Tecnicas de Alta Tensu00E3o-Apontamentos (6-02-2015).pdf

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Instituto Superior Politécnicode Songo

TÉCNICA DE ALTA TENSÃO

Curso de Licenciatura em Engenharia Eléctrica

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Preparado por, Eng. Luis Luis Simone Versão L01- 2012

Instituto Superior Politécnico de Songo Apontamentos Apontamentos de Técnica de Alta Tensão T ensão

Apresentação Estemanual tem como objectivo servir de referência para a disciplina técnica de alta tensão do curso de licenciatura licenciatura em engenharia eléctrica do Instituto Superior Politécnico de Songo Retrata de forma clara e simplificada os tópicos do plano temático, dando todas ascondições para que o aluno aluno entenda e pratique os fundamentos fundamentos básicosnecessários básicosnecessários para a análise de sistemas de ALTA TENSÃO Todavia,deixa-se claro ao leitor, que não é um trabalho inédito, mas umacolectânea de assuntos fundamentais que, alguns, foram transcritos da bibliografia citadapara não perder a qualidade e não descaracterizar a escrita do autor e que, outros foramacrescentados e aperfeiçoados para dar uma melhor apresentação didáctica.A bibliografia citada no final, oferece condições ao leitor para aprofundaroutros assuntos de interesse específico sobre a matéria.

O Autor

Eng. Luís Simone

(Material sujeito a alterações sem aviso prévio)Técnica de Alta Tensão

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Instituto Superior Politécnico de Songo Apontamentos Apontamentos de Técnica de Alta Tensão T ensão Índice

Capítulo 1 Aplicação da Alta Tensão Geração e Transmissão de Energia Eléctrica Sobretensões Tensões de Testes ou Ensaios Ensaios com Tensões à Frequência da Rede Ensaios com Tensão de Impulso Atmosférico Atmosférico Ensaios com Tensão de Impulso de Manobra Comutação de Correntes Indutivas Comutação de Circuitos Capacitivos Ensaios com Tensão Contínua Ensaios com Tensão em Baixa Frequência

Capítulo 2 Geração de Alta Tensão Geração de Alta Tensão Contínua Conversão AC Para DC Circuito de Rectificação Rectificação Simples (Meia Onda) Rectificador de Onda Completa Circuitos em Cascata ou Duplicadores de Tensão Duplicador de Tensão com Transformadores Transformadores em Cascata Geração de Alta Tensão Alternada Circuitos Ressonantes Geração de Alta Tensão de Impulso Circuito Simples para a Geração de Alta Tensão de Impulso

Capítulo 3 Medição de Alta Tensão Medição da Alta Tensão de d e Pico com Recurso a Fendas de Centelhamento Eléctrodos Esféricos Eléctrodos de Campos Uniformes Eléctrodos em Haste Voltímetros Electrostáticos Amperímetros em Série com Altas Resistências Óhmicas e Divisores de Tensão Voltímetros Geradores Medição de Alta Tensão de Impulso

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Capítulo 4 Campo Eléctrico Noções Gerais Lei de Coulomb Campo Eléctrico Campo Eléctrico de uma Distribuição Contínua Linhas de Campo Eléctrico Lei de Gauss Fluxo Eléctrico Aplicações da Lei de Gauss a Isolantes Carregados Carregados Distribuição de Campo Eléctrico e Ruptura de Material Isolante Campo Eléctrico em Material Isolante Homogéneo Homogéneo Campos Eléctricos Uniformes Campos Eléctricos em Eléctrodos Cilíndricos-Coaxiais Cilíndricos-Coaxiais e Esféricos Campos Eléctricos em Arranjos Eléctrodos Esfera-Esfera Esfera-Esfera ou Esféra-Plano Esféra-Plano Campos Eléctricos em Dois Eléctrodos Cilíndricos Paralelos Campos Eléctricos em Materiais com Mais de Um Dieléctrico

Capítulo 5 Ruptura em Dieléctricos Gasosos Introdução Factor de Dissipação, Factor de Potência e Permissividade Permissividade Relativa Ruptura em Dieléctricos Gasosos Lei Fundamental dos Gases Processos Processos de Ionização Primeiro Coeficiente de Ionização de Townsend (Α) Segundo Coeficiente de Ionização de Townsend (Γ)

Transição Entre as Descargas não Sustentadas ao Rompimento O Mecanismo de Townsend Mecanismos de Ignição de Fluxo ou Canal Piloto de Electrões A Lei de Paschen Intensidade do Campo Eléctrico de Ruptura (Eb) Descargas Parciais ou Efeito de Coroa Descargas com Polaridade Positiva Descargas com Polaridade Negativa Gases Isolantes O Ar Atmosférico Nitrogénio O Gás SF6

Capítulo 6 Ruptura Ruptura em e m Dieléctricos Sólidos e Líquidos Líquidos Ruptura em Dieléctricos Sólidos Tensão de Ruptura em Cavidades

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Instituto Superior Politécnico de Songo Apontamentos Apontamentos de Técnica de Alta Tensão T ensão Camada de Condensadores Cond ensadores Ruptura em Dieléctricos Líquidos

Capítulo 7 Ensaios não Destrutivos Medição do Índice de Polarização Transformadores Transformadores de Potência Medição da Resistência de Isolamento Envelhecimento Térmico do Papel Isolante Envelhecimento Térmico do Óleo Isolante Métodos Não Invasivos – Globais Globais Furfural (2FAL) Tensão de Retorno – RVM RVM (RecoveryVoltage Meter) Tensão de Retorno VS Grau de Polimerização RVM VS Outros Ensaios Dieléctricos Gerador Componentes do Sistema de Isolamento Isolamento Degradação Térmica Efeito da Polaridade na Localização das DPS Efeito Inverso ( – – ) das DPS com a Temperatura Efeito Proporcional (+) das DPS com a Temperatura Tensão Aplicada CC – “Hy – “Hy-Pot” Ensaios em Capacitores A) Capacitância – Potência Potência Reactiva B) Isolamento Resistência de Isolamento entre Isoladores de Travessia Travessia Levantamento das Características de um Gerador Saturação em Transformadores de Corrente

Capítulo 8 Sobretensões, e Coordenação de Isolamento

Capítulo 9 Concepção e Teste de Isoladores Para Uso Exterior Tipos de Isoladores Solicitações Mecânicas Solicitações Eléctricas Os Isoladores são Produzidos de: Porcelana Vitrificada Vidro Polímeros Suportabilidade Dieléctrica Formação de Arcos Em Isoladores Poluídos Efeitos dos Arcos Sobre os Isoladores Corrosão Atmosférica/Galvânica Corrosão Eléctrica

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Instituto Superior Politécnico de Songo Apontamentos Apontamentos de Técnica de Alta Tensão T ensão Avaliação da Formação de Arcos em Ambiente Tropical Período Húmido Período Seco Operação em Ambiente Poluído Mitigação dos Fenómenos de Poluição Melhorar a configuração Limpeza periódica Aplicação de Gel/Graxa Aplicação de RTV Esmalte Resistivo

Bibliografia

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Capítulo1 Aplicação da Alta Tensão Geração e Transmissão de Energia Eléctrica Os potenciais benefícios da energia eléctrica fornecida a um número de consumidores a partir deum sistema comum de geração foram reconhecidos logo após o desenvolvimento do 'Dínamo', comummente conhecido como o gerador. A primeira central de geração pública foi posta em serviço em 1882 em Londres ( Holborn). Logo em seguida uma série de outros fornecimentos públicos de electricidade foram desenvolvidos em muitos outros países. Os primeiros sistemas produziam energia em corrente contínua e em baixa tensão, mas o seu fornecimento limitava-se a áreas localizadas e fundamentalmente para iluminação eléctrica. As limitações dos sistemas de transmissão DC a baixa tensão tornavam-se cada vez mais evidentes. Por volta de 1890 a pesquisa e desenvolvimento de sistemas de geração e transmissão de energia em corrente alternada chegou a um ponto tal que superaram os sistema de geração e transmissão em corrente contínua A primeira grande central de geração em AC foi posta em serviço em 1890 em Depford alimentando a cidade de Londres situada a 28km de distância e a uma tensão de 10kV Desde a mais antiga central eléctrica até aos dias de hoje percebeu-se que para um aproveitamento económico dos sistemas de produção de energia eléctrica os respectivos sistemas de transmissão deverão funcionar em sistemas integrados e interligados formandosistemas robustos de transporte e distribuição de energia eléctrica. Além disso, as fortes possibilidades de desenvolvimento de centrais de energia hídrica e a necessidade de transportar esta energia por longas distâncias atéaos grandes centros de consumo tornaram-se mais evidentes.O transporte de energia para a alimentação de grandes centros de consumo, quer no contexto de interligação de sistemas ou transferências de grandes massas de energia, levou os projectistas a invariavelmente a pensarem em termos de tensões muito elevadas. A figura abaixo lista alguns dos principais sistemas de transmissão em AC em ordem cronológica de suas instalações A potência eléctrica transmitida por uma linha aérea é proporcional ao quadrado da tensão da linha dividida pela impedância natural da mesma P = impedância natural é de 250Ω , teremos:

V (kV) Eng. Luís Simone

400

700

 2 . Por exemplo para uma linha cuja Z

1000

1200


1500 7


P (MW)

640

2000

4000

5800

9000

Lista dos principais sistemas de transmissão em AC e em ordem cronológica de suas instalações O rápido crescimento dos níveis de tensão nos sistemas de transmissão nas últimas décadas éresultado da crescente demanda por energia eléctrica, aliada ao desenvolvimento de grandes centrais hídricas em locais muito afastadas dos grandes centros de consumo o que leva a necessidade de transporte de energia eléctrica por longas distâncias. No entanto, limitações ambientais sobre a expansão das linhas de transporte de energia resultaram na necessidade de se utilizarem melhor os sistemas de transmissão existentes levando ao desenvolvimento de sistemas de transmissão flexíveis em AC, FACTS FlaxibleAC TransmissionSystems, que consistiram no desenvolvimento de dispositivos semicondutores de potência tais como GTO e IGBT melhorando os sistemas de transferência de potência numa rede eléctrica. Todavia, a transmissão de energia eléctrica pelo mundo fora continua a ser feita maioritariamente através de sistemas de alta tensão alternada (HVAC) e alta tensão contínua (HVDC) por meio de linhas aéreas, cabos submarinos ou sistemas back-to-back Os sistemas HVDC permitema transferência de uma maior densidade de potência, em comparação com os sistemas de transmissão HVAC, permitem também a mitigaçãodas barreiras ambientais impostas e, revelando-se mais económicos e úteis na interligação de sistemas assíncronos.

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A figura abaixo fornece uma ilustração gráfica de como os sistemas de transmissão HVDC se desenvolveram e os respectivosníveis de tensão.

Ilustração gráfica daevolução dos sistemas de transmissão HVDC

Sobretensões Regra geral a tensão do regime normal de funcionamento não constitui perigo para os sistemas de isolamento dos equipamentos de potência mas sim apenas em circunstâncias especiais, como por exemplo em condições de poluição, estas tensões podem causar problemas para os sistemas de isolamento. No entanto, o nível de tensão de funcionamento determina as dimensões do sistema de isolamento que constitui parte dos equipamentos de geração, transmissão e distribuição de energia eléctrica. As sobretensões nos sistemas de energia podem ter origem interna ou externa Sobretensões de origem externa, provenientes das descargas atmosféricas e que não dependem do nível de tensão de exploração, entretanto as sobretensões de origem atmosféricas tornam-se menos severas quanto maior for o nível de tensão de exploração do sistema Sobretensões de origem interna, provenientes das alterações nas condições de exploração, tais como manobra de disjuntores, avarias ou variações bruscas de carga ou nas fontes de geradoras. A magnitude das sobretensões depende do nível de tensão nominal de exploração, do instante em que ocorre a manobra e a complexidade do sistema. Uma vez que a alteração das condições do sistema é geralmente associada a operações de comutação, essas sobretensões são geralmente referidas como sobretensões de comutação. Na concepção dos sistemas de isolamento têm-se em atenção os seguintes aspectos: As sobretensões que o sistema de isolamento deve suportar A capacidade de resposta do isolamento quando submetido a estas sobretensões  

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

O balanço entre as sobretensões eléctricas sobre o isolamento e a capacidade do material dieléctrico deste sistema de isolamento cai no âmbito da coordenação de isolamento e que será matéria de análise no capítulo 8.

Tensões de Testes ou Ensaios Os equipamentos nos sistemas de energia devemsuportar não só tensão nominal (Vn),que corresponde à tensão mais elevada de um determinado sistema, mas também as sobretensõesque surgem durante a exploração do sistema. Consequentemente, é necessário testar os equipamentos durante a suafase de desenvolvimento e antes da colocação do mesmo em serviço. A magnitude e o tipo detensão de ensaio varia de acordo com a tensão nominal do aparelho. Os métodos padrão de medição de altas tensões e as técnicas de aplicação dos respectivos equipamentos quer para tensão alternada, tensão contínua e tensão de impulso de manobra e atmosférica encontram-se descritas nas normas nacionais e internacionais, relevantes. Segundo MORGAN (1988), ensaio em alta tensão é qualquer ensaio no qual ogradiente docampo eléctrico é suficiente para avaliar as propriedades do sistema deisolamento e a suainfluência no desempenho do equipamento.A partir dessa definição os objectivos dos ensaios podem ser vistos de formasimplificada como: Avaliar o sistema de isolamento do equipamento - por exemplo, medição do factor de perdas dieléctricas; Avaliar o desempenho da função a que este equipamento se destina – por exemplo, um transformador de tensão (TT) tem a função de prover a um instrumento (relé, amperímetro, medidor de energia, entre outros) um sinal de tensão, de amplitude reduzida por um factor conhecido. Num ensaio deve-se avaliar o erro que existe na relação de transformação do TT e compará-lo com sua especificação. 



Ensaios com Tensões à Frequência da Rede Para se determinar capacidade de sustentação do sistema de isolamento de um determinado equipamento sujeito à tensão e frequência da rede submete-se o mesmo ao teste 1 minuto sob a frequência de 50Hz ou 60Hz consoante a frequência da mesma rede. A tensão de teste deverá ser maior que a tensão de serviço esperada do equipamento de modo que se simulem esforços acima dos esperados durante o tempo de serviço normal. Para equipamentos somente de aplicação interior deverá ser assegurado um ambiente de teste sem influência da humidade e para equipamentos de aplicação exterior deverá ser assegurado um ambiente de teste com chuva (pior cenário). Ensaios com Tensão de Impulso Atmosférico As descargas atmosféricas quando incidem sobre as linhas de transmissão provocam nestas uma sobretensão e ondas viajantes ao longo das mesmas susceptíveis de danificarem o respectivo sistema de isolamento. A magnitude destas sobretensões atinge, regra geral, centenas de quilovolts, dependendo da performance do sistema de isolamento. Estudos mostraram que as sobretensões de origem atmosférica são de curta duração caracterizadas por uma frente de onda com uma duração na subida até ao pico, de 1,2µs e uma duração, na

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descida até a meia amplitude de 50µs, os valores podem atingir 4 a 5 vezes a tensão nominal. Este tipo de ensaio é maioritariamente empregue em laboratórios quando se pretende determinar mecanismos de disrupção eléctrica em função do tempo.

Basicamente a descarga atmosférica caracteriza-se pela propagação de uma frente de onda de corrente, em micro segundos, que provoca uma elevação de potencial na zona de descarga conforme exemplificado figura abaixo.

Normalmente as descargas atmosféricas atingem o cabo de guarda podendo em determinadas situações, por falha da blindagem da linha, atingirem o cabo condutor. As descargas de maior potencial directas ao cabo condutor são mais nefastas que as descargas no cabo de guarda, dado que as possibilidades de escoamento da corrente de descarga são mais limitadas no cabo condutor. As descargas no cabo de guarda provocam a elevação do potencial no apoio mais próximo. Caso essa elevação de potencial não seja suficiente para ultrapassar a capacidade de isolamento imposta pela cadeia de isoladores, tudo regressa ao normal sem provocar qualquer incidente na linha

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Caso a elevação de potencial no apoio seja de tal forma que provoque a quebra do isolamento (ver I na figura seguinte), é criado um caminho alternativo para a corrente de descarga (ver II na figura seguinte). Nesse momento dá-se o contornamento inverso dos isoladores provocando a circulação da corrente do cabo condutor para o apoio (ver III na figura seguinte), que só se extingue quando os disjuntores nos extremos na linha se abrem. Normalmente estes incidentes estão relacionados com as fracas terras dos apoios e a elevada potência da descarga atmosférica

Ensaios com Tensão de Impulso de Manobra Transitórios de tensão provenientes de alterações repentinas nos sistemas de potência, por ligação ou desligação de circuitos ou por avarias, são denominadastensões de impulso de manobra. Estudos mostraram que as tensões de impulso de manobra desempenham um papel muito importante na concepção e selecção dos sistemas de isolamento no transporte e distribuição de energia eléctrica para níveis de tensão de serviço acima de 300kV. Pelo que as várias normas internacionais determinam que equipamentos com tensões de serviço iguais ou maiores de 300kV sejam sujeitos aos testes de impulso de manobra. As sobretensões de manobra são directamente proporcionais à tensão da rede e, por isso, ao invés das sobretensões atmosféricas que não dependem da tensão da rede, tornam-se o factor de limitação na coordenação de isolamento para redes de tensão, sobretudo mais altas, uma vez que nessas o nível de isolamento entre condutores é melhorado. As sobretensões de manobra são de mais longa duração do que as sobretensões de descargas atmosféricas (uma onda típica tem a forma 250/2500 μs, ou seja, frente de onda de choque, com duração até ao pico de250 μs e a duração de meia amplitude de 2500 μs). A duração dessas oscilações é limitada ao período de funcionamento do disjuntor e é, em geral, inferior a 20ms.

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Instituto Superior Politécnico de Songo Apontamentos de Técnica de Alta Tensão Tem um efeito mais constrangedor para o material (transformadores, cabos, …) do que as

sobretensões devidas às descargas atmosféricas. Os valores podem atingir 2 a 3 vezes a tensão nominal e, excepcionalmente, valores mais elevados.

Comutação de correntes indutivas Quando se estabelecem ou interrompem circuitosindutivos podem produzir-se impulsos de grande amplitude com tempos de subidamuito curtos. Assim, fontes típicas destas sobretensões são o comando de motoreseléctricos e transformadores, a energização de linhas de transmissão. Comutação de circuitos capacitivos Dado que as redes eléctricas são normalmenteindutivas, a presença de capacidades (condensadores ou simplesmente linhas em vazio),constitui um circuito ressonante LC. As manobras produzem então sobretensões de tipooscilatório que podem atingir cerca de 3 pu. Fontes típicas destas sobretensões são acomutação de bancos de condensadores utilizados na regulação da tensão nas redes ecorrecção do factor de potência. Ensaios com Tensão Contínua No passado os ensaios com tensão contínua eram usados apenas para pesquisas científicas. A aplicação industrial limitava-se aos testes de cabos com elevada capacitância, que consumiam elevadas correntes quando testados com tensões alternadas e nos testes de isolamentos

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quando fosse susceptível a ocorrência de descargas internas que levassem a degradação material isolante. Nos últimos anos com o crescente interesse na transmissão de energia eléctrica com recurso aos sistemas de alta tensão em corrente contínua HVDC, um elevado número de laboratórios têm vindo a se apetrecharem com sistemas de geração de tensões contínuas.

Ensaios com Tensão em Baixa Frequência No período em que nos sistemas de distribuição de energia eléctrica eram empregues cabos isolados a papel impregnado eram habituais ensaios com tensões contínuas (DC), com níveis que variavam entre 4 a 4,5V 0. Estes testes permitiam detectar cabos defeituosos sem o risco de causar danos em cabos em bom estado. Com o aparecimento de cabos isolados com materiais de alta capacidade dieléctrica os valores de teste passaram para 5 a 8V 0.

Capítulo 2 Geração de Alta Tensão Geração de Altas Tensões Geralmente geradores de altas tensões comercialmente disponíveis são empregues em laboratórios de alta tensão para testes de rotina de equipamentos tais como; transformadores, isoladores de travessia, cabos, Capacitores, disjuntores, etc. Testes desta natureza deverão ser capazes de confirmar a eficiência e a confiabilidade dos equipamentos testados e, por conseguinte os testes de alta tensão deverão estudar o comportamento do sistema de isolamento sob todas as condições que o equipamento é susceptível de encontrar. As amplitudes e os tipos de tensão de ensaio, que é sempre mais elevada do que a tensão normal ou nominal do equipamento em teste, em regra são determinados por normas nacionais ou internacionais ourecomendações dos fabricantes e, portanto, não há muita liberdade na selecçãodo equipamento de teste em alta tensão. A maiorparte dos circuitos de testes de alta tensão podem ser alterados para aumentarem os níveis de tensão de saída. Por conseguinte,até mesmo a selecção do tipo de rotina de testes de equipamentos deve sempre consideraruma futura extensão das suas capacidades. Geração de Alta Tensão Contínua A alta tensão contínua é utilizada principalmente para trabalhos de investigação científica pura e para testes de equipamentos relacionados a sistemas de transmissão HVDC. Tem aplicação de relevo nos testes de cabos para transmissão de energia em corrente alternada devido a grande Capacitância que estes apresentam o que levaria ao consumo de grandes quantidades de corrente.Emboratais ensaios de alta tensão contínua em cabos para circuitos de corrente alternada sejam relativamente mais económicos, a validadedos mesmossofre influência da distribuição de tensões dentromaterial isolanteo que pode ser consideravelmente

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diferente das condições normais de funcionamento encontradas no terreno quando transmitem potência a baixa frequência. Exemplo para o teste de cabos de alta tensão (de polietileno), os ensaios de alta tensão DC não são mais usados, pois tais testes não podem confirmar aqualidade do isolamento do cabo.Nas normas IEC 60-1 e IEEE 4-1995 o valor da tensão DC de teste é dado pela sua média aritmética

Onde T é o período, f=1/T a frequência de oscilação As tensões de testes aplicadas aos objectos a testar sofrem um desviorelativamente ao valor médio significando a presença de uma ondulação na mesma. A amplitude da ondulação δV é definida como a metade dadiferença entre os valores mínimos e máximos, ou seja

O factor de ondulação é a relação entre a amplitude de ondulação e a média aritmética, ouδV/Vmed. Para tensões de teste este factorde ondulação não deve exceder 3%. As tensões DC são geralmente obtidas por meio de circuitos de rectificaçãoaplicada a tensão alternada AC ou por meio de geradores electrostáticos.

Conversão AC Para DC A rectificação de correntes alternadas é o meio mais eficaz de obtenção de correntes DC. A rectificação monofásica pode ser feita através de simples rectificadoressemicondutores, sempre construídos em Silício, que normalmente não suportamtensões reversas maiores que 2500V, porém, sem apresentar problemas emrelação a conexão destes dispositivos em série até atender a condição desejada Circuito de Rectificação Simples(Meia Onda) Para uma melhor compreensão doscircuitos monofásicos de conversão AC/DC serão vistos a seguir os sistemas de rectificação de meiaonda com suavização de tensão. Será desprezada a reactância do transformador e a impedância dos díodos durante a condução. O Capacitor C será carregado até a tensão máxima V máx, ou seja sempre que V
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Rectificador de meia onda

Representação gráfica tensão e corrente Durante um período T=1/f uma carga Q é transferida para a carga Rl representada por

Onde I é o valor médio da corrente de carga i L(t) e V(t) a tensão DC que inclui o factor de ondulação. Se da equação δV = 0,5(V máx - Vmin) introduzirmos o factor de ondulação, teremos que a tensão V(t) terá a seguinte variação

A carga Q também é fornecida pelo transformador num tempo de condução tc=άT durante

cada ciclo, assim também teremos Q

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Sendo άT
as correntes no transformador e no díodo terão a forma representada na figura acima cujas amplitudes serão maiores que a da corrente contínua i L≈I O factor de ondulação poderá ser calculado exactamente para este circuito baseando-sena rampa exponencial deV(t) durante o período de descarga T(1 - ά). No entanto, paracircuitos práticos asquedas de tensão dentro do transformador e rectificadores devem ser tomadas em conta. Assumiremos que ά = 0. Assim δV será facilmente calculado a partir da carga Q transferida para a carga, ou seja

Esta relação mostra a interacção entre o factor de ondulação, a corrente de carga, a frequência e a Capacitância do sistema. O valor médio da tensão na carga será influenciada por δV mesmo tendo uma fonte constante AC, V(t), e um rectificador sem perdas

Rectificadorde Onda Completa

Rectificador de onda completa No circuito rectificador de onda completa mostrado na figura. No meio ciclo positivo, o rectificadorA conduz e carrega o capacitor comV máx, no meio ciclo negativorectificadorB conduz e carrega o capacitor com 2V máx. Eng. Luís Simone


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Circuitosem Cascata ou Duplicadores de Tensão

Duplicador de tensão

Duplicador de tensão em cascata Tanto o rectificador de onda completa como o de meia onda produzem a saída uma tensão DC menor que a máxima tensão AC de entrada (alimentação). Caso seja necessário produzir tensões mais elevadas recorre-se aos duplicadores de tensão ou associação de rectificadores em cascata. O diagrama esquemático de duplicadores de tensão é dadonas figuras acima. No circuito duplicador de tensão mostrado na figura (a), o condensador C 1 é carregado através de rectificador R a uma tensão de polaridade conforme mostrado na figura durante a fase negativa de meio ciclo Eng. Luís Simone


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A tensão no transformador ao atingir o valor máximo, no semi-ciclopositivo subsequente, o potencial no terminal do condensador C 1 passa a 2V máx. Tanto os rectificadorescomo os condensadores são dimensionados de tal forma que suportem a Tensão de 2V máx

De acordo com a figura acima percebe-se que a ideia é utilizar Capacitorescomo dobradores detensão a fim de se obter uma tensão de saída DCmaior que a amplitude da fonte sinodal deentrada.O procedimento é o seguinte: se os terminais do circuito estão inicialmenteabertos, no primeiro semi-ciclo positivo C’n carrega a V max, e no semi-ciclo seguintenegativo atinge 2Vmax, se, inicialmente o ponto n está aterrado, o capacitorC n étambém carregado com 2V max, no próximo semi- ciclo positivo o ponto n’ atingenovamente V maxe então o C apacitorC’n-s é carregado com V max e assimsucessivamente até o estágio desejado As formas de onda podem ser observadas de forma lógica, de acordo com a figura seguinte

Formas de onda de um dobrador de “n” estágios.

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Deve-se observar que os potenciais dos nós à esquerda oscilam de formasenoidal, respondendo a tensão da fonte de alimentação, os potenciais doscapacitores da direita se mantêm constantes em relação ao terra, e commagni tude de “2V max” cada – observe que somente se soma “2Vmax” por estágio -com excepção de “C’n” que é submetido a no máximo “Vmax”, os diodos devem serproje ctados para suportar no mínimo “2V max” - tensão a qual estão submetidos - e, a tensão obtida na saída, na condição de idealidade, é “2.n.Vmax”.Quando uma carga é colocada nos terminais do gerador, no entanto, essa tensão sempre menor que “2nV max”, pela queda de tensão causada pelacorrente que percorre a carga – “DV0” - e pelo ripple existente – “2.d.V”.Para o cálculo do ripple, supõe-se que uma quantidade de electrões “q” étransmitida à carga pelos capacitores, igual a “q = I/f = IT”,

assim, o ripple deveser igual à somatória da energia transferida por todos os Capacitores a carga,porém, como Capacitores menores seriam submetidos a tensões muito elevadasse a carga fosse rompida, os Capacitores são projectados para serem todos iguais.A queda de tensão “DV0” pode ser analisada considerando a queda doprimeiro estágio, “n”. Supondo que os elementos de circuit o são idéias, “Cn’carregará com “Vmax”, mas devido a descarga desse

CapacitorCn será carregadocom

Onde “n.q” é a descarga do capacitor . Da mesma forma, “Cn” carrega “Cn-1”, que estásujeito

ao mesmo efeito de descarregamento. E assim sucessivamente, de forma que, se os Capacitores tiverem a mesma Capacitância as quedas de tensão através de cada estágio será aproximadamentesabendo que “q = I/f”, encontramos:

Apesar de os menores Capacitores serem responsáveis por todo o “DV 0” como no caso do ripple, Capacitores no valor de “C n’” são usados porconveniência, diminuindo “DV n” numa quantidade de “0.5.nq/c” por estágioresultando finalmente em

De onde para casos onde “n” for maior ou igual a “4”, o termo “n/6” pode ser desprezado.

Duplicador de Tensão com Transformadores em Cascata Os circuitos multiplicadores de tensão em cascata do tipo Cockcroft – Walton demonstraram limitações na tensão de saída DC. Esta desvantagem pode ser suprida com a colocação de sistemas de rectificação de onda simples ou completa, cada um tendo a sua própria fonte de alimentação AC.

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Todos os transformadores por estágio são constituídos de um enrolamento primário de baixa tensão, um enrolamento secundário de alta tensão e um enrolamento terciário de baixa tensão onde o último dos quais excita o enrolamento primário do próximoestágio superior Como nenhum dos enrolamentos secundários de alta tensãotem o potencial referenciado á terra,é necessárioque se estabeleça um isolamento da tensão DC dentro de cada transformador (T1, T2, etc.).Cada enrolamento de alta tensão alimentadois rectificadores de meia onda. Embora existam limitações quanto ao número de estágiose como os transformadores dos níveis inferiores tem de fornecer energia para os transformadores dos níveis superiores, este tipo de sistema, fornece uma fonte de geração de tensões de ensaios DC económica apresentado factoresde ondulação com valores moderados.

Geração de Alta Tensão Alternada Com, nos dias que correm, a transmissão e distribuição de energia eléctrica é predominantemente em corrente alternada, a forma mais prática de testas equipamentos envolvidos nestes sistemas é por meio de alta tensão alternada. Tornando-se óbvio que a pesquisa de materiais isolantes para redes AC deverá ser feita sob este tipo de tensão. Para tensões de teste inferiores a 300kV, um único transformador é suficiente para este propósito. Entretanto para tensões superiores a 300kV este modelo mostra-se inadequado pois apresenta custos elevados de instalação e de isolamento. A solução passa por ligar vários transformadores idênticos em série ou em cascata

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Representação esquemática de um transformador de teste

Corte transversal de um transformador de teste O enrolamento primário é regra geral de baixa tensão (1kV) com possibilidade de ser subdividido em dois ou mais posteriormente ligados em série ou em paralelo de forma a melhorar a regulação do sistema. O núcleo e um dos enrolamentos do transformador são aterrados

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Representação esquemática de transformadoresem cascata V 1 – Tensão de alimentação; V 2 – Tensão de saída; aa´ - L.V. enrolamento primário; bb´- H.V. enrolamento secundário; cc´- enrolamento de e xcitação; bd – enrolamento de medição (200 to 500); g – suporte isolador;V - Voltímetro

Na figura acima o primeiro transformador encontra-se aterrado, o Segundo transformador encontra-se suspenso em isoladores e ao potencial V 2 (saída do primeiro estágio), o enrolamento de alta tensão do primeiro estágio está ligado ao tanque do segundo transformador

Circuitos Ressonantes Estes circuitos surgiram para colmatar o efeito negativo da ressonância susceptível de aparecer nos circuitos de teste. Se considerarmos um circuito de teste a um estágio e com um capacitor como objecto de teste, o respectivo circuito equivalente será:

Onde (r 1 + jωL1) as impedâncias do regulador de tensão do primário do transformador, ωL representa a impedância shunt do transformador, geralmente maior que L 1 e L2, podendo ser

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desprezado (r 2 + jωL2) representa a impedância do secundário do transformador e, 1 /ωC representa a impedância da carga. Se por hipótese ω(L 1 +L2) = l/ωC é alcançada a condição de ressonância que poderá ser extremamente perigosa para a fonte de alimentação pois valores instantâneos de tensão na ordem de 20 vezes poderão ser alcançados

Admitindo que poderá ocorrer uma ressonância no circuito de tal modo que ,L L  1/ C. Nestas condições a corrente no objecto de teste será elevada e somente 

1



2





limitada pela resistência do circuito. A magnitude da tensão no objecto de teste será dada por

Onde R é a resistência série total do sistema

Com regulação de frequência (Para minimizar fenómenos da ressonância)

O sistema comporta um conversor de frequência que alimenta o enrolamento de baixa tensão de um transformador, uma indutância equivalente L n que representa o somatório de todas indutâncias do sistema, uma Capacitância C t, que representa o somatório de todas as Capacitâncias do sistema incluindo o objecto de teste e as Capacitâncias para o ajuste da frequência, cuja mesma será;

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A indutância nominal Ln será seleccionada de acordo com a Capacitância nominal C n = C t que representa a maior Capacitância possível de testar submetida a tensão máxima V = V n do circuito e sob a frequência nominal f n, que será a menor frequência do sistema. Da equação acima obtêm-se:

Outro critério para a selecção da indutância nominal Lné com base na corrente nominal I = I nque sobreaquece a bobine ou satura o núcleo do transformador. Uma vez que as perdas óhmicas são pequenas tal que R << ωLn estas poderão ser desprezadas assim a corrente I nserá resultado da queda de tensão na indutância Lnque será aproximadamente o valor nominal V n, ou do facto de que em todos os ciclos a energia magnética armazenada na indutância ser igual a energia eléctrica na Capacitância de teste C ta ssim

Para objectos de teste cuja Capacitância C t é diferente de C n a respectiva frequência será também diferente de f n, tal que

Para situações em que Ct ≤ Cn, a indutância L n poderá ser submetida à tensão máxima do

sistema Vn, a relação das correntes será

Para situações em que C t> Cn, o circuito merecerá alguma atenção na sua aplicação, onde se a tensão V = V n deverá se reduzida de tal forma que a corrente permaneça no seu valor nominal In. Sendo a corrente I proporcional a tensão de teste vem que

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Limitando I = In podemos obter a seguinte relação

Das relações V/V n, I/In, f/f n, vem

Característica de operação segundo a figura

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Geração de Alta Tensão de Impulso Circuito Simples para a Geração de Alta Tensão de Impulso Dois circuitos básicos de geração de alta tensão de impulso são mostrados na figura (abaixo) onde o capacitor C 1 é lentamente carregado até ao rompimento da fenda de centelhamento G. Esta fenda de centelhamento age como um limitador de tensão em que o tempo da frente de onda é muito baixo e determinado pelo valor da resistência R 1, o valor de R 2 determinará a meia amplitude ou o tempo de cauda. O capacitor C 2 representa a carga ou objecto de teste.

Antes de se proceder a análise faz-se referência ao parâmetro mais significativo no que respeita a geração de alta tensão de impulso, ou seja, a energia máxima armazenada na Capacitância C1. Dado que o capacitor C 1 é maior que C 2 este determina de certa forma o custo do gerador.

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Para o circuito da figura acima (a) a tensão no objecto de teste será dada por

Onde

Substituindo as grandezas vem que

Onde

Para o circuito da figura (b) teremos, a partir da equação geral V(s) com as seguintes constantes

Para ambos os circuitos obtêm-se no domínio do tempo Eng. Luís Simone


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Onde α1 e α2 são as soluções da equação

Ou

Assim, a tensão de saída será o resultado da sobreposição de duas funções exponenciais de sinais contrários. De acordo com a equação (α1 e α2), a raiz negativa resulta na maior constante de tempo 1/α1, comparativamente a raiz positiva 1/α 2. O gráfico resultante é mostrado na figura

Fica evidente a possibilidade de geração de ambos tipos de alta tensão de impulso com base nestes circuitos. Todavia pode-se assumir que estes circuitos são similares, podendo diferir no rendimento, ou seja

Onde V pvalor de pico da tensão de saída, como indicado na figura acima. O mesmo pode ser calculado começando por definir o tempo máximo para que V(t) atinja o seu valor de pico tmáx a partir de dV(t)/dt=0. V 0 tensão na fonte.

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Substituindo em (η) teremos

Para ambos circuitos as diferenças dos respectivos rendimentos provem do valor de k=R 1C2 Para a figura (b) teremos

Para C2≤C1 e α2≥α1 vem que

Substituindo em (η) vem que

Esta equação evidencia o facto de C 1 ter que ser maior que C 2 Para a figura (a) teremos, substituindo α1 e α2 partindo e da relação R 1/R 2 = f(C2/C1)

Geralmente os valores de C 1 e C 2 são conhecidos de fábrica, sendo necessário o cálculo das resistências R 1 e R 2, para circuito da figura (a)

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Para o circuito da figura (b)

Note que em todas as equações está presente a constante de tempo 1/α 1 e 1/α2, dependem da forma de onda. Para determinadas formas de onda é válida a tabela

Devido a dificuldades construtivas os circuitos são simplificados de tal forma que têm-se em consideração uma combinação de uma indutância total com as Capacitâncias C 1-C2 (figura abaixo) ignorando a posição da resistência de cauda, pois esta tem pouca influência. Assim

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Onde

Circuitos em Cascata A obtenção de alta tensão de impulso com recurso a um único estágio mostra-se economicamente inviável, daí o recurso aos circuitos multiestágios sugeridos por MARX que consiste num arranjo de condensadores em paralelo submetidos a uma carga através de resistências óhmicas e posteriormente descarregados em série através de fendas de centelhamento

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Na figura os condensadores C’1 são carregados através de resistências de ca rga R’ e de descarga R’2 ( onde R’>>R’2).A pós findo o período de carga os pontos A, B, … F estarão ao potencial da fonte de alimentação ou seja (- V) e os pontos G, H, …N estarão ao potencial da

terra (a queda de tensão em R´ 2 durante o processo de carga é desprezado). O processo de centelhamento do gerador tem início em G 1 ao que se seguem todas as restantes fendas de centelhamento. Ou seja, quando a primeira fenda conduz o potencial no ponto A passa de -V para 0 e por conseguinte o potencial em H passa para +V. Uma vez que o potencial em B permanece -V, uma tensão 2V aparecerá no ponto G 2 causando a condução desta fenda elevando o potencial do ponto I para +2V criando uma diferença de potencial de 3V na fenda G 3 se mais uma vez assumir-se que o potencial em C permanecerá em -V o que na prática é pouco provável. O processo de centelhamento continua até que o ponto N atinja a tensão 6V ou nV, onde n é o número de estágios. Este facto ultrapassa-se assumindo a existência de Capacitâncias C´, C´´, C´´´ onde C´ (capacitância entre o 1º e 2º estágio), C´´ (capacitância da fenda de centelhamento), C´´´ (capacitância entre 1º e o 3º estágio). Depois de algumas simplificações teremos

Assim a tensão na fenda G 2 será

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Capítulo 3 Medição de Altas Tensões A medição de altas tensões alternadas, contínuas e de impulso, envolve problemas ou aspectos não usuais na indústria eléctrica, que vão crescendo à medida que o nível de tensão aumenta. A escolha do método para medição de altas tensões dependerá de entre outros aspectos do nível de tensão, das condições construtivas, do meio envolvente, do valor a medir (valor de pico, valor médio, valor médio quadrático), etc. Medição da Alta Tensão de Pico com Recurso a Fendas de Centelhamento Eléctrodos Esféricos Dois metais esféricos adjacentes de igual diâmetro cuja separação é limitada formam fendas de centelhamento para medir altas tensões DC ou AC. O processo baseia-se na teoria de ruptura de gases dieléctricos (a abordar no capítulo 5)

Fenda de centelhamento vertical 1 suporte e isolador, 2 suporte da esfera, 3 mecanismo de elevação, 4 mecanismo de ligação a resistências em série, P esfera de centelhamento, A distância ao plano aterrado, B Espaço de segurança.

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Distâncias mínimas de A e B em função do diâmetro das esferas

Eléctrodos de Campos Uniformes As dificuldades surgidas na medição de alta tensão por meio de eléctrodos esféricos poderão ser ultrapassadas com recurso eléctrodos de placas paralelas que produzirão campos eléctricos uniformes. A tensão entre as placas é dada por

Onde

T e P temperatura e pressão de teste, T 0 e P0 temperatura e pressão a 20ºC. K/C constante = 45kV/cm2. δ - Densidade relativa do ar, S - cumprimento da fenda em (cm)

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Eléctrodos em Haste

Onde S - distância entre os eléctrodos em (cm), δ - densidade relativa do ar, h - humidade absoluta g/m3. Esta equação empírica é limitada a 4
Onde U0 em (kV) e d a distância entre os eléctrodos em (mm),

Voltímetros Electrostáticos A lei de Coulomb define o campo eléctrico como um campo de forças e como campos eléctricos são produzidos por tensões então a medição destas tensões pode ser relacionada a medição das respectivas forças. Assim teremos

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- permissividade do meio, S - distância entre os eléctrodos, A – área entre os eléctrodos Onde ε

Amperímetros em Série com Altas Resistências Óhmicase Divisores de Tensão A lei de Ohm permite reduzir altas tensões para valores passíveis de serem medidos. O método consiste em colocar um micrómetro em serei com uma resistência R de valor suficientemente alta.

Medição de alta tensão DC e AC por meio de um amperímetro em série com uma resistência, R 1, R 2 divisores de tensão

Voltímetros Geradores Consiste de um eléctrodo de alta tensão que excita um campo electrostático num meio isolante (gás). Um conjunto de eléctrodos aterrados A, G e M estão dispostos de modo que as linhas de campo que neles terminam transportem cargas cuja densidade dependem do gradiente do campo eléctrico (E). Para efeitos de medição é de interesse a densidade de carga em (A) sendo os outros eléctrodos usados para efeitos de regulação. De tal forma que; ζ(a) = εE(a)

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Medição de Alta Tensão de Impulso

Condutor cilíndrico

Após a carga do capacitor C s1 este transfere a sua carga para um segundo capacitor C s2. Sendo Cs2≥Cs1 a tensão de saída V m torna-se relativamente baixa de tal forma que um voltímetro normal possa ser aplicado para a sua medição

Capítulo 4 Campo Eléctrico Como consequência da grande demanda em energia eléctrica, o recurso a sistemas de alta tensão para o transporte e distribuição da mesma tornou-se inevitável, todavia os altos custos envolvidos levaram os fabricantes de equipamentos eléctricos a pesquisarem produtos económicos e tecnicamente viáveis.

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Estas pesquisas só se tornaram possíveis com um vasto domínio das propriedades dos materiais isolantes, da geração de campos eléctricos e do comportamento dos mesmos quando sujeitos a campos electrostáticos. Este capítulo dedica-se a análise do comportamento de campos eléctricos como pré-requisito para perceber o comportamento dos materiais isolantes.

Noções Gerais Lei de Coulomb A lei de Coulomb foi uma lei estabelecida com base nos seguintes dados experimentais: A força eléctrica entre duas cargas tem a direcção da linha que as une, É inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, É proporcional ao produto das cargas, É atractiva quando as cargas têm sinais contrários e repulsivos, quando têm sinais iguais.    

Matematicamente, a lei é expressa através da relação

E ε0 é a permissividade do vácuo = 8,85x10 -12 C2/Nm2

Campo Eléctrico O campo eléctrico é definido pela razão entre a força eléctrica que actua sobre uma carga de prova positiva colocada num determinado ponto do espaço e o valor dessa carga.

Tendo em conta esta definição, facilmente se conclui que: O campo tem sempre a direcção e sentido da força. O campo é independente da partícula de prova, dependendoapenas das cargas que lhe dão origem. O campo existe mesmo na ausência da carga de prova. A carga de prova deve ser tãopequena quanto possível, para quenão interfira no campo que está estabelecido.  

 

Campo Eléctrico de uma Distribuição Contínua Considera-se uma distribuição contínua quando a distância entre as cargas é muito menor do que a distância ao ponto de medida. Para o cálculo do campo eléctrico produzido por uma distribuição contínua de cargas, utilizase o estratagema dedividir o volume total em volumes infinitesimais correspondentesa cargas ∆q

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Nesse caso o campo será dado por:

Na abordagem contínua, surgem conceitos importantes como as densidades de carga volúmica, superficial e linear:

Válidas para distribuições uniformes de carga, de um modo mais geral, ter-se-á

Como exemplo ilustrativo, pode considerar-se o campo eléctrico criado por uma barra carregada:

Linhas de Campo Eléctrico As linhas de campo eléctrico relacionam-se com este da seguinte forma: O vector campo eléctrico é tangente às linhas de campo. O nº de linhas de campo por unidade de área que atravessam uma superfície perpendicular ao campo é proporcional à amplitude do campo nessa região.  

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Propriedades das linhas de campo: As linhas começam nas cargas positivas e terminam nas negativas (ou então começam ou acabam no infinito se a carga total não for nula). O nº de linhas que chegam ou partem de uma carga é proporcional à sua amplitude. As linhas não se cruzam. 

 

Lei de Gauss A lei de Gauss é uma forma alternativa de calcular o campo eléctrico criado por uma distribuição de cargas Fluxo Eléctrico O fluxo eléctrico numa determinada superfície é definido como o nº de linhas de campo que a atravessam. Então, o fluxo eléctrico através de uma superfície fechada vai ser proporcional à carga no seu interior e não irá depender da forma dessa superfície. Comece-se por calcular o fluxo eléctrico numa situação simples – considere-se um campo eléctrico uniforme E, e uma superfície A que lhe é perpendicular. O fluxo vem dado por

Se a superfície não for perpendicular ao campo, temos:

No caso mais geral em que o campo eléctrico varia em redor da superfície tem-se:

E no caso de uma superfície fechada, obtém-se:

Sendo E na componente do campo normal à superfície. A Lei de Gauss fornece uma relação entre o fluxo calculadoatravés de uma superfíciefechada e a carga existente no seuinterior. O cálculo do fluxo através de uma esfera que envolve umacarga Qpositiva vem dado por:

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Na verdade, mesmo que a superfície considerada não seja esférica, o fluxo será igual, uma vez que é proporcional ao número de linhas de campo. Quanto ao fluxo de um campo criado por cargas no exterior da superfície considerada, facilmente se verifica que é nulo. Combinando os dois resultados e admitindo, uma vez mais, a sobreposição dos campos:

“O fluxo através de qualquer superfície fechada é igual à carga no seu interior dividida pela Constante ε”

Nos problemas em que a Lei de Gauss é utilizada, deve ter-se em atenção o seguinte: A superfície considerada não tem, necessariamente, realidade física. Esta é uma abordagem muito útil para casos em que seja evidente um elevado nível de simetria. A escolha da superfície é crucial.  



Aplicações da Lei de Gauss a Isolantes Carregados Calcule-se o campo criado por uma esfera isolante com densidade de carga r e carga total positiva Q. (considere-se pontos no interior e no exterior da esfera).

Calcule-se o campo criado por um fio infinito com densidade de carga linear, λ, constante:

Calcule-se o campo criado por um plano infinito com densidade de carga superficial, s,constante:

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Distribuição de Campo Eléctrico e Ruptura de Material Isolante Por definição a tensão entre dois eléctrodos poderá ser regulada por colocação entre os mesmos de um material de propriedade isolante conhecida E b, cuja distância de separação será dada por d=V/E b

Na figura acima a distância entre os eléctrodos (d) e a densidade do ar permanecem invariáveis. O diâmetro (D) do eléctrodo cilíndrico é variável conforme mostra a figura. Por conseguinte duas intensidades de campo eléctrico serão definidas que será a intensidade máxima do campo (Emáx) na extremidade do eléctrodo e intensidade média do campo dada por (Emedio=V/d), donde resulta a eficiência da intensidade do campo eléctrico

Se a ruptura do dieléctrico é causada apenas por (E máx) então a tensão será dada por:

Esta equação ilustra o conceito de factor de eficiência da intensidade do campo eléctrico. Dado que 1 ≥ η ≥ 0 para qualquer distribuição da intensidade de campo eléctrico, fica evidente que para campos não uniformes a tensão de ruptura será inferior.

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Campo Eléctrico em Material Isolante Homogéneo A maior parte do material isolante aplicado na indústria é de carácter homogéneo e de propriedades isotrópicas, isto é, o vector campo eléctrico (E) é paralelo á distância (d) e a permissividade (ε) do meio será uma grandeza escalar que relaciona (d) e (E) onde d=εE. Campos Eléctricos Uniformes O uso de placas paralelas para criação de campos eléctricos uniformes traz consigo problemas tais como o surgimento de campos eléctricos infinitamente grandes nas respectivas bordas ou quinas. Na análise destes problemas torna-se imperioso o recurso a sistemas tridimensionais quando se está na presença de placas circulares. ROGOWISK propôs a análise destes campos com recurso as equações de MAXWELL, tal que,

Onde Z e W são as coordenadas dum plano tridimensional, substituindo (z = x + iy) e (w = u + iv) e separando a parte real da imaginária teremos

Estudos mostraram que para duas placas paralelas infinitas dispostas ao longo do plano W as respectivas linhas de campo estarão distribuídas ao longo do plano Z de tal forma que

O módulo de (Ez) será dado por

Ou

Onde

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Depois do cálculo da intensidade de campo temos de coordenar esta intensidade com as dimensões reais e a tensão aplicada utilizando um factor de escala E w . EW = U/(υ2- υ1) ou EW = U/(ν2- υ1) Onde υ1, υ2 , ν1e υ2 são

as linhas equipotenciais dos eléctrodos. A intensidade do campo

eléctrico será

Ez = |Ez|.Ew[kV/cm] Campos Eléctricos em Eléctrodos Cilíndricos-Coaxiais e Esféricos Secções transversais de eléctrodos cilindros coaxiais e esféricos são apresentadas nas figuras abaixo. Tendo como referencia os eixos centrais do cilindro e da esfera a distribuição do campo eléctrico será sempre simétrica. Nos dois casos a intensidade do campo eléctrico (E) será radial aos eixos e depende unicamente da distância (x). Se uma tensão (V) é aplicada aos eléctrodos, o cilindro é uniformemente carregado por unidade de comprimento (Q/l) e a esfera por uma carga Q. Pela lei de GAUSS a intensidade do campo eléctrico será dada para um cilindro coaxial

Cili ndro coaxial

Para uma esfera coaxial

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Esfera coaxi al

Como a intensidade de campo eléctrico é máxima para x=r 1 e x=R 1 respectivamente para o cilindro e esfera teremos Para um cilindro coaxial

Para uma esfera coaxial

Para um arranjo laboratorial como mostra a figura abaixo onde tem-se um cilindro com terminação esférica teremos a relação (na prática temos como exemplo um bushing e sua terminação)

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Campos Eléctricos em Arranjos Eléctrodos Esfera-Esfera ouEsféra-Plano Na prática o arranjo esfera-esfera é empregue na medição de alta tensão (esferas de centelhamento) sendo que o arranjo esfera-plano é mais empregue no estudo de tensões disruptivas.

Na figura acima duas esferas de diâmetros iguais (2R) separadas por uma distância (b) são submetidas a uma diferença de potencial (+V) e ( – V) respectivamente, de forma que a distribuição da intensidade do campo eléctrico será simétrica relativamente a um plano imaginário (P) colocado entre os dois eléctrodos e com uma diferença de potencial igual a(0V). Do arranjo acima onde para uma carga Q 0 aplicada ao centro das esferas

Teremos as seguintes cargas de compensação Q 1 e Q2

Sendo

E

Sendo

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Campos Eléctricos em Dois Eléctrodos Cilíndricos Paralelos A escolha desta configuração de eléctrodospermitirá estabelecer uma comparação com a distribuição de campo obtida entre duas esferas opostamente carregadas como acima tratado. Se dois ou mais condutores cilíndricos estiveremao mesmo potencial com referênciaa terra e afastados de outros condutores paralelos, é formada a chamada configuração de “feixes de condutores”, um sistema extensivamenteaplicado em linhas de transmissão de energia eléctrica em alta tensão.Devido à interacção entre os dois condutores a intensidade de campo eléctrico máximaserá inferior comparativamente a um sistema com um único condutor de forma que o feito corona seja relativamente baixo. Para efeitos comparativos os dois condutores cilíndricos serão carregados com o mesmo valor de tensão e de sinais opostos. Assim a distribuição do campo eléctrico poderá ser calculado assumindo uma carga ±Q /l = ±ρlao longo dos condutores (figura abaixo) onde em qualquer ponto do plano (P) o potencial φp poderá ser calculado pelo princípio da sobreposição. Dado que a intensidade do campo eléctrico é dada por E(r) = ρ/(2Πε r ) onde (r) é a distância até ao

ponto da carga, o potencial será obtido pela integração de E(r)

(k – Constante para as condições de fronteira)

Dada a figura

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Para r 1=r 2= r teremos

Para condutores mais estreitos pode-se determinar a distribuição da intensidade do campo eléctrico para a região de maior densidade de fluxo ou seja entre os pontos B e C. O potencial ao longo desta região com início em B(y=0) é dada pela equação

Onde (A) é uma constante dada pelas condições de fronteira e (S) a distância entre os condutores.

Assim a intensidade de campo eléctrico será dada por

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A distribuição do campo eléctrico é simétrica para Y=S/2. Por conveniência a distância [b=f(a,r)] pode ser expressa em termos de (S), então

A distribuição do campo entre dois condutores pode ser vista relacionando E(y)e a intensidade máxima do campo eléctrico para Y=0

Sendo que o valor mínimo da intensidade do campo eléctrico é alcançado no ponto Y=S/2 a relação Emin/Emáx será

Campos Eléctricos em Materiais com Mais de Um Dieléctrico Grande parte do sistema de isolamento dos equipamentos de alta tensão, exemplo em transformadores de potência, é composta de diferentes materiais isolantes, cuja permissividade (ε) difere de um para outro. A disposição de duas placas paralelas, contendo dois materiais isolantes de permissividade (ε1)e (ε2) representa a configuração mais comum

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deste sistema. Na figura abaixo os vectores de deslocamento D 1 e D2 são iguais e sabendo que D=εEa relação das intensidades dos campos eléctricos será

Dado que a intensidade do campo eléctrico permanece uniforme nas duas camadas, a tensão V ou diferença de potencial entre as duas placas será dada por

Onde d1 e d2 representam as espessuras dos dois dieléctricos. Aplicando a equação (acima) teremos para as duas intensidades de campo eléctrico Para E1

Para E2

Para um cabo coaxial ou um capacitor coaxial com vários materiais dieléctricos impregnados como ilustra a figura abaixo

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Cabo coaxial com diferentes materiais dieléctricos (diferentes valores de permissividade)

Distribuição do campo eléctrico (para ε1r 1 = ε2r 2 = …εnr n = Constante) A respectiva intensidade de campo eléctrico será dada pela equação abaixo

Para X ≤ r n e X ≥ r n teremos consequentemente dois valores de intensidade de campo eléctrico. Sabe- se também que valores máximos de E(X) existirão sempre para X ≥ r n sendo possível manter este valor constante ao longo de todas as camadas de dieléctricos sempre que se verificar a condição εxr x = constante Ainda para o cabo coaxial acima, a capacitância da camada X (desprezando o efeito de bordo) será

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 = ln(2 + 1)/  Na distribuição da tensão total pelas Capacitâncias singulares temos de considerar que cada capacitância tem a mesma carga Q

 = .  = .  A tensão para a camada X

.  =  Cx

 =

 =

εx/ln [

  Cx.  

rx+1 rx

1 =1 Ck

  ].  





ln [ rk+1 /rk] =1

ε k

Capítulo5 Ruptura Em Dieléctricos Introdução Dieléctrico: É o meio no qual é possível produzir e manter um campo eléctricocom pequeno ou nenhum fornecimento de energia de fontes externas. A energiarequerida para produzir o campo eléctrico pode ser recuperada, no total ou em parte,quando o campo eléctrico é removido. Capacitância: É a propriedade de um capacitor ou de um sistema decondutores e dieléctricos que permite armazenar cargas separadas electricamente,quando existem diferenças de potencial entre os condutores. Capacitor: É um dispositivo constituído por dois condutores, cada um tendouma determinada superfície exposta ao outro, separados por um meio isolante. Umadiferença de potencial entre os dois condutores acarreta em armazenamento decargas iguais em intensidade e de polaridades opostas. Os dois condutores sãochamados de eléctrodos. Eng. Luís Simone


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Dieléctrico perfeito: É um dieléctrico no qual toda a energia requerida paraestabelecer um campo eléctrico no mesmo é recuperada quando o campo ou atensão aplicada é removida. Desta forma, possui condutibilidade nula. Dieléctrico imperfeito: É aquele no qual uma parte da energia requerida paraestabelecer um campo eléctrico no dieléctrico não retorna ao sistema eléctrico quandoo campo é removido. A energia é dissipada no dieléctrico, em forma de calor. Absorção dieléctrica: É o fenómeno que ocorre em dieléctricos imperfeitos peloqual cargas positivas e negativas são separadas e acumuladas em certasregiões dentro do volume do dieléctrico. Este fenómeno se manifesta, por si próprio,como uma corrente que decresce gradualmente com o tempo, após a aplicação deuma corrente contínua e constante. Corrente de condução: A corrente de condução através de uma superfície num dieléctrico imperfeito é aquela proporcional ao gradiente de potencial. Ela não depende do tempo durante o qual o campo eléctrico é aplicado ao dieléctrico. Constante dieléctrica: A constante dieléctrica (relativa) de qualquer meio é a razão entre a capacitância de uma dada configuração de eléctrodos, tendo tal meio como dieléctrico, para a capacitância da mesma configuração, considerando-se o vácuo como dieléctrico. Comportamento dos materiais isolantes: Como mencionado, um material dieléctrico é electricamente isolante eapresenta, ou pode ser feito para apresentar, uma estrutura de dípolo eléctrico, ouseja, há uma separação de entidades electricamente carregadas positiva e negativamente, num nível atómico ou molecular. Como resultado destas interacções entre o dípolo e campo eléctrico, os materiais dieléctricos são utilizados emcapacitores. Um capacitor é um dispositivo largamente utilizado em circuitos electrónicos capazes de armazenar cargas eléctricas Capacitância: Quando uma voltagem é aplicada através de um capacitor (tipo placa), constituído de duas placas condutoras paralelas de área A separadas por uma distância onde existe o vácuo, uma das placas torna-se positivamente carregada, e a outra negativamente, com o correspondente campo eléctrico aplicado dirigido do terminal positivo para o negativo. Uma carga Q0 é acumulada em cada placa do capacitor e é directamente proporcional à tensão aplicada e a área das placas e inversamente proporcional á distância entre elas

Aqui o parâmetro ε0 é chamado de permissividade do vácuo (ou constante dieléctricado vácuo) é uma constante universal tendo o valor 8,85x10 -12F/m. C0 é acapacitância do sistema cujas unidades são Coulomb por Volt, ou Farads (F). Um material contendo cargas altamente polarizáveis quando colocado entreas placas de um capacitor na presença de um campo eléctrico, influenciaráacentuadamente as cargas que estão entre as placas. Com este material dieléctricoinserido na região entre as placas (como óleo mineral ou plástico) mantendo-se amesma tensão aplicada V, o que acontece então com a capacitância? Algumapolarização

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pode ocorrer no material permitindo um adicional de cargasarmazenadas no mesmo.A variação na capacitância C é o reflexo directo da constante dieléctrica domaterial.

Onde Q é a carga armazenada (em Coulomb) e V é a tensão através doscondutores (ou placas).Assim com o material dieléctrico uma carga maior Q, é acumulada entre as placas,neste caso

εd é a permissividade do meio dieléctrico e será maior em magnitude que ε0.

A relação entre

as Capacitâncias do sistema com o vácuo e com o dieléctrico será

A relação εd/ε0 é a permissividade relativa εr , que frequentemente é chamada constante dieléctrica k, é maior que a unidade, para qualquer dieléctrico ε r >1, e representa o incremento

na capacidade de armazenamento de carga pela inserção de um meio dieléctrico entre as placas. A constante dieléctrica, k, é uma propriedade do material e, deve ser uma das primeiras características a serem consideradas noprojecto de um capacitor.

Factor de Dissipação, Factor de Potência e Permissividade Relativa Existe uma relação entre o factor de dissipação, o factor de potência e a permissividade ou constante dieléctrica. Todos eles dizem respeito às perdas dieléctricas num meio isolante quando sujeito a um campo eléctrico alternado.A permissividade é representada como uma quantidade complexa da seguinte forma: (ε* =ε´ - jε´´) onde ε* é a permissividade complexa, ε´ a permissividade real ou medida e ε´´ é a permissividade imaginária. Na presença de um campo eléctrico alternado surge uma corrente capacitiva e uma corrente resistiva desfasadas a 90º,uma em relação a outra. A soma vectorial destas duas correntes representa a corrente total do sistema e o ângulo entre o vector da corrente capacitiva e a resultante é definido como o ângulo de perdas. Sendo a relação entre a parte imaginária e a parte real da permissividade considerada de tangente de δ (tgδ =ε´´/ε´) , definido como factor de dissipaçãoe representa a perda dieléctrica no meio isolante. O factor de potência será obtido pela determinação do seno do ângulo de perdas (sen δ) O factor de perda dieléctrica prende-se com a incapacidade das moléculas do material isolante de se reorientar quando sujeitos a um campo eléctrico alternado. Esta capacidade é dependente da temperatura, do tamanho das moléculas envolvidas,da respectiva polaridade e da frequência do campo eléctrico.

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O factor de dissipação e a permissividade são afectados de algum modo pelo tamanho molecular, composição e orientação relativa de grupos funcionais dentro das moléculas. Em geral dentro de uma série de moléculas semelhantes, a permissividade aumentará á medida que o peso molecular aumenta. Os factores descritos acima, são características eléctricas de materiais isolantes e podem ser usados para a monitorizaçãoda qualidade dos mesmos relativamente à deterioração por uso e quanto à presença de contaminantes. As propriedades dieléctricas dos materiais isolantes também podem ser medidas e quantificadasno domínio da frequência, ou seja, com tensões alternadas como uma função da frequência. A transição do domínio do tempo para o domínio da frequência pode ser obtidapor meio da transformada de Laplace ou transformada de Fourier. De onde resulta após várias transformações

Ou seja do ponto de vista da susceptibilidade

A parte real representa a capacitância do objecto de teste sendo a parte imaginária representativa das respectivas perdas. Assim o factor de dissipação será dado por;

Ou, para uma condutividade ζ 0 = 0

tg δ = εr ´´(ω)/ εr ´(ω) Na equação abaixo; εr (ω) = 1 + χ’(ω) – j[χ’’(ω) + ζ0/ε0 ω]

Assumindo nula a componente imaginária, teremos para a susceptibilidade χ’(ω) = εr (ω) – 1

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Ruptura Em Dieléctricos Gasosos Lei Fundamental dos Gases A lei fundamental dos gases estabelecida por BOYLE E MARIOTE diz que para uma determinada quantidade de gás a uma temperatura constante o produto entre a pressão (p) e o volume (V) é constante

Se a pressão for constante então os volumes (V) e (V 0) estarão relacionadas as respectivas temperaturas absolutas em KELVIN (T) e (T 0) pela lei de GAY-LUSSAC

Para temperatura expressa em graus célsius

De acordo com a equação (V/V 0) a constante C na equação (pV) estará relacionada a uma temperatura T0 para um dado volume V 0

Substituindo V0 na equação (V/V0) teremos

A razão C0/T0 é denominada constante universal dos gases e é designada de R, assim a equação (acima) ficará

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Numericamente R=8,314Joules/kmol. Se considerar-se n como o número de moles, teremos

Esta equação descreve o estado de um gás ideal, assumido que R é uma constante e independente do tipo de gás. A equação acima pode ser escrita em termos da densidade de gás (N), num volume (V) contendo (N 1) moléculas. Fazendo N 1=NA onde NA=6,02x1023 moléculas/mole (número de AVOGADRO), então teremos

A constante k=R/N A é a constante universal de BOLTZMAN [=1,380410 -23] Joules/k e (N) é o número de moléculas no gás. Se dois gases com volumes iniciais (V 1) e (V2) são misturados á mesma temperatura e pressão, então o novo volume será dado por V=V 1+V2 ou no geral

Combinando as equações acima teremos

Ou

Ou ainda (equação das pressões parciais)

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Onde p1, p2, …, pn são as pressões parciais dos gases 1, 2, …, n As equações acima podem ser deduzidas directamente da teoria cinética dos gases desenvolvida por MAXWELL. A equação fundamental que resulta da teoria cinética dos gases é deduzida assumindo-se que O gás consiste de moléculas esféricas de mesma massa As moléculas estão em movimento aleatório As colisões são elásticas A distância média entre moléculas é maior que os respectivos diâmetros As forças entre as moléculas e as paredes do recipiente são desprezíveis Considere um recipiente cúbico (figura abaixo) de lado (l) com (N 1) moléculas de massa (m) e uma velocidade (u). No plano tridimensional as componentes da velocidade serão u x, u y, u z onde u2= u x2 + uy2 + uz2. Supondo uma molécula de massa (m) movimentando-se no eixo (x) com a velocidade (u x)no instante em que esta colide com o plano YZ é repelida com a velocidade (-u x) de modo que, a variação do momento de inércia será      

Para o cubo acima de lado ( ℓ) o número de colisões por segundo e por moléculaserá dada por (Ux/2ℓ), assim

Entretanto a mesma molécula experimentará na parede oposta uma variação no momento de inércia igual de tal forma que;

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Instituto Superior Politécnico de Songo Apontamentos de Técnica de Alta Tensão Δm/sec/molecule=2mU x2/ℓ

Para um sistema tridimensional obter-se-á a força por partícula dada por:

Sendo a energia cinética de uma partícula dada por

W=1/2mU2, F=4W/ℓ Para N1 partículas a energia resultante de diferentes velocidades (u) será a energia média do sistema de tal forma que

Sabendo-se que a força (F) resultará numa pressão (P) e tendo em consideração a área total do cubo (A=6l2)

Para ℓ3=V (volume), das equações (5.8 e 5.12) tem-se

Comparando as equações (5.12 e 5.1) nota-se que as mesmas são idênticas para temperatura constante e de (5.8) vem

Que resulta na equação da energia média por molécula

Processos de Ionização

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Durante colisões inelásticas uma grande fracção de energia cinética é transformada em energia potencial, causando, por exemplo, a ionização das respectivas moléculas. A ionização por colisão de electrõesem campos eléctricos de maior intensidade representa o maior e o mais importanteprocesso que conduz à ruptura dos gases dieléctricos. A eficácia do processo de ionização por colisão de electrões depende da quantidade de energia que um electrão pode adquirir ao longo do caminho médio livre que este percorre na direcção das linhas do campo. caminho médio livre que este percorre na direcção das linhas do campo de intensidade (E) então a energia ganha ao longo deste percurso será ΔW = eEλ . Para que ocorra a ionização durante a colisão a energia ΔW deverá ser no mínimo igual a energia de ionização da molécula (eV i) Se λ é o valor médio do

Primeiro Coeficiente de Ionização de Townsend (Α) Na ausência da intensidade do campo eléctrico o processo de formação de iões positivos e negativos num determinado gás entra em equilíbrio. TOWNSEND demonstrou que a variação da corrente num gás entre dois eléctrodos formados por duas placas paralelas é função da tensão aplicada entre estes eléctrodos, onde no início a corrente cresce proporcionalmente á tensão aplicada, permanecendo de seguida relativamente constante na magnitude (i0) que corresponde á corrente de saturação e para tensões mais elevadas a corrente (i0) cresce de forma exponencial, como mostra a figura abaixo.

TOWNSEND atribuiu o crescimento da corrente para além de V 2 como resultado do processo de ionização por colisão entre electrões.Os electrões tornam-se cada vez mais velozes á medida que a intensidade do campo eléctrico cresce, até ao ponto de adquirirem energia suficiente para causarem ionização por colisão com as moléculas ou átomos do gás De forma a explicar o crescimento da corrente TOWNSEND introduziu o factor (α) denominado coeficiente de ionização de Townsend definido como a quantidade de electrões produzidos por unidade de comprimento por um electrão ao percorrer o caminho médio livre, na direcção do campo eléctrico. Se assumir-se que (n) é a quantidade de electrões à distância (x) do cátodo na direcção do campo eléctrico (figura abaixo) a taxa de crescimento de electrões na distância (dx) será dada por; dn = αndx

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Integrando em função da distância (d), vem

Onde (n0) é o número inicial de electrões gerados no cátodo. Se (I 0) for a corrente inicial do cátodo então teremos

O termo [eαd)] é designado de avalanche de electrões erepresenta a quantidade de electrões produzidos por um electrão que se desloca do cátodo ao ânodo. O processo de multiplicação de electrões no processo de avalanche é representado na figura abaixo (b) [ Avalanche: Processo cumulativo, pelo qual, partículas carregadas e aceleradas por um campo eléctrico, produzem partículas carregadas adicionais, através da colisão com moléculas de gás natural ou átomos ]

É sabido que para um determinado gás e à temperatura constante a distribuição de energia ΔW depende unicamente de (E/p). E também para uma certa distribuição de energia a probabilidade de ocorrer a ionização dependerá da densidade ou pressão do gás, assim;

Segundo Coeficiente de Ionização de Townsend (Γ) No gráfico da corrente em função da distância entre os eléctrodos deverá resultar uma linha recta de inclinação (α) se para uma dada pressão (p) a intensidade do campo eléctrico (E)

permanecer constante, como mostra a figura abaixo

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TOWNSEND para explicar esta linearidade do gráfico considerou que um segundo mecanismo de ionização estaria a afectar o comportamento da corrente ou seja, primeiro estaria a ocorrer a libertação de electrões por colisão de iões positivos e posteriormente a libertação de electrões a partir do cátodo por bombardeamento de iões positivos. Se considerar-se (n – quantidade de electrões que alcançam o ânodo por segundo), (n 0 – quantidade de electrões emitidos pelo cátodo), (n+ – quantidade electrões emitidos pelo cátodo por bombardeamento de iões), (γ – quantidade de electrões emitidos pelo cátodo por iões incidentes), então;

E

Eliminando n+

Ou para correntes no regime estacionário

A fórmula originária deduzida por TOWNSEND é

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Onde (β) representa a quantidade de pares de iões produzidos por um ião positivo ao percorrer (1 centímetro, na direcção das linhas do campo eléctrico), (α, d, I e I0, primeiro

coeficiente de TOWNSEND, distância entre os eléctrodos, corrente instantânea de ionização e corrente inicial de ionização, respectivamente).

Transição Entre as Descargas não Sustentadas ao Rompimento O Mecanismo de Townsend Á medida que a tensão aplicada entre dois eléctrodos aumenta, a respectiva corrente no ânodo crescerá de acordo com a equação

Ou pela equação ( α/p) e fazendo (E=V/d)

Até que num determinado ponto ocorra uma transição repentina dacorrente de ionização para uma descarga auto-sustentável, ponto no qual a corrente (I) torna-se indeterminada e o denominador torna-se igual a zero, isto é;

Quando esta igualdade se verifica, a quantidade de pares de iões produzidos no intervalo (d) pela passagem de uma avalanche de electrões é suficientemente enorme de modo que os iões resultantes, por bombardeamento do cátodo, criem condições para que se liberte um electrão secundário capaz de causar a repetição do processo de avalancha. Assim a descarga torna-se autosustentada e pode prosseguir na ausência da corrente inicial de ionização (I 0), de tal forma que a igualdade acima citada pode ser considerada de ponto de ignição do processo de avalanche. Para a condição

Significa que a ionização produzida por sucessivos processos de avalanche é cumulativa e que os processos de rompimento são mais acelerados. Para a condição

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Significa que a corrente (I) não é autosustentada, ou seja, na ausência da fonte primária da corrente inicial de ionização (I 0) esta cessa de fluir.

Mecanismosde Ignição de Fluxo ou Canal Piloto de Electrões Com base em experiências laboratoriais RAETHER desenvolveu uma expressão analítica que traduz o critério do mecanismo de ignição fluxo de electrões

Onde (Er ) é a intensidade de campo eléctrico da avalanche de electrões (no interior dos eléctrodos), (E) é a intensidade de campo eléctrico externo aplicado ao sistema figura abaixo

A resultante da intensidade do campo eléctrico na frente da avalanche será obtida por (E + E r ) ao passo que na região de iões positivos a resultante será (E – Er ). Assume-se que é condição para que ocorra a transição da avalanche para o mecanismo de ignição do fluxo deelectrões que as intensidades de campo eléctrico tenham valores aproximados (E≈E r ), assim a equação acima (αxc) torna-se;

O valor mínimo de ruptura pelo mecanismo de ignição de fluxo de electrões é obtido assumindo que a transição de avalanche para ignição do fluxo de electrões ocorre logo que a avalanche tiver completado o percurso (d), assim a equação terá a seguinte forma;

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Por conseguinte a ruptura pelo mecanismo de ignição do fluxo de electrões ocorre apenas quando o percurso crítico é maior ou igual a (d), (X c ≥ d). Da condição , Xc = d, obtêm-se o menor valor de ( α) que desencadeia o mecanismo deignição do fluxo de electrões

A Lei de Paschen A dedução de uma equação analítica para o cálculo da tensão de ruptura para campos uniformes em função da distância entre os eléctrodos e a pressão pode ser obtida, expressando o coeficiente de ionização como função da intensidade do campo eléctrico e da pressão do gás, ou seja;

Obtêm-se

Ou

Para campos uniformes (V b=Ed), onde (V b) é a tensão de ruptura 5.23 Ou

Donde depreende-se que a tensão de ruptura para um campo uniforme é unicamente função do produto da pressão pela distância de separação dos eléctrodos. As equaçõesacima representam a Lei de Paschen. A relação entre a tensão de ruptura (V b) e o produto (pd) está representada na figura abaixo

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Das relações(α(med)/p) e (α(med)d) e sabendo que (V=Ed) resulta no gráfico abaixo

E

Na figura acima (V b/pd) não existe intersecção entre a curva (1) e a recta 4 significando que para valores baixos de tensão não ocorre a ruptura no dieléctrico

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Intensidade do Campo Eléctrico de Ruptura(Eb) Para arranjos uniformes a intensidade de campo eléctrico de ruptura num gás pode ser obtida a partir da equação ( αxc) dividindo a mesma pelo produto (pd) teremos

Da qual depreende-se que para uma pressão constante (p) a intensidade de ruptura (E b) decresce de forma uniforme com a distância (d). E que a intensidade de campo (E b) para uma distância (d) constante cresce com a pressão (p).

Relação entre o coeficiente de ionização (α) e a intensidade de campo eléctrico de ruptura

para diferentes valores de (pd)

Relação entre a intensidade de campo de ruptura (E b) e o produto entre a pressão e a distância entre os eléctrodos (pd).

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Descargas Parciais ou Efeito de Coroa Nas cavidades com intensidades de campos não uniformes é usual o aparecimento de vários fenómenos tais como descargas luminosas e audíveis antes que a ruptura dieléctrica ocorra por completo. Estas descargas são conhecidas como descargas de coroa, responsáveis por consideráveis perdas de potência nos sistemas de transmissão de energia eléctrica em alta tensão, deterioração do sistema de isolamento e interferências nos sistemas de comunicações. O gradiente de tensão na superfície de um condutor no ar necessário para produzir um efeito de coroa luminosoé obtido aproximadamente pela equação (E c/δ), onde (E c) é expresso em [kV/cm], (r) em [cm] e (δ) é a densidade relativa do ar.

O aspecto visual das descargas por efeito de coroa é distinto em função da polaridade da tensão aplicada. Na polaridade positiva aparece na forma de uma bainha branco-azulada ao longo de toda superfície do condutor. Na polaridade negativa aparece na forma de manchas avermelhadas e brilhantes distribuídas ao longo do condutor, que aumentam com a corrente.

Descargas com Polaridade Positiva Observações mostraram que quando um pulso positivo de tensão é aplicado a uma ponta de eléctrodo, a primeira ionização detectada tem a forma de um filamento, como mostrado na figura (a)

À medida que a tensão cresce o canal de ignição de fluxo de electrões também cresce quer no número de ramificações como no seu cumprimento figura (b) e (c). Entretanto a respectiva velocidade decrescerá á medida que for penetrando regiões de baixo valor de intensidade do campo eléctrico.

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A figura acima mostra a velocidade do fluxo de ignição de electrões para diferentes níveis de tensão

A figura acima representa os vários modos de descarga á medida que a distância entre os eléctrodos aumenta.

Descargas com Polaridade Negativa Para a polaridade negativa aplicada a um arranjo de eléctrodos ponta e plano, sob condições estacionárias, pulsos de corrente fluirãosob forma regular como ilustra a figura abaixo. Esta natureza de pulsos são designados por “ pulsos de Trichel ”, a frequência dos pulsos cresce com o aumento da tensão aplicada e dependem do raio do cátodo, da distância (d) e da pressão (p) no gás. A relação entre a frequência e a tensão aplicada para diferentes distâncias entre os eléctrodos e para um eléctrodo de ponta de 0,75mm de raio é mostrada na figura abaixo

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A figura abaixo mostra a tensão de início de descarga de corona como função da distância de separação dos eléctrodos, para um caso particular de um eléctrodo de ponta de 0,75mm de raio. A curva inferior mostra a tensão de início de descarga com pouca influência da distância entre os eléctrodos. Eventualmente para níveis de tensão mais altos descargas constantes e com brilho poderão ser observadas, mas a zona de transição de pulsos de Trichel para descargas com brilho não está claramente definida, caracterizando-se apenas como uma vasta região de transição.

Para níveis de tensão ainda maior as descargas com características brilhantes persistirão até que a ruptura ocorra.Refira-se que a ruptura do dieléctrico sob polaridade negativa ocorre para níveis de tensão mais elevados quando comparado com dieléctricos submetidos a tensões de polaridade positiva, excepto para regiões com baixos níveis de pressão, portanto quando o dieléctrico é submetido a uma tensão alternada a ruptura dieléctrica para campos não uniformes ocorre invariavelmente no meio ciclo positivo da onda de tensão.

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Gases Isolantes O Ar Atmosférico As características isolantes do ar atmosférico variam com a humidade relativa.Quando seco suas, propriedades se aproximam muito com as do vácuo. Nasproximidades de um condutor sujeito a uma diferença de potencial o ar se ioniza,resultando em gás condutor. Se a renovação do ar não se efectuar ou se a diferençade potencial crescer, rapidamente o poder dieléctrico do ar poderá ser rompido,causando assim uma perfuração do isolamento. É o ar o isolante natural, entre oscondutores de uma linha aérea, fora dos apoios. Nitrogénio É um gás de elevada estabilidade química, bom poder dieléctrico. É utilizadopara manter a pressão interna dos tanques de transformadores, reactores e outrosequipamentos, acima da pressão atmosférica e dessa forma evitar a penetração de humidade. Dada sua elevada estabilidade química é pouco reagente, não afectando,pois, os demais meios isolantes. O Gás SF6 Sintetizado pela primeira vez no ano de 1900, em Paris, teve suas pesquisaspara aplicação industrial iniciadas em 1937. Em 1939, o uso em cabos e capacitoresfoi patenteado. Pesquisas para sua utilização como meio interruptor são de 1950 eequipamentos blindados e isolados à SF6 surgiram a partir de 1970.O SF 6 gás é um dos gases de maior densidade (6,16 kg/m³), quase 5 vezesmaior que a do ar. É um gás incolor, inodoro, não tóxico, quimicamente inerte eestável e não inflamável. O gás apresenta propriedades térmicas e eléctricas notáveis: Elevada rigidez dieléctrica: a 1 atmosfera, é mais que 2 vezes a do ar ou do nitrogénio, e a 3 atmosferas é igual ao do óleo isolante. Alta eficácia como supressor de arco: comparativamente ao ar é 10 vezes mais eficiente, num tempo 100 vezes menor. Produz enorme redução do número de electrões livres (grande afinidade electrónica do flúor), restabelecendo a rigidez dieléctrica. 





Quanto à decomposição do SF6, tem-se que: Após arco o gás SF 6 tem grande capacidade de recombinação: SF6 _ S + 6F No entanto ocorre decomposição acima de 500ºC e principalmente sob arcoeléctrico. Os principais subprodutos são gasosos e sólidos. A presença de humidade e os compostos ácidos (HF).  

Ahumidade no gás SF 6 pode ser proveniente de:    

Permeabilidade da água através de o’rings;

Difusão através de vazamentos; Difusão através da micro-porosidade do alumínio; Absorção de água pelos materiais orgânicos (graxas, haste de accionamento, isoladores poliméricos).

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Capítulo6 Ruptura em Dieléctricos Sólidos e Líquidos O rompimento dos dieléctricos é uma grande preocupação no caso de equipamentos de alta tensão. Eles são responsáveis pelo desgaste dos sistemas de isolamento, e indicadores de possíveis defeitos futuros, não deixando de se levar em conta um defeito mais grave. Ruptura em Dieléctricos Sólidos Os materiais sólidos para além de providenciarem um isolamento das partes condutoras (activas) dos circuitos eléctricos permitem também um suporte mecânico das mesmas. Daí, a grande importância de se estudarem os mecanismos de falha dos dieléctricos sólidos. Porém, mesmo como facto de que foram formuladas várias teorias no século passado tentandoexplicar o rompimento dos isoladores sólidos, essa teoria ainda se encontrabastante crua e não conclusiva. Isso porque, isoladores sólidos sofrem a acção de correntes que, aocontrário dos gases, vêm de várias fontes de polarização, iónica, electrónica e por movimento de dípolos, que é muito lenta, e, essascorrentes não apresentam diferenças do ponto de vista de medição, dificultandoo estudo de cada tipo separadamente. A condutividade nos sólidos em função da temperatura é dada pela equação, onde (A) e (u) são constantes empíricas.

A temperatura é um factor relevante, quando se refere ao isolamento nascerâmicas, principalmente nos vidros, que provavelmente são de origem electrónica ou iónica. Acreditase que a condução dá-se pelo facto de ocorrer injecção de electrões na banda proibida dos átomos do material isolante, através dos portadores nos eléctrodos ou do próprio acúmulo de electrões provenientes da polarização,sendo ejec tados pelo “efeito de emissão Schottky”, permitindo assim, a conduçãoatravés do isolador sólido. Se o material for homogéneo e as condições de temperatura foremrigorosamente controladas, são observadas tensões eléctricas muito elevadas,que surgem com tensões abaixo do limite de isolamento do material isolante, dependentes da tensão aplicada e datemperatura e são conhecidas como forças eléctricas intrínsecas. Isso é explicado,supondo que o stress numa região determinada do dieléctrico é maiorque nas outras

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As descargas por avalanche seguem um processo similar às descargas poravalanche nos gases, isto é, um electrão ou ião livre ganha energia através daacção do campo eléctrico e perde energia na colisão com electrões dos demaisátomos, se a energia absorvida for maior que a perdida nas colisões, e a energiadas colisões for suficiente para retirar electrões das bandas adjacentes de seusátomos, este processo pode desencadear uma avalanche. O rompimento mecânico é característico daqueles sólidos que podem sedeformar significantemente, de forma a alterar a sua configuração mecânica, semque haja uma fractura. Isso acontece devido a que a pressão mecânica exercidasobre o isolante pode ser muito alta, devido a atracção dos eléctrodos. Segundo “Stark e Garton”, a espessura inicial, chamada módulo de Young “Y”, decresce para um valor igual a “d” [m] quando uma tensão de módulo igual a “V” é aplicada de acordo com

a equação;

Onde o primeiro quociente representa as permissividades do ar e relativarespectivamente,“d0” é a espessura inicial de um espécime de material Young,que decresce a uma espessura “d”

depois da descarga. Quando um isolante é percorrido por correntes de fuga, devido apolarização, a condutividade(s) normalmente aumenta com o aumento de temperatura, podendo ocasionardescargas térmicas. Estas descargas são representadas por uma certa instabilidade, ou seja, háuma tendência de desencadear cada vez mais electrões, pois a condução de um electrão aumenta um pouco mais a temperatura formando uma reacção em cadeia.A teoria das descargas eléctricas é explicada sob a teoria de condutividadecalorífica dos materiais, a capacidade de dissipação e o sistema de refrigeraçãode tais sistemas Quando um dieléctrico sólido tem uma falha, como, por exemplo, uma bolha de ar na sua construção, há uma tendência de que sobre essa bolha aintensidade de campo seja aindamaior que no dieléctrico em si, sendo uma fontebastante grande de descargas, conhecidas por descargas por erosão.

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Tensão de Ruptura em Cavidades

Cavidade num meio isolante sólido e o respectivo circuito equivalente

As respectivas Capacitâncias serão dadas por

A tensão de ruptura na cavidade será dada por

A tensão no dieléctrico que envolve a cavidade e que iniciará a ruptura na cavidade será dada por;

Na prática assume-se que a cavidade tem uma forma esférica, cuja intensidade dos campo eléctrico será, para εr >> εrc;

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Camada de Condensadores Em vários arranjos de sistemas de isolamento existem conexões série de Capacitâncias que originam distribuições não lineares de tensões. Um exemplo típico é a cadeia de isoladores numa linha aérea de transporte de energia eléctrica.

X U

C1

L

Cadeia de suspensão com 5 isoladores singulares A distribuição não linear da tensão tem origem nas Capacitâncias parasitas entre a linha e a terra

Capacitâncias de terra C 1E e de linha C 2L do isolador numa linha de alta tensão

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Circuito equivalente da cadeia de isoladores

Supondo elementos infinitamente pequenosteremos as equações diferenciais

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Com as abreviações

E o princípio de solução

Teremos

Ruptura Em Dieléctricos Líquidos O mecanismo de ruptura nos líquidos é ainda mais obscuro e desconhecidodo que o mecanismo nos gases ou mesmo nos sólidos. Das várias teoriassurgidas através dos anos, muitas são contraditórias, de forma que não se podeainda formar uma teoria conclusiva aos líquidos. Dois ramos de teorias diferentes, no entanto, podem ser citados: umexplica a ruptura dos dieléctricos líquidos como uma extensão da teoria dosgases, baseado na avalanche de electrões ocasionada através da ionização dosátomos causada pela colisão de electrões com muita energia nestes. Esta teoria se mostra razoável para líquidos de extrema pureza, onde a polarização electrónica e iónica. Quando há, no entanto, uma quantidade muitogrande de impurezas, o líquido tende a ter uma corrente crescente com o campo,que depois é estabilizada, e por final, quando o campo aplicado é mu ito elevado,tende a uma instabilidade, ocorrendo daí a “avalanche”. O outro ramo de pensamento tenta explicar fisicamente o comportamentodos líquidos, partindo daí para a explicação das razões e das características dacondução nos líquidos. Muitos cientistas da actualidade têm publicado váriostrabalhos a respeito, mas essa teoria ainda se apresenta bastante incerta.Sabe-se, entretanto, que nos líquidos, existe a ruptura electrónica, e que épreferencial a ruptura térmica. Ela depende, do campo eléctrico aplicado “E”, do“caminho livre” do electrão “λ”, e do quanta de energia “hν” perdido na ionizaçãoda molécula eEλ=chν

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Impurezas sólidas, suspensas nos líquidos também causam rupturasdieléctricas. Isso porque estas podem ter cargas líquidas, e originar avalanches.Uma explicação plausível e aceite, é a de que essa partícula carregada é levadaao lugar onde o campo eléc trico é maior e “grad E” igual a zero. Outras partículassólidas carregadas são levadas a essa região, que por possuir o campo maiselevado, têm um campo praticamente uniforme. Nesse campo, as partículas vãose alinhando, formandocertas “pontes” no dielé ctrico, podendo seguir daí a ruptura do dieléctrico. Um outro tipo de ruptura conhecido como ruptura de cavidade é causadopor inclusões de gases dentro dos dieléctricos líquidos, na forma de bolhas. Essasbolhas causam mudanças na temperatura e na pressão do dieléctrico, dissociaçãode líquidos em sólidos devido à colisão dos electrões e vaporização do líquidodevido as descargas do tipo coroa, nos pontos de irregularidade dos eléctrodos. A equação abaixo representa como esse processo se torna uma descarga

Onde “E0” é a “força de ruptura”, e o quociente é igual à permissividade dolíquido somada e dois.Da equação acima quando “E b” se torna igual ao campo de ionização do gás,descargas

vão ocorrer, podendo causar a decomposição do líquido e levandoassim, ao rompimento do isolante.

Capítulo7 Ensaios Não Destrutivos Muitos testes, são actualmente utilizados pelas empresas detentoras de sistemas de geração, transporte e distribuição de energia eléctrica para a determinação das condições dos sistemas de isolamento dos respectivos equipamentos.Maioritariamente estes testes são em off-line, isto é; com os equipamentos fora de serviço. Refira-se que a resistência de isolamento é uma função do tipo dos materiais empregues, bem como da técnica de aplicação dos mesmos. Em geral, a resistência de isolamento é directamente proporcional a espessura do material isolante e inversamente proporcional a área da superfície do condutor. Segundo Rocha e Ayupe (2010), o isolamento eléctricopode ser modelado como um circuito com quatroramos paralelos, por onde podem circular quatrocorrentes diferentes quando uma tensão é aplicada,conforme figura abaixo. Estas correntes são as correntesde fuga pela superfície (leakage – IL), de capacitânciageométrica (I c), de condutância (I g) e de absorção oupolarização (I a). Estas correntes somadasrepresentam a corrente total que atravessa oisolamento (I t), conforme gráfico abaixo. Arelação entre a tensão aplicada e a corrente totalmedida fornece a resistência doisolamento.

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Circuito equivalente com quatroramos paralelos

Representação gráfica das correntes do circuito equivalente

Medição do Índice de Polarização (IP) A medição do índice de polarização tem por finalidade verificar as condições da resistência de isolamento, medindo o isolamento do equipamento em relação á massa metálica do equipamento. O valor de IP será tanto maior quanto mais limpo estiver o equipamento Para efectuar a medição recorre-se ao uso de um Megger , aplicando-se uma tensão contínua de 2,5kV ou de acordo com a capacidade do aparelho e após 1 minuto R 1 anota-se o valor da resistência. Repete-se a medição e anota-se o valor da resistência após 10 minutos R 10. O índice de polarização é dado pela fórmula IP = R 10/R 1 Índice de Polarização (IP) 1 >IP IP <1,5 1,5 4

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Avaliação do Isolamento Mau Alarmante Regular Bom Muito bom Óptimo


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Transformadores de Potência

Falha prematura de transformadores de potência

Taxa de envelhecimento em função da humidade

Movimento da humidade do óleo para o papel

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Movimento da humidade do papel para o óleo

Movimento da humidade do óleo para o papel

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Medição da Resistência de Isolamento Testes de resistência de isolamento podem ser usados para determinar a integridade de circuitos e cabos em motores, transformadores, chaves de distribuição e instalações eléctricas. O método de teste é determinado pelo tipo de equipamento a ser testado e a razão para o teste. Por exemplo, ao testar-se a cablagem eléctrica ou chave de distribuição (equipamentos de baixa capacitância), as correntes de fuga capacitiva dependentes do tempo e de fuga de absorção tornam-se insignificantes e decrescem a zero quase instantaneamente A resistência de isolamento é variável no tempo. Num processo de medição ela estabiliza antes dos 10 minutos em sistemas mais comuns, como papel e óleo.

A resistência RI, depende da temperatura do isolamento.No caso de transformadores, considera-se que o seu valor cai para ametade a cada 10°C de aumento na temperatura. Os valores geralmente são referidos a 75°C. Relação de Absorção, RA = R 1min / R 15seg Índice de Polarização, IP = R 10min / R 1min A análise de resultados é comparativa, ao longo da vida do equipamento, e dos equipamentos da mesma família. Para transformadores pequenos, o IP é próximo de 1 (IEEE std 62-1995), estudos comparativos entre RI, IP, FP e outros têm sido objecto de análise ultimamente incluindo a humidade. .

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Características dieléctricas em corrente alternada

Factor de dissipação = I r /Ic

Factor de potência cosφ = I r /I Exemplo para δ = 10º → φ = 90 -10 = 80º (tang10º = 0,1763, cos80º = 0,1763) para ângulos

pequenos entre I c e I, o factor de potência é aproximadamente igual ao factor de dissipação. Eng. Luís Simone


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De um modo geral o factor de potência varia com a: Temperatura (os valores são referidos, normalmente a 20°C) Humidade (nem sempre de forma sensível ou conhecida) Frequência (método tang δ vs frequência)   

Envelhecimento Térmico do Papel Isolante Material: Celulose, um composto orgânico polimérico, cujas moléculasconsistem em longascadeias de anéis de glicose (monómeros). A respectiva resistência mecânica é proporcional ao comprimento das cadeias.

O grau de polimerização (GP) mede o número médio de anéis de glicose namolécula.Tipicamente varia entre 1000 e 1400 para um papel novo.Devido aos processos de secagem em fábrica, o GP do isolamento de umtransformador é menor comparativamente a um papel novo e geralmentedetermina-se 800 como sendo o valor mínimo admissível. Para valores entre 100 e 250 considera-se o equipamento no fim da respectiva vida útil. Constituem mecanismos de envelhecimento a hidrólise, a oxidação e a pirólise.

Envelhecimento Térmico do Óleo Isolante Durante a fase inicial de oxidação dos óleos isolantes são formados compostos polares não ácidos, tais como álcoois, aldeídos, cetonas, etc. Á medidas que o processo avança formam-se ácidos e sedimentos. Com a sedimentação, o transformador sofre aquecimento adicional, devido a dois factores: a) Obstrução dos canais de circulação de óleo nosenrolamentos e nos radiadores; b) Isolamento térmico. Para garantir a qualidade do óleo isolante, é comum a adição deinibidores que retardam avelocidade do processo de oxidação, alémda realização de tratamentos periódicos

Métodos Não Invasivos – Globais Furfural (2FAL) O 2Fal é o mais representativo de uma família de furfuraldeídos queresultamespecificamente da degradação do papel. Representa ocomportamento global, a partir da amostra de uma pequena quantidadede óleo do transformador.Há estudos que correlacionam o GP com o 2Fal. A análise inicialmente era feita em função da sua concentração noóleo, com a relação miligramas de (2Fal) / litros de óleo [ppm]. Mais recentemente, a relaçãoconsiderada mais Eng. Luís Simone


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significativa é a concentração de 2Fal com relação àmassa de papel do transformador, ou seja, miligramas de (2Fal) / kg papel [ppm]. Actualmente, o 2Fal é incluído nos diagnósticos de fim-de-vida de transformadores de potência das principais concessionárias. Não se aplica directamente aos casos em que o óleo do transformador tenha sido filtrado ou substituído.

Tensão de Retorno – RVM (Recovery Voltage Meter) Experimentalmente, o processo de polarização de materiais dieléctricos ocorre num dado intervalo de tempo após a aplicação do campo de polarização. Da mesma forma, após a retirada do campo de polarização seguido de um breve curto-circuito, também se observa um intervalo de tempo para ocorrer uma completa despolarização do material. Após o curto-circuito da amostra, inicia-se a despolarização de diferentes mecanismos envolvidos no processo de polarização. Como resultado da soma das despolarizações destes dif erentes mecanismos, é verificado o “retorno” de uma tensão, em função do temp o. Originalmente denominada “tensão de regeneração”, o surgimento desta tensão fez parte de um conjunto de fenó menos descritos como anomalias. Também, denominada de “after -efect”, ou efeito posterior, este fenómeno é ac tualmente conhecido como tensão de retorno, “return voltage”.O processo para realização de uma medida de tensão de retorno compreende três

etapas, representadas esquematicamente pelas posições da chave S no circuito da figura

1. Aplicação de uma tensão de carga (U 0) sobre a amostra durante um determinado período (tc - tempo de carga). 2. Curto-circuito da amostra durante um determinado período (t d tempo de descarga). 3. Medição da tensão de retorno.

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Formas das tensões resultantes durante estas etapas. A tensão aplicada (etapa 1) leva ao carregamento da capacitância geométrica, com consequente polarização do dieléctrico. Do ponto de vista macroscópico, as cargas nos eléctrodos podem ser consideradas compostas de cargas livres e cargas ligadas pelo processo de polarização. Na etapa 2, a retirada da tensão remove o campo aplicado sobre o dieléctrico, e a aplicação do curto-circuito tem por objectivo remover as cargas livres presentes nos eléctrodos do cabo. É iniciado o processo de despolarização do material dieléctrico, resultando numa corrente de deslocamento.A despolarização continua durante o processo de medida (etapa 3) sendo que as cargas previamente ligadas tornam-se cargas livres nos eléctrodos. Devido ao acumular destas cargas livres nos eléctrodos é que torna possível a medição da tensão de retorno O aumento da tensão de retorno com o tempo é o resultado de um decréscimo gradual da polarização, isto é, da relaxação dos dípolos excitados. Sem outras influências adicionais, ocorre um aumento contínuo da tensão de retorno. Com o aumento da tensão, processos de descarga externos devido à condução em componentes resistivos internos ou externos se tornam importantes e levam a posterior redução da tensão de retorno. Então, após alcançar um valor máximo, a tensão de retorno começa a diminuir. As informações directamente obtidas de uma curva de tensão de retorno são: o valor máximo da tensão de retorno (U m) e o tempo para se atingir este máximo (t m). Os valores destes parâmetros possuem uma dependência directa com as características do material analisado, bem como dos valores adoptados para a tensão de carga, tempo de carga e tempo de descarga. A primeira aplicação de medidas de tensão de retorno, RVM “Return Voltage Measurement”, como método de diagnóstico foi na avaliação da presença de humidade no isolamento de papel impregnado com óleo utilizado nos transformadores. Na década de 90 esta técnica começou a ser utilizada como método de diagnóstico preditivo para avaliar a presença de arborescências em água no interior do isolamento de cabos de potência extrudados O isolamento de cabos com arborescências em água apresenta uma resposta dieléctrica não linear, explicada pelas seguintes teorias: As arborescências são formadas por micro-lacunas, contendo água, interligadas por canais delgados de natureza isolante. Quando sob o efeito de campos eléctricos intensos, os 

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diâmetros destes canais são alargados devido à presença de água e tornam-se condutores, resultando em maiores perdas. Tem sido explicado, também, que a tensão de retorno nos cabos isolados em polietileno com arborescência é influenciada pelo aumento da injecção de cargas devido à presença de humidade ou pelo número de transportadores iónicos pré-existentes e deslocamento de carga espacial.

O método de medida de tensão de retorno distingue-se dos outros métodos de diagnóstico que são focados no fenómeno de descargas parciais e na existência de arborescências eléctricas. Como qualquer método novo a medida de tensão de retorno tem evoluído muito em termos de conhecimento e experiência. Comparada com outras técnicas de diagnóstico no domínio do tempo como, por exemplo, medidas de corrente de relaxação, a medida de tensão de retorno apresenta a vantagem de ser menos sensível a ruídos, o que é um importante factor para medidas em campo

Exemplo Para se comprovar a eficiência do processo, foi utilizado um transformador de 345kV, 133MVA de fabricoIEBB, com valores de humidade de papel inicialmente de 2,09%, medidos através do RVM. A intenção era efectuarum processo de secagem suficientemente lento de forma a permitir que a humidade contida no isolamento sólido fossetransferida para o óleo isolante, auxiliada pela temperatura de operação do transformador, quepermaneceria em operação. A entrada de óleo para o sistema de filtragem foi feita a partir da válvula inferior e o retornopela válvula superior. O vácuo foi aplicado em todo o sistema (filtros, mangueiras e bomba de óleo). .

Ensaio de RVM inicial, antes do início do processo de secagem

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Ensaio de RVM final, depois do processo de secagem

Antes Depois

tc 98,35 260,56

Urmáx (V) 217,48 121,5

H2O (%) 2,09 1,6

Tcrit (ºC) 84,7 95

O resultado final de RVM mostra que o valor de humidade da parte activa decresceu de 2,09 para 1,6% e apresenta-se uniformemente distribuído pelo isolamento, comprovando a eficiência do processo de secagem Repetindo este procedimento para vários tempos de carga emantendo-se uma relação t c/td=2, obtêm-se uma família de curvas detensão de retorno. A envoltória dos picos é chamada de espectro de polarização. O pico desta envoltória representa uma resposta globaldominante para o isolamento e também um determinado teor de humidade.

Espectros de polarização e tensões de retorno Quando a superfície isolante é exposta à humidade ambiente apareceum segundo pico. O método permite avaliar a qualidade dos processosde manutenção e recuperação de transformadores, onde o isolamento fica exposto ao ambiente por tempo prolongado.Um pico extra na região mais rápida é indicativo de óleo isolante em mau estado.

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Espectro de polarização típico de um transformador

Tensão de Retorno VS Grau de Polimerização

Envelhecimento acelerado de papel kraft a 120ºC (Tensão de retorno a 60ºC)

RVM VSOutros Ensaios Dieléctricos Os ensaios de RI, IP, tg δ (50 Hz) e tg δ (0,1 mHz a 1 kHz) são poucosensíveis para teores de humidade inferiores a 1%, cuja respostadominante é da ordem de centenas de segundos (sistema papel-óleo).

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IP vs Teor de humidade do Papel, para várias temperaturas

Gerador Componentes do Sistema de Isolamento Isolamento entre condutores • Isolamento entre espiras • Isolamento para a terra • Camada semicondutora (grafite) • Camada de silício

Degradação Térmica A degradação térmica no sistema de isolamento de um gerador ocorre regra geral devido a Perda da rigidez mecânica por aquecimento prolongado Afrouxamento do isolamento entre camadas, vibração de condutores, falhas por descargas parciais que conduzem facilmente a defeitos á massa do isolamento Sobreaquecimento de devido a sobrecarga, falha na refrigeração, correntes de inrush, desbalanceamento de tensões.  

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Circuito equivalente do sistema de isolamento Quando E ar = Var /dar > 3 kV/mm ocorrem descargas parciais

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Efeito da Polaridade na Localização das DPS

Efeito Inverso ( – ) das DPS com a Temperatura (Quando as DP Diminuem Com o Aumento da Temperatura) O tamanho do espaço varia inversamente com a temperatura. O cobre e o material isolamento aumentam de tamanho, diminuindo os espaços entre o isolamento e o núcleo, e, portanto, as DP Este efeito é mais significativo para isolamentos de poliéster e asfálticos, mas também pode ser observado em enrolamentos isolados em epoxi De notar que a temperatura do cobre ou das camadas internas do isolamento não são reflectidas com rapidez pelos RTDs. 

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Efeito Proporcional (+) das DPS com a Temperatura (Quando as DP Aumentam Com o Aumento da Temperatura) Indicativo da deterioração da tinta semicondutora com o aumento da temperatura, a existência deste material cresce aumentando o nível de DP positivas Este é um mecanismo de falhas muito lento, porém pode levar ao aparecimento de zonas de elevada produção de ozono 

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Tensão Aplicada CC – “Hy-Pot” A medição da tensão aplicada tem por finalidade verificar se existem falhas de isolamento com fuga de corrente á massa. É um ensaio que visa garantir que o isolamento de um determinado equipamento ofereça segurança aos operadores e á aplicação a que está destinada. Conforme normas internacionais deve-se aplicar a um equipamento novo. A aplicação da tensão de teste denominada HY-POT obedece a determinados critérios de entre os quais se destacam Tensão de prova: U p (máxima) = (2.Unom) + 1 Acima de 26kV o efeito corona influi fortemente: faixa inadequada Primeiros 10 minutos: degrau inicial 0,3.Up (máximo de 10kV). Nos degrausseguintes acréscimos de 20% Ajuste para 90 ~ 95% do valor (a tensão sobe, por efeito capacitivo) Tempo de duração de cada degrau: Método de Schleif . Consiste emajustar os tempos deaplicação dos degraus para conseguir uma recta Leitura da corrente de fuga para 1, 3 e 10 minutos   

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Cálculos: C = [(I1 x I10) – I32] / (I1 + I10 – 2I3) Relação de Absorção (N) = (I 1 – C) / (I10- C)

Esquema simplificado para ensaio Hi-pot

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Ensaios em Capacitores A) Capacitância – Potência Reactiva C = (I.106) / (E.ω) Onde: C = Capacitância [ μF] I = Corrente [A] ω = Frequência, 2 πf E = Tensão aplicada [V] Potência reactiva, Q Q = V2.ω.C.10-3 Onde: Q = Potência reactiva [kVar] V = Tensão nominal do capacitor [kV] C = Capacitância [ μF]

Critérios: A diferença entre as capacitâncias de duas unidades de mesmaespecificação pode ser até 15 % A potência obtida através da capacitância medida não deve diferir da potência nominal em: -5% a +10% para unidades capacitores 0% a +10% para bancos de capacitores

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B) Isolamento RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO TOTAL: COM 2,5kVCC, (>1 GΩ)

Circuito de medição (proceder à leitura após 1 minuto)

Resistência de Isolamento entre Isoladores de Travessia

Circuito de medição (proceder à leitura após 1 minuto)

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Levantamento das Características de um Gerador

Saturação em vazio – Circuito de medição

Recta de curto-circuito - circuito de medição

Relação de curto-circuito = I (U n) / I (In) Reactância síncrona de eixo directo, não saturada = AC/BC, saturada = ED/FD

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Saturação em Transformadores de Corrente Os dispositivos críticos nos sistemas de protecção são os transformadores de corrente (TC) e como todo materialferro magnético, o mesmo trabalha com uma curva de histerese. Para o seu correcto funcionamento, os TCs sãodimensionados para que trabalhem na faixa linear desta curva, entretanto, existem situações de difícil estimativaque causam sua saturação, como o nível DC da corrente de curto-circuito e o fluxo residual do TC. O dispositivode protecção deve detectar este fenómeno para evitar actuação indevida da protecção diferencial. Na figura é ilustrado o circuito simplificado de um TC, onde i 1/n é a corrente secundária total (corrente primária dividida pela relação de transformação), i eé a corrente de excitação do núcleo e i2é a corrente disponível no terminal secundário, que alimenta a carga R. O valor de i2 é dado pela equação i 2 = (i1/n) – ie.Xm, R me Z mrepresentam, respectivamente, a indutância, a resistência e a impedância do ramo de magnetização

A corrente de excitação está sempre presente, porém seu valor é muito pequeno em condições normais, pois a impedância do ramo de magnetização é grande. Sendo assim, o erro causado devido à ie é muito pequeno. Contudo, quando ocorre a saturação, o valor de Z m cai drasticamente, e a maior parte da corrente passa pelo ramo de magnetização, causando distorção na forma de onda do sinal recebido pela carga do TC. Durante a saturação do TC, a impedância vista por relés de distância (Z=V/I) pode ser maior do que o valor esperado, promovendo assim um problema de desbalanceamento neste tipo de protecção As principais causas da saturação dos TCs são ascomponentes unidireccionais das correntes de curto-circuito, ofluxo magnético remanescente no núcleo e a carga do TC.Além disso, um TC mal dimensionado pode saturar por nãoacomodar o fluxo magnético gerado durante eventos comocurto-circuitos. Uma solução para esse caso seria odimensionamento do TC com um núcleo maior, entretanto,isso aumentaria o custo do transformador de corrente. Por esses motivos, vêm sendo estudados métodos quevisem detectar os intervalos de saturação dos TCs, para entãoprovidenciar a correcção dos sinais de corrente distorcidos em virtude desse fenómeno. Assim, garante-se ofuncionamento adequado dos esquemas de protecção

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Conceito de Saturação em Materiais Magnéticos Quando o TC satura, a forma de onda do terminalsecundário é distorcida, conforme mostra a figura. Devido àgrande variação de corrente entre o primeiro ponto da regiãosaturada e o último ponto da região não saturada, os iníciosdos intervalos de saturação encontram-se dentro dos picosmaiores presentes na curva das diferenças de i 2. Da mesma forma, os fins de saturação são caracterizadospor valores dentro dos picos de menor intensidade.

Forma de onda da corrente no terminal secundário de um TC não saturado

Forma de onda da corrente no terminal secundário de um TC saturado

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Onde: Vs = Tensão de saturação (Ver tabela de cargas nominais) F = Factor de sobrecorrente (ASA, ANSI, NBR 6856 = 20 IN) IN = Corrente secundária nominal (5A, com raras excepções) RI = Resistência do enrolamento secundário a 75°C RC = Resistência da carga nominal XI = Reactância do enrolamento secundário XC = Reactância da carga nominal

Cargas nominais para TC de protecção

Capítulo 9 Concepção e Teste de Isoladores Para Uso Exterior Para o isolamento de linhas de transmissão são necessários dispositivos especialmente desenhados (isoladores). O isolador deve apresentar, além de apreciáveis características dieléctricas, óptimas características mecânicas, tendo em vista a natureza severa do trabalho que irá realizar. O isolador deve suportar altas tensões de compressão, deve ser duro e apresentar a superfície altamente polida. O seu desenho deverá ser tal que minimize a acumulação de linhas de fluxo electrostáticas, o que não permitirá o rompimento de arcos eléctricos na sua superfície. O seu desempenho electromecânico deve-se manter estável em quaisquer condições de humidade, temperatura, chuva, neve, poeira, gases, etc.

Tipos de Isoladores Com relação aos condutores, os isoladores têm a função de Suspensão Ancoragem Separação   

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Os isoladores são sujeitos a solicitações mecânicas e eléctricas.

Solicitações Mecânicas Forças verticais pelo peso dos condutores Forças horizontais axiais para suspensão Forças horizontais transversais pela acção dos ventos   

Solicitações Eléctricas Tensão nominal e sobretensão em frequência industrial Oscilações de tensão de manobra Transitórios de origem atmosférica   

Os isoladores devem oferecer uma alta resistência para correntes defuga de superfície e ser suficientemente espesso para prevenir rupturasob as condições de tensão que devem suportar.Para aumentar o caminho de fuga e, portanto a resistência de fuga, osisoladores são construídos com curvas e saias.

Os Isoladores são Produzidos de Porcelana vitrificada Vidro temperado Polímeros em borracha de o EPDM (Etileno Propileno Dieno Monomérico) o Silicone Porcelana vitrificada o Vidro temperado   

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Porcelana Vitrificada Os materiais cerâmicos caracterizam-se, em geral, pelo baixo preço, por um processo de fabrico relativamente simples, e porcaracterísticas eléctricas ou dieléctricas, térmicas e mecânicasvantajosas que podem apresentar quando o processo de fabrico ébem cuidado Composição Composição da cerâmica Argila Quartzo – componente componente que influi termicamente; quanto maior maior sua percentagem, maior é a temperatura suportada pela porcelana. Feldspato – componente componente que define o comportamento isolante como rigidez dieléctrica, factor de perdas, etc.  

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O revestimento com verniz, cuja base é a mesma da porcelana, destina-se a vitrificar a superfície externa da porcelana que, embora nãoporosa, apresenta certa rugosidade que pode ser prejudicial durante ouso da porcelana em corpos isolantes, sujeitos à deposição de humidade, poeira, etc. O verniz ao recobrir o corpo da porcelana o tornaliso e brilhante, elevando elevando a resistência superficial superficial do isolador. isolador.

Vidro O vidro é basicamente composto de óxido de silício e óxido de boro,nas formas SiO 2 e B 2O3; acrescenta-se a esses dois uma grande sériede aditivos, tais como os óxidos alcalinos K 2O eNa2O, que influem,sobretudo no valor da temperatura de fusão do material.Os diversoscomponentes do vidro variam as características do vidroem função da composição. Também tratamentos térmicos posteriores(têmpera) influem acentuadamente acentuadamente em particular part icular no que se refere asuas características mecânicas. A têmpera do vidro adquireimportância particular na área dos isoladores, tipo disco e pedestal,devido pedestal,devido à presença de esforços mecânicos acentuados. Pela têmpera,a camada externa do vidro sofre uma contracção acentuada, o que faz predominarem na “casca” externa, os esforços de compressão Polímeros Características dos Polímeros: Excelente Excelente hidrofobicidade. hidrofobicidade. Excelente Excelente resistên r esistência cia ao trilhamento eléctrico ( tracking ). ). Excelente desempenho sob poluição – o perfil e a maior distância de escoamento do isolador permitem reduzir a corrente de fuga e, portanto as perdas de energia Resistente ao efeito de erosão mesmo mesmo quando o isolador isolador estiver submetido submetido a uma forte poluição. Impenetrabilidade - podem ser lavados sob alta pressão. Resistência ao envelhecimento devido aos raios ultravioleta, temperatura, poluição, ozono, com alta durabilidade. Resistente Resistente ao arco eléctrico. A maleabilidade das aletas de borracha, associada à elevada resistência do núcleo central e a silhueta delgada garante incomparável desempenho destes isoladores em regiões de vandalismo. Instalação rápida, simples e de menor custo. Pesa até 13 vezes menos que uma cadeia de isoladores convencionais.   

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Comparação entre isoladores de vidro, porcelana e polimérico

Suportabilidade Dieléctrica A suportabilidade dieléctrica de uma superfície isolante reduz substancialmente quando submetida a determinadas condições climáticas como chuva ou alta humidade. Tal redução pode se tornar mais acentuada quando a superfície isolante é exposta a uma “ atmosfera poluída “. Entende -se co mo “ atmosfera poluída”, do ponto de vista eléctrico, uma atmosfera

que, num certo período de tempo, propicia a formação, sobre a superfície isolante, de uma camada constituída por substâncias que dissolvidas em água, produzem soluções condutoras. Não ocorre variação variação no comportamento comportamento dieléctrico dieléctrico da superfície se a camada camada se mantém mantém seca, quando comparada com a superfície limpa. Entretanto, se ocorre um processo de humidificação que dissolva mas não remova os sais contidos na camada, parcial ou totalmente, ocorre a formação de arcos sobre a superfície iniciando um processo que poderá culminar com uma descarga disruptiva. Além disso, os arcos formados geram ozono (agente oxidante) e um dos responsáveis responsáveis pela corrosão eléctrica nos isoladores Basicamente, o dimensionamento do isolamento paralocalidades poluídas é realizado em duas etapas: Levantamento do grau de contaminação da localidade, Determinação Determinação das características do isolamento isolamento através de ensaios em laboratório. laboratór io.  

Inicialmente, será mostrado o resultado de uma pesquisa bibliográfica mostrando o processo de formação de arcos em superfícies isolantes e seus efeitos e, em seguida, a metodologia para levantamento levantamento do grau de contaminaçã contaminaçãoo e os ensaios ensaios de laboratório a serem realizados.

Formação de Arcos Em Isoladores Poluídos A sequência de eventos a seguir mostra a influência da poluição na formação de arcos na superfície de isoladores: 1. O isolador está coberto com uma camada de poluição seca, contendo sais solúveis ou ácidos diluídos ou álcalis. 2. A superfície do isolador isolador poluído é humidificada, completamente completamente ou parcialmente, por névoa, chuva fina ou nevoeiro, fazendo com que a camada de poluição se torne condutora. 3. Assim que a camada poluente que cobre o isolador energizado se torna condutora, as correntes de fuga superficiais aparecem e o aquecimento por elas elas provocado começa a secar parte da camada poluente. 4. A secagem da camada poluente é sempre não uniforme, fazendo com que a camada poluente húmida seja cortada cor tada por bandas secas que interrompem o fluxo da corrente de fuga. Eng. Luís Simone


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5. A tensão aplicada nas bandas secas, as quais podem ter somente poucos centímetros de largura, causa uma descarga no ar e a banda seca é atravessada por arcos que estão, electricamente, em série com a resistência da parte não seca da camada de poluição. Se a resistência da parte seca da camada de poluição formuito baixa, os arcos que ultrapassam as bandas secasnão se extinguem e, pelo contrário, aumentam suaextensão ao longo da superfície do isolador. Este facto,por sua vez, diminui a resistência eléctrica em sériecom os arcos, aumentando a corrente e permitindo aumentar, ainda mais sua extensão até que toda a superfície do isolador esteja coberta ocasionando, ocasionando, assim, uma descarga disruptiva.

Efeitos dos Arcos Sobre Os Isoladores Mesmo não causando uma descarga, uma das consequências mais importantes da formação dos arcos é geração de ozono, que pode acelerar a corrosão atmosférica/galvânica e a ocorrência de corrosão eléctrica em isoladores. Corrosão Atmosférica/Galvânica A corrosão atmosférica corresponde a oxidação directa entre o metal e suas vizinhanças, e a galvânica ocorre quando se coloca dois metais de electronegatividades diferentes em contacto (por exemplo: F e + Z n), ocorrendo então a doação de electrões do mais electronegativo para o menos electronegativo. O ozono oxida o Z n acelerando a corrosão branca, que gradualmente se desprende da superfície, expondo o ferro. O ozono combina-se com o nitrogénio, formando dióxido de nitrogénio, que hidratado, produz ácido nítrico. O ácido nítrico ataca o ferro, gerando hematita e magnetita, magnetita, ou seja, seja, a corrosão vermelha (ferrugem). (ferrugem). Corrosão Eléctrica Esse é o principal factor de corrosão que corresponde corresponde à corrosão cor rosão electrolítica devido não só à corrente de fuga sobre a superfície húmida dos isoladores poluídos, como também à subsequente actividade eléctrica de arcos (corrosão por arcos) que aparece através da superfície mais resistiva do isolador poluído e/ou nas interfaces dos materiais componentes do isolador. Esse tipo de corrosão é o mais severo em áreas poluídas de clima tropical. Corrosão electrolítica: quando o isolador está poluído e húmido, uma corrente de fuga aparece sobre a superfície isolante, entre as partes metálicas de cada isolador. Os efeitos da corrente de fuga aumentam com o grau de poluição (quantidade de sais), e com a tensão eléctrica aplicada sobre os isoladores; Corrosão por arcos: estes arcos e descargas sobre as partes mais resistivas da superfície húmida aparecem durante a condensação. Os arcos são mais frequentes nas regiões da cadeia de isoladores onde a densidade de corrente e o campo eléctrico são mais intensos. Desta forma, muitos arcos têm mais frequentemente suas raízes sobre a campânula e sobre o pino dos isoladores do lado fase da cadeia. Estes arcos também induzem a formação de ozono, que como já observado podem acelerar a corrosão. A prática tem mostrado efectivamente a ocorrência de corrosão precoce em isoladores instalados em sistemas com tensão maior ou igual a 345kV.

Avaliação da Formação de Arcos Em Ambiente Tropical Em condições húmidas, a amplitude das descargas e arcos dependem essencialmente dos depósitos poluentes sobre a superfície do isolador (severidade e distribuição). Os distúrbios causados pelas descargas e arcos variam proporcionalmente com a tensão aplicada sobre as Eng. Luís Simone


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unidades de isoladores da cadeia e são mais importantes quando as cadeias de isoladores não são equipadas com ferragens de protecção. Durante os longos períodos sem chuva num ambiente tropical, as condições ambientais de um dia podem ser esquematizadas por dois principais períodos sucessivos, o seco e o húmido. Durante o período húmido, desde o pôr até ao nascer do sol, depósitos de condensação aparecem sobre a superfície do isolador, a humidade relativa do ar atinge valores de acima de 80%. Para avaliar o desempenho de cadeias de isoladores em ambiente tropical, foram realizados ensaios sobre cadeias de isoladores levemente poluídos. Todos os isoladores das cadeias foram poluídos da mesma maneira, para reproduzir uma poluição leve. Entretanto, de maneira a reproduzir mais fielmente o depósito de poluição natural observado no campo, a poluição não foi aplicada uniformemente. A névoa, gerada por um gerador de vapor, não foi aplicada directamente sobre a cadeia de isoladores. A névoa foi continuamente mantida durante duas horas - período húmido - e foi interrompida repentinamente. O ensaio então continuou durante o “período seco . A análise dos resultados é feita conforme os dois períodos distintos.

Período Húmido As unidades isolantes da cadeia apresentam o fenómeno de actividade eléctrica de arcos. Este período corresponde à corrente de fuga mais alta e à mais alta humidade relativa. Os fenómenos são praticamente definidos pelo depósito de poluentes sobre a superfície do isolador e não pelo projecto da cadeia de isoladores. Durante o período húmido, a corrosão electrolítica, devido a passagem permanente de uma corrente de fuga mais alta, é mais importante e mais uniforme. Período Seco Durante o período seco, os arcos e as descargas estão concentrados somente nos isoladores electricamente mais solicitados e o fenómeno mais importante corresponde à corrosão por arcos. Durante este período, a duração de actividade eléctrica é reduzido quando a cadeia de isolador é equipada com um anel de protecção. Em comparação, as descargas e arcos continuam actuando depois de 3 horas sobre cadeias sem anéis de protecção e param depois de 30 minutos sobre cadeias com anéis de protecção Operação em Ambiente Poluído No caso de isoladores poluídos o campo eléctrico em torno do mesmo apresenta-se distorcido pela presença de partículas condutoras na superfície do isolador. Figura abaixo representa o esquema equivalente de uma cadeia de isoladores, C glass representa a capacidade do disco, C air a capacidade do ar e R pol a camada condutora resultante da poluição

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Para um isolador cilíndrico a tensão de disrupção devido a poluição é dada por

Onde N, A en são as constantes do arco eléctrico e r po quociente entre a resistência total resultante da poluição e a distância de segurança. No geral as constantes tomam os seguintes valores N=80, A=10 e n=0,5. Para um isolador com superfície irregular r p será obtido por

Onde F factor de forma L a distância de segurança e ζs a condutividade da superfície

Onde r(s)é o raio na posição s.

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Ou para o cone da figura abaixo

Considerando o cone superior

Considerando o cone superior e inferior

Considerando um formato cilíndrico, com comprimento L e raio R

A tensão de disrupção do isolador será

Onde Vc em kV, L em mm e σ s em µS Eng. Luís Simone


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Mitigação dos Fenómenos de Poluição Existem vários métodos empregues para mitigar ou eliminar por completo o efeito da poluição em isoladores cerâmicos, onde se destacam Melhorar a Configuração A distância de fuga de um isolador pode ser ajustadade forma a mitigar os fenómenos ambientais. Geralmente as configurações são optimizadas aerodinamicamentepara facilitar a auto-limpeza através da acção do vento e da chuva. Limpeza Periódica Em muitas instalações são utilizados sistemas de jacto de água a alta pressão para a limpeza da superfície de isoladores, sendo de longe o mais barato. Aplicação de Gel/Graxa O processo de revestimento das superfícies do isolador com gel ou graxas éutilizado em áreas de contaminação severa. Na maior parte dos casos,a remoção e aplicação da graxa é uma operação manual. Sendo um processo lento e que requer paralisações de circuito. Aplicação de RTV Revestimentos de silicone (RTV) são cada vez mais aplicados com maior frequência em subestações e cadeias de isoladores. Estudos mostraram que este tipo de revestimento é de grande eficácia no combate aos fenómenos de poluição. Esmalte Resistivo Isoladores de esmalte resistivo são frequentemente utilizados paraaliviar osfenómenos de poluiçãoem regiões com altos índices de poluição. A sua utilização resulta num campo eléctrico de distribuição uniforme que leva ao aquecimento da respectiva superfície, inibindo a formação de humidade.

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Tecnicas de Alta Tensu00E3o-Apontamentos (6-02-2015).pdf

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