Avaliação de Possíveis Causas de Falhas de Isoladores Poliméricos em Redes de Distribuição

Este post avalia as possíveis causas de falhas de isoladores poliméricos utilizados em redes de distribuição de energia elétrica. As falhas representariam a evolução de pequenas cavidades internas às unidades isolantes, as quais seriam submetidas a descargas parciais que crescentemente conduziriam o isolamento ao colapso em sua capacidade dielétrica. Na Figura 1 são ilustradas algumas situações que levaram a esse possível diagnóstico.

Figura 1 – Exemplo de unidade apresentando bolha interna e possível evolução até o seu colapso [1].

O tema já foi introduzido ao final do último post, e neste serão feitas considerações mais detalhadas, traduzindo pesquisas realizadas ao longo de mais de 10 anos. As desconfianças iniciais levaram empresas de distribuição de energia elétrica a passarem a realizar inspeções de raios x em todas as unidades a serem instaladas em seus sistemas.

Com o intuito de parametrizar o problema, o isolador e suas dimensões foram criteriosamente analisados, conforme ilustrações contidas na Figura 2e dimensões relacionadas na Tabela 1.

Figura 2 – Design do isolador
ABCDFDist. fuga
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Tabela 1 – Dimensões do isolador em mm

Foram adquiridos 254 isoladores, grande parte dos quais possuíam cavidades em seu interior, as quais foram detetadas e aferidas através de ensaios de raios x. Como a maioria das cavidades tinham um formato elipsoidal, suas dimensões foram caracterizadas pelos eixos “a”, “b” e “c”, centradas em suas coordenadas cartesianas x’, y’ e z’, como ilustrado em duas dimensões na Figura 3.

Figura 3 – Posicionamento de uma bolha genérica [2].

As simulações dos campos elétricos impostos às cavidades foram simulados com o suporte do aplicativo computacional CONSOL Multiphysics [3] acionado através de rotinas específicas elaboradas no MATLAB [4], para cada um dos formatos e localizações das cavidades detectadas. As geometrias envolvidas nas simulações compreendem o condutor, o isolador, a cavidade e o espaço de simulação (o ar circunvizinho ao isolador no formato de uma caixa). O arranjo completo encontra-se ilustrado na Figura 4.

Figura 4 – Modelo do isolador simulado, em 2D [2].

Os parâmetros utilizados para construir o modelo incluem as características dos materiais envolvidos [2]:

  • condutor de cobre (raio de 9,15 mm, para simulações 2D e comprimento de 1000 mm para simulações 3D);
  • caixa de ar (com lados medindo 300 mm para simulações 2D e profundidade de 1000 mm para simulações 3D);
  • dimensão “a” das cavidades variando em conformidade com as aferições feitas via raio x;
  • dimensão “b” das cavidades com uma dimensão fixa de 1,46 mm (valor médio obtido a partir das aferições via raio x);
  • permissividade relativa do ar = 1;
  • permissividade do material dielétrico, polietileno de alta densidade = 2,4;
  • permissividade do pino de aço = 0,000006.

As simulações foram conduzidas de tal forma a aplicar 33,85 kV (3pu) entre o condutor e o pino. Essa condição foi imposta com o objetivo de submeter o isolador a um campo elétrico elevado o suficiente para “possivelmente” iniciar o processo de descargas parciais sobre as cavidades.

ANÁLISE DOS CAMPOS ELÉTRICOS

De tal forma a identificar a possibilidade da existência de descargas nas cavidades, foram calculados os campos elétricos máximos submetidos às mesmas e feitas comparações com os valores críticos que poderia leva-las à ruptura, utilizando as curvas de Paschen [5]-[6] como balizadoras. Na Figura 5 são ilustrados os campos elétricos distribuídos ao longo de uma das unidades analisadas. Para todos os casos estudados os campos elétricos impostos às cavidades não excederam os valores críticos que poderiam levar ao surgimento de descargas.

Figura 5 – Exemplo da distribuição do campo elétrico em um dos isoladores analisados [4].

EXPANSÃO DAS ANÁLISES

Com o intuito de identificar situações que pudessem conduzir o isolador a desgastes por descargas parciais sobre eventuais cavidades em seu interior e com o domínio cada vez mais aprimorado da ferramenta computacional, as pesquisas foram direcionadas no sentido de considerar, também, a existência de camada de poluição depositada sobre a superfície dos isoladores. Foram simuladas, ainda, variações do posicionamento da cavidade e de sua geometria. Na Figura 6 é ilustrada a sequência de simulações realizadas. Na Figura 7 encontram-se registradas análises realizadas em região de maior campo elétrico.

Figura 6 – Ilustração da sequência de ensaios adicionais realizados [7].
Figura 7 – Ilustração da cavidade em região de maior concentração de campo elétrico [7].

Para essa região, foram plotados gráficos exemplificados nas Figuras 8 e 9, os quais registram o campo elétrico para as duas condições previamente comentadas (variação da geometria da cavidade e variação do campo elétrico aplicado).

Figura 8 – Campo elétrico na cavidade em função da variação de sua geometria [7].
Figura 9 – Campo elétrico na cavidade, com a dimensão “a” = 2,16 mm, em função da variação da tensão aplicada [7].

Ao se analisar os diversos resultados obtidos, foi possível construir os resumos apresentados nas Figuras 10 e 11, considerando a cavidade próxima ao condutor ou próxima ao pino, respectivamente. As tabelas constantes das figuras, registram os eventuais valores da tensão aplicada ao isolador que poderiam dar início às descargas parciais sobre as cavidades.

Figura 10 – Avaliação da condição cavidade próxima ao condutor [7].
Figura 11 – Avaliação da condição cavidade próxima ao pino [7].

Uma outra possibilidade analisada foi a presença de uma fissura na região de maior campo elétrico, conforme ilustração contida na Figura 12 e análise gráfica apresentada na Figura 13.

Figura 12 – Ilustração de uma fissura em região de maior campo elétrico [7].
Figura 13 – Análise gráfica relacionada à presença de um fissura na região de maior campo elétrico [7].
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RESUMO DOS RESULTADO OBTIDOS

Na Tabela 2 são resumidas as condições para que haja a disrupção elétrica no interior da cavidade, com dimensão “a” fixada em 2,16 mm, como também para a fissura apresentada na Figura 12, posicionados na região de maior campo elétrico (próximos ao pino). As dimensões da cavidade, quando fixadas, obedeceram os registros feitos através de raios x e resumidos na Figura 14.

Tabela 2 – Tensão aplicada ao isolador que poderia dar início a descargas parciais sobre a cavidade ou fissura [7].
Figura 14 – Dimensões das cavidades levantadas por raios x [2].

Os dois primeiros cenários descritos na Tabela 2 podem ocorrer muito raramente, no qual a cavidade esteja na posição de maior campo elétrico e o isolador seja submetido às sobretensões e níveis de poluição indicados na tabela. Essas condições, entretanto, caso venham a ocorrer, podem propiciar o início de um processo de degradação no interior da cavidade que cumulativamente redunde no colapso da unidade isolante. Por outro lado, a pior situação está relacionada com a possível existência de fissuras próximas à região de maior campo elétrico. Essa condição pode aparecer, na prática, especialmente quando a linha de distribuição é montada e um torque excessivo é aplicado sobre o isolador, na ocasião de sua fixação ao pino.

VALIDAÇÕES EXPERIMENTAIS

As conclusões obtidas através das simulações computacionais foram validadas através de ensaios laboratoriais [8], testes em campo e simulação em classe de tensão maior. Uma linha de distribuição experimental foi construída, na qual as 254 amostras de isoladores foram mantidos em operação por mais de três anos, sem demonstrar nenhuma indicação de ocorrência de descargas. As monitorações foram feitas através de detetor de ultrassom, raios ultra violeta e infravermelho [9]. Nas Figuras 14 e 15 são ilustradas as montagens experimentais implementadas.

Figura 14 – Montagens experimentais em laboratório [8].
Figura 15 – Linha de distribuição experimental [9].

Uma validação adicional foi buscada, também, a partir de simulações para uma cadeia de isoladores poliméricos de 500 kV. Na Figura 16 são resumidos os resultados alcançados. Pode ser observado que descargas parciais poderiam ser iniciadas a um nível de tensão de 1,5 pu, o que torna a presença de cavidades nessas unidades isolantes algo bem mais preocupante [7].

Figura 16 – Resultados de simulações sobre cadeia polimérica de 500 kV [7].

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CONCLUSÕES

A partir dos resultados das pesquisas, ressaltam-se as seguintes principais constatações:

  • os níveis de campo elétrico sobre eventuais cavidades no interior dos isoladores poliméricos utilizados em linhas de distribuição não alcançam valores que possam ativar descargas parciais sobre as mesmas;
  • nenhuma falha ou manifestação térmica ou elétrica nas unidades instaladas na linha experimental acusaram qualquer indício de descargas parciais nos 254 isoladores mantidos em operação por mais de 3 anos;
  • as aferições experimentais validaram as conclusões obtidas através das simulações computacionais.

Portanto, as pesquisas indicaram que as cavidades não podem ser fontes de descargas parciais, para a classe de tensão utilizada nas linhas de distribuição. Por outro lado, foi possível inferir que o risco de surgimento de descargas parciais aumentam, quando da existência de fissuras próximas ao pino dos isoladores. Tais inconformidades podem surgir no momento da fixação dos isoladores aos respectivos pinos, aplicando-se torque excessivo. Essa possibilidade foi reconhecida por um supervisor de montagem, responsável pela desmontagem da linha experimental.

PUBLICAÇÃO INTERNACIONAL DAS PESQUISAS

As pesquisas foram amplamente divulgadas em congressos (parcialmente), culminando com a publicação completa na IEEE Electrical Insulation Magazine, de Janeiro / Fevereiro de 2019, conforme cópia da capa e da primeira página do artigo, constantes da Figura 17 [10], o que muito orgulha toda a equipe envolvida.

Figura 14 – Capa da IEEE Elactrical Insulation Magazine de Janeiro / Fevereiro de 2019.
Figura 17 – Publicação internacional da pesquisa [10].

BIBLIOGRAFIA

[1] P. L. Mendonça, J. L. P. Dantas, J. M. B. Bezerra and R. R. B. Aquino, “Aplicação de Sensor de Ultrassom na Manutenção de Subestações e Linhas de Transmissão e Distribuição a partir de redes inteligentes”, in Congreso Latinoamericano de Distribucion Electrica., 2008, Mar Del Plata, Argentina.

[2] S. H. M. Silva, “Aplicação de Técnicas de Elementos Finitos para Mapeamento de Campos Elétricos sobre Cavidades Internas a Isoladores Poliméricos de 13.8 kV”, mastering dissertation in electrical engineering at Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), Brazil, 2013.

[3] COMSOL, “COMSOL Multiphysics User’s Guide”, Boston, United States, 2012.

[4] MATLAB, “The Language of Technical Computing”, Massachusetts, United States, The MathWorks, 2010.

[5] F. Gutfleisch and L. Niemeyer, “Measurement and simulation of PD in epoxy voids,” in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 2, no. 5, pp. 729-743, Oct. 1995. doi: 10.1109/94.469970.

[6] P. Morshuis, “Assessment of dielectric degradation by ultrawide-band PD detection,” in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 2, no. 5, pp. 744-760, Oct. 1995. doi: 10.1109/94.469971.

[7] D. S. Lopes, “Modelo de Elementos Finitos Aplicado na Avaliação de Desempenho de Isolantes em Ambientes Contaminados”, mastering dissertation in electrical engineering at Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), Brazil, 2016.

[8] J. M. B. Bezerra et al., “Application of Pattern Recognition Techniques to non Invasive Insulation Monitoring,” Conference Record of the 2008 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Vancouver, BC, 2008, pp. 96-99.
doi: 10.1109/ELINSL.2008.4570287.

[9] J. M. B. Bezerra, A. A. P. Silva, E. M. S. Neto, S. H. M. Silva and Z. D. Lins, “An experimental distribution line to develop a polymeric insulator monitoring system,” 2012 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Montreal, QC, 2012, pp. 798-802. doi: 10.1109/CEIDP.2012.6378901.

[10] J.M.B. Bezerra ; S.H.M.S. Rodrigues ; B.R.F. Lopes ; D. S. Lopes ; V.A.L. Ferreira, “Evaluating failures of polymer insulators in Brazilian distribution networks”. IEEE Electrical Insulation Magazine ( Volume: 35 , Issue: 1 , January-February 2019 ). Page(s): 38 – 44. DOI: 10.1109/MEI.2019.8575685 .

CO-AUTORES

Suelen H. M. Rodrigues nasceu em Recife, Pernambuco, Brasil, em 1984. Graduada em Engenharia Elétrica pela Universidade de Pernambuco, em 2010. Mestre em Engenharia Elétrica, pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), em 2013. Professora do Departamento de Engenharia Elétrica do Instituto Federal de Educação de Pernambuco e doutoranda do Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica da UFPE.

Bruno R. F. Lopes nasceu em Pernambuco, em 1988. Graduado em engenharia elétrica, pela UFPE, em 2010. Obteve o grau de Mestre em Engenharia Elétrica no Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) da UFPE, em 2018. Também trabalha como engenheiro da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (CHESF), no Departamento de Engenharia de Subestações.

Diego S. Lopes nasceu em Salvador, Bahia, em 1988. Graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), em 2011. Obteve o grau de Mestre em Engenharia Elétrica no Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) da UFPE, em 2016. Professor do Departamento de Engenharia Elétrica do Instituto Federal de Educação de Pernambuco e doutorando do PPGEE da UFPE.

Victor A. L. Ferreira nasceu em Recife, Pernambuco, em 1991. Graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade federal de Pernambuco (UFPE), em 2017. Obteve o grau de Mestre em Engenharia Elétrica no Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) da UFPE, em 2019. É engenheiro da INTEREST Engenharia e doutorando do PPGEE da UFPE.

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