A partir deste post, a visão do site foi expandida para abranger tecnologias associadas à distribuição de energia elétrica. Neste post, serão enfocados, especificamente, os isoladores utilizados em linhas aéreas.
Basicamente a função dos isoladores é suspender os condutores, isolando-os das estruturas, conforme ilustração contida na Figura 1. No desempenho dessa importante missão os isoladores são submetidos a diversas solicitações mecânicas:
- forças verticais exercidas pelo peso dos condutores, ferragens e acessórios;
- forças horizontais axiais exercidas pela diferença de tração entre vãos adjacentes;
- forças horizontais transversais exercidas pelo vento pressionando os condutores .
Por outro lado, esse componente também tem que suportar as solicitações elétricas impostas, as quais são agrupadas em:
- tensão normal e sobretensões em frequência industrial;
- surtos de sobretensões de manobra;
- sobretensões de origem atmosférica.
No desempenho de suas funções, entretanto, os isoladores podem vir a falhar. Esses eventos indesejáveis se caracterizam por falhas internas e falhas externas. As falhas internas, também chamadas de perfuração, estão intrinsecamente relacionadas com a existência de bolhas ou trincas incorporadas ou no processo de fabricação ou na montagem das cadeias nas estruturas, respectivamente.
Diante dessas solicitações impostas durante todo o tempo de vida útil, os isoladores devem possuir características que incorporem extrema robustez, durabilidade, resistência a choques térmicos e perfeito acabamento que permita minimizar o efeito corona e suportar a agressividade da poluição ambiental reinante.
Após a borracha, inicialmente utilizada como isolante, passou-se a usar a porcelana, o vidro e materiais poliméricos. Na Figura 2 são ilustrados estatisticamente um retrato da aplicação desses materiais como isolante para linhas de transmissão. Observa-se o agrupamento por classe de tensão (inferiores a 230 kV e superiores a 230 kV). Na ocasião do levantamento, o uso de isoladores poliméricos ainda era insipiente, entretanto esse novo tipo de material isolante vem paulatinamente ganhando espaço perante os demais.
Nesse resumo estatístico não estão consideradas as classes inferiores a 69kV, nas quais vem se observando o uso massivo de isoladores poliméricos, principalmente em 15kV, largamente utilizados nas linhas de distribuição primárias.
As características físico-geométricas dos isolantes aéreos se agrupam em mono corpo e multi corpo. Os mono corpos, como o próprio nome descreve, são constituídos de corpo único o que norteia todo o seu processo industrial, o qual tem que primar por não introduzir bolhas internas indesejáveis. Os multi corpo surgiram no afã de minimizar tais inconformidades. Na Figura 3 são ilustrados os dois agrupamentos descritos.
O crescimento das classes de tensão para atender a transmissão de energia a lugares cada vez mais longínquos também passou a inviabilizar a industrialização de isoladores mono corpo, dado às suas dimensões crescentes, ao seu peso, dificuldades intrínsecas de montagem e ao risco de falhas industriais associadas à presença de bolhas e impurezas. Na Figura 4 são ilustradas algumas das últimas espécies de isoladores mono corpo fabricados, na qual se observa dois tipos de isoladores de suspensão, sendo o primeiro denominado “pilar”, onde o condutor repousa na parte superior da cadeia e a mesma é fixada à estrutura por parafusos inferiores, sobre a cruzeta. No segundo tipo o condutor é fixado na parte inferior da cadeia, a qual é conectada à estrutura, sob a cruzeta.
A busca por superar os desafios da transmissão de energia elétrica relacionados ao crescimento das classes de tensão e consequente aumento do tamanho das cadeias de isoladores conduziu ao surgimento dos isoladores tipo disco, ilustrado na Figura 5. A concepção deste tipo de isolador representou um marco fundamental para se planejar e conceber linhas de transmissão de Extra (230 e 500 kV) e Ultra Alta Tensão (superiores a 500 kV), uma vez que se poderia montar cadeias compostas por tantos discos isolantes quanto necessários, em conformidade com a classe de tensão da linha. Incorporou, portanto, um referencial histórico para a transmissão de energia, possibilitando o “desbravar” de regiões cada vez mais remotas, nunca antes imaginadas. Observe as diversas partes que compõem o isolador (partes metálicas em aço galvanizado, compõem a campânula e o pino; dielétrico inicialmente de porcelana e depois substituído pelo vidro e, finalmente, a argamassa de cimento, a qual faz a fixação das partes metálicas com o dielétrico).
Esses isoladores passaram a ser construídos em geometrias diversificadas para atender diferentes necessidades de montagem e às agressividades ambientais reinantes. Na Figura 6 são ilustrados alguns tipos de geometria.
O desenvolvimento tecnológico levou à concepção dos isoladores poliméricos. A inovação voltou-se principalmente para encapsular bastões isolantes de fibra de vidro através de revestimentos à base de borracha de silicone, conforme ilustração contida na Figura 7. Nesta figura, inclusive, é feita uma analogia com os bastões isolantes utilizados para manutenção de linhas energizadas pelo método à distância com o novo isolador concebido, já nos idos da década de 60. A grosso modo, o desafio foi conceber uma vestimenta que permitisse proteger o bastão e, ao mesmo, aumentar as distâncias elétricas envolvidas, permitindo, desta forma, a permanência desse novo isolante em operação contínua. De certa forma, representa o retorno ao modelo mono corpo, em outro nível tecnológico, fabricado para atender a requisitos específicos do projeto da linha. Esses isoladores agregaram valores substanciais ao projeto, à construção e à manutenção das linhas de transmissão, destacando-se suas principais características: leveza, fácil manuseio e montagens, resistentes a ações vandálicas, minimização de partes metálicas e consequente redução das ações corrosivas, como também o aumento considerável das distâncias elétricas envolvidas, como será visto a seguir.
Figura 7 – Evolução tecnológica dos isoladores poliméricos. Fotos gentilmente liberadas pela CHESF.
Apesar do crescente aumento da aplicação de isoladores poliméricos, diante de suas grandes vantagens é importante ressaltar a preocupação relacionada com o seu tempo de vida e as dificuldades associadas à localização do elemento com falha, uma vez que o colapso se dá de forma relativamente obscura, dificultando sobremaneira a sua visualização e conduzindo a consequentes aumentos nos tempos de indisponibilidade da instalação. Tais situações têm motivado diversas pesquisas acadêmicas, no sentido de desenvolver técnicas de diagnóstico que indiquem a existência de defeitos incipientes, alertando para a necessidade de substituição da unidade, antes que venha a ocorrer o colapso indesejável.
Por outro lado, os isoladores cerâmicos ainda possuem espaço cativo no setor elétrico, principalmente relacionado com as buchas dos equipamentos em subestações, conforme são ilustrados na Figura 8.
Voltando às distâncias elétricas comentadas anteriormente, elas estão relacionadas com as condições operacionais do isolador e são ilustradas na Figura 9, para alguns tipos. Nela é possível inferir que o estado da superfície do dielétrico compromete o desempenho operacional da unidade isolante: as distâncias de descarga a seco (A), sob chuva (B) e sob umidade e poluição (C) precisam ser criteriosamente definidas no design final desses isoladores, no afã de assegurar um bom desempenho dessas unidades isolantes, quando em operação, a despeito de eventual agressividade do meio ambiente no entorno da linha de transmissão. É possível verificar, por comparação, que as cadeias poliméricas agregam uma distância elétrica total bem superior à soma das distâncias envolvidas em uma cadeia equivalente formada por diversos isoladores de disco, fato que enaltece o desempenho dos poliméricos em ambientes poluídos.
A agressividade da região atravessada pela linha de transmissão passa a ser, portanto, um referencial importante na especificação do isolamento necessário a assegurar um bom desempenho da linha de transmissão. Internacionalmente, inclusive, se passou a padronizar as regiões, em conformidade com os níveis relacionados na Tabela 1. Nesta tabela, observa-se a inclusão da grandeza “Equivalent Salt Deposit Density” (ESDD), a qual procura traduzir o nível equivalente de sal depositado na superfície do isolador, após um período entre chuvas. Verificar que o ESDD é medido em mg/cm2, significando que o volume de sal equivalente é dividido pela área da superfície do dielétrico que compõe o isolador [4].
| Níveis | Classificação | Faixa de ESDD (mg/cm2) |
| A | Atmosfera limpa | 0,00 – 0,032 |
| B | Contaminação muito leve | 0,032 – 0,056 |
| C | Contaminação pesada | 0,056 – 0,123 |
| D | Contaminação muito pesada | Maior que 0,123 |
Tabela 1 – Padronização da agressividade do meio ambiente [4]
As normas passaram, inclusive, a recomendar a quantidade de isoladores de disco, por cadeia, em conformidade com o nível de poluição da região atravessada pela linha, de acordo com a formulação ilustrada na Figura 10 [4].
Já para linhas de distribuição, os isoladores comumente utilizados são do tipo pino, conforme ilustrações registradas na Figura 11. Esses já são poliméricos, largamente utilizados, em substituição aos fabricados tradicionalmente em porcelana.
Figura 11 – Isoladores tipo pino (porcelana, vidro e polimérico). Catálogos diversos.
Os mesmos problemas apontados para os isoladores na transmissão também persistem para os utilizados na distribuição: tanto as questões relacionadas com a poluição, quanto os defeitos internos causados por bolhas ou fissuras. Na Figura 12 encontra-se registrado vídeo específico, o qual procura resumir projeto de P&D conduzido com o propósito de desenvolver método de diagnóstico que sinalizasse a presença de bolhas no interior desses isoladores. Esse tema será objeto específico de um próximo post.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Como visto, os isoladores desempenham uma função essencial na transmissão de energia elétrica, assegurando os níveis de tensão desejáveis aos diversos consumidores atendidos pela linha. Não obstante, o desempenho dessas unidades é diretamente associado à agressividade do ambiente. Na Figura 13 é ilustrada essa sensibilidade, enfocando uma cadeia de isoladores inserida em meio ambiente cuja umidade e poluição, medida em ESDD, são simuladas variando de 0 a 100% e 0,009 a 0,9 mg/cm2, respectivamente. No eixo vertical são registrados os níveis de tensão de descarga, em kV. Verifica-se que, a partir de 70 % de umidade relativa a tensão de descarga diminui drasticamente, se agravando sensivelmente com os níveis da poluição depositada na superfície do dielétrico.
Nos próximos posts esses temas serão aprofundados, procurando-se aferir questões práticas vivenciadas em parceria com empresas do Setor Elétrico Nacional.
BIBLIOGRAFIA
[1] Santos N. Isoladores de Linhas de Transmissão do Sistema Elétrico Brasileiro – Parte II – Avaliação de Desempenho. XVII Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica (SNPTEE). 2003.
[2] Fuchs R. D. Transmissão de Energia Elétrica. Livros Técnicos e Científicos S. A.1979.
[3] Fuchs R. D. Transmissão de Energia Elétrica. EDUFU. 2015.
[4] ABNT IEC/TR 60815. Guia para Seleção de Isoladores sob Condição de Poluição. ABNT. 2005.
[5] Projeto P&D-UFPE/UFCG/CELPE. Estudo para Aplicação de Sensor de Ultra-som como Técnica Preditiva na Manutenção de Subestações e Linhas de Transmissão e Distribuição. UFPE. 2011.
[6] Naito K., Mizuno Y., Naganawa W., A Study on Probabilistic Assessment of Contamination Flashover of High Voltage Insulator. IEEE Transactions on Power Delivery. 1994.
Transmissão e Distribuição em Foco 
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