Linha de Distribuição Experimental para Desenvolvimento de Técnica de monitoração de Isoladores Poliméricos

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1 1 Linha de Distribuição Experimental para Desenvolvimento de Técnica de monitoração de Isoladores Poliméricos A. A. P. Silva, E. M. Souza Neto, J. M. B. Bezerra, S. F. Bezerra, S. H. M. Silva, V. R. A. Emerenciano e Z. D. Lins Resumo-- Os isoladores poliméricos atualmente utilizados em linhas de distribuição de energia elétrica de 13,8 kv apresentam degradação precoce associada à presença de bolhas internas ao dielétrico. Com o intuito de desenvolver uma tecnologia de diagnóstico de defeitos em isoladores mais precisa e capaz de realizar generalizações com relação ao tipo de material isolante utilizado, foi construída na UFPE uma linha de distribuição experimental para obtenção de dados que permita o desenvolvimento de técnica de monitoramento. Neste artigo serão descritos alguns detalhes da instalação desta linha, bem como os estudos realizados para sua construção. Palavras-chave--Isoladores poliméricos; técnicas de monitoração; distribuição de energia elétrica. I. INTRODUÇÃO OM o intuito de prevenir falhas no sistema de distribuição C de energia elétrica, devido a problemas de isolamento, a monitoração dos componentes elétricos do sistema, através de processos visuais ou do uso de sensores especiais é uma ação preditiva de muito valia [1], já que, estas falhas ocasionam problemas de fornecimento de energia à sociedade e consequentemente trazem muitos transtornos. O isolador polimérico vem sendo muito utilizado devido as suas diversas vantagens em comparação com o de porcelana e vidro. Eles apresentam menor peso, facilitando o seu manuseio e transporte, melhor desempenho em áreas de vandalismo e em áreas sob poluição industrial e marinha e menor custo de instalação [2], [3], [4]. Apesar de possuir muitas vantagens, este tipo de isolador pode apresentar defeito em seu interior, originados do processo de fabricação ou por influências Este trabalho tem o apoio financeiro do CNPq. A. A. P. Silva é doutorando do PPGEE da Universidade Federal de Pernambuco ( alexsandro111@yahoo.com.br). J. M. B. Bezerra trabalha na Universidade Federal de Pernambuco ( jmbb@ufpe.br). E. M. Souza Neto é mestrando do PPGEE da Universidade Federal de Pernambuco ( eliassouza.manoel@gmail.com). S. F. Bezerra é mestrando do PPGEE da Universidade Federal de Pernambuco ( sandrofbezerra@hotmail.com). S. H. M. Silva é mestranda do PPGEE da Universidade Federal de Pernambuco ( suelenholder@gmail.com). V. R. A. Emerenciano é doutorando do PPGEE da Universidade Federal de Pernambuco ( vitor_a@hotmail.com). Z. D. Lins trabalha na Universidade Federal de Pernambuco ( zdl@ufpe.br). mecânicas, térmicas e elétricas [4]. O defeito em foco está associado à existência de vazios que podem ser originados pela formação de bolhas de ar durante o processo de injeção do polímero ou por trincas ocasionadas pela fadiga devido aos estresses elétricos, mecânicos e térmicos sofridos durante a operação [5]. Quando estes vazios são submetidos a estresses elétricos geram descargas parciais internas. A ocorrência contínua destas descargas, leva à progressiva deterioração das propriedades físicas dos materiais isolantes podendo vir a causar a falha do equipamento por ruptura dielétrica[6]. Visando desenvolver uma tecnologia de diagnóstico mais precisa e de maneira preditiva, de tal forma a assegurar que isoladores defeituosos possam ser substituídos antes que o defeito evolua para a completa falha do equipamento e, por conseguinte, ao colapso no fornecimento de energia elétrica, foi construída uma Linha de Distribuição Experimental (LDE) no campus da Universidade Federal de Pernambuco, onde isoladores, previamente catalogados e identificados, foram instalados. Neste artigo serão descritos o projeto piloto da linha experimental com alguns detalhes da instalação; seus aspectos construtivos, onde foram analisadas a suportabilidade das estruturas aos novos carregamentos aplicados; a medida de proteção selecionada, bem como os resultados da simulação que justificaram essa escolha; os resultados da inspeção com sensor de ultravioleta; e, as próximas etapas deste projeto. II. PROJETO PILOTO O projeto aqui apresentado, com apoio financeiro do CNPq, foi sinalizado a partir de experiências vivenciadas, quando do desenvolvimento do projeto de P&D Estudo para Aplicação de Sensor de Ultrassom Como Técnica Preditiva na Manutenção de Subestações e Linhas de Transmissão e Distribuição, realizado entre a Universidade Federal de Pernambuco-UFPE, Universidade Federal de Campina Grande-UFCG e Companhia Energética de Pernambuco- CELPE, no período de maio/26 a fevereiro/28. Este projeto de P&D foi conduzido a partir de dados levantados nos mesmos isoladores utilizados nesta pesquisa, porém submetidos a ensaios elétricos no Laboratório de Alta Tensão da UFCG. Nestes ensaios, os isoladores foram estressados, um a um, durante 1 minutos com tensão de três vezes a tensão nominal. Decorrido este tempo, sinais elétricos e de ultrassom

2 2 foram obtidos com o intuito de desenvolver técnica de diagnóstico. Porém, os resultados foram considerados não conclusivos. Alguns aspectos foram levantados, os quais nortearam a retomada do projeto [7]: aferição da distribuição de tensão interna para mapear os estresses elétricos nas bolhas e corrigir o conjunto de treinamento definido no projeto anterior; aplicação da tensão nominal por um longo período, de tal forma que o estresse ocorra mais naturalmente; concepção de linha experimental que permita o ensaio simultâneo de todas as unidades, na tensão nominal; O sistema de diagnóstico preditivo a ser desenvolvido será gradativamente ajustado ao longo do projeto. B. Características físicas da linha experimental As características da LDE e da região na qual esta linha está presente são: quatro vãos de aproximadamente 45 metros cada; estruturas terminais com esforço nominal de 15 dan; estruturas de suspensão com esforço nominal de 2 dan; comprimento das estruturas: 11 m; cabo CAA Swan (4 AWG); temperatura coincidente:22 C; velocidade básica do vento: 2 m/s; terreno: categoria D (áreas urbanizadas); altitude média da região de implantação da linha: 8m. Portanto, a linha experimental foi idealizada com o objetivo de submeter os isoladores, tradicionalmente utilizados em linhas de distribuição de energia elétrica, a condições usuais de operação. Deste modo, será possível obter dados mais reais para o desenvolvimento de uma tecnologia para o diagnóstico, não invasivo, de defeitos em isoladores poliméricos através de sensores de ultrassom. Para a construção da linha foram disponibilizados na rede de 13,8kV da UFPE quatro vãos localizados entre os Centros de Artes e Comunicação (CAC) e de Tecnologia e Geociências (CTG). Estes vãos estão protegidos com chave fusível e para-raios. A. Montagem Todo o processo de treinamento da técnica de diagnóstico será desenvolvido através da instalação de 249 isoladores poliméricos na classe nominal de 15 kv, quantidade significativa para formação de uma base de dados para aplicação de Redes Neurais Artificiais (RNA). Os isoladores, adquiridos de dois fabricantes diferentes, foram previamente submetidos a ensaios de raios X e se encontram diagnosticados no que concerne à identificação de bolhas internas. Portanto, durante o treinamento para a elaboração do sistema de diagnóstico, os sinais de ultrassom a serem adquiridos, com periodicidade trimestral, terão o rótulo adequado, relativo à presença de defeitos incipientes nas amostras a serem analisadas. Devido ao grande número de isoladores, foi necessário adaptar a linha no sentido de comportar todas as unidades. Por isso foi instalado um cabo aterrado, paralelo a cada fase. Para obter a distância necessária entre fase e terra foi confeccionada uma haste de alumínio cujo detalhe construtivo está apresentado na Fig. 1. Na parte superior das hastes, uma rosca compatível com a do isolador foi feita; e, na parte inferior, uma rosca com um corte para conexão ao cabo terra foi realizada. Na montagem foi utilizada uma porca galvanizada na parte inferior da haste para sustentação do cabo terra e uma liga de silicone para fixação do isolador ao condutor. Devido a não padronização dos isoladores ensaiados foi necessário utilizar uma rosca específica para cada tipo de isolador. Todos os isoladores foram rotulados e instalados seguindo ordem pré-determinada para facilitar a localização e identificação. A Fig. 2 apresenta foto de um dos vãos da LDE com sua montagem finalizada. Fig. 1. Trecho da linha experimental com detalhe da haste confeccionada. Fig. 2. Foto de trecho da linha experimental com montagem finalizada. III. ASPECTOS CONSTRUTIVOS Antes da instalação dos conjuntos de isoladores e pinos ao longo da LDE foi necessário analisar a suportabilidade das estruturas aos novos carregamentos mecânicos. Além do impacto do peso adicional foi avaliada a ação do vento sob os arranjos e estruturas.

3 3 O dimensionamento das estruturas de suspensão, quando não se considera a hipótese de ruptura do condutor, geralmente é realizado para a carga de vento nos postes, somada a carga de vento nos condutores. A resistência nominal do poste (C N ) é determinada de forma que o momento resultante a uma determinada distância d do solo (ou 2 cm do topo do poste) seja equivalente ao momento provocado pela força do vento sob os condutores e suportes. Ou seja: C N d = 1,1 (F ve h ve + F vc h c ) (1) C N = 1,1 (F ve h ve + F vc h c ) d Onde: F ve força transmitida a estrutura devido a ação do vento sobre a estrutura; F vc força transmitida a estrutura devido a ação do vento sobre o condutor; h ve distância do ponto de aplicação de F ve ao solo; h c distância do ponto de aplicação de F vc ao solo. As distâncias e forças envolvidas em cada uma das estruturas nos cálculos podem ser melhor observadas através da Fig. 3. O valor 1,1 da equação (1) é utilizado como fator de segurança. Fig. 3. Distâncias e forças envolvidas na estrutura O esforço ao qual a estrutura será submetida deve ser inferior a sua carga nominal de modo que sua suportabilidade mecânica não seja comprometida. A influência do peso do condutor utilizado como terra, dos isoladores e pinos deve ser considerada na equação anterior. O peso dos arranjos isoladorpino por unidade de comprimento (p a ) é calculado como a soma do peso do isolador (p i ) com o peso do pino (p p ) multiplicado pelo número de isoladores por unidade de comprimento. p a = p i + p p = (,6 +,315) 21 =,427 kgf/m (3) A ação do vento sob o arranjo isolador-pino (F va ) é calculada através do produto entre o coeficiente de arrasto (c), a pressão dinâmica de referência (q ) e a área do anteparo formada pelo conjunto (A), conforme a equação (4): 45 (2) f va = cq A = 2,2 359, , (4) f va =,3886 N/m (5) F va = 1,749 kgf (6) Somando F va a F vc se obtém o valor do esforço no poste igual a 17 kgf. Como todas as estruturas instaladas podem ser assumidas como de ancoragem, pois não há deslocamento dos condutores nos pontos de fixação, deve-se considerar a hipótese de ruptura de um condutor. No caso, aproximadamente 17 kgf na condição de Everyday Stress (EDS) A resistência nominal das estruturas utilizadas é superior ao valor calculado garantindo que não haverá violação dos limites estabelecidos em norma [8]. IV. PROTEÇÕES ELÉTRICAS PREVISTAS E SIMULAÇÕES. A. Transitório Os eventos transitórios abrangem uma extensa faixa de frequência variando de,1 Hz à 5 MHz e dependendo das características do sistema e da sua causa primária, podem ter uma duração de alguns microssegundos a vários ciclos, sendo uma combinação de ondas viajantes em linhas de transmissão/distribuição, cabos e barramentos, e de oscilações em transformadores, capacitores, indutores, resistores, e outros componentes [9]. Devido ao efeito capacitivo que os isoladores poliméricos apresentam, durante manobras irão existir transitórios de corrente e tensão devido ao fato de que inicialmente os isoladores ao entrar no circuito atuam, nos primeiros instantes, como um curto-circuito que vai se extinguido à medida que os isoladores se carregam e passam a acompanhar a tensão do barramento. A intensidade da corrente transitória e da variação de tensão, bem como os valores de frequência deste transitório de carregamento dos isoladores dependem, basicamente, de dois fatores principais: das impedâncias envolvidas no circuito e do instante do fechamento das chaves fusíveis [1]. As sobretensões causadas pela desenergização da LDE não são críticas. Já as provocadas pela energização da LDE geram transitórios que não comprometem a rede da UFPE. Essas sobretensões são abordadas através de simulações descritas a seguir. B. Montagem do Circuito Equivalente A montagem do circuito equivalente para representação e simulação da LDE utilizando o software Alternative Transients Program (ATP) levou em consideração o equivalente do sistema a jusante onde foi utilizada uma fonte ideal e uma impedância RLC para representar respectivamente a tensão e impedância de Thévenin; a carga capacitiva dos 83 isoladores em cada fase distribuídos em 4 vãos e o chaveamento tanto de abertura como de fechamento da linha experimental mostrado na Fig. 4. A capacitância que representa cada um dos isoladores poliméricos é igual a 13 pf. Este valor foi obtido através de ensaios utilizando a ponte de Schering realizado no Laboratório de Alta Tensão da UFCG [11].

4 4 O primeiro vão contém 21 isoladores em cada fase e os isoladores estão distanciados de 1,88m. O segundo e terceiro vãos contêm 21 isoladores em cada fase e estão distanciados de 2,9m. O quarto vão contém 2 isoladores em cada fase e os isoladores estão distanciados de 2,9m. Todos os componentes da LDE foram implementados no ATP a partir das suas características nominais. Fig. 4. Circuito equivalente da LDE implementada no ATP. C. Chaveamento para a Energização O transitório obtido na LDE quando da energização dos isoladores atingi picos de 14,55 kv (1,819 pu). Com o objetivo de reduzir este pico de tensão foram utilizados pararaios. Nas Fig. 5 e Fig. 6 estão apresentados os transitórios devido ao fechamento da chave fusível com e sem a inserção dos para-raios, apresentando um pico de tensão de 14,22 kv (1,785 pu) e 14,55 kv (1,819 pu) respectivamente. 1.5 x Fig. 5. Transitório com a presença do para-raios. D. Chaveamento para a Desenergização A Fig. 7 ilustra o transitório ocorrido LDE devido a sua desenergização, como mencionado anteriormente o chaveamento de abertura não produz grandes transitórios, portanto não será estudada nenhuma técnica de minimização deste transitório Fig. 7. Simulação da desenergização da LDE. -8 V. ENERGIZAÇÃO E INSPEÇÃO COM O SENSOR DE ULTRAVIOLETA A LDE foi energizada em 22 de novembro de 211. Em seguida foram executadas revisões e inspeções de recepção com o apoio de pesquisadores da UFCG utilizando sensor de ultravioleta. Essas inspeções tiveram o intuito de verificar eventuais irregularidades que pudessem comprometer o diagnóstico operacional das unidades isolantes instaladas. Durante as inspeções não foram detectadas nenhuma geração atípica de corona, credenciando a instalação à continuação dos experimentos. A Fig. 8 apresenta foto de uma das gravações do sensor, na qual não se observa efeito corona significativo; as descargas contabilizadas pelo instrumento se referem, apenas, a ruído de fundo. 1.5 x Fig. 8. Registro de inspeção com sensor de ultravioleta Fig. 6. Transitório sem a presença do para-raios. VI. CONCLUSÕES O presente artigo relata a construção de trecho de linha de distribuição experimental, voltada para a avaliação de isoladores de distribuição na classe de tensão de 13.8 kv. Essa linha faz parte de um projeto mais amplo direcionado para a concepção de técnicas de diagnóstico do estado operacional desses isoladores de tal forma a se inferir quanto a defeitos incipientes relacionados com bolhas de ar ou trincas internas

5 5 ao material dielétrico. Tais defeitos podem evoluir para disrupção do isolador, podendo causar interrupção do fornecimento de energia elétrica aos diversos consumidores. A concepção deste processo de diagnóstico preditivo representa uma contribuição significativa para o aumento da confiabilidade de sistemas elétrico de potência. VII. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a todo apoio financeiro do CNPq no desenvolvimento deste projeto que está em curso e de apoios em medições realizadas por pesquisadores do LAT da UFCG. VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [ 1] J. M. B. Bezerra, R. R. B. Aquino, J. B. Oliveira, T. M. A. Silveira, E. G. Costa, M. G. G. Neri, T. V. Ferreira, J. L. P. Dantas, P. L. Mendonca, Application of Pattern Recognition Techniques to non Invasive Insulation Monitoring, Electrical Insulation, 28. ISEI 28. Conference Record of the 28 IEEE International Symposium on, vol., no., pp.96-99, 9-12 June 28. [2] R. Hackam, Outdoor HV Composite Polymeric Insulators. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. Vol. 6 Nº. 5, pp , October1999. [3] M. G. G. Neri, E. G. Costa, R. W. S. Garcia, O. L. S. Paiva, Avaliação de Técnicas de Monitoramento de Isoladores Poliméricos, 6º Encuentro de Potencia, Instrumentación y Medidas. Nov. 25. Disponível em: [4] R. C. Bezerra, J. A. S. Tostes, J. M. T. Teixeira Jr., R. C. Leite, Estudo para Aumento da Confiabilidade de Isoladores Poliméricos nas Linhas de Transmissão da Eletronorte, in SBSE Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Belém, Pará, Brasil, Maio de 21. Disponível em: /SBSE21-22.PDF [5] W. C. Godoi, Detecção de Defeitos em Isoladores Poliméricos por Radiografia Digital, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Paraná, 25. [6] L. A. DISSADO, J. C. FOTHERGILL, Electrical Degradation and Breakdown in Polymers. London: Peter Peregrinus Ltd., [7] J. M. B. Bezerra, R. R. B. Aquino, J. B. Oliveira, O. Nobrega Neto, T. M. A. Silveira, E.G. Costa, M.G.G. Néri, T. V. Ferreira, J. L. P. Dantas, P. L. Mendonca, Avaliação de Sensor de Ultra-som como Técnica Preditiva na Manutenção de Subestações e linhas de Transmissão e Distribuição. P&D Revista Pesquisa e Desenvolvimento da ANEEL, v. No 3, p , 29. [8] NBR 5422: Projeto de Linhas de Aéreas de Transmissão de Energia Elétrica Procedimento. [9] A. B. Fernandes, A. S. Neto, D. F. P. de Moura, R. M. Soares, Análise de Desempenho de um Sistema de Distribuição quanto a Representação da Carga, in SBSE Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Belém, Pará, Brasil, Maio de 21. [1] G. S. Luz, et al, Ajuste Sincronizadores na Manobra de Fechamento dos Bancos Capacitores da Subestações de Tijuco Preto, in XIII eriac Encontro Regional Iberoamericano do CIGRÉ, Puerto Iguazú, Argentina, Maio de 29. [11] Relatório interno da UFCG, Medição de capacitância através de ponte Schering IX. BIOGRAFIAS Alexsandro Aleixo Pereira da Silva nascido em Pernambuco, Brasil em 29 de outubro de Engenheiro eletricista formado pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), em 26; concluiu mestrado em Processamento de Energia, em 29, pela UFPE. Atualmente é integrante do grupo de pesquisas em transmissão de energia elétrica, no Departamento de Engenharia Elétrica da UFPE e doutorando do PPGEE da mesma universidade. Elias Manoel de Souza Neto nasceu em Pernambuco, Brasil em 21 de agosto de Engenheiro eletricista formado pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), em 21; Atualmente é integrante do grupo de pesquisas em transmissão de energia elétrica, no Departamento de Engenharia Elétrica da UFPE e aluno de mestrado do PPGEE da mesma universidade. José Maurício de Barros Bezerra é engenheiro eletricista, formado pela Universidade Federal de Pernambuco, em 1975, pós-graduado em Análise de Sistemas de Potência, em 1982, pela Escola de Eng. de Itajubá/MG, concluiu mestrado em Eng. de Sistemas, em 1995, pela Universidade Federal de Pernambuco e doutorado em Engenharia Elétrica, pela Universidade Federal de Campina Grande/PB, em 24. Desde 1997 é professor da UFPE, no Depat. de Engenharia Elétrica, onde desenvolve pesquisas na área de transmissão e distribuição de energia elétrica. Sandro Ferreira Bezerra nasceu em Pernambuco, Brasil em 9 de outubro de Engenheiro eletricista formado pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), em 211; Atualmente é integrante do grupo de pesquisas em transmissão de energia elétrica, no Departamento de Engenharia Elétrica da UFPE e aluno de mestrado do PPGEE da mesma universidade. Suelen Holder de Morais e Silva nasceu em Pernambuco, Brasil em 22 de abril de Engenheira eletricista formada pela Universidade de Pernambuco (UPE), em 21; Atualmente é integrante do grupo de pesquisas em transmissão de energia elétrica, no Departamento de Engenharia Elétrica da UFPE e aluna de mestrado do PPGEE da mesma universidade. Vitor Rodrigo Alves Emerenciano nascido em Pernambuco, Brasil em 1 de junho de Engenheiro eletricista pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), em 21; concluiu mestrado em Processamento de Energia, em 212, pela UFPE. Atualmente é integrante do Grupo de Pesquisas em Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica (GPTD), no Departamento de Engenharia Elétrica e Sistemas de Potência da UFPE (DEE) e doutorando do PPGEE da mesma universidade. Zanoni Dueire Lins é engenheiro eletricista formado pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) em 1985, realizou o mestrado na área de sistemas elétricos de potência na UFPE em 1992 e, doutorado em engenharia elétrica, pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), em 21, na área de automação de máquinas elétricas. É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da UFPE desde 1993, onde desenvolve pesquisas na área de, eficiência energética, qualidade de energia, sistemas fotovoltaicos e distribuição de energia elétrica.