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Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso

Problemática do Isolamento nas Linhas

de Muito Alta Tensão nas Zonas

Poluídas

Pedro Emanuel Simões de Sousa

DEEC, Porto 2006

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Problemática do Isolamento nas Linhas de Muito Alta Tensão

nas Zonas Poluídas

Relatório do Estágio Curricular da LEEC 2005/06

Pedro Emanuel Simões de Sousa

Orientador na FEUP: Prof. Dr. António Machado e Moura Orientador na REN: Eng. José Figueiredo

Porto, Julho de 2006

Resumo

Este trabalho tem como objectivo principal o estudo dos problemas do isolamento das

linhas de Muito Alta Tensão nas zonas poluídas. Nestas zonas as cadeias de isoladores

convencionais (de porcelana e de vidro) têm sérias dificuldades em funcionar sem falhas.

Perante este facto a Rede Eléctrica Nacional (REN), está a fazer a sua substituição por

outro tipo de isoladores, os isoladores de material compósito.

As cadeias de isoladores integram os componentes que constituem as linhas aéreas. Estas

são descritas numa fase inicial do trabalho de forma a compreender toda a sua constituição.

Numa segunda fase é feita a abordagem a todos os tipos de cadeias de isoladores existentes

nas linhas da REN, fazendo uma comparação entre eles. Numa terceira fase é feito um

estudo dos isoladores que estão a ser instalados nas zonas de forte poluição – Isoladores

Compósitos – analisando de forma detalhada todos os processos a que estão sujeitos, desde

o seu fabrico até à sua instalação. De forma a complementar este assunto, são feitas

referências a experiências internacionais utilizando este mesmo tipo de isoladores.


Pedro Emanuel Simões de Sousa 4

Prefácio

A Rede Eléctrica Nacional (REN) é a entidade concessionária da Rede Nacional de

Transporte de energia eléctrica (RNT). A sua actividade é desenvolvida num contexto

regulado pela legislação em vigor, pelo Contrato de Serviço Público celebrado com o

estado e pelos regulamentos estabelecidos, quer pela Direcção Geral de Geologia e Energia

(DGGE), quer pela Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos (ERSE).

As actividades reguladas exercidas pela REN englobam um conjunto de funções essenciais

ao correcto funcionamento do Sistema Eléctrico Nacional (SEN). A actividade de

Aquisição de Energia Eléctrica compreende a aquisição de energia eléctrica para

abastecimentos dos consumos do Sistema Eléctrico de Serviço Público (SEP) e a

elaboração de estudos para o planeamento do sistema electroprodutor. A actividade de

Gestão Global do Sistema abrange a coordenação técnica do sistema integrado do SEP, a

coordenação comercial e o sistema de acerto de contas entre o SEP e o Sistema Eléctrico

Não Vinculado (SENV). Na actividade de Transporte de Energia Eléctrica encontram-se as

funções de planeamento, estabelecimento, operação e manutenção da rede de transporte e

interligação.

A concessão da exploração da RNT foi atribuída à REN pelo D.L. nº 182/95, de 27/07/95,

– artº 64, tendo o respectivo contrato com o Estado Português sido celebrado em 6 de

Setembro de 2000. A concessão tem a duração de 50 anos, contados a partir da data da

assinatura do contrato.



Índice

Resumo

Prefácio ................................................................................................................................. 4

1. Introdução ........................................................................................................................ 8

2. As linhas e seus componentes ......................................................................................... 9

2.1 Apoios – Postes ........................................................................................................... 9

2.1.1 Famílias de Apoios ............................................................................................. 13

2.1.2 Tipos de Apoios.................................................................................................. 17

2.1.2.1 Suspensão .................................................................................................... 17

2.1.2.2 Amarração ................................................................................................... 19

2.2 Cadeias de Isoladores ................................................................................................ 21

2.3 Cabos ......................................................................................................................... 23

2.3.1 Cabos Condutores............................................................................................... 23

2.3.2 Cabos de Guarda................................................................................................. 23

2.4 Acessórios.................................................................................................................. 26

2.4.1 Amortecedores.................................................................................................... 26

2.4.2 Separadores......................................................................................................... 27

2.4.3 Balizagem ........................................................................................................... 28

2.4.4 Sinalização para aeronaves................................................................................. 28

2.4.5 Sinalização para avifauna ou BFD – Bird Fly Diverter...................................... 30

3. Tipos de Isoladores Existentes...................................................................................... 31

3.1 Introdução.................................................................................................................. 31

3.2 Isoladores de linha ..................................................................................................... 32

3.3 Comportamento dos Isoladores ................................................................................. 33

3.4 Importância dos Isoladores na Fiabilidade do Sistema Eléctrico .............................. 34

3.5 Desenho dos Isoladores ............................................................................................. 35

3.6 Comparação entre isoladores de porcelana, de vidro e compósitos .......................... 36

3.6.1 Peso e Custo ....................................................................................................... 38

3.6.2 Comportamento dos isoladores .......................................................................... 38

3.7 Tempo de vida esperado dos isoladores .................................................................... 40

4. Problemática do isolamento nas linhas de Muito Alta Tensão nas zonas poluídas . 41

4.1 Isoladores Compósitos............................................................................................... 44



4.1.1 Introdução........................................................................................................... 44

4.1.2 Composição de isoladores compósitos - Descrição do seu processo de fabrico 46

4.1.2.1 Vara ............................................................................................................. 46

4.1.2.2 Revestimento ............................................................................................... 47

4.1.2.3 Hardware ..................................................................................................... 49

4.1.3 Controlo do efeito coroa..................................................................................... 49

4.1.4 Isoladores instalados em zonas poluídas ............................................................ 51

4.1.4.1 Fenómeno do contornamento por poluição ................................................. 52

4.1.4.2 Acumulação de poluição ............................................................................. 53

4.1.4.3 Humidificação do isolador........................................................................... 53

4.1.4.4 Arcos em caminhos secos............................................................................ 54

4.2 Causas de falhas dos isoladores................................................................................. 57

4.2.1 Manuseamento.................................................................................................... 57

4.2.1.1 Isoladores de porcelana e de vidro .............................................................. 57

4.2.1.2 Isoladores Compósitos................................................................................. 57

4.2.2 Vandalismo......................................................................................................... 59

4.2.2.1 Isoladores de vidro ...................................................................................... 59

4.2.2.2 Isoladores de porcelana ............................................................................... 60

4.2.2.3 Isoladores compósitos ................................................................................. 60

4.2.3 Controlo de qualidade......................................................................................... 60

4.2.3.1 Isoladores compósitos ................................................................................. 60

4.2.3.1.1 Defeitos na vara e/ou hardware durante a moldagem........................... 60

4.2.3.1.2 Erosão nas linhas de união da moldagem............................................. 61

4.2.4 Problemas de aplicação ...................................................................................... 62

4.2.4.1 Contornamento ............................................................................................ 62

4.2.4.2 Poluição ....................................................................................................... 63

4.2.4.3 Stress provocado pela tensão....................................................................... 63

4.3 Métodos de detecção de defeitos em isoladores........................................................ 65

4.3.1 Introdução........................................................................................................... 65

4.3.2 Detecção de defeitos em isoladores de porcelana e de vidro ............................. 65

4.3.2.1 Princípios utilizados para detecção de defeitos ........................................... 66

4.3.2.1.1 Métodos Eléctricos ............................................................................... 66

4.3.2.1.2 Termografia .......................................................................................... 69



4.3.3 Detecção de defeitos em isoladores compósitos................................................. 70

4.3.3.1 Detecção de defeitos em isoladores compósitos antes da instalação........... 70

4.3.3.1.1 Comparação dos métodos de detecção ................................................. 71

4.3.3.2 Detecção de isoladores degradados durante o serviço................................. 71

4.3.3.2.1 Inspecção visual.................................................................................... 72

4.3.3.2.2 Uso de instrumentos especiais de observação visual............................ 72

4.3.3.2.3 Termografia .......................................................................................... 73

4.3.3.2.4 Emissão acústica................................................................................... 74

4.3.3.2.5 Medição do campo eléctrico................................................................. 74

5. Normas de ensaios de Isoladores.................................................................................. 75

5.1 Entidades de Normalização ....................................................................................... 75

5.2 Normas para ensaios de isoladores............................................................................ 75

6. Experiências com isoladores compósitos a nível internacional ................................. 76

6.1 Espanha...................................................................................................................... 76

6.2 Irlanda........................................................................................................................ 77

6.3 Israel .......................................................................................................................... 77

6.4 Austrália .................................................................................................................... 79

6.5 Flórida........................................................................................................................ 79

7. Discussão do trabalho realizado ................................................................................... 81



1. Introdução

O presente trabalho apresenta, numa primeira fase, uma descrição dos elementos

constituintes das linhas aéreas de transporte de energia, nomeadamente dos que fazem

parte da Rede Nacional de Transporte, no que respeita aos tipos existentes e à função que

lhe é atribuída.

Para fazer a caracterização das linhas de Muito Alta Tensão tem-se em conta,

fundamentalmente, o nível de tensão, número de circuitos e disposição dos condutores.

Estes aspectos têm uma importância extrema no projecto e construção dessas mesmas

linhas. O facto de uma linha apresentar um determinado nível de tensão, com um ou dois

circuitos distintos e dispostos em triângulo, esteira ou dupla bandeira, vai determinar

juntamente com a potência a transportar e o valor das correntes de curto-circuito as

características dos diversos materiais e elementos constituintes dessa linha.

Numa segunda fase serão apresentados todos os tipos de cadeias de isoladores existentes

nas linhas da Rede Eléctrica Nacional, fazendo uma comparação entre eles e analisando o

seu comportamento nas mais diversas situações de funcionamento, nomeadamente nas

zonas de forte poluição. É nestas zonas que se tem de ter um cuidado especial com estes

componentes das linhas, visto que, para garantir um bom funcionamento da mesma, é

necessário garantir um bom isolamento entre condutores e apoios. Este é o objectivo das

cadeias de isoladores.

Numa terceira fase será apresentado um estudo dos isoladores instalados em zonas com

graves problemas de poluição, nomeadamente os isoladores de material compósito.

Esta tecnologia surgiu na América do Norte durante a década de 70, e tem evoluído

bastante desde então porque de facto, têm apresentado ao longo do tempo excelentes

comportamentos em relação aos isoladores de porcelana ou de vidro, em ambientes

poluídos. Em Portugal, a Rede Eléctrica Nacional, está a adoptar este tipo de isoladores,

substituindo os de porcelana ou de vidro, nas zonas onde ocorrem várias falhas de

isolamento devido a poluição, mais concretamente na região de Lisboa e na Península de

Setúbal.



2. As linhas e seus componentes

Uma linha é constituída essencialmente pelos apoios (postes), que têm como objectivo

suportar e manter os condutores, que com a máxima flecha vertical, estejam acima de

qualquer ponto do solo ou superfícies navegáveis, condutores (cabos), que têm a missão de

conduzir a energia de uma ponta à outra da linha e cadeias de isoladores que asseguram a

fixação dos condutores aos apoios, mantendo o isolamento entre eles. São estes três

elementos que vão permitir que a linha desempenhe a sua função com segurança e

fiabilidade.

2.1 Apoios – Postes

Os postes têm como principal função servir de apoio às linhas aéreas, permitindo assim

que as distâncias mínimas entre estas e o que as rodeia sejam respeitadas, como por

exemplo, a edifícios, árvores, ao solo, etc. De acordo com as características de instalação

das linhas, os apoios dividem-se em dois grandes grupos:

Suspensão

Amarração

A estrutura mais utilizada na Rede Nacional de Transporte (RNT), é uma estrutura

treliçada em aço mas, por motivos estéticos e de maior integração no espaço envolvente,

começam a utilizar-se estruturas tubulares em aço. Independentemente do tipo de apoio,

todos apresentam a característica de estarem sujeitos a esforços aos quais têm de resistir

assegurando a estabilidade das linhas e resistindo aos esforços induzidos por estes. Estes

esforços podem ser de diversos tipos:

Longitudinais

Transversais

Torcionais

Verticais



e variam em grandeza de acordo com o tipo de apoio. Como exemplo, um apoio em

suspensão tem como principal característica a resistência a esforços verticais em

comparação com um em amarração, cujos principais esforços são os longitudinais,

nomeadamente se existir quebra de um condutor para o qual tem de estar dimensionado e

ser capaz de suportar esses esforços excepcionais. Assim, os esforços podem ser normais e

excepcionais, sendo que os excepcionais podem ser causados pela quebra de um condutor

que altera significativamente os esforços a que um apoio está sujeito. No cálculo destes

esforços tem-se em conta a tracção exercida pelos cabos, o peso da própria estrutura e a

pressão do vento sobre esta, sobre os condutores (incluindo os cabos de guarda caso

existam) e restantes elementos constituintes das linhas. É o cálculo destes esforços que

permitirá numa fase seguinte dimensionar o apoio e as suas fundações, que garantirá a

estabilidade deste e a resistência ao arrancamento que os esforços atrás mencionados

induzem à estrutura do apoio.

Cada estrutura apresenta quatro pontos de apoio no solo, sendo estes constituídos por um

maciço de betão independente, formados por chaminé prismática e sapata em degraus. As

fundações são dimensionadas para os esforços máximos que lhe poderão ser transmitidos

pela estrutura metálica, dependendo no seu cálculo das condições geotécnicas do terreno

onde serão implantadas e de outras variáveis tais como:

1 – Esforços máximos de arrancamento em condições normais

2 – Esforços máximos de arrancamento em condições excepcionais

3 – Volume de escavação

4 – Volume de betão

5 – Volume de betão enterrado

6 – Peso do maciço

7 – Volume de terras comum a duas fundações

8 – Volume de terreno estabilizante (α=30º)

9 – Peso do terreno estabilizante

10 – Resistência

11 – Coeficiente de estabilidade (solicitações normais)

12 - Coeficiente de estabilidade (solicitações excepcionais)

13 – Força de compressão intrínseca



14 – Força de compressão total (solicitações normais)

15 – Força de compressão total (solicitações excepcionais)

16 – Pressão sobre o terreno (solicitações normais)

17 – Pressão sobre o terreno (solicitações excepcionais)

O volume de terras que contribui para a estabilidade do apoio é o “cone” definido pela

aresta a 30º do último degrau da chaminé prismática, cujo peso e compressão impedirá o

arrancamento induzido pelos diversos esforços descritos. É através da estrutura metálica

dos apoios que é feita a ligação à terra, permitindo o escoamento de correntes de defeito

para a terra.

De acordo com o disposto no regulamento de linhas de alta tensão, a ligação à terra deverá

ser realizada individualmente numa das cantoneiras montantes do apoio se a resistência de

terra for superior a 20Ω, sendo que, caso a resistência de terra for de valor inferior ao

referido é dispensável a ligação individualizada, desde que não existam aí instalados

aparelhos de corte ou transposições de linhas aéreas para linhas subterrâneas.

Na Rede Nacional de Transporte a ligação à terra é realizada individualmente em todos os

apoios e são ligadas as quatro cantoneiras montantes destes à terra através de um cabo de

cobre, que é por sua vez ligado a quatro estacas por intermédio de ligadores apropriados,

procurando-se sempre um bom contacto e de baixa resistência eléctrica. Além disso, se o

valor da resistência de terra for superior a 20Ω é efectuada uma ligação em anel das quatro

cantoneiras referidas, para melhorar o circuito de terra do apoio, permitindo um melhor

escoamento das correntes de defeito, evitando consequências indesejadas e potencialmente

perigosas.



Nas linhas da Rede Nacional de Transporte procura-se que o valor da resistência de terra

seja inferior a 15Ω no primeiro km junto das subestações, prevenindo eventuais

contornamentos por arco de retorno. Em situações que este valor não seja conseguido, é

possível instalar um anel a unir as quatro estacas para melhorar o circuito de terra.

O fenómeno de arco de retorno consiste no escorvamento que ocorre, quando uma

descarga atmosférica incide sobre o cabo de guarda provocando uma elevação do potencial

da estrutura metálica do apoio que despontará um arco no sentido apoio – condutor (terra –

fase) sobre a cadeia de isoladores. Normalmente e devido ao caminho estar ionizado,

verifica-se um novo escorvamento, mas desta vez no sentido fase – terra por esse percurso.



2.1.1 Famílias de Apoios

Na Rede Nacional de Transporte são utilizados apoios que se encontram subdivididos em

diversos modelos que constituem pequenos grupos denominados por famílias, de acordo

com a resistência aos diversos esforços a que são sujeitos, nível de tensão, disposição dos

condutores, local de instalação (exemplo: fim de linha), etc.

Dentro dessas famílias, os modelos apresentados de seguida são os que têm mais destaque,

por serem os mais utilizados na Rede Nacional de Transporte:

150 kV

Família de postes tipo T

Tipo T Suspensão / Amarração

Nº de circuitos 1 Nº de circuitos de Terra 2



Família de postes tipo S

Tipo S Suspensão

Nº de circuitos 1 Nº de circuitos de Terra 1 ou 2

220 kV

Família de postes tipo W

Tipo W Suspensão / Amarração




Família de postes tipo M

Tipo M Suspensão /

Amarração Nº de circuitos 1

Nº de circuitos de Terra 2

400 kV

Família de postes tipo Y

Tipo Y Suspensão /

Amarração Nº de circuitos 1

Nº de circuitos de Terra 2



Família de postes tipo D

Tipo D Suspensão / Amarração




2.1.2 Tipos de Apoios

Tal como já foi referido, os apoios podem ser divididos em dois grupos, apresentando

características diferentes consoante for a sua utilização.

2.1.2.1 Suspensão

Os apoios em suspensão caracterizam-se pelo facto dos cabos (condutores e de guarda)

ficarem apoiados em acessórios designados por pinças de suspensão, sem que sejam

cortados.

As pinças de suspensão são fixas à cadeia de isoladores, estes por sua vez encontram-se

mecanicamente ligados aos apoios numa posição vertical, ao contrário do que acontece nos

apoios em amarração, que se encontram numa posição quase horizontal.

Pinça de Suspensão



Apesar das dificuldades relativamente a um apoio deste tipo em ângulo, este pode ser

utilizado nessas situações quando os ângulos forem de muita pequena amplitude (2 a 3º).

Mesmo nestas circunstâncias, vai originar que as cadeias de isoladores não permaneçam

numa posição vertical, introduzindo esforços transversais no apoio e dificultando as

operações de substituição de isoladores.

Os esforços a que estes apoios são submetidos são basicamente esforços verticais (peso dos

condutores) e esforços transmitidos à estrutura e restantes elementos, que constituem a

linha, pela força do vento. O facto dos esforços verticais não contribuírem para a força de

arrancamento a que o apoio é sujeito, leva a que as dimensões das fundações sejam

menores e consequentemente o seu custo.

O custo deste tipo de apoios é também atenuado pela menor quantidade de ferro utilizada

na estrutura (esforços nas cantoneiras mais reduzidos) e pelo menor número de cadeias de

isoladores necessárias (normalmente três cadeias simples de isoladores). A partir de 1990 a

Rede Nacional de Transporte passou a recorrer a cadeias duplas de suspensão em situações

que requerem maior fiabilidade e maiores coeficientes de segurança no que diz respeito à

queda de condutores, tais como, vãos de elevado comprimento, travessias de estradas e

linhas-férreas.



2.1.2.2 Amarração

Este tipo de apoio é utilizado face à necessidade de introduzir nos percursos das linhas

mudanças de direcção, e desta forma proceder à execução de ângulos no traçado da linha.

Este tipo de apoio é também utilizado com a função de fim de linha, situação de grande

desequilíbrio, uma vez que de um dos lados do apoio os cabos se encontram à sua tracção

normal, enquanto que do outro a tracção é substancialmente menor. Desta forma, a

estrutura metálica destes apoios é reforçada, tal como as suas fundações, tendo como

objectivo contrariar a força de arrancamento a que são submetidos.

Para além das funções mencionadas, recorre-se a este tipo de apoio como apoio de reforço.

Pretende-se neste caso possibilitar de alguma forma, o suster de quedas em cascata,

estando os apoios preparados para serem submetidos a esforços anormais de elevado valor.

Os apoios em amarração caracterizam-se pelo facto dos cabos (condutores e de guarda)

serem cortados e presos em cada um dos lados do apoio, através de acessórios

denominados por pinças de amarração, e estas por sua vez, fixas às cadeias de isoladores

que se encontram mecanicamente ligadas aos apoios.

A continuidade eléctrica do circuito é assegurada por um troço de cabo designado por

fiador, que é preso às duas pontas criadas pelo corte efectuado. As pinças de amarração



referidas possuem já um mecanismo que fixa o condutor à cadeia de isoladores e ao fiador,

sendo constituídas por três elementos:

1) Elemento onde é esmagado o alumínio dos cabos para um bom contacto

eléctrico – manga de alumínio;

2) Peça na qual é fixo o fiador – terminal de fiador;

3) Elemento que garantirá uma ligação mecânica eficaz à cadeia de isoladores e

fixação do aço dos cabos condutores – terminal de aço.

Estes apoios estão submetidos a esforços introduzidos:

Pela acção do vento na própria estrutura metálica, nos condutores e restantes

elementos fixos à própria estrutura;

Devido ao ângulo efectuado pelos condutores (esforços transversais e torcionais

proporcionais ao ângulo);

Pelo peso dos condutores;

Pelas eventuais diferenças de tracção dos cabos de ambos os lados do apoio;

Pela ruptura de condutores, denominados por esforços excepcionais, mas que

criam esforços longitudinais e de torção elevados.

Perante as características apresentadas em relação a este tipo de apoio, o custo de uma

estrutura deste género é elevado, sendo por isso menos utilizado em comparação com os

apoios em suspensão.



2.2 Cadeias de Isoladores

Este componente apresenta uma elevada importância para as linhas aéreas de energia, e

tem como função suspender os condutores e isolar os mesmos da massa (apoio). Uma

cadeia de isoladores é constituída fundamentalmente por isoladores e acessórios metálicos

para os ligar nas duas extremidades ao apoio e aos condutores, tendo integrado na sua

estrutura o sistema anti-arco (hastes de descarga).

1 Prolongo 2 Ligador cruzado 3 Balanceiro 4 Haste de descarga superior 5 Olhal com bola 6 Isolador 7 Ball socket com patilha 8 Balanceiro 9 Anel de protecção inferior 10 Ligador cruzado

As hastes de descarga têm por função a uniformização do campo eléctrico ao longo da

cadeia de isoladores e conferem a estes uma protecção contra os efeitos do próprio arco.

Existem vários tipos de sistemas anti-arco presentes na Rede Nacional de Transporte,

constituídos por hastes de descarga (superior e inferior), por anéis de descarga (superior e

inferior) e por sistemas mistos. Estes são regulados de forma a estarem a uma distância tal,

que aquando de uma elevação da tensão a níveis perigosos para a integridade da linha,

ocorra o arco entre as hastes, ou entre a haste e o anel protegendo assim a cadeia. O

escoamento da descarga é feito para a terra, uma vez que o anel ou a haste superior se

encontram electricamente ligados à estrutura metálica do apoio.



Numa cadeia o número de isoladores é determinado pelo nível de tensão e pelo

comprimento da linha de fuga necessário para que o isolamento seja eficaz. A linha de fuga

corresponde à distância que a corrente teria de percorrer pela superfície do isolador, entre

as duas extremidades metálicas deste, correspondendo por isso à distância de isolamento

para uma frequência de 50 Hz.

- Isolador de longa linha de fuga - Isolador de pequena linha de fuga

- Linha de fuga

Dentro dos tipos de isoladores existentes, os mais utilizados hoje em dia pela Rede

Nacional de Transporte são os isoladores de vidro de longa linha de fuga e pequena linha

de fuga. O facto de um isolador ser dotado de uma longa linha de fuga, permite a sua

utilização em locais de forte poluição, sendo denominados por anti-poluição. No entanto é

de referir que começam a ser utilizados isoladores de material compósito na Rede Nacional

de Transporte, que permitem um melhor isolamento em locais de grande poluição. Este

assunto, nomeadamente os isoladores de material compósito, vão ser descritos mais

detalhadamente à frente neste trabalho.



2.3 Cabos

Nas linhas de energia existem dois tipos de cabos, tendo cada um a sua função específica.

Existem os cabos que compõem os circuitos eléctricos, pelos quais se faz o transporte de

corrente, e existem os cabos de guarda, que tal como o nome indica servem de protecção

aos anteriores em situações de descargas atmosféricas. Estes cabos estão instalados a uma

cota superior à dos cabos condutores.

De seguida faz-se uma descrição destes dois tipos de cabos, os cabos condutores e os cabos

de guarda.

2.3.1 Cabos Condutores

Estes são na realidade o elemento mais importante que compõe uma linha de energia, isto

porque é através deles que a corrente vai ser conduzida até aos locais pretendidos. Os

cabos condutores podem ser de diversos tipos e com características diferentes, estando a

sua utilização pré-determinada em várias situações, de acordo com o nível de tensão e

temperatura admissível. Devem resistir à tracção mecânica a que estão sujeitos e garantir a

condutibilidade eléctrica pretendida. Os condutores utilizados na RNT são de alumínio –

aço, apresentando no seu interior um conjunto de fios em aço que lhes confere a

consistência mecânica necessária e na parte exterior os fios de alumínio como elementos

condutores, ou em liga de alumínio (Almelec) que possui as duas características anteriores.

2.3.2 Cabos de Guarda

Os cabos de guarda desempenham uma função de blindagem dos condutores às descargas

atmosféricas e de interligações das terras dos apoios e das subestações extremas.

A existência destes cabos permitem que as terras dos diversos apoios estejam ligadas entre

si, possibilitando um melhor escoamento das correntes de defeito por todos os apoios da

linha, sendo que parte dela é atenuada pela impedância dos cabos e estruturas. Na falta



destes cabos verifica-se que a corrente tem obrigatoriamente de se escoar pelos dois apoios

de extremidade do vão que sofreu o defeito, verificando-se a necessidade de escoar a

mesma corrente mas apenas por dois caminhos e de uma forma indirecta, ou seja, é através

de arcos que contornam as cadeias de isoladores. É devido a estas circunstâncias e

características que são utilizados os cabos de guarda, sendo estes importantes no

dimensionamento eléctrico dos cabos condutores e do circuito de terra da linha.

Estes cabos são colocados numa cota superior aos cabos condutores para que sobre eles

incidam as descargas atmosféricas, às quais deverão resistir. Ao longo do percurso

existente entre o local onde ocorreu a descarga e os apoios mais próximos, as elevadas

correntes de defeito vão sendo atenuadas e as cristas de onda daí resultantes conduzidas até

aos apoios, onde através das suas estruturas metálicas e respectivas ligações à terra, vão ser

escoadas. Os cabos de guarda são igualmente utilizados em funções de comunicação e



telecomando, sendo para esse efeito utilizados cabos de alumínio com fibra óptica no seu

interior.

Exemplos de cabos de guarda com fibra óptica no seu interior.



2.4 Acessórios

2.4.1 Amortecedores

Estes acessórios são utilizados para minimizar os problemas de fadiga causados pelas

vibrações relativamente à força do vento sobre os cabos condutores e cabos de guarda.

Estas vibrações transmitem-se às cadeias de isoladores e aos apoios, produzindo-se efeitos

prejudiciais para o seu bom funcionamento.

Existem alguns factores que determinam o comportamento dos cabos nestas circunstâncias:

Características de inércia (massa) e de elasticidade;

Características dos acessórios de fixação dos cabos;

Tensão mecânica de esticamento;

Geometria dos vãos;

Regime dos ventos (os regimes de rajada não são aqueles que maior fadiga

provocam sobre os condutores dada a sua irregularidade. Os regimes lamelares

de velocidade baixa – média são os que produzem as vibrações da mais alta

frequência que conduzem a problemas de fadiga mecânica);

Amortecedor



Elaborar uma modelização matemática que permitisse uma escolha adequada deste

acessório apresenta um elevado grau de complexidade, pelo que, o normal é optar por

amortecedores cujas as características de inércia e elásticas permitam o amortecimento

num espectro relativamente amplo de frequências na gama das expectáveis para os

diferentes locais.

2.4.2 Separadores

A necessidade de transporte de elevadas quantidades de energia, levaria à utilização de

condutores de elevada secção e consequentemente de difícil arrefecimento, característica

esta, de elevada importância na capacidade de transporte de energia dos condutores. Por

esta razão opta-se em determinadas circunstâncias por recorrer à instalação de dois ou mais

condutores por fase de secção mais reduzida, que por terem no seu conjunto uma maior

superfície de contacto com o ar permitem um arrefecimento mais eficaz, aumentando a

respectiva capacidade de transporte, a qual é limitada pela temperatura dos condutores.

A manutenção da distância entre os vários condutores de fase ao longo do vão é assegurada

pela utilização de separadores que ligam mecanicamente esses condutores, evitando

oscilações irregulares e contactos entre eles.

Separador



2.4.3 Balizagem

A balizagem é utilizada para que as estruturas metálicas dos apoios, bem como os cabos

condutores e de guarda sejam facilmente identificados quer por aeronaves quer por aves.

2.4.4 Sinalização para aeronaves

A sinalização divide-se em dois períodos (diurno e nocturno) sendo que a sinalização

diurna passa pela pintura das estruturas dos apoios na parte que ultrapassar uma cota de

100 metros e numa extensão não inferior a 30 metros e na colocação de esferas nos cabos

de guarda.

Esferas nos cabos de guarda



A sinalização nocturna consiste na instalação de luzes vermelhas nos apoios ou nos

condutores superiores. No primeiro caso a alimentação é feita por uma linha de baixa

tensão, enquanto que no outro se aproveita a tensão própria da linha (alta tensão), através

de divisores capacitivos fixados aos mesmos condutores (balizores).

Balizores

Exemplo de sinalização diurna através da pintura do apoio,

assim como sinalização nocturna através de balizores



2.4.5 Sinalização para avifauna ou BFD – Bird Fly Diverter

A sinalização a efectuar a este nível passa pela colocação de sinalizadores de linha que vão

permitir que as aves possam identificar as linhas evitando a colisão. Existem diversos tipos

de sinalizadores, sendo os mais vulgares semelhantes a uma mola que é enrolada em torno

dos condutores e visto apresentarem uma forma em espiral, numa das extremidades

apresenta-se com um diâmetro significativamente superior ao dos condutores.

Sinalizadores de linha para a avifauna



3. Tipos de Isoladores Existentes

3.1 Introdução

Um isolador é um sistema constituído por várias componentes, compreendendo o

dieléctrico e as ferragens terminais ou terminações, com os elementos de ligação que

ajudam a ligar o dieléctrico às terminações. Usualmente os isoladores são identificados

pelo tipo de dieléctrico de que são compostos. Os principais tipos de classes de dieléctrico

são: porcelana, vidro e polímeros. Estes materiais originam as nomenclaturas de isoladores

de porcelana ou cerâmicos, isoladores de vidro e isoladores poliméricos. Os isoladores

poliméricos são também conhecidos por isoladores compósitos, na Europa, e não

cerâmicos nos EUA.

Os isoladores utilizados há mais tempo são os de porcelana e os de vidro. O tipo de

isolador mais utilizado é o “cap and pin” em que cada unidade é ligada a outras por peças

de metal, como está ilustrado na seguinte figura.

Esquema de isoladores de porcelana/vidro

Os isoladores poliméricos surgiram nos EUA há cerca de três décadas atrás e fazendo uma

comparação nos aspectos construtivos com os de porcelana e de vidro, os isoladores

compósitos têm um dieléctrico interior de fibra de vidro com elevada resistência mecânica,

ligado a terminações metálicas e revestido por uma camada polimérica.



3.2 Isoladores de linha

Isoladores utilizados em linhas aéreas são designados por isoladores de linha. Isoladores

usados em subestações para suporte são denominados por isoladores de subestação. São

também designados por isoladores os usados como invólucro em aparelhos como é o caso

dos disjuntores, transformadores de corrente, transformadores de tensão, etc.

Os isoladores de linha estão sujeitos às mais diversas solicitações, entre as quais tensões

mecânicas, eléctricas e ambientais. Normalmente estas actuam todas ao mesmo tempo. A

natureza e amplitude das tensões varia significativamente e depende dos pormenores de

desenho, localização e aplicação dos isoladores. No caso dos isoladores de suspensão e de

amarração, estes encontram uma carga que depende do peso e tensão do condutor podendo

o vento e gelo imporem cargas adicionais. Isoladores rígidos têm uma carga mecânica dada

pelo peso do objecto colocado por cima. Adicionalmente podem aparecer cargas

transitórias como seja: torção, vibrações, movimentos, impactos ou vandalismo.

As tensões eléctricas incluem o regime estacionário e as tensões impulsivas são geradas

por descargas atmosféricas ou por manobras. Quando há contornamento, o isolador é

sujeito a uma grande corrente sob a forma de arco denominando-se por arco de potência.

Este só é extinguido após os dispositivos de protecção isolarem o defeito.

As condições climatéricas e ambientais variam muito de zona para zona e as propriedades

de isolamento de todos os materiais sofrem com estas alterações porque com o aumento de

temperatura aumenta também a condutividade. Para os compósitos que são materiais

orgânicos, a radiação ultravioleta vinda do sol pode quebrar certas ligações químicas

resultando na degradação da superfície. Na presença de nevoeiro, chuva, neve ou gelo, a

resistência de isolamento é bastante mais baixa em comparação com o estado seco. Com a

existência de contaminação, a resistência de isolamento é drasticamente reduzida. Com o

aumento de altitude as propriedades de isolamento são afectadas porque diminuindo a

densidade do ar diminui também o valor da rigidez dieléctrica.



Atendendo a todos estes parâmetros, os isoladores têm de ser escolhidos atendendo aos

mais diversos factores para que possam funcionar correctamente debaixo de condições de

serviço muito variadas e durante longos anos.

3.3 Comportamento dos Isoladores

Mecânico

O comportamento mecânico dos isoladores é determinado por todas as componentes que

constituem o isolador, incluindo o dieléctrico, as terminações e as ligações entre o

dieléctrico e as terminações metálicas. A falha mecânica dos isoladores provoca a queda

dos condutores, o que não é aceitável e provoca uma interrupção prolongada com possíveis

danos e avarias.

Eléctrico

O comportamento eléctrico dos isoladores é influenciado pelo dieléctrico dos isoladores.

Estes têm duas importantes propriedades que são as propriedades superficiais e as

propriedades volúmicas. O comportamento da massa dieléctrica é determinado por defeitos

sob a forma de impurezas e bolhas. Estes defeitos originam a concentração de zonas com

grande stress eléctrico que pode levar à formação de defeitos permanentes dentro do

dieléctrico. Os defeitos no interior são permanentes e denominam-se por perfurações.

Os valores de resistividade volúmica (interior) indicam o estado do dieléctrico e apresenta

valores superiores a 1010 Ω.m.

O comportamento da superfície é obtido pelos depósitos, na superfície, de poluição e

humidade. Os valores de resistividade superficial a seco são aproximadamente iguais aos

indicados para a resistividade volúmica. Quando há presença de humidade, estes valores

são muito baixos e no caso de haver contaminantes iónicos, são ainda mais baixos.



Para materiais dieléctricos de boa qualidade, isto é, sem presença de bolhas ou impurezas,

a perfuração é muito mais difícil de acontecer do que o contornamento. A ocorrência de

contornamento ou de perfuração do isolador dependerá da amplitude e da duração do stress

eléctrico aplicado, tal como mostra o gráfico seguinte.

Relação entre contornamento e perfuração dos isoladores

3.4 Importância dos Isoladores na Fiabilidade do Sistema Eléctrico

Todos os aparelhos do sistema eléctrico estão sujeitos a defeitos naturais e de origem

humana. Nos sistemas onde se verifica que os custos dos aparelhos têm uma grande

variação é importante proteger os elementos mais caros. Dentro destes encontramos

equipamentos como disjuntores e transformadores, que devem ter uma maior atenção na

sua protecção, em comparação com os isoladores exteriores, especialmente os isoladores

de linha, que são dos dispositivos menos dispendiosos do sistema eléctrico. A falha dos

isoladores deverá ser por contornamento e não por perfuração.

A sobretensão impulsiva, originada pela descarga atmosférica ou por manobras, é o factor

mais importante a ser considerado na escolha dos isoladores. Estes deverão ter uma

criteriosa escolha de forma a que não falhem com amplitudes impulsivas inferiores às

amplitudes definidas para cada nível de isolamento. Para elevadas amplitudes o isolador

deverá contornar. A escolha dos isoladores para tensões até 220 kV tem como principal

critério as descargas atmosféricas, enquanto que para tensões superiores a atenção centra-

se nas sobretensões de manobra. Nos locais onde haja forte contaminação, para cada nível

de isolamento a escolha é determinada pelo seu comportamento à poluição.



Os contornamentos normalmente causam a interrupção do circuito. Este facto pode causar

ou não a interrupção da alimentação aos consumidores. Estas interrupções poderão ser

toleradas em zonas rurais mas em zonas urbanas onde existem grandes indústrias, mesmo

sendo por breves instantes, não são aceitáveis e provocam elevados prejuízos como é o

caso de perdas enormes de produção, perda do controlo do processo e avaria do

equipamento.

3.5 Desenho dos Isoladores

O contornamento originado por descargas impulsivas é determinado pela menor distância

em ar entre os eléctrodos do isolador (distância de arco). A humidade tem pequena

influência na tensão de contornamento por descarga atmosférica.

Em condições de contaminação o contornamento depende da linha de fuga.

Se o material dieléctrico não é alterado durante o serviço, as características eléctricas,

como a tensão suportável a seco à frequência industrial ou tensão de contornamento, por

descarga atmosférica ou por onda de manobra, são definidas pela distância de arco. A

forma e o desenho dos isoladores (linha de fuga) são importantes para o comportamento do

isolador.

Na RNT são adoptados comprimentos de linha de fuga de 20 mm/kV para zonas de

poluição média e 25 mm/kV para poluição forte. O aumento da linha de fuga é obtido pelo

desenho mais alongado das saias do isolador e das suas reentrâncias inferiores (nervuras),

bem como pela colocação de várias unidades formando assim as cadeias de isoladores. Na

figura seguinte estão representados vários tipos de desenhos de isoladores.



Diversos desenhos de saias

Nos isoladores compósitos, como não existem ligações entre o dieléctrico, a linha de fuga

pretendida é obtida através do design das saias.

3.6 Comparação entre isoladores de porcelana, de vidro e compósitos

Porcelana e vidro são materiais inorgânicos que são conhecidos por resistir à degradação,

provocada por elementos naturais, ao longo dos anos. Consequentemente, são conhecidos

por terem uma alta resistência ao aquecimento provocado pelas descargas eléctricas

encontradas em serviço, como é o caso do efeito coroa e dos arcos. A sua grande

estabilidade está relacionada com as fortes cadeias electrostáticas entre os vários átomos do

material. Esta propriedade provoca um alto valor de energia de superfície que faz com que

o isolador seja facilmente molhado pela água. Estes isoladores, sendo feitos de materiais

densos, são pesados e frágeis.

Os isoladores compósitos são constituídos por materiais orgânicos, principalmente

hidrocarbonos. Os materiais orgânicos, comparando com os materiais inorgânicos,

porcelana e vidro, têm ligações electrostáticas muito frágeis podendo partir-se mais

facilmente. Portanto, isoladores compósitos são mais propensos a deterioração por

aquecimento provocado pela actividade de descargas eléctricas, por agentes químicos (nos

quais se inclui a água) e por elementos naturais como a luz solar, humidade, temperatura,

etc. Devido a estes factores, os isoladores compósitos podem ter uma redução das

propriedades eléctricas e mecânicas com o passar do tempo, sendo estas mudanças

irreversíveis. Estas mudanças designam-se por envelhecimento.



Quando as ligações químicas em hidrocarbonos são quebradas, é libertado carbono que,

mesmo seco, é condutor. Este facto não é nada desejável que ocorra. A formação de

caminhos condutores na superfície toma a denominação de tracking. Os materiais podem

ser formulados de forma a que o carbono seja removido da superfície sob a forma de

produtos gasosos. Esta remoção é denominada de erosão e é uma forma de degradação

mais lenta que o tracking. A resistência ao tracking e à erosão é um importante aspecto dos

isoladores compósitos.

Os materiais orgânicos apresentam ligações electrostáticas muito fracas, este facto implica

que a energia de superfície seja muito baixa portanto, não são facilmente molhados pela

água. Este facto verifica-se nos novos isoladores compósitos, em que a água forma

usualmente pequenas gotas em vez de fios de água contínuos. Esta propriedade de

repelência à água é denominada Hidrofobicidade. Esta propriedade é óptima e aumenta a

resistência da superfície do isolador em condições de contaminação.

Os isoladores compósitos são mais leves em relação aos isoladores de porcelana e vidro e

portanto permitem uma maior facilidade de manuseamento e instalação. São ainda mais

resistentes a defeitos por manuseamento e actos de vandalismo, o que não significa que

sejam indestrutíveis, devendo ser manuseados com cuidado.



Em suma, a seguinte tabela apresenta as principais vantagens e desvantagens dos

isoladores exteriores presentes na Rede Eléctrica Nacional:

Vantagens Desvantagens

Isoladores

Compósitos

- Peso

- Comportamento à poluição

- Custo de instalação baixo

- Resistência a impactos

- Pequeno perfil

- Possíveis fracturas frágeis

- Susceptibilidade ao arco

- Susceptibilidade para envelhecimento

- “Apetitoso” para animais (roedores,

pássaros)

- Longa história de uso

- Pouca susceptibilidade a

envelhecimento

- Corrosão das partes metálicas

- Esconde os defeitos

- Defeitos em cascata

- “Divertido” destruí-los

Isoladores

de

Porcelana

- Reconhecimento das

unidades com defeito Isoladores

de

Vidro

- Pouca susceptibilidade a

envelhecimento

- “Muito divertido” destruí-los

3.6.1 Peso e Custo

O preço dos isoladores compósitos é, hoje, semelhante ou mesmo inferior aos cerâmicos e

de vidro, embora o seu tempo de vida seja mais curto. Assim, considerando o

aperfeiçoamento das técnicas de fabrico e o seu peso reduzido, são hipóteses muito

interessantes para situações em que as suas características sejam vantajosas.

3.6.2 Comportamento dos isoladores

• Às descargas atmosféricas

O principal factor a ter em conta, com o comportamento dos isoladores às

descargas atmosféricas é a distância de arco. O maior obstáculo à aplicação



dos isoladores compósitos surge quando se pretende fazer a substituição dos

cerâmicos mantendo a mesma configuração (distância da linha ao apoio).

Como nos isoladores compósitos é necessário haver uma longa zona metálica

nas terminações para garantir uma boa ligação à vara, faz com que a distância

de arco fique mais reduzida, tal como comprova a figura seguinte:

Comparação da distância de arco para isoladores compósitos e de porcelana

• Á poluição

O comportamento dos isoladores à poluição é um ponto muito importante para

o correcto funcionamento do sistema eléctrico, facto esse que o torna num

tema complexo e alvo de várias investigações.

Materiais de diferente composição têm diferentes comportamentos à poluição.

Quando são novos os não cerâmicos apresentam melhores comportamentos do

que os cerâmicos, mas com o passar do tempo esta diferença vai diminuindo.

O gráfico seguinte mostra uma comparação entre isoladores novos e

envelhecidos.



Comparação entre isoladores de porcelana e compósitos novos e envelhecidos

3.7 Tempo de vida esperado dos isoladores

As linhas de transmissão são normalmente construídas em zonas de difícil acesso, pelo que

é aconselhável, que depois de construída, a linha funcione de uma forma satisfatória,

minimizando todo o tipo de manutenção para o tempo de vida esperado. Geralmente um

tempo de vida que vá para além dos 30 anos é considerado aceitável. Verifica-se que com

alguns tipos de porcelana e vidro, a expectativa ultrapassa os 30 anos. Contudo, este facto

não se aplica a todas as porcelanas e vidros visto que, é importante ter em atenção a

qualidade da matéria-prima, o processamento e o controlo de qualidade.

Os isoladores compósitos só começaram a ser aplicados em número considerável a partir

da década de 80 não sendo assim possível fazer uma comparação com o tempo de vida dos

isoladores de porcelana. Com base nas aplicações feitas na América do Norte, parece que o

tempo de vida esperado deste tipo de isoladores é comparável à dos isoladores de

porcelana, no entanto depende muito do tipo de material utilizado, do processamento e

controlo de qualidade dos isoladores.



4. Problemática do isolamento nas linhas de Muito Alta Tensão nas zonas

poluídas

Em muitos locais do mundo, a contaminação de isoladores impede que haja uma óptima

qualidade de serviço aos clientes, isto é, tornou-se quase impossível haver um

fornecimento de energia ininterruptamente. Nos isoladores de porcelana e de vidro, as

condições atmosféricas na presença de poluição originam correntes de fuga não

controláveis que levam ao contornamento. Isto pode levar à interrupção do fornecimento

de energia aos consumidores, o que pode ser muito dispendioso.

Isolador de Vidro com contaminação

A manutenção de isoladores tem uma grande contribuição para o bom funcionamento do

sistema eléctrico e dentro deste requisito foram encontradas algumas soluções para

combater o problema do isolamento.

A primeira solução encontrada foi a limpeza dos isoladores e tem como base a sua lavagem

com água desmineralizada. Este método provou-se eficaz na remoção da poluição da

superfície dos isoladores. Actualmente esta prática apresenta elevados custos porque

necessita de máquinas especiais para o efeito e mão-de-obra qualificada. A frequência das



lavagens com água varia consideravelmente dependendo do estado de poluição, das

condições atmosféricas e do desenho dos isoladores.

A segunda solução obtida foi a substituição dos isoladores contaminados por isoladores

novos com igual ou maior linha de fuga. Para aumentar a linha de fuga foi necessário

modificar o desenho dos isoladores de porcelana e de vidro. Esta técnica envolve o

tamanho e o espaçamento dos isoladores individuais de forma a obter uma linha de fuga

tão grande quanto possível.

A terceira solução encontrada foi fazer o revestimento, dos isoladores convencionais, com

borracha de silicone, processo este que era mais vantajoso do que os outros. Esta borracha

de silicone utilizada apresenta boas propriedades dieléctricas e flexibilidade numa gama de

temperaturas alargada, em conjunto com excelente resistência a radiações ultra violetas,

químicas, degradações térmicas e descargas por efeito coroa. Uma das suas mais

importantes características é a capacidade de retenção da repelência à água no exterior e

sujeita a grandes solicitações eléctricas.

Quando são aplicados em isoladores de porcelana tal como mostra a figura seguinte, a

propriedade de repelência à água resiste ao desenvolvimento de corrente de fuga e arcos

em bandas secas, mesmo com a presença de poluição.

Aplicação do revestimento RTV numa travessia de transformador



A última solução apresentada foi a substituição dos isoladores convencionais por

isoladores de material compósito que devido à sua longa linha de fuga e pequena área de

superfície, foram vistos como tendo um melhor comportamento à poluição em comparação

com os isoladores de porcelana. Em relação a contornamentos, a experiência de campo

complementada com ensaios laboratoriais demonstraram que o seu comportamento é bem

melhor.

É esta nova tecnologia de isoladores que vai ser desenvolvida nesta fase do trabalho, tendo

sempre como base de comparação os isoladores convencionais (vidro e porcelana).



4.1 Isoladores Compósitos

4.1.1 Introdução

No final da década de 50, o desenvolvimento de isoladores de linha com menor peso e

melhores comportamentos mecânicos e eléctricos, em relação aos isoladores convencionais

de porcelana, era considerado um factor importante para as linhas de transmissão de 1000

kV. Contudo, o interesse para este nível de tensão foi diminuindo ao longo do tempo mas o

seu desenvolvimento continuou, pelo que a General Electrics introduziu em 1959 os

primeiros isoladores não cerâmicos. Estes isoladores não passaram de meras expectativas

já que apresentaram tracking e erosão elevados. Depois de alguns anos foi a vez de na

Europa serem introduzidos os primeiros isoladores não cerâmicos. Estes isoladores eram

compostos por uma vara de fibra de vidro revestida com material polimérico e terminada

por acessórios metálicos (hardware).

Nessa altura, os fabricantes utilizavam vários tipos de polímeros incluindo teflon, resina

epoxy, borracha de silicone vulcanizada à temperatura ambiente (RTV), borracha de

silicone vulcanizada a alta temperatura (HTV), “ethyleno propyleno monomers” (EPR) e

“ethyleno propyleno diene monomers” (EPDM). Alguns destes polímeros eram misturados

com aditivos como a sílica e tri-hidrato de alumínio (ATH), para obter as desejadas

propriedades anti-tracking. As terminações metálicas podiam ser ligadas à vara de várias

formas tais como, colagens com resina epoxy, inserção de cunhas ou cones na vara de fibra

de vidro ou compressão do metal para apertar a vara.

Ao longo das diversas fases de evolução dos isoladores compósitos e com o aumento da

sua utilização, as vantagens destes isoladores pareciam evoluir favoravelmente. A principal

vantagem deste tipo de isoladores, relativamente ao manuseamento, era a redução em 90%

do peso em relação aos isoladores de cerâmica. Esta importante vantagem ultrapassava as

dificuldades de manuseamento, diminuía os danos na fase de construção das linhas e

reduzia o custo de construção das linhas. Sob o ponto de vista eléctrico, desde que estes

isoladores possam ser produzidos com pequena superfície e longos caminhos de fuga, o

seu comportamento à frequência industrial a seco e em condições de contaminação pode



ser muito melhorado. Nos últimos tempos, o comportamento sob contaminação é a

principal vantagem deste tipo de isoladores.

Durante um período de cerca de 15 anos, um grande número de empresas adquiriu este tipo

de isoladores para fazer aplicações experimentais, em grande parte para linhas de curta

distância. Após alguns anos em funcionamento foram encontrados alguns problemas tais

como tracking e erosão que levaram a contornamentos; alteração do estado da camada que

levava ao aumento da acumulação da poluição na superfície originando arcos e

contornamentos; defeitos na camada e no interface vara-camada de silicone que levou a

contornamentos; desintegração do hardware que levou à queda de linhas; efeito coroa

intenso que danificou a camada e com isto foram provocadas fracturas na fibra de vidro

que levou a defeitos eléctricos. Como resultado destas consequências, alguns fabricantes

interromperam a produção deste tipo de isoladores para linhas de transmissão e dedicaram-

se a produzir apenas para as de distribuição, outros interromperam por completo a

produção de todos os isoladores e os mais inconformados continuaram a desenvolver

tecnologias em redor dos isoladores.

Nos dias que decorrem e após muitos desenvolvimentos e ensaios, os isoladores

compósitos são utilizados para todos os níveis de tensão. Para tensões inferiores a 230 kV

esta tecnologia tem muita aplicação mas para tensões superiores já não são tão utilizados.



4.1.2 Composição de isoladores compósitos - Descrição do seu processo de fabrico

Os isoladores compósitos consistem, tal como mostra a figura seguinte, numa vara de fibra

de vidro, revestimento com camada de silicone e acoplamentos de hardware que ligam à

vara nos dois extremos.

Desenho de um isolador compósito de suspensão

4.1.2.1 Vara

O fabrico de isoladores compósitos tem início na vara. Esta desempenha duas funções que

são, ser o principal membro de apoio e ser também a principal parte isolante. Entre 70 a

75% do peso da vara consiste em fibras de vidro, orientadas segundo o eixo e impregnadas

por resina epoxy ou Ester vinil. A vara é fabricada pelo processo de pultrusão como se

mostra na figura seguinte.

Processo de pultrusão para fabrico de uma vara de fibra de vidro sólida



Neste processo, os fios de fibra de vidro são puxados através de um tanque com resina

sendo depois moldada para a forma desejada. Existem no entanto dois parâmetros críticos

no processo de pultrusão: velocidade com que se puxa a fibra de vidro e a temperatura. Se

a velocidade é muito baixa para a temperatura aplicada ou se a temperatura é muito

elevada para a velocidade, podem-se desenvolver fendas axiais por não haver uma

secagem uniforme, isto é, a parte exterior seca mais rápido que a parte interior. Estes

defeitos podem ser detectados através de um ensaio com tinta fluorescente penetrante, no

entanto é difícil de assegurar que toda a extensão da vara esteja limpa da formação de

fendas.

4.1.2.2 Revestimento

Actualmente os materiais mais utilizados são: o ethyleno-propyleno diene monomer

(EPDM), a silicone vulcanizável a alta temperatura (HTV) ou uma mistura dos dois. Estes

normalmente são moldados à vara de fibra de vidro por um processo de injecção ou por

técnicas de moldagem – fabrico por moldagem. As figuras seguintes mostram o resultado

de um isolador fabricado por moldagem.



Outro método de fabrico é através de um processo de extrusão. Este processo consiste no

revestimento da vara por processo de injecção ou por técnicas de moldagem, sendo

enfiadas as saias individuais numa fase posterior. As saias são coladas com compostos de

silicone e graxa. Entre o hardware e a vara é aplicada uma selagem que tem como função

servir de estanque e suportar o elevado gradiente de campo eléctrico. A figura seguinte

exibe um isolador fabricado por extrusão.

O revestimento é considerado o elemento mais importante dos isoladores não cerâmicos.

Defeitos de campo ocorreram devido a fracturas por fragilização da fibra de vidro, por

haver fendas do revestimento, permitindo que a vara fique em contacto com a poluição



atmosférica e humidade. Tracking da vara de fibra de vidro também leva à falha dos

isoladores compósitos.

4.1.2.3 Hardware

As terminações dos isoladores não cerâmicos são feitas de alumínio moldado, forjado ou

maquinado, ferro maleável ou aço forjado. A sua ligação à vara é feita de várias maneiras

possíveis para terem resistência mecânica e para efectuarem uma boa ligação à vara.

Vários métodos de ligação foram desenvolvidos nos quais se incluem a compressão, a

colagem ou a utilização de cunhas metálicas, como se mostra na figura a seguir.

Colagem, compressão e com utilização de cunhas metálicas, respectivamente.

As principais técnicas utilizadas presentemente são a compressão e a colagem. A utilização

de cunhas metálicas caminha para a extinção porque introduzem pressões mecânicas no

centro da vara provocando fendas, efeito não desejável.

4.1.3 Controlo do efeito coroa

As ligações do hardware devem permanecer imunes a descargas de efeito coroa no ar ou na

superfície do isolador. O efeito coroa nos isoladores compósitos provoca deterioração pela

acção combinada da descarga na superfície (bombardeamento de iões) e pela actuação de

certos compostos químicos formados pelas descargas. Na concepção de isoladores

compósitos o hardware deve ser dimensionado de forma a evitar descargas de efeito coroa,



ou ter um anel uniformizador de campo para garantir o não aparecimento acentuado destas

descargas.

Anéis com um raio de curvatura com alguma dimensão podem eliminar o efeito coroa no

isolador e, quando colocados de uma forma conveniente, podem reduzir o gradiente de

potencial na superfície do isolador. O gradiente de potencial crítico do efeito coroa

depende unicamente do raio de curvatura e não do comprimento do isolador.

As figuras seguintes mostram as linhas equipotenciais num dos extremos do isolador:

- Isolador sem anéis

- Isolador com anéis



O gráfico seguinte mostra a comparação do gradiente ao longo do isolador.

Gradiente de tensão ao longo do isolador mostrado nas figuras anteriores

Através da análise do gráfico, verifica-se que o campo máximo é reduzido e o seu ponto

máximo é alterado, o que vai de encontro com os objectivos pretendidos.

Os anéis devem ser constituídos por materiais resistentes à corrosão e devem ser fixos ao

hardware do isolador. Para tensões superiores a 345 kV devem ser aplicados dois anéis em

cada isolador. Para tensões compreendidas entre os 220 kV e os 345 kV deve ser colocado

um anel do lado da tensão. Para tensões inferiores a 220 kV é desejável a presença de pelo

menos um anel no lado da tensão mas pode variar consoante as condições locais.

4.1.4 Isoladores instalados em zonas poluídas

O comportamento dos isoladores em condições de contaminação é o factor que caracteriza

o desenho dos isoladores em aplicações exteriores. A contaminação actua em todos os

isoladores de linha. Actualmente existem normas para ensaios de poluição em isoladores

de porcelana e de vidro mas ainda não existem para isoladores compósitos.



4.1.4.1 Fenómeno do contornamento por poluição

O diagrama seguinte apresenta a sequência de eventos que origina o contornamento.

Período longo sem chuva

O isolador acumula poeiras

Condensação de humidades sobre a superfície

Aumento da corrente de fuga

A densidade de corrente na superfície do isolador é não uniforme, grande em regiões de pequeno diâmetro (campânula

e espigão) e pequena em regiões de grande diâmetro

A corrente de fuga produz aquecimento provocando zonas secas em regiões de grande densidade de corrente

A tensão ao longo do isolador é aplicada entre as zonas secas, elevadas descargas de efeito coroa provocam arcos em zonas

secas

Se a resistência da superfície do isolador é suficientemente pequena, os arcos nos caminhos secos propagam-se para os terminais causando contornamento



4.1.4.2 Acumulação de poluição

As principais forças que actuam nos isoladores de serviço são, o vento e o campo eléctrico.

Destas a mais frequente é o vento. A força originada pelo campo eléctrico (E) é composta

por duas componentes: a força proporcional a E e a força proporcional a E2 , devido à

divergência do campo eléctrico. Em redes alternadas (AC), a primeira componente é nula

devido à natureza alternada da tensão, mas a segunda componente resulta numa força

positiva cuja amplitude aumenta com o campo eléctrico.

Em redes contínuas (DC), ambas as componentes produzem uma força positiva o que faz

com que os isoladores utilizados em redes DC acumulem mais poluição.

A força mais dominante responsável pela contaminação dos isoladores é o vento, seguida

pelo campo eléctrico. Em qualquer um dos isoladores, quer em AC, quer em DC, o campo

eléctrico não é uniforme, estando mais concentrado no terminal do lado da tensão. É usual

encontrar esta parte do isolador mais contaminada do que o resto.

Existem diversos tipos de contaminantes no campo, nos quais os mais comuns são as areias

(SiO2). A contaminação por sal comum (NaCl) é um problema para os isoladores aplicados

junto da costa. Nas zonas agrícolas, é frequente encontrar isoladores com fosfatos, nitratos

de nitrogénio e amónia.

4.1.4.3 Humidificação do isolador

Durante o serviço o isolador pode ficar molhado pela chuva, orvalho, vento húmido ou

gelo. As superfícies do isolador expostas à chuva são mais facilmente humidificadas do

que as zonas protegidas. Caso o período de chuva seja contínuo por algum tempo, o

isolador pode ficar todo molhado. A humidificação por nevoeiro ou gelo dá-se por um

processo de condensação, que depende da diferença de temperatura entre a superfície do

isolador e o ambiente. O vapor de água condensa-se mais facilmente se a temperatura da

superfície do isolador for mais baixa. O desenho do isolador tem pouca influência no

processo de condensação.



O material de que é composto o isolador tem grande importância na humidificação em

serviço. Entre os materiais utilizados no fabrico dos isoladores, porcelana inorgânica, vidro

e polímeros, há uma diferença importante que é a humidificação. As fortes cadeias

electrostáticas entre a sílica e o oxigénio em porcelana e vidro originam um elevado valor

de energia livre, a qual é uma quantidade termodinâmica que determina a adesão da

superfície com a água. Logo, os isoladores de vidro e de porcelana são facilmente

humidificados. Os compósitos, pelo contrário, têm fracas cadeias electrostáticas ao nível

molecular o que cria baixos valores de energia de superfície. Esta característica é

responsável por os isoladores resistirem à formação de caminhos contínuos de água. Esta

propriedade de resistir à formação de caminhos contínuos de água é referida por

Hidrofobicidade.

A diminuição na resistência superficial do isolador, sob condições húmidas, é função da

solubilidade do contaminante. Entre todos os sais, o NaCl é o mais solúvel como tal pode

criar altas correntes de fuga.

4.1.4.4 Arcos em caminhos secos

A corrente de fuga causa o aquecimento da camada electrolítica. A potência de dissipação,

que é função da densidade de corrente, é maior nas partes estreitas do isolador. A água é

evaporada nestas regiões formando pequenos caminhos anelares, designados por caminhos

secos. A formação destes provoca uma diferente distribuição da tensão ao longo do

isolador. Devido à grande densidade de potencial existente nas zonas estreitas, o campo

eléctrico nas zonas secas é muito maior causando arcos. A corrente do arco é limitada pela

resistência da camada em série com o caminho seco.

Os arcos na maior parte das vezes são auto-limitativos. A corrente na banda seca é muito

baixa, apenas de alguns miliamperes, e requer uma tensão elevada para a suportar. Devido

a este factor em conjunto com elevada resistência superficial é causada a movimentação ou

extinção das bandas secas.

No entanto, e devido a certas condições tais como baixa resistência superficial causada

pelos elevados níveis de contaminação ou presença de gases ionizantes na vizinhança dos



isoladores, as bandas secas podem alongar-se criando pontes entre os terminais dos

isoladores que podem levar ao contornamento.

Para haver propagação dos arcos, o campo eléctrico na camada de contaminação em série

com o arco, deve ser maior do que o campo eléctrico na extremidade do arco. O

contornamento ocorre, em grande parte das vezes, caso o arco em caminho seco possa

fazer a ponte entre cerca de 2/3 do comprimento do isolador.



O quadro seguinte especifica o comprimento da linha de fuga consoante o nível de tensão a

utilizar e os locais a instalar.

Nível de poluição Mínima linha de fuga específica

mm/kV fase-fase Exemplos de ambientes típicos

I – Ligeira 16

- Zonas sem indústrias e com baixa densidade de edifícios. - Zonas com baixa densidade de casas ou industrias mas submetidas a chuvas frequentes e/ou chuvas frequentes. - Zonas agrícolas. Todas estas zonas estarão situadas a uma distância de pelo menos 10 a 20 km do mar e não estarão expostas a ventos procedentes do mesmo.

II – Média 20

- Zonas com indústrias que não produzem fumos particularmente contaminantes. - Zonas com alta densidade de casas e/ou indústrias mas submetidas a chuvas e/ou ventos frequentes. - Zonas expostas ao vento procedente do mar mas não demasiado próximo da costa (a alguns Quilómetros de distância).

III - Alta 25

- Zonas com alta densidade de indústrias e subúrbios de grandes cidades com forte densidade de edifícios com aquecimento central que façam poluição. - Zonas próximas do mar ou em alguns casos expostas a ventos procedentes do mar relativamente fortes.

IV – Muito Alta 31

- Zonas geralmente pouco extensas, submetidas a pós de alta condutividade e a fumos de indústrias que produzem depósitos condutores particularmente espessos. - Zonas geralmente pouco extensas, muito próximas da costa, expostas aos ventos fortes e aos contaminantes procedentes do mar.

- Zonas desertas, caracterizadas pela ausência de chuva durante longos períodos, expostas a ventos fortes com pó e areia, e submetidas a fortes condensações



4.2 Causas de falhas dos isoladores

4.2.1 Manuseamento

4.2.1.1 Isoladores de porcelana e de vidro

Isoladores de porcelana e de vidro aparecem frequentemente danificados, ou durante o

transporte ou no campo e é o resultado da falta de cuidado no manuseamento.

Normalmente isto é um problema mínimo que pode ser atribuído a trabalhadores com

pouca experiência. Nos isoladores rígidos (de apoio), que são isoladores de grande peso,

torna-se necessário equipamento para os manusear o que reduz significativamente a

ocorrência de danos.

Isoladores que apresentam grandes defeitos não são instalados, contudo, os isoladores com

deficiências não detectáveis podem ser aplicados correndo o risco de poderem vir a

apresentar problemas.

4.2.1.2 Isoladores Compósitos

Os isoladores compósitos são facilmente danificados por mau manuseamento. É vulgar

ocorrerem danos durante o armazenamento, transporte e instalação. Em armazém as caixas

devem ser totalmente fechadas para prevenir a entrada de roedores. No interior das caixas é

conveniente separar com tiras de madeira as diferentes camadas de isoladores (para

impedir que se movimentem e para que não haja contacto entre eles). As figuras seguintes

ilustram isso mesmo:

Isolador de material compósito danificado por ruidores



Isoladores compósitos armazenados no interior de uma caixa

Quando armazenados fora das caixas, os isoladores devem ser empilhados de forma que

uns não danifiquem os outros. Não devem ser colocados materiais em cima dos isoladores

e quando estes têm uma certa dimensão devem ser utilizados tubos de plástico ou cartão

para revestimento.

No transporte é desejável que os isoladores se encontrem nas suas caixas originais. No

caso de serem poucas unidades, devem ser devidamente acondicionadas no veículo, tal

como ilustra a figura seguinte.



Na instalação, a vara pode estilhaçar se lhe forem aplicadas torções ou cargas flutuantes. O

defeito, uma vez ocorrido, pode deixar problemas na vara, originam tracking ou fracturas

por fragilização. O aparecimento de tracking na zona da vara exposta pode levar algum

tempo dependendo este da localização do defeito, humidade e quantidade de poluição.

Fracturas por fragilização ocorrem a curto prazo se o defeito é perto das terminações do

isolador junto à linha. Estas fracturas poderão ser devidas à produção de ácidos durante as

descargas do efeito coroa com a presença de chuva. Estas fracturas levam à queda da linha.

4.2.2 Vandalismo

4.2.2.1 Isoladores de vidro

Enquanto muitas empresas não apresentam muitos problemas de defeitos de isoladores por

vandalismo, há outras que sofrem bastantes problemas. Como resultado, muitas empresas

estão perante a dúvida em aplicar ou não os isoladores de vidro.

A fractura dos isoladores de vidro torna-se espectacular por estilhaçar completamente todo

o vidro do isolador. Caso todos os isoladores da cadeia forem partidos podem ocorrer

contornamentos e levar a um defeito permanente.



4.2.2.2 Isoladores de porcelana

Em comparação com os isoladores de vidro, os isoladores de porcelana não têm tanta

atracção para a sua destruição. No entanto, se for retirada uma considerável quantidade de

porcelana poderão ocorrer contornamentos ou mesmo defeitos permanentes.

4.2.2.3 Isoladores compósitos

Os isoladores compósitos podem suportar alguns actos de vandalismo, tais como tiros de

armas, sem falhas eléctricas ou mecânicas imediatas. No entanto, se a fibra de vidro ficar

exposta, podem provocar tracking e fracturas por fragilização. De um modo geral não é

muito fácil detectar defeitos provocados por vandalismo neste tipo de isoladores. Uma

fractura por fragilização dos isoladores compósitos é acompanhada da queda da linha e

portanto deverão fazer-se regularmente inspecções do estado dos isoladores para prevenir a

queda das linhas.

4.2.3 Controlo de qualidade

4.2.3.1 Isoladores compósitos

4.2.3.1.1 Defeitos na vara e/ou hardware durante a moldagem

Ao longo do desenvolvimento dos isoladores compósitos foram testados vários métodos de

ligação das terminações à vara. Actualmente, a moldagem é o principal método aplicado

para isoladores com uma fibra de vidro sólida. Poderão, no entanto, surgir problemas

devido a compressões desequilibradas como se mostra na figura.



Defeito da fibra de vidro

4.2.3.1.2 Erosão nas linhas de união da moldagem

Todos os materiais poliméricos sofrem de erosão devido às descargas de efeito coroa.

Normalmente a erosão dos poliméricos é um processo lento e de pequeno impacto a não

ser que sejam criados canais. A erosão em canais, como mostra a figura (a), resulta de

arcos nos caminhos secos e pode levar a falhas. Quando a vara se encontra exposta, podem

ocorrer defeitos por tracking ou fracturas por fragilização. Nas figuras (b), (c), (d)

apresentam-se fotografias de um descarregador de sobretensão, com as saias de material

compósito, que apresentou erosão nas linhas de montagem.



Erosão da linha de montagem

4.2.4 Problemas de aplicação

4.2.4.1 Contornamento

As condições de serviço como descargas atmosféricas, de manobra ou poluição podem

provocar contornamentos, seguidos de arcos de potência que podem levar, dependendo da

amplitude e do tempo de eliminação da corrente, à destruição dos isoladores. Em

isoladores de porcelana ou de vidro a ruptura do espigão do isolador, junto à linha, dá-se

instantaneamente se a corrente for superior a 50 kA e durar mais de 10 ciclos. Em

isoladores não cerâmicos, os defeitos nos anéis também podem ser intensos.



4.2.4.2 Poluição

A poluição na superfície origina o aumento da corrente de fuga e, se for suficientemente

elevada, pode levar ao contornamento. Baixos níveis de corrente podem causar erosão no

hardware, mais propriamente no espigão devido à grande densidade de corrente. Em zonas

de elevada poluição, a erosão do espigão pode levar à queda da linha.

A corrente de fuga em isoladores compósitos, se for demasiado elevada, provocará erosão

e possível tracking, expondo a vara. Para isto ocorrer é necessário uma poluição elevada.

4.2.4.3 Stress provocado pela tensão

Ao contrário das cadeias de isoladores, os isoladores compósitos não têm as capacidades

distribuídas ao longo do isolador logo, a distribuição do potencial é não uniforme.

Dependendo do desenho do hardware, do nível de tensão e do isolamento dos condutores

em relação ao apoio, o efeito coroa pode ser um problema sério para tensões mais

elevadas. A figura seguinte evidencia a acção do efeito coroa. Este problema pode ser

ultrapassado através da colocação de anéis uniformizadores de campo.

Erosão devido a efeito coroa



As fracturas por fragilização também podem resultar deste problema. Na figura a seguir

mostram-se exemplos de fracturas por fragilização.

Exemplos de fracturas por fragilização



4.3 Métodos de detecção de defeitos em isoladores

4.3.1 Introdução

A detecção de defeitos em isoladores é fundamental devido à pressão a que as empresas

estão sujeitas, para serem mais fiáveis e reduzirem custos. Para além disso é estritamente

necessário salvaguardar a segurança dos trabalhadores o que obriga a que os isoladores não

possam falhar durante os trabalhos de manutenção em tensão.

As interrupções tornaram-se inaceitáveis, principalmente em zonas com grande densidade

industrial e populacional. Enquanto que a maioria dos produtos têm um tempo limitado de

vida e só depois se procede à substituição, a necessidade de substituição dos isoladores

antes de ocorrer o defeito torna-se mais crítica ao longo do tempo.

Têm ocorrido falhas em isoladores de porcelana e de vidro. Grande parte dos defeitos pode

ser classificado como defeitos eléctricos, isto é, que causou interrupções na alimentação

eléctrica. Defeitos mecânicos destes isoladores, provocando a queda da linha têm ocorrido

muito raramente.

Os isoladores compósitos têm apresentado falhas que levaram à queda dos condutores.

Portanto, é importante o desenvolvimento de métodos fiáveis para detectar os defeitos em

isoladores compósitos. Os isoladores podem tornar-se defeituosos antes da sua instalação

(fabrico, armazenamento, transporte, manuseamento), ou podem desenvolver defeitos

durante o serviço. Das três categorias de isoladores utilizados em sistemas de alta tensão

(porcelana, vidro e compósitos), a detecção de defeitos em isoladores de vidro é a mais

simples de obter. Nos isoladores de porcelana e compósitos, a detecção é mais difícil

porque não é facilmente visível.

4.3.2 Detecção de defeitos em isoladores de porcelana e de vidro

Os isoladores de porcelana são uma mistura heterogénea de argila, feldspato e quartzo, que

são todos cristalinos na sua estrutura. Ainda antes de o isolador ser construído, a porcelana



possui certas falhas a nível microscópico, como deslocações, rotações e micro rupturas.

Defeitos maiores podem ocorrer durante o fabrico e subsequente uso, e inclui macro

rupturas, imperfeições, inclusões e buracos. A taxa de propagação de um defeito não pode

ser prognosticado pois depende de numerosos parâmetros, como a qualidade dos materiais,

processamento e fabrico, e a duração e amplitude das tensões impostas.

4.3.2.1 Princípios utilizados para detecção de defeitos

Comparando com um isolador saudável, um isolador com defeito tem uma menor

resistência, conduz uma maior corrente e altera a distribuição de campo ao longo do

isolador. Devido a estes factos, os métodos desenvolvidos para detectar defeitos em

isoladores de porcelana usam a resistência, corrente, diferença de potencial e campo

eléctrico como indicadores de detecção de defeitos. Estes métodos podem ser considerados

como métodos eléctricos.

A presença de defeitos pode causar mudanças na propagação das ondas dentro do isolador.

Isto levou ao desenvolvimento do método acústico para detecção de defeitos em isoladores

de porcelana. Excepto para o método acústico que pode ser aplicado a isoladores antes da

instalação, os outros métodos só podem ser aplicados com os isoladores electrizados.

4.3.2.1.1 Métodos Eléctricos

4.3.2.1.1.1 Método Buzz

Este método usa a diferença de potencial ao longo de sucessivos isoladores de cadeia. O

instrumento, representado na figura seguinte, consiste em pontas de metal que são ligadas a

uma vara. Cada elemento é testado individualmente colocando as pontas entre as

campânulas. Se o elemento está em boas condições, então há uma diferença de potencial

entre as terminações que é suficiente para causar um arco (com emissão de ruído). Se o

elemento tiver defeito, não haverá tensão (isolador curto-circuitado), ou a tensão virá

diminuída, e não haverá ruído transmitido ao equipamento.



As vantagens que este método apresenta são a simplicidade, o preço e a detecção dos

defeitos requer pouca experiência do operador. As desvantagens são o tempo exagerado

para ensaiar todos os isoladores e é o facto de haver risco de contornamento na presença do

operador se houver mais elementos com defeito.

Esquema do instrumento de medição “Buzz”

4.3.2.1.1.2 Medição de resistência ou da corrente de fuga

Este método consiste na medição da resistência entre as partes metálicas de cada elemento

através da aplicação de um impulso de tensão. Há aparelhos de medida que podem efectuar

estas medições com os isoladores em tensão ou sem tensão. Os aparelhos têm normalmente

gamas de resistência que indicam com facilidade se o isolador tem defeito ou não.

As vantagens deste método são a simplicidade do instrumento e a interpretação dos

resultados. As limitações surgem se o isolador não estiver perfurado, pois pode não haver

alteração de resistência em relação aos isoladores sãos. A humidade também pode afectar

os valores de resistência. Tal como o método “Buzz” este também é muito demorado. Na

figura seguinte apresenta-se esquematicamente o método de medição.

Esquema do instrumento de detecção de perfuração dos isoladores

por aplicação de tensão



4.3.2.1.1.3 Medição da tensão

Este método utiliza um voltímetro ligado no final de uma vara para medição da tensão ao

longo de cada elemento. Elementos bons apresentam tensões elevadas, elementos com

defeito apresentarão tensões reduzidas ou mesmo nulas. Este método tem como

desvantagem ser muito demorado.

4.3.2.1.1.4 Medição do campo eléctrico

A aplicação de tensão entre os terminais do isolador produz um campo eléctrico ao longo

do isolador. Esta técnica de detectar defeitos em isoladores mede o campo eléctrico

próximo do isolador. Na figura apresentada a seguir mostra-se a distribuição do campo

eléctrico ao longo de uma cadeia de isoladores bons. As linhas variam suavemente em

amplitude e direcção ao longo do isolador. Quando existe uma unidade com defeito,

verifica-se uma variação muito rápida na amplitude e direcção do campo eléctrico.

Distribuição do campo eléctrico ao longo de uma cadeia de isoladores



Instrumentos que medem o campo eléctrico não são recentes mas implicam a utilização de

um microprocessador capaz de armazenar dados para fazer o seu tratamento numa fase

posterior. Estes dados permitem representar o campo eléctrico ao longo de toda a cadeia da

forma apresentada na figura seguinte.

Variação do campo eléctrico ao longo de uma cadeia de isoladores

4.3.2.1.2 Termografia

Esta técnica pode ser utilizada para detectar perfurações em isoladores de porcelana e de

vidro e permite verificar a diferença de temperaturas entre isoladores sãos e isoladores com

defeito.



4.3.3 Detecção de defeitos em isoladores compósitos

Os isoladores compósitos não são testados tão frequentemente em relação aos isoladores de

porcelana e de vidro. No entanto, há a possibilidade de os isoladores compósitos,

apresentarem defeitos mesmo antes de serem instalados. Este facto levanta grandes

preocupações principalmente quando ocorrem operações de manutenção em tensão. A

necessidade de detectar defeitos em isoladores compósitos tem como base razões de

segurança e fiabilidade.

A distribuição de tensão em isoladores compósitos não é tão linear comparando com os

isoladores de porcelana. A inexistência de eléctrodos intermédios nos isoladores

compósitos é a responsável por esta não linearidade. Estas diferenças na construção tornam

a maior parte dos métodos de detecção de defeitos usados para os isoladores de porcelana

inúteis para os isoladores compósitos. A medição do campo eléctrico foi testada mas os

resultados não foram tão animadores como para os isoladores de porcelana e de vidro e isto

advém da alta não linearidade da distribuição da tensão e ao impacto mínimo dos defeitos

na distribuição da tensão.

4.3.3.1 Detecção de defeitos em isoladores compósitos antes da instalação

Defeitos em isoladores compósitos poderão ser iniciados antes da instalação (fabrico,

transporte, manuseamento e instalação) ou ser desenvolvidos durante o serviço. Defeitos

que podem existir antes da instalação podem ser dos seguintes tipos: (a) defeito na vara,

como cavidades ou fracturas, (b) presença de impurezas condutoras na vara ou nas

interfaces, (c) humidade introduzida na vara durante o armazenamento, ou (d) defeitos nas

terminações.

Com o propósito de identificar as técnicas que podem ser usadas para prevenir a instalação

de novos isoladores compósitos que contenham alguns dos defeitos acima descritos, foram

testados vários métodos: medição da resistência por um Megger, descargas parciais,

medição de rádio interferências (RIV), medição da corrente de fuga e aplicação de tensões

mais elevadas.



4.3.3.1.1 Comparação dos métodos de detecção

A medição da resistência por um Megger foi ineficiente, pois foi obtida uma resistência

infinita para todos os isoladores com defeito.

A medição de descargas parciais produziu uma amplitude relativamente elevada de

descargas parciais apenas para o isolador com um fio de cobre ao longo da interface.

Outros isoladores com defeito apresentaram descargas parciais que não se distinguiam das

obtidas para o isolador são. Como este método é muito sensível, a medição de descargas

parciais só é bem conseguida em laboratórios onde não haja ruído de fundo e que tenha

pessoal qualificado.

A medição de RIV tornou-se ineficaz para todos os tipos de defeitos.

A medição da corrente de fuga produziu um valor relativamente elevado apenas para o

isolador com um fio de cobre ao longo da interface. Para outros isoladores, a corrente de

fuga foi indistinguível dos isoladores sãos. Além disso, este método necessita de uma fonte

de alta tensão.

A aplicação de tensões mais elevadas tornou-se ineficaz para todos os tipos de defeitos.

4.3.3.2 Detecção de isoladores degradados durante o serviço

Os métodos mais habituais para inspeccionar os isoladores são:

- Inspecção visual

- Verificação por instrumentos especiais (visualização do efeito coroa durante a noite)

- Termografia

- Emissão acústica

- Medição do campo eléctrico



4.3.3.2.1 Inspecção visual

Os isoladores são inspeccionados no solo (com binóculos) ou junto deles (de helicóptero).

A inspecção pode ser efectuada sem retirar a tensão. É necessário que os operadores sejam

experientes para detectarem se o problema é sério para ser imediatamente resolvido. Este

método apenas detecta defeitos exteriores.

As seguintes mudanças visuais foram detectadas em isoladores compósitos:

- perda de hidrofobicidade

- tracking e/ou erosão das saias ou da vara

- efeito coroa

- produção de fendas por raios UV

- deformação

- defeitos nas saias

- defeitos nas terminações por contornamentos

- furações

Como exemplo, uma vara exposta, tracking e erosão de uma parte do isolador, defeitos nas

terminações são defeitos sérios para obrigar a imediata substituição do isolador. Perda da

hidrofobicidade e produção de fendas por raios UV não são tão sérios e o isolador pode ter

um comportamento satisfatório. No caso de haver outros tipos de problemas devem ser

analisados caso a caso.

4.3.3.2.2 Uso de instrumentos especiais de observação visual

A utilização de instrumentos especiais de observação visual permite detectar o efeito coroa

ou actividade de descargas durante a noite e o dia. A inspecção pode ser feita a partir do

solo. Os isoladores compósitos a seco não deverão apresentar efeito coroa visível. Caso

seja detectado efeito coroa, significa que a distribuição de gradiente está inadequada e

problemas poderão aparecer mais tarde. Se a inspecção revela actividade de descargas com

a humidade ou condições de chuva, é importante definir a localização. Descargas perto das

terminações é mais séria do que em qualquer outro lugar.



Câmara de visão nocturna

4.3.3.2.3 Termografia

Com esta técnica, é medida a distribuição de temperatura ao longo do isolador. A

inspecção pode ser feita no solo ou por helicóptero. Num isolador saudável a variação de

temperatura ao longo do isolador é insignificante, normalmente entre 1 e 3 ºC, mas junto

das terminações a temperatura é mais elevada. Quando existe uma variação abrupta da

temperatura significa que há defeito. Este facto requer uma visualização mais exaustiva

para verificar a necessidade de substituição do isolador.

Esta técnica é sensível a defeitos na superfície mas é insensível a defeitos internos, a não

ser que sejam suficientes para provocar a alteração da temperatura na superfície.

Termograma de um isolador fabricado por moldagem



Termograma de um isolador fabricado por extrusão

4.3.3.2.4 Emissão acústica

Isoladores não cerâmicos com defeito apresentam efeito coroa mesmo a seco. Uma

parabólica muito sensível com um microfone com alto ganho pode ser usada para

determinar o efeito coroa em isoladores compósitos. O operador deverá ter oscultadores

para ouvir o ruído vindo do efeito coroa. Esta técnica pode ser aplicada sem interferir com

o isolador.

4.3.3.2.5 Medição do campo eléctrico

O mesmo instrumento utilizado para os isoladores cerâmicos foi testado para os isoladores

compósitos. O aparelho utilizado neste método está indicado nas figuras seguintes:



5. Normas de ensaios de Isoladores

De forma a assegurar que os isoladores exteriores tenham um comportamento satisfatório

em serviço, deve-se proceder ao seu ensaio antes da instalação. Estes ensaios envolvem o

uso de fontes eléctricas e mecânicas e equipamento de monitorização sensível. As normas

definem as condições para a realização dos ensaios de forma a haver consistência com a

sua função em serviço. As normas asseguram também que os procedimentos de ensaio

sejam idênticos entre os vários laboratórios.

5.1 Entidades de Normalização

As entidades mundiais de desenvolvimento de normas relacionadas com ensaios de

isoladores são: ANSI (American National Standards Institute), CSA (Canadian Standard

Association) e IEC (International Electrotechnical Comission). É normal haver troca de

informação entre estas entidades.

5.2 Normas para ensaios de isoladores

As normas sobre ensaios de isoladores são:

- ANSI C29.1 – “Electrical Power Insulation – Test Methods”

- ANSI C29.11 – “Composite Suspension Insulator for overhead transmission lins –

tests

- IEC 383 – “Test for porcelain and toughened glass insulators”

- IEC 1109 – “Composite Insulators for AC overhead lines with a nominal voltage

greater than 1000 V; Definitions, test methods and acceptance criteria”

- CSA 411.4 – “Composite suspension insulators for transmission applications”



6. Experiências com isoladores compósitos a nível internacional

6.1 Espanha

Em 1999 o sistema eléctrico espanhol era composto por 14278 km de linha em 400 kV e

4280 km em 220 kV, principalmente na costa. O principal contaminante é o sal,

proveniente da costa, e a poluição vinda das indústrias.

Tinha 11000 isoladores compósitos instalados estando prevista a aplicação de mais 11000

nos anos seguintes.

O comportamento em serviço destes isoladores foi considerado excelente, sem falhas por

contaminação. Contudo, tiveram incidentes com bicadas de pássaros em 30 unidades de

amarração.

Em laboratório realizam ensaios eléctricos, mecânicos e análises físico-químicas.

Em campo fazem periodicamente termografias e inspecções visuais. Nunca foram

encontrados pontos quentes pela manhã mas durante a noite apareceram pontos quentes

com diferenças de temperatura de 6 – 7 ºC. Estes pontos estão acompanhados de descargas

parciais.

Relativamente à distribuição do campo eléctrico ao longo do isolador foi verificado que

depende muito da hora do dia. No entanto, o método de medição apresenta muitas

incertezas devido, por exemplo, à humidade e vento, não sendo, portanto, uma técnica

muito fiável para verificar o estado dos isoladores.

Como resultado verifica-se que após alguns anos de utilização o comportamento tem sido

muito bom.



6.2 Irlanda

A rede da Irlanda tem grandes extensões de linha por cliente. Em 1996 iniciaram uma

renovação geral das linhas de 10 kV para 20 kV, apontando três razões para a sua

realização: primeiro foi a queda de tensão e a impedância distribuída aos clientes, segundo

foi a redução das interrupções e em terceiro foi a manutenção da tensão nos níveis

normativos.

Com esta renovação, fizeram a substituição de 75% dos isoladores convencionais para

isoladores compósitos, e só não fizeram na totalidade porque tiveram dificuldade em

encontrar um fornecedor de isoladores compósitos com um comprimento reduzido.

Uma área onde os isoladores compósitos serão utilizados exclusivamente é em locais com

corrosão e na construção de novas linhas.

A decisão de utilizar isoladores compósitos não foi devida à insatisfação com os isoladores

de vidro normalmente usados mas sim, atendendo à necessidade de fazer o aumento do

nível de tensão das linhas. A decisão sobre os isoladores compósitos foi baseada no preço e

na expectativa destes isoladores terem melhores desempenhos do que os de vidro. Outro

factor pela opção dos isoladores compósitos foi a opinião das equipas ligadas às linhas –

facilidade de manuseamento e colocação.

6.3 Israel

O principal problema da rede eram os isoladores. 25% dos defeitos permanentes na rede

MT e AT eram devidos a isoladores.

Em Israel há grandes períodos secos em que todo o tipo de poluição se acumula nos

isoladores (principalmente sal). No final do período seco há uma camada de poluição,

fortemente aderente, que é apenas parcialmente lavada durante os 4 meses de chuva. Os

disparos acontecem principalmente nas primeiras noites, antes das chuvas, com o nevoeiro.



Foi tentado resolver o problema de várias formas. O mais comum era sobredimensionar os

isoladores. Adicionalmente eram colocadas graxas mas o problema era apenas

parcialmente minimizado.

Além disso surgiam bastantes problemas mecânicos com os isoladores. Aparentemente a

causa principal era a reduzida distância de contacto entre a porcelana e o espigão interior

da campânula.

Actualmente estão presentes alguns isoladores de cerâmica na rede, que são a maior fonte

de problemas. Devido a este facto, iniciou-se a substituição dos isoladores cerâmicos por

isoladores compósitos, o que provocou logo de inicio um motivo de satisfação porque,

tinham um preço mais reduzido e tinham maior resistência ao vandalismo. Havia a crença

que os isoladores compósitos podiam vir a ser a solução mas havia a suspeição em relação

aos raios UV. Hoje fica a ideia que os isoladores compósitos são a melhor solução.

Num estudo feito concluía-se que, mesmo que os isoladores compósitos fossem lavados de

5 em 5 anos e que a sua vida fosse de 15 anos, ainda assim eram mais baratos que os

isoladores de cerâmica. Por este motivo foram mudados para isoladores compósitos. Nos

dias que decorrem têm cerca de 4000 em AT e 20000 em MT.

Nos isoladores compósitos tiveram três casos de fracturas por fragilização e algumas falhas

nos ensaios de recepção. Foi verificado que as três fracturas por fragilização resultaram de:

- insuficiente camada de silicone

- eram necessários anéis uniformizadores de campo

- na montagem, o operador não teve o cuidado necessário e o isolador ficou com

defeitos.

Há alguns anos atrás foi montada uma instalação especial junto do deserto. O que torna

esta instalação única é que há poucos sítios do planeta onde se têm tensões elevadas num

clima deserto. A ideia desta construção foi testar a influência de vários parâmetros no

comportamento dos isoladores, incluindo material, comprimentos, desenho das saias e

anéis uniformizadores de campo. Foram instalados 24 isoladores compósitos de cinco



diferentes fabricantes e uma cadeia de vidro. Os isoladores foram seleccionados de

catálogos de vários fabricantes baseado nos objectivos da empresa e em critérios gerais de

especificação de isoladores.

6.4 Austrália

Os problemas passavam pela costa, pelo vandalismo e pelo bosque tropical (grande

resistividade do terreno, muita chuva/humidade, poluição média). Optaram por usar

isoladores compósitos. A maior desvantagem encontrada é o facto das aves atacarem a

borracha.

A entidade reguladora da Austrália impôs o aumento de activos, redução dos custos de

operação e manutenção, maior qualidade nos trabalhos e melhoramento das tecnologias.

A questão principal tem a ver com a manutenção e esta foi a razão de terem optado pelos

isoladores compósitos. Sobre estes isoladores foi dito que a relação entre o aspecto dos

isoladores (inspecção visual) e as suas características eléctricas não está bem conhecida.

Não se pode afirmar, por simples observação dos isoladores, qual o estado destes.

Um facto que foi verificado é que a resistência mecânica do núcleo do isolador é muito

dependente do campo eléctrico mas depende sobretudo da concentração de ácidos,

provenientes da chuva, que se infiltram pelos pequenos orifícios.

6.5 Flórida

A experiência da maior empresa da Flórida numa linha de 138 kV é uma demonstração do

bom comportamento à poluição dos isoladores de borracha de silicone. Quando fizeram a

avaliação para a aplicação de novos isoladores foi considerada a hipótese de aplicar

isoladores de porcelana com esmalte condutor porque parecia eficaz neste tipo de

ambiente. No entanto, o custo era bastante elevado quando comparado com os isoladores

compósitos além das perdas associadas a esse tipo de isoladores.



Em 1989 foram substituídos os isoladores cerâmicos por isoladores compósitos. Nos 36

meses que antecederam a substituição tinham-se verificado 19 interrupções devido ao

contornamento dos isoladores por efeito da poluição. Nos 36 meses após a substituição só

ocorreram duas interrupções. Nestas duas interrupções nunca foi localizado o local e

provavelmente não foi nos isoladores.



7. Discussão do trabalho realizado

Um grande problema no funcionamento de uma rede eléctrica é o comportamento dos

isoladores quando sujeitos a poluição. Esta deve-se principalmente à contaminação salina,

junto das costas e à contaminação industrial.

Uma forma de ultrapassar o problema pode passar, entre outras técnicas, por lavagens

frequentes dos isoladores ou aumento da linha de fuga. No entanto estas técnicas

apresentam custos elevados.

Com o intuito de melhorar o comportamento dos isoladores quando sujeitos à poluição,

diminuindo assim os custos de manutenção, surgiram os isoladores compósitos poliméricos

(IPC). Estes, devido às suas excelentes propriedades hidrofóbicas, não deixam criar

caminhos condutores na superfície dos isoladores evitando assim os contornamentos.

Com o aparecimento destes isoladores muitas foram as companhias de electricidade que

admiraram a ideia e instalaram, inicialmente em situação de experiência, isoladores nas

zonas consideradas críticas.

Tendo em conta o bom comportamento demonstrado por estes isoladores e a redução do

seu custo de fabrico, foi aumentando gradualmente o seu número por instalação.

Actualmente pode dizer-se que há uma série de empresas de distribuição e transporte de

energia que têm este tipo de isoladores como primeira opção de aplicação.

Analisando as experiências sobre o comportamento dos isoladores deve dizer-se que as

expectativas das empresas eram enormes com este tipo de isoladores e havia a ideia que

esta era a tecnologia a implementar em todo o tipo de instalações. No entanto, a realidade

não foi essa pois foram apresentados alguns problemas como sendo o tipo de silicone, o

desenho e tamanho das saias, as fracturas por fragilização, as algas e os pássaros. O

problema das fracturas por fragilização é identificado como devido à espessura de silicone

em redor do núcleo, dependendo muito do tipo de silicone. O problema das algas aparece

sobretudo em zonas tropicais e o último problema aparece pontualmente em algumas



zonas. De salientar que este tipo de problema apenas surgiu com alguns tipos de aves

(corvos, catatuas).

Na tentativa de compreender melhor o comportamento destes isoladores todas as empresas

complementam a experiência na rede com ensaios periódicos em laboratório. Estes ensaios

são normalmente ensaios eléctricos, mecânicos e ensaios químicos.

Em forma de conclusão pode dizer-se que esta é uma tecnologia muito viável mas requer

uma atenção particular para cada situação específica (ambiente salino, poluição industrial,

etc.). Este acompanhamento só se consegue com a experiência e passa pela definição do

melhor tipo de silicone, optimização das linhas de fuga e distribuição do campo eléctrico

ao longo do isolador (anéis uniformizadores de campo, descargas parciais).

A experiência deverá passar pela instalação no terreno de isoladores compósitos

poliméricos e acompanhamento continuado do seu comportamento. Regularmente estes

isoladores deverão ser sujeitos a ensaios laboratoriais.

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