1
Estado da arte de isoladores tipo suporte para
aplicação em subestações classe 800 kV em
corrente alternada
Darcy Ramalho de Mello, Orsino Oliveira Filho e Daniela de Luca Tierno.
Resumo— A existência de pouca literatura técnica sobre
isoladores de porcelana tipo suporte classe 800 kV motivou a
realização de uma pesquisa com diversos fabricantes de modo a
levantar o estado da arte para esses isoladores, considerando,
sobretudo, aplicações em condições de chuvas intensas. Este
artigo apresenta informações sobre os resultados desse
levantamento, os cuidados que devem ser tomados na seleção
quanto ao modelo de isolador tipo suporte, bem como o tipo de
arranjo de montagem que deve ser utilizado.
Palavras chave — Isolador tipo suporte, subestação, Ultra Alta
tensão.
I. INTRODUÇÃO
C
huvas consideradas intensas, com precipitações de até
5 mm/min, têm sido registradas nos últimos anos no
território brasileiro, sobretudo em regiões onde se
localizam subestações importantes do atual tronco de 765 kV,
em corrente alternada (CA), do Sistema Interligado Nacional
(SIN). Por outro lado, foi confirmado, por meio de pesquisa
experimental, que o desempenho de isoladores utilizados em
equipamentos elétricos de alta tensão em corrente alternada é
significativamente afetado por chuvas com precipitações de
5 mm/min [1]. Essas informações motivaram a realização de
uma pesquisa sobre o estado da arte de isoladores suporte para
a classe de tensão 800 kV, que tenham características
adequadas para operar em condições de chuvas intensas. Um
ponto de interesse também é a possibilidade de se ter
isoladores novos que, além de apresentarem bom desempenho
sob chuvas intensas, tenham a mesma altura dos isoladores
suporte existentes nas subestações do tronco 765 kV do SIN,
de modo a evitar alterações onerosas, em termos de custos e de
tempo de desligamento para obras. O objetivo deste artigo é
apresentar o resultado desse levantamento, bem como os
cuidados que devem ser tomados com a seleção do tipo de
Darcy Ramalho de Mello é engenheiro eletricista, MSc e trabalha no
CEPEL como pesquisador desde 1978 (fone: (21) 2598-6243, fax: (21) 26673079, e-mail: [email protected]).
Orsino Oliveira Filho é engenheiro eletricista, MSc e trabalha no CEPEL
como pesquisador desde 1884 (fone: (21) 2598-6020, fax: (21) 2667-3079, email: [email protected])
Daniela de Luca Tierno está cursando engenharia elétrica na UERJ e faz
estágio no CEPEL desde 2011 (e-mail: [email protected])
isolador suporte, com o arranjo de montagem a ser utilizado,
considerando, por exemplo, a influência da distância entre
eixos dos isoladores, quando da montagem em paralelo, e os
ensaios para avaliação da suportabilidade sob chuvas intensas.
II. SELEÇÃO DE UM ISOLADOR TIPO SUPORTE
E
xistem atualmente diferentes soluções para isoladores
tipo suporte utilizados em subestações de Extra e Ultra
Alta Tensão. O maior desafio dos isoladores está relacionado
a:
• modificação do perfil do isolador, para permitir ter bom
desempenho com níveis de precipitação pluviométrica
de até 5 mm/min, ou seja, bem superiores aos valores
atualmente normalizados, que cobrem a faixa de 1 a 2
mm/min [2, 3];
• sua altura, devido ao crescente aumento da poluição
que requer uma distância de escoamento maior.
Deve-se observar também que o uso de isoladores tipo suporte
de vidro temperado foi abandonado, porque quando ocorria
uma falha em uma saia, as trincas geradas comprometiam a
integridade mecânica do isolador, o que não ocorre com
isoladores de porcelana ou, mais atualmente ainda, com os
isoladores compostos poliméricos.
As soluções existentes hoje são:
a. Isoladores de porcelana
Altamente empregado e consagrado para este tipo de
aplicação, tem como principais vantagens durabilidade,
confiabilidade e resistência mecânica, mas o maior desafio é a
fabricação de isoladores com saias alternadas de grande
diâmetro e alturas superiores a seis metros, que suportem
valores elevados de flexão.
Um dos fabricantes consultados apresentou o desenho de um
isolador tipo suporte para 750 kV (ver Figura 1) que pode ter
bom desempenho sob chuvas intensas, devido às saias
alternadas, mas não foi apresentado qualquer relatório que
corrobore esta afirmação, por meio de ensaios, por exemplo.
b. Isoladores de porcelana recobertos com silicone (RTV
Silicone)
2
A cobertura com silicone vulcanizado à temperatura ambiente
(RTV Silicone) melhora o desempenho dos isoladores frente
às condições de elevada poluição, reduzindo a necessidade de
grande distância de escoamento para os isoladores de
porcelana convencionais, e, consequentemente, a altura do
isolador, bem como as dificuldades de fabricação. O
recobrimento com RTV Silicone, no entanto, necessita ser
refeito após alguns anos em serviço e tem um efeito menor no
desempenho dos isoladores sob chuvas intensas, conforme
apresentado na alínea “d” mais adiante.
silicone, sendo que seu desempenho para chuvas intensas é
inferior ao apresentado pelo defletor de chuva, como pode ser
visto na Figura 3.
Fig. 2. Desenho de um defletor de chuva e sua montagem sobre a saia de um
isolador tipo suporte
Fig. 3. Avaliação comparativa dos resultados de ensaios na seção inferior de
um isolador tipo suporte para 800 kV
Fig. 1. Protótipo de isolador tipo suporte para 750 kV, para chuvas intensas
c. Isoladores com defletores de chuva (“Booster-sheds”)
Os defletores de chuva, ver Figura 2, têm por objetivo reduzir
a probabilidade de descarga sob chuvas intensas e, para tanto,
interrompem a formação de uma “cascata” de água, que se
forma nessas condições, e que pode curto-circuitar as saias de
um isolador tipo suporte montado na posição vertical. Ao
defletir a água da chuva que escorre pela superfície isolante, os
“booster-sheds” proporcionam uma melhoria significativa no
desempenho dielétrico dos isoladores sob condições de chuvas
intensas. Deve-se observar que o uso de defletores de chuva
não melhora o desempenho sob poluição e, nesse caso, deve-se
considerar procedimentos de lavagem em serviço, fato que
motivou originalmente o desenvolvimento dos “booster-sheds”
[4].
d. Isoladores com graxa de silicone
Apresenta os mesmos aspectos observados para o uso de RTV
e. Isoladores compostos poliméricos
A utilização de isolador composto polimérico é atualmente
feita para baixas tensões, devido ao problema relacionado ao
núcleo de fibra de vidro pultrudado (FRP). Por exemplo, para
um isolador polimérico com 10 metros de altura, seria
necessário um diâmetro de aproximadamente 300 mm, o que
representa um grande problema para os fabricantes desses
núcleos. Para outros processos de fabricação, o desafio é a
manutenção da qualidade da aderência da interface entre as
fibras de vidro e a resina, ao longo do tempo, sob condições
adversas de temperatura e stress mecânico. Adicionalmente,
deve-se tomar cuidado com: i) a suportabilidade mecânicas à
flexão e à torção, que devem ser atenciosamente avaliadas no
projeto; ii) a possibilidade da ocorrência de falhas internas,
atualmente de difícil detecção, que podem levar a ocorrência
de uma fratura frágil e consequente comprometimento da
instalação. Apresenta a vantagem de permitir moldar um
revestimento externo com perfil de saias adequado para
3
suportar chuvas com índices elevados de precipitação,
reduzindo o efeito cascata observado nos isoladores tipo
suporte de porcelana. Apresenta também ótimo desempenho
em condições de níveis de poluição elevados.
A pesquisa realizada com diversos fabricantes indicou
fornecimento usual de isoladores suporte poliméricos até a
classe de 550 kV, como pode ser visto no catálogo de um
fabricante, que mostra um isolador na sustentação fazendo
parte da estrutura isolante de uma bobina de bloqueio para
500 kV (ver Figura 4). Os fabricantes consultados garantem
possuir recursos técnicos para desenvolver um isolador para a
classe de 800 kV, porém sem comprovação. Nas Figuras 5 e 6,
são apresentados desenhos do projeto de um isolador para
classe 800 kV, com propósito de ter desempenho adequado
para chuvas intensas, desenvolvido com base no projeto de um
isolador para 500 kV, instalado na Austrália, em uma região
com 6 meses de chuvas intensas e 6 meses de seca.
Características elétricas e mecânicas
Tensão disruptiva em frequência industrial:
- a seco
1150 kV
- sob chuva
850 kV
Tensão disruptiva de impulso atmosférico:
- pol. pos.
1950 kV
- pol. neg.
2000 kV
Distância de escoamento:
24000 mm
Carga de flexão máxima de projeto: 5,6 kN
Fig. 5. Projeto de isolador polimérico tipo suporte para 800 kV
Fig. 4. Isolador polimérico tipo suporte sustentando filtro de 500 kV
f. Isoladores híbridos (núcleo sólido de porcelana e saias de
silicone)
O conceito de isoladores híbridos, essencialmente combina as
vantagens mecânicas da porcelana, com as vantagens elétricas
da borracha de silicone. Introduzido no início dos anos 90 tem
sido utilizado com sucesso em redes de média tensão
localizadas em regiões de alta poluição (ver Figura 7). Ensaios
recentes demonstram que seu uso poderá ser ampliado para
Alta e Extra Alta Tensão, uma vez que as vantagens do
silicone (HTV – alta temperatura de vulcanização) permite a
redução da distancia de escoamento, reduzindo também a
altura do isolador bem como as dificuldades de fabricação da
porcelana.
Fig. 6. Projeto de isolador polimérico tipo suporte para chuva intensa
4
O projeto de isoladores tipo suporte em paralelo influencia o
desempenho (probabilidade de descarga) sob poluição [5] e
sob chuva, sendo que um dos elementos principais é a
distância entre os eixos dos isoladores montados em paralelo.
Se essa distância for muito pequena, as descargas podem
curto-circuitar o espaçamento entre os isoladores, devido à
diferenças na distribuição de tensão em cada isolador montado
em paralelo, como pode ser visto na Figura 8. Este fato pode
levar a uma formação de descarga diferente da observada com
um único isolador, resultando em um valor menor de tensão
disruptiva para a estrutura isolante. Resultados de ensaios
realizados com dois isoladores montados em paralelo, sob
condições de poluição, podem ser vistos na Tabela I e os
resultados mostraram que quanto mais próximos estão os eixos
dos isoladores, menor é o nível de poluição suportado.
TABELA I
AVALIAÇÃO DA SUPORTABILIDADE SOB POLUIÇÃO EM ISOLADORES TIPO
SUPORTE MONTADOS EM PARALELO
Distância entre
eixos (mm)
Tensão aplicada
(kV)
Salinidade suportável
(kg/m3)
300
420
56
350
420
80
400
420
160
Fig. 7. Isolador híbrido para 138 kV
g. Isolador composto polimérico oco preenchido com gás
Esta opção evita os problemas associados a grandes diâmetros,
reduzindo também a quantidade de matéria prima como fibra
de vidro e resina epóxi, mas o ângulo de enrolamento das
fibras deve ser feito camada por camada para atender aos
requisitos de torção e flexão. Além disso, o tubo deve ser
preenchido por nitrogênio (N2) seco ou outro gás similar, com
pressão positiva e estar bem selado. Deve-se considerar a
necessidade de inspeção constante para monitoramento da
pressão do gás. Esta opção é muito utilizada atualmente em
disjuntores e buchas isoladas a gás SF6.
III. AVALIAÇÃO DA LITERATURA TÉCNICA
E
xiste pouca literatura técnica sobre isoladores tipo
suporte para corrente alternada, principalmente para a
classe de 800 kV, mas alguns artigos publicados para classes
de tensão menores trazem informações interessantes.
A. Avaliação de isoladores suporte com montagem em
paralelo
Alguns arranjos de subestação necessitam de ter dois ou mais
isoladores tipo suporte, montados em paralelo, com uma
pequena distância entre seus eixos, como no caso dos
isoladores que sustentam o filtro de onda em subestações ou
os seccionadores.
Fig. 8. Ensaio de frequência industrial, com chuva de 5 mm/min, em
isoladores tipo suporte para 800 kV, sustentando filtro de onda
B. Avaliação do campo elétrico em isoladores tipo suporte
Por causa das capacitâncias parasitas existentes entre as
ferragens integrantes dos isoladores tipo suporte, tanto para
terra quanto para os condutores de energização, a distribuição
do campo elétrico se distorce em torno das ferragens no topo
do isolador, afetando a confiabilidade e a segurança da
subestação.
Para melhorar a distribuição do campo elétrico e a
confiabilidade operacional, estudos sobre o tipo, diâmetro e
posicionamento de eletrodos em isoladores suporte para
tensões acima de 1000 kV foram realizados por Xinqiao Wu e
outros [6] além de Joze Hrastnik e Joze Pihler [7]. O modelo
deve levar em conta o arranjo trifásico dos isoladores, como
pode ser visto na Figura 9.
5
A distribuição do campo elétrico em um isolador sem
eletrodos podem ser vista na Figura 10a onde se verifica que a
distorção da distribuição do campo elétrico ao redor do
conector no topo do isolador é bem severa. Quando se coloca
um eletrodo composto por dois anéis de diâmetros diferentes,
observa-se uma redução acentuada na distorção da distribuição
do campo elétrico e o eletrodo de maior dimensão
efetivamente blinda o campo elétrico na parte externa do
eletrodo de menor diâmetro, como pode ser visto na Figura
10b.
Fig. 11. Resultados dos ensaios de freqüência industrial em seções de
isoladores suporte para 800 kV
A avaliação das imagens obtidas com câmera Day-Cor
mostraram que a causa principal da redução era o curtocircuito de saias adjacentes pela ação da cascata de água da
chuva, como pode ser visto na Figura 12.
Fig. 9. Arranjo utilizado no cálculo do campo elétrico
onde: 1 – eletrodos
2 – barramento
3 – isolador tipo suporte
a)
b)
Fig. 10. Distribuição do campo elétrico em um isolador de 1000 kV a) sem
eletrodos no topo b) com eletrodos no topo
C. Avaliação do desempenho sob chuvas intensas
Ensaios de determinação da tensão disruptiva (Ud) em seções
dos isoladores de dois fabricantes diferentes nas condições a
seco e com chuva artificial (1 mm/min, 3 mm/min e
5 mm/min) foram realizados para avaliar o desempenho sob
chuvas intensas [1 e 8]. Para facilitar a comparação, a
resistividade da chuva foi mantida constante em 100 Ω.m.
Os resultados obtidos podem ser vistos na Figura 11 e podese constatar uma redução variando de 11% a 34% em relação
ao resultado obtido no ensaio na condição a seco, para cada
isolador ensaiado.
Fig. 12. Ensaio de frequência industrial, com chuva de 5 mm/min em
isolador tipo suporte para 800 kV
IV. CONCLUSÃO
B
aseando-se nos resultados obtidos com esse levantamento
do estado da arte em isoladores tipo suporte classe
800 kVca, pode-se afirmar que:
1. o mercado sinaliza com diversas possibilidades para
desenvolvimento de isoladores tipo suporte para a classe
800 kVca, mas tais opções devem ser cuidadosamente
avaliadas, sempre que possível por meio de ensaios,
considerando o desempenho sob chuvas intensas de até
5 mm/min, sob poluição, suportabilidades mecânicas e
manutenção de características ao longo do tempo e em
diferentes arranjos, sobretudo em paralelo e em final de
6
2.
3.
4.
5.
6.
barramento;
a utilização de eletrodo metálico para reduzir a
intensidade do campo elétrico no topo do isolador deve
ser considerada e seu projeto pode ser feito por meio de
estudo e mapeamento do campo elétrico;
os ensaios de laboratório mostraram que chuvas intensas,
com índices de precipitação de até 5 mm/min, ou seja,
bem superiores aos máximos fixados nas normas atuais,
têm um efeito importante sobre a suportabilidade
dielétrica dos isoladores utilizados nos barramentos de
subestações classe 800 kVca e acima;
ensaios realizados demonstraram a efetividade dos
defletores de chuva para melhorar o desempenho dos
isoladores de porcelana tipo suporte sob chuva intensa;
recentemente foi proposto e aceito que o assunto
suportabilidade de isoladores sob chuvas intensas, de até
5 mm/min, seja discutido no grupo de trabalho
internacional CIGRE WG D1.36 - Special requirements
for dielectric testing of Ultra High Voltage (UHV)
equipment [9].
há opções de isoladores poliméricos do tipo pedestal,
classe 800 kVca, no mercado que podem substituir os
atuais isoladores de porcelana, mantendo a mesma altura
das estruturas existentes nas subestações. Essas opções
precisam, no entanto, ser cuidadosamente avaliadas,
conforme observado em 1.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Orsino Oliveira Filho, Darcy R. Mello, José A. Cardoso, Rogério M. de
Azevedo, Sylvia G. Carvalho, Waldenir A. S. Cruz, “Performance
Evaluation of 800 kV Porcelain Multicone Type Insulators Under Heavy
Rain”, ICHVE 2008 - International Conference on High Voltage
Engineering and Application, Nov. 2008.
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas, CB 03 – Cobei:
Comitê Brasileiro de Eletricidade, NBR 6936 – Técnicas de ensaios
elétricos de alta-tensão, abril/1992, CDU 621.317.321/.326.
IEC: International Electrotechnical Commission, International Standard,
IEC 60060-1, Edition 2.0, 1989-11, High voltage test techniques – àrt 1:
General definitions and test requirements.
C.H.A. Ely, P.J. Lambeth e J.S.T. Looms. The booster shed: prevention
of flashover of polluted substation insulators in heavy wetting, IEEE
Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-97, No. 6,
1978, PP 2187-2197.
V. Sklenicka, J. Vokalek e Paul C. van der Wal. “Pollution performance
of double insulator assemblies”, High Voltage Engineering Symposium,
IEE / 1999, artigo 467.
Xinqiao Wu, Zongren Peng, Peng Liu e Zhong Yu. “Calculation of
Electric-field Distribution and Research on Characteristics of Shielding
Ring along the Long-rod Post Porcelain Insulators Used in 1000kv
System”, 8th International Conference on Properties and applications of
Dielectric Materials, 2006, pp 603-606.
Joze Hrastnik e Joze Pihler. “Designing a New Post Insulator Using 3-D
Electric-Field Analysis”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24,
nr. 3, 07/2009, pp 1377-1381.
Darcy Ramalho de Mello, Orsino Oliveira Filho, José Antonio Cardoso,
Rogério Magalhães de Azevedo e Sylvia Garcia de Carvalho. Melhoria
do desempenho de isoladores utilizados em subestações classe 800 kV
sob chuva intensa. XXI SNPTEE 2011.
¨D1-WG36-2011-220-Proposal for discussion on WG D1 36¨, Orsino
Oliveira Filho – Corresponding Member, SC D1 - Cigre-Brazil, January
3, 2011.
BIOGRAFIA
Darcy Ramalho de Mello graduou-se
em Engenharia Elétrica na Universidade
Federal do Rio de Janeiro em 1977.
Obteve o grau de mestrado pela COPPE
em 1984. Trabalha no CEPEL desde
1978, inicialmente nas áreas de ensaio
de alta tensão e sendo, atualmente,
responsável por diversos projetos de
pesquisa e desenvolvimento na área de
linhas de transmissão e redes de
distribuição envolvendo, principalmente,
isoladores. Desde 1994 é o coordenador
da Comissão de Estudos de Isoladores
(CE 36.1) do COBEI / ABNT.
Representante do Brasil na IEC 36:
Insulators. Membro do IEEE, do Cigré e
secretário do Grupo de estudo B2-21.
Orsino Oliveira Filho formou-se na
Universidade Federal do Rio de Janeiro,
em engenharia elétrica (1984) e mestrado
(1991), especializando-se em engenharia
de Alta Tensão. Trabalha no CEPEL –
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica no
Rio de Janeiro, Brasil, desde 1984 e tem
concentrado seu trabalho em técnicas de
ensaio e de medição em alta tensão e
gerenciamento de projetos de P&D. Atual
Coordenador do Cigré-Brasil SC D1:
Materiais e Tecnologias Emergentes de
Ensaios.
Daniela de Luca Tierno
está atualmente cursando o
8° período de Engenharia
Elétrica na Universidade do
Estado do Rio de Janeiro,
sendo estagiária no CEPEL
na área de linhas e
equipamentos desde 2011