LAVAGEM DE ISOLADORES EM LINHAS DE TRAN….pdf

LINHAS DE TRANSMISSÃO E SUBESTAÇÕES DE ALTA TENSÃO

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ÁREA DE TREINAMENTO:

ASPECTOS DE MANUTENÇÃO E DURABILIDADE DAS OBRAS DE ENGENHARIA ASSUNTO:

Lavagem de isoladores em linhas de transmissão e subestações Material de uso exclusivo em treinamentos internos. Proibida a reprodução para uso comercial.

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LAVAGEM DE ISOLADORES EM LINHAS DE TRANSMISSÃO E SUBESTAÇÕES. 1. INTRODUÇÃO. O isolamento de uma linha de transmissão é obtido pela manutenção de uma distância adequada entre os condutores energizados e a estrutura de suporte ou entre os condutores. De forma que, o desempenho das linhas de transmissão está diretamente relacionado com o desempenho dos seus isoladores. Entre a estrutura de suporte e os cabos condutores essa distância é sustentada e mantida pelas cadeias. Sendo os condutores sustentados pelas cadeias de isoladores, o dimensionamento dessas cadeias deve atender a várias condições impostas pelas solicitações dielétricas. Usualmente muitas falhas nas linhas de transmissão ocorrem nas cadeias, assim sendo, é importante preservar a integridade desses isoladores de modo a manter a rigidez dielétrica da penca. Quando uma falha provoca dano nos isoladores, é necessário substituí-los ou recuperálos o mais rápido possível, de modo a voltar às condições originais de dimensionamento do projeto das cadeias. As cadeias de isoladores estão sujeitas a três principais problemas que acarretam um custo dispendioso de manutenção e a queda dos índices de confiabilidade: poluição dos isoladores, atos de vandalismo e a corrosão das ferragens dos isoladores.

Figura 1.1 - Papel dos isoladores na manutenção das distâncias elétricas.

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O primeiro caso decorre do fato que os isoladores ao longo de uma linha de transmissão estão sujeitos a poluição do ambiente. Quando se atinge um grau de poluição suficientemente intenso, tem-se uma condição favorável para gerar um arco elétrico com energia suficiente para ocasionar a falha do isolador e o conseqüente desligamento da linha de transmissão. A camada de contaminação pode ser produzida por várias causas, por exemplo: sais e poluentes industriais. A poluição de isoladores ocorre através da deposição desses contaminantes quer sejam de origem industrial, marítima ou ambiental. Esses depósitos, juntamente com a presença da umidade, e de uma tensão elétrica mais elevada, propiciam o surgimento de descargas superficiais que podem evoluir para o fechamento de um arco de potência, sobre a cadeia de isoladores e a conseqüente interrupção no fornecimento de energia. Esse fato traz conseqüências desastrosas para as empresas transmissoras com aplicação de penalidades previstas pela ANEEL. Tradicionalmente as empresas de transmissão de energia elétrica utilizam as técnicas disponíveis, para recompor o isolamento de linhas de transmissão e subestações em condições, como os métodos de lavagem de isoladores de alta tensão poluídos: •

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Retirada e substituição de unidades poluídas por unidades previamente limpas: Ou mesmo limpas fora da sua posição original, exigindo, naturalmente o desligamento da linha ou uma intervenção com linha energizada. Lavagem das unidades em seus respectivos locais de instalação: Como alternativa para a limpeza de isoladores, sem a retirada dos mesmos, temos a lavagem de isoladores in loco.

Figura 1.2 - Técnica de retirada de isoladores para lavagem fora da sua posição original. Neste texto, vamos tratar apenas da lavagem de isoladores, no próprio local de instalação cuja finalidade é reduzir o índice de defeitos na rede elétrica, originados pelo acúmulo de poeira, maresia, poluição industrial, monóxido de carbono emitido por veículos, etc. A Página: 3

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vantagem é que esta atividade pode ser realizada com a linha energizada, desde que haja a utilização de equipamentos adequados e pessoais especializado.

2. CARACTERIZAÇÃO DOS ISOLADORES. Como já vimos, os isoladores são materiais sólidos com boas propriedades dielétricas, os quais são utilizados nas linhas elétricas aéreas, para isolar os condutores, sob tensão, dos apoios que os suportam. Isoladores para linhas de transmissão são basicamente constituídos de um núcleo de material condutor que é revestido por um material que causa sua isolação. As principais diferenças entre os isoladores são seus formatos estabelecidos conforme a função de cada um: tipo bastão, pino, e pilar. Para que tenham um bom desempenho é necessário que os isoladores tenham um formato que assegure uma distribuição balanceada de potenciais, visando tensões de descarga adequadas e que o material utilizado para a sua fabricação seja isolante. Há, portanto, diversos modelos de isoladores de materiais e pesos diferentes, onde os materiais mais usados são produtos cerâmicos, vítreos e poliméricos: Isoladores de suspensão de porcelana; Isoladores tipo bastão; Isoladores tipo pino; Isoladores tipo pilar; Isoladores rígidos; Isoladores roldana; etc. • • • • • •

Figura 2.1 - Diversos exemplos de isoladores. Página: 4

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Função mecânica e função elétrica - Em resumo os isoladores possuem duas funções básicas. A primeira condição é a função mecânica de suportar o peso dos cabos, como o elo de ligação cabo–estrutura. A segunda condição é a função elétrica de garantir a rigidez dielétrica isolando eletricamente um corpo condutor de outros corpos condutores ou outros elementos que estão em potenciais diferentes. Formação de cadeias - Cadeias são conjuntos de elementos isolantes, com respectivas ferragens de fixação, instalados na forma de penca flexível ainda como elementos rígidos. Uma cadeia de isoladores, por exemplo, pode ser formada por uma série de campânulas de porcelana ou vidro ou um de único elemento do tipo polimérico. Na maioria dos casos, as cadeias flexíveis são constituídas discos de vidro ou porcelana vitrificada e polimérica. Junto com suas ferragens são dimensionadas para suportarem as cargas mecânicas transmitidas pelos cabos condutores e as solicitações elétricas das sobretensões que ocorrem numa linha de transmissão. Compondo cadeias, os elementos isolantes podem ser utilizados em qualquer tensão, dependendo apenas do número de isoladores instalados em série. Além das variedades de tipos e classes mecânicas disponíveis, também é possível a montagem de duas ou mais cadeias em paralelo, para esforços mecânicos especialmente altos, grandes vãos ou cabos muito pesados: as cadeias de isoladores podem ser de suspensão ou ancoragem. Tipos de cadeias - As cadeias de suspensão constituem os modelos numericamente mais utilizados em linhas de transmissão e distribuição. Cadeias de suspensão verticais I ou em V são usadas em estruturas onde apenas há suspensão de linhas (torres de alinhamento) ou pequeno ângulo. Cadeias de amarração horizontais são usadas em estruturas de amarração, de ângulo ou fim de linha. As cadeias podem também ser simples ou duplas.

Figura 2.2 - Exemplos de cadeias de isoladores em suspensão.

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Figura 2.3 - Diferença entre cadeias de ancoragem e cadeias de suspensão. Numero de isoladores de uma cadeia flexível - O número de unidades de isoladores que forma uma cadeia flexível depende da tensão. Exemplo: Para a tensão de 138 kV são usados de 6 a 8 isoladores enquanto para linhas de 500 kV são usados de 26 a 32 isoladores. Classificação dos isoladores - Os isoladores mais utilizados podem ser classificados por diferentes critérios: material empregado na construção, constituição, adequação à tensão, quanto ao meio onde é utilizado, etc . Nos interessa neste momento os seguintes critérios: a) Classificação em função da adequação de tensão: A classificação em função da tensão está relacionada com a potência da linha à qual são referidas certas características operacionais do sistema. De acordo com Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, quanto às classes de tensões, os sistemas são classificados em: a) baixa tensão, até 1000 V; b) média tensão, entre 1000 V e 69000 V; c) alta tensão, acima de 69000 V. b) Classificação em função do meio de utilização: O meio onde é utilizado o isolador é outra classificação importante, Os isoladores para serviço em ambientes externos têm forma e constituição diferentes daqueles para ambientes resguardados da intempérie. No primeiro caso, existem alguns tipos com características especiais, para serem utilizados em condições particulares, onde se deseja evitar a de posição de partículas ou elementos que possam modificar sua resistência elétrica superficial. Entre esses se podem citar como exemplo: •

Isoladores com linha de fuga isolada: no qual a linha de fuga é aumentada para a obtenção de um isolamento satisfatório em ambientes muito empoeirados ou salinos. Página: 6

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Isoladores para névoa: projetados para obter isolamento satisfatório em ambientes de névoa intensa. O objetivo fundamental do isolador para névoa é evitar a passagem de corrente do condutor ao apoio.

c) Classificação quanto ao material de fabricação: Quanto ao material de fabricação podemos ter os seguintes tipos. Isoladores de Porcelana - Os isoladores porcelânicos estão entre os componentes cerâmicos mais produzidos para o setor elétrico, no Brasil. As porcelanas são cerâmicas produzidas com matérias-primas naturais e utilizadas na fabricação de uma grande variedade de produtos, para aplicação na indústria eletroeletrônica. Entre os vários tipos de porcelanas, as mais utilizadas como isoladores elétricos são as porcelanas triaxiais compostas por quartzo, feldspato e argila. São à base de porcelana com o recobrimento de uma camada fina e contínua de esmalte vítreo, que contribui para a melhoria das propriedades mecânicas e elétricas, cuja fabricação em porcelana utiliza um método de processo úmido, aluminosa com alta resistência dielétrica e mecânica, inerte quimicamente e com alto ponto de fusão. Toda a superfície deve ser regular, isenta de quaisquer partículas ásperas e vitrificadas com acabamento liso de cor uniforme marrom ou cinza definida no documento de compra. A vitrificação é do tipo compressão, insensível a súbitas mudanças de temperatura, imune aos efeitos de ozônio, poeira ácida ou alcalina. Nestas cerâmicas, as ligações iônicas/ covalentes restringem a mobilidade dos elétrons e as tornam bons isolantes elétricos. Esses isoladores cerâmicos apresentam um bom desempenho na transmissão de energia elétrica em grandes distâncias, porque a porcelana apresenta propriedades adequadas. É um excelente dielétrico e tem boa resistência superficial às intempéries. São inertes e estáveis, podendo suportar considerável quantidade de arcos elétricos sem degradação que comprometa a sua superfície, por causa da capacidade inerente de suportar descargas. Um inconveniente desses isoladores é o fato de suas superfícies serem constituídas de óxidos metálicos que possuem alta energia ou alta molhabilidade, podendo ocasionar flashover. A localização de isoladores danificados se torna problemática quando os isoladores de porcelana perfuram, sem quebrar, dificultando sua localização por parte das equipes de manutenção.

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Figura 2.4 - Exemplo de isoladores de porcelana. Isoladores poliméricos - Os isoladores poliméricos são elementos recobertos por uma camada de materiais poliméricos. Dentre os mais utilizados em linhas de transmissão estão o silicone, etileno-propileno-dieno (EPDM). Um núcleo de fibra de vidro reforçada é envolto pelo revestimento polimérico, composto tradicionalmente de EPDM ou silicone, dotado de aletas para aumentar a distância de escoamento. São empregados em sua maioria, para isolação de linhas de transmissão de altas ou baixas tensões, mas podem ter inúmeras aplicações em engenharia elétrica. Nos EUA são utilizados isoladores poliméricos para alta tensão há trinta anos. No Brasil algumas empresas produziram este tipo de componente, mais recentemente. Para moldar os materiais poliméricos nos isoladores o método mais utilizado e a vulcanização. Esse processo constitui em aquecer o polímero a altas temperaturas, na presença de enxofre ou óxidos metálicos (alguns polímeros sintéticos demonstram melhores resultados com vulcanização com óxidos metálicos). A vulcanização produz a formação de ligações cruzadas nas moléculas do polímero individual, responsáveis pelo desenvolvimento de uma estrutura tridimensional rígida com resistência proporcional à quantidade destas ligações. O receio na utilização de isoladores poliméricos é pela menor resistência à degradação por intempéries. Muitas técnicas têm sido usadas com sucesso para detecção de isolamentos poliméricos defeituosos em serviço, como inspeção visual, medição de campo elétrico, detecção de corona, termografia infravermelha, avaliação de hidrofobicidade e detecção de ruído acústico.

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Figura 2.5 - Exemplo de isoladores poliméricos. Isoladores de vidro: Na atualidade, existem vários tipos de isoladores de vidro. Os isoladores de vidro são feitos em sua maioria de vidro do tipo soda-lime-silica, que são vidros cujos reagentes básicos são a sílica (SiO4), o óxido de sódio (Na2O) e óxido de cálcio (CaO). São fabricados para utilizações em média (1 kV a 69 kV), alta (69 kV a 500 kV) e extra alta tensão (maior e inclusive 500 kV), para linhas de corrente contínua e corrente alternada, em diversos modelos. Com o intuito de aumentar a dureza do vidro, este passa por um processo de têmpera que consiste basicamente, em após a solidificação do vidro, submetê-lo a um choque térmico, fazendo-o resfriar rapidamente, causando a solidificação da parte externa muito rápida, deixando-a sob compressão e seu interior sob tração. Há também tipos especiais de isoladores de vidro, inclusive para locais sujeitos a poluição muito severa. Estes isoladores possuem uma alta durabilidade, mas podem ter sua vida útil reduzida pelas condições de trabalho.

Figura 2.6 - Exemplo de isoladores de vidro temperado. Página: 9

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Figura 2.7 - Estrutura interna dos isoladores de vidro. Especificamente, os isoladores de vidro possuem uma vida útil relativamente longa, podendo chegar a 40 anos ou mais. A localização de isoladores danificados é facilmente realizada por inspeção visual, quando a cadeia é composta por isoladores de vidro temperado, pois seu dielétrico explode quando falham, tornando-os visualmente fáceis de localizar.

Figura 2.8 - Diversas formas de aplicação dos isoladores de vidro. Os isoladores de vidros são compostos basicamente por 3 partes: o pino de suporte, o dielétrico ou saia, e a pino de interligação ou mais precisamente: 1- Cupilha tipo R de latão ou aço inoxidável; 2- Campânula de ferro maleável ou aço inoxidável; 3- Cimento aluminoso; Página: 10

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4- Dielétrico de vidro temperado; 5- Pino de aço forjado zincado por imersão a quente.

Figura 2.9 - Partes principais dos isoladores de vidro.

Figura 2.10 - Isoladores de vidro tipo normal x tipo antipoluição. A tabela abaixo mostra uma comparação entre os tipos de isoladores utilizados, suas vantagens. e desvantagens.

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Tabela 2.1 – Comparação entre os tipos de isoladores Características que definem um Isolador: De acordo com os organismos de normatização, para avaliar os isoladores são estabelecidas características mínimas: a) linha de fuga; b) distância disruptiva; c) distância de corona; d) tensão disruptiva; e) tensão de perfuração. Linha de fuga: É à distância entre as forças condutoras do isolador, nas condições que se estabelecem para os ensaios de tensão disruptiva, medida sobre a superfície do isolador. Distância disruptiva: É a distância no ar, entre as peças de que está provido o isolador, nas condições estabelecidas para os ensaios de tensão disruptiva. Também se denomina distância de contorno. Página: 12

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Tensão disruptiva: Denomina-se também tensão de contorno e corresponde ao valor eficaz da tensão, para qual se produz a descarga disruptiva ou descarga de contorno no isolador, expresso em quilovolts (kV). •

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Descargas Disruptivas (Flashover) - A descarga disruptiva se produz através do ar sob o aspecto de uma faísca ou arco, ou ainda de um conjunto de faíscas e arcos, que estabelecem conexão elétrica entre as peças metálicas do isolador, submetidas à tensão de serviço. Flashover (Descargas Superficiais) - Ou Fenômeno do Flashover que é um arco repentino através do ar, que ocorre nos isoladores para um nível muito elevado de contaminação. Tecnicamente é a ocorrência de arco voltaico entre condutores, ou partes energizadas, e partes aterradas da estrutura de sustentação das linhas de energia elétrica, através das camadas de poluição ou de sais depositados na superfície dos isoladores.

Tensão de corona: É o valor eficaz da tensão, expresso em quilovolts (kV), na qual deixa de ser visível na escuridão, toda manifestação luminosa em qualquer ponto do condutor. É causada pela ionização do ar (efeito corona). Tensão de perfuração: É o valor eficaz da tensão expresso em quilovolts, mediante o qual tem lugar a perfuração do isolante. Compreende a destruição localizada do material produzida por uma descarga que atravessa o corpo do isolador. A escolha dos isoladores adequados para cada fim deve levar em conta, além da freqüência, tensão de serviço e esforços eletrodinâmicos que deve suportar a peça, o grau de contaminação ambiental e de condensação de umidade no local de instalação. A perfuração nos isoladores de vidro ocorre nos afastamentos mínimos entre o dielétrico e as partes metálicas.

Figura 2.11 - Condutividade superficial x descarga disruptiva. Número mínimo de isoladores: O projeto do isolamento elétrico deverá atender ao desempenho planejado para a linha de transmissão ou subestação, nos aspectos Página: 13

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referentes às sobre-tensões de frente lenta, as sobre-tensões de frente rápidas e as tensões de freqüência fundamental. Na definição final do isolamento elétrico da linha de transmissão, deverão ser verificados também, outros aspectos técnicos que poderão afetar os comprimentos dos espaçamentos, tais como, efeito corona, rádio e TV interferência, ruído audível e campos elétrico e magnético ao nível do solo. Os comprimentos dos espaçamentos calculados entre o cabo condutor com seus acessórios e as diversas partes aterradas do suporte deverão ser avaliados quanto aos aspectos relativos à segurança da equipe de manutenção, exigidos para os trabalhos de manutenção em linha viva. O número mínimo de isoladores para a tensão de freqüência fundamental é calculado pela fórmula abaixo: n

=

U s . De d ei

Onde: U s

= tensão máxima de operação, em kV;

De = distância de escoamento específica nominal mínima, d ei = Distancia de escoamento nominal do isolador, em

em mm/kv;

mm.

Para sobre-tensões de frente lenta e de frente rápida, o número de isoladores necessários corresponde à relação entre a distância específica nominal mínima a ser calculada e o comprimento do isolador. Os valores da distância de escoamento específica nominal mínima requerida para os quatro níveis de poluição definidos para esta norma.

Nível de poluição

Distância de escoamento específica nominal mínima - De (mm/Kv-fase-fase)

Sem poluição I =leve II=médio III=alto IV=muito alto

12 16 20 25 31

Tabela 2.2 – Distancia de escoamento específica nominal mínima. Passagem de corrente nos isoladores: A escolha dos isoladores adequados para cada finalidade deve levar em conta, além da freqüência, tensão de serviço e esforços eletrodinâmicos que deve suportar a peça, o grau de contaminação ambiental e o grau de condensação de umidade, no local de instalação. A tendência é a utilização de projetos Página: 14

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com grandes distâncias de contorno, que permitem o funcionamento seguro do isolador ainda que em condições de condensação e deposição de poluentes ao longo do tempo. A passagem irregular da corrente pode ocorrer por qualquer das seguintes causas: a) por condutividade de massa; b) por condutividade superficial; c) por perfuração da massa do isolador; d) por descarga disruptiva através do ar. •

•

•

•

Por condutividade de massa: Condução através da massa do isolador, na forma de corrente de fuga, a qual é desprezível e desconsiderada em função dos materiais que são empregados na fabricação desses. Por condutividade superficial: A corrente de fuga contorna a parte externa do isolador por aumento de sua condutividade, devido à formação de uma camada de umidade, de poluição ou de sais depositados sobre a superfície do isolador. A corrente de fuga pode ser reduzida até limites seguros, quando a superfície do isolador possui perfil adequado, permitindo que o caminho percorrido pela corrente de fuga seja o maior possível. Por perfuração da massa do isolador - Esta situação tem pouca importância nos isoladores para baixas tensões, devido ao fato do material constituinte do isolador ser suficiente para evitar a perfuração. O perigo é maior em média e em altas tensões, sobretudo em isoladores de grande espessura, sendo muito difícil fabricálos de forma a conservarem suas propriedades dielétricas em toda sua massa. Um defeito, em algum ponto no interior do isolador pode provocar a sua perfuração. Com o objetivo de se evitar defeitos e permitir o controle cuidadoso da estrutura durante a fabricação, os isoladores para altas tensões são feitos, em várias peças superpostas de espessuras reduzidas, unidas entre si por uma pasta especial (cimento). Por descarga disruptiva através do ar: Esta situação forma um arco entre o condutor e o suporte através do ar, cuja rigidez dielétrica não é suficiente para evitar a descarga disruptiva pelo ar. A rigidez dielétrica do ar diminui, em certas ocasiões, quando chove, porque os filetes de água de chuva que se desprendem da superfície do isolador adquirem o potencial do condutor, e se encontram em menor distância do suporte que do isolador. Estas descargas podem ser evitadas com um desenho adequado dos isoladores para intempérie. O perfil dos isoladores, quando são submetidos à ação da chuva, se faz com uma ou várias ondulações em forma de campânula, ou seja, o espaço entre o condutor e o suporte é maior, o que eleva, também, a distância dielétrica e, conseqüentemente, aumenta-se o valor de tensão necessária para que se forme o arco.

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Desempenho elétrico da linha de transmissão para sobre-tensão de frente lenta: Para tensões superiores a 345 kV, os espaçamentos mínimos nos suportes, para sobre tensões de frente lenta deverão ser dimensionados de tal forma, que o risco de descarga fase /suporte seja determinado para um período de retorno de 30 anos. Os valores típicos de risco de falha de isolamento sobre-tensões de frente lentas, por ocasião da energização e do religamento da linha de transmissão deverão ser da ordem de 10 -3 pu e de 10-2 pu, respectivamente. Desempenho elétrico da linha de transmissão para sobre-tensões de frente rápida: As linhas de transmissão são dimensionadas de modo a apresentar um índice de desligamentos para 100 km de extensão, por ano, devido à sobre-tensões de frente rápida, que seja compatível com o seu grau de importância quando inserida no sistema elétrico. Como recomendação, os seguintes valores poderão ser tomados como referências: a) Sobre-tensões de frente rápidas de descarga direta: As linhas de transmissão de tensão máxima de operação superior a 69 kV deverão ser dimensionadas, sempre que possível, de modo a estarem isentas de falhas de blindagem, através do posicionamento adequado dos cabos pára-raios. b) Sobre-tensões de frente rápidas de descarga indiretas: Para a linha de transmissão que atravessa regiões de solo de resistividade não muito excessiva, recomendam-se os valores de número de desligamentos. V (KV) Nº desl/100km/ano

69 15

138 10

230 3

345 2

500 1

≤

Tabela 2.3 – Valores típicos de desligamentos c) Valores elevados de desligamentos /100km/ano, em geral, estão associados a altos valores de resistividade do solo, densidade de descargas da região, perfil do terreno, etc. Dependendo da importância da linha de transmissão para o sistema elétrico ou do tipo de consumidor atendido, soluções técnicas de melhoria das resistências de aterramento e aplicação de pára-raios de linha (ZnO) deverão ser implementadas para manter o desempenho da linha de transmissão. Desempenho elétrico da linha de transmissão para tensões à freqüência fundamental: Os espaçamentos mínimos nas estruturas, para suportar as tensões a freqüência fundamental são dimensionados, de tal forma que não haja falha na linha de transmissão para um período de retorno de, no mínimo, 50 anos, na condição de máximo ângulo de balanço.

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3. MECANISMO DE FORMAÇÃO DO FLASHOVER. Os efeitos das descargas atmosféricas em sistemas de energia elétrica sobre o desempenho das linhas de transmissão estão relacionados com a ocorrência de duas formas de incidência: •

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Incidência indireta: Como efeitos originados por descargas indiretas (descargas incidentes nas proximidades do sistema), estas interagem com o sistema mediante o acoplamento eletromagnético entre o canal de descarga e os componentes do mesmo, gerando sobre-tensões induzidas que podem levar à ruptura do isolamento destes componentes. A sobre-tensão provocada por incidência indireta, também conhecida como tensão induzida, é provocada pelo campo eletromagnético que ilumina a linha que transmite a energia, quando uma descarga atmosférica incide nas proximidades do seu percurso. Nestas linhas de transmissão, também associada à onda de tensão induzida, existe uma onda de corrente que trafega pelos condutores da linha. Incidência direta: Como efeitos originados por descargas diretas, que atingem os componentes do sistema, estas podem gerar danos em componentes do mesmo junto a ponto de incidência. Podem, também, ocasionar sobre-tensão e levar à ruptura de isolamento do sistema, quando a onda de corrente trafega por este. Este efeito tem menos freqüência, porém é muito mais severo.

Figura 4.1 - Incidência direta e indireta das descargas atmosféricas. Página: 17

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Figura 4.2 - Fenômeno da onda viajante. O mecanismo de estabelecimento de sobre-tensões em linhas de transmissão por incidência direta nos condutores energizados é o chamado flashover . Quando há incidência nos condutores de blindagem, o rompimento do isolamento pode ocorrer na cadeia de isoladores, após a reflexão da onda de corrente no sistema de aterramento, segundo mecanismo conhecido como backflashover . No caso de incidência nos cabos de blindagem a meio de vão, caso o vão seja muito extenso, pode ocorrer ruptura no ar entre os cabos de blindagem e fase. Apesar de menos freqüentes, as conseqüências de uma incidência direta são altamente severas, podendo promover o desligamento de linhas de transmissão de alta tensão. Com a descarga direta dois tipos de situações podem ocorrer: a.

Backflashover:

Corresponde à formação de um arco elétrico na cadeia de isoladores, devido à incidência de descargas atmosféricas na torre ou nos cabos pára-raios.

b.

Flashover: Corresponde

à formação de um arco elétrico na cadeia de isoladores devido à incidência de descargas atmosféricas, diretamente nos cabos fase (falha de blindagem). O Fenômeno do Flashover (Descargas Superficiais) é um arco repentino através do ar, que ocorre nos isoladores. O gradiente de tensão necessário para iniciar uma descarga no ar é de 30 kV/cm e como o gradiente médio de tensão na superfície do isolador de alta tensão é menor do que 0,50 kVrms/cm é evidente que, antes de ocorrer à descarga, a distribuição de tensão sobre a superfície do isolador é muito pouco uniforme, e esta não uniformidade aumenta dependendo do tipo do isolador.

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Figura 4.3 - Formação do flashover. Todos os isoladores ao longo de uma linha de transmissão estão sujeitos a um determinado grau de poluição do ambiente. Tecnicamente o flashover é a ocorrência de arco voltaico entre condutores, ou partes energizadas, e partes aterradas da estrutura de sustentação das linhas de energia elétrica, favorecida por um nível muito elevado de contaminação, através das camadas de poluição ou de sal depositados na superfície dos isoladores. Os estudos mostram que a energia da descarga elétrica necessária para causar a falha do isolador é diretamente proporcional ao grau de poluição em sua superfície, quando ocorre um arco voltaico. A presença de camadas condutivas ou parcialmente condutivas, resultantes da poluição, afeta profundamente o desempenho dos isoladores e podem causar "curto-circuito". Quando se chega a um grau de poluição suficientemente intenso, tem-se a condição favorável para gerar um arco elétrico com energia suficiente para causar o flashover, resultando na falha do isolador e conseqüente interrupção do fornecimento de energia. Os contaminantes possuem componentes condutores que influenciam a tensão de crítica flashover , fornecendo em condições úmidas, uma cobertura condutiva na superfície do isolador. O grau de contaminação superficial dos isoladores pode reduzir significativamente a tensão na qual se produz a descarga disruptiva, a qual tira de serviço a linha, conduzindo a cortes de energia não planejados e diminuindo a confiabilidade do sistema. O componente inerte, por outro lado, é a porção do material sólido que não se dissolve, porém, forma uma matriz mecânica na qual as partículas do componente condutivo são incluídas internamente. Se as solicitações de tensão e corrente forem suficientemente altas, as descargas podem estender-se por todo o comprimento da cadeia, antes da extinção e produção da disrupção. A intensidade dos pulsos de corrente de fuga é um bom indicador da condição do isolador e a intensidade de corrente é decisiva para a descarga de arco. O fenômeno de flashover observado nos isoladores elétricos tem um mecanismo relativamente complexo, e representa a conseqüência de um processo indeterminado que acontece em sucessivos estágios, de acordo com uma ordem bem definida.

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Níveis de poluição: Os diferentes níveis de poluição em isoladores elétricos podem ser caracterizados em quatro níveis, segundo a norma IEC 60815: Tabela 1 – Classes de contaminação e caracterização ambiental. •

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CLASSE I - Nível Baixo de Contaminação: Áreas sem instalações industriais; Áreas agrícolas ou montanhosas; Áreas distantes 10 km a 20 km do mar, não sujeitas à névoa salina. CLASSE II - Nível Médio de contaminação: Área com indústrias que não emitem poluentes atmosféricos ou áreas com média densidade populacional e industrial; Áreas com alta densidade populacional e / ou alta densidade de instalações industriais, freqüentemente expostas ao vento e /ou chuva; Áreas distantes da costa (alguns quilômetros) e expostas a ventos marinhos. CLASSE III - Nível Alto de Contaminação: Áreas com desenvolvimento industrial, alta densidade demográfica ou grande cidades; Áreas marinhas, ou não, expostas a tempestades relativamente fortes. Os isoladores submetidos a tempestades fortes, por exemplo, em área com desenvolvimento industrial ou alta densidade demográfica são de classe III, sendo sugerido que os discos distem 25 mm/kV, para que seja evitado o flashover. CLASSE IV - Nível Muito Alto de Contaminação: Áreas expostas à intensa emissão industrial (poeira condutora ou fumaça); Áreas próximas à costa marinha sujeitas à névoa salina e ventos marinhos fortes.; Áreas desérticas com extenso período sem chuva exposta a tempestades de areia, névoa salina e condensação regular.

Deposição e formação de camadas de contaminação: Os sais e poluentes diversos, com o decorrer do tempo vão se depositando sobre a superfície do isolador (maresia, grãos de areia, fuligem, etc.) até alcançar uma concentração elevada. A atmosfera poluída favorece a formação dessa camada constituída por substâncias que, dissolvidas em água, produzem soluções condutoras sobre a superfície do isolador. Umidificação da superfície contaminada: O processo de umidificação, freqüentemente, acontece sob condições de névoa ou orvalho, nas horas iniciais da manhã. Chuva e garoa também podem causar efeito semelhante. A condensação representa um processo lento de umidade durante o qual os contaminantes condutivos podem se dissolver completamente. Enquanto a camada mantém-se seca não há alteração no comportamento dielétrico. Durante um processo de umidificação, onde os sais contidos na camada não sejam removidos, podem ocorrer arcos sobre a superfície, iniciando um processo que pode chegar a uma descarga disruptiva (flashover).

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Figura 4.4 - Normatização IEC/TS 60815. Aumento da corrente de fuga: Quando a camada de poluição torna-se úmida por umidade, chuva, nevoeiro, etc. (na qual os contaminantes sólidos são dissolvidos) a condutividade da camada superficial é estabelecida, sua resistência decresce e uma apreciável corrente superficial de fuga circula sobre a superfície do isolador, entre fase e terra, podendo então fluir, e resultando em aquecimento da camada por efeito Joule. A condutividade inicialmente aumenta, enquanto a temperatura sobe. Formação de bandas secas: A mais importante causa de perturbações nas superfícies dos isoladores é a formação de bandas secas. A temperatura sobe e quando chega a certo valor, a evaporação da água torna-se significativa, então a solução fica supersaturada, geralmente de sais. A camada começa a secar nas zonas com maior dissipação de energia e a condutividade destas zonas baixa rapidamente, até que chega a zero. A distribuição do fluxo de corrente é então modificada e quando uma banda seca completa é estabelecida, a maior parte da tensão aplicada no isolador é então imposta a ela, devido a sua alta resistência. A densidade da corrente é maior em algumas partes, geralmente nas mais estreitas, ou seja, ao redor do pino. Como essas regiões secam mais rapidamente do que o restante, suas resistências aumentam, fazendo com que a potência dissipada no local também aumente. Com isso uma condição de instabilidade se desenvolve e é responsável pela formação de bandas secas ao redor do isolador formando “gaps”.

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Geração de arcos parciais: Como estas bandas secas são isoladas, poderá ocorrer à formação de centelhas através delas, até que aumente em largura, o suficiente para suportar a tensão aplicada. A disrupção existirá se uma das descargas, através das bandas secas, se estender através de toda a superfície úmida do isolador. Por causa da concentração de correntes nos pinos do isolador, haverá algumas bandas secas que suportarão a tensão de pico, até haver a formação de centelhas em uma delas. Quando isso ocorrer, uma tensão maior é aplicada através das outras bandas, que irão descarregar em sucessão. As descargas através das bandas secas usualmente irão se extinguir justamente antes da tensão passar por zero. Os arcos também geram ozônio que é um agente oxidante e causador de corrosão elétrica nos isoladores, agravando o problema. Participação das condições atmosféricas: A descarga por flashover é mais difícil em tempo bom. Se as condições são favoráveis, mais facilmente ocorre o flashover e saída de serviço da linha de transmissão ou equipamento. Uma formação de película úmida contínua, por toda a altura de um isolador muito poluído, é capaz de conduzir corrente e fechar um arco, levando a uma condução espontânea. Em decorrência disso, pode haver a interrupção da passagem de energia elétrica pela linha. A existência de pulsos da corrente de fuga, usualmente precede a fase final da descarga disruptiva ( flashover ) sob poluição. A intensidade dos pulsos de corrente de fuga é um bom indicador da condição do isolador e a intensidade de corrente é decisiva para a descarga de arco. A freqüência e a amplitude desses pulsos crescem quando se aproxima a descarga, portanto o registro dos pulsos decorrentes de fuga é um importante critério para controlar as condições de poluição de um isolador e prevenir iminência de um (flashover.) Se a resistência da parte seca da camada de poluição for muito baixa, os arcos não se extinguem, pelo contrário, aumentam sua extensão ao longo da superfície do isolador. Esse fato, por sua vez, diminui a resistência em série com os arcos, aumentado a corrente e permitindo aumentar ainda mais sua extensão até que toda a superfície do isolador esteja coberta, ocasionando uma descarga disruptiva ( flashover). A corrente na linha é interrompida pela ruptura do ar,ocasionando uma faísca, como ponte sobre esta banda seca e manterá a corrente. O arco leva a corrente em um canal altamente concentrado liberando o calor sob uma forma também muito concentrada. O arco pode estender-se longitudinalmente e, se chega a cobrir uma parte crítica do caminho da fuga, o flashover definitivo será então praticamente inevitável. Saída de serviço da linha de transmissão ou equipamento: A etapa final é a formação do flashover, propriamente dito. Com este problema, o flashover , sendo detectado pelo sistema de segurança, este desligará a rede de transmissão de energia elétrica. Resumindo: A contaminação superficial dos isoladores, pode reduzir significativamente a tensão na qual se produz o flashover , que tira de serviço a linha, conduzindo a cortes de energia não planejados e diminuindo a confiabilidade do sistema.

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4. TÉCNICAS DE LAVAGEM DE ISOLADORES AÉREOS DE

ALTA TENSÃO

Como normalmente é difícil prevenir a deposição de poluição na superfície do isolamento, este deve ser projetado de modo que o seu desempenho sob flashover seja aceitável, mesmo na presença de poluição. Nos casos em que esse objetivo não é atingido, outras medidas, tais como lavagens periódicas, são adotadas. A lavagem de isoladores permite reduzir o índice de defeitos na linha de transmissão, originados pelo acúmulo de poeira, maresia, poluição industrial, monóxido de carbono emitido por veículos, etc. A vantagem é que esta atividade pode ser realizada, seja qual for o terreno ou o ambiente, em linhas energizadas ou desenergizadas, desde que haja utilização de equipamentos adequados e pessoal especializado, conseguindo-se reduzir a corrente de fuga. Nas linhas de menor tensão consegue-se reduzir a corrente de fuga que ocasiona a queima de cruzetas e transformadores. Trata-se de investimento das concessionárias, que obtém retorno através de melhoria nos índices de manutenção. A limpeza do isolador é feita por intermédio de um jato d´água lançado sob pressão na forma de gotículas, na superfície do mesmo. Com este método a lavagem da superfície dos isoladores é de alta qualidade. Quanto maior a pressão do jato d´água acima de 600 psi a lavagem da superfície dos isoladores será de melhor qualidade. Ao realizar esta tarefa com uma pressão do jato d´água acima de 600psi todas as impurezas depositadas nos isoladores é removida. Pela característica dielétrica da água que é pressurizada e lançada em forma de gotículas, a corrente elétrica não é conduzida através do jato para o dispositivo, ou seja, ao bico da pistola injetora que a esta lançando.

Figura 5.1 - Técnica de lavagem de isoladores. Os métodos de lavagem de isoladores exigem salvaguarda de distâncias de segurança entre o bico da pistola e as demais partes vivas energizadas, água com condutividade e pressão adequadas.

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Conhecemos os seguintes métodos de lavagem de isoladores de alta tensão poluídos, em seus respectivos locais de instalação: • • •

Método de lançamento direto por aproximação do operador; Método de lançamento indireto por telecomando; Método de lançamento direto por meio de helicóptero.

Método de lançamento direto por aproximação do operador - Para a realização do serviço de lavagem com este método, o eletricista/motorista deve se posicionar o dentro das distâncias limites recomendadas para cada processo de limpeza. A aproximação pode ser feita por meio de escalamento da própria estrutura ou por meio de guindastes dependendo de cada situação ou da tensão da linha objeto do serviço. Durante a execução da lavagem é preciso aterrar a carcaça e demais parte metálicas do caminhão, através de um conjunto de aterramento provisório. É preciso aterrar o bico da pistola injetora e usar luvas isolantes, para tanto o mesmo deverá utilizar luvas de algodão ou isolantes adequadas à tensão da rede cujos isoladores estão sendo lavados. Para garantir a segurança do operador que segura a pistola à mesma e devidamente aterrada por meio de um fio condutor e uma haste fincada no solo.

Figura 5.2 - Método de lançamento direto por aproximação do operador Por questões de segurança, é feita uma redução da condutividade na água utilizada, procedendo a sua desmineralização ou seja utilizando água desmineralizada. Nos métodos ou equipamentos que adotam pressões mais elevadas a água é lançada na forma de forma de gotículas, na superfície do mesmo. Quando isto acontece, pela característica dielétrica da água que é pressurizada e lançada sob a forma de gotículas, a corrente elétrica não é conduzida através do jato para o dispositivo, ou seja, ao bico da pistola injetora que o está lançando. Página: 24

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Antes de iniciar a lavagem o operador deverá verificar a direção e o sentido do vento e definir a seqüência de lavagem dos isoladores de acordo com o sentido do mesmo. Evitando a assim respingo de água sobre o eletricista que executa a lavagem e sobre os outros isoladores próximos Caso seja notado descargas parciais em uma saia do isolador durante o processo de lavagem, o operador deverá manter o jato d`água na direção da mesma até a sua extinção. Esta tarefa deverá ser supervisionada pelo outro eletricista, componente da equipe de lavagem a fim de se resguardar as devidas distâncias permitidas. Recursos necessários: Tanque depósito para acumulação da água destilada da água de limpeza; Caminhão para transportar equipamentos ou Caminhão tanque com capacidade para 7.500 litros d` água; Pistola de lavagem e mangueira para emissão e direcionamento do jato; Conjunto moto-bomba pressurização da água; Guidauto com cesto aéreo para posicionar o operador; Luvas isolantes; Medidor de resistividade; Conjunto de aterramento; 1 motorista; 1 eletricista operador; 1 auxiliar de eletricista para aterrar equipamento e operar o conjunto moto-bomba. •

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Figura 5.3 - Lavagem direta em linhas de transmissão e subestações.

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Periodicidade de Lavagem - A periodicidade de lavagem de isoladores é função dos níveis de poluição, umidade, e tensão operacional imposta, como também do tipo de isolador utilizado. Distância de segurança - distancia de segurança recomendada entre o bico da pistola e as demais partes vivas energizadas do ponto da instalação a ser lavado de 1,5m para a 15kV e 2,8 m para a de 69kV Principais riscos associados - Esta técnica para recompor o isolamento de linhas e subestações em áreas poluídas, através de jatos d‘água com condutividade controlada é uma intervenção com Linha energizada, e como tal apresenta vários riscos relacionados com: Queda do Eletricista; Choque Elétrico; Indução; Queda de Ferramentas e Materiais; Condutividade inadequada da água. Invasão das distâncias de segurança no espaço de várias partes energizadas; Grau de severidade elevado da poluição dos isoladores a serem lavados. Capacidade inadequada do equipamento de lavagem (comprometimento da pressão). • • • • • • • •

Medidas Preventivas - Além de solicitar a liberação do bloqueio automático do circuito deve-se atentar para as situações específicas da intervenção: Elaborar um planejamento participativo e de condução dos eletricistas, de forma a com a respectiva análise de risco (APR); O pessoal de solo deve manter-se afastado da região abaixo dos locais onde estão sendo realizadas as atividades aéreas; Manter constante supervisão; Antes de intervenção Inspecionar todos os equipamentos, ferramentas, e demais acessórios; Atentar para o cumprimento das distâncias de segurança; Cumprir as técnicas normalizadas do método de lavagem; Controle da condutividade /mineralização da água; Especificação e manutenção adequada do equipamento lavagem. Controle do estado da poluição dos isoladores; Obediência às distâncias de segurança; Providenciar o aterramento temporário dos locais com indução; Inspecionar preliminarmente, de binóculo,em nível do solo e, em caso de dúvida, o mais próximo possível do conector. •

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Método de lavagem direta por meio de helicóptero - Neste sistema de lavagem de isoladores de linhas de transmissão, as operações são feitas de um helicóptero utilizando equipamento especial de lavagem. O equipamento, com 6,3 m de comprimento e até 2000psi de pressão é o de maior alcance de operação atualmente no mercado.

Figura 5.4 - Método de lavagem direta por meio de helicóptero. Método de lavagem indireta com o uso de telecomando - Este método consiste na lavagem dos isoladores em uma instalação elétrica energizada através de um dispositivo com uma pistola injetora fixada em um robô instalado na extremidade de uma lança telescópica não isolada. A pistola que esta fixada ao robô é telecomandada, através de um sistema de rádio – controle. Deve-se se posicionar a uma distancia de segurança recomendada entre o bico da pistola e as demais partes vivas energizadas do ponto da instalação a ser lavada, conforme a tensão da linha ou equipamento objeto da lavagem. O robô tem sobre o seu próprio eixo um giro de projeto. A movimentação da lança telescópica pode ser feita através do controle de um guindauto. A bomba de pressurização da água (água potável) pode ser acionada pelo próprio motor do veículo, através de uma tomada de força que também aciona o guindauto, dispensando assim o uso do motor acoplado à bomba. A água utilizada não precisar ser desmineralizada, com o objetivo de se alcançar uma condutividade de desejada (Exemplo: 30 µs) desde que seja a água potável. O jato d´água é lançado sob pressão elevada na superfície do isolador, sob a forma de gotículas. Não é preciso aterrar o bico da pistola injetora e nem o operador do controle remoto usar luvas isolantes, para tanto o mesmo deverá utilizar luvas de algodão. Outro eletricista deverá executar a tarefa de operar o controle remoto do robô, a uma distância que o permita visualizar e controlar a direção do jato d`água sobre a superfície do isolador. Como aspecto positivo tem-se a redução do risco para o operador, tendo em vista que quem se aproxima da instalação elétrica para executar a lavagem é o robô, que é controlado a distância pelo homem, o qual esta em uma posição segurança e livre de acidentes. Com este método não há restrição de horário para se executar a lavagem pode esta ser realizada em qualquer horário, inclusive o noturno.

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Figura 5.5 - Método de lavagem indireta com o uso de telecomando

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Nota: Este material de treinamento foi elaborado com base na experiência dos autores e no conjunto de informações de outras empresas do setor elétrico, sendo utilizado exclusivamente para efeito de treinamento interno.

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