

90 Isoladores poliméricos para corrente alternada DEEU corrigida = DEEU x K a x K ad Ka é o fator de correção para altitude e no Brasil usualmente é igual a 1, pois somente deve ser aplicado para LTs acima de 1500 m de altitude. O assunto se encontra em estudos pelo D1.44 do Cigré. Kad é o fator de correção para o diâmetro médio (Da) do isolador e se aplica a isoladores tipo suporte, tipo pilar, ocos e buchas. Kad = 1, quando D a < 300 mm D a > 300 mm HTM - Hidrofóbico

91 Isoladores poliméricos para corrente alternada Cálculo do diâmetro médio (Da) =

92 Isoladores para corrente contínua Novas definições Distância de escoamento específica unificada de referência para corrente contínua (DEEURCC): valor da DEEU de referência para sistemas de CC após as correções Taxa da uniformidade da poluição (TUP): relação entre o depósito da poluição no topo e no fundo do isolador Capacidade de transferência da hidrofobicidade (HTM ou CTH): revestimentos poliméricos com capacidade de transferir hidrofobicidade para a camada da poluição

93 Isoladores para corrente contínua Características da poluição em corrente contínua Isoladores em corrente contínua apresentam características de acúmulo de poluição diferentes dos isoladores em corrente alternada e isoladores não energizados devido ao efeito eletrostático. A acumulação de poluição depende: do vento; do tamanho das partículas poluentes; da composição do poluente; da quantidade de material não solúvel; do diâmetro da saia.

94 Isoladores para corrente contínua Procedimento para determinação da SPL Informações de estação ao ar livre ou de outras instalações em CC Informações de estação ao ar livre ou de outras instalações em CA DDSE, DDNS, TUP, Composição da poluição Correção para o efeito eletrostático Correção para a composição química da camada poluente DDSE, DDNS, TUP, Composição da poluição Correção para um valor de referência do DDNS de 0,1 mg/cm 2 SPL em CC

95 Isoladores para corrente contínua Correção para o efeito eletrostático (Kp) Frequência de eventos Velocidade média do vento Alta Moderada Baixa Calma Chuva frequente 1,0 1,0 1,0 1,0 Eventos extremos com curta duração SPL cresce em meses SPL cresce em anos Longos períodos de seca 1,1 1,1 1,2 1,3 1,3 1,6 1,9 3,0 2,0 2,25 2,5 3,0 2,5 2,75 3,0 3,0

96 Isoladores para corrente contínua Correção para a composição química da camada poluente Poluição tipo A A presença de sais de dissolução lenta ou com baixa solubilidade em uma camada com poluição natural pode reduzir o valor da SPL com relação ao valor equivalente de NaCl. Caso medições da condutividade volumétrica, realizadas durante a avaliação da SPL, mostrem tendência de aumento de valor com o tempo isto é uma indicação da presença de sais com baixa solubilidade.

97 Isoladores para corrente contínua Correção para o valor de referência da DDNS Poluição tipo A =,, Válida para valores da DDNS > 0,02 mg/cm 2

98 Isoladores para corrente contínua Procedimento para determinação da DEEURcc SPL em CC SPL de referência em CC Correção para uniformidade da poluição Estimativa DEEURcc da Correção para o efeito do diâmetro Correção para diâmetro e altitude Correção para número de isoladores em paralelo DEEURcc requerida

99 Isoladores para corrente contínua Correção para a não uniformidade da camada poluente (K TUP ) =!" "#" =,$%,$ x,'%"( ) Usualmente aplicado somente para isoladores tipo disco com poluição tipo A

100 Isoladores para corrente contínua Correção para o efeito do diâmetro (Kd) Aplicado em isoladores tipo disco quando foi utilizado um isolador padrão na avaliação da poluição para um isolador de maior diâmetro. Não se aplica a isoladores poliméricos ou isoladores tipo pilar ou bastão! = *' ),* D diâmetro do isolador em avaliação

101 Isoladores para corrente contínua Correção para isoladores em paralelo (Ks) Para linhas de transmissão com mais de 100 cadeias: Ks = 1,4 Para subestações (isoladores tipo suporte): Ks = 1,0

102 Isoladores para corrente contínua Determinação da DEEURcc para poluição tipo A Determinação da DDSE em CC: ++= % # % % %! % Determinação da DEEURcc para isoladores hidrofóbicos:,++=$%--,* Determinação da DEEURcc para isoladores não hidrofóbicos:,++=%--,

103 Isoladores para corrente contínua Determinação da DEEURcc para poluição tipo B Determinação da SEL em CC:.++=.%! % Determinação da DEEURCC para isoladores hidrofóbicos:,++=%.++,* Determinação da DEEURCC para isoladores não hidrofóbicos:,++=%.++,

104 Isoladores para corrente contínua DEEURcc corrigida = DEEURcc x C a x C d Ca é o fator de correção para altitude e no Brasil usualmente é igual a 1, pois somente deve ser aplicado para LTs acima de 1000 m de altitude. O assunto se encontra em estudos pelo D1.44 do Cigré. Cd é o fator de correção para o diâmetro médio (Dm) do isolador Para isoladores não poliméricos: Para isoladores poliméricos com -! = / *' possibilidade de perda da hidrofobicidade: -! = / *' Para isoladores poliméricos sem possibilidade de perda da hidrofobicidade: -! =1,,0

105 Isoladores para corrente contínua Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, tipo bastão e ocos Profundidade da saia (p) para saias alternadas Importante para evitar curto-circuito entre saias reduzindo a distancia de escoamento por arcos entre saias. Isoladores de vidro e de porcelana Isoladores compostos e híbridos não hidrofóbicos Isoladores compostos e híbridos hidrofóbicos p 1 p 2 > 20 mm p 1 p 2 > 15 mm p 1 p 2 > 15 mm

106 Isoladores para corrente contínua Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, tipo bastão e ocos Distância entre saias (s) x Profundidade da saia (p) Saias uniformes Importante para evitar curto-circuito entre saias reduzindo a distancia de escoamento por arcos entre saias. Isoladores de vidro e de porcelana Isoladores compostos e híbridos não hidrofóbicos Isoladores compostos e híbridos hidrofóbicos Usual s/p > 1,0 Nunca s/p < 0,9 Usual s/p > 1,0 Nunca s/p < 0,85 Usual s/p > 0,8 Nunca s/p < 0,7 Saias alternadas

107 Isoladores para corrente contínua Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, tipo bastão e ocos Distância mínima entre saias (c) Saias uniformes Arcos entre saias por pequenos espaçamentos entre elas podem impossibilitar qualquer esforço para melhorar o desempenho pelo aumento da distância de escoamento. Saias alternadas Isoladores de vidro e de porcelana Isoladores compostos e híbridos não hidrofóbicos Mínimo usual: c = 60 mm Raramente c < 60 mm Para isoladores com nervuras: mínimo usual c = 70 mm Isoladores compostos e híbridos hidrofóbicos Mínimo usual: c = 45 mm Raramente c < 40 mm Para Dm >250 mm, raramente c < 55 mm

108 Isoladores para corrente contínua Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, tipo bastão e ocos Distância de escoamento (l) versus distância de arco (d) Saias uniformes Saias alternadas É uma avaliação mais detalhada do risco de arcos pontuais quando ocorrem bandas secas ou perda da hidrofobicidade. Ela é também importante para evitar a poluição localizada nos pontos mais profundos e estreitos das saias. Isoladores de vidro e de porcelana Isoladores compostos e híbridos não hidrofóbicos Máximo usual: l/d = 4 Raramente l/d > 4,5 Isoladores compostos e híbridos hidrofóbicos

109 Isoladores para corrente contínua Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, tipo bastão e ocos Ângulo da saia (α) Perfis abertos permitem uma lavagem natural mais eficiente da superfície do isolador, desde que o ângulo da saia não seja tão pequeno que impeça o escoamento da água. Isoladores de vidro e de porcelana Isoladores compostos e híbridos não hidrofóbicos Isoladores compostos e híbridos hidrofóbicos Usual: 0º < α < 25º Raramente α > 30º Para isoladores na horizontal, usual α < 20º

110 Isoladores para corrente contínua Para isoladores tipo suporte, tipo pilar, tipo bastão e ocos Fator de escoamento (FE) = l distância de escoamento nominal de um isolador; s distância de arco do isolador. Isoladores de vidro e de porcelana Isoladores tipo suporte, bastão e ocos Usual FE < 3,5 Raramente FE > 4,0 Isoladores compostos e híbridos não hidrofóbicos Isolador tipo bastão Usual FE < 4,5 Raramente FE > 4,8 Isoladores tipo suporte e ocos Usual FE < 4,4 Raramente FE > 4,6 Isoladores compostos e híbridos hidrofóbicos Usual FE < 4,5 Raramente FE > 4,8

111 Isoladores para corrente contínua Para isoladores tipo disco Distância de escoamento (l) versus distância de arco (d) É uma avaliação mais detalhada do risco de arcos pontuais quando ocorrem bandas secas ou perda da hidrofobicidade. É também importante para evitar a poluição localizada nos pontos mais profundos e estreitos das saias Máximo usual: l/d = 4 Raramente l/d > 4,5

112 Isoladores para corrente contínua Para isoladores tipo disco Ângulo da saia (α) Perfis abertos permitem uma lavagem natural mais eficiente da superfície do isolador, desde que o ângulo da saia não seja tão pequeno que impeça o escoamento da água. Usual: 0º <α<25º Raramenteα>30º Para cadeias de isoladores na horizontal, usual α < 20º

113 Isoladores para corrente contínua Para isoladores tipo disco Fator de escoamento (FE) = l distância de escoamento nominal de um isolador; s distância de arco do isolador. É determinada por uma cadeia de cinco isoladores ou mais. Usual FE < 3,4 Raramente FE > 3,75

114 Efeito de proximidade em cadeias de isoladores Resultados na cadeia dupla com 3 isoladores tipo bastão montada na posição horizontal e na posição vertical y = 0,1278x + 30,554 R² = 0,9846 Salinidade suportável (kg/m3) y = 8,2479e 0,0055x R² = 0, Distância horizontal entre as saias dos isoladores das duas cadeias (mm) Salinidade - Cadeia horizontal Salinidade - Cadeia Vertical

115 Dimensionamento de isoladores sob condições de poluição Darcy Ramalho de Mello Cel: (21)