Consideração de uma nova aplicação para isoladores de núcleo oco de composto

Desde sua introdução nos anos 80, Os isoladores de núcleo oco de composto assumiram uma posição importante nos diversos campos de aplicação da técnica de isolamento de alta tensão, como em terminações de cabos, buchas, isoladores para VTs/CTs, LTB e DTB etc. Embora seja bastante difundida, novas aplicações são consideradas, nas quais as versões de cerâmica tradicionais representam o padrão atual. Este artigo destaca a abordagem do estabelecimento para a técnica de núcleo oco de composto no ambiente de pós-aplicação da estação e faz algumas considerações técnicas sobre a adaptação da já consagrada técnica de núcleo oco de composto às necessidades particulares da nova aplicação descrita. 

A. Panorama 
A norma básica tradicional para isoladores de poste de estação é IEC 60273 "Características dos isoladores de poste internos e externos para sistemas com tensões nominais superiores a 1.000 V". No entanto, a última revisão de 1990-02 abrange apenas designs feitos de material cerâmico ou vidro para níveis de tensão de resistência a impulsos de raios acima de 325 kV (Um=170 kV). Somente para níveis abaixo de 325 kV (Um=170 kV) também são descritos designs feitos de material orgânico, cujos elementos para suporte de carga normalmente se baseiam em núcleos sólidos.

A norma IEC 62231 "Isoladores de poste de estação compostos para subestações com tensões de corrente alternada superiores a 1.000 V até 245 kV", em recém-revisão, mostra bem a limitação atual da técnica de composto para determinados comprimentos, sendo uma dificuldade básica dos designs de núcleo sólido atuais. 

O ambiente de padronização descrito acima aponta claramente a situação: as tensões de sistema para designs de composto atuais (núcleo sólido) são limitadas, uma vez que os diâmetros (e, assim, por fim, o comprimento) obtidos por essa técnica são limitados. Os níveis de tensão mais altos são proporcionados pela técnica de cerâmica, na qual uma técnica de empilhamento é comum para atingir as alturas necessárias até diversos metros. Essa situação obviamente sugere que a técnica de núcleo oco de composto é uma opção indicada para cobrir aplicações de poste de estação em comprimentos/níveis de tensão elevados usando as técnicas de fabricação bem praticadas para designs de peça única de até 12 metros e até mais. 

B. Composto X Porcelana  

Basicamente, não é possível comparar designs compostos com a técnica de porcelana em detalhes, uma vez que as várias propriedades técnicas são muito diferentes, e a comparação direta causará confusão e conclusões erradas de qualquer maneira. No entanto, os dados de aplicação finais podem e devem ser comparados de maneira natural, na medida em que são relevantes para o serviço, ou seja, deflexão sob determinada carga, cargas de ruptura etc.

A Figura 1 mostra, de maneira exemplar para um SPI C10-1050, uma comparação dos três designs conhecidos. Tudo sendo projetado para uma carga descendente de flexão do cantiléver de 10 kN e uma tensão de resistência a impulso de raios de 1.050 kV, o design de porcelana mostrará a menor deflexão, mas de longe o maior peso do triplo. O design de núcleo oco de composto, preparado como referência nessa comparação, mostra um peso um pouco menor do que o da variante sólida, ao mesmo tempo em que tem uma deflexão menor considerável. Os valores de deformação mostrados foram calculados para a caixa
Euler 1, e o valor numérico para o tipo de núcleo oco de composto tem aproximadamente 50 toneladas.

Será preciso observar que, no exemplo mostrado, a porcelana já usa a técnica de empilhamento, e o composto de núcleo sólido já varia na classe de comprimento superior da técnica, e o design de núcleo oco é bem aberto tendo em vista mais ampliação em termos de altura/tensão, mesmo sem empilhamento.

Os isoladores de núcleo oco de composto têm sido bem introduzidos em diversas aplicações, e o comportamento mecânico é bem conhecido e descrito na norma de produto relevante, ou seja, IEC 61462 "Isoladores ocos de composto – Isoladores pressurizados e não pressurizados para uso em equipamentos elétricos com tensão nominal superior a 1.000 V". Ao entrar agora em uma aplicação que tradicionalmente era oferecida apenas por porcelana, a questão da comparabilidade surge mais uma vez. 

Por causa da natureza dos materiais diferentes, as propriedades mecânicas são basicamente diferentes.  Porcelana é um material "digital", sólido ou quebrado, e os materiais de composto começam a se danificar a partir de um certo nível de carga. Isso é respeitado nas normas indicadas definindo-se o referido limite de danos, acima do qual podem ocorrer destruições irreversíveis, mas ainda sem uma ruptura mecânica final.

O exposto acima é um fato consumado e, assim, constitui uma questão importante sempre que se tenta fabricar compostos comparáveis a porcelanas. O capítulo de padronização abaixo dará mais alguns detalhes a esse respeito.

A leveza dos designs de composto em comparação com a porcelana os torna basicamente a primeira escolha sempre que aplicações com requisitos sísmicos significativos são levadas em consideração. A qualificação de uma bucha de 245 kV a gás, por exemplo, realizada por cálculo estático de acordo com a norma IEC TS 61463 "Buchas – qualificação sísmica", confirma uma resistência à aceleração horizontal ao solo de até 2,9 g. Esse resultado pode ser transferido diretamente para aplicações de poste de estação, uma vez que o peso é o principal fator determinante nas preocupações sísmicas.

Por fim, em relação a isso, é preciso notar se as normas reais levam em consideração acelerações ao solo de 0,5 g mesmo como "fortes" a "muito fortes". 

A. Enchimentos em geral  

Normalmente, o tópico da entrada de vapor da umidade é um problema com todos os isoladores de composto expostos a condições ambientais. Um isolador de composto, fabricado a partir de fibras ligadas por matriz de resina e revestido por carcaça de polímero, definitivamente tem um MVTR diferente de zero. Em princípio, a direção da transmissão do vapor de umidade segue o gradiente da situação de saturação de ambos os lados, conforme descrito na figura 3. 

Basicamente, o vapor de umidade transmite do lado com mais umidade para o lado com menos umidade. Em aplicações bem conhecidas, como terminações de cabos, buchas etc., nas quais um condutor portador de corrente está dentro, esse "aquecimento interno" está ajudando a limitar o gradiente, ou mesmo invertê-lo em favor do interior. O termo normalmente usado "secagem natural" para esse fenômeno não é tecnicamente correto, mas combina muito bem com a situação. Além disso, em algumas aplicações, como equipamentos cheios de gás, técnicas de secagem estão implantadas de alguma forma, e podem resolver devidamente a entrada do vapor de umidade. 

Em comparação com as aplicações mencionadas acima, SPI é uma aplicação passiva, "morta", sem nenhum aquecimento por dentro. Isso cria a necessidade de resolver devidamente o interior. 

A investigação de MVTR tem sido objeto de diferentes atividades e publicações em todo o ramo; como exemplo, em [1], verificou-se 33,55 g de umidade ao longo de 40 anos de exposição a 95% de umidade relativa a 40 °C por um tipo de OD=166 mm/L=1,6 m. 

Naturalmente, a umidade é uma companheira detestada em qualquer sistema de isolamento de alta tensão, mas, por fim, a influência dela deve ser levada em consideração, na medida em que ela não pode ser evitada. O mais interessante foi, em caso de algum enchimento gasoso, por causa de mudanças de temperatura, o ponto de orvalho é atingido e a condensação acontece. Essa poderia ser uma condição operacional drástica com falta de energia em potencial do sistema de isolamento. De qualquer maneira, também no caso de qualquer enchimento líquido ou sólido é preciso levar em consideração que influência a umidade de entrada terá. A possível alteração de determinadas propriedades de design HV, como resistência à ruptura, fator de perda dielétrica etc., deve ser levada em consideração. 

Avaliando as possibilidades para o design do interior, em poucas palavras, os fatos são:   

• Só deixar o interior oco é, certamente, o método mais fácil, mas isso dependendo mais dos ciclos ambientais do local em especial; se as fases de alta umidade dominarem, acontecerá um acúmulo interno de umidade. A influência das mudanças de temperatura, especialmente as rápidas, levará à condensação. 
• Os sistemas de enchimento sólido mostram uma avaliação mais positiva em qualquer aspecto, exceto no peso.
• Os enchimentos líquidos são semelhantes aos sistemas sólidos, mas as necessidades de vazamento e monitoramento em potencial são poucas.
• Os enchimentos a gás (exceto a pressão atmosférica ambiente) podem mostrar uma necessidade de monitoramento e ter problemas de vazamento em potencial. A condensação também deve ser considerada, mas pode ser resolvida pela aplicação de dessecante convencional. 
• O enchimento de espuma apresenta avaliação positiva em todos os aspectos.

B. Enchimentos de espuma em especial   

A espuma, principalmente à base de poliuretano, tem sido objeto de investigações no setor de HV há muitos anos. Isso a deixou interessante para considerar e qualificada como um meio de enchimento interno. 

Em primeiro lugar, as próprias investigações se concentraram no desempenho da pane elétrica. Os ensaios mostraram que a resistência à ruptura é de aproximadamente 3-4 kV/mm (AC RMS) para a configuração de placa redonda com espessura de amostra de 6, 5 a 10 mm. Com espumas formuladas especialmente, sabe-se que o desempenho pode até ser melhorado [ou seja, 2, 3, 4]. 

 Por fim, o comportamento a longo prazo da espuma e, assim, o desempenho elétrico de SPI em relação a MVT, foi objeto de um amplo programa de testes, conforme descrito abaixo. O esquema de teste é mostrado na figura 7

Inicialmente, como "condicionamento", um "teste em interfaces e conexão de acessórios axiais" de acordo com IEC 61462, 7.2/IEC62217, 9.2 foi realizado. Este teste consiste em um teste de flashover AC inicial, ciclos de carga termomecânicos, bem como pré-tensão de imersão em água, seguido de confirmação por testes de impulso frontal íngreme e, por fim, um teste de flashover AC novamente. Essa série de testes foi aprovada com êxito. 

Depois de um período de repouso de 1,5 ano em ambiente externo normal, o objeto de teste foi exposto a 100% de umidade relativa, ao mesmo tempo energizado com 11,4 mm/kV CA (após um curto período, a tensão teve que ser reduzida para 14,2 mm/kV por causa de restrições do laboratório). A tensão foi mantida constante por aproximadamente 2,5 anos. Contados a partir da exposição à tensão e à alta umidade, depois de 1, 3, 1, 8 e 2, 5 anos um ensaio de tensão de impulso frontal íngreme (IEC 62217, 9.2.7.2.) foi realizado em um dado momento. Eles não causaram nenhum flashover interno, mas apenas flashovers externos, logo, os testes foram aprovados com êxito.  

O estresse contínuo após 2, 5 anos de exposição à tensão e à umidade foi, por exposição, a 100% de umidade relativa apenas. A fonte da tensão não está mais disponível. Dois outros testes de verificação de impulso frontal íngreme foram realizados, um 2 anos após a desenergização, outro 5, 6 anos após a desenergização. O objeto de teste agora chegou a aproximadamente 10, 5 anos de exposição a 100% de umidade relativa. 

Os isoladores de composto de núcleo oco têm cobertura de IEC 61462 "Isoladores ocos de composto – Isoladores pressurizados e não pressurizados para uso em equipamentos elétricos com tensão nominal superior a 1.000 V".  Essa norma, no entanto, não abrange isoladores de suporte. 

Os isoladores de suporte de núcleo sólido de composto têm cobertura da norma IEC 62231-1, Ed. 1.0: "Isoladores de poste de estação de composto para subestações com tensões CA superiores a 1.000 V até 245 kV". Essa norma, no entanto, não abrange tipos de núcleo ocos e, além disso, é limitada a projetos de até 245 kV. 

Para todas as qualificações relacionadas a materiais, ambas as normas mencionadas acima estão se referindo a IEC 62217 – "Isoladores poliméricos HV para uso interno e externo". 

A falta de definição por uma norma de produto foi identificada durante a realização dos primeiros projetos com clientes, há quase dez anos. No entanto, levou algum tempo até que a IEC aceitasse um NWIP por volta de 2011. A criação da futura norma IEC 62772 – "Isoladores de poste de estação de núcleo oco para subestações com tensão CA superior a 1.000 V e tensão CC superior a 1.500 V" está vinculando as normas existentes mencionadas acima, construindo, assim, um padrão de produto para a aplicação debatida. 

 A próxima IEC 62772 fará referência à IEC 61462 para preocupações de núcleo oco de composto, à IEC 62231 para preocupações de poste de estação de composto e à IEC 62217 para todas as preocupações relacionadas a materiais. Com isso, um sistema de aceitação é oferecido para todas as aplicações relacionadas a isoladores de núcleo oco de compostos atuais. 

Conforme mencionado acima, um tópico principal na criação da norma era gerenciar ainda melhor um vínculo indicado com as filosofias existentes sobre aplicações de poste de estação, mais precisamente, estabelecidas nas IEC 62231 e IEC 60273, a fim de deixar o novo sistema compreensível e fácil de aceitar para os usuários. 

A norma de isoladores de núcleo oco de composto, IEC 61462, não especifica testes em relação a cargas de torção e compressão, uma vez que as aplicações atendidas até o momento não constituem necessidade disso.  As descrições existentes em IEC 62231, inclusive os testes de qualificação indicados, foram transferidas para a nova norma IEC 62772 de maneira idêntica. As características dos designs de núcleo oco não são consideradas para impor restrições sobre o aplicativo. 

O tópico mais interessante foi como alinhar as diferentes definições de carga de flexão, para se ligar ao conceito MDCL já bem apresentado da IEC 62231 para projetos de poste de estação sólido de composto. 

Por fim, o alinhamento foi feito por meio da configuração da carga de cantiléver do design máximo (MDCL – Maximum Design Cantilever Load) de acordo com IEC 62231, nível de carga acima do qual começam a ocorrer danos no isolador e que não devem ser excedidos em serviço) igual a 1,25 vezes de carga mecânica máxima (MML – Maximum Mechanical Load) de acordo com IEC 61462 que deve ser aplicada ao isolador de núcleo oco de composto em serviço). Isso constituirá as seguintes condições e relações de teste:

• A) Pré-tensão termomecânica Essa pré-tensão, como parte do teste de interfaces-e-conexão-de-acessórios-finais é realizada a 0, 5 SML. Já por definição (IEC 61462) SML=2,5 MML, e isso significa 0,5 SML = 1 MDCL. 
• B) Teste da verificação da carga máxima do cantiléver de cálculo (MDCL), "ensaio de 96 h".

Esse ensaio é realizado a 1,1 MDCL, o que corresponde a 1,375 vez MML no âmbito de IEC 61462, e ainda permanece abaixo do limite de dano definido de 1,5 vez MML nele contido. 

As definições na IEC 61462 são claras: o limite de danos é igual a 1,5 vez a carga mecânica máxima para serviço, e a carga mecânica especificada SML, que é a carga mínima de ruptura para testes de tipo, sendo igual a 2,5 vezes MML. 

Na IEC 62231, no entanto, nenhuma relação clara entre a carga de cantiléver especificada (SCL – Specified Cantilever Load) e a MDCL é indicada. Além disso, a carga limite de danos (DLL – Damage Limit Load) não está definida. No entanto, com base em diferentes bibliografias (i.e. [5]) ,sabe-se que as relações usuais da prática podem ser assumidas da maneira a seguir: 

• SCL ~  2 MDCL (= 2 x 1, 25 x MML = 2, 5 MML = SML)
• DLL ~ 1, 25 MDCL (= 1, 25 x 1, 25 x MML = 1, 56 x MML) 

Os valores entre parênteses mostram a projeção do indicado para a consideração recém-alinhada.  

Em resumo, a definição encontrada estabelece um alinhamento satisfatório entre ambos os padrões de composto ao aplicá-los ao novo. 

Artigos e publicações que também consultamos:

1. V. HINRICHSEN, N. MÖHRING, T. WIETOSKA, H. HAUPT, A. BOCKENHEIMER, C. HEINEMANN,  C. BERGER, I. GOTTSCHALK, N. KURDA, N. MIKLI, F. SCHMUCK, J. SEIFERT; "Resistance to Vapor Permeation of Factory New and of Mechanically Stressed Composite Hollow Insulators", relatório A3_304, CIGRE 2010 
2. D. KOENIG, B. BAYER, H.J. HELLER; “Breakdown of Polyurethane Hard-Foam Insulation under Short-time HV Stress”, IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol.24 No.2, abril de 1989 
3. A.TROEGER; “Untersuchung der elektrischen Spannungsfestigkeit von Polyurethan-Hartschaum”, 2003 annual report Institute for HV Technique, RWTH Aachen 
4. A.TROEGER; “Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Isoliermaterialien mit Schaumstruktur”, 2004 annual report Institute for HV Technique, RWTH Aachen 
5. K. PAPAILIOU, F. SCHMUCK; “Silikon-Verbundisolatoren – Werkstoffe, Dimensionierung, Anwendungen”,  1. Auflage 2012 
6. N. MIKLI, P. STAHL, B. RÄTH, M. HURNICKI, T. HUMMERSTON; „A new generation of Composite Support Insulators  for UHV DC and AC systems”, relatório A3-111, CIGRE 2012

Artigo escrito por:

• Dr. Robert Strobl, diretor sênior de gerenciamento de produtos de isolamento e proteção da TE Connectivity, rstrobl@te.com
• Peter Stahl, gerente técnico de Axicom da TE Connectivity  pstahl@te.com