SCQ/028
21 a 26 de Outubro de 2001
Campinas - São Paulo - Brasil
STE I
SESSÃO TÉCNICA ESPECIAL DE INTERFERÊNCIAS, COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA E
QUALIDADE DE ENERGIA ( SCQ )
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ISOLADORES QUANTO À RADIOINTERFERÊNCIA
Darcy R. de Mello
CEPEL
Marcos T. Varricchio e Luiz F. P. Ferreira
ELECTROVIDRO
Francisco Cavalcante e Pedro Moreira
FURNAS
RESUMO
•
Neste trabalho é apresentada uma metodologia para
calcular os valores máximos admissíveis para ensaios
de radiointerferência em isoladores unitários, assim
como valores que podem ser utilizados como critério
de aprovação, com base em ensaios realizados no
CEPEL, além de uma avaliação de lotes de isoladores
face aos valores propostos.
•
PALAVRAS-CHAVE: Radiointerferência, Isoladores.
1.0 - INTRODUÇÃO
Todo equipamento elétrico energizado em alta tensão
está submetido a um campo elétrico cuja intensidade
depende principalmente do tipo de tensão aplicada, da
geometria e do material do mesmo. Se este
equipamento opera em conjunto com outros
equipamentos, por exemplo isoladores e ferragens, a
distribuição de campo é modificada, podendo ser
aumentada ou atenuada.
Quando o valor do campo elétrico ultrapassa um valor
crítico em local com disponibilidade de cargas elétricas,
inicia-se um processo de ionização. Se essas
condições ocorrerem na superfície e/ou interfaces dos
materiais componentes de um equipamento elétrico,
podem gerar correntes de alta freqüência. Tais
correntes podem se propagar ao longo do sistema de
transmissão ou através dos equipamentos da linha de
transmissão (por exemplo: as cadeias de isoladores)
para terra, e/ou gerar radiação eletromagnética ( efeito
corona ), vindo a provocar os seguintes eventos:
•
•
Perturbações radioelétricas: afetam os sistemas
de comunicação locais das subestações e outros
como rádio e TV, podendo interferir, também, em
equipamentos de uso médico, etc;
Criação de ozônio (agente oxidante);
Ruído audível: geram ruídos que podem atingir até
65 dB (medidos a 30 m da fonte);
Perdas corona: podem atigir até centenas de
kW/km (3φ).
Torna-se, portanto, importante e de interesse para
usuários e fabricantes quantificar, confiavelmente, a
radiointerferência ( RI ) gerada pelos equipamentos e
componentes das linhas de transmissão utilizados nos
sistemas de energia elétrica. Para isso, existem
ensaios específicos, realizados em laboratórios de alta
tensão, correlacionando níveis de tensão aplicada aos
equipamentos com os níveis de RI gerados.
Um nível de RI gerado pode variar substancialmente
com as condições climáticas locais e o estado
superficial do equipamento sob ensaio. A medição da
tensão de radiointerferência ( TRI ) não deve, portanto,
ter como foco um resultado final em forma de um único
valor numérico absoluto. Considerando-se essas
características e visando maior confiabilidade, é
recomendável que as medições reais da RI, para fins
analíticos e comparativos, sejam realizadas em
quantidade suficiente para possibilitar um tratamento
estatístico dos resultados. As normas internacionais de
RI não levam em consideração esta necessidade e,
além de apresentarem inconsistências devido à
utilização de métodos de medição diferentes, definem
critérios de aprovação para ensaios em isoladores
individuais não representativos da condição real de
operação em cadeias ou mediante acordo entre as
partes interessadas.
Decidiu-se, então, determinar os valores a serem
utilizados como critério de aprovação com base no
trabalho de C. Gari e M. Moreau (1), onde os valores
da TRI para ensaios em isoladores unitários são
obtidos com base em ensaios de distribuição de
potencial realizados em cadeias de isoladores e nos
valores da TRI admitidos para as mesmas cadeias,
CEPEL - ALAB
Av. Olinda s/nº - Adrianópolis - 26053-121 – Nova Iguaçu - RJ
[email protected]
2
sendo os resultados obtidos apresentados neste
trabalho, assim como uma avaliação dos modelos de
isoladores ensaiados.
2.0 – ATUAÇÃO DO EFEITO CORONA EM CADEIAS
DE ISOLADORES
Uma cadeia de isoladores, ao longo de sua vida útil,
está submetida à diversas condições ambientais
(poluição natural, umidificação natural, variações
bruscas de temperatura, etc) que afetam o efeito
corona e, conseqüentemente, o nível da RI.
Um dos problemas criados pelo efeito corona é a
geração de ozônio que, no caso de isoladores, pode
acelerar a corrosão atmosférica/galvânica, e a
ocorrência de corrosão elétrica.
2.1 - Corrosão atmosférica/galvânica
A corrosão atmosférica corresponde a oxidação direta
entre o metal e suas vizinhanças, e a galvânica ocorre
quando se coloca dois metais de eletronegatividades
diferentes em contato ( por exemplo: Fe + Zn ),
ocorrendo então a doação de elétrons do mais
eletronegativo para o menos eletronegativo. O ozônio
oxida o Zn acelerando a corrosão branca, que
gradualmente se desprende da superfície, expondo o
ferro. O ozônio combina-se com o nitrogênio, formando
dióxido de nitrogênio, que hidratrado, produz ácido
nítrico. O ácido nítrico ataca o ferro, gerando hematita
e magnetita, ou seja, a corrosão vermelha (ferrugem).
aproximadamente + 6 dB para as medidas efetuadas
conforme a orientação da IEC (5). Isso se deve aos
valores diferentes da banda passante e constante de
tempo de descarga adotados pelas normas.
Contrariamente ao que se pode imaginar, a impedância
de medição não tem influência significativa no
resultado final quando comparada as duas normas. Em
termos de freqüência de medição, a faixa em que
isoladores secos e limpos mais emitem ruído é aquela
referente as recepções de AM ( 550 a 1600 kHz ).
Cabe ressaltar que a freqüência de medição da
IEC/CISPR é especificada de 0,5 a 2,0 MHz e da
ANSI/NEMA em 1,0 MHz.
Os medidores da TRI registram valores de tensão
correspondentes aos pulsos de corrente que
atravessam uma resistência R. No entanto, verifica-se
que o ruído provocado por estas interferências são
função da potência transportada pelos pulsos de
corrente, o que levou a considerar a definição:
dB = 10 log (P1/P2)
onde :
P1 – potência transportada pelos pulsos;
P2 – potência de referência.
Como potência e tensão têm uma relação quadrática,
vem :
dB = 20 log (V1/V2)
2.2 Corrosão elétrica (2)
onde :
Esse tipo de corrosão é mais severa em áreas poluídas
de clima tropica e, apesar de induzir a formação de
ozônio, não está associada à RI.
V1 – queda de tensão sobre o circuito (resistor) de
medição em µV;
V2 – tensão de referência igual a 1 µV.
3.0 - NORMALIZAÇÃO PARA OS ENSAIOS DE RI
Os medidores de TRI realizam as medidas de ruído em
dB ou µV, ambas baseadas no valor “quase pico” do
sinal, o qual estima-se possui maior correlação com o
ruído produzido pelas correntes devido ao efeito
corona.
Usualmente, no Brasil, os métodos utilizados para
ensaios de TRI em isoladores, são os sugeridos pelas
normas ANSI (American National Standard Institute) e
IEC (International Electrotechnical Commission). A
ANSI utiliza-se da publicação nº 107 da NEMA
(National Electrical Manufacturers Association) e a IEC
das publicações nº 16-1 e 18-2 da CISPR (International
Special Committee on Radio Interference), além da
própria publicação IEC 60437, específica para
isoladores, que recomenda o ensaio de TRI como de
tipo e recebimento.
As normas acima referenciadas definem basicamente:
•
•
•
método de ensaio,
circuito de ensaio,
características dos instrumentos de medição.
Nota: Outras características mais especificas tratadas
nas normas acima citadas não devem ser
desprezadas.
Uma comparação entre as normas ANSI e IEC traz
como
resultado
final
uma
diferença
de
A medida final de TRI efetuada durante um ensaio, é
função da taxa de repetição e amplitude do sinal, pois
o medidor é construído de tal forma que o sinal após
passar por várias etapas de amplificação e modulação,
passa finalmente por um circuito de ponderação que
trata o mesmo de acordo com a freqüência de
repetição e amplitude. Na saída deste circuito o sinal
aparece próximo ao seu valor de pico (“quase – pico”).
4.0 - CRITÉRIOS DE APROVAÇÃO NORMALIZADOS
PARA ENSAIOS DE RADIOINTERFERÊNCIA
O adendo a norma CISPR 18-2 recomenda valores de
TRI para cadeias, definidos a partir dos limites aceitos
para os condutores ou feixe de condutores, que
envolvem cálculos para os quais os parâmetros
básicos nem sempre estão disponíveis. Além disso,
essas recomendações não são aplicáveis para
condições de poluição, clima tropical, com alta
umidade, variação brusca de temperatura com
3
conseqüente condensação sobre a superfície dos
isoladores e formação de bandas secas.
TABELA 1 – Dados da cadeia V – 110°
Tensão da linha (kV)
Tensão de ensaio (kV)
N° de isoladores por cadeia
TRI medida (dB)
Distribuição de potencial (%)
Tensão sobre o isolador mais
solicitado ( kV )
A norma ANSI C 29-2 recomenda valores de TRI para
os modelos de isoladores de suspensão nela definidos.
Porém, na maioria dos modelos, os valores de TRI são
históricos e, de maneira geral, não simulam a condição
real de trabalho em que estes isoladores irão operar.
A norma IEC 60437 recomenda que o critério de
aprovação seja definido mediante acordo entre
fabricante e comprador e admite a realização de
ensaios de TRI como tipo e recebimento em isoladores
individuais.
Por causa das particularidades descritas anteriormente
nas normas específicas, as concessionárias brasileiras
passaram a adotar metodologias próprias de ensaio,
sem critérios técnicos bem definidos sobre o
procedimento de ensaio e os requisitos de aprovação
adotados (média dos valores medidos em cada nível
de tensão, o maior valor medido independente do ciclo
de tensão ou os valores medidos no último ciclo de
tensão realizado ).
Como para avaliar o desempenho dos isoladores
individuais quanto à TRI é necessário definir valores
para os mesmos, a solução é propor, a partir dos
valores de TRI especificados pelas concessionárias
brasileiras para cadeias de isoladores, a determinação
do nível da TRI para isoladores individuais.
5.0 - DEFINIÇÃO
INDIVIDUAIS
DA
TRI
DE
ISOLADORES
O trabalho de C. Gari e M. Moreau (1), mostra que a
TRI de uma cadeia é igual a: V= v . 2λ.
onde :
λ - % da tensão sobre o isolador mais solicitado da
cadeia
v - TRI produzida por esta unidade submetida a uma
tensão igual a u = λU, sendo U igual a tensão
aplicada sobre a cadeia.
Escrevendo a expressão acima em decibéis temos:
500
335
26
43
9,35
31,3
Em seguida, foram realizados ensaios de TRI,
individuamente, nos 30 isoladores da cadeia mais
próximos do condutor ( 15 isoladores de cada braço da
cadeia ), considerando uma tensão de ensaio de 31 kV
( próxima à tensão de 31,3 kV obtida através da
distribuição de potencial da cadeia ), alcançando-se o
valor máximo de 55,3 dB.
A TRI máxima calculada para os isoladores individuais,
a partir do trabalho de C. Gari e M. Moreau é de :
NPO = NP + δ
ou seja:
NPO = 43 + (- 20 LOG (2 x 0,0935)) = 57,5 dB
Valor praticamente igual ao maior valor obtido no
ensaio realizado nos isoladores individuais, o que
mostra a validade da teoria acima mencionada.
6.0 - VALORES MÁXIMOS PROPOSTOS DA TRI
A Tabela 4 apresenta uma proposta para valores
máximos da TRI individual nos isoladores, em função
da tensão do sistema, para utilização quando dados de
ensaios em cadeias não estiverem disponíveis.
Para elaboração da Tabela 4 foi adotada a teoria
mencionada no trabalho de C. Gari e M. Moreau,
valores de TRI máximo das cadeias indicados a seguir
e os dados de tensão de ensaio e distribuição de
potencial apresentados nas Tabelas 2 e 3 elaboradas a
partir do seguinte critério:
•
tensão de ensaio: 10% acima da tensão fase –
terra da linha,
NP = NPO - δ
•
distribuição de potencial: obtido de relatórios de
ensaios realizados no CEPEL, em cadeias com
isoladores V12 ( φ = 254 mm ) e V16 ( φ = 280 mm ).
NP= 20 LOG V
→ TRI na cadeia;
NPO = 20 LOG v → TRI no isolador mais solicitado
eletricamente;
δ = - 20 LOG 2λ
→ Atenuação da TRI pela cadeia.
Devido aos problemas causados aos isoladores pelo
fenômeno corona e considerando a RI como sendo sua
representação, está sendo proposta uma redução nos
valores atuais da TRI conforme abaixo:
onde :
Portanto, a TRI máxima permitida para isoladores
individuais será: NPO = NP + δ
Na Tabela 1, exemplificamos um ensaio de TRI
realizado em cadeia V – 110°, no Laboratório de Alta
Tensão do CEPEL e, posteriormente, o resultado do
ensaio em isoladores individuais da cadeia, com o
objetivo de mostrar a validade da teoria acima.
•
Sistema de 500 kV de 500 µV para 250 µV,
•
Sistema de 440 kV de 400 µV para 100 µV,
•
Sistema de 345 kV de 250 µV para 100 µV,
•
para as demais tensões adotou-se os valores das
especificações de FURNAS.
4
TABELA 2 – Dados de cadeias com isoladores
D 120
Tensão
da linha
(kV)
765
500
440
345
230
138
69
Número
de
isoladores
26
26
24
18
14
9
5
Tensão
de ensaio
(kV)
476
317
280
219
146
88
44
Distribuição
de potencial
(%)
7,0
9,5
7,8
11,5
13,5
16,0
20,0
IEC 60437 e em cada lote foi determinado os valores
mínimo, médio e máximo da TRI em cada degrau de
tensão aplicada.
Os resultados podem ser vistos nas Figuras 1 a 5 com
a seguinte representação:
•
a linha cheia indica os valores da TRI máxima no
isolador individual, apresentados na tabela 4,
relacionados com os respectivos valores de tensão
no isolador mais solicitado, para um determinado
tipo de isolador;
•
a linha tracejada indica o valor médio das medições
de TRI obtidas nos ensaios realizados, para cada
degrau de tensão aplicada no lote com
determinado tipo de isolador;
•
as barras verticais indicam os valores máximo e
mínimo das medições de TRI obtidas nos ensaios
realizados, para cada degrau de tensão aplicada
no lote com determinado tipo de isolador.
TABELA 3 – Dados de cadeias com isoladores
DL 160
Tensão
da linha
(kV)
765
500
440
Número
de
isoladores
30
24
21
Tensão
de ensaio
(kV)
476
317
280
Distribuição
de potencial
(%)
7,4
8,2
8,0
TABELA 4 – Proposta de valores máximos para TRI
Tensão
Tensão no
TRI
TRI
da
Tipo de isolador
máxima máxima no
linha isolador
mais
na
isolador
solicitado cadeia
individual
(kV)
(kV)
(dB/µV)
(dB/µV)
D 120
33
69,1/2844
765
52/400
DL 160
35
68,6/2690
D 120
30
62,4/1322
500
48/250
DL 160
26
63,7/1532
D 120
22
56,1/641
440
40/100
DL 160
22
55,9/625
345
D 120
25
40/100
52,8/435
230
D 120
20
46/200
57,4/739
138
D 120
14
30/31,6 40,0/98,8
(1)
69
D 120
8,8
30/31,6 38,0/79,1
(1) Para este nível de tensão, pode-se utilizar o valor
da Norma ANSI C 29-2 igual a 34 dB com 10 kV.
7.0 - AVALIAÇÃO DE ISOLADORES
Para verificar o desempenho dos isoladores perante os
valores máximos propostos na Tabela 4 foram
avaliados um total de 648 isoladores novos de vidro
temperado e 32 isoladores novos de porcelana,
distribuídos nos seguintes lotes:
•
•
•
•
•
104 isoladores D 240-24 – de vidro temperado,
325 isoladores DL 160-20 – de vidro temperado,
179 isoladores D 120-16 – com pino grávido – de
vidro temperado,
40 isoladores D 120-16 – com pino liso – de vidro
temperado,
32 isoladores D 120-16 – com pino liso – de
porcelana.
Os isoladores foram ensaiados, no CEPEL, de acordo
com a metodologia de ensaio citada na norma
Os isoladores D 240-24 e os isoladores de porcelana
D 120-16 foram avaliados utilizando os valores
máximos da Tabela 4 referentes aos isoladores DL 160
e D 120, respectivamente, devido a ausência de
resultados de ensaios de distribuição de potencial em
cadeias com estes isoladores.
8.0 - CONCLUSÃO
! O ozônio gerado pelo efeito corona é um dos
responsáveis pela corrosão observada nos
isoladores;
! A consideração da RI como representação do efeito
corona facilita a determinação de critérios de
aprovação de isoladores que minimizem os
eventos por ele provocados;
! Os valores propostos para ensaio de TRI em
cadeias visam a reduzir os eventos provocados
pelo efeito corona. Em cadeias onde não se utiliza
de anel de repartição de potencial, os primeiros
isoladores do lado fase são submetidos a uma
solicitação elétrica mais acentuada, sendo
aconselhável exigir-se níveis de TRI para cadeias
e isoladores unitários mais rigorosos;
! É recomendável que as concessionárias realizem
ensaios de distribuição de potencial nas suas
cadeias mais comuns de modo a ter em mãos as
ferramentas para determinar os critérios de
aprovação dos lotes de isoladores a serem
submetidos ao ensaio de TRI de recebimento;
! É recomendável a realização de ensaios de TRI
unitário quando do recebimento dos isoladores,
devido
à
elevada
dispersão
observada
principalmente dentro de um mesmo lote;
! É recomendável que as concessionárias utilizem a
metodologia apresentada nas normas técnicas
para a realização de ensaios de TRI.
5
9.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) C. Gary e M Moreau: L’effet de coronne en tension
alternative, EDF, 1976.
(2) R. Parraud, E. Brocard, Z. Lodi e M. Namora:
Sistemas de isolamento para melhorar a qualidade do
serviço em ambiente tropical, XV SNPTEE, 1999.
(3) R. Parraud e D. Riviere: Role played insulators in
the interference level of overhead lines – critical
conditions, CIGRÉ, Report 36-05, 1974.
(4) D. Riviere, R. Parraud, C. Gary, M. Moreau, D.
Kohoutova e J. Vokalek: The influence of ambient
conditions on the interference level of insulator strings,
CIGRÉ, Report 36-04, 1972.
{5) A. F. S. Levy, J. A. P. Rodrigues e M. M. A. Olivieri:
Medição
de
radiointerferência
conduzida
–
Comparação entre instrumentos de medição, métodos
de calibração e valores limite, Relatório Técnico,
CEPEL, n° 456/89.
(6) EPRI : Transmission Line Reference Book – 345 kV
and above, 1982.
100000
10000
1000
100
10
1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
T ensão aplicada ( kV )
FIGURA 1 – Isolador D 240-24 – de vidro temperado
10000
1000
100
10
1
0
5
10
15
20
25
30
T ensão aplicada ( kV )
FIGURA 2 – Isolador DL 160-20 – de vidro temperado
35
40
6
100000
10000
1000
100
10
1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
T ensão aplicada ( kV )
FIGURA 3 – Isolador D 120-160 – com pino grávido - de vidro temperado
10000
1000
100
10
1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
T ensão aplicada ( kV )
FIGURA 4 – Isolador D 120-160 – com pino liso - de vidro temperado
10000
1000
100
10
1
0
5
10
15
20
25
T ensão aplicada ( kV )
FIGURA 5 – Isolador D 120-160 – com pino liso - de porcelana
30
35