Tecnicas de Alta Tensu00E3o-Apontamentos (6-02-2015).pdf

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Instituto Superior Politécnicode Songo

TÉCNICA DE ALTA

TENSÃO

Curso de Licenciatura em Engenharia Eléctrica

Preparado por, Eng. Luis Simone

Versão L01- 2012

Instituto Superior Politécnico de Songo

Apontamentos de Técnica de Alta Tensão

Eng. Luís Simone (Material sujeito a alterações sem aviso prévio)Técnica de Alta Tensão 2

Apresentação

Estemanual tem como objectivo servir de referência para a disciplina técnica de alta tensão

do curso de licenciatura em engenharia eléctrica do Instituto Superior Politécnico de Songo

Retrata de forma clara e simplificada os tópicos do plano temático, dando todas ascondições

para que o aluno entenda e pratique os fundamentos básicosnecessários para a análise de

sistemas de ALTA TENSÃO

Todavia,deixa-se claro ao leitor, que não é um trabalho inédito, mas umacolectânea de

assuntos fundamentais que, alguns, foram transcritos da bibliografia citadapara não perder a

qualidade e não descaracterizar a escrita do autor e que, outros foramacrescentados e

aperfeiçoados para dar uma melhor apresentação didáctica.A bibliografia citada no final,

oferece condições ao leitor para aprofundaroutros assuntos de interesse específico sobre a

matéria.

O Autor




Índice

Capítulo 1

Aplicação da Alta Tensão

Geração e Transmissão de Energia Eléctrica

Sobretensões

Tensões de Testes ou Ensaios

Ensaios com Tensões à Frequência da Rede

Ensaios com Tensão de Impulso Atmosférico

Ensaios com Tensão de Impulso de Manobra

Comutação de Correntes Indutivas Comutação de Circuitos Capacitivos

Ensaios com Tensão Contínua

Ensaios com Tensão em Baixa Frequência

Capítulo 2

Geração de Alta Tensão

Geração de Alta Tensão Contínua

Conversão AC Para DC

Circuito de Rectificação Simples (Meia Onda)

Rectificador de Onda Completa

Circuitos em Cascata ou Duplicadores de Tensão

Duplicador de Tensão com Transformadores em Cascata

Geração de Alta Tensão Alternada

Circuitos Ressonantes

Geração de Alta Tensão de Impulso

Circuito Simples para a Geração de Alta Tensão de Impulso

Capítulo 3

Medição de Alta Tensão

Medição da Alta Tensão de Pico com Recurso a Fendas de Centelhamento

Eléctrodos Esféricos

Eléctrodos de Campos Uniformes

Eléctrodos em Haste

Voltímetros Electrostáticos

Amperímetros em Série com Altas Resistências Óhmicas e Divisores de Tensão

Voltímetros Geradores

Medição de Alta Tensão de Impulso




Capítulo 4

Campo Eléctrico

Noções Gerais

Lei de Coulomb

Campo Eléctrico

Campo Eléctrico de uma Distribuição Contínua

Linhas de Campo Eléctrico

Lei de Gauss

Fluxo Eléctrico

Aplicações da Lei de Gauss a Isolantes Carregados

Distribuição de Campo Eléctrico e Ruptura de Material Isolante

Campo Eléctrico em Material Isolante Homogéneo

Campos Eléctricos Uniformes

Campos Eléctricos em Eléctrodos Cilíndricos-Coaxiais e Esféricos

Campos Eléctricos em Arranjos Eléctrodos Esfera-Esfera ou Esféra-Plano

Campos Eléctricos em Dois Eléctrodos Cilíndricos Paralelos

Campos Eléctricos em Materiais com Mais de Um Dieléctrico

Capítulo 5

Ruptura em Dieléctricos Gasosos

Introdução

Factor de Dissipação, Factor de Potência e Permissividade Relativa

Ruptura em Dieléctricos Gasosos

Lei Fundamental dos Gases

Processos de Ionização

Primeiro Coeficiente de Ionização de Townsend (Α)

Segundo Coeficiente de Ionização de Townsend (Γ) Transição Entre as Descargas não Sustentadas ao Rompimento

O Mecanismo de Townsend

Mecanismos de Ignição de Fluxo ou Canal Piloto de Electrões

A Lei de Paschen

Intensidade do Campo Eléctrico de Ruptura (Eb)

Descargas Parciais ou Efeito de Coroa

Descargas com Polaridade Positiva

Descargas com Polaridade Negativa

Gases Isolantes

O Ar Atmosférico

Nitrogénio

O Gás SF6

Capítulo 6

Ruptura em Dieléctricos Sólidos e Líquidos

Ruptura em Dieléctricos Sólidos

Tensão de Ruptura em Cavidades




Camada de Condensadores

Ruptura em Dieléctricos Líquidos

Capítulo 7

Ensaios não Destrutivos

Medição do Índice de Polarização

Transformadores de Potência

Medição da Resistência de Isolamento Envelhecimento Térmico do Papel Isolante

Envelhecimento Térmico do Óleo Isolante

Métodos Não Invasivos – Globais

Furfural (2FAL)

Tensão de Retorno – RVM (RecoveryVoltage Meter)

Tensão de Retorno VS Grau de Polimerização

RVM VS Outros Ensaios Dieléctricos

Gerador

Componentes do Sistema de Isolamento

Degradação Térmica

Efeito da Polaridade na Localização das DPS Efeito Inverso (–) das DPS com a Temperatura

Efeito Proporcional (+) das DPS com a Temperatura

Tensão Aplicada CC – “Hy-Pot”

Ensaios em Capacitores

A) Capacitância – Potência Reactiva

B) Isolamento

Resistência de Isolamento entre Isoladores de Travessia

Levantamento das Características de um Gerador

Saturação em Transformadores de Corrente

Capítulo 8

Sobretensões, e Coordenação de Isolamento

Capítulo 9

Concepção e Teste de Isoladores Para Uso Exterior

Tipos de Isoladores

Solicitações Mecânicas

Solicitações Eléctricas

Os Isoladores são Produzidos de:

Porcelana Vitrificada

Vidro

Polímeros

Suportabilidade Dieléctrica

Formação de Arcos Em Isoladores Poluídos

Efeitos dos Arcos Sobre os Isoladores

Corrosão Atmosférica/Galvânica

Corrosão Eléctrica




Avaliação da Formação de Arcos em Ambiente Tropical

Período Húmido

Período Seco

Operação em Ambiente Poluído

Mitigação dos Fenómenos de Poluição

Melhorar a configuração

Limpeza periódica

Aplicação de Gel/Graxa

Aplicação de RTV

Esmalte Resistivo

Bibliografia




Capítulo1

Aplicação da Alta Tensão

Geração e Transmissão de Energia Eléctrica

Os potenciais benefícios da energia eléctrica fornecida a um número de consumidores a partir

deum sistema comum de geração foram reconhecidos logo após o desenvolvimento do

'Dínamo', comummente conhecido como o gerador.

A primeira central de geração pública foi posta em serviço em 1882 em Londres (Holborn).

Logo em seguida uma série de outros fornecimentos públicos de electricidade foram

desenvolvidos em muitos outros países.

Os primeiros sistemas produziam energia em corrente contínua e em baixa tensão, mas o seu

fornecimento limitava-se a áreas localizadas e fundamentalmente para iluminação eléctrica.

As limitações dos sistemas de transmissão DC a baixa tensão tornavam-se cada vez mais

evidentes.

Por volta de 1890 a pesquisa e desenvolvimento de sistemas de geração e transmissão de

energia em corrente alternada chegou a um ponto tal que superaram os sistema de geração e

transmissão em corrente contínua

A primeira grande central de geração em AC foi posta em serviço em 1890 em Depford

alimentando a cidade de Londres situada a 28km de distância e a uma tensão de 10kV

Desde a mais antiga central eléctrica até aos dias de hoje percebeu-se que para um

aproveitamento económico dos sistemas de produção de energia eléctrica os respectivos

sistemas de transmissão deverão funcionar em sistemas integrados e interligados

formandosistemas robustos de transporte e distribuição de energia eléctrica.

Além disso, as fortes possibilidades de desenvolvimento de centrais de energia hídrica e a

necessidade de transportar esta energia por longas distâncias atéaos grandes centros de

consumo tornaram-se mais evidentes.O transporte de energia para a alimentação de grandes

centros de consumo, quer no contexto de interligação de sistemas ou transferências de

grandes massas de energia, levou os projectistas a invariavelmente a pensarem em termos de

tensões muito elevadas.

A figura abaixo lista alguns dos principais sistemas de transmissão em AC em ordem

cronológica de suas instalações

A potência eléctrica transmitida por uma linha aérea é proporcional ao quadrado da tensão da

linha dividida pela impedância natural da mesma P=𝑉2

Z. Por exemplo para uma linha cuja

impedância natural é de 250Ω, teremos:

V (kV) 400 700 1000 1200 1500




P (MW) 640 2000 4000 5800 9000

Lista dos principais sistemas de transmissão em AC e em ordem cronológica de suas

instalações

O rápido crescimento dos níveis de tensão nos sistemas de transmissão nas últimas décadas

éresultado da crescente demanda por energia eléctrica, aliada ao desenvolvimento de grandes

centrais hídricas em locais muito afastadas dos grandes centros de consumo o que leva a

necessidade de transporte de energia eléctrica por longas distâncias.

No entanto, limitações ambientais sobre a expansão das linhas de transporte de energia

resultaram na necessidade de se utilizarem melhor os sistemas de transmissão existentes

levando ao desenvolvimento de sistemas de transmissão flexíveis em AC, FACTS -

FlaxibleAC TransmissionSystems, que consistiram no desenvolvimento de dispositivos

semicondutores de potência tais como GTO e IGBT melhorando os sistemas de transferência

de potência numa rede eléctrica.

Todavia, a transmissão de energia eléctrica pelo mundo fora continua a ser feita

maioritariamente através de sistemas de alta tensão alternada (HVAC) e alta tensão contínua

(HVDC) por meio de linhas aéreas, cabos submarinos ou sistemas back-to-back

Os sistemas HVDC permitema transferência de uma maior densidade de potência, em

comparação com os sistemas de transmissão HVAC, permitem também a mitigaçãodas

barreiras ambientais impostas e, revelando-se mais económicos e úteis na interligação de

sistemas assíncronos.




A figura abaixo fornece uma ilustração gráfica de como os sistemas de transmissão HVDC se

desenvolveram e os respectivosníveis de tensão.

Ilustração gráfica daevolução dos sistemas de transmissão HVDC

Sobretensões

Regra geral a tensão do regime normal de funcionamento não constitui perigo para os

sistemas de isolamento dos equipamentos de potência mas sim apenas em circunstâncias

especiais, como por exemplo em condições de poluição, estas tensões podem causar

problemas para os sistemas de isolamento. No entanto, o nível de tensão de funcionamento

determina as dimensões do sistema de isolamento que constitui parte dos equipamentos de

geração, transmissão e distribuição de energia eléctrica. As sobretensões nos sistemas de

energia podem ter origem interna ou externa

Sobretensões de origem externa, provenientes das descargas atmosféricas e que não

dependem do nível de tensão de exploração, entretanto as sobretensões de origem

atmosféricas tornam-se menos severas quanto maior for o nível de tensão de exploração do

sistema

Sobretensões de origem interna, provenientes das alterações nas condições de exploração, tais

como manobra de disjuntores, avarias ou variações bruscas de carga ou nas fontes de

geradoras.

A magnitude das sobretensões depende do nível de tensão nominal de exploração, do instante

em que ocorre a manobra e a complexidade do sistema. Uma vez que a alteração das

condições do sistema é geralmente associada a operações de comutação, essas sobretensões

são geralmente referidas como sobretensões de comutação.

Na concepção dos sistemas de isolamento têm-se em atenção os seguintes aspectos:

As sobretensões que o sistema de isolamento deve suportar

A capacidade de resposta do isolamento quando submetido a estas sobretensões




O balanço entre as sobretensões eléctricas sobre o isolamento e a capacidade do material

dieléctrico deste sistema de isolamento cai no âmbito da coordenação de isolamento e que

será matéria de análise no capítulo 8.

Tensões de Testes ou Ensaios

Os equipamentos nos sistemas de energia devemsuportar não só tensão nominal (Vn),que

corresponde à tensão mais elevada de um determinado sistema, mas também as

sobretensõesque surgem durante a exploração do sistema.

Consequentemente, é necessário testar os equipamentos durante a suafase de

desenvolvimento e antes da colocação do mesmo em serviço. A magnitude e o tipo detensão

de ensaio varia de acordo com a tensão nominal do aparelho. Os métodos padrão de medição

de altas tensões e as técnicas de aplicação dos respectivos equipamentos quer para tensão

alternada, tensão contínua e tensão de impulso de manobra e atmosférica encontram-se

descritas nas normas nacionais e internacionais, relevantes.

Segundo MORGAN (1988), ensaio em alta tensão é qualquer ensaio no qual ogradiente

docampo eléctrico é suficiente para avaliar as propriedades do sistema deisolamento e a

suainfluência no desempenho do equipamento.A partir dessa definição os objectivos dos

ensaios podem ser vistos de formasimplificada como:

Avaliar o sistema de isolamento do equipamento - por exemplo, medição do factor de

perdas dieléctricas;

Avaliar o desempenho da função a que este equipamento se destina – por exemplo, um

transformador de tensão (TT) tem a função de prover a um instrumento (relé,

amperímetro, medidor de energia, entre outros) um sinal de tensão, de amplitude reduzida

por um factor conhecido. Num ensaio deve-se avaliar o erro que existe na relação de

transformação do TT e compará-lo com sua especificação.

Ensaios com Tensões à Frequência da Rede

Para se determinar capacidade de sustentação do sistema de isolamento de um determinado

equipamento sujeito à tensão e frequência da rede submete-se o mesmo ao teste 1 minuto sob

a frequência de 50Hz ou 60Hz consoante a frequência da mesma rede. A tensão de teste

deverá ser maior que a tensão de serviço esperada do equipamento de modo que se simulem

esforços acima dos esperados durante o tempo de serviço normal. Para equipamentos

somente de aplicação interior deverá ser assegurado um ambiente de teste sem influência da

humidade e para equipamentos de aplicação exterior deverá ser assegurado um ambiente de

teste com chuva (pior cenário).

Ensaios com Tensão de Impulso Atmosférico

As descargas atmosféricas quando incidem sobre as linhas de transmissão provocam nestas

uma sobretensão e ondas viajantes ao longo das mesmas susceptíveis de danificarem o

respectivo sistema de isolamento. A magnitude destas sobretensões atinge, regra geral,

centenas de quilovolts, dependendo da performance do sistema de isolamento. Estudos

mostraram que as sobretensões de origem atmosférica são de curta duração caracterizadas por

uma frente de onda com uma duração na subida até ao pico, de 1,2µs e uma duração, na




descida até a meia amplitude de 50µs, os valores podem atingir 4 a 5 vezes a tensão nominal.

Este tipo de ensaio é maioritariamente empregue em laboratórios quando se pretende

determinar mecanismos de disrupção eléctrica em função do tempo.

Basicamente a descarga atmosférica caracteriza-se pela propagação de uma frente de onda de

corrente, em micro segundos, que provoca uma elevação de potencial na zona de descarga

conforme exemplificado figura abaixo.

Normalmente as descargas atmosféricas atingem o cabo de guarda podendo em determinadas

situações, por falha da blindagem da linha, atingirem o cabo condutor. As descargas de maior

potencial directas ao cabo condutor são mais nefastas que as descargas no cabo de guarda,

dado que as possibilidades de escoamento da corrente de descarga são mais limitadas no cabo

condutor.

As descargas no cabo de guarda provocam a elevação do potencial no apoio mais próximo.

Caso essa elevação de potencial não seja suficiente para ultrapassar a capacidade de

isolamento imposta pela cadeia de isoladores, tudo regressa ao normal sem provocar qualquer

incidente na linha




Caso a elevação de potencial no apoio seja de tal forma que provoque a quebra do isolamento

(ver I na figura seguinte), é criado um caminho alternativo para a corrente de descarga (ver II

na figura seguinte). Nesse momento dá-se o contornamento inverso dos isoladores

provocando a circulação da corrente do cabo condutor para o apoio (ver III na figura

seguinte), que só se extingue quando os disjuntores nos extremos na linha se abrem.

Normalmente estes incidentes estão relacionados com as fracas terras dos apoios e a elevada

potência da descarga atmosférica

Ensaios com Tensão de Impulso de Manobra

Transitórios de tensão provenientes de alterações repentinas nos sistemas de potência, por

ligação ou desligação de circuitos ou por avarias, são denominadastensões de impulso de

manobra. Estudos mostraram que as tensões de impulso de manobra desempenham um papel

muito importante na concepção e selecção dos sistemas de isolamento no transporte e

distribuição de energia eléctrica para níveis de tensão de serviço acima de 300kV. Pelo que as

várias normas internacionais determinam que equipamentos com tensões de serviço iguais ou

maiores de 300kV sejam sujeitos aos testes de impulso de manobra. As sobretensões de

manobra são directamente proporcionais à tensão da rede e, por isso, ao invés das

sobretensões atmosféricas que não dependem da tensão da rede, tornam-se o factor de

limitação na coordenação de isolamento para redes de tensão, sobretudo mais altas, uma vez

que nessas o nível de isolamento entre condutores é melhorado. As sobretensões de manobra

são de mais longa duração do que as sobretensões de descargas atmosféricas (uma onda típica

tem a forma 250/2500μs, ou seja, frente de onda de choque, com duração até ao pico de250μs

e a duração de meia amplitude de 2500μs). A duração dessas oscilações é limitada ao período

de funcionamento do disjuntor e é, em geral, inferior a 20ms.




Tem um efeito mais constrangedor para o material (transformadores, cabos, …) do que as

sobretensões devidas às descargas atmosféricas. Os valores podem atingir 2 a 3 vezes a

tensão nominal e, excepcionalmente, valores mais elevados.

Comutação de correntes indutivas

Quando se estabelecem ou interrompem circuitosindutivos podem produzir-se impulsos de

grande amplitude com tempos de subidamuito curtos. Assim, fontes típicas destas

sobretensões são o comando de motoreseléctricos e transformadores, a energização de linhas

de transmissão.

Comutação de circuitos capacitivos

Dado que as redes eléctricas são normalmenteindutivas, a presença de capacidades

(condensadores ou simplesmente linhas em vazio),constitui um circuito ressonante LC. As

manobras produzem então sobretensões de tipooscilatório que podem atingir cerca de 3 pu.

Fontes típicas destas sobretensões são acomutação de bancos de condensadores utilizados na

regulação da tensão nas redes ecorrecção do factor de potência.

Ensaios com Tensão Contínua

No passado os ensaios com tensão contínua eram usados apenas para pesquisas científicas. A

aplicação industrial limitava-se aos testes de cabos com elevada capacitância, que consumiam

elevadas correntes quando testados com tensões alternadas e nos testes de isolamentos




quando fosse susceptível a ocorrência de descargas internas que levassem a degradação

material isolante. Nos últimos anos com o crescente interesse na transmissão de energia

eléctrica com recurso aos sistemas de alta tensão em corrente contínua HVDC, um elevado

número de laboratórios têm vindo a se apetrecharem com sistemas de geração de tensões

contínuas.

Ensaios com Tensão em Baixa Frequência

No período em que nos sistemas de distribuição de energia eléctrica eram empregues cabos

isolados a papel impregnado eram habituais ensaios com tensões contínuas (DC), com níveis

que variavam entre 4 a 4,5V0. Estes testes permitiam detectar cabos defeituosos sem o risco

de causar danos em cabos em bom estado. Com o aparecimento de cabos isolados com

materiais de alta capacidade dieléctrica os valores de teste passaram para 5 a 8V0.

Capítulo 2

Geração de Alta Tensão

Geração de Altas Tensões

Geralmente geradores de altas tensões comercialmente disponíveis são empregues em

laboratórios de alta tensão para testes de rotina de equipamentos tais como; transformadores,

isoladores de travessia, cabos, Capacitores, disjuntores, etc. Testes desta natureza deverão ser

capazes de confirmar a eficiência e a confiabilidade dos equipamentos testados e, por

conseguinte os testes de alta tensão deverão estudar o comportamento do sistema de

isolamento sob todas as condições que o equipamento é susceptível de encontrar. As

amplitudes e os tipos de tensão de ensaio, que é sempre mais elevada do que a tensão normal

ou nominal do equipamento em teste, em regra são determinados por normas nacionais ou

internacionais ourecomendações dos fabricantes e, portanto, não há muita liberdade na

selecçãodo equipamento de teste em alta tensão.

A maiorparte dos circuitos de testes de alta tensão podem ser alterados para aumentarem os

níveis de tensão de saída. Por conseguinte,até mesmo a selecção do tipo de rotina de testes de

equipamentos deve sempre consideraruma futura extensão das suas capacidades.

Geração de Alta Tensão Contínua

A alta tensão contínua é utilizada principalmente para trabalhos de investigação científica

pura e para testes de equipamentos relacionados a sistemas de transmissão HVDC. Tem

aplicação de relevo nos testes de cabos para transmissão de energia em corrente alternada

devido a grande Capacitância que estes apresentam o que levaria ao consumo de grandes

quantidades de corrente.Emboratais ensaios de alta tensão contínua em cabos para circuitos

de corrente alternada sejam relativamente mais económicos, a validadedos mesmossofre

influência da distribuição de tensões dentromaterial isolanteo que pode ser consideravelmente




diferente das condições normais de funcionamento encontradas no terreno quando transmitem

potência a baixa frequência.

Exemplo para o teste de cabos de alta tensão (de polietileno), os ensaios de alta tensão DC

não são mais usados, pois tais testes não podem confirmar aqualidade do isolamento do

cabo.Nas normas IEC 60-1 e IEEE 4-1995 o valor da tensão DC de teste é dado pela sua

média aritmética

Onde T é o período, f=1/T a frequência de oscilação

As tensões de testes aplicadas aos objectos a testar sofrem um desviorelativamente ao valor

médio significando a presença de uma ondulação na mesma. A amplitude da ondulação δV é

definida como a metade dadiferença entre os valores mínimos e máximos, ou seja

O factor de ondulação é a relação entre a amplitude de ondulação e a média aritmética,

ouδV/Vmed. Para tensões de teste este factorde ondulação não deve exceder 3%.

As tensões DC são geralmente obtidas por meio de circuitos de rectificaçãoaplicada a tensão

alternada AC ou por meio de geradores electrostáticos.

Conversão AC Para DC

A rectificação de correntes alternadas é o meio mais eficaz de obtenção de correntes DC.

A rectificação monofásica pode ser feita através de simples rectificadoressemicondutores,

sempre construídos em Silício, que normalmente não suportamtensões reversas maiores que

2500V, porém, sem apresentar problemas emrelação a conexão destes dispositivos em série

até atender a condição desejada

Circuito de Rectificação Simples(Meia Onda)

Para uma melhor compreensão doscircuitos monofásicos de conversão AC/DC serão vistos a

seguir os sistemas de rectificação de meiaonda com suavização de tensão. Será desprezada a

reactância do transformador e a impedância dos díodos durante a condução. O Capacitor C

será carregado até a tensão máxima Vmáx, ou seja sempre que V <Vt (Vt tensão no

transformador). Se I = 0, isto é; Rl = ∞ (infinito) a tensão DC no Capacitor C permanecerá

constante Vmáx, e a Vt oscilará entre o ±Vmáx.

Se uma carga for ligada nos terminais a tensão no Capacitor não permanecerá constante.




Rectificador de meia onda

Representação gráfica tensão e corrente

Durante um período T=1/f uma carga Q é transferida para a carga Rl representada por

Onde I é o valor médio da corrente de carga iL(t) e V(t) a tensão DC que inclui o factor de

ondulação.

Se da equação δV = 0,5(Vmáx - Vmin) introduzirmos o factor de ondulação, teremos que a

tensão V(t) terá a seguinte variação

A carga Q também é fornecida pelo transformador num tempo de condução tc=άT durante

cada ciclo, assim também teremos Q




Sendo άT<T, as correntes no transformador e no díodo terão a forma representada na figura

acima cujas amplitudes serão maiores que a da corrente contínua iL≈I

O factor de ondulação poderá ser calculado exactamente para este circuito baseando-sena

rampa exponencial deV(t) durante o período de descarga T(1 - ά). No entanto, paracircuitos

práticos asquedas de tensão dentro do transformador e rectificadores devem ser tomadas em

conta. Assumiremos que ά = 0. Assim δV será facilmente calculado a partir da carga Q

transferida para a carga, ou seja

Esta relação mostra a interacção entre o factor de ondulação, a corrente de carga, a frequência

e a Capacitância do sistema.

O valor médio da tensão na carga será influenciada por δV mesmo tendo uma fonte constante

AC, V(t), e um rectificador sem perdas

Rectificadorde Onda Completa

Rectificador de onda completa

No circuito rectificador de onda completa mostrado na figura. No meio ciclo positivo, o

rectificadorA conduz e carrega o capacitor comVmáx, no meio ciclo negativorectificadorB

conduz e carrega o capacitor com 2Vmáx.




Circuitosem Cascata ou Duplicadores de Tensão

Duplicador de tensão

Duplicador de tensão em cascata

Tanto o rectificador de onda completa como o de meia onda produzem a saída uma tensão

DC menor que a máxima tensão AC de entrada (alimentação). Caso seja necessário produzir

tensões mais elevadas recorre-se aos duplicadores de tensão ou associação de rectificadores

em cascata. O diagrama esquemático de duplicadores de tensão é dadonas figuras acima.

No circuito duplicador de tensão mostrado na figura (a), o condensador C1 é carregado

através de rectificador R a uma tensão de polaridade conforme mostrado na figura durante a

fase negativa de meio ciclo




A tensão no transformador ao atingir o valor máximo, no semi-ciclopositivo subsequente, o

potencial no terminal do condensador C1 passa a 2Vmáx. Tanto os rectificadorescomo os

condensadores são dimensionados de tal forma que suportem a Tensão de 2Vmáx

De acordo com a figura acima percebe-se que a ideia é utilizar Capacitorescomo dobradores

detensão a fim de se obter uma tensão de saída DCmaior que a amplitude da fonte sinodal

deentrada.O procedimento é o seguinte: se os terminais do circuito estão inicialmenteabertos,

no primeiro semi-ciclo positivo C’n carrega a Vmax, e no semi-ciclo seguintenegativo atinge

2Vmax, se, inicialmente o ponto n está aterrado, o capacitorCn étambém carregado com 2Vmax,

no próximo semi-ciclo positivo o ponto n’ atingenovamente Vmaxe então o CapacitorC’n-s é

carregado com Vmax e assimsucessivamente até o estágio desejado

As formas de onda podem ser observadas de forma lógica, de acordo com a figura seguinte

Formas de onda de um dobrador de “n” estágios.




Deve-se observar que os potenciais dos nós à esquerda oscilam de formasenoidal,

respondendo a tensão da fonte de alimentação, os potenciais doscapacitores da direita se

mantêm constantes em relação ao terra, e commagnitude de “2Vmax” cada – observe que

somente se soma “2Vmax” por estágio -com excepção de “C’n” que é submetido a no máximo

“Vmax”, os diodos devem serprojectados para suportar no mínimo “2Vmax” - tensão a qual

estão submetidos - e, a tensão obtida na saída, na condição de idealidade, é

“2.n.Vmax”.Quando uma carga é colocada nos terminais do gerador, no entanto, essa tensão

sempre menor que “2nVmax”, pela queda de tensão causada pelacorrente que percorre a carga

– “DV0” - e pelo ripple existente – “2.d.V”.Para o cálculo do ripple, supõe-se que uma

quantidade de electrões “q” étransmitida à carga pelos capacitores, igual a “q = I/f = IT”,

assim, o ripple deveser igual à somatória da energia transferida por todos os Capacitores a

carga,porém, como Capacitores menores seriam submetidos a tensões muito elevadasse a

carga fosse rompida, os Capacitores são projectados para serem todos iguais.A queda de

tensão “DV0” pode ser analisada considerando a queda doprimeiro estágio, “n”. Supondo que

os elementos de circuito são idéias, “Cn’carregará com “Vmax”, mas devido a descarga desse

CapacitorCn será carregadocom

Onde “n.q” é a descarga do capacitor. Da mesma forma, “Cn” carrega “Cn-1”, que estásujeito

ao mesmo efeito de descarregamento. E assim sucessivamente, de forma que, se os

Capacitores tiverem a mesma Capacitância as quedas de tensão através de cada estágio será

aproximadamentesabendo que “q = I/f”, encontramos:

Apesar de os menores Capacitores serem responsáveis por todo o “DV0” como no caso do

ripple, Capacitores no valor de “Cn’” são usados porconveniência, diminuindo “DVn” numa

quantidade de “0.5.nq/c” por estágioresultando finalmente em

De onde para casos onde “n” for maior ou igual a “4”, o termo “n/6” pode ser desprezado.

Duplicador de Tensão com Transformadores em Cascata

Os circuitos multiplicadores de tensão em cascata do tipo Cockcroft–Walton demonstraram

limitações na tensão de saída DC. Esta desvantagem pode ser suprida com a colocação de

sistemas de rectificação de onda simples ou completa, cada um tendo a sua própria fonte de

alimentação AC.




Todos os transformadores por estágio são constituídos de um enrolamento primário de baixa

tensão, um enrolamento secundário de alta tensão e um enrolamento terciário de baixa tensão

onde o último dos quais excita o enrolamento primário do próximoestágio superior

Como nenhum dos enrolamentos secundários de alta tensãotem o potencial referenciado á

terra,é necessárioque se estabeleça um isolamento da tensão DC dentro de cada

transformador (T1, T2, etc.).Cada enrolamento de alta tensão alimentadois rectificadores de

meia onda.

Embora existam limitações quanto ao número de estágiose como os transformadores dos

níveis inferiores tem de fornecer energia para os transformadores dos níveis superiores, este

tipo de sistema, fornece uma fonte de geração de tensões de ensaios DC económica

apresentado factoresde ondulação com valores moderados.

Geração de Alta Tensão Alternada

Com, nos dias que correm, a transmissão e distribuição de energia eléctrica é

predominantemente em corrente alternada, a forma mais prática de testas equipamentos

envolvidos nestes sistemas é por meio de alta tensão alternada. Tornando-se óbvio que a

pesquisa de materiais isolantes para redes AC deverá ser feita sob este tipo de tensão.

Para tensões de teste inferiores a 300kV, um único transformador é suficiente para este

propósito. Entretanto para tensões superiores a 300kV este modelo mostra-se inadequado pois

apresenta custos elevados de instalação e de isolamento. A solução passa por ligar vários

transformadores idênticos em série ou em cascata




Representação esquemática de um transformador de teste

Corte transversal de um transformador de teste

O enrolamento primário é regra geral de baixa tensão (1kV) com possibilidade de ser

subdividido em dois ou mais posteriormente ligados em série ou em paralelo de forma a

melhorar a regulação do sistema. O núcleo e um dos enrolamentos do transformador são

aterrados




Representação esquemática de transformadoresem cascata

V1 – Tensão de alimentação; V2 – Tensão de saída; aa´ - L.V. enrolamento primário;

bb´- H.V. enrolamento secundário; cc´- enrolamento de excitação; bd – enrolamento de medição (200

to 500); g – suporte isolador;V - Voltímetro

Na figura acima o primeiro transformador encontra-se aterrado, o Segundo transformador

encontra-se suspenso em isoladores e ao potencial V2 (saída do primeiro estágio), o

enrolamento de alta tensão do primeiro estágio está ligado ao tanque do segundo

transformador

Circuitos Ressonantes

Estes circuitos surgiram para colmatar o efeito negativo da ressonância susceptível de

aparecer nos circuitos de teste. Se considerarmos um circuito de teste a um estágio e com um

capacitor como objecto de teste, o respectivo circuito equivalente será:

Onde (r1 +jωL1) as impedâncias do regulador de tensão do primário do transformador, ωL

representa a impedância shunt do transformador, geralmente maior que L1 e L2, podendo ser




desprezado (r2 + jωL2) representa a impedância do secundário do transformador e, 1/ωC

representa a impedância da carga.

Se por hipótese ω(L1 +L2) = l/ωC é alcançada a condição de ressonância que poderá ser

extremamente perigosa para a fonte de alimentação pois valores instantâneos de tensão na

ordem de 20 vezes poderão ser alcançados

Admitindo que poderá ocorrer uma ressonância no circuito de tal modo que

1 2, L L 1/ C. Nestas condições a corrente no objecto de teste será elevada e somente

limitada pela resistência do circuito. A magnitude da tensão no objecto de teste será dada por

Onde R é a resistência série total do sistema

Com regulação de frequência (Para minimizar fenómenos da ressonância)

O sistema comporta um conversor de frequência que alimenta o enrolamento de baixa tensão

de um transformador, uma indutância equivalente Ln que representa o somatório de todas

indutâncias do sistema, uma Capacitância Ct, que representa o somatório de todas as

Capacitâncias do sistema incluindo o objecto de teste e as Capacitâncias para o ajuste da

frequência, cuja mesma será;




A indutância nominal Ln será seleccionada de acordo com a Capacitância nominal Cn = Ct

que representa a maior Capacitância possível de testar submetida a tensão máxima V = Vn do

circuito e sob a frequência nominal fn, que será a menor frequência do sistema. Da equação

acima obtêm-se:

Outro critério para a selecção da indutância nominal Lné com base na corrente nominal I =

Inque sobreaquece a bobine ou satura o núcleo do transformador. Uma vez que as perdas

óhmicas são pequenas tal que R << ωLn estas poderão ser desprezadas assim a corrente Inserá

resultado da queda de tensão na indutância Lnque será aproximadamente o valor nominal Vn,

ou do facto de que em todos os ciclos a energia magnética armazenada na indutância ser igual

a energia eléctrica na Capacitância de teste Ctassim

Para objectos de teste cuja Capacitância Ct é diferente de Cn a respectiva frequência será

também diferente de fn, tal que

Para situações em que Ct ≤ Cn, a indutância Ln poderá ser submetida à tensão máxima do

sistema Vn, a relação das correntes será

Para situações em que Ct> Cn, o circuito merecerá alguma atenção na sua aplicação, onde se a

tensão V = Vn deverá se reduzida de tal forma que a corrente permaneça no seu valor nominal

In. Sendo a corrente I proporcional a tensão de teste vem que




Limitando I = In podemos obter a seguinte relação

Das relações V/Vn, I/In, f/fn, vem

Característica de operação segundo a figura




Geração de Alta Tensão de Impulso

Circuito Simples para a Geração de Alta Tensão de Impulso

Dois circuitos básicos de geração de alta tensão de impulso são mostrados na figura (abaixo)

onde o capacitor C1 é lentamente carregado até ao rompimento da fenda de centelhamento G.

Esta fenda de centelhamento age como um limitador de tensão em que o tempo da frente de

onda é muito baixo e determinado pelo valor da resistência R1, o valor de R2 determinará a

meia amplitude ou o tempo de cauda. O capacitor C2 representa a carga ou objecto de teste.

Antes de se proceder a análise faz-se referência ao parâmetro mais significativo no que

respeita a geração de alta tensão de impulso, ou seja, a energia máxima armazenada na

Capacitância C1. Dado que o capacitor C1 é maior que C2 este determina de certa forma o

custo do gerador.




Para o circuito da figura acima (a) a tensão no objecto de teste será dada por

Onde

Substituindo as grandezas vem que

Onde

Para o circuito da figura (b) teremos, a partir da equação geral V(s) com as seguintes

constantes

Para ambos os circuitos obtêm-se no domínio do tempo




Onde α1 e α2 são as soluções da equação

Ou

Assim, a tensão de saída será o resultado da sobreposição de duas funções exponenciais de

sinais contrários. De acordo com a equação (α1 e α2), a raiz negativa resulta na maior

constante de tempo 1/α1, comparativamente a raiz positiva 1/α2. O gráfico resultante é

mostrado na figura

Fica evidente a possibilidade de geração de ambos tipos de alta tensão de impulso com base

nestes circuitos. Todavia pode-se assumir que estes circuitos são similares, podendo diferir no

rendimento, ou seja

Onde Vpvalor de pico da tensão de saída, como indicado na figura acima. O mesmo pode ser

calculado começando por definir o tempo máximo para que V(t) atinja o seu valor de pico

tmáx a partir de dV(t)/dt=0. V0 tensão na fonte.




Substituindo em (η) teremos

Para ambos circuitos as diferenças dos respectivos rendimentos provem do valor de k=R1C2

Para a figura (b) teremos

Para C2≤C1 e α2≥α1 vem que

Substituindo em (η) vem que

Esta equação evidencia o facto de C1 ter que ser maior que C2

Para a figura (a) teremos, substituindo α1 e α2partindo e da relação R1/R2 = f(C2/C1)

Geralmente os valores de C1 e C2 são conhecidos de fábrica, sendo necessário o cálculo das

resistências R1 e R2, para circuito da figura (a)




Para o circuito da figura (b)

Note que em todas as equações está presente a constante de tempo 1/α1 e 1/α2, dependem da

forma de onda. Para determinadas formas de onda é válida a tabela

Devido a dificuldades construtivas os circuitos são simplificados de tal forma que têm-se em

consideração uma combinação de uma indutância total com as Capacitâncias C1-C2 (figura

abaixo) ignorando a posição da resistência de cauda, pois esta tem pouca influência. Assim




Onde

Circuitos em Cascata

A obtenção de alta tensão de impulso com recurso a um único estágio mostra-se

economicamente inviável, daí o recurso aos circuitos multiestágios sugeridos por MARX que

consiste num arranjo de condensadores em paralelo submetidos a uma carga através de

resistências óhmicas e posteriormente descarregados em série através de fendas de

centelhamento




Na figura os condensadores C’1 são carregados através de resistências de carga R’ e de

descarga R’2 (onde R’>>R’2).Após findo o período de carga os pontos A, B, … F estarão ao

potencial da fonte de alimentação ou seja (-V) e os pontos G, H, …N estarão ao potencial da

terra (a queda de tensão em R´2 durante o processo de carga é desprezado).

O processo de centelhamento do gerador tem início em G1 ao que se seguem todas as

restantes fendas de centelhamento. Ou seja, quando a primeira fenda conduz o potencial no

ponto A passa de -V para 0 e por conseguinte o potencial em H passa para +V. Uma vez que

o potencial em B permanece -V, uma tensão 2V aparecerá no ponto G2 causando a condução

desta fenda elevando o potencial do ponto I para +2V criando uma diferença de potencial de

3V na fenda G3 se mais uma vez assumir-se que o potencial em C permanecerá em -V o que

na prática é pouco provável. O processo de centelhamento continua até que o ponto N atinja a

tensão 6V ou nV, onde n é o número de estágios.

Este facto ultrapassa-se assumindo a existência de Capacitâncias C´, C´´, C´´´ onde C´

(capacitância entre o 1º e 2º estágio), C´´ (capacitância da fenda de centelhamento), C´´´

(capacitância entre 1º e o 3º estágio). Depois de algumas simplificações teremos

Assim a tensão na fenda G2 será




Capítulo 3

Medição de Altas Tensões

A medição de altas tensões alternadas, contínuas e de impulso, envolve problemas ou

aspectos não usuais na indústria eléctrica, que vão crescendo à medida que o nível de tensão

aumenta. A escolha do método para medição de altas tensões dependerá de entre outros

aspectos do nível de tensão, das condições construtivas, do meio envolvente, do valor a medir

(valor de pico, valor médio, valor médio quadrático), etc.

Medição da Alta Tensão de Pico com Recurso a Fendas de Centelhamento

Eléctrodos Esféricos

Dois metais esféricos adjacentes de igual diâmetro cuja separação é limitada formam fendas

de centelhamento para medir altas tensões DC ou AC. O processo baseia-se na teoria de

ruptura de gases dieléctricos (a abordar no capítulo 5)

Fenda de centelhamento vertical 1 suporte e isolador, 2 suporte da esfera, 3 mecanismo de

elevação, 4 mecanismo de ligação a resistências em série, P esfera de centelhamento, A

distância ao plano aterrado, B Espaço de segurança.




Distâncias mínimas de A e B em função do diâmetro das esferas

Eléctrodos de Campos Uniformes

As dificuldades surgidas na medição de alta tensão por meio de eléctrodos esféricos poderão

ser ultrapassadas com recurso eléctrodos de placas paralelas que produzirão campos

eléctricos uniformes. A tensão entre as placas é dada por

Onde

T e P temperatura e pressão de teste, T0 e P0 temperatura e pressão a 20ºC. K/C constante =

45kV/cm2. δ - Densidade relativa do ar, S - cumprimento da fenda em (cm)




Eléctrodos em Haste

Onde S - distância entre os eléctrodos em (cm), δ - densidade relativa do ar, h - humidade

absoluta g/m3. Esta equação empírica é limitada a 4<h≤20g/m

3. Sendo

A=20kV, B=5,1kV/cm (polaridade positiva)

A=15kV, B=5,45kV/cm (polaridade negativa)

De um modo geral investigações concluiram que a tensão desruptiva pode ser obtida pela

equação

Onde U0 em (kV) e d a distância entre os eléctrodos em (mm),

Voltímetros Electrostáticos

A lei de Coulomb define o campo eléctrico como um campo de forças e como campos

eléctricos são produzidos por tensões então a medição destas tensões pode ser relacionada a

medição das respectivas forças. Assim teremos




Onde ε - permissividade do meio, S - distância entre os eléctrodos, A – área entre os

eléctrodos

Amperímetros em Série com Altas Resistências Óhmicase Divisores de Tensão

A lei de Ohm permite reduzir altas tensões para valores passíveis de serem medidos. O

método consiste em colocar um micrómetro em serei com uma resistência R de valor

suficientemente alta.

Medição de alta tensão DC e AC por meio de um amperímetro em série com uma resistência,

R1, R2 divisores de tensão

Voltímetros Geradores

Consiste de um eléctrodo de alta tensão que excita um campo electrostático num meio

isolante (gás). Um conjunto de eléctrodos aterrados A, G e M estão dispostos de modo que as

linhas de campo que neles terminam transportem cargas cuja densidade dependem do

gradiente do campo eléctrico (E). Para efeitos de medição é de interesse a densidade de carga

em (A) sendo os outros eléctrodos usados para efeitos de regulação.

De tal forma que; ζ(a) = εE(a)




Medição de Alta Tensão de Impulso

Após a carga do capacitor Cs1 este transfere a sua carga para um segundo capacitor Cs2.

Sendo Cs2≥Cs1 a tensão de saída Vm torna-se relativamente baixa de tal forma que um

voltímetro normal possa ser aplicado para a sua medição

Capítulo 4

Campo Eléctrico

Como consequência da grande demanda em energia eléctrica, o recurso a sistemas de alta

tensão para o transporte e distribuição da mesma tornou-se inevitável, todavia os altos custos

envolvidos levaram os fabricantes de equipamentos eléctricos a pesquisarem produtos

económicos e tecnicamente viáveis.

Condutor cilíndrico




Estas pesquisas só se tornaram possíveis com um vasto domínio das propriedades dos

materiais isolantes, da geração de campos eléctricos e do comportamento dos mesmos

quando sujeitos a campos electrostáticos. Este capítulo dedica-se a análise do comportamento

de campos eléctricos como pré-requisito para perceber o comportamento dos materiais

isolantes.

Noções Gerais

Lei de Coulomb

A lei de Coulomb foi uma lei estabelecida com base nos seguintes dados experimentais:

A força eléctrica entre duas cargas tem a direcção da linha que as une,

É inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas,

É proporcional ao produto das cargas,

É atractiva quando as cargas têm sinais contrários e repulsivos, quando têm sinais iguais.

Matematicamente, a lei é expressa através da relação

E ε0 é a permissividade do vácuo = 8,85x10

-12 C

2/Nm

2

Campo Eléctrico

O campo eléctrico é definido pela razão entre a força eléctrica que actua sobre uma carga de

prova positiva colocada num determinado ponto do espaço e o valor dessa carga.

Tendo em conta esta definição, facilmente se conclui que:

O campo tem sempre a direcção e sentido da força.

O campo é independente da partícula de prova, dependendoapenas das cargas que lhe dão

origem.

O campo existe mesmo na ausência da carga de prova.

A carga de prova deve ser tãopequena quanto possível, para quenão interfira no campo

que está estabelecido.

Campo Eléctrico de uma Distribuição Contínua

Considera-se uma distribuição contínua quando a distância entre as cargas é muito menor do

que a distância ao ponto de medida.

Para o cálculo do campo eléctrico produzido por uma distribuição contínua de cargas, utiliza-

se o estratagema dedividir o volume total em volumes infinitesimais correspondentesa cargas

∆q




Nesse caso o campo será dado por:

Na abordagem contínua, surgem conceitos importantes como as densidades de carga

volúmica, superficial e linear:

Válidas para distribuições uniformes de carga, de um modo mais geral, ter-se-á

Como exemplo ilustrativo, pode considerar-se o campo eléctrico criado por uma barra

carregada:

Linhas de Campo Eléctrico

As linhas de campo eléctrico relacionam-se com este da seguinte forma:

O vector campo eléctrico é tangente às linhas de campo.

O nº de linhas de campo por unidade de área que atravessam uma superfície

perpendicular ao campo é proporcional à amplitude do campo nessa região.




Propriedades das linhas de campo:

As linhas começam nas cargas positivas e terminam nas negativas (ou então começam ou

acabam no infinito se a carga total não for nula).

O nº de linhas que chegam ou partem de uma carga é proporcional à sua amplitude.

As linhas não se cruzam.

Lei de Gauss

A lei de Gauss é uma forma alternativa de calcular o campo eléctrico criado por uma

distribuição de cargas

Fluxo Eléctrico

O fluxo eléctrico numa determinada superfície é definido como o nº de linhas de campo que a

atravessam. Então, o fluxo eléctrico através de uma superfície fechada vai ser proporcional à

carga no seu interior e não irá depender da forma dessa superfície.

Comece-se por calcular o fluxo eléctrico numa situação simples – considere-se um campo

eléctrico uniforme E, e uma superfície A que lhe é perpendicular. O fluxo vem dado por

Se a superfície não for perpendicular ao campo, temos:

No caso mais geral em que o campo eléctrico varia em redor da superfície tem-se:

E no caso de uma superfície fechada, obtém-se:

Sendo Ena componente do campo normal à superfície.

A Lei de Gauss fornece uma relação entre o fluxo calculadoatravés de uma superfíciefechada

e a carga existente no seuinterior.

O cálculo do fluxo através de uma esfera que envolve umacarga Qpositiva vem dado por:




Na verdade, mesmo que a superfície considerada não seja esférica, o fluxo será igual, uma

vez que é proporcional ao número de linhas de campo.

Quanto ao fluxo de um campo criado por cargas no exterior da superfície considerada,

facilmente se verifica que é nulo.

Combinando os dois resultados e admitindo, uma vez mais, a sobreposição dos campos:

“O fluxo através de qualquer superfície fechada é igual à carga no seu interior dividida pela

Constante ε”

Nos problemas em que a Lei de Gauss é utilizada, deve ter-se em atenção o seguinte:

A superfície considerada não tem, necessariamente, realidade física.

Esta é uma abordagem muito útil para casos em que seja evidente um elevado nível de

simetria.

A escolha da superfície é crucial.

Aplicações da Lei de Gauss a Isolantes Carregados

Calcule-se o campo criado por uma esfera isolante com densidade de carga r e carga total

positiva Q. (considere-se pontos no interior e no exterior da esfera).

Calcule-se o campo criado por um fio infinito com densidade de carga linear, λ, constante:

Calcule-se o campo criado por um plano infinito com densidade de carga superficial,

s,constante:




Distribuição de Campo Eléctrico e Ruptura de Material Isolante

Por definição a tensão entre dois eléctrodos poderá ser regulada por colocação entre os

mesmos de um material de propriedade isolante conhecida Eb, cuja distância de separação

será dada por d=V/Eb

Na figura acima a distância entre os eléctrodos (d) e a densidade do ar permanecem

invariáveis. O diâmetro (D) do eléctrodo cilíndrico é variável conforme mostra a figura. Por

conseguinte duas intensidades de campo eléctrico serão definidas que será a intensidade

máxima do campo (Emáx) na extremidade do eléctrodo e intensidade média do campo dada

por (Emedio=V/d), donde resulta a eficiência da intensidade do campo eléctrico

Se a ruptura do dieléctrico é causada apenas por (Emáx) então a tensão será dada por:

Esta equação ilustra o conceito de factor de eficiência da intensidade do campo eléctrico.

Dado que 1 ≥ η ≥ 0 para qualquer distribuição da intensidade de campo eléctrico, fica

evidente que para campos não uniformes a tensão de ruptura será inferior.




Campo Eléctrico em Material Isolante Homogéneo

A maior parte do material isolante aplicado na indústria é de carácter homogéneo e de

propriedades isotrópicas, isto é, o vector campo eléctrico (E) é paralelo á distância (d) e a

permissividade (ε) do meio será uma grandeza escalar que relaciona (d) e (E) onde d=εE.

Campos Eléctricos Uniformes

O uso de placas paralelas para criação de campos eléctricos uniformes traz consigo

problemas tais como o surgimento de campos eléctricos infinitamente grandes nas respectivas

bordas ou quinas. Na análise destes problemas torna-se imperioso o recurso a sistemas

tridimensionais quando se está na presença de placas circulares. ROGOWISK propôs a

análise destes campos com recurso as equações de MAXWELL, tal que,

Onde Z e W são as coordenadas dum plano tridimensional, substituindo (z = x + iy) e (w = u

+ iv) e separando a parte real da imaginária teremos

Estudos mostraram que para duas placas paralelas infinitas dispostas ao longo do plano W as

respectivas linhas de campo estarão distribuídas ao longo do plano Z de tal forma que

O módulo de (Ez) será dado por

Ou

Onde




Depois do cálculo da intensidade de campo temos de coordenar esta intensidade com as

dimensões reais e a tensão aplicada utilizando um factor de escala Ew .

EW = U/(υ2-υ1) ou EW = U/(ν2-υ1)

Onde υ1, υ2 , ν1e υ2 são as linhas equipotenciais dos eléctrodos. A intensidade do campo

eléctrico será

Ez = |Ez|.Ew[kV/cm]

Campos Eléctricos em Eléctrodos Cilíndricos-Coaxiais e Esféricos

Secções transversais de eléctrodos cilindros coaxiais e esféricos são apresentadas nas figuras

abaixo. Tendo como referencia os eixos centrais do cilindro e da esfera a distribuição do

campo eléctrico será sempre simétrica. Nos dois casos a intensidade do campo eléctrico (E)

será radial aos eixos e depende unicamente da distância (x).

Se uma tensão (V) é aplicada aos eléctrodos, o cilindro é uniformemente carregado por

unidade de comprimento (Q/l) e a esfera por uma carga Q. Pela lei de GAUSS a intensidade

do campo eléctrico será dada para um cilindro coaxial

Cilindro coaxial

Para uma esfera coaxial




Esfera coaxial

Como a intensidade de campo eléctrico é máxima para x=r1 e x=R1 respectivamente para o

cilindro e esfera teremos

Para um cilindro coaxial

Para uma esfera coaxial

Para um arranjo laboratorial como mostra a figura abaixo onde tem-se um cilindro com

terminação esférica teremos a relação (na prática temos como exemplo um bushing e sua

terminação)




Campos Eléctricos em Arranjos Eléctrodos Esfera-Esfera ouEsféra-Plano

Na prática o arranjo esfera-esfera é empregue na medição de alta tensão (esferas de

centelhamento) sendo que o arranjo esfera-plano é mais empregue no estudo de tensões

disruptivas.

Na figura acima duas esferas de diâmetros iguais (2R) separadas por uma distância (b) são

submetidas a uma diferença de potencial (+V) e (–V) respectivamente, de forma que a

distribuição da intensidade do campo eléctrico será simétrica relativamente a um plano

imaginário (P) colocado entre os dois eléctrodos e com uma diferença de potencial igual

a(0V).

Do arranjo acima onde para uma carga Q0 aplicada ao centro das esferas

Teremos as seguintes cargas de compensação Q1 e Q2

Sendo

E

Sendo




Campos Eléctricos em Dois Eléctrodos Cilíndricos Paralelos

A escolha desta configuração de eléctrodospermitirá estabelecer uma comparação com a

distribuição de campo obtida entre duas esferas opostamente carregadas como acima tratado.

Se dois ou mais condutores cilíndricos estiveremao mesmo potencial com referênciaa terra e

afastados de outros condutores paralelos, é formada a chamada configuração de“feixes de

condutores”, um sistema extensivamenteaplicado em linhas de transmissão de energia

eléctrica em alta tensão.Devido à interacção entre os dois condutores a intensidade de campo

eléctrico máximaserá inferior comparativamente a um sistema com um único condutor de

forma que o feito corona seja relativamente baixo.

Para efeitos comparativos os dois condutores cilíndricos serão carregados com o mesmo valor

de tensão e de sinais opostos. Assim a distribuição do campo eléctrico poderá ser calculado

assumindo uma carga ±Q/l = ±ρlao longo dos condutores (figura abaixo) onde em qualquer

ponto do plano (P) o potencial φp poderá ser calculado pelo princípio da sobreposição. Dado

que a intensidade do campo eléctrico é dada por E(r) = ρ/(2Πεr) onde (r) é a distância até ao

ponto da carga, o potencial será obtido pela integração de E(r)

(k – Constante para as condições de fronteira)

Dada a figura




Para r1=r2= r teremos

Para condutores mais estreitos pode-se determinar a distribuição da intensidade do campo

eléctrico para a região de maior densidade de fluxo ou seja entre os pontos B e C. O potencial

ao longo desta região com início em B(y=0) é dada pela equação

Onde (A) é uma constante dada pelas condições de fronteira e (S) a distância entre os

condutores.

Assim a intensidade de campo eléctrico será dada por




A distribuição do campo eléctrico é simétrica para Y=S/2. Por conveniência a distância

[b=f(a,r)] pode ser expressa em termos de (S), então

A distribuição do campo entre dois condutores pode ser vista relacionando E(y)e a

intensidade máxima do campo eléctrico para Y=0

Sendo que o valor mínimo da intensidade do campo eléctrico é alcançado no ponto Y=S/2 a

relação Emin/Emáx será

Campos Eléctricos em Materiais com Mais de Um Dieléctrico

Grande parte do sistema de isolamento dos equipamentos de alta tensão, exemplo em

transformadores de potência, é composta de diferentes materiais isolantes, cuja

permissividade (ε) difere de um para outro. A disposição de duas placas paralelas, contendo

dois materiais isolantes de permissividade (ε1)e (ε2) representa a configuração mais comum




deste sistema. Na figura abaixo os vectores de deslocamento D1 e D2 são iguais e sabendo

que D=εEa relação das intensidades dos campos eléctricos será

Dado que a intensidade do campo eléctrico permanece uniforme nas duas camadas, a tensão

V ou diferença de potencial entre as duas placas será dada por

Onde d1 e d2 representam as espessuras dos dois dieléctricos. Aplicando a equação (acima)

teremos para as duas intensidades de campo eléctrico

Para E1

Para E2

Para um cabo coaxial ou um capacitor coaxial com vários materiais dieléctricos impregnados

como ilustra a figura abaixo




Cabo coaxial com diferentes materiais dieléctricos (diferentes valores de permissividade)

Distribuição do campo eléctrico (para ε1r1 = ε2r2 = …εnrn = Constante)

A respectiva intensidade de campo eléctrico será dada pela equação abaixo

Para X ≤ rn e X ≥ rn teremos consequentemente dois valores de intensidade de campo

eléctrico. Sabe-se também que valores máximos de E(X) existirão sempre para X ≥ rn sendo

possível manter este valor constante ao longo de todas as camadas de dieléctricos sempre que

se verificar a condição εxrx = constante

Ainda para o cabo coaxial acima, a capacitância da camada X (desprezando o efeito de

bordo) será




𝐶𝑥 =2𝜋𝑙𝑥𝜀𝑥

ln (𝑟𝑥 + 1)/𝑟𝑥

Na distribuição da tensão total pelas Capacitâncias singulares temos de considerar que cada

capacitância tem a mesma carga Q

𝑄 = 𝐶𝑡𝑜𝑡.𝑈 = 𝐶𝑥. 𝑈𝑥

A tensão para a camada X

𝑈𝑥 =𝐶𝑡𝑜𝑡

Cx. 𝑈

𝑈𝑥 =𝑈

Cx. 1

Ck

𝑛

𝑘=1

𝑈𝑥 =𝑈

εx/ln[rx +1

rx].

ln [ rk +1 /rk ]

εk

𝑛

𝑘=1

Capítulo5

Ruptura Em Dieléctricos

Introdução

Dieléctrico: É o meio no qual é possível produzir e manter um campo eléctricocom pequeno

ou nenhum fornecimento de energia de fontes externas. A energiarequerida para produzir o

campo eléctrico pode ser recuperada, no total ou em parte,quando o campo eléctrico é

removido.

Capacitância: É a propriedade de um capacitor ou de um sistema decondutores e dieléctricos

que permite armazenar cargas separadas electricamente,quando existem diferenças de

potencial entre os condutores.

Capacitor: É um dispositivo constituído por dois condutores, cada um tendouma determinada

superfície exposta ao outro, separados por um meio isolante. Umadiferença de potencial entre

os dois condutores acarreta em armazenamento decargas iguais em intensidade e de

polaridades opostas. Os dois condutores sãochamados de eléctrodos.




Dieléctrico perfeito: É um dieléctrico no qual toda a energia requerida paraestabelecer um

campo eléctrico no mesmo é recuperada quando o campo ou atensão aplicada é removida.

Desta forma, possui condutibilidade nula.

Dieléctrico imperfeito: É aquele no qual uma parte da energia requerida paraestabelecer um

campo eléctrico no dieléctrico não retorna ao sistema eléctrico quandoo campo é removido. A

energia é dissipada no dieléctrico, em forma de calor.

Absorção dieléctrica: É o fenómeno que ocorre em dieléctricos imperfeitos peloqual cargas

positivas e negativas são separadas e acumuladas em certasregiões dentro do volume do

dieléctrico. Este fenómeno se manifesta, por si próprio,como uma corrente que decresce

gradualmente com o tempo, após a aplicação deuma corrente contínua e constante.

Corrente de condução: A corrente de condução através de uma superfície num dieléctrico

imperfeito é aquela proporcional ao gradiente de potencial. Ela não depende do tempo

durante o qual o campo eléctrico é aplicado ao dieléctrico.

Constante dieléctrica: A constante dieléctrica (relativa) de qualquer meio é a razão entre a

capacitância de uma dada configuração de eléctrodos, tendo tal meio como dieléctrico, para a

capacitância da mesma configuração, considerando-se o vácuo como dieléctrico.

Comportamento dos materiais isolantes: Como mencionado, um material dieléctrico é

electricamente isolante eapresenta, ou pode ser feito para apresentar, uma estrutura de dípolo

eléctrico, ouseja, há uma separação de entidades electricamente carregadas positiva e

negativamente, num nível atómico ou molecular. Como resultado destas interacções entre o

dípolo e campo eléctrico, os materiais dieléctricos são utilizados emcapacitores. Um

capacitor é um dispositivo largamente utilizado em circuitos electrónicos capazes de

armazenar cargas eléctricas

Capacitância: Quando uma voltagem é aplicada através de um capacitor (tipo placa),

constituído de duas placas condutoras paralelas de área A separadas por uma distância onde

existe o vácuo, uma das placas torna-se positivamente carregada, e a outra negativamente,

com o correspondente campo eléctrico aplicado dirigido do terminal positivo para o negativo.

Uma carga Q0 é acumulada em cada placa do capacitor e é directamente proporcional à

tensão aplicada e a área das placas e inversamente proporcional á distância entre elas

Aqui o parâmetro ε0 é chamado de permissividade do vácuo (ou constante dieléctricado

vácuo) é uma constante universal tendo o valor 8,85x10-12

F/m. C0 é acapacitância do sistema

cujas unidades são Coulomb por Volt, ou Farads (F). Um material contendo cargas altamente

polarizáveis quando colocado entreas placas de um capacitor na presença de um campo

eléctrico, influenciaráacentuadamente as cargas que estão entre as placas. Com este material

dieléctricoinserido na região entre as placas (como óleo mineral ou plástico) mantendo-se

amesma tensão aplicada V, o que acontece então com a capacitância? Algumapolarização




pode ocorrer no material permitindo um adicional de cargasarmazenadas no mesmo.A

variação na capacitância C é o reflexo directo da constante dieléctrica domaterial.

Onde Q é a carga armazenada (em Coulomb) e V é a tensão através doscondutores (ou

placas).Assim com o material dieléctrico uma carga maior Q, é acumulada entre as

placas,neste caso

εd é a permissividade do meio dieléctrico e será maior em magnitude que ε0. A relação entre

as Capacitâncias do sistema com o vácuo e com o dieléctrico será

A relação εd/ε0 é a permissividade relativa εr, que frequentemente é chamada constante

dieléctrica k, é maior que a unidade, para qualquer dieléctrico εr>1, e representa o incremento

na capacidade de armazenamento de carga pela inserção de um meio dieléctrico entre as

placas. A constante dieléctrica, k, é uma propriedade do material e, deve ser uma das

primeiras características a serem consideradas noprojecto de um capacitor.

Factor de Dissipação, Factor de Potência e Permissividade Relativa

Existe uma relação entre o factor de dissipação, o factor de potência e a permissividade ou

constante dieléctrica. Todos eles dizem respeito às perdas dieléctricas num meio isolante

quando sujeito a um campo eléctrico alternado.A permissividade é representada como uma

quantidade complexa da seguinte forma: (ε* =ε´ - jε´´) onde ε* é a permissividade complexa,

ε´ a permissividade real ou medida e ε´´ é a permissividade imaginária.

Na presença de um campo eléctrico alternado surge uma corrente capacitiva e uma corrente

resistiva desfasadas a 90º,uma em relação a outra. A soma vectorial destas duas correntes

representa a corrente total do sistema e o ângulo entre o vector da corrente capacitiva e a

resultante é definido como o ângulo de perdas. Sendo a relação entre a parte imaginária e a

parte real da permissividade considerada de tangente de δ (tgδ =ε´´/ε´), definido como factor

de dissipaçãoe representa a perda dieléctrica no meio isolante. O factor de potência será

obtido pela determinação do seno do ângulo de perdas (sen δ)

O factor de perda dieléctrica prende-se com a incapacidade das moléculas do material

isolante de se reorientar quando sujeitos a um campo eléctrico alternado. Esta capacidade é

dependente da temperatura, do tamanho das moléculas envolvidas,da respectiva polaridade e

da frequência do campo eléctrico.




O factor de dissipação e a permissividade são afectados de algum modo pelo tamanho

molecular, composição e orientação relativa de grupos funcionais dentro das moléculas. Em

geral dentro de uma série de moléculas semelhantes, a permissividade aumentará á medida

que o peso molecular aumenta.

Os factores descritos acima, são características eléctricas de materiais isolantes e podem ser

usados para a monitorizaçãoda qualidade dos mesmos relativamente à deterioração por uso e

quanto à presença de contaminantes.

As propriedades dieléctricas dos materiais isolantes também podem ser medidas e

quantificadasno domínio da frequência, ou seja, com tensões alternadas como uma função da

frequência. A transição do domínio do tempo para o domínio da frequência pode ser

obtidapor meio da transformada de Laplace ou transformada de Fourier. De onde resulta

após várias transformações

Ou seja do ponto de vista da susceptibilidade

A parte real representa a capacitância do objecto de teste sendo a parte imaginária

representativa das respectivas perdas.

Assim o factor de dissipação será dado por;

Ou, para uma condutividade ζ0 = 0

tg δ = εr´´(ω)/ εr´(ω)

Na equação abaixo;

εr(ω) = 1 + χ’(ω) – j[χ’’(ω) + ζ0/ε0 ω]

Assumindo nula a componente imaginária, teremos para a susceptibilidade

χ’(ω) = εr(ω) – 1




Ruptura Em Dieléctricos Gasosos

Lei Fundamental dos Gases

A lei fundamental dos gases estabelecida por BOYLE E MARIOTE diz que para uma

determinada quantidade de gás a uma temperatura constante o produto entre a pressão (p) e o

volume (V) é constante

Se a pressão for constante então os volumes (V) e (V0) estarão relacionadas as respectivas

temperaturas absolutas em KELVIN (T) e (T0) pela lei de GAY-LUSSAC

Para temperatura expressa em graus célsius

De acordo com a equação (V/V0) a constante C na equação (pV) estará relacionada a uma

temperatura T0 para um dado volume V0

Substituindo V0 na equação (V/V0) teremos

A razão C0/T0 é denominada constante universal dos gases e é designada de R, assim a

equação (acima) ficará




Numericamente R=8,314Joules/kmol. Se considerar-se n como o número de moles, teremos

Esta equação descreve o estado de um gás ideal, assumido que R é uma constante e

independente do tipo de gás. A equação acima pode ser escrita em termos da densidade de

gás (N), num volume (V) contendo (N1) moléculas. Fazendo N1=NA onde

NA=6,02x1023

moléculas/mole (número de AVOGADRO), então teremos

A constante k=R/NA é a constante universal de BOLTZMAN [=1,380410-23

] Joules/k e (N) é

o número de moléculas no gás.

Se dois gases com volumes iniciais (V1) e (V2) são misturados á mesma temperatura e

pressão, então o novo volume será dado por V=V1+V2 ou no geral

Combinando as equações acima teremos

Ou

Ou ainda (equação das pressões parciais)




Onde p1, p2, …, pn são as pressões parciais dos gases 1, 2, …, n

As equações acima podem ser deduzidas directamente da teoria cinética dos gases

desenvolvida por MAXWELL.

A equação fundamental que resulta da teoria cinética dos gases é deduzida assumindo-se que

O gás consiste de moléculas esféricas de mesma massa

As moléculas estão em movimento aleatório

As colisões são elásticas

A distância média entre moléculas é maior que os respectivos diâmetros

As forças entre as moléculas e as paredes do recipiente são desprezíveis

Considere um recipiente cúbico (figura abaixo) de lado (l) com (N1) moléculas de

massa (m) e uma velocidade (u). No plano tridimensional as componentes da

velocidade serão ux, uy, uz onde u2= ux2 + uy2 + uz2. Supondo uma molécula de massa

(m) movimentando-se no eixo (x) com a velocidade (ux)no instante em que esta colide

com o plano YZ é repelida com a velocidade (-ux) de modo que, a variação do

momento de inércia será

Para o cubo acima de lado (ℓ) o número de colisões por segundo e por moléculaserá dada por

(Ux/2ℓ), assim

Entretanto a mesma molécula experimentará na parede oposta uma variação no momento de

inércia igual de tal forma que;




Δm/sec/molecule=2mUx2/ℓ

Para um sistema tridimensional obter-se-á a força por partícula dada por:

Sendo a energia cinética de uma partícula dada por

W=1/2mU2, F=4W/ℓ

Para N1 partículas a energia resultante de diferentes velocidades (u) será a energia média do

sistema de tal forma que

Sabendo-se que a força (F) resultará numa pressão (P) e tendo em consideração a área total

do cubo (A=6l2)

Para ℓ3=V (volume), das equações (5.8 e 5.12) tem-se

Comparando as equações (5.12 e 5.1) nota-se que as mesmas são idênticas para temperatura

constante e de (5.8) vem

Que resulta na equação da energia média por molécula

Processos de Ionização




Durante colisões inelásticas uma grande fracção de energia cinética é transformada em

energia potencial, causando, por exemplo, a ionização das respectivas moléculas. A ionização

por colisão de electrõesem campos eléctricos de maior intensidade representa o maior e o

mais importanteprocesso que conduz à ruptura dos gases dieléctricos. A eficácia do processo

de ionização por colisão de electrões depende da quantidade de energia que um electrão pode

adquirir ao longo do caminho médio livre que este percorre na direcção das linhas do campo.

Se λ é o valor médio do caminho médio livre que este percorre na direcção das linhas do

campo de intensidade (E) então a energia ganha ao longo deste percurso será ΔW = eEλ. Para

que ocorra a ionização durante a colisão a energia ΔW deverá ser no mínimo igual a energia

de ionização da molécula (eVi)

Primeiro Coeficiente de Ionização de Townsend (Α)

Na ausência da intensidade do campo eléctrico o processo de formação de iões positivos e

negativos num determinado gás entra em equilíbrio. TOWNSEND demonstrou que a

variação da corrente num gás entre dois eléctrodos formados por duas placas paralelas é

função da tensão aplicada entre estes eléctrodos, onde no início a corrente cresce

proporcionalmente á tensão aplicada, permanecendo de seguida relativamente constante na

magnitude (i0) que corresponde á corrente de saturação e para tensões mais elevadas a

corrente (i0) cresce de forma exponencial, como mostra a figura abaixo.

TOWNSEND atribuiu o crescimento da corrente para além de V2 como resultado do processo

de ionização por colisão entre electrões.Os electrões tornam-se cada vez mais velozes á

medida que a intensidade do campo eléctrico cresce, até ao ponto de adquirirem energia

suficiente para causarem ionização por colisão com as moléculas ou átomos do gás

De forma a explicar o crescimento da corrente TOWNSEND introduziu o factor (α)

denominado coeficiente de ionização de Townsend definido como a quantidade de electrões

produzidos por unidade de comprimento por um electrão ao percorrer o caminho médio livre,

na direcção do campo eléctrico.

Se assumir-se que (n) é a quantidade de electrões à distância (x) do cátodo na direcção do

campo eléctrico (figura abaixo) a taxa de crescimento de electrões na distância (dx) será dada

por;

dn = αndx




Integrando em função da distância (d), vem

Onde (n0) é o número inicial de electrões gerados no cátodo. Se (I0) for a corrente inicial do

cátodo então teremos

O termo [e

αd)] é designado de avalanche de electrões erepresenta a quantidade de electrões

produzidos por um electrão que se desloca do cátodo ao ânodo. O processo de multiplicação

de electrões no processo de avalanche é representado na figura abaixo (b)

[Avalanche: Processo cumulativo, pelo qual, partículas carregadas e aceleradas por um

campo eléctrico, produzem partículas carregadas adicionais, através da colisão com

moléculas de gás natural ou átomos]

É sabido que para um determinado gás e à temperatura constante a distribuição de energia

ΔW depende unicamente de (E/p). E também para uma certa distribuição de energia a

probabilidade de ocorrer a ionização dependerá da densidade ou pressão do gás, assim;

Segundo Coeficiente de Ionização de Townsend (Γ)

No gráfico da corrente em função da distância entre os eléctrodos deverá resultar uma linha

recta de inclinação (α) se para uma dada pressão (p) a intensidade do campo eléctrico (E)

permanecer constante, como mostra a figura abaixo




TOWNSEND para explicar esta linearidade do gráfico considerou que um segundo

mecanismo de ionização estaria a afectar o comportamento da corrente ou seja, primeiro

estaria a ocorrer a libertação de electrões por colisão de iões positivos e posteriormente a

libertação de electrões a partir do cátodo por bombardeamento de iões positivos.

Se considerar-se (n – quantidade de electrões que alcançam o ânodo por segundo), (n0 –

quantidade de electrões emitidos pelo cátodo), (n+ – quantidade electrões emitidos pelo

cátodo por bombardeamento de iões), (γ – quantidade de electrões emitidos pelo cátodo por

iões incidentes), então;

E

Eliminando n+

Ou para correntes no regime estacionário

A fórmula originária deduzida por TOWNSEND é




Onde (β) representa a quantidade de pares de iões produzidos por um ião positivo ao

percorrer (1 centímetro, na direcção das linhas do campo eléctrico), (α, d, I e I0, primeiro

coeficiente de TOWNSEND, distância entre os eléctrodos, corrente instantânea de ionização

e corrente inicial de ionização, respectivamente).

Transição Entre as Descargas não Sustentadas ao Rompimento

O Mecanismo de Townsend

Á medida que a tensão aplicada entre dois eléctrodos aumenta, a respectiva corrente no ânodo

crescerá de acordo com a equação

Ou pela equação (α/p) e fazendo (E=V/d)

Até que num determinado ponto ocorra uma transição repentina dacorrente de ionização para

uma descarga auto-sustentável, ponto no qual a corrente (I) torna-se indeterminada e o

denominador torna-se igual a zero, isto é;

Quando esta igualdade se verifica, a quantidade de pares de iões produzidos no intervalo (d)

pela passagem de uma avalanche de electrões é suficientemente enorme de modo que os iões

resultantes, por bombardeamento do cátodo, criem condições para que se liberte um electrão

secundário capaz de causar a repetição do processo de avalancha. Assim a descarga torna-se

autosustentada e pode prosseguir na ausência da corrente inicial de ionização (I0), de tal

forma que a igualdade acima citada pode ser considerada de ponto de ignição do processo de

avalanche.

Para a condição

Significa que a ionização produzida por sucessivos processos de avalanche é cumulativa e

que os processos de rompimento são mais acelerados.

Para a condição




Significa que a corrente (I) não é autosustentada, ou seja, na ausência da fonte primária da

corrente inicial de ionização (I0) esta cessa de fluir.

Mecanismosde Ignição de Fluxo ou Canal Piloto de Electrões

Com base em experiências laboratoriais RAETHER desenvolveu uma expressão analítica que

traduz o critério do mecanismo de ignição fluxo de electrões

Onde (Er) é a intensidade de campo eléctrico da avalanche de electrões (no interior dos

eléctrodos), (E) é a intensidade de campo eléctrico externo aplicado ao sistema figura abaixo

A resultante da intensidade do campo eléctrico na frente da avalanche será obtida por (E + Er)

ao passo que na região de iões positivos a resultante será (E – Er).

Assume-se que é condição para que ocorra a transição da avalanche para o mecanismo de

ignição do fluxo deelectrões que as intensidades de campo eléctrico tenham valores

aproximados (E≈Er), assim a equação acima (αxc) torna-se;

O valor mínimo de ruptura pelo mecanismo de ignição de fluxo de electrões é obtido

assumindo que a transição de avalanche para ignição do fluxo de electrões ocorre logo que a

avalanche tiver completado o percurso (d), assim a equação terá a seguinte forma;




Por conseguinte a ruptura pelo mecanismo de ignição do fluxo de electrões ocorre apenas

quando o percurso crítico é maior ou igual a (d), (Xc ≥ d). Da condição, Xc = d, obtêm-se o

menor valor de (α) que desencadeia o mecanismo deignição do fluxo de electrões

A Lei de Paschen

A dedução de uma equação analítica para o cálculo da tensão de ruptura para campos

uniformes em função da distância entre os eléctrodos e a pressão pode ser obtida,

expressando o coeficiente de ionização como função da intensidade do campo eléctrico e da

pressão do gás, ou seja;

Obtêm-se

Ou

Para campos uniformes (Vb=Ed), onde (Vb) é a tensão de ruptura

Ou

Donde depreende-se que a tensão de ruptura para um campo uniforme é unicamente função

do produto da pressão pela distância de separação dos eléctrodos. As equaçõesacima

representam a Lei de Paschen. A relação entre a tensão de ruptura (Vb) e o produto (pd) está

representada na figura abaixo

5.23




Das relações(α(med)/p) e (α(med)d) e sabendo que (V=Ed) resulta no gráfico abaixo

E

Na figura acima (Vb/pd) não existe intersecção entre a curva (1) e a recta 4 significando que

para valores baixos de tensão não ocorre a ruptura no dieléctrico




Intensidade do Campo Eléctrico de Ruptura(Eb)

Para arranjos uniformes a intensidade de campo eléctrico de ruptura num gás pode ser obtida

a partir da equação (αxc) dividindo a mesma pelo produto (pd) teremos

Da qual depreende-se que para uma pressão constante (p) a intensidade de ruptura (Eb)

decresce de forma uniforme com a distância (d). E que a intensidade de campo (Eb) para uma

distância (d) constante cresce com a pressão (p).

Relação entre o coeficiente de ionização (α) e a intensidade de campo eléctrico de ruptura

para diferentes valores de (pd)

Relação entre a intensidade de campo de ruptura (Eb) e o produto entre a pressão e a distância

entre os eléctrodos (pd).




Descargas Parciais ou Efeito de Coroa

Nas cavidades com intensidades de campos não uniformes é usual o aparecimento de vários

fenómenos tais como descargas luminosas e audíveis antes que a ruptura dieléctrica ocorra

por completo. Estas descargas são conhecidas como descargas de coroa, responsáveis por

consideráveis perdas de potência nos sistemas de transmissão de energia eléctrica em alta

tensão, deterioração do sistema de isolamento e interferências nos sistemas de comunicações.

O gradiente de tensão na superfície de um condutor no ar necessário para produzir um efeito

de coroa luminosoé obtido aproximadamente pela equação (Ec/δ), onde (Ec) é expresso em

[kV/cm], (r) em [cm] e (δ) é a densidade relativa do ar.

O aspecto visual das descargas por efeito de coroa é distinto em função da polaridade da

tensão aplicada. Na polaridade positiva aparece na forma de uma bainha branco-azulada ao

longo de toda superfície do condutor. Na polaridade negativa aparece na forma de manchas

avermelhadas e brilhantes distribuídas ao longo do condutor, que aumentam com a corrente.

Descargas com Polaridade Positiva

Observações mostraram que quando um pulso positivo de tensão é aplicado a uma ponta de

eléctrodo, a primeira ionização detectada tem a forma de um filamento, como mostrado na

figura (a)

À medida que a tensão cresce o canal de ignição de fluxo de electrões também cresce quer no

número de ramificações como no seu cumprimento figura (b) e (c). Entretanto a respectiva

velocidade decrescerá á medida que for penetrando regiões de baixo valor de intensidade do

campo eléctrico.




A figura acima mostra a velocidade do fluxo de ignição de electrões para diferentes níveis de

tensão

A figura acima representa os vários modos de descarga á medida que a distância entre os

eléctrodos aumenta.

Descargas com Polaridade Negativa

Para a polaridade negativa aplicada a um arranjo de eléctrodos ponta e plano, sob condições

estacionárias, pulsos de corrente fluirãosob forma regular como ilustra a figura abaixo. Esta

natureza de pulsos são designados por “pulsos de Trichel”, a frequência dos pulsos cresce

com o aumento da tensão aplicada e dependem do raio do cátodo, da distância (d) e da

pressão (p) no gás. A relação entre a frequência e a tensão aplicada para diferentes distâncias

entre os eléctrodos e para um eléctrodo de ponta de 0,75mm de raio é mostrada na figura

abaixo




A figura abaixo mostra a tensão de início de descarga de corona como função da distância de

separação dos eléctrodos, para um caso particular de um eléctrodo de ponta de 0,75mm de

raio. A curva inferior mostra a tensão de início de descarga com pouca influência da distância

entre os eléctrodos. Eventualmente para níveis de tensão mais altos descargas constantes e

com brilho poderão ser observadas, mas a zona de transição de pulsos de Trichel para

descargas com brilho não está claramente definida, caracterizando-se apenas como uma vasta

região de transição.

Para níveis de tensão ainda maior as descargas com características brilhantes persistirão até

que a ruptura ocorra.Refira-se que a ruptura do dieléctrico sob polaridade negativa ocorre

para níveis de tensão mais elevados quando comparado com dieléctricos submetidos a

tensões de polaridade positiva, excepto para regiões com baixos níveis de pressão, portanto

quando o dieléctrico é submetido a uma tensão alternada a ruptura dieléctrica para campos

não uniformes ocorre invariavelmente no meio ciclo positivo da onda de tensão.




Gases Isolantes

O Ar Atmosférico

As características isolantes do ar atmosférico variam com a humidade relativa.Quando seco

suas, propriedades se aproximam muito com as do vácuo. Nasproximidades de um condutor

sujeito a uma diferença de potencial o ar se ioniza,resultando em gás condutor. Se a

renovação do ar não se efectuar ou se a diferençade potencial crescer, rapidamente o poder

dieléctrico do ar poderá ser rompido,causando assim uma perfuração do isolamento. É o ar o

isolante natural, entre oscondutores de uma linha aérea, fora dos apoios.

Nitrogénio

É um gás de elevada estabilidade química, bom poder dieléctrico. É utilizadopara manter a

pressão interna dos tanques de transformadores, reactores e outrosequipamentos, acima da

pressão atmosférica e dessa forma evitar a penetração de humidade. Dada sua elevada

estabilidade química é pouco reagente, não afectando,pois, os demais meios isolantes.

O Gás SF6

Sintetizado pela primeira vez no ano de 1900, em Paris, teve suas pesquisaspara aplicação

industrial iniciadas em 1937. Em 1939, o uso em cabos e capacitoresfoi patenteado. Pesquisas

para sua utilização como meio interruptor são de 1950 eequipamentos blindados e isolados à

SF6 surgiram a partir de 1970.O SF6 gás é um dos gases de maior densidade (6,16 kg/m³),

quase 5 vezesmaior que a do ar. É um gás incolor, inodoro, não tóxico, quimicamente inerte

eestável e não inflamável.

O gás apresenta propriedades térmicas e eléctricas notáveis:

Elevada rigidez dieléctrica: a 1 atmosfera, é mais que 2 vezes a do ar ou do nitrogénio, e a

3 atmosferas é igual ao do óleo isolante.

Alta eficácia como supressor de arco: comparativamente ao ar é 10 vezes mais eficiente,

num tempo 100 vezes menor.

Produz enorme redução do número de electrões livres (grande afinidade electrónica do

flúor), restabelecendo a rigidez dieléctrica.

Quanto à decomposição do SF6, tem-se que:

Após arco o gás SF6 tem grande capacidade de recombinação:

SF6 _ S + 6F

No entanto ocorre decomposição acima de 500ºC e principalmente sob arcoeléctrico.

Os principais subprodutos são gasosos e sólidos.

A presença de humidade e os compostos ácidos (HF).

Ahumidade no gás SF6 pode ser proveniente de:

Permeabilidade da água através de o’rings;

Difusão através de vazamentos;

Difusão através da micro-porosidade do alumínio;

Absorção de água pelos materiais orgânicos (graxas, haste de accionamento, isoladores

poliméricos).




Capítulo6

Ruptura em Dieléctricos Sólidos e Líquidos

O rompimento dos dieléctricos é uma grande preocupação no caso de equipamentos de alta

tensão. Eles são responsáveis pelo desgaste dos sistemas de isolamento, e indicadores de

possíveis defeitos futuros, não deixando de se levar em conta um defeito mais grave.

Ruptura em Dieléctricos Sólidos

Os materiais sólidos para além de providenciarem um isolamento das partes condutoras

(activas) dos circuitos eléctricos permitem também um suporte mecânico das mesmas. Daí, a

grande importância de se estudarem os mecanismos de falha dos dieléctricos sólidos.

Porém, mesmo como facto de que foram formuladas várias teorias no século passado

tentandoexplicar o rompimento dos isoladores sólidos, essa teoria ainda se encontrabastante

crua e não conclusiva. Isso porque, isoladores sólidos sofrem a acção de correntes que,

aocontrário dos gases, vêm de várias fontes de polarização, iónica, electrónica e por

movimento de dípolos, que é muito lenta, e, essascorrentes não apresentam diferenças do

ponto de vista de medição, dificultandoo estudo de cada tipo separadamente. A condutividade

nos sólidos em função da temperatura é dada pela equação, onde (A) e (u) são constantes

empíricas.

A temperatura é um factor relevante, quando se refere ao isolamento nascerâmicas,

principalmente nos vidros, que provavelmente são de origem electrónica ou iónica. Acredita-

se que a condução dá-se pelo facto de ocorrer injecção de electrões na banda proibida dos

átomos do material isolante, através dos portadores nos eléctrodos ou do próprio acúmulo de

electrões provenientes da polarização,sendo ejectados pelo “efeito de emissão Schottky”,

permitindo assim, a conduçãoatravés do isolador sólido.

Se o material for homogéneo e as condições de temperatura foremrigorosamente controladas,

são observadas tensões eléctricas muito elevadas,que surgem com tensões abaixo do limite de

isolamento do material isolante, dependentes da tensão aplicada e datemperatura e são

conhecidas como forças eléctricas intrínsecas. Isso é explicado,supondo que o stress numa

região determinada do dieléctrico é maiorque nas outras




As descargas por avalanche seguem um processo similar às descargas poravalanche nos

gases, isto é, um electrão ou ião livre ganha energia através daacção do campo eléctrico e

perde energia na colisão com electrões dos demaisátomos, se a energia absorvida for maior

que a perdida nas colisões, e a energiadas colisões for suficiente para retirar electrões das

bandas adjacentes de seusátomos, este processo pode desencadear uma avalanche. O

rompimento mecânico é característico daqueles sólidos que podem sedeformar

significantemente, de forma a alterar a sua configuração mecânica, semque haja uma fractura.

Isso acontece devido a que a pressão mecânica exercidasobre o isolante pode ser muito alta,

devido a atracção dos eléctrodos.

Segundo “Stark e Garton”, a espessura inicial, chamada módulo de Young “Y”, decresce para

um valor igual a “d” [m] quando uma tensão de módulo igual a “V” é aplicada de acordo com

a equação;

Onde o primeiro quociente representa as permissividades do ar e relativarespectivamente,“d0”

é a espessura inicial de um espécime de material Young,que decresce a uma espessura “d”

depois da descarga. Quando um isolante é percorrido por correntes de fuga, devido

apolarização, a condutividade(s) normalmente aumenta com o aumento de temperatura,

podendo ocasionardescargas térmicas. Estas descargas são representadas por uma certa

instabilidade, ou seja, háuma tendência de desencadear cada vez mais electrões, pois a

condução de um electrão aumenta um pouco mais a temperatura formando uma reacção em

cadeia.A teoria das descargas eléctricas é explicada sob a teoria de condutividadecalorífica

dos materiais, a capacidade de dissipação e o sistema de refrigeraçãode tais sistemas

Quando um dieléctrico sólido tem uma falha, como, por exemplo, uma bolha de ar na sua

construção, há uma tendência de que sobre essa bolha aintensidade de campo seja aindamaior

que no dieléctrico em si, sendo uma fontebastante grande de descargas, conhecidas por

descargas por erosão.




Tensão de Ruptura em Cavidades

Cavidade num meio isolante sólido e o respectivo circuito equivalente

As respectivas Capacitâncias serão dadas por

A tensão de ruptura na cavidade será dada por

A tensão no dieléctrico que envolve a cavidade e que iniciará a ruptura na cavidade será dada

por;

Na prática assume-se que a cavidade tem uma forma esférica, cuja intensidade dos campo

eléctrico será, para εr>> εrc;




Camada de Condensadores

Em vários arranjos de sistemas de isolamento existem conexões série de Capacitâncias que

originam distribuições não lineares de tensões. Um exemplo típico é a cadeia de isoladores

numa linha aérea de transporte de energia eléctrica.

Cadeia de suspensão com 5 isoladores singulares

A distribuição não linear da tensão tem origem nas Capacitâncias parasitas entre a linha e a

terra

Capacitâncias de terra C1E e de linha C2L do isolador numa linha de alta tensão

C1

X

U

L




Circuito equivalente da cadeia de isoladores

Supondo elementos infinitamente pequenosteremos as equações diferenciais




Com as abreviações

E o princípio de solução

Teremos

Ruptura Em Dieléctricos Líquidos

O mecanismo de ruptura nos líquidos é ainda mais obscuro e desconhecidodo que o

mecanismo nos gases ou mesmo nos sólidos. Das várias teoriassurgidas através dos anos,

muitas são contraditórias, de forma que não se podeainda formar uma teoria conclusiva aos

líquidos.

Dois ramos de teorias diferentes, no entanto, podem ser citados: umexplica a ruptura dos

dieléctricos líquidos como uma extensão da teoria dosgases, baseado na avalanche de

electrões ocasionada através da ionização dosátomos causada pela colisão de electrões com

muita energia nestes.

Esta teoria se mostra razoável para líquidos de extrema pureza, onde a polarização electrónica

e iónica. Quando há, no entanto, uma quantidade muitogrande de impurezas, o líquido tende a

ter uma corrente crescente com o campo,que depois é estabilizada, e por final, quando o

campo aplicado é muito elevado,tende a uma instabilidade, ocorrendo daí a “avalanche”.

O outro ramo de pensamento tenta explicar fisicamente o comportamentodos líquidos,

partindo daí para a explicação das razões e das características dacondução nos líquidos.

Muitos cientistas da actualidade têm publicado váriostrabalhos a respeito, mas essa teoria

ainda se apresenta bastante incerta.Sabe-se, entretanto, que nos líquidos, existe a ruptura

electrónica, e que épreferencial a ruptura térmica. Ela depende, do campo eléctrico aplicado

“E”, do“caminho livre” do electrão “λ”, e do quanta de energia “hν” perdido na ionizaçãoda

moléculaeEλ=chν




Impurezas sólidas, suspensas nos líquidos também causam rupturasdieléctricas. Isso porque

estas podem ter cargas líquidas, e originar avalanches.Uma explicação plausível e aceite, é a

de que essa partícula carregada é levadaao lugar onde o campo eléctrico é maior e “grad E”

igual a zero. Outras partículassólidas carregadas são levadas a essa região, que por possuir o

campo maiselevado, têm um campo praticamente uniforme. Nesse campo, as partículas vãose

alinhando, formandocertas “pontes” no dieléctrico, podendo seguir daí a ruptura do

dieléctrico.

Um outro tipo de ruptura conhecido como ruptura de cavidade é causadopor inclusões de

gases dentro dos dieléctricos líquidos, na forma de bolhas. Essasbolhas causam mudanças na

temperatura e na pressão do dieléctrico, dissociaçãode líquidos em sólidos devido à colisão

dos electrões e vaporização do líquidodevido as descargas do tipo coroa, nos pontos de

irregularidade dos eléctrodos. A equação abaixo representa como esse processo se torna uma

descarga

Onde “E0” é a “força de ruptura”, e o quociente é igual à permissividade dolíquido somada e

dois.Da equação acima quando “Eb” se torna igual ao campo de ionização do gás,descargas

vão ocorrer, podendo causar a decomposição do líquido e levandoassim, ao rompimento do

isolante.

Capítulo7

Ensaios Não Destrutivos

Muitos testes, são actualmente utilizados pelas empresas detentoras de sistemas de geração,

transporte e distribuição de energia eléctrica para a determinação das condições dos sistemas

de isolamento dos respectivos equipamentos.Maioritariamente estes testes são em off-line,

isto é; com os equipamentos fora de serviço.

Refira-se que a resistência de isolamento é uma função do tipo dos materiais empregues, bem

como da técnica de aplicação dos mesmos. Em geral, a resistência de isolamento é

directamente proporcional a espessura do material isolante e inversamente proporcional a

área da superfície do condutor.

Segundo Rocha e Ayupe (2010), o isolamento eléctricopode ser modelado como um circuito

com quatroramos paralelos, por onde podem circular quatrocorrentes diferentes quando uma

tensão é aplicada,conforme figura abaixo. Estas correntes são as correntesde fuga pela

superfície (leakage – IL), de capacitânciageométrica (Ic), de condutância (Ig) e de absorção

oupolarização (Ia). Estas correntes somadasrepresentam a corrente total que atravessa

oisolamento (It), conforme gráfico abaixo. Arelação entre a tensão aplicada e a corrente

totalmedida fornece a resistência doisolamento.




Circuito equivalente com quatroramos paralelos

Representação gráfica das correntes do circuito equivalente

Medição do Índice de Polarização (IP)

A medição do índice de polarização tem por finalidade verificar as condições da resistência

de isolamento, medindo o isolamento do equipamento em relação á massa metálica do

equipamento. O valor de IP será tanto maior quanto mais limpo estiver o equipamento

Para efectuar a medição recorre-se ao uso de um Megger, aplicando-se uma tensão contínua

de 2,5kV ou de acordo com a capacidade do aparelho e após 1 minuto R1 anota-se o valor da

resistência. Repete-se a medição e anota-se o valor da resistência após 10 minutos R10.

O índice de polarização é dado pela fórmula

IP = R10/R1

Índice de Polarização (IP) Avaliação do Isolamento

1 >IP Mau

IP <1,5 Alarmante

1,5 <IP <2 Regular

2 <IP <3 Bom

3 <IP <4 Muito bom

IP> 4 Óptimo




Transformadores de Potência

Falha prematura de transformadores de potência

Taxa de envelhecimento em função da humidade

Movimento da humidade do óleo para o papel




Movimento da humidade do papel para o óleo

Movimento da humidade do óleo para o papel




Medição da Resistência de Isolamento

Testes de resistência de isolamento podem ser usados para determinar a integridade de

circuitos e cabos em motores, transformadores, chaves de distribuição e instalações eléctricas.

O método de teste é determinado pelo tipo de equipamento a ser testado e a razão para o

teste. Por exemplo, ao testar-se a cablagem eléctrica ou chave de distribuição (equipamentos

de baixa capacitância), as correntes de fuga capacitiva dependentes do tempo e de fuga de

absorção tornam-se insignificantes e decrescem a zero quase instantaneamente

A resistência de isolamento é variável no tempo. Num processo de medição ela estabiliza

antes dos 10 minutos em sistemas mais comuns, como papel e óleo.

A resistência RI, depende da temperatura do isolamento.No caso de transformadores,

considera-se que o seu valor cai para ametade a cada 10°C de aumento na temperatura. Os

valores geralmente são referidos a 75°C.

Relação de Absorção, RA = R1min / R15seg

Índice de Polarização, IP = R10min / R1min

A análise de resultados é comparativa, ao longo da vida do equipamento, e dos equipamentos

da mesma família. Para transformadores pequenos, o IP é próximo de 1 (IEEE std 62-1995),

estudos comparativos entre RI, IP, FP e outros têm sido objecto de análise ultimamente

incluindo a humidade.

.




Características dieléctricas em corrente alternada

Factor de dissipação = Ir/Ic

Factor de potência cosφ = Ir/I

Exemplo para δ = 10º → φ = 90-10 = 80º (tang10º = 0,1763, cos80º = 0,1763) para ângulos

pequenos entre Ic e I, o factor de potência é aproximadamente igual ao factor de dissipação.




De um modo geral o factor de potência varia com a:

Temperatura (os valores são referidos, normalmente a 20°C)

Humidade (nem sempre de forma sensível ou conhecida)

Frequência (método tangδ vs frequência)

Envelhecimento Térmico do Papel Isolante

Material: Celulose, um composto orgânico polimérico, cujas moléculasconsistem em

longascadeias de anéis de glicose (monómeros). A respectiva resistência mecânica é

proporcional ao comprimento das cadeias.

O grau de polimerização (GP) mede o número médio de anéis de glicose

namolécula.Tipicamente varia entre 1000 e 1400 para um papel novo.Devido aos processos

de secagem em fábrica, o GP do isolamento de umtransformador é menor comparativamente

a um papel novo e geralmentedetermina-se 800 como sendo o valor mínimo admissível. Para

valores entre 100 e 250 considera-se o equipamento no fim da respectiva vida útil.

Constituem mecanismos de envelhecimento a hidrólise, a oxidação e a pirólise.

Envelhecimento Térmico do Óleo Isolante

Durante a fase inicial de oxidação dos óleos isolantes são formados compostos polares não

ácidos, tais como álcoois, aldeídos, cetonas, etc. Á medidas que o processo avança formam-se

ácidos e sedimentos. Com a sedimentação, o transformador sofre aquecimento adicional,

devido a dois factores:

a) Obstrução dos canais de circulação de óleo nosenrolamentos e nos radiadores;

b) Isolamento térmico.

Para garantir a qualidade do óleo isolante, é comum a adição deinibidores que retardam

avelocidade do processo de oxidação, alémda realização de tratamentos periódicos

Métodos Não Invasivos – Globais

Furfural (2FAL)

O 2Fal é o mais representativo de uma família de furfuraldeídos queresultamespecificamente

da degradação do papel. Representa ocomportamento global, a partir da amostra de uma

pequena quantidadede óleo do transformador.Há estudos que correlacionam o GP com o

2Fal. A análise inicialmente era feita em função da sua concentração noóleo, com a relação

miligramas de (2Fal) / litros de óleo [ppm]. Mais recentemente, a relaçãoconsiderada mais




significativa é a concentração de 2Fal com relação àmassa de papel do transformador, ou

seja, miligramas de (2Fal) / kg papel [ppm]. Actualmente, o 2Fal é incluído nos diagnósticos

de fim-de-vida de transformadores de potência das principais concessionárias. Não se aplica

directamente aos casos em que o óleo do transformador tenha sido filtrado ou substituído.

Tensão de Retorno– RVM (Recovery Voltage Meter)

Experimentalmente, o processo de polarização de materiais dieléctricos ocorre num dado

intervalo de tempo após a aplicação do campo de polarização. Da mesma forma, após a

retirada do campo de polarização seguido de um breve curto-circuito, também se observa um

intervalo de tempo para ocorrer uma completa despolarização do material.

Após o curto-circuito da amostra, inicia-se a despolarização de diferentes mecanismos

envolvidos no processo de polarização. Como resultado da soma das despolarizações destes

diferentes mecanismos, é verificado o “retorno” de uma tensão, em função do tempo.

Originalmente denominada “tensão de regeneração”, o surgimento desta tensão fez parte de

um conjunto de fenómenos descritos como anomalias. Também, denominada de “after-efect”,

ou efeito posterior, este fenómeno é actualmente conhecido como tensão de retorno, “return

voltage”.O processo para realização de uma medida de tensão de retorno compreende três

etapas, representadas esquematicamente pelas posições da chave S no circuito da figura

1. Aplicação de uma tensão de carga (U0) sobre a amostra durante um determinado período

(tc - tempo de carga).

2. Curto-circuito da amostra durante um determinado período (td tempo de descarga).

3. Medição da tensão de retorno.




Formas das tensões resultantes durante estas etapas.

A tensão aplicada (etapa 1) leva ao carregamento da capacitância geométrica, com

consequente polarização do dieléctrico. Do ponto de vista macroscópico, as cargas nos

eléctrodos podem ser consideradas compostas de cargas livres e cargas ligadas pelo processo

de polarização.

Na etapa 2, a retirada da tensão remove o campo aplicado sobre o dieléctrico, e a aplicação

do curto-circuito tem por objectivo remover as cargas livres presentes nos eléctrodos do cabo.

É iniciado o processo de despolarização do material dieléctrico, resultando numa corrente de

deslocamento.A despolarização continua durante o processo de medida (etapa 3) sendo que

as cargas previamente ligadas tornam-se cargas livres nos eléctrodos. Devido ao acumular

destas cargas livres nos eléctrodos é que torna possível a medição da tensão de retorno

O aumento da tensão de retorno com o tempo é o resultado de um decréscimo gradual da

polarização, isto é, da relaxação dos dípolos excitados. Sem outras influências adicionais,

ocorre um aumento contínuo da tensão de retorno. Com o aumento da tensão, processos de

descarga externos devido à condução em componentes resistivos internos ou externos se

tornam importantes e levam a posterior redução da tensão de retorno. Então, após alcançar

um valor máximo, a tensão de retorno começa a diminuir.

As informações directamente obtidas de uma curva de tensão de retorno são: o valor máximo

da tensão de retorno (Um) e o tempo para se atingir este máximo (t

m). Os valores destes

parâmetros possuem uma dependência directa com as características do material analisado,

bem como dos valores adoptados para a tensão de carga, tempo de carga e tempo de descarga.

A primeira aplicação de medidas de tensão de retorno, RVM “Return Voltage Measurement”,

como método de diagnóstico foi na avaliação da presença de humidade no isolamento de

papel impregnado com óleo utilizado nos transformadores. Na década de 90 esta técnica

começou a ser utilizada como método de diagnóstico preditivo para avaliar a presença de

arborescências em água no interior do isolamento de cabos de potência extrudados

O isolamento de cabos com arborescências em água apresenta uma resposta dieléctrica não

linear, explicada pelas seguintes teorias:

As arborescências são formadas por micro-lacunas, contendo água, interligadas por canais

delgados de natureza isolante. Quando sob o efeito de campos eléctricos intensos, os




diâmetros destes canais são alargados devido à presença de água e tornam-se condutores,

resultando em maiores perdas.

Tem sido explicado, também, que a tensão de retorno nos cabos isolados em polietileno

com arborescência é influenciada pelo aumento da injecção de cargas devido à presença

de humidade ou pelo número de transportadores iónicos pré-existentes e deslocamento de

carga espacial.

O método de medida de tensão de retorno distingue-se dos outros métodos de diagnóstico que

são focados no fenómeno de descargas parciais e na existência de arborescências eléctricas.

Como qualquer método novo a medida de tensão de retorno tem evoluído muito em termos

de conhecimento e experiência. Comparada com outras técnicas de diagnóstico no domínio

do tempo como, por exemplo, medidas de corrente de relaxação, a medida de tensão de

retorno apresenta a vantagem de ser menos sensível a ruídos, o que é um importante factor

para medidas em campo

Exemplo

Para se comprovar a eficiência do processo, foi utilizado um transformador de 345kV,

133MVA de fabricoIEBB, com valores de humidade de papel inicialmente de 2,09%,

medidos através do RVM. A intenção era efectuarum processo de secagem suficientemente

lento de forma a permitir que a humidade contida no isolamento sólido fossetransferida para

o óleo isolante, auxiliada pela temperatura de operação do transformador, quepermaneceria

em operação. A entrada de óleo para o sistema de filtragem foi feita a partir da válvula

inferior e o retornopela válvula superior. O vácuo foi aplicado em todo o sistema (filtros,

mangueiras e bomba de óleo).

.

Ensaio de RVM inicial, antes do início do processo de secagem




Ensaio de RVM final, depois do processo de secagem

tc Urmáx (V) H2O (%) Tcrit (ºC)

Antes 98,35 217,48 2,09 84,7

Depois 260,56 121,5 1,6 95

O resultado final de RVM mostra que o valor de humidade da parte activa decresceu de 2,09

para 1,6% e apresenta-se uniformemente distribuído pelo isolamento, comprovando a

eficiência do processo de secagem

Repetindo este procedimento para vários tempos de carga emantendo-se uma relação tc/td=2,

obtêm-se uma família de curvas detensão de retorno. A envoltória dos picos é chamada de

espectro de polarização. O pico desta envoltória representa uma resposta globaldominante

para o isolamento e também um determinado teor de humidade.

Espectros de polarização e tensões de retorno

Quando a superfície isolante é exposta à humidade ambiente apareceum segundo pico. O

método permite avaliar a qualidade dos processosde manutenção e recuperação de

transformadores, onde o isolamento fica exposto ao ambiente por tempo prolongado.Um pico

extra na região mais rápida é indicativo de óleo isolante em mau estado.




Espectro de polarização típico de um transformador

Tensão de Retorno VS Grau de Polimerização

Envelhecimento acelerado de papel kraft a 120ºC (Tensão de retorno a 60ºC)

RVM VSOutros Ensaios Dieléctricos

Os ensaios de RI, IP, tg δ (50 Hz) e tg δ (0,1 mHz a 1 kHz) são poucosensíveis para teores de

humidade inferiores a 1%, cuja respostadominante é da ordem de centenas de segundos

(sistema papel-óleo).




IP vs Teor de humidade do Papel, para várias temperaturas

Gerador

Componentes do Sistema de Isolamento Isolamento entre condutores

• Isolamento entre espiras

• Isolamento para a terra

• Camada semicondutora (grafite)

• Camada de silício

Degradação Térmica

A degradação térmica no sistema de isolamento de um gerador ocorre regra geral devido a

Perda da rigidez mecânica por aquecimento prolongado

Afrouxamento do isolamento entre camadas, vibração de condutores, falhas por descargas

parciais que conduzem facilmente a defeitos á massa do isolamento

Sobreaquecimento de devido a sobrecarga, falha na refrigeração, correntes de inrush,

desbalanceamento de tensões.




Circuito equivalente do sistema de isolamento

Quando Ear = Var /dar > 3 kV/mm ocorrem descargas parciais




Efeito da Polaridade na Localização das DPS

Efeito Inverso (–) das DPS com a Temperatura

(Quando as DP Diminuem Com o Aumento da Temperatura)

O tamanho do espaço varia inversamente com a temperatura. O cobre e o material

isolamento aumentam de tamanho, diminuindo os espaços entre o isolamento e o núcleo,

e, portanto, as DP

Este efeito é mais significativo para isolamentos de poliéster e asfálticos, mas também

pode ser observado em enrolamentos isolados em epoxi

De notar que a temperatura do cobre ou das camadas internas do isolamento não são

reflectidas com rapidez pelos RTDs.

Efeito Proporcional (+) das DPS com a Temperatura

(Quando as DP Aumentam Com o Aumento da Temperatura)

Indicativo da deterioração da tinta semicondutora com o aumento da temperatura, a

existência deste material cresce aumentando o nível de DP positivas

Este é um mecanismo de falhas muito lento, porém pode levar ao aparecimento de zonas

de elevada produção de ozono




Tensão Aplicada CC – “Hy-Pot”

A medição da tensão aplicada tem por finalidade verificar se existem falhas de isolamento

com fuga de corrente á massa. É um ensaio que visa garantir que o isolamento de um

determinado equipamento ofereça segurança aos operadores e á aplicação a que está

destinada. Conforme normas internacionais deve-se aplicar a um equipamento novo.

A aplicação da tensão de teste denominada HY-POT obedece a determinados critérios de

entre os quais se destacam

Tensão de prova: Up (máxima) = (2.Unom) + 1

Acima de 26kV o efeito corona influi fortemente: faixa inadequada

Primeiros 10 minutos: degrau inicial 0,3.Up (máximo de 10kV). Nos degrausseguintes

acréscimos de 20%

Ajuste para 90 ~ 95% do valor (a tensão sobe, por efeito capacitivo)

Tempo de duração de cada degrau: Método de Schleif. Consiste emajustar os tempos

deaplicação dos degraus para conseguir uma recta

Leitura da corrente de fuga para 1, 3 e 10 minutos

Cálculos:

C = [(I1 x I10) – I32] / (I1 + I10 – 2I3)

Relação de Absorção (N) = (I1 – C) / (I10- C)

Esquema simplificado para ensaio Hi-pot




Ensaios em Capacitores

A) Capacitância – Potência Reactiva

C = (I.106) / (E.ω)

Onde:

C = Capacitância [μF]

I = Corrente [A]

ω = Frequência, 2πf

E = Tensão aplicada [V]

Potência reactiva, Q

Q = V2.ω.C.10

-3

Onde:

Q = Potência reactiva [kVar]

V = Tensão nominal do capacitor [kV]

C = Capacitância [μF]

Critérios:

A diferença entre as capacitâncias de duas unidades de mesmaespecificação pode ser até 15

%

A potência obtida através da capacitância medida não deve diferir da potência nominal em:

-5% a +10% para unidades capacitores

0% a +10% para bancos de capacitores




B) Isolamento

RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO TOTAL: COM 2,5kVCC, (>1 GΩ)

Circuito de medição (proceder à leitura após 1 minuto)

Resistência de Isolamento entre Isoladores de Travessia

Circuito de medição (proceder à leitura após 1 minuto)




Levantamento das Características de um Gerador

Saturação em vazio – Circuito de medição

Recta de curto-circuito - circuito de medição

Relação de curto-circuito = I (Un) / I (In)

Reactância síncrona de eixo directo, não saturada = AC/BC, saturada = ED/FD




Saturação em Transformadores de Corrente

Os dispositivos críticos nos sistemas de protecção são os transformadores de corrente (TC) e

como todo materialferro magnético, o mesmo trabalha com uma curva de histerese. Para o

seu correcto funcionamento, os TCs sãodimensionados para que trabalhem na faixa linear

desta curva, entretanto, existem situações de difícil estimativaque causam sua saturação,

como o nível DC da corrente de curto-circuito e o fluxo residual do TC. O dispositivode

protecção deve detectar este fenómeno para evitar actuação indevida da protecção diferencial.

Na figura é ilustrado o circuito simplificado de um TC, onde i1/n é a corrente secundária total

(corrente primária dividida pela relação de transformação), ieé a corrente de excitação do

núcleo e i2é a corrente disponível no terminal secundário, que alimenta a carga R. O valor de

i2 é dado pela equação i2 = (i1/n) – ie.Xm, Rme Zmrepresentam, respectivamente, a indutância,

a resistência e a impedância do ramo de magnetização

A corrente de excitação está sempre presente, porém seu valor é muito pequeno em condições

normais, pois a impedância do ramo de magnetização é grande. Sendo assim, o erro causado

devido à ie é muito pequeno. Contudo, quando ocorre a saturação, o valor de Zm cai

drasticamente, e a maior parte da corrente passa pelo ramo de magnetização, causando

distorção na forma de onda do sinal recebido pela carga do TC.

Durante a saturação do TC, a impedância vista por relés de distância (Z=V/I) pode ser maior

do que o valor esperado, promovendo assim um problema de desbalanceamento neste tipo de

protecção

As principais causas da saturação dos TCs são ascomponentes unidireccionais das correntes

de curto-circuito, ofluxo magnético remanescente no núcleo e a carga do TC.Além disso, um

TC mal dimensionado pode saturar por nãoacomodar o fluxo magnético gerado durante

eventos comocurto-circuitos. Uma solução para esse caso seria odimensionamento do TC

com um núcleo maior, entretanto,isso aumentaria o custo do transformador de corrente.

Por esses motivos, vêm sendo estudados métodos quevisem detectar os intervalos de

saturação dos TCs, para entãoprovidenciar a correcção dos sinais de corrente distorcidos em

virtude desse fenómeno. Assim, garante-se ofuncionamento adequado dos esquemas de

protecção




Conceito de Saturação em Materiais Magnéticos

Quando o TC satura, a forma de onda do terminalsecundário é distorcida, conforme mostra a

figura. Devido àgrande variação de corrente entre o primeiro ponto da regiãosaturada e o

último ponto da região não saturada, os iníciosdos intervalos de saturação encontram-se

dentro dos picosmaiores presentes na curva das diferenças de i2. Da mesma forma, os fins de

saturação são caracterizadospor valores dentro dos picos de menor intensidade.

Forma de onda da corrente no terminal secundário de um TC não saturado

Forma de onda da corrente no terminal secundário de um TC saturado




Onde:

Vs = Tensão de saturação (Ver tabela de cargas nominais)

F = Factor de sobrecorrente (ASA, ANSI, NBR 6856 = 20 IN)

IN = Corrente secundária nominal (5A, com raras excepções)

RI = Resistência do enrolamento secundário a 75°C

RC = Resistência da carga nominal

XI = Reactância do enrolamento secundário

XC = Reactância da carga nominal

Cargas nominais para TC de protecção

Capítulo 9

Concepção e Teste de Isoladores Para Uso Exterior

Para o isolamento de linhas de transmissão são necessários dispositivos especialmente

desenhados (isoladores). O isolador deve apresentar, além de apreciáveis características

dieléctricas, óptimas características mecânicas, tendo em vista a natureza severa do trabalho

que irá realizar. O isolador deve suportar altas tensões de compressão, deve ser duro e

apresentar a superfície altamente polida.

O seu desenho deverá ser tal que minimize a acumulação de linhas de fluxo electrostáticas, o

que não permitirá o rompimento de arcos eléctricos na sua superfície. O seu desempenho

electromecânico deve-se manter estável em quaisquer condições de humidade, temperatura,

chuva, neve, poeira, gases, etc.

Tipos de Isoladores

Com relação aos condutores, os isoladores têm a função de

Suspensão

Ancoragem

Separação







Os isoladores são sujeitos a solicitações mecânicas e eléctricas.

Solicitações Mecânicas

Forças verticais pelo peso dos condutores

Forças horizontais axiais para suspensão

Forças horizontais transversais pela acção dos ventos

Solicitações Eléctricas

Tensão nominal e sobretensão em frequência industrial

Oscilações de tensão de manobra

Transitórios de origem atmosférica

Os isoladores devem oferecer uma alta resistência para correntes defuga de superfície e ser

suficientemente espesso para prevenir rupturasob as condições de tensão que devem

suportar.Para aumentar o caminho de fuga e, portanto a resistência de fuga, osisoladores são

construídos com curvas e saias.

Os Isoladores são Produzidos de

Porcelana vitrificada

Vidro temperado

Polímeros em borracha de

o EPDM (Etileno Propileno Dieno Monomérico)

o Silicone Porcelana vitrificada

o Vidro temperado




Porcelana Vitrificada

Os materiais cerâmicos caracterizam-se, em geral, pelo baixo preço, por um processo de

fabrico relativamente simples, e porcaracterísticas eléctricas ou dieléctricas, térmicas e

mecânicasvantajosas que podem apresentar quando o processo de fabrico ébem cuidado

Composição da cerâmica

Argila

Quartzo – componente que influi termicamente; quanto maior sua percentagem, maior é a

temperatura suportada pela porcelana.

Feldspato – componente que define o comportamento isolante como rigidez dieléctrica,

factor de perdas, etc.

O revestimento com verniz, cuja base é a mesma da porcelana, destina-se a vitrificar a

superfície externa da porcelana que, embora nãoporosa, apresenta certa rugosidade que pode

ser prejudicial durante ouso da porcelana em corpos isolantes, sujeitos à deposição de

humidade, poeira, etc. O verniz ao recobrir o corpo da porcelana o tornaliso e brilhante,

elevando a resistência superficial do isolador.

Vidro

O vidro é basicamente composto de óxido de silício e óxido de boro,nas formas SiO2 e B2O3;

acrescenta-se a esses dois uma grande sériede aditivos, tais como os óxidos alcalinos K2O

eNa2O, que influem,sobretudo no valor da temperatura de fusão do material.Os

diversoscomponentes do vidro variam as características do vidroem função da composição.

Também tratamentos térmicos posteriores(têmpera) influem acentuadamente em particular no

que se refere asuas características mecânicas. A têmpera do vidro adquireimportância

particular na área dos isoladores, tipo disco e pedestal,devido à presença de esforços

mecânicos acentuados. Pela têmpera,a camada externa do vidro sofre uma contracção

acentuada, o que faz predominarem na “casca” externa, os esforços de compressão

Polímeros

Características dos Polímeros:

Excelente hidrofobicidade.

Excelente resistência ao trilhamento eléctrico (tracking).

Excelente desempenho sob poluição – o perfil e a maior distância de escoamento do

isolador permitem reduzir a corrente de fuga e, portanto as perdas de energia Resistente

ao efeito de erosão mesmo quando o isolador estiver submetido a uma forte poluição.

Impenetrabilidade - podem ser lavados sob alta pressão.

Resistência ao envelhecimento devido aos raios ultravioleta, temperatura, poluição,

ozono, com alta durabilidade.

Resistente ao arco eléctrico.

A maleabilidade das aletas de borracha, associada à elevada resistência do núcleo central

e a silhueta delgada garante incomparável desempenho destes isoladores em regiões de

vandalismo.

Instalação rápida, simples e de menor custo.

Pesa até 13 vezes menos que uma cadeia de isoladores convencionais.




Comparação entre isoladores de vidro, porcelana e polimérico

Suportabilidade Dieléctrica

A suportabilidade dieléctrica de uma superfície isolante reduz substancialmente quando

submetida a determinadas condições climáticas como chuva ou alta humidade. Tal redução

pode se tornar mais acentuada quando a superfície isolante é exposta a uma “ atmosfera

poluída “. Entende-se como “ atmosfera poluída”, do ponto de vista eléctrico, uma atmosfera

que, num certo período de tempo, propicia a formação, sobre a superfície isolante, de uma

camada constituída por substâncias que dissolvidas em água, produzem soluções condutoras.

Não ocorre variação no comportamento dieléctrico da superfície se a camada se mantém seca,

quando comparada com a superfície limpa. Entretanto, se ocorre um processo de

humidificação que dissolva mas não remova os sais contidos na camada, parcial ou

totalmente, ocorre a formação de arcos sobre a superfície iniciando um processo que poderá

culminar com uma descarga disruptiva. Além disso, os arcos formados geram ozono (agente

oxidante) e um dos responsáveis pela corrosão eléctrica nos isoladores

Basicamente, o dimensionamento do isolamento paralocalidades poluídas é realizado em

duas etapas:

Levantamento do grau de contaminação da localidade,

Determinação das características do isolamento através de ensaios em laboratório.

Inicialmente, será mostrado o resultado de uma pesquisa bibliográfica mostrando o processo

de formação de arcos em superfícies isolantes e seus efeitos e, em seguida, a metodologia

para levantamento do grau de contaminação e os ensaios de laboratório a serem realizados.

Formação de Arcos Em Isoladores Poluídos

A sequência de eventos a seguir mostra a influência da poluição na formação de arcos na

superfície de isoladores:

1. O isolador está coberto com uma camada de poluição seca, contendo sais solúveis ou

ácidos diluídos ou álcalis.

2. A superfície do isolador poluído é humidificada, completamente ou parcialmente, por

névoa, chuva fina ou nevoeiro, fazendo com que a camada de poluição se torne

condutora.

3. Assim que a camada poluente que cobre o isolador energizado se torna condutora, as

correntes de fuga superficiais aparecem e o aquecimento por elas provocado começa a

secar parte da camada poluente.

4. A secagem da camada poluente é sempre não uniforme, fazendo com que a camada

poluente húmida seja cortada por bandas secas que interrompem o fluxo da corrente

de fuga.




5. A tensão aplicada nas bandas secas, as quais podem ter somente poucos centímetros

de largura, causa uma descarga no ar e a banda seca é atravessada por arcos que estão,

electricamente, em série com a resistência da parte não seca da camada de poluição.

Se a resistência da parte seca da camada de poluição formuito baixa, os arcos que ultrapassam

as bandas secasnão se extinguem e, pelo contrário, aumentam suaextensão ao longo da

superfície do isolador. Este facto,por sua vez, diminui a resistência eléctrica em sériecom os

arcos, aumentando a corrente e permitindo aumentar, ainda mais sua extensão até que toda a

superfície do isolador esteja coberta ocasionando, assim, uma descarga disruptiva.

Efeitos dos Arcos Sobre Os Isoladores

Mesmo não causando uma descarga, uma das consequências mais importantes da formação

dos arcos é geração de ozono, que pode acelerar a corrosão atmosférica/galvânica e a

ocorrência de corrosão eléctrica em isoladores.

Corrosão Atmosférica/Galvânica

A corrosão atmosférica corresponde a oxidação directa entre o metal e suas vizinhanças, e a

galvânica ocorre quando se coloca dois metais de electronegatividades diferentes em contacto

(por exemplo: Fe + Zn), ocorrendo então a doação de electrões do mais electronegativo para o

menos electronegativo. O ozono oxida o Zn acelerando a corrosão branca, que gradualmente

se desprende da superfície, expondo o ferro. O ozono combina-se com o nitrogénio,

formando dióxido de nitrogénio, que hidratado, produz ácido nítrico. O ácido nítrico ataca o

ferro, gerando hematita e magnetita, ou seja, a corrosão vermelha (ferrugem).

Corrosão Eléctrica

Esse é o principal factor de corrosão que corresponde à corrosão electrolítica devido não só à

corrente de fuga sobre a superfície húmida dos isoladores poluídos, como também à

subsequente actividade eléctrica de arcos (corrosão por arcos) que aparece através da

superfície mais resistiva do isolador poluído e/ou nas interfaces dos materiais componentes

do isolador. Esse tipo de corrosão é o mais severo em áreas poluídas de clima tropical.

Corrosão electrolítica: quando o isolador está poluído e húmido, uma corrente de fuga

aparece sobre a superfície isolante, entre as partes metálicas de cada isolador. Os efeitos da

corrente de fuga aumentam com o grau de poluição (quantidade de sais), e com a tensão

eléctrica aplicada sobre os isoladores;

Corrosão por arcos: estes arcos e descargas sobre as partes mais resistivas da superfície

húmida aparecem durante a condensação. Os arcos são mais frequentes nas regiões da cadeia

de isoladores onde a densidade de corrente e o campo eléctrico são mais intensos. Desta

forma, muitos arcos têm mais frequentemente suas raízes sobre a campânula e sobre o pino

dos isoladores do lado fase da cadeia. Estes arcos também induzem a formação de ozono, que

como já observado podem acelerar a corrosão. A prática tem mostrado efectivamente a

ocorrência de corrosão precoce em isoladores instalados em sistemas com tensão maior ou

igual a 345kV.

Avaliação da Formação de Arcos Em Ambiente Tropical

Em condições húmidas, a amplitude das descargas e arcos dependem essencialmente dos

depósitos poluentes sobre a superfície do isolador (severidade e distribuição). Os distúrbios

causados pelas descargas e arcos variam proporcionalmente com a tensão aplicada sobre as




unidades de isoladores da cadeia e são mais importantes quando as cadeias de isoladores não

são equipadas com ferragens de protecção. Durante os longos períodos sem chuva num

ambiente tropical, as condições ambientais de um dia podem ser esquematizadas por dois

principais períodos sucessivos, o seco e o húmido. Durante o período húmido, desde o pôr até

ao nascer do sol, depósitos de condensação aparecem sobre a superfície do isolador, a

humidade relativa do ar atinge valores de acima de 80%.

Para avaliar o desempenho de cadeias de isoladores em ambiente tropical, foram realizados

ensaios sobre cadeias de isoladores levemente poluídos. Todos os isoladores das cadeias

foram poluídos da mesma maneira, para reproduzir uma poluição leve. Entretanto, de

maneira a reproduzir mais fielmente o depósito de poluição natural observado no campo, a

poluição não foi aplicada uniformemente. A névoa, gerada por um gerador de vapor, não foi

aplicada directamente sobre a cadeia de isoladores. A névoa foi continuamente mantida

durante duas horas - período húmido - e foi interrompida repentinamente. O ensaio então

continuou durante o “período seco. A análise dos resultados é feita conforme os dois períodos

distintos.

Período Húmido

As unidades isolantes da cadeia apresentam o fenómeno de actividade eléctrica de arcos. Este

período corresponde à corrente de fuga mais alta e à mais alta humidade relativa. Os

fenómenos são praticamente definidos pelo depósito de poluentes sobre a superfície do

isolador e não pelo projecto da cadeia de isoladores.

Durante o período húmido, a corrosão electrolítica, devido a passagem permanente de uma

corrente de fuga mais alta, é mais importante e mais uniforme.

Período Seco

Durante o período seco, os arcos e as descargas estão concentrados somente nos isoladores

electricamente mais solicitados e o fenómeno mais importante corresponde à corrosão por

arcos.

Durante este período, a duração de actividade eléctrica é reduzido quando a cadeia de

isolador é equipada com um anel de protecção. Em comparação, as descargas e arcos

continuam actuando depois de 3 horas sobre cadeias sem anéis de protecção e param depois

de 30 minutos sobre cadeias com anéis de protecção

Operação em Ambiente Poluído

No caso de isoladores poluídos o campo eléctrico em torno do mesmo apresenta-se distorcido

pela presença de partículas condutoras na superfície do isolador. Figura abaixo representa o

esquema equivalente de uma cadeia de isoladores, Cglass representa a capacidade do disco, Cair

a capacidade do ar e Rpol a camada condutora resultante da poluição




Para um isolador cilíndrico a tensão de disrupção devido a poluição é dada por

Onde N, A en são as constantes do arco eléctrico e rpo quociente entre a resistência total

resultante da poluição e a distância de segurança. No geral as constantes tomam os seguintes

valores N=80, A=10 e n=0,5. Para um isolador com superfície irregular rp será obtido por

Onde F factor de formaL a distância de segurança e ζs a condutividade da superfície

Onde r(s)é o raio na posição s.




Ou para o cone da figura abaixo

Considerando o cone superior

Considerando o cone superior e inferior

Considerando um formato cilíndrico, com comprimento L e raio R

A tensão de disrupção do isolador será

Onde Vc em kV, L em mm e σs em µS




Mitigação dos Fenómenos de Poluição

Existem vários métodos empregues para mitigar ou eliminar por completo o efeito da

poluição em isoladores cerâmicos, onde se destacam

Melhorar a Configuração

A distância de fuga de um isolador pode ser ajustadade forma a mitigar os fenómenos

ambientais. Geralmente as configurações são optimizadas aerodinamicamentepara facilitar a

auto-limpeza através da acção do vento e da chuva.

Limpeza Periódica

Em muitas instalações são utilizados sistemas de jacto de água a alta pressão para a limpeza

da superfície de isoladores, sendo de longe o mais barato.

Aplicação de Gel/Graxa

O processo de revestimento das superfícies do isolador com gel ou graxas éutilizado em áreas

de contaminação severa. Na maior parte dos casos,a remoção e aplicação da graxa é uma

operação manual. Sendo um processo lento e que requer paralisações de circuito.

Aplicação de RTV

Revestimentos de silicone (RTV) são cada vez mais aplicados com maior frequência em

subestações e cadeias de isoladores. Estudos mostraram que este tipo de revestimento é de

grande eficácia no combate aos fenómenos de poluição.

Esmalte Resistivo

Isoladores de esmalte resistivo são frequentemente utilizados paraaliviar osfenómenos de

poluiçãoem regiões com altos índices de poluição. A sua utilização resulta num campo

eléctrico de distribuição uniforme que leva ao aquecimento da respectiva superfície, inibindo

a formação de humidade.




Bibliografia

[01] M. S. Naidu & V. Kamaraju, High Voltage Engineering, Tata McGraw Hill, 1996

[02] E. Kuffel & W. S. Zaengl, High Voltage Engineering: Fundamentals, Pergamon Press,

1992.

[03] Jonas Roberto Pesente Fundamentos de Técnicas de Alta Tensão, Foz do Iguaçu, 2004

[04] Dr. Eng. D. Gorgius, Técnica de Alta Tensão, U. E. Mondlane 1984

[05] Dr. Ing. Klaus Nowaski, Técnica de Alta Tensão, U. E. Mondlane 1984

[06] Eng. João Mamede Filho, Manual de Equipamentos Eléctricos, Rio de Janeiro, LTC

2005

Documents

Tecnicas de Alta Tensu00E3o-Apontamentos (6-02-2015).pdf