TT 255 ACELERAÇÃO DA DEGRADAÇÃO TÉRMICA DO ISOLAMENTO DE CABOS EM PARALELO Felipe Tavares Fialho Lopes (1) Paulo Tarcísio Fialho Lopes (2) Sinval Rosin Volpato (3) Paulo Luiz Lacorte (4) Resumo A utilização de dois ou mais condutores em paralelo por fase, representa uma solução prática e econômica, quando se trata de transportar correntes elevadas. Quanto menor a seção do cabo, mais fácil seu manuseio e sua instalação. Na prática, costuma-se limitar a seção dos condutores a 300 mm 2. A NBR 14039 prescreve em 6.2.5.6 que quando dois ou mais condutores são ligados em paralelo na mesma fase ou polaridade, devem ser tomadas medidas para garantir que a corrente se divida igualmente entre eles. É muito comum encontrar circuitos com uma distribuição muito desigual de corrente em função de um arranjo inapropriado dos cabos, devido à diferença entre suas indutâncias mútuas. O desequilíbrio de corrente pode provocar o carregamento de um ou mais condutores com correntes tais que provoquem a degradação térmica prematura do isolamento, mesmo que a corrente total permaneça inferior à de projeto. O trabalho apresenta casos reais de degradação prematura do isolamento e conseqüências para a continuidade operacional de uma planta industrial. 1. Introdução Um dos critérios de especificação dos condutores elétricos é a sua ampacidade. Neste critério é verificada qual a seção mínima do condutor capaz de transportar continuamente, a corrente de projeto, sem que a temperatura máxima no material isolante atinja a temperatura limite deste material. (1) Engenheiro Eletricista da Oficina de Reparo de Máquinas e Ensaios Preditivos da Tereme Engenharia de Manutenção. (2) Engenheiro Eletricista Diretor Técnico da Tereme Engenharia de Manutenção Sócio da Abraman. (3) Engenheiro Eletricista Sênior de Manutenção das Usinas de Pelotização V à VII da Companhia Vale do Rio Doce. (4) Engenheiro Eletricista Gerente de Obras da Tereme Engenharia de Manutenção.
Nestas condições a degradação térmica do material isolante se processará naturalmente, podendo-se esperar uma longa vida útil do condutor. Se o condutor opera com corrente e, conseqüentemente, temperatura superior à de projeto, o material isolante sofre uma degradação térmica acelerada antecipando a vida útil deste condutor. A NBR 14039 prescreve em 6.2.5.6 que quando dois ou mais condutores são ligados em paralelo na mesma fase ou polaridade, devem ser tomadas medidas para garantir que a corrente se divida igualmente entre eles. Este procedimento garante que a proteção de sobrecarga seja efetiva na proteção dos condutores. 2. Degradação térmica do material isolante A equipe de manutenção elétrica das usinas de pelotização V a VII da CVRD constatou a degradação do isolamento de um condutor de cada fase do circuito que vai do secundário do trafo 80T3 ao CCM 80 A2 bus B PT tensão 4,16 kv da usina de pelotização VII (Kobrasco) da CVRD. O transformador foi desenergizado. Figura I Diagrama unifilar do circuito do transformador 80T3. O circuito é composto de cinco condutores unipolares 400 mm 2 3,6/6 kv, isolado em EPR 105 ºC, com extensão de 25 m. A Tereme foi contratada para fazer uma análise do problema, executar os testes de avaliação da condição do isolamento de todos os condutores do circuito e eliminar a causa da degradação prematura do isolamento dos circuitos dos trafos 80T1, 80T2, 80T3 e 80T4. A instalação foi energizada em outubro de 1998, estando, portanto, com 7,5 anos de operação.
Os condutores estão lançados justapostos em leito de cabos ao ar livre, método de referência A tabela 25 da NBR 14039:2003. (Fig. II) Figura II Disposição dos condutores de forma linear e justapostos, sem preocupação com a indutância mútua. 3. Análise da causa mais provável Uma inspeção visual do isolamento degradado e a observação da disposição inadequada dos condutores em paralelo conduziram a análise da causa para uma distribuição desigual das correntes pelos condutores de cada fase. 3.1. Medição da corrente nos condutores Foram executadas as medições de corrente dos condutores do secundário do trafo 80T4 com um alicate amperímetro Fluke modelo i1000s, com escalas de 10, 100 e 1.000 A, anotadas na tabela I. Fase N do Condutor em paralelo 1 2 3 4 5 R 197 209 210 322 690 S 433 214 184 226 385 T 376 220 214 233 178 Tabela 1 Intensidade de corrente em ampéres no secundário do trafo 80T4 3.2. Impedância desigual dos condutores de cada fase A distribuição largamente desigual da corrente dos condutores de fase decorre da impedância desigual destes condutores. A variação da impedância é decorrente da desigualdade da impedância mútua dos vários condutores de uma fase, em razão da disposição inadequada destes condutores sobre o leito de cabos (fig.iii).
Figura III Gráfico da distribuição da corrente pelos condutores em paralelo. 4. Dimensionamento dos condutores pelo critério da ampacidade. A tabela 30 da NBR 14039 - Instalações elétricas de média tensão de 1,0kV a 36,2 kv, indica como capacidade de condução de corrente em ampéres para cabos de isolamento em EPR, temperatura do condutor 105 ºC, temperatura ambiente 30 ºC, método de instalação A, seção 400mm 2, tensão nominal 3,6/6kV, 672 Ampéres. Considerando os fatores de correção: 0,80 para 5 (cinco) circuitos 0,93 para temperatura ambiente de 40 ºC A capacidade de corrente corrigida Ccorr para os condutores será: Ccorr=672 x 0,80 x 0,93 = 500 Ampéres A corrente nominal de transformador em 4,16 kv é: In= 17.500 4,16 x 3= 2.434 A Corrente nominal do transformador por condutor fase = 2.434 5= 487 A Comparando a corrente acima com a capacidade de condução de corrente de cada condutor (500 A), fica claro a necessidade da igual distribuição da corrente dos condutores em paralelo para transportar a corrente nominal sem sobrecarregar os condutores. 5. Solução adotada para a igual divisão da corrente entre os condutores de fase. A solução passa pela disposição dos condutores sobre o leito de cabos numa configuração tal que as impedâncias dos condutores sejam as mais
aproximadas possíveis, de forma que a corrente se distribua igualmente entre estes condutores. Os cabos foram agora dispostos sobre o leito de cabos com a configuração conforme figura IV. Figura IV Nova distribuição dos cabos sobre o leito. Comparando as figuras II e IV, observa-se que os condutores passaram da configuração linear para trifólio, com uma inversão entre os condutores das fases R e T e um espaçamento de 2d (d é o diâmetro externo do condutor) entre os trifólios. Esta configuração faz com que as indutâncias mútuas entre os condutores sejam muito uniformes. 6. Medição das correntes nos condutores após a reconfiguração dos condutores O religamento do transformador depende de uma parada da usina Kobrasco para manutenção que ainda não ocorreu. No seminário estaremos apresentando o resultado das medições realizadas. 7. Testes dos condutores do Trafo 80T3 Para verificação das condições dos isolamentos dos cabos, foram executados testes de alto potencial (Hypot Test) com corrente contínua pelo método de degrau de tensão. A tensão máxima de teste foi determinada em 8,6 kv de acordo com a NBR 7286, cabos em operação, fora do período de garantia.
O teste foi dividido em 10 degraus de tensão e o isolamento ficou exposto à maior tensão por um período de 5 minutos. Foi utilizado um instrumento de teste de alto potencial da Baur Pruf- und Messtechnik GmbH, modelo PGK 50, tensão regulável de 0 a 50 kv, CC, leitura mínima 20 na. Figura V Curva obtida através da medição de corrente de fuga em função da tensão aplicada (degraus de tensão) em um dos condutores. Os condutores nº 5 da fase R e nº 1 da fase S que apresentavam isolamento claramente degradados estavam removidos, não sendo possível testá-los. As curvas de corrente de fuga versus tensão aplicada, traçadas durante a realização dos testes, de todos os outros condutores, apresentaram perfil sem indicação de problema de isolamento, similares à curva indicada na figura V. Os valores das correntes de fuga lidas um minuto após a aplicação do último degrau de tensão variaram de 90 até 430 na. As maiores correntes de fuga (420 e 430 na) foram medidas nos condutores n 5 da fase S e n 1 da fase T, respectivamente condutores testados que transportavam as maiores intensidades de corrente Fase R S T Circuito 1 2 3 4 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Corrente (na) 120 150 150 260 180 90 260 420 430 90 200 160 230 Tabela II Correntes de fuga em nanoampéres lidas um minuto após aplicação do último degrau de tensão. A resistência de isolamento mínima de condutores bitola 240 mm 2, isolamento em EPR, comprimento 25 m. pode ser calculada: Ri =Ki log (D / d), onde:
Ri = Resistência de isolamento em MΩ x km à 20ºC Ki = Constante de isolamento igual a 3.700 MΩ x km D = Diâmetro nominal sobre a isolação, em mm d = Diâmetro nominal sob a isolação,em mm Ri = 3.700 log ( 35,3/18,3 ) = 1.056 MΩ Para comprimento de 25 m e temperatura de 28ºC (temperatura do condutor no instante do teste), a resistência de isolamento mínima será: Rmin = 1056 x 1000 / 25 x 2,5 = 16.896 MΩ A resistência de isolamento calculada através da maior corrente de fuga medida no condutor nº 1 da fase T (menor resistência de isolamento de todos os condutores), é: Risol. = 8,6 (kv) / 430 (na) = 20.000 MΩ Todos os condutores apresentam resistências de isolamento, em 8,6 kv, superiores ao mínimo. Conclusão Condutores instalados em paralelo, quando lançados de forma aleatória, carregam-se com intensidades de corrente muito discrepantes. Dependendo da relação entre a corrente de operação e de projeto, os condutores com maior corrente podem trabalhar com temperaturas superiores ao máximo permissível para o material isolante, reduzindo a vida útil. No caso apresentado, dois condutores, de um total de quinze, apresentavam degradação térmica do material isolante, claramente perceptíveis, com menos de oito anos de operação, quando a vida mínima esperada é de trinta anos. Nas fases de projeto e montagem devem ser definidas as disposições dos condutores em paralelo capazes de garantir a distribuição igualitária da corrente entre os vários condutores de todas as fases. Este trabalho não permitiu verificar a efetividade de testes de isolamento, com aplicação de alto potencial, no diagnóstico de problemas de degradação térmica do isolamento, em virtude dos condutores degradados terem sido destruídos. Bibliografia NBR 6251 Cabos de potência com isolação sólida extrudada para tensões de 1 kv a 35 kv Construção Padronização NBR 6813 Fios e cabos elétricos Ensaio de resistência de isolamento Método de ensaio.
NBR 6881 Fios e cabos elétricos de potência ou controle Ensaio de tensão elétrica Método de ensaio. NBR 7286 Cabos de potência com isolação sólida extrudada de borracha etileno propileno (EPR) para tensões de isolamento de 1 kv a 35 kv. IEEE Std 400 2001 IEEE guide for field testing and evaluation of the insulation of shielded power cable systems. IEEE P400.1 TM, IEEE draft guide for making hight direct voltage tests on shielded power cable systems in the field.