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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
DIRETORIA DE PESQUISA
PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – PIBIC: CNPq, CNPq/AF, UFPA,
UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA
RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO
Período: Agosto/2016 a Janeiro/2017
(X) PARCIAL
( ) FINAL
IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO
Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho): Montagem do Laboratório de Alta e Extra Alta Tensão da Universidade Federal do Pará.
Nome do Orientador: Marcus Vinicius Alves Nunes
Titulação do Orientador: Doutor
Faculdade: Faculdade de Engenharia Elétrica
2
Instituto/Núcleo: Instituto de Tecnologia
Laboratório: Laboratório de Alta e Extra Alta Tensão da UFPA
Título do Plano de Trabalho: Montagem e Ensaios de Geradores de Impulso Atmosférico (de Tensão) no Laboratório de Extra Alta Tensão (LEAT) da UFPA. Nome do Bolsista: Denise Ferreira da Silva Luz.
Tipo de Bolsa: ( ) PIBIC/ CNPq
( ) PIBIC/CNPq – AF
( )PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador
(X) PIBIC/UFPA
( ) PIBIC/UFPA – AF
( ) PIBIC/ INTERIOR
( )PIBIC/PARD
( ) PIBIC/PADRC
( ) PIBIC/FAPESPA
( ) PIBIC/ PIAD
( ) PIBIC/PIBIT
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INTRODUÇÃO
Apesar dos sistemas de energia operarem em regime contínuo na maior
parte do tempo, os mesmos estão sujeitos a sobretensões e sobrecorrentes causadas
por surtos de baixa frequência e transitórios eletromagnéticos (alta frequência) devido
a correntes impulsivas provenientes de descargas atmosféricas[1].
Em um sistema de energia a causa mais frequente no número de
interrupções do fluxo de potência é a ruptura da isolação. Isso acontece pelo fato do
isolamento estar sujeito a tensões superiores à tensão nominal que podem ter origem
interna ou externa como por exemplo as descargas atmosféricas com formas de onda,
intensidade e duração diversas[2].
Para saber o comportamento dos equipamento sujeito a sobretensões é
necessário a realização de ensaios previstos em norma que determina o nível de
tensão, duração, origem da sobretensão, temperatura, umidade e assim por diante,
pois cada equipamento possui suas particularidades e por isso diferentes normas. Os
ensaios podem ser realizados através da aplicação de formas de ondas que
representam cada tipo de sobretensão e são geradas por equipamentos específicos
como os Geradores de Impulso Atmosféricos que podem gerar tanto impulsos de
tensão como impulsos de corrente.
Um ensaio impulsivo de alta tensão por exemplo pode ser feito em vários
equipamentos como isoladores, transformadores, cabos de alta tensão, etc. Realizado
por um sistema composto por gerador de impulso, instrumentos de medição e controle
da forma de onda e o próprio equipamento a ser ensaiado. Segundo [3] os
equipamentos elétricos, caracterizam-se por possuir níveis de isolamento
padronizados, ditados pela sua tensão nominal de operação e denominados de NBI
(Nível Básico de Isolamento) para determinar a suportabilidade do equipamento em
relação às sobretensões de origem externa e NIM (Nível de Impulso de Manobra) para
as sobretensões de origem interna.
Os geradores de impulso são então necessários para verificar as condições
de suportabilidade dos equipamentos elétricos de alta tensão, quando submetidos a
esforços dielétricos normalizados. Adicionalmente, os geradores de impulso são
necessários na pesquisa e desenvolvimento de novos equipamentos elétricos e
materiais isolantes, bem como no estudo dos fenômenos associados às altas
tensões[3]. Neste contexto vários ensaios são realizados nos Geradores de Impulso
4
de Tensão como os Impulsos de manobras e os impulsos atmosféricos nos quais se
simula sobretensões originadas por descargas atmosféricas e surtos provenientes de
chaveamento no sistema de potência.
Os ensaios de impulsos de tensão são realizados com mais frequência que
os com impulsos de manobra pois a maioria dos equipamentos que estão envolvidos
nos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica estão mais
sujeitos a sofrerem com descargas atmosféricas diretas e indiretamente. As
sobretensões de origem interna quase sempre são devidas às manobras ou
chaveamentos no sistema elétrico, sendo uma das mais severas o religamento em
alta velocidade de linhas de transmissão trifásicas com carga residual. Os surtos de
manobra caracterizam-se por possuir tempo de crescimento de algumas centenas de
µs e duração de vários milhares de µs, possuindo em geral energia superior ao dos
surtos atmosféricos, principalmente em sistemas elétricos cuja tensão de operação é
superior a 230 kV[4].
A Norma ABNT NBR 6936/1992 estabelece a forma de onda padrão tanto
para impulso atmosférico como para impulso de manobra que é 1,2/50µs para impulso
atmosférico e 250/2500µs para impulso de manobra. A Norma também fornece a
forma de onda cortada tanto no tempo de frente como no tempo de cauda para o
impulso de tensão. Esse corte ocorre quando uma descarga disruptiva interrompe o
impulso de tensão no tempo de frente ou no tempo de cauda.
Quando o ar é o isolamento principal de determinado equipamento o ensaio
é chamado não destrutivo e o fenômeno físico associado à aplicação dos impulsos
tem natureza probabilística. Neste caso vários procedimentos de ensaio que utilizam
métodos estatísticos, com amostragens constituídas de um número significativo de
aplicações, para permitir a determinação da suportabilidade do equipamento em
função de uma dada probabilidade de descarga são adotados[3].
5
JUSTIFICATIVA
O Laboratório de Extra Alta Tensão da UFPA surgiu pela necessidade da
região amazônica ter um local próximo aos grandes empreendimentos do setor
energético como Belo Monte, onde se possa realizar testes em equipamentos de alta
tensão para verificar suas condições de uso adequado sem prejudicar a transmissão
de energia elétrica. Ele visa atuar junto a empresas e instituições na pesquisa de
soluções tecnológicas para a melhoria de equipamentos e sistema elétrico,
desenvolvimento e controle de qualidade de equipamentos, realizando ensaios de
rotina, de tipo e ensaios especiais em diversos equipamentos.
OBJETIVOS
a) Consolidação do LEAT na prestação dos serviços relacionados a comissionamento
e outros ensaios em equipamentos de alta tensão no mercado de energia regional.
b) Formação de mão-de obra (pesquisadores) na área de alta tensão com foco em
Geradores de Impulso Atmosféricos.
c) Para atingir os objetivos principais destacados, é necessário o domínio das técnicas
de ensaios com o gerador de impulso atmosférico de tensão, de acordo com as metas
específicas:
Elaboração de instrução técnica para a montagem do gerador de impulso
atmosférico de tensão, para que a adequação às normas possa ser realizada
pelos próprios membros do laboratório, aumentando a autonomia da utilização
do gerador no LEAT_ UFPA.
Elaboração de instrução técnica para ensaios de tensão suportável na isolação
de equipamentos de alta tensão para a padronização e adequação ás normas
vigentes.
MATERIAIS E MÉTODOS
O presente projeto será executado segundo a seguinte metodologia e
cronograma, baseado em elaboração de instrução técnicas de montagem de
geradores e de testes de impulso atmosférico de tensão:
Revisão Bibliográfica: onde será elaborada e discutida de forma resumida uma
lista de publicações relacionadas com o tema da pesquisa;
6
Estudo dos fenômenos de sobretensões atmosféricas, dos circuitos geradores
de tensão e impulsivas;
Estudo de materiais dielétricos aplicados na engenharia elétrica submetidos a
altas tensões e testes de suportabilidade a elevados níveis de tensão;
Elaboração de instruções técnicas para ensaios de tensão suportável, baseada
nas normas vigentes, e estudo de caso para ensaio em isolação escolhida,
ensaios e testes em dielétricos.
RESULTADOS
1. Geradores de Impulso de Tensão
Os Geradores de Impulso de Tensão são equipamentos responsáveis por
gerar um impulso de curta duração em cargas com características bem distintas. Eles
são empregados na simulação de descargas atmosférica e impulsos de manobra no
qual os equipamentos de alta tensão estão sujeitos. São formados por um conjunto
de capacitores que são carregados (de 100 KV à 200 KV) em paralelo por um
retificador que fornece tensão em corrente continua. Quando a tensão estipulada é
totalmente carregada, os capacitores se descarregam em série através dos
centelhadores e toda tensão é aplicada no objeto sob ensaio. Os Geradores de
impulso de tensão são caracterizados por uma tensão de saída nominal U0 (que é
obtida pela máxima tensão de carga por estagio e multiplicada pela quantidade de
estágios envolvidos no processo de ensaio), pelas capacitâncias série e pela máxima
energia armazenada[4].
Eles têm que cumprir determinadas regras que são obtidas por normas e
que são fundamentais no processo de ensaio dos diversos equipamentos de alta
tensão. Uma dessas regras é gerar formas de onda padrão de 1,2/50 µs para impulsos
atmosféricos e 250/2500 µs para impulsos de manobra com suas respectivas faixas
de tolerância em equipamentos sob ensaio de baixa capacitância e com fator de
eficiência de tensão relativamente alto. Além disso, ele deve gerar as mesmas formas
de onda para equipamentos com elevada capacitância, mas com fator de eficiência
inferior pois nestes casos os equipamentos ensaiados possuem em sua maioria
isolação não auto-recuperante que leva a outros procedimentos fazendo os níveis de
tensão diminuir[4].
7
Os Geradores de Impulso também tem como função gerar formas de onda
não padronizadas pois estas podem ocorrer no sistema elétrico de potência. Ele tem
que fornecer formas de onda padrão em equipamentos indutivos e como ocorrem
diversos aplicações de impulsos consecutivos no objeto sob ensaio, o Gerador deve
dar a possibilidade de operar automaticamente para facilitar os testes.
Um impulso pode ser caracterizado como uma tensão ou corrente
transitória aperiódica que cresce rapidamente até o valor de crista e decresce
lentamente até o valor zero. O impulso de tensão representado por uma dupla
exponencial é definido basicamente pelo seu tempo de frente ou tempo de subida,
pelo tempo de descida ou tempo de cauda (que é 50% do valor de pico) e pelo valor
de pico de tensão[3]. O impulso atmosférico se diferencia do impulso de manobra pelo
tempo de frente pois impulsos com tempo de frente até 20 µs são considerados
impulsos atmosféricos e os com tempo superior são geralmente considerados como
impulsos de manobra. Além disso, o impulso de manobra também pode ser
caracterizado pelo tempo até o meio valor superior ao do impulso de tensão[5]. Na
figura 2.1 vemos a forma de onda padrão para impulso atmosférico pleno o qual não
é interrompido por uma descarga disruptiva. Essa forma de onda despreza o efeito
das indutâncias e capacitâncias parasitas no circuito de ensaio.
Figura 1.1 – Impulso atmosférico pleno.
Fonte: [5]
8
O impulso atmosférico é normalizado para um tempo de frente de 1,2 µs
com uma tolerância de ± 30% e o tempo de cauda de 50µs com tolerância de ± 20%
e referindo-se a ele como impulso 1,2/50 µs. O tempo de frente T1 é um parâmetro
virtual definido por uma constante no valor de 1,67 vezes o intervalo de tempo T
entre os pontos A e B da Figura 1. A origem virtual O1 é o instante anterior ao ponto
A e o tempo de cauda T2 é um parâmetro virtual que está entre a origem virtual O1 e
a metade do valor de crista na cauda[5].
Já para os ensaios dielétricos com impulsos de manobra tem-se a forma
de onda padrão de 250/2500 µs com tolerância de ± 20% para o tempo de frente e
±30% para o tempo de cauda como mostrado na figura 4. O intervalo de tempo TAB
está entre a origem real até o momento em que a tensão atinge seu valor máximo.
T2 é o intervalo de tempo entre a origem real e o momento em que a tensão atinge
pela primeira vez a metade do valor de crista na cauda e Td é o intervalo de tempo
que a tensão excede 90% do valor de crista[5].
Figura 1.2 – Impulso de manobra pleno.
Fonte: [5]
Os Geradores de Impulso de Tensão são baseados no circuito multiplicador
de Marx. Para gerar tensões muito elevadas, um banco de capacitores é carregado
em paralelo e então descarregado em série. Este circuito que carrega os capacitores
em paralelo e depois os conecta em série para descarga foi inicialmente proposto pelo
engenheiro alemão Erwin Otto Marx[5]. Atualmente, os circuitos modificados de Marx
9
são usados para os Geradores de Impulso de múltiplos estágio. A figura 1.3 apresenta
o esquemático do circuito de Marx.
Figura 1.3 - Circuito de Marx do Gerador de impulsos de múltiplos estágios.
Fonte:[6].
A Resistência de carga Rs do circuito é responsável por limitar a corrente
de carga do capacitor cerca de 50 a 100 mA e a capacitância C é dimensionada com
base no produto C.Rs para ficar em torno de 10 a 60 segundos[3]. O espaçamento
entre os Gaps G é escolhido de tal forma que a tensão de ruptura do espaçamento
seja maior que a tensão de carga V. O circuito de Marx utiliza os spark gaps como
dispositivo de chaveamento representadas por G. Os spark gaps são acionadas
simultaneamente por meios externos deixando os capacitores em série com uma
capacitância equivalente de Cn onde n é o número de estágios do gerador. R1 e R2
são os resistores de forma de onda serie e paralelo responsáveis por gerar tanto o
tempo de frente da onda como o tempo de cauda e T é o objeto de teste.
2. Gerador de Impulso de Tensão do Laboratório de Extra Alta Tensão
da UFPA
O Gerador de Impulso de Tensão do Laboratório de Extra Alta Tensão da
UFPA foi fabricado pela HAEFELY modelo SGVA 3600-540, se baseia no circuito
multiplicador de Marx e foi construído em estágios. Ele possui uma tensão máxima de
3600 KV, máxima energia de 540 KJ, foi projetado para fornecer uma tensão de 200
KV por estágio, energias de 10 KJ, 15 KJ, 20 KJ e 30 KJ no topo. Desta forma, pode-se
alcançar altos níveis de tensões assim como armazenar grandes energias[6].
10
Sua base tem formato de retângulo e esta é feita de aço a qual também
suporta o retificador de carga. Ainda na base, encontra-se o sistema de segurança de
aterramento que curta e aterra todos os capacitores de impulso além do sistema de
colchões de ar para fazer a movimentação da estrutura no laboratório. O Gerador
consiste em três colunas de isolamento sendo que em cada estágio dois capacitores
de alta tensão estão dispostos em um formato triangular. Todas as esferas de
centelhamento ou spark gap estão localizadas em uma estrutura cilíndrica vertical tipo
chaminé próximos às colunas de isolamento e desempenham o papel de colocar em
série os estágios previamente carregados em paralelo de modo a descarregar sobre
o objeto a ser ensaiado um impulso de tensão de elevada magnitude.
Os resistores de frente (em série) que formam o impulso de frente da onda
e os resistores de cauda (em paralelo) que formam a cauda são colocados em um
conector em formato de colchete e estão localizados entre as esferas de
centelhamento e os capacitores de impulso. O formato desses conectores facilita a
troca dos resistores em situações onde se deseja ajustar por exemplo a forma do
impulso. Além dos resistores de frente e de cauda, o gerador também possui os
resistores de carga e os resistores de potencial com funções específicas que serão
citadas posteriormente.
No interior do Gerador de impulso encontra-se uma escada vertical até seu
topo feita de material isolante que permite alcançar as plataformas dos estágios, e a
cada três estágios existe uma plataforma ajustável. Esse formato facilita o trabalho e
dá mais segurança na hora da locomoção em seu interior.
O sistema de teste é constituído pelos equipamentos principais e os
equipamentos auxiliares de medições do valor de pico ou análise da forma de onda.
Os equipamentos principais são o retificador de energização, o gerador de impulso, o
sistema de controle e o divisor de tensão. Os componentes auxiliares são o resistor
de derivação Shunt, o Chopping Gap, sistemas de medição para a análise da forma
de onda do impulso e circuito de teste do transformador chamado circuito glaninger.
A figura 2.1 mostra o Gerador de Impulso de Tensão do Laboratório de Extra Alta
Tensão da UFPA.
11
Figura 2.1 - Gerador de impulso de tensão
Fonte: Laboratório de Alta Tensão UFPA (LEAT_UFPA)
3. Descrição Funcional
O sistema de teste de impulso de tensão opera sob um sistema de controle
o qual carrega o gerador através da unidade de carga e isto é conseguido pelo fato
dos estágios estarem conectados em paralelo através do carregamento dos
resistores. Desta forma, o tempo de carga e a tensão de carga podem ser
selecionados na unidade de controle. O diagrama da figura 3.1 mostra as funções
básicas do sistema.
Figura 3.1 - Esquemático do sistema de acionamento de um ensaio de impulso de
tensão[7].
12
Os capacitores de todos os estágios são conectados em paralelo através
dos resistores de carga por um lado e através de uma rede de resistores de frente e
de cauda no outro lado e eles são carregados com uma tensão DC pré-selecionada
através do retificador de carga. A tensão de carga é medida no retificador de carga e
mostrada no sistema de controle. O carregamento é controlado de acordo com as
especificações das funções e depende da seleção da tensão e do intervalo de impulso.
A figura 3.2, representa o circuito de um dos estágios do gerador, onde Cs é a
capacitância do estágio, SG (“spark gap”) é o centelhador de disparo do gerador, Rp
e Rs são os resistores do tempo de cauda e de frente respectivamente, Rch representa
o resistor de carga equivalente do resistor, Lloop é a indutância do circuito teste e Cload
é a capacitância da carga (objeto sob ensaio+ divisor capacitivo+ capacitâncias
parasitas).
O disparo do impulso de tensão ocorre quando através do sistema de
controle envia-se um sinal de disparo de pulso com tensão de aproximadamente 12
KV ao amplificador de disparo localizado na base do gerador e um eletrodo auxiliar
inserido na primeira esfera causa uma faísca. Esse processo faz com que ocorra a
diminuição da tensão de ruptura das esferas do primeiro estágio e inicia-se o
centelhamento. E então, por efeitos de capacitâncias parasitas, o acionamento do
primeiro estágio gera sobretensões nos gaps dos estágios sucessivos e o nível da
sobretensão depende dos valores dos resistores de frente e de cauda. Um padrão de
enrolamento especial é utilizado no resistor de cauda para aumentar a sobretensão.
Figura 3.2 - esquemático de um arranjo para ensaio de impulso de tensão
Fonte: [7]
13
4. Sistema de Medição do Gerador de Impulso de Tensão
O sistema de medição é fundamental para análise e avaliação dos
equipamentos, por isso, deve-se garantir a qualidade, adequação e exatidão nas
medições. O ambiente no qual o sistema de medição opera, deverá ter folgas para as
estruturas dos equipamentos e ligação ao terra. A presença de fortes campos elétricos
e magnéticos transitórios podem afetar significativamente o desempenho e precisão
do sistema de medição, portanto cuidado especial deve ser tomado para tais
instrumentos para garantir a operação confiável e precisa[4].
O sistema de medição é formado pelos dispositivos de conversão (divisor
de tensão, Resistor de derivação “Shunt”, etc.), por um sistema de transmissão (cabo
coaxial ou fibra ótica) e os instrumentos de medição (osciloscópio, digitalizadores,
voltímetros e etc.).
O divisor de tensão é utilizado para medir tensões elevadas e possui a
função de reduzir a tensão aplicada nos ensaios a níveis que se possa medir no
equipamento de controle sem danifica-lo. O divisor utilizado no laboratório é do tipo
capacitivo amortecido RC 2400 KV e 350 pF.
Figura 4.1 - Divisor de tensão.
Fonte: LEAT_UFPA
14
O resistor de derivação Shunt de modelo SH-Q é o dispositivo de conversão
mais utilizado para medições de impulso de corrente. Ele é feito de um cilindro de aço
inoxidável o qual possui flanges de acoplamento e conectores coaxiais para fazer a
medição de corrente. É preenchido com uma areia especial e possui um parafuso de
10mm (chamado de terminal quente) sendo a porca do parafuso em formato de orelha,
juntamente com uma placa de 12,5mm de orifício que é o terminal do terra.
Figura 4.2 - Resistores de derivação shunt.
Fonte: LEAT_UFPA.
O Chopping Gap é um componente de alta tensão utilizado juntamente com
o Gerador de impulso de tensão e tem por função cortar os impulsos atmosféricos e
impulsos de manobra (os cortes podem ser no tempo de frente ou no tempo de cauda,
dependendo do tipo de equipamento a ser ensaiado) simulando uma descarga
disruptiva. Ele possui 4 módulos com duas colunas e cada módulo possui 3 pares de
esferas de centelhamento com 200 mm de diâmetro e um capacitor de amortecimento
responsável pelo controle da distribuição da tensão ao longo do equipamento. Cada
esfera é construída para trabalhar com uma tensão máxima de 200 KV.
15
Figura 4.3 - Dispositivo Chopping Gap
Fonte: LEAT_UFPA
5. Sistema de Controle GC 223 e Sistema de Análise de Impulso
Equipamentos de alta tensão em redes de transmissão e distribuição de
eletricidade estão sujeitos a estresses elétricos por dois tipos diferentes de
sobretensões transitórias: sobretensões causadas por operações de manobra, e
aquelas causadas por interferências atmosféricas, como por exemplo, descargas
atmosféricas. Nos testes de alta tensão esses estresses são simulados por impulsos
de tensão de dupla exponencial, com parâmetros de tempo e amplitude especificados.
Para gerar e medir essas formas de onda de impulso de tensão são utilizados os
sistemas de controle. A figura 5.1 mostra um sistema completo de teste de impulso de
tensão.
16
Figura 5.1 - Sistema completo do teste de impulso de tensão
Fonte:[7]
O sistema de controle do gerador de impulso de tensão, inclui todos os
elementos necessários para controlar o sistema de teste de descargas atmosféricas
e de manobra. Toda a operação do gerador é automatizada e isso inclui carregamento
dos estágios, aplicação do impulso e aterramento do gerador. O equipamento de
controle vem com um sistema de Intertravamento o qual é ligado à porta da sala de
controle que dá acesso à área de ensaio do laboratório e qualquer violação de
segurança faz com que o sistema desative o gerador priorizando a segurança pessoal.
A figura 5.2 mostra a imagem frontal do controle do gerador de impulso.
Figura 5.2 - Sistema de controle GC 223
Fonte: LEAT_UFPA.
O GC 223 executa várias funções entre elas, a conversão analógico/digital
de valores de medidas do sistema de impulso, controle e regulação da tensão de
17
carga, tempo de controle do disparo, disparo das esferas de centelhamento
sincronizadas com a tensão AC, entrada e saída digital das portas do gerador, controle
dos dispositivo de corte do impulso (Chopping Gap), proteção contra sobretensão em
todas as entradas e saídas de linha, controle do sistema de segurança e filtro da
potência de entrada.
O sistema de análise dos impulsos modelo HiAS 734, é um multicanal com
alta precisão digital onde se faz medidas, avaliação e analise dos impulsos de tensão
e corrente e que podem ser aprimoradas de acordo com a IEC 61083, IEC 60060,
IEC60099 e IEC60230 que são os padrões relevantes para testes de alta tensão. A
avaliação automática das formas de impulso acima mencionadas, bem como um
modo de avaliação manual estão disponíveis no analisador. Na figura 5.3 tem-se o
sistema completo de controle do gerador de impulso.
Figura 5.3 - Sistema de controle completo
Fonte: LEAT_UFPA
6. Isoladores Elétricos
6.1 Introdução
Em meados de 1835 ocorreu a invenção do telégrafo elétrico e com ele
surgiu a necessidade de transportar dados e energia elétrica em linhas aéreas para
longas distâncias e então o desenvolvimento de isoladores iniciou-se por tais
necessidades. Os primeiros isoladores que foram fabricados eram de pino e tinham
um isolamento de baixa qualidade em ambientes úmidos. Um aperfeiçoamento foi
18
visto com a introdução de uma cavidade cheia de óleo no caminho da corrente de fuga
e os isoladores com esta melhoria foram utilizados na primeira linha de transmissão
trifásica de 15 kV do mundo (de Laufen para Frankfurt, em 1891). O isolador de pino
teve seu projeto modificado para tensões mais elevadas ou seja, ele aumentou suas
dimensões gerais e teve condições de suportar melhor as tensões mecânicas da
linha[8].
O isolador de disco foi desenvolvido mais tarde pela limitação da rigidez
mecânica das porcelanas disponíveis e a dificuldade de manuseio dos isoladores
devido ao peso elevado (um isolador pino para uma linha de 77 kV tinha 40 cm de
diâmetro e pesava 28 kg). Mas o uso dos isoladores de disco também teve
dificuldades como perfuração ou rachaduras da porcelana e corrosão do pino[8].
Como alternativa ao isolador de disco em 1920, o isolador bastão foi fabricado depois
que as características mecânicas da porcelana foram melhoradas, essa alternativa
surgiu apenas pelo fato do isolador de bastão ser mais leve que o de disco e isso
facilitou o manuseio. Por volta de 1970 para melhorar o problema de peso, substituiu-
se a porcelana por polímeros envolvendo um núcleo de fibra de vidro, resultando em
um isolador bastão com uma redução de peso de até 90%[8]. Os isoladores bastão
compostos poliméricos continuam em uso desde 1950, mas sua utilização,
atualmente, ainda é vista com restrição e receio.
Um isolador elétrico tem a principal finalidade de isolar um corpo condutor de
outro corpo qualquer, possuindo um grande valor de resistência elétrica e poucos
elétrons livres em sua estrutura (à temperatura ambiente), não permitindo a livre
circulação de cargas elétricas, portanto, atua inversamente ao condutor elétrico.
Simplificando, é totalmente o contrário de um corpo condutor que possui muitos
elétrons livres em sua estrutura (à temperatura ambiente). É um dispositivo que
garante o isolamento elétrico de fios ou cabos energizados, entre seus pontos de
sustentação adjacentes.
São componentes cujos processos de engenharia, produção, testes e aplicação
em campo são muito mais complexos do que se pode julgar em um primeiro olhar eles
estão presentes em todas as subestações, usinas e equipamentos elétricos de
relevância no sistema. Os isoladores atuam como suportes mecânicos e ao mesmo
tempo atuam na isolação das principais estruturas e equipamentos elétricos de
qualquer instalação, muitas vezes sujeitos a cargas mecânicas contínuas de mais de
meia tonelada de peso. Em paralelo, devem ser capazes de suportar continuamente
19
os campos elétricos aos quais estão expostos e suas perturbações pré-definidas. Da
mesma forma, devem suportar distúrbios meteorológicos (chuvas, vendavais, granizo)
dentro de seus limites de projeto, ataques por contaminantes (sal, maresia, poluição),
ataques de fungos nas regiões de alta umidade como a floresta amazônica, e ainda
estão expostos a vandalismo[9].
Os isoladores elétricos podem ser feitos de materiais como porcelana, vidro e
polimérico. A porcelana é um elemento heterogêneo, formado por uma mistura de
substância argilosa de quartzo e feldspato, e atualmente existem dois tipos de massa
para fabricação de isoladores a quartzosa e a aluminosa. Os isoladores de vidro
podem ser feitos de vidro recozido ou temperado. Já os isoladores poliméricos podem
ser compostos constituídos de, pelo menos, dois materiais isolantes, um núcleo e um
revestimento, ou não compostos constituídos somente por um material polimérico,
seja uma resina (caso do epóxi ou do concreto polimérico) ou um polímero (caso do
polietileno). O núcleo é composto por diversas fibras de vidro unidas por um processo
denominado pultrusão[8]. Na tabela 1 tem-se as vantagens e desvantagens dos
materiais utilizados para fabricação dos isoladores.
Tabela 1: Vantagens e desvantagens dos materiais constituintes dos isoladores[10].
20
7. Tipos de Isoladores
Os isoladores podem ser de diversos tipos os principais são os isoladores de
pino, de disco, pilar, bastão e suporte. Nas figuras a seguir pode-se ver as diferenças
entre os tipos de isoladores.
Figura 7.1 - Isolador de pino de vidro ou porcelana.
Fonte: [8]
Figura 7.2- Isolador de disco de vidro ou porcelana[8]
Fonte: [8]
21
Figura 7.3 - Isolador pilar de porcelana.
Fonte: [8]
Figura 7.4 Isolador bastão composto polimérico
Fonte: [8]
22
Figura 7.5 - Isolador suporte pedestal de porcelana
Fonte: [8]
8. Características Dimensionais dos Isoladores
Os Isoladores elétricos possuem características dimensionais específicas de
acordo com cada tipo que serão vistos a seguir.
8.1 Isoladores de Disco e Bastão
Os isoladores de disco e bastão possuem diâmetro do dielétrico, passo,
distância de arco, distância de escoamento, distância de escoamento específica,
norma e classe de engate.
Figura 8.1 - Diâmetro e passo de um isolador de disco
Fonte: [8]
23
8.1.1 Distância de Arco
A distância de arco é a distância que pode ser medida de duas formas:
A seco (também conhecida como linha de arco): é a menor distância entre
os eletrodos (ver Figuras 23 e 24)
Sob chuva: é a soma das distâncias percorridas pela lâmina de água ao
correr sobre o isolador (ver Figura 23).
Figura 8.2 - Distância de arco de um isolador de Disco[8]
Fonte: [8]
Figura 8.3 - Distância de arco de um isolador bastão.
Fonte: [8]
24
Figura 8.4- Distância de arco de um isolador de pino.
Fonte: [8]
Tabela 2 – Distância de arco de um isolador[8].
8.1.2 Distância de Escoamento
Menor distância, ou a soma das menores distâncias ao longo do contorno da superfície
externa do corpo isolante do isolador, entre as partes que normalmente são submetidas à
tensão de operação do sistema[8]
25
Figura 8.5- Distância de escoamento isoladores de disco, bastão e pino respectivamente.
Fonte: [8]
8.1.3 Distância de Escoamento Específica
Relação entre a distância de escoamento medida e o valor eficaz fase-fase da
tensão máxima de operação.
8.2 Isoladores Pilar, de Pino e Suporte
Os isoladores pilar, pino e suporte possuem as seguinte características
dimensionais: diâmetro do dielétrico, altura, distância de arco, distância de
escoamento, distância de escoamento específico, norma e classe de engate.
Podemos conhecer nas figuras todas essas características.
9. Ensaios em Isoladores
O ensaios em isoladores podem ser divididos em quatro grupos que são os
ensaios de projeto, ensaios de tipo, ensaios de recebimento e os ensaios de rotina.
9.1 Ensaios de Projeto
Atualmente visto somente em normas de ensaios de isoladores poliméricos,
este tipo de ensaio tem por objetivo verificar a adequação do projeto, do material e do
método de fabricação (tecnologia). A NBR 15232 traz uma tabela relacionando quais
os ensaios que devem ser repetidos quando ocorre qualquer alteração no projeto de
um isolador pilar polimérico[11].
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9.2 Ensaios de Tipo
Os ensaios de tipo servem para verificar as principais características de um
isolador que dependem, principalmente de seu projeto. Geralmente, quando se trata
de um novo projeto ou um novo processo de fabricação do isolador, os ensaios de
tipo devem ser realizados uma única vez, num pequeno número de unidades. No caso
de alteração do projeto ou processo de fabricação, os ensaios devem ser repetidos.
Quando ocorrer, e a mudança afetar apenas determinadas características do isolador,
somente os ensaios de tipo referentes a essas características devem ser
repetidos[13].
Os ensaios de tipo são os relacionados a seguir e devem ser executados de
acordo com as prescrições da ABNT NBR 5032, ANSI C29.1 ou IEC 60383-1[12]:
Tensão suportável de impulso atmosférico;
Tensão suportável à frequência industrial, sob chuva;
Perfuração elétrica sob impulso de tensão;
Radiointerferência;
Poluição artificial;
Verificação dimensional;
Ruptura eletromecânica;
Ruptura mecânica;
Desempenho termomecânico;
Resistência mecânica residual.
A montagem dos isoladores para os ensaios em questão deve ser feita de
acordo com a ABNT NBR 5032[12].
9.3 Ensaios de Recebimento
Os ensaios de recebimento destinam-se a verificar as características de um
isolador sujeitas a variar com o processo de fabricação e com a qualidade dos
materiais empregados. Os ensaios de recebimento são utilizados como ensaios de
aceitação de uma amostra de isoladores retirados aleatoriamente de um lote que
tenha atendido as exigências dos ensaios de rotina de sua respectiva norma. A NBR
5032 aceita a possibilidade do comprador dispensar um ou a totalidade dos ensaios
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de recebimento, mediante a verificação de relatórios de ensaios previamente
realizados pelo fabricante em isoladores equivalentes[13].
9.4 Ensaios de Rotina
9.4.1 Para Isoladores de vidro e Porcelana
Os ensaios de rotina destinam-se a eliminar isoladores defeituosos e devem
ser realizados durante a fabricação, sobre cada um dos isoladores produzidos.
Admite-se que os ensaios de rotina podem ser acompanhados por inspetor
credenciado pelo comprador, mediante prévio acordo comercial. No caso dos ensaios
de rotina serem realizados pelo inspetor durante o recebimento, a amostragem
máxima a ser ensaiada é de 10% do lote, mediante prévio acordo comercial entre
fabricante e comprador, sendo o número máximo de falhas admitidas de 3% em cada
ensaio. Caso o número de falhas seja maior, o lote deve ser considerado em
desacordo com esta Norma e ser reprovado[13].
9.4.2 Para Isoladores Poliméricos
O objetivo dos ensaios de rotina é eliminar os isoladores bastão compostos
poliméricos com defeitos de fabricação. Esses ensaios devem ser realizados sobre
cada isolador produzido [13].
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CONCLUSÃO
Os ensaios elétricos em alta tensão como visto ao longo deste trabalho são de
extrema importância para verificar a qualidade dos equipamento que serão colocados
em funcionamento na rede de transmissão e distribuição de energia elétrica. Para tais
verificações se faz necessário o uso de dispositivos de alta tensão como os Geradores
de Impulso Atmosféricos que permitem tais testes. Estes ensaios simulam a realidade
sofrida por vários equipamentos que estando em campo sofrem com as condições
climáticas impostas pela natureza como poluição, descargas atmosféricas etc. Além
disso, tem-se as sobretensões por chaveamento que muitas vezes podem ser até
piores devido a sua intensidade.
Também, a região amazônica é uma área que devido aos altos índices de raios
e sua umidade do ar faz com que os equipamentos de alta tensão sofram com maior
intensidade, então é de extrema importância os diversos tipos de ensaios realizados
em equipamentos que operarão nesta região para não interromper o fornecimento de
energia elétrica. Nesse sentido os isoladores que apesar de serem equipamentos
simples se tornam essenciais no sistema de transmissão e distribuição e sua falha
pode causar grandes transtornos. Por isso seu acompanhamento desde a fabricação
até sua instalação devem ser minuciosamente acompanhados e testados para não
ocorrer falhas.
Portanto, Laboratório de Extra Alta Tensão da Universidade Federal do Pará
oferece a região norte a oportunidade de estar inserido no mercado de energia elétrica
voltado para os diversos tipos de ensaios em equipamentos de Extra Alta Tensão
como isoladores, cabos de alta tensão, transformadores etc. Além disso os
profissionais da área tem a oportunidade de se qualificar e conhecer este campo que
até pouco tempo estava concentrado na região sul e sudeste do país.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] TELLÓ, M; DIAS, G.A.D.; RAIZER, A.; ALMAGUER, H.D.; MUSTAFA, T.I.;
COELHO, V.L. Aterramento Elétrico Impulsivo em Baixa e Altas Frequências. 1 ed.
Porto Alegre: Edipucrs, 2007.
[2] REIS.R.P.A, “Estudo de um Sistema de medição de Alta Tensão Impulsiva”, Belo
Horizonte, 1997.
[3] SCHAEFER, C,J, “ Ensaio de Impulso Atmosférico e de manobra”, São Paulo 2014.
[4] ELETRONORTE, “Teoria e Ensaios de Impulso de Alta Tensão”. 2015.
[5] INTERNATIONAL ELECTRTECHNICAL COMMISSION. IEC 60060-1: High-
Voltage test technique – Part 1: General definitions and test requirements. Geneva,
2010.
[6] NAIDU, M. S.; KAMARAJU, V. High Voltage Engineering. 4th ed. New Delhi:
McGraw-Hill Publishing Company Limited. 2009.
[7] HAEFELY,H.V. “Manual do Equipamento Gerador de Impulso de Tensão”
[8] MELLO, Darcy. “Isoladores Elétricos”, Eletronorte, Belém 2007.
[9] LAVIERI, Arthur. “Isoladores Elétricos - componentes básicos para um sistema
elétrico”. Canal Energia. São Paulo, 23 de Fevereiro de 2010.
[10] http://www.foz.unioeste.br/~lamat/downcompendio/compendiov1.pdf.
[11] NBR 15232: “Isolador pilar composto para linhas aéreas de corrente alternada, com
tensões acima de 1 000 V”, 2005.
[12] NBR 5032: “Isoladores para linhas aéreas com tensões acima de 1000 V –
Isoladores de porcelana ou vidro para sistemas de corrente alternada”; 2004
[13] MELLO, Darcy; GUIMARÃES, Fernando; CARVALHO, Silvia; BARROS, Ana.
Ensaios em Isoladores e em Cadeias de Isoladores, Cigré-Brasil, 2010.
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DIFICULDADES
A principal dificuldade encontrada é com relação aos ensaios com os
Isoladores elétricos pois devido a alguns problemas técnicos do Gerador de Impulso
de tensão que não foram resolvidos pela fabricante não se pode desenvolver com
profundidade os principais ensaios previstos em norma. Além disso, tem-se a
dificuldade na montagem dos equipamentos para a realização dos ensaios pois como
a maioria são muito pesados e requerem uso de outros componentes que ainda não
temos no Laboratório fica inviável a realização de determinados ensaios específicos.
Parecer do Orientador:
A Bolsista vem desempenhando seu Trabalho de Pesquisa no Laboratório
de Alta tensão da Universidade Federal do Pará, conforme previsto inicialmente em
seu plano de trabalho. A mesma vem demonstrando grande empenho nas suas
atividades de pesquisa, seguindo a proposta inicialmente estabelecida, tanto na parte
teórica quanto prática de sua pesquisa de Iniciação Científica, o que vem também
impactando positivamente em sua formação na área de Eng. Elétrica e equipamentos
de sistemas de Potência.
A Bolsista cumpre todos os seus horários de trabalho e vem avançado
gradualmente em sua pesquisa, podendo com os resultados que ainda serão obtidos
em Laboratório chegar a produção de Trabalhos científicos para submissão a
congressos em sua área de pesquisa.
Por estes motivos sou de parecer favorável a aprovação do presente
relatório parcial de pesquisa PIBIC, 1º Semetsre de 2017.
