lavagem de isoladores em alta tensão

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LINHAS DE TRANSMISSÃO E
SUBESTAÇÕES DE ALTA TENSÃO
Título do Instrumento
Nº
MATERIAL DE TREINAMENTO
MT - 001.012.001
DOCUMENTO
MT
001.012.001
ÁREA DE TREINAMENTO:
ASPECTOS DE MANUTENÇÃO E DURABILIDADE DAS
OBRAS DE ENGENHARIA
ASSUNTO:
Lavagem de isoladores em linhas de transmissão e
subestações
Material de uso exclusivo em treinamentos internos. Proibida a
reprodução para uso comercial.
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Data: 13.03.2011
Contato: Roberval Luna da Silva
[email protected] /www.coluna.eng.br
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LAVAGEM DE ISOLADORES EM LINHAS DE
TRANSMISSÃO E SUBESTAÇÕES.
1. INTRODUÇÃO.
O isolamento de uma linha de transmissão é obtido pela manutenção de uma distância
adequada entre os condutores energizados e a estrutura de suporte ou entre os
condutores. De forma que, o desempenho das linhas de transmissão está diretamente
relacionado com o desempenho dos seus isoladores. Entre a estrutura de suporte e os
cabos condutores essa distância é sustentada e mantida pelas cadeias. Sendo os
condutores sustentados pelas cadeias de isoladores, o dimensionamento dessas cadeias
deve atender a várias condições impostas pelas solicitações dielétricas. Usualmente
muitas falhas nas linhas de transmissão ocorrem nas cadeias, assim sendo, é importante
preservar a integridade desses isoladores de modo a manter a rigidez dielétrica da penca.
Quando uma falha provoca dano nos isoladores, é necessário substituí-los ou recuperálos o mais rápido possível, de modo a voltar às condições originais de dimensionamento
do projeto das cadeias.
As cadeias de isoladores estão sujeitas a três principais problemas que acarretam um
custo dispendioso de manutenção e a queda dos índices de confiabilidade: poluição dos
isoladores, atos de vandalismo e a corrosão das ferragens dos isoladores.
Figura 1.1 - Papel dos isoladores na manutenção das distâncias elétricas.
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O primeiro caso decorre do fato que os isoladores ao longo de uma linha de transmissão
estão sujeitos a poluição do ambiente. Quando se atinge um grau de poluição
suficientemente intenso, tem-se uma condição favorável para gerar um arco elétrico com
energia suficiente para ocasionar a falha do isolador e o conseqüente desligamento da
linha de transmissão. A camada de contaminação pode ser produzida por várias causas,
por exemplo: sais e poluentes industriais. A poluição de isoladores ocorre através da
deposição desses contaminantes quer sejam de origem industrial, marítima ou ambiental.
Esses depósitos, juntamente com a presença da umidade, e de uma tensão elétrica mais
elevada, propiciam o surgimento de descargas superficiais que podem evoluir para o
fechamento de um arco de potência, sobre a cadeia de isoladores e a conseqüente
interrupção no fornecimento de energia. Esse fato traz conseqüências desastrosas para
as empresas transmissoras com aplicação de penalidades previstas pela ANEEL.
Tradicionalmente as empresas de transmissão de energia elétrica utilizam as técnicas
disponíveis, para recompor o isolamento de linhas de transmissão e subestações em
condições, como os métodos de lavagem de isoladores de alta tensão poluídos:
•
Retirada e substituição de unidades poluídas por unidades previamente
limpas: Ou mesmo limpas fora da sua posição original, exigindo, naturalmente o
desligamento da linha ou uma intervenção com linha energizada.
•
Lavagem das unidades em seus respectivos locais de instalação: Como
alternativa para a limpeza de isoladores, sem a retirada dos mesmos, temos a
lavagem de isoladores in loco.
Figura 1.2 - Técnica de retirada de isoladores para lavagem fora da sua posição
original.
Neste texto, vamos tratar apenas da lavagem de isoladores, no próprio local de instalação
cuja finalidade é reduzir o índice de defeitos na rede elétrica, originados pelo acúmulo de
poeira, maresia, poluição industrial, monóxido de carbono emitido por veículos, etc.
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vantagem é que esta atividade pode ser realizada com a linha energizada, desde que haja
a utilização de equipamentos adequados e pessoais especializado.
2. CARACTERIZAÇÃO DOS ISOLADORES.
Como já vimos, os isoladores são materiais sólidos com boas propriedades dielétricas, os
quais são utilizados nas linhas elétricas aéreas, para isolar os condutores, sob tensão,
dos apoios que os suportam. Isoladores para linhas de transmissão são basicamente
constituídos de um núcleo de material condutor que é revestido por um material que
causa sua isolação. As principais diferenças entre os isoladores são seus formatos
estabelecidos conforme a função de cada um: tipo bastão, pino, e pilar. Para que tenham
um bom desempenho é necessário que os isoladores tenham um formato que assegure
uma distribuição balanceada de potenciais, visando tensões de descarga adequadas e
que o material utilizado para a sua fabricação seja isolante. Há, portanto, diversos
modelos de isoladores de materiais e pesos diferentes, onde os materiais mais usados
são produtos cerâmicos, vítreos e poliméricos:
• Isoladores de suspensão de porcelana;
• Isoladores tipo bastão;
• Isoladores tipo pino;
• Isoladores tipo pilar;
• Isoladores rígidos;
• Isoladores roldana; etc.
Figura 2.1 - Diversos exemplos de isoladores.
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Função mecânica e função elétrica - Em resumo os isoladores possuem duas funções
básicas. A primeira condição é a função mecânica de suportar o peso dos cabos, como o
elo de ligação cabo–estrutura. A segunda condição é a função elétrica de garantir a
rigidez dielétrica isolando eletricamente um corpo condutor de outros corpos condutores
ou outros elementos que estão em potenciais diferentes.
Formação de cadeias - Cadeias são conjuntos de elementos isolantes, com respectivas
ferragens de fixação, instalados na forma de penca flexível ainda como elementos rígidos.
Uma cadeia de isoladores, por exemplo, pode ser formada por uma série de campânulas
de porcelana ou vidro ou um de único elemento do tipo polimérico. Na maioria dos casos,
as cadeias flexíveis são constituídas discos de vidro ou porcelana vitrificada e polimérica.
Junto com suas ferragens são dimensionadas para suportarem as cargas mecânicas
transmitidas pelos cabos condutores e as solicitações elétricas das sobretensões que
ocorrem numa linha de transmissão. Compondo cadeias, os elementos isolantes podem
ser utilizados em qualquer tensão, dependendo apenas do número de isoladores
instalados em série. Além das variedades de tipos e classes mecânicas disponíveis,
também é possível a montagem de duas ou mais cadeias em paralelo, para esforços
mecânicos especialmente altos, grandes vãos ou cabos muito pesados: as cadeias de
isoladores podem ser de suspensão ou ancoragem.
Tipos de cadeias - As cadeias de suspensão constituem os modelos numericamente
mais utilizados em linhas de transmissão e distribuição. Cadeias de suspensão verticais I
ou em V são usadas em estruturas onde apenas há suspensão de linhas (torres de
alinhamento) ou pequeno ângulo. Cadeias de amarração horizontais são usadas em
estruturas de amarração, de ângulo ou fim de linha. As cadeias podem também ser
simples ou duplas.
Figura 2.2 - Exemplos de cadeias de isoladores em suspensão.
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Figura 2.3 - Diferença entre cadeias de ancoragem e cadeias de suspensão.
Numero de isoladores de uma cadeia flexível - O número de unidades de isoladores
que forma uma cadeia flexível depende da tensão. Exemplo: Para a tensão de 138 kV são
usados de 6 a 8 isoladores enquanto para linhas de 500 kV são usados de 26 a 32
isoladores.
Classificação dos isoladores - Os isoladores mais utilizados podem ser classificados
por diferentes critérios: material empregado na construção, constituição, adequação à
tensão, quanto ao meio onde é utilizado, etc . Nos interessa neste momento os seguintes
critérios:
a) Classificação em função da adequação de tensão: A classificação em função da
tensão está relacionada com a potência da linha à qual são referidas certas
características operacionais do sistema. De acordo com Agência Nacional de Energia
Elétrica – ANEEL, quanto às classes de tensões, os sistemas são classificados em:
a) baixa tensão, até 1000 V;
b) média tensão, entre 1000 V e 69000 V;
c) alta tensão, acima de 69000 V.
b) Classificação em função do meio de utilização: O meio onde é utilizado o isolador é
outra classificação importante, Os isoladores para serviço em ambientes externos têm
forma e constituição diferentes daqueles para ambientes resguardados da intempérie. No
primeiro caso, existem alguns tipos com características especiais, para serem utilizados
em condições particulares, onde se deseja evitar a de posição de partículas ou elementos
que possam modificar sua resistência elétrica superficial. Entre esses se podem citar
como exemplo:
• Isoladores com linha de fuga isolada: no qual a linha de fuga é aumentada para
a obtenção de um isolamento satisfatório em ambientes muito empoeirados ou
salinos.
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• Isoladores para névoa: projetados para obter isolamento satisfatório em
ambientes de névoa intensa. O objetivo fundamental do isolador para névoa é
evitar a passagem de corrente do condutor ao apoio.
c) Classificação quanto ao material de fabricação: Quanto ao material de fabricação
podemos ter os seguintes tipos.
Isoladores de Porcelana - Os isoladores porcelânicos estão entre os componentes
cerâmicos mais produzidos para o setor elétrico, no Brasil. As porcelanas são cerâmicas
produzidas com matérias-primas naturais e utilizadas na fabricação de uma grande
variedade de produtos, para aplicação na indústria eletroeletrônica. Entre os vários tipos
de porcelanas, as mais utilizadas como isoladores elétricos são as porcelanas triaxiais
compostas por quartzo, feldspato e argila. São à base de porcelana com o recobrimento
de uma camada fina e contínua de esmalte vítreo, que contribui para a melhoria das
propriedades mecânicas e elétricas, cuja fabricação em porcelana utiliza um método de
processo úmido, aluminosa com alta resistência dielétrica e mecânica, inerte
quimicamente e com alto ponto de fusão. Toda a superfície deve ser regular, isenta de
quaisquer partículas ásperas e vitrificadas com acabamento liso de cor uniforme marrom
ou cinza definida no documento de compra. A vitrificação é do tipo compressão,
insensível a súbitas mudanças de temperatura, imune aos efeitos de ozônio, poeira ácida
ou alcalina. Nestas cerâmicas, as ligações iônicas/ covalentes restringem a mobilidade
dos elétrons e as tornam bons isolantes elétricos.
Esses isoladores cerâmicos apresentam um bom desempenho na transmissão de energia
elétrica em grandes distâncias, porque a porcelana apresenta propriedades adequadas. É
um excelente dielétrico e tem boa resistência superficial às intempéries. São inertes e
estáveis, podendo suportar considerável quantidade de arcos elétricos sem degradação
que comprometa a sua superfície, por causa da capacidade inerente de suportar
descargas. Um inconveniente desses isoladores é o fato de suas superfícies serem
constituídas de óxidos metálicos que possuem alta energia ou alta molhabilidade,
podendo ocasionar flashover. A localização de isoladores danificados se torna
problemática quando os isoladores de porcelana perfuram, sem quebrar, dificultando sua
localização por parte das equipes de manutenção.
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Figura 2.4 - Exemplo de isoladores de porcelana.
Isoladores poliméricos - Os isoladores poliméricos são elementos recobertos por uma
camada de materiais poliméricos. Dentre os mais utilizados em linhas de transmissão
estão o silicone, etileno-propileno-dieno (EPDM). Um núcleo de fibra de vidro reforçada é
envolto pelo revestimento polimérico, composto tradicionalmente de EPDM ou silicone,
dotado de aletas para aumentar a distância de escoamento. São empregados em sua
maioria, para isolação de linhas de transmissão de altas ou baixas tensões, mas podem
ter inúmeras aplicações em engenharia elétrica. Nos EUA são utilizados isoladores
poliméricos para alta tensão há trinta anos. No Brasil algumas empresas produziram este
tipo de componente, mais recentemente. Para moldar os materiais poliméricos nos
isoladores o método mais utilizado e a vulcanização. Esse processo constitui em aquecer
o polímero a altas temperaturas, na presença de enxofre ou óxidos metálicos (alguns
polímeros sintéticos demonstram melhores resultados com vulcanização com óxidos
metálicos). A vulcanização produz a formação de ligações cruzadas nas moléculas do
polímero individual, responsáveis pelo desenvolvimento de uma estrutura tridimensional
rígida com resistência proporcional à quantidade destas ligações.
O receio na utilização de isoladores poliméricos é pela menor resistência à degradação
por intempéries. Muitas técnicas têm sido usadas com sucesso para detecção de
isolamentos poliméricos defeituosos em serviço, como inspeção visual, medição de
campo elétrico, detecção de corona, termografia infravermelha, avaliação de
hidrofobicidade e detecção de ruído acústico.
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Figura 2.5 - Exemplo de isoladores poliméricos.
Isoladores de vidro: Na atualidade, existem vários tipos de isoladores de vidro. Os
isoladores de vidro são feitos em sua maioria de vidro do tipo soda-lime-silica, que são
vidros cujos reagentes básicos são a sílica (SiO4), o óxido de sódio (Na2O) e óxido de
cálcio (CaO). São fabricados para utilizações em média (1 kV a 69 kV), alta (69 kV a 500
kV) e extra alta tensão (maior e inclusive 500 kV), para linhas de corrente contínua e
corrente alternada, em diversos modelos. Com o intuito de aumentar a dureza do vidro,
este passa por um processo de têmpera que consiste basicamente, em após a
solidificação do vidro, submetê-lo a um choque térmico, fazendo-o resfriar rapidamente,
causando a solidificação da parte externa muito rápida, deixando-a sob compressão e seu
interior sob tração. Há também tipos especiais de isoladores de vidro, inclusive para locais
sujeitos a poluição muito severa. Estes isoladores possuem uma alta durabilidade, mas
podem ter sua vida útil reduzida pelas condições de trabalho.
Figura 2.6 - Exemplo de isoladores de vidro temperado.
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Figura 2.7 - Estrutura interna dos isoladores de vidro.
Especificamente, os isoladores de vidro possuem uma vida útil relativamente longa,
podendo chegar a 40 anos ou mais. A localização de isoladores danificados é facilmente
realizada por inspeção visual, quando a cadeia é composta por isoladores de vidro
temperado, pois seu dielétrico explode quando falham, tornando-os visualmente fáceis de
localizar.
Figura 2.8 - Diversas formas de aplicação dos isoladores de vidro.
Os isoladores de vidros são compostos basicamente por 3 partes: o pino de suporte, o
dielétrico ou saia, e a pino de interligação ou mais precisamente:
1- Cupilha tipo R de latão ou aço inoxidável;
2- Campânula de ferro maleável ou aço inoxidável;
3- Cimento aluminoso;
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4- Dielétrico de vidro temperado;
5- Pino de aço forjado zincado por imersão a quente.
Figura 2.9 - Partes principais dos isoladores de vidro.
Figura 2.10 - Isoladores de vidro tipo normal x tipo antipoluição.
A tabela abaixo mostra uma comparação entre os tipos de isoladores utilizados, suas
vantagens. e desvantagens.
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Tabela 2.1 – Comparação entre os tipos de isoladores
Características que definem um Isolador:
De acordo com os organismos de
normatização, para avaliar os isoladores são estabelecidas características mínimas:
a) linha de fuga;
b) distância disruptiva;
c) distância de corona;
d) tensão disruptiva;
e) tensão de perfuração.
Linha de fuga: É à distância entre as forças condutoras do isolador, nas condições que
se estabelecem para os ensaios de tensão disruptiva, medida sobre a superfície do
isolador.
Distância disruptiva: É a distância no ar, entre as peças de que está provido o isolador,
nas condições estabelecidas para os ensaios de tensão disruptiva. Também se denomina
distância de contorno.
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Tensão disruptiva: Denomina-se também tensão de contorno e corresponde ao valor
eficaz da tensão, para qual se produz a descarga disruptiva ou descarga de contorno no
isolador, expresso em quilovolts (kV).
•
Descargas Disruptivas (Flashover) - A descarga disruptiva se produz através do
ar sob o aspecto de uma faísca ou arco, ou ainda de um conjunto de faíscas e
arcos, que estabelecem conexão elétrica entre as peças metálicas do isolador,
submetidas à tensão de serviço.
•
Flashover (Descargas Superficiais) - Ou Fenômeno do Flashover que é um
arco repentino através do ar, que ocorre nos isoladores para um nível muito
elevado de contaminação. Tecnicamente é a ocorrência de arco voltaico entre
condutores, ou partes energizadas, e partes aterradas da estrutura de sustentação
das linhas de energia elétrica, através das camadas de poluição ou de sais
depositados na superfície dos isoladores.
Tensão de corona: É o valor eficaz da tensão, expresso em quilovolts (kV), na qual deixa
de ser visível na escuridão, toda manifestação luminosa em qualquer ponto do condutor.
É causada pela ionização do ar (efeito corona).
Tensão de perfuração: É o valor eficaz da tensão expresso em quilovolts, mediante o
qual tem lugar a perfuração do isolante. Compreende a destruição localizada do material
produzida por uma descarga que atravessa o corpo do isolador. A escolha dos isoladores
adequados para cada fim deve levar em conta, além da freqüência, tensão de serviço e
esforços eletrodinâmicos que deve suportar a peça, o grau de contaminação ambiental e
de condensação de umidade no local de instalação. A perfuração nos isoladores de vidro
ocorre nos afastamentos mínimos entre o dielétrico e as partes metálicas.
Figura 2.11 - Condutividade superficial x descarga disruptiva.
Número mínimo de isoladores: O projeto do isolamento elétrico deverá atender ao
desempenho planejado para a linha de transmissão ou subestação, nos aspectos
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referentes às sobre-tensões de frente lenta, as sobre-tensões de frente rápidas e as
tensões de freqüência fundamental. Na definição final do isolamento elétrico da linha de
transmissão, deverão ser verificados também, outros aspectos técnicos que poderão
afetar os comprimentos dos espaçamentos, tais como, efeito corona, rádio e TV
interferência, ruído audível e campos elétrico e magnético ao nível do solo. Os
comprimentos dos espaçamentos calculados entre o cabo condutor com seus acessórios
e as diversas partes aterradas do suporte deverão ser avaliados quanto aos aspectos
relativos à segurança da equipe de manutenção, exigidos para os trabalhos de
manutenção em linha viva. O número mínimo de isoladores para a tensão de freqüência
fundamental é calculado pela fórmula abaixo:
n=
U s .De
d ei
Onde:
Us
= tensão máxima de operação, em kV;
De = distância de escoamento específica nominal mínima, em mm/kv;
d ei
= Distancia de escoamento nominal do isolador, em mm.
Para sobre-tensões de frente lenta e de frente rápida, o número de isoladores necessários
corresponde à relação entre a distância específica nominal mínima a ser calculada e o
comprimento do isolador. Os valores da distância de escoamento específica nominal
mínima requerida para os quatro níveis de poluição definidos para esta norma.
Nível de poluição
Distância de escoamento específica nominal mínima - De
(mm/Kv-fase-fase)
Sem poluição
I =leve
II=médio
III=alto
IV=muito alto
12
16
20
25
31
Tabela 2.2 – Distancia de escoamento específica nominal mínima.
Passagem de corrente nos isoladores: A escolha dos isoladores adequados para cada
finalidade deve levar em conta, além da freqüência, tensão de serviço e esforços
eletrodinâmicos que deve suportar a peça, o grau de contaminação ambiental e o grau de
condensação de umidade, no local de instalação. A tendência é a utilização de projetos
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com grandes distâncias de contorno, que permitem o funcionamento seguro do isolador
ainda que em condições de condensação e deposição de poluentes ao longo do tempo. A
passagem irregular da corrente pode ocorrer por qualquer das seguintes causas:
a) por condutividade de massa;
b) por condutividade superficial;
c) por perfuração da massa do isolador;
d) por descarga disruptiva através do ar.
•
Por condutividade de massa: Condução através da massa do isolador, na forma
de corrente de fuga, a qual é desprezível e desconsiderada em função dos
materiais que são empregados na fabricação desses.
•
Por condutividade superficial: A corrente de fuga contorna a parte externa do
isolador por aumento de sua condutividade, devido à formação de uma camada de
umidade, de poluição ou de sais depositados sobre a superfície do isolador. A
corrente de fuga pode ser reduzida até limites seguros, quando a superfície do
isolador possui perfil adequado, permitindo que o caminho percorrido pela corrente
de fuga seja o maior possível.
•
Por perfuração da massa do isolador - Esta situação tem pouca importância nos
isoladores para baixas tensões, devido ao fato do material constituinte do isolador
ser suficiente para evitar a perfuração. O perigo é maior em média e em altas
tensões, sobretudo em isoladores de grande espessura, sendo muito difícil fabricálos de forma a conservarem suas propriedades dielétricas em toda sua massa. Um
defeito, em algum ponto no interior do isolador pode provocar a sua perfuração.
Com o objetivo de se evitar defeitos e permitir o controle cuidadoso da estrutura
durante a fabricação, os isoladores para altas tensões são feitos, em várias peças
superpostas de espessuras reduzidas, unidas entre si por uma pasta especial
(cimento).
•
Por descarga disruptiva através do ar: Esta situação forma um arco entre o
condutor e o suporte através do ar, cuja rigidez dielétrica não é suficiente para
evitar a descarga disruptiva pelo ar. A rigidez dielétrica do ar diminui, em certas
ocasiões, quando chove, porque os filetes de água de chuva que se desprendem
da superfície do isolador adquirem o potencial do condutor, e se encontram em
menor distância do suporte que do isolador. Estas descargas podem ser evitadas
com um desenho adequado dos isoladores para intempérie. O perfil dos isoladores,
quando são submetidos à ação da chuva, se faz com uma ou várias ondulações
em forma de campânula, ou seja, o espaço entre o condutor e o suporte é maior, o
que eleva, também, a distância dielétrica e, conseqüentemente, aumenta-se o valor
de tensão necessária para que se forme o arco.
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Desempenho elétrico da linha de transmissão para sobre-tensão de frente lenta:
Para tensões superiores a 345 kV, os espaçamentos mínimos nos suportes, para sobre
tensões de frente lenta deverão ser dimensionados de tal forma, que o risco de descarga
fase /suporte seja determinado para um período de retorno de 30 anos. Os valores típicos
de risco de falha de isolamento sobre-tensões de frente lentas, por ocasião da
energização e do religamento da linha de transmissão deverão ser da ordem de 10-3 pu e
de 10-2 pu, respectivamente.
Desempenho elétrico da linha de transmissão para sobre-tensões de frente rápida:
As linhas de transmissão são dimensionadas de modo a apresentar um índice de
desligamentos para 100 km de extensão, por ano, devido à sobre-tensões de frente
rápida, que seja compatível com o seu grau de importância quando inserida no sistema
elétrico. Como recomendação, os seguintes valores poderão ser tomados como
referências:
a) Sobre-tensões de frente rápidas de descarga direta: As linhas de transmissão de
tensão máxima de operação superior a 69 kV deverão ser dimensionadas, sempre que
possível, de modo a estarem isentas de falhas de blindagem, através do
posicionamento adequado dos cabos pára-raios.
b) Sobre-tensões de frente rápidas de descarga indiretas: Para a linha de transmissão
que atravessa regiões de solo de resistividade não muito excessiva, recomendam-se
os valores de número de desligamentos.
V (KV)
Nº desl/100km/ano
≤
69
15
138
10
230
3
345
2
500
1
Tabela 2.3 – Valores típicos de desligamentos
c) Valores elevados de desligamentos /100km/ano, em geral, estão associados a
altos valores de resistividade do solo, densidade de descargas da região, perfil do
terreno, etc. Dependendo da importância da linha de transmissão para o sistema
elétrico ou do tipo de consumidor atendido, soluções técnicas de melhoria das
resistências de aterramento e aplicação de pára-raios de linha (ZnO) deverão ser
implementadas para manter o desempenho da linha de transmissão.
Desempenho elétrico da linha de transmissão para tensões à freqüência
fundamental: Os espaçamentos mínimos nas estruturas, para suportar as tensões a
freqüência fundamental são dimensionados, de tal forma que não haja falha na linha de
transmissão para um período de retorno de, no mínimo, 50 anos, na condição de máximo
ângulo de balanço.
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3. MECANISMO DE FORMAÇÃO DO FLASHOVER.
Os efeitos das descargas atmosféricas em sistemas de energia elétrica sobre o
desempenho das linhas de transmissão estão relacionados com a ocorrência de duas
formas de incidência:
• Incidência indireta: Como efeitos originados por descargas indiretas (descargas
incidentes nas proximidades do sistema), estas interagem com o sistema mediante
o acoplamento eletromagnético entre o canal de descarga e os componentes do
mesmo, gerando sobre-tensões induzidas que podem levar à ruptura do isolamento
destes componentes. A sobre-tensão provocada por incidência indireta, também
conhecida como tensão induzida, é provocada pelo campo eletromagnético que
ilumina a linha que transmite a energia, quando uma descarga atmosférica incide
nas proximidades do seu percurso. Nestas linhas de transmissão, também
associada à onda de tensão induzida, existe uma onda de corrente que trafega
pelos condutores da linha.
• Incidência direta: Como efeitos originados por descargas diretas, que atingem os
componentes do sistema, estas podem gerar danos em componentes do mesmo
junto a ponto de incidência. Podem, também, ocasionar sobre-tensão e levar à
ruptura de isolamento do sistema, quando a onda de corrente trafega por este.
Este efeito tem menos freqüência, porém é muito mais severo.
Figura 4.1 - Incidência direta e indireta das descargas atmosféricas.
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Figura 4.2 - Fenômeno da onda viajante.
O mecanismo de estabelecimento de sobre-tensões em linhas de transmissão por
incidência direta nos condutores energizados é o chamado flashover. Quando há
incidência nos condutores de blindagem, o rompimento do isolamento pode ocorrer na
cadeia de isoladores, após a reflexão da onda de corrente no sistema de aterramento,
segundo mecanismo conhecido como backflashover. No caso de incidência nos cabos
de blindagem a meio de vão, caso o vão seja muito extenso, pode ocorrer ruptura no ar
entre os cabos de blindagem e fase. Apesar de menos freqüentes, as conseqüências de
uma incidência direta são altamente severas, podendo promover o desligamento de linhas
de transmissão de alta tensão. Com a descarga direta dois tipos de situações podem
ocorrer:
a. Backflashover: Corresponde à formação de um arco elétrico na cadeia de
isoladores, devido à incidência de descargas atmosféricas na torre ou nos cabos
pára-raios.
b. Flashover: Corresponde à formação de um arco elétrico na cadeia de isoladores
devido à incidência de descargas atmosféricas, diretamente nos cabos fase (falha
de blindagem). O Fenômeno do Flashover (Descargas Superficiais) é um arco
repentino através do ar, que ocorre nos isoladores. O gradiente de tensão
necessário para iniciar uma descarga no ar é de 30 kV/cm e como o gradiente
médio de tensão na superfície do isolador de alta tensão é menor do que 0,50
kVrms/cm é evidente que, antes de ocorrer à descarga, a distribuição de tensão
sobre a superfície do isolador é muito pouco uniforme, e esta não uniformidade
aumenta dependendo do tipo do isolador.
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Figura 4.3 - Formação do flashover.
Todos os isoladores ao longo de uma linha de transmissão estão sujeitos a um
determinado grau de poluição do ambiente. Tecnicamente o flashover é a ocorrência de
arco voltaico entre condutores, ou partes energizadas, e partes aterradas da estrutura de
sustentação das linhas de energia elétrica, favorecida por um nível muito elevado de
contaminação, através das camadas de poluição ou de sal depositados na superfície dos
isoladores. Os estudos mostram que a energia da descarga elétrica necessária para
causar a falha do isolador é diretamente proporcional ao grau de poluição em sua
superfície, quando ocorre um arco voltaico. A presença de camadas condutivas ou
parcialmente condutivas, resultantes da poluição, afeta profundamente o desempenho
dos isoladores e podem causar "curto-circuito". Quando se chega a um grau de poluição
suficientemente intenso, tem-se a condição favorável para gerar um arco elétrico com
energia suficiente para causar o flashover, resultando na falha do isolador e conseqüente
interrupção do fornecimento de energia.
Os contaminantes possuem componentes condutores que influenciam a tensão de
crítica flashover, fornecendo em condições úmidas, uma cobertura condutiva na
superfície do isolador. O grau de contaminação superficial dos isoladores pode reduzir
significativamente a tensão na qual se produz a descarga disruptiva, a qual tira de serviço
a linha, conduzindo a cortes de energia não planejados e diminuindo a confiabilidade do
sistema. O componente inerte, por outro lado, é a porção do material sólido que não se
dissolve, porém, forma uma matriz mecânica na qual as partículas do componente
condutivo são incluídas internamente. Se as solicitações de tensão e corrente forem
suficientemente altas, as descargas podem estender-se por todo o comprimento da
cadeia, antes da extinção e produção da disrupção. A intensidade dos pulsos de corrente
de fuga é um bom indicador da condição do isolador e a intensidade de corrente é
decisiva para a descarga de arco. O fenômeno de flashover observado nos isoladores
elétricos tem um mecanismo relativamente complexo, e representa a conseqüência de um
processo indeterminado que acontece em sucessivos estágios, de acordo com uma
ordem bem definida.
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Níveis de poluição: Os diferentes níveis de poluição em isoladores elétricos podem ser
caracterizados em quatro níveis, segundo a norma IEC 60815: Tabela 1 – Classes de
contaminação e caracterização ambiental.
•
CLASSE I - Nível Baixo de Contaminação: Áreas sem instalações industriais;
Áreas agrícolas ou montanhosas; Áreas distantes 10 km a 20 km do mar, não
sujeitas à névoa salina.
•
CLASSE II - Nível Médio de contaminação: Área com indústrias que não emitem
poluentes atmosféricos ou áreas com média densidade populacional e industrial;
Áreas com alta densidade populacional e / ou alta densidade de instalações
industriais, freqüentemente expostas ao vento e /ou chuva; Áreas distantes da
costa (alguns quilômetros) e expostas a ventos marinhos.
•
CLASSE III - Nível Alto de Contaminação: Áreas com desenvolvimento industrial,
alta densidade demográfica ou grande cidades; Áreas marinhas, ou não, expostas
a tempestades relativamente fortes. Os isoladores submetidos a tempestades
fortes, por exemplo, em área com desenvolvimento industrial ou alta densidade
demográfica são de classe III, sendo sugerido que os discos distem 25 mm/kV,
para que seja evitado o flashover.
•
CLASSE IV - Nível Muito Alto de Contaminação: Áreas expostas à intensa
emissão industrial (poeira condutora ou fumaça); Áreas próximas à costa marinha
sujeitas à névoa salina e ventos marinhos fortes.; Áreas desérticas com extenso
período sem chuva exposta a tempestades de areia, névoa salina e condensação
regular.
Deposição e formação de camadas de contaminação: Os sais e poluentes diversos,
com o decorrer do tempo vão se depositando sobre a superfície do isolador (maresia,
grãos de areia, fuligem, etc.) até alcançar uma concentração elevada. A atmosfera
poluída favorece a formação dessa camada constituída por substâncias que, dissolvidas
em água, produzem soluções condutoras sobre a superfície do isolador.
Umidificação da superfície contaminada: O processo de umidificação, freqüentemente,
acontece sob condições de névoa ou orvalho, nas horas iniciais da manhã. Chuva e garoa
também podem causar efeito semelhante. A condensação representa um processo lento
de umidade durante o qual os contaminantes condutivos podem se dissolver
completamente. Enquanto a camada mantém-se seca não há alteração no
comportamento dielétrico. Durante um processo de umidificação, onde os sais contidos na
camada não sejam removidos, podem ocorrer arcos sobre a superfície, iniciando um
processo que pode chegar a uma descarga disruptiva (flashover).
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Figura 4.4 - Normatização IEC/TS 60815.
Aumento da corrente de fuga: Quando a camada de poluição torna-se úmida por
umidade, chuva, nevoeiro, etc. (na qual os contaminantes sólidos são dissolvidos) a
condutividade da camada superficial é estabelecida, sua resistência decresce e uma
apreciável corrente superficial de fuga circula sobre a superfície do isolador, entre fase e
terra, podendo então fluir, e resultando em aquecimento da camada por efeito Joule. A
condutividade inicialmente aumenta, enquanto a temperatura sobe.
Formação de bandas secas: A mais importante causa de perturbações nas superfícies
dos isoladores é a formação de bandas secas. A temperatura sobe e quando chega a
certo valor, a evaporação da água torna-se significativa, então a solução fica
supersaturada, geralmente de sais. A camada começa a secar nas zonas com maior
dissipação de energia e a condutividade destas zonas baixa rapidamente, até que chega
a zero. A distribuição do fluxo de corrente é então modificada e quando uma banda seca
completa é estabelecida, a maior parte da tensão aplicada no isolador é então imposta a
ela, devido a sua alta resistência. A densidade da corrente é maior em algumas partes,
geralmente nas mais estreitas, ou seja, ao redor do pino. Como essas regiões secam
mais rapidamente do que o restante, suas resistências aumentam, fazendo com que a
potência dissipada no local também aumente. Com isso uma condição de instabilidade se
desenvolve e é responsável pela formação de bandas secas ao redor do isolador
formando “gaps”.
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Geração de arcos parciais: Como estas bandas secas são isoladas, poderá ocorrer à
formação de centelhas através delas, até que aumente em largura, o suficiente para
suportar a tensão aplicada. A disrupção existirá se uma das descargas, através das
bandas secas, se estender através de toda a superfície úmida do isolador. Por causa da
concentração de correntes nos pinos do isolador, haverá algumas bandas secas que
suportarão a tensão de pico, até haver a formação de centelhas em uma delas. Quando
isso ocorrer, uma tensão maior é aplicada através das outras bandas, que irão
descarregar em sucessão. As descargas através das bandas secas usualmente irão se
extinguir justamente antes da tensão passar por zero. Os arcos também geram ozônio
que é um agente oxidante e causador de corrosão elétrica nos isoladores, agravando o
problema.
Participação das condições atmosféricas: A descarga por flashover é mais difícil em
tempo bom. Se as condições são favoráveis, mais facilmente ocorre o flashover e saída
de serviço da linha de transmissão ou equipamento. Uma formação de película úmida
contínua, por toda a altura de um isolador muito poluído, é capaz de conduzir corrente e
fechar um arco, levando a uma condução espontânea. Em decorrência disso, pode haver
a interrupção da passagem de energia elétrica pela linha. A existência de pulsos da
corrente de fuga, usualmente precede a fase final da descarga disruptiva (flashover) sob
poluição. A intensidade dos pulsos de corrente de fuga é um bom indicador da condição
do isolador e a intensidade de corrente é decisiva para a descarga de arco. A freqüência e
a amplitude desses pulsos crescem quando se aproxima a descarga, portanto o registro
dos pulsos decorrentes de fuga é um importante critério para controlar as condições de
poluição de um isolador e prevenir iminência de um (flashover.) Se a resistência da parte
seca da camada de poluição for muito baixa, os arcos não se extinguem, pelo contrário,
aumentam sua extensão ao longo da superfície do isolador. Esse fato, por sua vez,
diminui a resistência em série com os arcos, aumentado a corrente e permitindo aumentar
ainda mais sua extensão até que toda a superfície do isolador esteja coberta,
ocasionando uma descarga disruptiva (flashover). A corrente na linha é interrompida pela
ruptura do ar,ocasionando uma faísca, como ponte sobre esta banda seca e manterá a
corrente. O arco leva a corrente em um canal altamente concentrado liberando o calor sob
uma forma também muito concentrada. O arco pode estender-se longitudinalmente e, se
chega a cobrir uma parte crítica do caminho da fuga, o flashover definitivo será então
praticamente inevitável.
Saída de serviço da linha de transmissão ou equipamento: A etapa final é a formação
do flashover, propriamente dito. Com este problema, o flashover, sendo detectado pelo
sistema de segurança, este desligará a rede de transmissão de energia elétrica.
Resumindo: A contaminação superficial dos isoladores, pode reduzir significativamente a
tensão na qual se produz o flashover, que tira de serviço a linha, conduzindo a cortes de
energia não planejados e diminuindo a confiabilidade do sistema.
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4. TÉCNICAS DE LAVAGEM DE ISOLADORES AÉREOS DE
ALTA TENSÃO
Como normalmente é difícil prevenir a deposição de poluição na superfície do isolamento,
este deve ser projetado de modo que o seu desempenho sob flashover seja aceitável,
mesmo na presença de poluição. Nos casos em que esse objetivo não é atingido, outras
medidas, tais como lavagens periódicas, são adotadas. A lavagem de isoladores permite
reduzir o índice de defeitos na linha de transmissão, originados pelo acúmulo de poeira,
maresia, poluição industrial, monóxido de carbono emitido por veículos, etc. A vantagem
é que esta atividade pode ser realizada, seja qual for o terreno ou o ambiente, em linhas
energizadas ou desenergizadas, desde que haja utilização de equipamentos adequados e
pessoal especializado, conseguindo-se reduzir a corrente de fuga.
Nas linhas de menor tensão consegue-se reduzir a corrente de fuga que ocasiona a
queima de cruzetas e transformadores. Trata-se de investimento das concessionárias,
que obtém retorno através de melhoria nos índices de manutenção. A limpeza do isolador
é feita por intermédio de um jato d´água lançado sob pressão na forma de gotículas, na
superfície do mesmo. Com este método a lavagem da superfície dos isoladores é de alta
qualidade. Quanto maior a pressão do jato d´água acima de 600 psi a lavagem da
superfície dos isoladores será de melhor qualidade. Ao realizar esta tarefa com uma
pressão do jato d´água acima de 600psi todas as impurezas depositadas nos isoladores
é removida. Pela característica dielétrica da água que é pressurizada e lançada em forma
de gotículas, a corrente elétrica não é conduzida através do jato para o dispositivo, ou
seja, ao bico da pistola injetora que a esta lançando.
Figura 5.1 - Técnica de lavagem de isoladores.
Os métodos de lavagem de isoladores exigem salvaguarda de distâncias de segurança
entre o bico da pistola e as demais partes vivas energizadas, água com condutividade e
pressão adequadas.
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Conhecemos os seguintes métodos de lavagem de isoladores de alta tensão poluídos,
em seus respectivos locais de instalação:
•
•
•
Método de lançamento direto por aproximação do operador;
Método de lançamento indireto por telecomando;
Método de lançamento direto por meio de helicóptero.
Método de lançamento direto por aproximação do operador - Para a realização do
serviço de lavagem com este método, o eletricista/motorista deve se posicionar o dentro
das distâncias limites recomendadas para cada processo de limpeza. A aproximação
pode ser feita por meio de escalamento da própria estrutura ou por meio de guindastes
dependendo de cada situação ou da tensão da linha objeto do serviço. Durante a
execução da lavagem é preciso aterrar a carcaça e demais parte metálicas do caminhão,
através de um conjunto de aterramento provisório. É preciso aterrar o bico da pistola
injetora e usar luvas isolantes, para tanto o mesmo deverá utilizar luvas de algodão ou
isolantes adequadas à tensão da rede cujos isoladores estão sendo lavados. Para
garantir a segurança do operador que segura a pistola à mesma e devidamente aterrada
por meio de um fio condutor e uma haste fincada no solo.
Figura 5.2 - Método de lançamento direto por aproximação do operador
Por questões de segurança, é feita uma redução da condutividade na água utilizada,
procedendo a sua desmineralização ou seja utilizando água desmineralizada. Nos métodos
ou equipamentos que adotam pressões mais elevadas a água é lançada na forma de forma
de gotículas, na superfície do mesmo. Quando isto acontece, pela característica dielétrica
da água que é pressurizada e lançada sob a forma de gotículas, a corrente elétrica não é
conduzida através do jato para o dispositivo, ou seja, ao bico da pistola injetora que o está
lançando.
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Antes de iniciar a lavagem o operador deverá verificar a direção e o sentido do vento e
definir a seqüência de lavagem dos isoladores de acordo com o sentido do mesmo.
Evitando a assim respingo de água sobre o eletricista que executa a lavagem e sobre os
outros isoladores próximos Caso seja notado descargas parciais em uma saia do isolador
durante o processo de lavagem, o operador deverá manter o jato d`água na direção da
mesma até a sua extinção. Esta tarefa deverá ser supervisionada pelo outro eletricista,
componente da equipe de lavagem a fim de se resguardar as devidas distâncias
permitidas.
Recursos necessários:
• Tanque depósito para acumulação da água destilada da água de limpeza;
• Caminhão para transportar equipamentos ou Caminhão tanque com capacidade
para 7.500 litros d` água;
• Pistola de lavagem e mangueira para emissão e direcionamento do jato;
• Conjunto moto-bomba pressurização da água;
• Guidauto com cesto aéreo para posicionar o operador;
• Luvas isolantes;
• Medidor de resistividade;
• Conjunto de aterramento;
• 1 motorista;
• 1 eletricista operador;
• 1 auxiliar de eletricista para aterrar equipamento e operar o conjunto moto-bomba.
Figura 5.3 - Lavagem direta em linhas de transmissão e subestações.
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Periodicidade de Lavagem - A periodicidade de lavagem de isoladores é função dos
níveis de poluição, umidade, e tensão operacional imposta, como também do tipo de
isolador utilizado.
Distância de segurança - distancia de segurança recomendada entre o bico da pistola e
as demais partes vivas energizadas do ponto da instalação a ser lavado de 1,5m para a
15kV e 2,8 m para a de 69kV
Principais riscos associados - Esta técnica para recompor o isolamento de linhas e
subestações em áreas poluídas, através de jatos d‘água com condutividade
controlada é uma intervenção com Linha energizada, e como tal apresenta vários riscos
relacionados com:
• Queda do Eletricista;
• Choque Elétrico;
• Indução;
• Queda de Ferramentas e Materiais;
• Condutividade inadequada da água.
• Invasão das distâncias de segurança no espaço de várias partes energizadas;
• Grau de severidade elevado da poluição dos isoladores a serem lavados.
• Capacidade inadequada do equipamento de lavagem (comprometimento da
pressão).
Medidas Preventivas - Além de solicitar a liberação do bloqueio automático do circuito
deve-se atentar para as situações específicas da intervenção:
• Elaborar um planejamento participativo e de condução dos eletricistas, de forma
a com a respectiva análise de risco (APR);
• O pessoal de solo deve manter-se afastado da região abaixo dos locais onde
estão sendo realizadas as atividades aéreas;
• Manter constante supervisão;
• Antes de intervenção Inspecionar todos os equipamentos, ferramentas, e demais
acessórios;
• Atentar para o cumprimento das distâncias de segurança;
• Cumprir as técnicas normalizadas do método de lavagem;
• Controle da condutividade /mineralização da água;
• Especificação e manutenção adequada do equipamento lavagem.
• Controle do estado da poluição dos isoladores;
• Obediência às distâncias de segurança;
• Providenciar o aterramento temporário dos locais com indução;
• Inspecionar preliminarmente, de binóculo,em nível do solo e, em caso de
dúvida, o mais próximo possível do conector.
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Método de lavagem direta por meio de helicóptero - Neste sistema de lavagem de
isoladores de linhas de transmissão, as operações são feitas de um helicóptero utilizando
equipamento especial de lavagem. O equipamento, com 6,3 m de comprimento e até
2000psi de pressão é o de maior alcance de operação atualmente no mercado.
Figura 5.4 - Método de lavagem direta por meio de helicóptero.
Método de lavagem indireta com o uso de telecomando - Este método consiste na
lavagem dos isoladores em uma instalação elétrica energizada através de um dispositivo
com uma pistola injetora fixada em um robô instalado na extremidade de uma lança
telescópica não isolada. A pistola que esta fixada ao robô é telecomandada, através de
um sistema de rádio – controle. Deve-se se posicionar a uma distancia de segurança
recomendada entre o bico da pistola e as demais partes vivas energizadas do ponto da
instalação a ser lavada, conforme a tensão da linha ou equipamento objeto da lavagem.
O robô tem sobre o seu próprio eixo um giro de projeto. A movimentação da lança
telescópica pode ser feita através do controle de um guindauto. A bomba de
pressurização da água (água potável) pode ser acionada pelo próprio motor do veículo,
através de uma tomada de força que também aciona o guindauto, dispensando assim o
uso do motor acoplado à bomba. A água utilizada não precisar ser desmineralizada, com
o objetivo de se alcançar uma condutividade de desejada (Exemplo: 30µs) desde que seja
a água potável. O jato d´água é lançado sob pressão elevada na superfície do isolador,
sob a forma de gotículas. Não é preciso aterrar o bico da pistola injetora e nem o operador
do controle remoto usar luvas isolantes, para tanto o mesmo deverá utilizar luvas de
algodão. Outro eletricista deverá executar a tarefa de operar o controle remoto do robô, a
uma distância que o permita visualizar e controlar a direção do jato d`água sobre a
superfície do isolador. Como aspecto positivo tem-se a redução do risco para o
operador, tendo em vista que quem se aproxima da instalação elétrica para executar a
lavagem é o robô, que é controlado a distância pelo homem, o qual esta em uma posição
segurança e livre de acidentes. Com este método não há restrição de horário para se
executar a lavagem pode esta ser realizada em qualquer horário, inclusive o noturno.
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Figura 5.5 - Método de lavagem indireta com o uso de telecomando
CONTROLE DE REVISÕES
PÁGINA
VERSÃO
DATA DE APLICAÇÃO
MODIFICAÇÃO
Nota: Este material de treinamento foi elaborado com base na experiência dos
autores e no conjunto de informações de outras empresas do setor elétrico, sendo
utilizado exclusivamente para efeito de treinamento interno.
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CONSULTORIA – DESENVOLVIMENTO
E TREINAMENTO
A sobrevivência das empresas depende do aperfeiçoamento
de seus profissionais.
CURSOS SETORIAIS DE TREINAMENTO
E APERFEIÇOAMENTO
MEIO AMBIENTE – SEGURANÇA DO TRABALHO - ENGENHARIA CIVIL
CONSTRUÇÃO DE LINHAS AÉREAS DE ENERGIA – MANUTENÇÃO DE LINHAS DE
TRANSMISSÃO.
Home Page: www.coluna.eng.br
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lavagem de isoladores em alta tensão

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