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GLT/008

21 a 26 de Outubro de 2001Campinas - São Paulo - Brasil

GRUPO IIILINHAS DE TRANSMISSÃO (GLT)

INVESTIGAÇÃO DO COMPORTAMENTO A LONGO TERMO DE ISOLADORESPOLIMÉRICOS TIPO “LINE POST”, SUBMETIDOS A SOLICITAÇÕES ELETRO-

MECÂNICAS

Sussumu Valter Fukuda* João Nelson Hoffmann**

LACTEC COPEL

Suely Monteiro de Oliveira Marcos José Mannala José Mário M. SilvaLACTEC LACTEC LACTEC

RESUMO

Este trabalho apresenta resultados de ensaios eletro-mecânicos em isoladores poliméricos tipo “line post”de 138 kV, fabricados com saias de elastômeros deEPDM e Silicone. Os isoladores ficarampermanentemente carregados com o valor máximo dacarga mecânica nominal, e submetidos à tensão elétricade trabalho (80 kV, fase-terra), durante um período de5 anos ininterruptos em ambiente externo natural, como objetivo de se obter subsídios para sua aplicaçãofutura em linhas de transmissão urbanas, bem comoavaliar o desempenho global de isoladores poliméricosnessas condições

PALAVRAS-CHAVE

Linha de transmissão, isolador polimérico, line post,urbana, deflexão.

1 INTRODUÇÃO

Há cerca de 20 anos a COPEL – CompanhiaParanaense de Energia, iniciou o desenvolvimento deum padrão de linhas de transmissão compactas, nastensões de 69 kV e 138 kV, para atender subestações egrandes consumidores localizados em regiões urbanas.

Dos estudos para este novo padrão, resultaramcritérios de projeto, detalhamentos e diversas soluçõesinovadoras (vide referências [1],[2],[3] e [4]), queforam ao longo desses anos sendo aprimoradas emvista dos resultados obtidos em cerca de 40 linhas de

transmissão urbanas desse tipo já construídas noParaná.

Para que estas linhas urbanas apresentassem umreduzido impacto visual, já desde o início optou-se pordeterminados critérios, tais como:

- estruturas compostas por um único poste, deseção circular

- diâmetro reduzido na base e no topo dospostes

- postes com altura total reduzida, variando de18 a 22 m

- utilização de isoladores tipo “line post”, deporcelana, que na época era o material maisconsagrado para esta finalidade.

No entanto, o surgimento do isolador “line post”com saias em material elastomérico (EPDM ousilicone) motivou a necessidade de investigação destesnovos produtos por serem menos sujeitos aovandalismo, facilitarem a construção da linhas detransmissão, serem mais leves que o isolador deporcelana e por apresentarem bom comportamente emregiões poluídas. Porém, por serem materiais denatureza orgânica estariam mais suscetíveis à poluiçãoe agentes de intemperismos, tais como, radiação ultra-violeta, calor e umidade.

Os isoladores poliméricos, no entanto, temapresentado duas barreiras na aplicação às linhas detransmissão de alta tensão: A inexistência de normastécnicas que levem em consideração as diferenças entremateriais (porcelana e polimérico), e odesconhecimento da expectativa de vida útil do

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isolador “line post” polimérico. Enquanto anecessidade de normas técnicas vem sendogradualmente suprida ([5], [6]), a questão da vida útilcontinua sendo objeto de pesquisas, e este será oprincipal foco deste Informe Técnico.

De fato, os isoladores poliméricos vêm sendocada vez mais utilizados para resolver problemas deaplicação, poluição excessiva e/ou vandalismo, porémpouco ainda é conhecido acerca de sua performanceapós 30-40 anos de vida. Em complemento, outraincerteza é o quanto das características mecânicas doisolador serão mantidas ao longo do tempo, vistoestarem também simultaneamente submetidos à tensãoelétrica. Já foi sugerido no passado que os isoladorespoliméricos “line post” poderiam perder sua resistênciamecânica gradualmente e entrar em colapso ao final dedeterminado período, porém tem sido aceito que istoaparentemente não ocorre se a carga mecânica nãoatingir um determinado nível crítico [7].

Com o objetivo de acrescentar subsídios a estaspesquisas e permitir uma avaliação da possibilidade deutilização de isoladores poliméricos “line post” emlinhas de transmissão urbanas, o LACTEC, emconjunto com a COPEL, instalou uma bancada paraensaios mecânicos de longa duração. A finalidade desteprojeto é avaliar o comportamento dos isoladoresquando submetido às intempéries naturais,simultaneamente à carga mecânica e sob tensão elétricanominal.

Para a execução do protótipo foi fundamental acolaboração dos seguintes fabricantes, os quaiscederam amostras para os testes: Electrovidro, OhioBrass, Reliable e Lapp. A montagem foi concluída em1994, sendo que em 2000 foram retiradas 4 amostraspara as avaliações de laboratório, cujos resultadosestão resumidos neste Informe Técnico.

2 DESCRIÇÃO DAS INSTALAÇÕESCinco isoladores foram instalados sobre um poste,

às margens da BR 116, sendo este local escolhido emfunção da atmosfera levemente poluída. Os isoladoresficaram energizados na tensão nominal dos isoladores,80 kV, simulada através de um transformador depotencial (TP).

Para proteção das instalações e segurança depessoal, o local foi cercado e sinalizado com placas deadvertência, e lâmpadas sinalizadoras.

O painel de proteção, localizado no interior dobarracão de onde sai a alimentação do TP, destina-se amonitorar a tensão na entrada do TP, além deapresentar um disjuntor para proteção.

Figura 1. Foto ilustrativa das instalações

Foram selecionadas 6 amostras de diferentesfabricantes (uma delas de reserva), submetidas à tensãoelétrica de trabalho sendo que a deflexão de cadaisolador (abaixamento do terminal sob carga) foimedida regularmente por meio de teodolito.

Os valores aplicados foram os seguintes:

Tabela 1. Carga mecânica e tensão aplicada

Amostrano

Carga mecânica(kgf)

Tensão aplicada(kV)

1 450 802 490 803* 630 804 1200 805 600 803 630 80

As medições de deflexão dos isoladores foramefetuadas por meio de um teodolito instaladoeqüidistante da extremidade do isolador e do centro doposte, onde foi instalada uma régua. Os pontos dealinhamento são marcados com piquetes, sendo asmedições realizadas em pontos previamenteestabelecidos.

3 ACOMPANHAMENTO DAS DEFLEXÕES

3

A deflexão final em mm após 4 anos da aplicação dacarga está indicada abaixo, valores em excesso àquelemedido no primeiro dia de instalação.

DATA Amos-tra 1

Amos-tra 2

Amos-tra 3

Amos-tra 4

Amos-tra 5

Out-98 2,9 20 15 16 15

0

5

10

15

20

25

Jan-95 Jul-95 Fev-96 Ago-96 Mar-97 Set-97 Abr-98 Nov-98 Mai-99

Data da leitura [mmaa]

Defle

xão a

cum

ula

da [

mm

]

Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5

Figura 2. Gráficos mostrando o acompanhamentoda deflexão ao longo dos 5 anos

4 ENSAIOS REALIZADOS APÓS 5 ANOS

Ensaios de Materiaisa) Análise do estado da superfície das saias após 5anos de exposição às intempéries:

Através da técnica de Microscopia Eletrônica deVarredura-MEV foram obtidas as imagens dasuperfície das saias dos isoladores após 5 anos deexposição aos agentes de intemperismo, permitindofazer uma comparação entre o estado de degradaçãodas superfícies dos diferentes materiais nesse período.

Figura 3. Imagem da superfície do isolador 1

Figura 4. Imagem lateral da superfície do isolador 1com trincas em torno de 20µm.

Figura 5. Imagem da superfície do isolador 2

Figura 6. Imagem da superfície do isolador 3

Figura 7. Imagem da superfície do isolador 4A imagem da superfície do isolador 1 mostra

maior degradação do que as imagens dos outros

4

isoladores. As imagens das superfícies dosisoladores 2 e 3 também estão mais degradadas quea superfície do isolador 4. Essa degradação porém,praticamente não afeta o “bulk” do material.Apesar do maior índice de poluentes (maiorcondutividade) sobre a saia do isolador 4, este seencontra em melhores condições que os demais,indicando que este material é o menos suscetível àdegradação por radiação ultra-violeta.b) Análise da condutividade da superfície

O objetivo deste ensaio foi verificar ahidrofobicidade do material de confecção das saiasdos isoladores, através da medida de condutividade domateriais agregados a superfície devido a poluiçãoambiental após 5 anos de exposição. As amostrasforam coletadas com o auxílio de espátula e pincel deuma área de 3cm2 na saia mais próxima a base defixação e na saia mais próxima ao lado fase. Cadaamostra foi diluída em 10 ml de água milli-q (águaultra pura) e ensaiada em condutivímetro Digimedatravés da técnica eletroquímica. A análise deamostras de ambos lados do isolador foi realizada coma intenção de verificar a eventual influência do campoelétrico na aderência de poluição, sendo que osresultados não indicaram a evidência deste fator.

A tabela abaixo apresenta os resultados obtidosnos 8 pontos das 4 amostras de isoladores.

Tabela 2. Medidas de condutividade

BASE DEFIXAÇÂO

CONDUTIVIDADEµS/cm a 25°C

Água 1,82Amostra 1 7,59Amostra 2 8,79Amostra 3 6,46Amostra 4 57,5

LADO FASEAmostra 1 6,53Amostra 2 12,33Amostra 3 10,14Amostra 4 44,80

Ensaios ElétricosApós o envelhecimento natural de 5 anos, 4

amostras foram retiradas, sendo realizados os seguintesensaios:a) Tensão de descarga em 60 Hz, a seco:Cada amostra foi submetida à aplicação de tensão atéque ocorresse a descarga disruptiva de contorno, sendoanotado o respectivo valor de tensão. O procedimentofoi repetido por 5 vezes e os resultados constam naTabela 3.

Tabela 3. Resultados para tensão de 60 Hz

Amostra Valor médio Valor de catálogo

a seco (isolador novo)1 400 kV 530 kV2 451 kV 490 kV3 430 kV 490 kV4 458 kV 422 kV

b) Tensão de descarga em 60 Hz, sob chuva:Cada amostra, em situação de chuva artificialconforme recomendações de [1], foi submetida àaplicação de tensão até que ocorresse a descargadisruptiva de contorno, sendo anotado esse valor. Oprocedimento foi repetido por 5 vezes.

Tabela 4. Resultados para tensão de 60 Hz

Amostra Valor médioSob chuva

Valor de catálogo(isolador novo)

1 418 kV 460 kV2 313 kV 430 kV3 340 kV 430 kV4 308 kV 379 kV

c) Impulso atmosférico (U50%), a secoCada amostra foi submetida à aplicação de tensão deimpulso, por 30 vezes em cada polaridade, utilizandoo método “up & down” , sendo os resultados indicadosnas Tabelas 5 e 6.

Tabela 5. Resultados para tensão de impulsoatmosférico a seco – Polaridade Positiva

Polaridade PositivaAmostra

ImpulsoAtmosférico (U50%)

Valor de catálogo(isolador novo)

1 870 kV 800 kV2 785 kV 760 kV3 783 kV 760 kV4 694 kV 699 kV

Tabela 6. Resultados para tensão de impulsoatmosférico a seco – Polaridade Negativa

Polaridade NegativaAmostr

aImpulso

Atmosférico (U50%)Valor de catálogo(isolador novo)

1 1123 kV 870 kV2 891 kV 865 kV3 895 kV 865 kV4 823 kV 751 kV

d) Impulso de manobra (U50%), sob chuvaCada amostra foi submetida à aplicação de tensão deimpulso, por 30 vezes em cada polaridade, utilizandoo método “up & down” , com aplicação de chuvaartificial conforme [1]. Os resultados constam naTabela 7 .

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Tabela 7. Resultados para tensão de impulso demanobra sob chuva

Impulso de manobra – U50%AmostraPolaridade Positiva Polaridade Negativa

1 718 kV 757 kV2 717 kV 735 kV3 708 kV 815 kV4 603 kV 642 kV

Da análise das tabelas acima nota-se que, para osisoladores poliméricos do tipo “linepost” após 5 anosde aplicação, não foram constatados valorespreocupantes de redução na suportabilidade paraimpulsos atmosféricos ou impulsos de manobra. Noentanto, no que se refere ao comportamento desseisoladores à tensão industrial de 60 Hz, tanto à secoquanto sob chuva, conclue-se que na maioria dos casoshouve uma redução significativa na suportabilidade,podendo chegar a valores da ordem de 70 a 90 % doisolador novo, possivelmente devido à poluiçãosuperficial acumulada nas saias.

Ensaios MecânicosNa seqüência das investigações serão ainda

realizados ensaios de carga de ruptura vertical (videreferência [2] - “Cantilever Failing Load Test”) sobreas amostras envelhecidas, com a finalidade decomparação com os valores nominais.

5 ENSAIOS REALIZADOS APÓS A PRIMEIRAFALHA

Após 3 meses da aplicação da carga, a amostra no 3*falhou (vide Figura 8), rompendo o isolador em suabase de fixação. Foram realizados os ensaios deinspeção visual por meio de microscopiaestereoscópica com aumento de 5 vezes, ensaio depenetração de fucsina e determinação do teor de resinae identificação, que permitiram apontar a causaprovável da falha.

Baseados na observação dos corteslongitudinais feitos nos dois terminais do isoladorrompido após e meses de operação, observou-se que aproteção da interface saia-eixo-terminal da base defixação era menos robusta que a proteção da interfacedo lado fase. Este lado, menos protegido, é aquele ondeocorre o valor máximo de deflexão máxima de 595kgfdurante a instalação, sendo, portanto um ponto bastantevulnerável. Durante a solicitação mecânica pode terhavido a abertura de um espaço ou fenda permitindo aentrada de umidade que veio a danificar o isolador empouco tempo.

Figura 8. Detalhe do rompimento

Figura 9. Ensaio de fucsina

Como o exame do material das saias próximoà região da falha não revelou a presença de fissuras ourachaduras na borracha por onde a umidade pudessehaver penetrado, supõe-se, mais uma vez, que oproblema está na interface dos materiais.

O ensaio de penetração de fucsina demonstraque no lado fase onde não houve ruptura mantem-seíntrego o material do eixo.

Os teores de resina praticamente iguais nostrês pontos são indicativos de que a falha não ocorreudevido ao material do eixo ou das saias e sim devido aoprojeto deficiente de contrução do isolador em si.

6 CONCLUSÃOApós 5 anos de acompanhamento sobre 5 amostrase após retiradas 4 destas amostras e feitos diversostestes de laboratório, pode-se concluir os seguintespontos:

- Os valores de deflexão tenderam a umaestabilização ao longo dos cinco anos deobservação.

- Os ensaios de materiais indicaram que osisoladores (saias) encontram-se em condiçõessatisfatórias após 5 anos de instalação,

- Os isoladores envelhecidos não apresentaramcomprometimento de sua suportabiliadade asurtos de manobra ou atmosféricos, porém suasuportabilidade a 60 Hz foi reduzida de 70 a90 % do valor inicial.

- A ruptura em uma unidade logo após suainstalação, cuja causa foi a penetração deumidade no bastão de fibra de vidro,

6

demonstrou a fundamental importância doprojeto das vedações terminais sobre odesempenho do isolador em serviço.

Os resultados obtidos por esta bancada de ensaios,embora ainda pendente da realização de ensaiosmecânicos sobre as amostras envelhecidas, jápermitem antever com boas perspectivas apossibilidade do uso de isoladores poliméricos tipo“linepost” nas linhas de transmissão urbanas da Copel,em 69 e 138 kV.A experiência obtida com esta instalação permitiráainda uma otimização da especificação técnica domaterial no que se refere a quesitos de deflexãonominal, sistema de vedações terminais e valoresnominais para ensaios eletromecânicos.

7 BIBLIOGRAFIA

[1] C. Martin, A. Soncin e C. F. Loewenthal -Experiência Com Uma LT 69 kV Urbana - VISNPTEE, Camboriú, 1981

[2] C. Martin, A. Soncin e N. H. C. Santiago – RI eTVI Em Decorrência de LTs 138 kV UrbanasCompactas na Copel – VII SNPTEE, Brasília,1983

[3] J. N. Hoffmann - Aterramento de Linhas deTransmissão em Áreas Urbanas – XI SNPTEE,Rio de Janeiro, 1991

[4] N. Prosdocimo – Diretrizes Para Projetos deLinhas Aéreas de Transmissão Compactas Urbanas– SALTEE, Belo Horizonte, 1996

[5] IEC TC-SC-36B - Composite Line Post Insulatorsfor a.c. overhead lines with a nominal voltagegreater than

[6] LWIWG-02 - CEA Purchasing Specification, LinePost Composite Insulator For OverheadDistribution Lines 1000V: Definitions, testmethods and acceptance criteria.

[7] Nonceramic Insulators: The Key Is LifeExpectancy – Electrical World, September, 1990