XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica

SENDI 2008 - 06 a 10 de outubro

Olinda - Pernambuco - Brasil

Análise do Uso e Desempenho em Campo de Isoladores em Polietileno Tipo Pino em Redes de Cabo Nu de 15kV da CELPE

A. A. F. Santos A. M. Formiga P. C. InoneCELPE CELPE LACTEC

aldenisa@celpe.com.br aldoformiga@celpe.com.br inone@lactec.com.brC. M. Queiroz A. S. G. Junior M. Munaro

CELPE CELPE LACTECceciliano@celpe.com.br agomes@celpe.com.br munaro@lactec.com.br

Palavras-chave Corrente de FugaDegradaçãoEnvelhecimentoFalha de IsolamentoIsolador Polimérico

ResumoNeste trabalho, isoladores do tipo pino, moldados em polietileno de alta densidade (PEAD), foram recolhidos de instalações elétricas de 15 kV após 15-42 meses de uso e submetidos a diversas análises e ensaios com o intuito de se fazer uma avaliação do nível de degradação dos mesmos, devido os vários desligamentos ocorridos tendo como causa falha de isolamento. Os isoladores foram retirados de três regiões diferentes do estado de Pernambuco.O problema mais grave, detectado entre os isoladores da Marca 1 e da Marca 2 com formulação antiga, foi o da suscetibilidade ao stress cracking (fissuração por esforço mecânico). O stress cracking pode provocar falhas mecânicas e ou elétricas, devido à formação de trincas no corpo dos isoladores. A suscetibilidade ao stress cracking é uma característica de alguns polietilenos e pode ser detectada através de ensaio normalizado. Os resultados mostraram que, as condições superficiais dos isoladores envelhecidos em campo variaram de fabricante para fabricante e também de região para região de procedência. Degradação superficial em nível avançado foi encontrada em isoladores de dois fabricantes. Em regiões litorâneas, o nível de degradação superficial dos isoladores foi maior do que o encontrado em isoladores provenientes de regiões menos agressivas.

1. IntroduçãoA utilização de isoladores poliméricos em linhas de transmissão e redes de distribuição vem crescendo continuamente em virtude das vantagens que apresentam com relação aos

tradicionais isoladores de porcelana e vidro. Em 1999 nos Estados Unidos, os isoladores poliméricos representavam cerca de 60 a 70% dentre os novos isoladores instalados naquele país[1]. Na CELPE a instalação de isoladores poliméricos iniciou-se em 1994 e atualmente representam cerca de 97% dentre os novos isoladores instalados. Uma das qualidades apresentadas pelos isoladores poliméricos reside na sua excelente hidrofobicidade quando ainda novos, conferindo-lhes superior performance em ambientes de alta poluição e umidade. Outras qualidades incluem: baixo peso, grande resistência ao vandalismo e elevada razão resistência mecânica/peso. Entretanto, os isoladores poliméricos apresentam desvantagens como: estão sujeitos a mudanças químicas superficiais devido ao intemperismo e descargas superficiais; estão sujeitos ao trilhamento e erosão, que podem provocar a falha do isolador; tem durabilidade difícil de ser avaliada; confiabilidade desconhecida a longo prazo, apresentam falhas difíceis de se localizar.Nas últimas décadas grande quantidade de estudos, pesquisas e desenvolvimentos foram produzidos em torno do tema isoladores poliméricos. Dentro deste tema, podem ser encontrados na literatura trabalhos sobre isoladores de epóxi, isoladores compósitos e isoladores híbridos. Os isoladores de epóxi foram os primeiros isoladores poliméricos a serem introduzidos no mercado, sendo até hoje utilizados. Posteriormente, foram desenvolvidos os isoladores compósitos, que são constituídos por um núcleo de resina reforçada com fibra de vidro, recoberto com material elastomérico, geralmente silicone ou EPDM. Recentemente foram introduzidos os isoladores híbridos, que possuem um núcleo de porcelana recoberto com elastômero de silicone.Com relação aos isoladores de polietileno, tem-se notado até o presente momento na literatura, a ausência de trabalhos descrevendo, com base científica, o seu comportamento em campo e em laboratório. Os isoladores de polietileno são normalmente utilizados em redes compactas, onde existe a necessidade de se estabelecer compatibilidade dielétrica com a cobertura isolante polimérica dos cabos condutores. A utilização de isoladores de polietileno em redes de cabos nus surge como uma experiência pioneira, visando a redução de custos para a concessionária, tendo em vista o seu menor custo frente aos isoladores cerâmicos. O estudo do comportamento do material polimérico utilizado na composição dos isoladores é de fundamental importância para avaliar a vida útil destes produtos.Durante um período do tempo de análise, verificou-se um aumento no número de desligamentos tendo como causa falha de isolamento, na análise de tais desligamentos foi verificado um alto índice de falhas em isoladores poliméricos da Marca 1 e 2. Devido à falta de histórico de uso, a CELPE iniciou trabalhos de análise e avaliação do desempenho em campo dos isoladores poliméricos tipo pino em redes de cabo nu. Após a substituição dos isoladores, amostras foram recolhidas para análise, sendo coletadas amostras de localidades com diferentes condições ambientais e com período de instalação entre 15 a 42 meses. Tais isoladores foram submetidos a diversas análises e ensaios em laboratório, com o intuito de se fazer uma avaliação do nível de degradação dos mesmos, comparativamente aos corpos-de-prova novos. Durante os ensaios foi detectado entre os isoladores das Marcas 1 e 2, com formulação antiga, uma alta suscetibilidade ao stress cracking (fissuração por esforço mecânico). Tal problema pode provocar falhas mecânicas e ou elétricas, devido à formação de trincas no corpo dos isoladores. A suscetibilidade ao stress cracking é uma característica de alguns polietilenos e pode ser detectada através de ensaio normalizado. Ao longo do período de análise, os isoladores poliméricos das Marcas 1 e 2 sofreram modificação na sua formulação, com também a Especificação de Isolador Polimérico Tipo Pino foi modificada visando atender as novas necessidades de aquisição da CELPE.

2. DesenvolvimentoIsoladores poliméricos estão sendo cada vez mais utilizados e ganhando uma grande fatia do mercado de componentes elétricos devido as suas vantagens em relação aos isoladores tradicionais de vidro ou cerâmicas, como por exemplo: baixo peso, alta resistência mecânica, melhor resistência ao vandalismo, melhor resistência às condições de poluição em ambientes úmidos e melhor performance elétrica, entretanto quando do início da utilização de isoladores poliméricos tipo pino nas redes de distribuição da CELPE, houve um grande índice de desligamentos tendo como causa falha de isolamento, provocando interrupção de carga, perda de faturamento, aumento dos índices de DEC e FEC das redes de distribuição e insatisfação do cliente. Apresentamos uma análise e avaliação do desempenho em campo dos isoladores poliméricos tipo pino em redes de cabo nu, durante o período de 2003 a 2007, período em que foram realizados ensaios em laboratório, com os resultados das amostras recolhidas nas redes de distribuição da CELPE, comparado aos resultados de amostras de isoladores novos dos mesmos fabricantes. A Tabela 1 apresenta os índices de falha de isolamento envolvendo isoladores poliméricos durante o período estudado.

Tabela 1 – Índice de Falha em Isoladores Poliméricos 2003 a 2007.Ano Total de desligamentos

com causa de falha de isolamento.

Total de desligamentos com causa de falha de isolamento em isoladores poliméricos.

Percentual de falha em isoladores poliméricos em relação ao total.

2003 196 115 59%2004 215 94 44%2005 166 43 26%2006 137 36 26%2007 101 21 21%

2.1 Metodologia de Coleta e Descrição das AmostrasAs amostras de isoladores utilizadas nos estudos foram coletadas de localidades com diferentes condições ambientais, como tempo de uso em torno de 15 a 42 meses e nas regiões com maiores índices de falha de isolamento, sendo algumas unidades recolhidas após a substituição realizada por falha de isolamento, tendo algumas dessas unidades apresentado perfurações, trincas e trilhamento elétrico, visto na inspeção visual. Foram retiradas 20 unidades e definidas três regiões que, por suas características, deveriam provocar solicitações de diferentes naturezas sobre os isoladores:

LitoralFaixa litorânea do município de Olinda com características de agressividade ambiental e salinidade, abrangida pela a área de operação e manutenção metropolitana norte.

Região da Zona da MataEsta região foi escolhida pelo fato de ter clima úmido. As amostras foram retiradas de localidades abrangidas pela área de serviços de rede do Cabo de Santo Agostinho.

Região do SertãoEsta região tem como característica, clima semi-árido. As amostras foram retiradas de localidades abrangidas pela área de serviços de rede de Serra Talhada.

2.2 EnsaiosOs isoladores retirados da rede elétrica da CELPE foram submetidos a diversas análises, e seus resultados foram comparados com resultados de isoladores novos do mesmo fabricante, com o objetivo de efetuar uma avaliação do nível de degradação dos mesmos, comparativamente aos corpos-de-prova novos. Apresentamos a seguir os principais ensaios realizados, bem como, seus resultados.

2.3 Inspeção VisualOs isoladores foram inicialmente submetidos à análise por inspeção visual com o objetivo de efetuar uma avaliação preliminar do nível de degradação dos mesmos, comparativamente aos corpos-de-prova novos, e de localizar eventuais trincas e fissuras produzidas no corpo da amostra durante o período de uso.Foi verificada a ocorrência de alterações resultantes do envelhecimento, visíveis a olho nu, como perda de brilho, aparecimento de manchas, mudanças de tonalidade e esfarelamento superficial e perfurações. Um dos principais sinais de degradação observados na maioria das amostras foi o de erosão nas saias, conforme Figura 1, tanto na face superior quanto na face inferior. Esta erosão varia de intensidade de uma amostra à outra; entretanto observa-se que a erosão é mais agressiva em isoladores que ficaram um maior tempo em exposição.

Figura 1 – Isolador com marcas de erosão nas saias.

2.4 Radiografia IndustrialUma das principais causas de falha dos isoladores utilizados em redes de distribuição e transmissão de energia elétrica é a existência de vazios na estrutura dos materiais utilizados na fabricação. Os vazios na estrutura dos isoladores poliméricos que podem ser originados durante o processo de moldagem por injeção dos isoladores, como resultado do preenchimento irregular do molde, ou por trincas ocasionadas pela fadiga devida aos estresses mecânicos e térmicos sofridos durante a operação ou, ainda, pela má colocação de massa de fixação no isolador. Utilizando a técnica de radiografia industrial é possível visualizar, de maneira não destrutiva, defeitos internos na forma de vazios e bolhas de ar, também é possível observar com mais detalhes, trincas e fissuras presentes nos isoladores. Trincas e fissuras podem surgir como conseqüência de solicitações mecânicas mais intensas ou devido à ação do calor e fluidos agressivos. Foram observados defeitos em apenas seis dos isoladores analisados, com formação de bolhas que se concentram na região da cabeça do isolador, conforme Figura 2.

Figura 2 – Radiografia mostrando uma grande bolha com formato irregular e uma bolha pequena esférica na cabeça do isolador.

2.5 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)Análise por MEV foi efetuada a fim de se efetuar uma análise mais precisa das condições superficiais das amostras. Pequenos pedaços, com dimensões aproximadas de 8x8x3 mm, foram retirados da face superior da saia superior dos isoladores analisados. Os pedaços foram colados sobre porta - amostras e recobertos com uma fina camada de ouro. Imagens obtidas no MEV, com ampliação de 1000 vezes foram fotografadas e utilizadas nas análises. Os resultados indicaram pequenas ondulações que consistem de defeitos produzidos durante o processo de fabricação. A despeito destas ondulações entretanto, não são observados sinais apreciáveis de degradação superficial nas amostras com menos de um ano de uso, numa amostra com 29 meses de uso, foi evidenciado a ocorrência de erosão superficial em cerca de 50% da área observada. Finalmente, uma amostra com 42 meses de uso, mostrada na Figura 3, apresenta quase toda a superfície tomada pela erosão superficial. Os resultados mostraram ainda que a região litorânea é a mais agressiva para o isolador, produzindo degradação progressiva na sua superfície.

Figura 3 – Imagem obtida por MEV.

2.6 Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por Raios-X (XPS)O princípio envolvido na técnica de XPS, que é também conhecida como análise química por espectroscopia de elétrons (ESCA). Os espectros de XPS foram obtidos da superfície da saia dos isoladores. Corpos-de-prova na forma de plaquetas com 10 mm x 10 mm x 1 mm, foram extraídas da região superficial dos isoladores, onde a degradação era visivelmente mais severa. Em todas as amostras foram detectados carbono (C), oxigênio (O) e silício (Si). Em algumas amostras foram detectados alumínio (Al) e nitrogênio (N). Entre os elementos

encontrados, apenas o carbono faz parte da estrutura molecular do polietileno. Os outros elementos podem ter sido incorporados como aditivos ou como impurezas na formulação do material. A presença de nitrogênio em quase todas as amostras é devido à presença de aditivos antioxidantes na formulação do material e a presença do oxigênio indica ocorrência de oxidação do material. Observa-se que, com o envelhecimento, ocorre aumento no teor de oxigênio e redução concomitante no teor de carbono na superfície de todas as amostras, evidenciando o processo de degradação oxidativa sofrida pelo polietileno.

2.7 Caracterização Mecânica do Material dos IsoladoresA caracterização mecânica dos materiais novos e envelhecidos foi efetuada através de ensaio de tração, de acordo com a norma ASTM D 638[2], e através de análise dinâmico-mecânica (DMA).

2.7.1 Ensaio de TraçãoNeste ensaio, o corpo-de-prova é preso pelas extremidades por meio de garras e submetido à deformação em modo de tração. Uma análise dos resultados demonstra que os valores de elongação máxima, no isolador da Marca 1, tais valores são muito baixos, revelando que o material é bastante frágil, os outros isoladores possuem elongação máximas em torno de 320% que são valores considerados satisfatórios.

2.7.2 Análise Dinâmico-mecânica (DMA)No ensaio dinâmico-mecânico mede-se a resposta (deformação) de um material submetido a uma solicitação mecânica de natureza cíclica, normalmente senoidal. Como a tensão mecânica aplicada e a deformação resultante geralmente estão defasadas uma da outra, duas grandezas podem ser definidas:

(i) Módulo de elasticidade (E’) . Representa a parcela reversível da deformação, isto é, a

deformação que é integralmente recuperada após a tensão ser removida.

(ii) Módulo de perda (E’’) . Representa a parcela irreversível da deformação. Decorre da

dissipação de energia mecânica sob a forma de calor.

Os resultados obtidos indicam que o módulo de elasticidade dos isoladores é satisfatório, significando que o polietileno utilizado é flexível.

2.8 Caracterização Elétrica do Material dos IsoladoresA caracterização elétrica do material de isoladores novos e envelhecidos foi efetuada por meio de medidas de resistividade e de permissividade relativa. As medidas foram efetuadas em placas cortadas de isoladores.

2.8.1 Resistividade volumétricaAs medidas de resistividade volumétrica foram efetuadas com base na norma ASTM D 254 [3], os valores observados foram bastante elevados, demonstrando que o envelhecimento no campo não afetou significativamente a resistividade.

2.8.2 Permissividade RelativaAs medidas de resistividade volumétrica foram efetuadas com base na norma ASTM D 150 [4], os valores observados foram inferiores a 3, atendendo às especificações normalmente utilizadas.

2.9 Medidas de Corrente de FugaA corrente de fuga de um isolador é considerado um bom indicativo de suas condições superficiais e do grau de severidade da poluição local. Neste sentido, efetuaram-se medidas de corrente de fuga nas amostras envelhecidas a fim de avaliar o seu nível de degradação. As medidas foram efetuadas inicialmente sob névoa limpa, as amostras provenientes de região litorânea foram também submetidas à névoa salina. O ensaio revelou que as superfícies dos isoladores eram essencialmente hidrofóbicas, uma vez que a condensação de névoa sobre as mesmas formava discretas gotas ao invés de molhá-las.

2.10 Ensaio de multiestressamentoO ensaio de multiestressamento consistiu em uma adaptação do ensaio de compatibilidade dielétrica que é efetuado em material da rede compacta. Originalmente, o ensaio consiste na montagem dos acessórios, que incluem cabos cobertos, espaçadores, isoladores, laços de amarração e anéis de amarração. O sistema montado é submetido à tensão elétrica, ciclos de aspersão com solução salina e aplicação de correntes elevadas ao condutor, para provocar sobre-aquecimento. Durante o ensaio foram observadas descargas parciais na superfície do eixo dos isoladores (região localizada entre as saias), com ocorrência de uma leve erosão superficial, porém em unidades com trincas pré-existentes, ocorreram descargas disruptivas, causando perfurações no isolador, devido o contato com o cabo condutor aquecido a 90ºC, provocando a propagação da trinca até o topo, conforme Figura 4. Nas análises dos desligamentos foi mostrado um isolador que sofreu o mesmo tipo de falha quando estava instalado na rede elétrica. No ambiente externo, além do aquecimento pelo condutor, há também o aquecimento prolongado pela radiação solar, principalmente em regiões de alta insolação.

Figura 4 – Isolador que apresentou falha.

2.11 Ensaios de Resistência à Fissuração (Stress Cracking)No ensaio de resistência à fissuração efetuado de acordo com a norma ASTM D 1693 [5], algumas amostras não sofreram fissuração após 72 horas de ensaio. Todos os corpos-de-prova para a amostra da Marca 1, sofreram fissuração com apenas 2 horas de ensaio, enquanto que todos os corpos-de-prova para a amostra da Marca 2 sofreram fissuração após 25 horas de ensaio. A análise demonstrou que alguns isoladores que sofreram falha de isolamento no campo, são mais suscetíveis ao stress cracking, sua natureza frágil é bastante acentuada.. Este mecanismo de falha é bastante peculiar e só pode ser detectado através de ensaio específico, durante o período de análise foi realizada uma revisão na norma incluindo esse ensaio.

3. ConclusõesDurante o período de análise alguns fabricantes modificaram a formulação de seus isoladores, e foram normatizados novos ensaios a fim de se detectar possíveis falhas no composto ou no isolador já montado. Os desligamentos com causa de falha de isolamento foram reduzidos, enfatizando dessa forma uma melhoria na qualidade atual dos isoladores, resultando num melhor desempenho da rede e da qualidade do fornecimento de energia elétrica da CELPE. Os ensaios realizados com os isoladores retirados do campo nos levam a concluir que:

Os resultados indicam que, após aproximadamente quatro anos de uso, os isoladores de polietileno apresentam degradação apenas superficial. Testes mecânicos e elétricos revelaram que a degradação ainda não atingiu o interior dos isoladores. Se o tempo de vida útil dos isoladores for determinado pelos resultados destes testes, pode-se dizer que este tempo ainda não foi atingido;

A degradação superficial é provocada pela radiação UV e ocorre de forma mais severa em isoladores instalados na orla marítima, a degradação superficial aliada à contaminação pelo sal pode causar a elevação das correntes de fuga superficiais;

O problema mais grave, detectado entre os isoladores da Marca 1 e Marca 2, foi o da suscetibilidade ao stress cracking (fissuração por esforço mecânico). O stress cracking pode provocar falhas mecânicas e ou elétricas, devido à formação de trincas no corpo dos isoladores. A suscetibilidade ao stress cracking é uma característica de alguns polietilenos e pode ser detectada através de ensaio normalizado. Isoladores confeccionados com polietilenos suscetíveis ao stress cracking não devem ser utilizados;

Testes efetuados em laboratório revelaram que no interior das bolhas presentes na cabeça dos isoladores, descargas parciais não ocorrem, ao contrário do que se pensava anteriormente. A confirmação deste fato foi obtida pela inspeção visual em cortes de isoladores contendo bolhas, que foram envelhecidos em campo e em laboratório. As superfícies destas bolhas eram lisas e brilhantes, sem sinais de erosão ou trilhamento que poderiam fornecer indícios da ocorrência de descargas parciais;

Portanto, a presença de pequenas bolhas no interior dos isoladores não deverá ter efeito sobre o seu desempenho. Entretanto, deve-se considerar a possibilidade da ocorrência de uma eventual bolha com dimensões críticas que podem afetar seu desempenho. Sob este aspecto, a inspeção dos isoladores utilizando radiografia, que tem sido feito rotineiramente, deverá ser mantida;

Com o propósito de se evitar acidentes, e tendo-se em vista que a natureza termoplástica do polietileno implica em amolecimento e distorção sob temperaturas acima de 130°C, deve-se tomar precauções contra situações que possam gerar sobre-aquecimento dos isoladores. Neste sentido, é aconselhável fazer uma revisão dos valores limites utilizados na proteção por sobre-corrente para falhas fase-terra e efetuando-se,

caso necessário, a substituição de equipamentos de proteção antigos por outros mais modernos que permitam a ampliação destes limites.

4. Referências Bibliográficas R. Hackam, “Outdoor HV Composite Polymeric Insulators”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol.6, pp.557-585 (1999).

2 ASTM D 638 – 95: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics. Annual book of ASTM Standards, vol.08.01: Plastics.

3 ASTM D 257 – 93: Standard Test Method for DC Resistance or Conductance of Insulating Materials. Annual book of ASTM Standards, vol.10.01: Electrical Insulation and Electronics.

4 ASTM D 150 – 95: Standard Test Method for AC Loss Characteristics Permittivity (Dielectric Constant) of Solid Electrical Insulation. Annual book of ASTM Standards, vol.10.01: Electrical Insulation and Electronics.

5 ASTM D 1693 – 95: Environmental stress cracking of ethylene plastics. Annual book of ASTM Standards, vol.08.01: Plastics, p.396-407.