Chave fusível com duplo isolamento Rômulo Damasceno Moura, Ricardo Silva Thé Pontes Universidade Federal do Ceará romulo@coelce.com.br, ricthe@dee.ufc.br Abstract This paper proposes the implementation of a new type of switch fuse to be used in areas with high saline pollution, to reduce significantly the occurrences of lack of improper switch fuses. Distribution networks were used as field experiment in the towns of Aracati, Fortim and Icapuí, in which there was an excellent performance of the switch fuse with double insulation for situations where there is a high rate of saline pollution. The switch, which is in the form of fuse, is a device composed of elements designed to protect the circuit from damage and dynamic effects resulting from faults in power distribution system. The use of double isolated switch fuse was responsible for the reduction of saline pollution occurrences in the dry season. To achieve this type of switch fuse, several prototypes were developed to try the elimination the leakage current caused by pollution saline. By using this new equipment, we could see the preservation of fuse links and the reduction of improper operations records, which caused an increase in working time of staff, loss of material and especially customer dissatisfaction. This paper emphasizes the main features of this new model of switch fuse when it comes to reliability and security of energy supply. Keywords: Saline. Pollution. Switch. I. INTRODUÇÃO A poluição salina é um evento natural que afeta diretamente o funcionamento do sistema elétrico, sendo exclusivo de áreas litorâneas. Se não forem realizadas ações para minimizar os seus efeitos, como lavar os equipamentos com periodicidade, ela pode ocasionar a queima de transformadores, chaves fusíveis e isoladores de pino [1],[2], [3]. Quando esses equipamentos estão muito poluídos, eles podem perder as suas características dielétricas, além de permitir a ionização do ar tornando este meio um excelente condutor para formação de arcos elétricos, principalmente no momento em que for jateada água para retirar a sujeira. Essas atuações imprevistas interrompiam todas as programações das equipes de manutenção, pois quando ocorria a atuação de vários conjuntos de chaves fusíveis simultaneamente, muitos clientes ficavam sem energia e, para normalizar o sistema, era necessária a solicitação de equipes de apoio ao centro de controle, além das equipes de atendimento emergencial da região. Tal procedimento impedia as equipes de manutenções de realizarem as manutenções preventivas que estavam programadas para aquela data em que a chuva provocou a atuação dos elos fusíveis [4]. Procurando resolver esse problema que sazonalmente surgia em regiões que sofriam com a poluição salina, foram idealizadas algumas alternativas para conseguir superar essas anomalias em isolamento das redes por efeitos naturais. Como não se pode controlar a natureza, a alternativa foi inserir uma resistência entre a cruzeta e a chave fusível, pois os efeitos de poluição salina seriam minimizados se a distância de escoamento entre a parte energizada e a parte ligada a terra fosse aumentada. Seguindo essa linha de pensamento foram montados alguns protótipos de chaves fusíveis com isoladores de porcelana e vidro na parte de fixação da chave fusível para analisar o comportamento dessa nova configuração de chave fusível instalada no sistema elétrico. II. ANÁLISE DO SISTEMA ANTES DA APLICAÇÃO DESSA NOVA CONFIGURAÇÃO DE CHAVE FUSÍVEL. Sazonalmente após o período chuvoso as redes de distribuição de energia elétrica localizadas nas áreas litorâneas são constantemente poluídas por uma névoa salina, a qual é formada por partículas de água misturadas com sal, sendo a principal responsável por uma série de problemas nas linhas de distribuição. Verificando que nos meses de estiagem que se iniciam a partir do mês de agosto surgiam várias ocorrências que eram originárias dessa poluição salina, em muitos casos ocorria a atuação das chaves fusíveis indevidamente. Foi observado que essa atuação só era constatada nesse período em que essa poluição era mais 49
acentuada pela ausência das chuvas que serviam para limpar esse acúmulo de poluição. Quando essa poluição estava muito acentuada, bastava somente uma chuva passageira de poucos milímetros para que ocorresse a atuação indevida das chaves fusíveis existentes nessa região. Sendo um grande problema para as equipes de atendimento emergencial, pois em um só dia houve caso de atuação de mais de 90 chaves fusíveis ocasionando um transtorno para as equipes de emergências e para os consumidores [2]. Um grande desafio para o setor de manutenção. Técnicos da Coelce verificaram que as chaves danificadas possuíam algo em comum, pois todas tinham trilhas de escoamento entre o contato fixo e a base de fixação das chaves na estrutura de concreto. A figura 1 mostra as ocorrências onde a causa registrada foi maresia, esse acompanhamento foi realizado entre os anos de 2007 até 2011. O total de clientes afetados por ocorrências por maresia no período de acompanhado de 05 anos se assemelha a uma interrupção que venha a afetar todo o centro de serviço Aracati, o qual possui um quantitativo de 55.000 clientes. Nesse acompanhamento foram registrados 53.348 clientes afetados. A figura 3 mostra o acompanhamento dos custos com lavagem nos alimentadores que recebem influência da poluição salina. Figura 3: Custos por Lavagem por Alimentador Figura 1: Ocorrências Por Maresia A figura 2 mostra número de clientes afetados nos alimentadores provenientes de interrupções ocasionadas por maresia. Nesses 05 anos foram gastos cerca de 258.129,00 reais em lavagens de alimentadores para amenizar os efeitos da névoa salina, onde em algumas dessas lavagens as estruturas por se encontrarem muito poluídas ocasionam a interrupção do fornecimento de energia do trecho que estava sendo lavado. A figura 4 mostra os custos com as equipes de manutenção para restabelecer o sistema nessas ocorrências provenientes da ação da poluição salina. Figura 4: Custos por Manutenções Realizadas Figura 2: Clientes Afetados por Ocorrências Por Maresia Pode ser observado que os custos de manutenção corretiva e preventiva nesses alimentadores que recebem a influência da névoa salina são elevados, impactando 50
diretamente nos recursos destinados a manutenção do sistema elétrico, nesse período que foi realizado esse estudo foi gasto com manutenção e lavagem cerca de R$ 283.473,00 para manter esse sistema de distribuição. Para melhor compreensão pode-se apresentar os alimentadores ART01N3 e o ICP01N1 os quais ficam próximos ao litoral. Porém com a seguinte diferença: no ART01N3 foi trabalhado a instalação da chave fusível com duplo isolamento enquanto que no ICP01N1 se utilizou das ferramentas convencionais tais como: lavagem periódica e a substituição das chaves fusíveis de 17 kv por 24 kv. Na Figura 5 pode-se verificar que a tendência de crescimento no quantitativo de ocorrências no ICP01N1. Onde a causa raiz era maresia. Esse alimentador teve uma mudança no sentido da curva no ano de 2011, caracterizando uma melhoria no combate nesse tipo de defeito. Figura 5: Alimentador ICP01N1 com o pior desempenho Figura 6: Alimentador ART01N3 com o Melhor desempenho As ocorrências relacionadas com a poluição salina nos isoladores, chaves seccionadoras e chaves fusíveis no centro de serviço de Aracati acarretaram ao longo do ano um déficit de R$ 66.833,00 no orçamento destinado a manutenção das redes de baixa e média tensão. Esse consumo do orçamento representa 3% do valor total planejado para a execução de manutenção corretiva e preventiva na região em estudo durante um ano. Na Figura 7 é ilustrada uma estrutura de transformador com a utilização de chave fusível com duplo isolamento. Figura 7: Estrutura de transformador com utilização da chave fusível com duplo isolamento Na Figura 6 pode-se verificar uma tendência de queda no quantitativo de ocorrências por maresia do ART01N3 ao longo dos anos. Com a utilização dessa chave fusível com duplo isolamento houve a redução de lavagem artificial nesse alimentador. Oportuno lembrar que o ano de 2008 foi um ano de baixas ocorrências devido o excesso de chuvas em toda região, o que proporcionou a limpeza natural dos isoladores e das chaves. A chave fusível com duplo isolamento é uma ferramenta de baixo custo que proporciona um alto desempenho ao sistema elétrico por sua principal característica que é eliminar a atuação indevida da chave fusível, ocasionada pela poluição salina. III. RESULTADOS E DISCUSSÃO A norma NBR 10621, de 2005, trata dos métodos de ensaios em isoladores com poluição artificial, como vista a norma não se aplica para ensaios com chaves fusíveis. Para se ensaiar as chaves fusíveis, tomou-se como base a norma NBR 10621, estabeleceram-se os seguintes procedimentos: Inicialmente utilizou-se uma chave fusível 51
nova com classe de isolamento 24 kv que foi ensaiada seguindo uma sequência de descargas pulsivas de 5 kv, 10 kv, 15 kv, 25 kv e 25 kv durante 03 minutos, sendo medida a corrente de fuga para esses valores. Em seguida repetiu-se o mesmo procedimento de ensaio com as chaves fusíveis retirados do campo. Estes valores serão adotados como referência para comparação de chaves fusíveis em operação no campo com e sem o duplo isolamento. Foram tomados como referência os procedimentos de ensaios adotados por Sousa (2010) [5]. Para constatar a eficiência da utilização desse isolador de amarração associado a uma chave fusível foram realizados em dois momentos ensaios com chaves fusíveis novas, onde os valores de corrente de fuga foram praticamente iguais. Na Figura 8 pode-se verificar o ensaio com a chave fusível nova. Figura 8 : Ensaio Chave Fusível com Duplo Isolamento A chave fusível com duplo isolamento embora suja (poluída) apresentou desempenho bastante satisfatório, mesmo comparada com a totalmente limpa (nova). Durante o ensaio foi tomado todo cuidado para que não houvesse contato com as superfícies que foram ensaiadas para não comprometer o ensaio. Também se observou no ensaio a magnitude da corrente de fuga quando a chave fusível estava sobre poluição natural e quando estava sobre essa mesma poluição, mas com água sendo aspergida em condição condutiva. Para melhor identificação, as chaves fusíveis foram referenciadas com os códigos CF-1/10 e CF-2/10. Iniciouse o ensaio com a chave CF-1/10 que tinha sido instalada no campo com o duplo isolamento [3]. Na chave CF-1/10 foram realizados os ensaios com a chave fusível sobre a poluição natural, com a configuração convencional e também com o duplo isolamento, sendo constatados valores de corrente de fuga diferente para a chave CF-1/10. A Figura 10 mostra a chave CF-1/10 que foi realizado o ensaio sobre poluição natural com a configuração convencional e com duplo isolamento. Figura 10: Chave CF-1/10 No segundo momento foram realizados ensaios com chaves fusíveis retiradas do campo com aproximadamente o mesmo tempo em operação no sistema elétrico, onde se pode constatar a eficiência na utilização da chave fusível com duplo isolamento. Na figura 9 são mostradas as chaves fusíveis que foram utilizadas para o ensaio no laboratório da B&Q. Figura 11: Chave CF-1/10 Figura 9: Chaves Fusíveis que foram realizados os ensaios Na Figura 12 são apresentadas as curvas com os valores das correntes de fuga coletados na chave CF-1/10 com ensaio realizado a seco sobre poluição natural. 52
Figura 12: Correntes de fuga na Chave CF-1/10 com ensaio a Seco. Figura 14: Correntes de fuga na chave CF-2/10 com ensaio a seco. Seguindo o mesmo procedimento foram realizados os ensaios na chave CF-2/10 que foi instalada no campo como uma chave fusível convencional, sendo também constatados valores de corrente de fuga diferente. A Figura 13 mostra a chave CF-2/10 que foi realizado o ensaio sobre poluição natural com a configuração convencional e com duplo isolamento. Figura 13: Chave CF-2/10 A Figura 14 mostra as curvas com os valores das correntes de fuga coletados na chave CF-2/10 com ensaio realizado a seco sobre poluição natural, utilizando as duas configurações descritas nesse capítulo [6]. A chave fusível com duplo isolamento é uma opção viável e segura para sistema elétrico de potência e em muitos casos a lavagem convencional, no momento em que está sendo executada, expõem os técnicos aos riscos de condutibilidade pela água, caso essa água utilizada não tenha um baixo ph. A substituição de chave fusível de 17 kv por chave fusível de 24 kv também é muito utilizada, gerando custos adicionais aos processos de manutenção das concessionárias, onde em muitos casos não se consegue manter baixa a circulação de corrente de fuga ao longo do tempo. Essa corrente de fuga pode danificar a chave fusível e ocasionar atuações indevidas como foi relatado nesse capítulo. A segurança de técnicos e terceiros também foi observada nesse estudo. Prezando pela segurança é que a chave fusível com duplo isolamento está sendo implementada em regiões de alto índice de poluição salina. Os problemas identificados ao longo dos anos por causa da poluição salina instigaram a equipe do centro de serviço da Coelce em Aracati a buscar soluções para esse incômodo problema que sazonalmente surge nas redes de transmissão, distribuição. A chave fusível com duplo isolamento sinalizou para as equipes de manutenção como uma solução viável e eficaz para os problemas que elas se deparavam nos meses de ausência de chuvas; uma vez que a chave fusível com duplo isolamento elimina por completo as atuações indevidas que ocorriam nas chaves fusíveis convencionais [7]. IV. CONCLUSÃO Os efeitos da poluição salina além de reduzirem a vida útil dos equipamentos por meio da corrosão, também provocam a atuação indevida das chaves fusíveis. Essa atuação indevida gera custo à concessionária e insatisfação aos clientes afetados devido o tempo gasto 53
para atender a todos os casos registrados no centro de serviço. Até então, solução conhecida para esse tipo de problema era a realização de lavagens periódicas nas estruturas que possuíam equipamentos e chaves. Porém esse tipo de intervenção além de ser onerosa ao orçamento da manutenção, também poderia gerar danos ao sistema elétrico se ocorresse algum erro na execução do serviço. Uma alternativa foi idealizada pelo eletricista da Coelce José Lucio da Silva, uma adaptação para as chaves fusíveis com o objetivo de eliminar a circulação da corrente de fuga da parte energizada (corpo de porcelana) para a cruzeta que fixa a chave fusível. Com a utilização desse artifício verificou-se que o desempenho das chaves fusíveis melhorou e que essas chaves não atuavam indevidamente com as chaves normais. Verificada a oportunidade de melhoria no sistema, foi elaborado um plano de ação para substituir as chaves fusíveis que se encontravam próximas às áreas com alto teor de poluição salina, levando em consideração o nível de criticidade. Nos últimos três anos foram substituídas, em toda a área, mais de 600 chaves fusíveis por chave fusível com duplo isolamento. O que resultou numa redução nos índices de DEC e FEC que tinham por causa a poluição salina. Essa prática foi apresentada à concessionária, sendo aprovada e normatizada para a utilização dessa ferramenta em toda Coelce. Também foi apresentada para a concessionária AMPLA no Rio de Janeiro como uma inovação no combate aos efeitos da poluição salina. O centro de serviço de Aracati é referência em toda a empresa nesse tipo de prática, sendo sempre visitado por funcionários de outros centros de serviço da Coelce e até da Ampla, como foi relatado. Os custos para substituir uma chave fusível convencional por uma chave fusível com duplo isolamento é irrisório, pois o preço das peças de junção associado ao isolador de vidro chega ao valor de apenas R$ 42,00 e o preço pago por uma hora trabalhada de uma equipe de atendimento custa à concessionária de energia o valor de R$ 64,00. Portanto, o retorno desse projeto é imediato. No ano de 2011 foram instaladas no centro de serviço de Aracati 310 chaves com duplo isolamento sendo esperada uma redução de R$ 15.000,00 na execução das lavagens que corresponde a 30% do orçamento de lavagem e uma redução de R$ 4.000,00 com equipes de atendimento emergencial que corresponde a 60% do valor gasto para atender ocorrências causadas pela poluição dos equipamentos devido à maresia. A utilização da chave fusível com duplo isolamento representou uma melhoria no fornecimento de energia em regiões com alto índice de poluição salina. REFERÊNCIAS [1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT. NBR 7109-Isolador de Disco de Porcelana ou Vidro Dimensões e Características. 2009. Brasil, p. 6. [2] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT. NBR 8124-Chaves Fusíveis de Distribuição Classe 2. 1990. Rio de Janeiro, p. 5-6. [3] SANTA TEREZINHA, Vidro Isoladores de Suspensão, Disponível em: <http://www.cstisoladores.com.br/portugues/produtos/tit-pop/porc-isol-susp.html>, Acesso em: 13 nov. 2011. [4] MAMEDE FILHO, J.: Manual de Equipamentos Elétricos, 3ed, Rio de Janeiro: LTC, 2005. Cap. 2 P. 46-65. [5] R. O. Sousa, Lavagem a seco de isoladores da rede elétrica de distribuição, Fortaleza, 2010. Dissertação realizada na Universidade Federal do Ceará com obtenção do titulo de Mestre [6] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT. NBR 10621: Isoladores utilizados em sistemas de alta tensão em corrente alternada Ensaios de poluição artificial. Rio de Janeiro, 2005 [7] Companhia Energética do Ceará COELCE, Chave Fusível com duplo isolamento contra maresia, Fortaleza: Revista Deu Certo, 2009. AUTORES Ricardo Silva Thé Pontes nasceu em Fortaleza-Ce, Brasil em 20 de Janeiro de 1956. Concluiu o curso de Engenharia Elétrica na Universidade Federal do Ceará UFC em 1979, Mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade de Brasília em 1983 e Doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia em 2003. Atualmente é professor associado II da Universidade Federal do Ceará. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Máquinas Elétricas, Automação industrial e Eficiência energética, atuando principalmente nos seguintes temas: eficiência em força motriz, máquinas de indução linear, máquina elétricas de relutância, monitoramento digital de sistemas ambientais e em limpeza de isoladores da rede elétrica de distribuição, visando a qualidade no fornecimento de energia. Rômulo Damasceno Moura nasceu em Limoeiro do Norte-Ce, Brasil em 24 de Fevereiro de 1979. Concluiu o curso de Engenharia Elétrica na Universidade Federal do Ceará UFC em 2003. Pós-Graduação em Gestão de Energia, Faculdade Leão Sampaio 2011. Mestrando em Engenharia Elétrica, área Eletrônica de Potências e Acionamentos Elétricos, Universidade Federal do Ceará 54
UFC. Sua Experiência profissional inclui a função de Engenheiro Responsável pelo Centro de Serviço da Coelce em Aracati-Ce. 55