01_Isoladores Aplicação e Importância No Setor Elétrico Curso de Isoladores

Curso de Isoladores CEs D1 e B2

Isoladores - Aplicação e importância no setor elétrico

Ricardo Wesley Salles Garcia

Tópicos • • • • • • • • • • • • • •

Introdução História Principais tipos Principais características características Aplicação Parâmetros de projeto Desempenho quanto à poluição Desempenho sob chuva Soluções de aperfeiçoamento de desempenho Ensaios de laboratório laboratório Normalização Vida útil Mercado Custo

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Introdução

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Isolante elétrico é um material cujas cargas elétricas

internas não se movem livremente; quase não há passagem de corrente elétrica através dele, sob a influência de campo elétrico. A propriedade que caracteriza caracteriza esse processo é a sua resistividade

volumétrica Pode falhar quando a tensão aplicada supera a tensão de ruptura do material, normalmente levando à sua destruição devido à perfuração

Em caso de redução da suportabilidade superficial, pode falhar, sem perder a função, se a tensão aplicada for superior à tensão de ruptura do meio ao seu redor

Introdução

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O termo isolador é aplicado mais especificamente a suportes isolantes usados para sustentar mecanicamente elementos condutores, como cabos e barramentos em sistemas elétricos de transmissão e distribuição de energia, ao mesmo tempo em que servem para isolar eletricamente elementos com diferentes potenciais

História

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• Primeiros isoladores, para linhas elétricas de

telégrafo, foram introduzidos por volta de 1835 • Embora a madeira talhada, até certo ponto, fosse um isolante, os pioneiros da eletricidade começaram a usar vidro e porcelana • O vidro recozido funcionou eficazmente para linhas de telégrafo enquanto a tensão era baixa

História • Com perdas expressivas, o vidro

recozido se quebrava com temperaturas elevadas, e a solução foi desenvolver mais os de porcelana • Mestres ceramistas foram contratados para criar produtos de porcelana para a revolução elétrica que se iniciava

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História

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• Exemplos de isoladores de porcelana antigos

f

a Johnson &Phillips, 1876 b Siemens, 1850 c Duplo sino, 1858

d Câmaras múltiplas com óleo, 1891 e Tipo pino de três aletas, 1895 f W T Henley, 1861

História

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• A necessidade de tensões ainda mais altas já

surgia na década de 1890, forçando desenvolvimentos muito além de atividades artesanais • Químicos e engenheiros de materiais ajudaram a projetar isoladores de porcelana de alto desempenho com revestimentos e projetos especiais

História

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• A primeira linha de transmissão de energia foi

construída em 1882, para a 2ª Exposição Internacional de Eletricidade, na Alemanha, de Miesbach a Munique, com 57 km, operando em 1400 V CC; transportou somente 2,5 kW • Rapidamente, a implantação de diferentes linhas se espalhou e se deu em níveis de tensão cada vez mais altos

História

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10000

o ã s s i m s n a r t e d s a h ) n i V l k s ( a d o ã s n e t e d l e v í N

1000

100

CC CA

10

1 1880

1900

1920

1940

1960 Ano

1980

2000

2020

História • Isoladores tipo disco 

desafio: transformar esforço de tração exercido pelos cabos em esforço a compressão suportado pela porcelana • Hewlett, 1907

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História • Evolução dos isoladores

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História

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1904 - Disco de porcelana via úmida -Locke – USA 1907 - Disco Hewlett (sem ferragens - baseado na castanha) 1910 - Engate tipo Garfo/Olhal (GO) - Locke 1914 - Engate tipo Concha/Bola (CB) - Ohio Brass 1914 - Disco JD - Jeffery Dewitt (ferragens internas) 1920 - Discos padronizados - diâmetro 245 mm / 40-50 kN 1925 - Primeiros discos de vidro 1937 - Disco de vidro temperado 1940 a 1970 - Padronização pela IEC e ANSI - dimensões, engates e ensaios • 1980 a 1990 - Novas especificações e ensaios - Revisões importantes nas normas - Discos de vidro e de porcelana mais confiáveis

• • • • • • • • •

História

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História

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• Técnicas de produção e materiais foram

desenvolvidos ou aprimorados, levando aos diferentes tipos utilizados atualmente nas redes de distribuição, nas linhas de transmissão e em subestações e equipamentos

Principais tipos • Quanto ao material   

Porcelana vitrificada Vidro temperado Polimérico

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Principais tipos Propriedades

Unidade

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Porcelana

Vidro

vitrificada

temperado

Polímero

Bastão de fibra de vidro com resina

Densidade

g/cm

2,3 - 3,9

2,5

0,9 - 2,5

2,1 - 2,2

Resistência à tração

MPa

30 - 100

100 - 120

20 - 35

1300 - 1600

Resistência à compressão

MPa

240 - 820

210 - 300

80 - 170

700 - 750

Módulo de elasticidade

GPa

50 - 100

72

0,6 - 16

43 - 60

Condutividade térmica

W/m °K

1-4

1

0,17 - 0,9

0,2 - 1,2

Expansibilidade (20-100 °C)

(x10-6)/°K

3,5 - 9,1

8 - 9,5

45 - 200

7,5 - 20

Permissividade

(Ar = 1)

5 - 7,5

7,3

2,3 - 5,5

2,5 - 6,5

Tan δ (50-60 Hz)

(x10-3)

20 - 40

15 - 50

0,1 - 5

5 - 20

Resistência à perfuração

kV/mm

10 - 20

> 25

> 25

3 - 20

Ω cm

1011 - 1013

1012

1015 - 1017

1011 - 1014

Resistividade volumétrica (à 20°C)

Fonte: Looms, J.S.T., Insulators for High Voltages - IET Power and Energy Series, Volume 7 - 2006

Principais tipos • Quanto à aplicação 

Tipo pino



Tipo pilar



Tipo disco



Tipo bastão



Tipo linepost



Tipo pedestal



Buchas

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Principais tipos 

Pino • Normalmente de porcelana ou polimérico • Comumente usado em linhas de distribuição de 13,8 kV, 25 kV e 34,5 kV • Fixado à cruzeta através de pino metálico • O condutor fica apoiado em uma pequena depressão no seu topo ou na lateral e é fixado através de fios ou outros dipositivos aplicados para isso

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Exemplos de isoladores tipo pino

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Aplicação

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Pilar • Mais robusto que o isolador de pino • Normalmente de porcelana ou polimérico • Comumente usado em linhas de distribuição de 13,8 kV, 25 kV e 34,5 kV, podendo ser aplicados até 69 kV • Fixado à cruzeta através de pino metálico. Também pode ser usado em substituição à cruzeta, fixado diretamente ao poste • O condutor fica apoiado em uma pequena depressão no seu topo ou na lateral e é fixado através de fios ou outros dipositivos aplicados para isso

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Exemplos de isoladores do tipo pilar

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Aplicação

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Tipo disco • Tipo mais comum aplicado em linhas de transmissão • São de vidro ou de porcelana • Têm diferentes perfis e engates relacionados à sua aplicação • Usualmente constituem cadeia de isoladores, sempre em arranjos tracionados • Os condutores são fixados através de ferrangens no lado inferior da cadeia enquanto o lado superior é preso à estrutura • O número de unidades depende da tensão de operação da linha • Aplicados em cadeias de ancoragem e de suspensão, que podem ser simples, duplas, triplas, quádruplas

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Exemplos de isoladores do tipo disco

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Aplicação

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Bastão • São de porcelana ou polimérico • Os poliméricos são usados em distribuição e em transmissão e seu comprimento depende do nível de tensão . A “cadeia” é formada por uma única unidade • Os de porcelana são aplicados usualmente em transmissão e, dependendo do nível de tensão, podem ser usados conectados em série, por terem tamanho limitado • Os perfis das aletas são características de projeto de cada fabricante • Podem ser aplicados em arranjos em paralelo


Exemplos de isoladores tipo bastão

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Aplicação

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Line post • São de porcelana ou poliméricos, normalmente • Mais robustos que os do tipo bastão, trabalham sob efeito de cargas mecânicas combinadas

• Substituem as mísulas em linhas compactas, sua maior aplicação

• Podem ser usados ancorados por isoladores bastão


Exemplos de isoladores tipo line post

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Aplicação

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Pedestal • Tipicamente de porcelana e polimérico, tem diferentes perfis • Podem ser usados como peças únicas ou em arranjos série, dependendo do nível de tensão da aplicação • Aplicados exclusivamente em subestações de distribuição ou de transmissão, suportando condutores ou barramentos

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Exemplos de isoladores tipo Pedestal

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Aplicação

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Buchas • Essencialmente de porcelana ou polimérica • Sendo ocas, possibilitam a passagem de um ou mais condutores no seu interior,r conectando ambas as extremidades a outros equipamentos. São usadas em passagens de parede ou em tanques metálicos, em equipamentos como transformadores e disjuntores • O isolamento interno pode ser em óleo, papel ou gás isolante, como SF6

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Exemplos de buchas

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Aplicação

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Principais características

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• Isoladores de porcelana Vantagens

Desvantagens

• Longa história de utilização

• Peso • Superfície do isolante hidrofílica • Possibilidade de defeitos internos • Susceptível a vandalismo • Técnicas de detecção de defeitos em serviço não infalíveis • Corrosão nas ferragens • Trincas por dilatação do cimento • Danos graves em explosão, no caso de buchas pressurizadas

• Vida útil longa • Tecnologia amadurecida • Performance quantificada • Facilmente intercambiável • Flexibilidade no ajuste de comprimento • Faixa de servidão reduzida na aplicação de line post • Grande gama de aplicação


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• Isoladores de vidro Vantagens

Desvantagens

• Longa história de utilização

• Peso • Superfície do isolante hidrofílica • Atratividade ao vandalismo • Corrosão nas ferragens • Aplicação usualmente concentrada em isoladores tipo disco

• Vida útil longa • Tecnologia amadurecida • Performance quantificada • Facilmente intercambiável • Flexibilidade no ajuste de comprimento • Unidades danificadas facilmente identificadas


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• Isoladores poliméricos Vantagens • Hidrofobicidade • Menor relação peso x carga mecânica • Facilidade no manuseio • Redução nos custos de instalação • Aplicação em LTs compactas • Menos atrativo a vandalismo • “Preço” • Grande gama de aplicação

Desvantagens • Tecnologia em desenvolvimento

• Fratura frágil é uma preocupação • Degradação e envelhecimento • Possibilidade de defeitos internos • Inspeção mais complexa • Isolador danificado implica na troca da “cadeia” • Mais cuidado com manuseio • Normalização incompleta

Aplicação

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Em relação ao projeto da linha • Linhas compactas  A aplicação de isoladores poliméricos é mais indicada  Isoladores poliméricos linepost para 500 kV já aparecem em catálogos de diversos fabricantes • Conversão de LTs CA para LTs CC  Isoladores com menor comprimento serão melhores soluções por conta do aumento do carregamento das linhas

Aplicação

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Em relação ao projeto da linha • Linhas CC  Mercado crescente  Maior aplicação de isoladores poliméricos  Isoladores de porcelana e/ou vidro especiais

Fonte: INMR

Aplicação

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Em relação ao projeto da linha • Projetos especiais  Melhor uso com isoladores poliméricos  Arranjos não convencionais das cadeias exigem avaliação detalhada sobre manutenção National Grid 400kV T-Pylon Project

Aplicação

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Em relação ao meio ambiente

• Locais onde a poluição não é problema problema  Qualquer tecnologia  Os custos associados ao ciclo de vida se tornam importantes na determinação de qual alternativa é a mais viável  Vida útil e facilidade de inspeção se tornam critério importante

Aplicação

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Em relação ao meio ambiente

• Locais onde há poluição  Isoladores com características hidrofóbicas são os mais adequados  Isoladores com superfícies hidrofílicas podem ser usados mas exigirão lavagens periódicas  Qualquer tecnologia exigirá monitoramento

Aplicação

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• Em todas as situações, porém, há de se considerar que os parâmetros que definem o projeto sejam adequadamente levados em conta, já que estresses elétricos, mecânicos e/ou ambientais poderão eliminar as vantagens de cada tecnologia

Parâmetros de projeto

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• Sob o ponto de vista mecânico 

Cargas consideradas dependem do tipo de aplicação: • Tração 

Isoladores tipo disco, bastão

• Compressão 

Isoladores tipo pino, pilar, pedestal e line post

• Torção 

Isoladores tipo pilar e pedestal

• Flexão 

Isoladores tipo pilar, pedestal, line post e buchas

Parâmetros de projeto 

Carga mecânica combinada em line post

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• Sob o ponto de vista elétrico 

Considerar: • o nível básico de isolamento para impulsos atmosférico e

de manobra, do equipamento ou da linha • as condições operativas (60 Hz ou corrente contínua) Desempenho sob chuva  Desempenho em condições de poluição 


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Fonte: CIGRÉ TB518 “Outdoor Insulation in Polluted Conditions - Guidelines for Selection and Dimensioning - Part 2 - The DC Case”, Dec 2012


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• Um tipo de isolador é eletricamente definido

pelos seguintes parâmetros:   

Distância de arco a seco Distância de escoamento Perfil do isolador (diâmetro, passo, formato, inclinação das saias etc)


Distância de arco a seco - É a menor distância no ar, externa ao isolador, entre as ferragens integrantes metálicas que normalmente estão submetidas à tensão de operação do sistema

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Distância de escoamento - É a menor distância, ou a soma das menores distâncias, ao longo da superfície isolante dos isoladores submetida à tensão de operação do sistema

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Perfil do isolador

passo

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Desempenho sob poluição

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• Efeito dos tipos e níveis de poluentes acumulados

na superfície dos isoladores

Fonte: ABNT NBR 60815-1 - Seleção e dimensionamento de isoladores para alta-tensão para uso sob condições de poluição - Parte 1: Definições, informações e princípios gerais


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• Distância de escoamento específica unificada: 



É a distância de escoamento dividida pelo valor eficaz da máxima tensão fase-terra do sistema, em mm/kV Valores relacionados com os níveis de poluição normalizados CA CC • Poluição muito leve • Poluição leve • Poluição média • Poluição pesada • Poluição muito pesada

    

22 mm/kV 28 mm/kV 35 mm/kV 44 mm/kV 55 mm/kV

22 mm/kV 35 mm/kV 55 mm/kV 75 mm/kV 95 mm/kV

Fonte: A. Pigini, N. V. Ramkumar, “Aspects Related to Design and Testing Of UHV Insulator Strings with Cap and Pin Insulators”, Second International Symposium on Standards for Ultra High Voltage Transmission, 2009, India


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• Fatores a considerar 

Fator de escoamento (Creepage Factor – CF): • Relação entre distância de escoamento e distância de arco

a seco 

Fator de forma: • Característica da forma do isolador, é calculado pela

expressão:

onde L é a distância de escoamento e p(l) = 2p r(l)

Desempenho sob chuva • Depende: 



das características de intensidade e de condutividade da chuva do diâmetro e do perfil dos isoladores

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Desempenho sob chuva 

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Isoladores pedestal

Ceramic insulator. Normal profile; Distance between sheds 65 mm; max. Diameter 347 mm

Composite insulator C. Standard profile; Distance between sheds 35 mm; Diameter 332 mm

Fonte: Cigre TB634 - Impact of rain on insulator performance, Oct 2015

Composite insulator E. Standard profile; Distance between sheds 35 mm; Diameter 537 mm

Desempenho sob chuva 

Buchas de parede • distribuição da chuva não uniforme

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Soluções de aperfeiçoamento de desempenho

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• Camada semicondutiva Isolador de porcelana comum

Isolador de porcelana com vitrificado semicondutivo


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• Aplicação de recobrimento com materiais

hidrofóbicos/autolimpantes em isoladores de vidro, feita na fábrica

Estimativa de crescimento do mercado para isoladores tipo disco pré-recobertos (dados da China não inclusos) Fonte: INMR

Soluções de aperfeiçoamento de desempenho • Booster sheds

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• Desenvolvimento na área da nanotecnologia

para gerar materiais super-hidrofóbicos

Hidrofóbico

Super-hidrofóbico Fonte: INMR

Ensaios de laboratório

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• Objetivo 



Avaliar a qualidade do projeto e do produto, sendo submetidos a esforços elétricos e mecânicos que simulem todas as condições de operação Avaliar características dimensionais e de materiais

• Características 

São executados tanto nas unidades individuais, como no arranjo de serviço, ou ainda em parte do dispositivo


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• Ensaios de projeto 



São destinados a verificar a adequação do projeto, materiais, componentes e processos de fabricação Como diferentes modelos de isolador podem ser fabricados segundo um mesmo projeto e utilizando os mesmos materiais e processos de fabricação, os ensaios de projeto podem ser válidos para toda uma classe de isoladores, desde que satisfaçam a critérios de similaridade indicados nas normas específicas


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• Ensaios de tipo 



São realizados para avaliar as principais características de um isolador que dependem essencialmente do seu projeto Feito uma só vez mas repetido quando se muda uma característica de projeto ou de processo de fabricação

• Ensaios de rotina 



Destinam-se a limitar variações de fabricação a níveis aceitáveis, que não caracterizem defeitos de fabricação nos isoladores Todos os isoladores são testados


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• Ensaios de recebimento 



Visam verificar as características dos isoladores que dependem da qualidade da fabricação e dos materiais usados São realizados por amostragem no lote a ser entregue, seguindo critérios normalizados

• Outros ensaios  

Ensaios de material Ensaios sob poluição

Normalização

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• Princípios 





A normalização é o processo de formulação e aplicação de regras para a solução ou prevenção de problemas, com a cooperação de todos os interessados No estabelecimento dessas regras recorre-se à tecnologia como o instrumento para estabelecer, de forma objetiva e neutra, as condições que possibilitem que o produto, projeto ou processo atendam às finalidades a que se destinam As normas asseguram as características desejáveis desejáveis de produtos,, como qualidade, segurança, confiabilidade, produtos eficiência, intercambialidade, intercambialidade, bem como respeito ambiental

Normalização

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• Principais agentes 

  

ABNT COBEI

IEC (International Electrotechnical Comission) ANSI (American National Standards Institute) Institute) ASTM (American Society for Testing and Materials)

Normalização • Contudo, normas e métodos de testes atuais

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ainda não podem garantir a performance de um isolador de forma a cobrir toda sua vida em serviço, especialmente no caso de isoladores poliméricos. Isso tem gerado gerado “desconfiança ”, por parte de concessionárias, na aplicação generalizada destes isoladores, em diversos países vanguarda na utililização de isoladores • Devido à vanguarda poliméricos, especialmente especialmente em CC, a China tem produzido algumas normas que têm sido usadas como referência para normas internacionais

Normalização

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• O Cigré tem tido participação efetiva junto a órgãos de

normalização, como a IEC, produzindo, através dos seus Working Groups, subsídios para revisões de normas existentes ou definições para normas novas   





WGD1.44 “Testing of naturally polluted insulators” WGD1.45 “Testing of insulator performance under heavy rain” WGD1.58 “Evolution of dynamic hydrophobicity of polimeric insulating materials under AC and DC voltage stress” WGD1.59 “Methods for dielectric characterisation of polymeric insulation materials for outdoor applications” WGB2.57 “Survey of operational Composite Insulator Experience and Application Guide for Composite Insulators ”

Normalização • Normas brasileiras em vigor

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Normalização

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Normalização

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Normalização

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Vida útil

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• Reconhecidamente, porcelana e vidro são

materiais de grande resistência à degradação e ao envelhecimento • Diferentemente, polímeros, por sua natureza orgânica, são mais susceptíveis a esses problemas 

O desconhecimento do prazo de vida útil de isoladores poliméricos tem sido a maior questão de sua aplicação

• Em se tratando de isoladores, contudo, deve-se

considerar a vida útil do produto final

Vida útil • Principais causas de perda

de vida útil    

  

Isoladores mal dimensionados Isoladores de baixa qualidade Projetos mal elaborados Isoladores manuseados e armazenados inaquadamente Efeitos do meio ambiente Efeitos elétricos Envelhecimento

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Vida útil

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• Descarte x Reciclagem 



A crescente conscientização do público sobre as questões ambientais tem levado fabricantes e usuários a prestarem mais atenção ao impacto ecológico geral Normas Técnicas têm subsidiado ações: • ABNT NBR IEC 62430:2010 - Projeto ambientalmente consciente para produtos eletroeletrônicos

• ABNT NBR IEC 62474:2012 - Declaração de material para equipamentos eletroeletrônicos

Vida útil 



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Empresas de transmissão e distribuição de energia podem gerar quantidades significativas de resíduos, tais como materiais de epóxi, borracha de silicone, vidro e porcelana. Atualmente, esse tipo de lixo freqüentemente acaba em aterros Cada vez mais, fabricantes e usuários estão tendo que identificar metodologias alternativas de gestão de resíduos

Vida útil 

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Basicamente, existem quatro classes gerais de técnicas de reciclagem, assim identificadas: • Reciclagem primária, que é a conversão de resíduos em

materiais com propriedades equivalentes às dos materiais originais • Reciclagem secundária, que compreende a conversão de resíduos em materiais com propriedades inferiores às dos materiais originais, para outras aplicações • Reciclagem terciária, que propõe a conversão de resíduos em produtos químicos ou combustíveis • Reciclagem quaternária, que significa a conversão de resíduos em energia

Vida útil 

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Experiência da Cemig: • Utilização de resíduos de porcelana para confecção de

tijolos de calçamento (reciclagem secundária)

Mercado

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Fonte: INMR

Fonte: Overview of World Markets for HV Insulators & Bushings - 2015 to 2025 - World Congress INMR, 2015

Mercado

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Mercado

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Fonte: Electric Insulators Market by Application (Cables & Transmission Lines, Transformers, Switchgears, Bus Bar, Surge Protection Devices, & Others), Type (Ceramic, Glass, and

Mercado

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• Extensão das LTs: China e Brasil 600

) 500 m k 0 0 0 1 400 x ( V k 0 2 300 2 > s T L s a 200 d o ã s n e t 100 x E

0 1990

Brasil China

1995

2000

2005

Ano

2010

Fontes: ONS, dados do Brasil INMR, dados da China

2015

Mercado

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• Crescimento do uso de isoladores poliméricos

de borracha de silicone no mercado chinês • 21,37 milhões de isoladores de porcelana • 15,12 milhões de isoladores de vidro • 3,23 milhões de isoladores poliméricos (55%) • 1,52 milhões de cadeias de porcelana (26%) • 1,11 milhões de cadeias de vidro (19%)

Fonte: INMR

Custo

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• Experiência Chinesa

CA Fonte: INMR

CC

Custo • Custo do produto       

Materais Energia Projeto Fabricação Ensaios Lucro Outros custos

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• Custo de ciclo de vida      

Armazenamento Instalação Manutenção Ensaios Descarte Outros custos

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