Baixe Estudo de Ensaios em Cabos Blindados de Média Tensão: Análise de Tensões Residuais e outras Esquemas em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!
U n i ve r s i d a d e T e c n o l ó g i c a F e d e r a l d o P a r a n á D e p a r t a m e n t o A c a d ê m i c o d e E l e t r o t é c n i c a C u r s o d e E n g e n h a r i a E l é t r i c a C u r s o d e E n g e n h a r i a d e C o n t r o l e e Au t o m a ç ã o
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DAS TENSÕES RESIDUAIS EM CABOS
BLINDADOS DE MÉDIA TENSÃO APÓS A REALIZAÇÃO DE ENSAIO DE
TENSÃO APLICADA
Antônio Carlos Pinho, acpinho@utfpr.edu.br^1 Karine Kou Suzuki, karinesuzuki@gmail.com^2 Patrick Carlos Kondlatsch, pc90k@yahoo.com.br^3 Tchesley Schmidt Gomes, tchesleysg@gmail.com^4 (^1) UTFPR, Av. Sete de Setembro, 3165, CEP: 80.230-901, Curitiba-PR (^2) UTFPR, Av. Sete de Setembro, 3165, CEP: 80.230-901, Curitiba-PR (^3) UTFPR, Av. Sete de Setembro, 3165, CEP: 80.230-901, Curitiba-PR (^4) UTFPR, Av. Sete de Setembro, 3165, CEP: 80.230-901, Curitiba-PR
Resumo Com base na expansão das instalações industriais, os cabos blindados de média tensão desempenham papel fundamental em projetos e instalações.Mais especificamente, o ensaio de Tensão Aplicada, através de equipamento Hipot, vem trazendo obstáculos relativos à tensão residual surgida após a realização do ensaio. O presente trabalho busca detectar a causa de tal tensão, bem como reduzir o tempo de descarga do cabo, melhorando a segurança do sistema para o operador e para a instalação.
Palavras-chave: eletromagnetismo, efeito capacitivo, polarização de dielétrico, hipot, tensão residual.
1. INTRODUÇÃO
O presente trabalho tem como tema principal o estudo dos efeitos capacitivos em cabos blindados de média tensão após a realização do ensaio de tensão aplicada, a fim de determinar o tempo de descarga da tensão residual e a relação deste com fatores externos. Após finalizar o teste de tensão aplicada, realiza-se um procedimento de desenergização do cabo condutor. Entretanto, mesmo que o aterramento seja realizado de forma correta, é possível que o cabo ainda possua uma tensão residual de valor razoável entre seus terminais. Tal acontecimento já causou acidentes e choques elétricos quando da realização do ensaio em campo. Pretende-se realizar estudos sobre possíveis causas de surgimento da tensão de retorno nos terminais do cabo, bem como pesquisa de métodos de melhoramento do sistema de ensaios, a fim de reduzir o tempo de descarga total da amostra e, consequentemente, aumentar a segurança tanto para a instalação do ensaio quanto para os operadores.
2. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE MÉDIA TENSÃO
Dentre os vários tipos de instalações elétricas existentes atualmente, o presente trabalho é focado estritamente em instalações de média tensão, principalmente de uso industrial. Para efeitos de considerações no desenvolvimento de trabalho, temos como base que média tensão é a classe de tensão que está contida no intervalo entre 1000 V a 36200 V, conforme NBR 14039 (ASSOCIAÇÃO..., 2003).
3. CABOS DE MÉDIA TENSÃO COM ISOLAMENTO EM EPR
A NBR 6251 (ASSOCIAÇÃO..., 2000, p. 2) constata que há uma padronização para a construção dos cabos de potência para instalações fixas, sejam unipolares, multipolares ou multiplexados, para tensões nominais de 1 kV a 35 kV. Esses cabos podem ter vários tipos de isolação, como a borracha de etilenopropileno (EPR), e de cobertura, como o policloreto de vinila (PVC). O cabo é construído por condutor (1), blindagem do condutor (2), isolação (3), blindagem da isolação (4.1 e 4.2), fitilho de poliéster para identificação (5), enchimento extrudado ou preformado (6) e cobertura (7) (PRYSMIAN..., p. 2011).
Figura 1 – Estrutura do Cabo Fonte: Prysmian, 2011 3.1. Possíveis disposições
De acordo com a NBR 14039 (ASSOCIAÇÃO..., 2003), os cabos unipolares e tripolares pode ser instalados ao ar livre, em canaleta fechada no solo, em eletroduto ao ar livre, em banco de dutos ou em eletroduto enterrado no solo ou diretamente enterrados. Cabos unipolares podem estar espaçados ou justapostos.
4. ENSAIO DE TENSÃO APLICADA
De acordo com a NBR 7286 (ASSOCIAÇÃO..., 2001), devem ser realizados ensaios de tensão elétrica contínua e ensaios em corrente contínua. Segundo a NBR 7286 (ASSOCIAÇÃO..., 2001, p. 08) “Esses ensaios são destinados a demonstrar a integridade do cabo e seus acessórios, durante a instalação e após a conclusão desta”. O ensaio é efetuado com um esquema de ligação simples (Figura 2): o equipamento Hipot, alimentado por uma fonte de energia externa, é eletricamente conectado ao cabo ensaiado e a sua blindagem, conforme o caso. Então, o equipamento fornece um pulso de tensão continua ao cabo e são medidos de tempos em tempos as suas correntes de fuga. Após a conclusão do ensaio segundo a NBR 6881 (ASSOCIAÇÃO..., 1981, p. 4) “Decorrido o tempo de ensaio especificado, a tensão deve ser diminuída com taxa de variação aproximadamente uniforme até um valor menor possível, mas não superior a 20% da tensão nominal do cabo; e em seguida, desligar o equipamento”.
Figura 2 Esquema de Ligação Hipot. Fonte: Adaptado de C&M Engenharia Eletrica, 2011.
Figura 3 – Representação gráfica da tensão nos terminais de uma amostra, durante o teste de Tensão de Retorno Fonte: BRESSAN (2006, p.14).
“O aumento da tensão de retorno com o tempo é o resultado de um decréscimo gradual da polarização (...) Sem outras influências adicionais, processos de descarga externos devido à condução (...) se tornam importantes, e levam à posterior redução da tensão de retorno.” (BRESSAN, 2006, p. 15).
5.6 Fatores que Influenciam a Medida da Tensão de Retorno
Os principais agentes que alteram a medição de tensão de retorno em ensaios práticos são a situação histórica prévia do material amostrado (possibilidade de danos anteriores à medição), presença de cargas residuais no material antes do ensaio, e mudanças de temperatura do dielétrico.
5.7 Circuito Dielétrico Equivalente
Segundo PRESENTE (2004, p. 44), um circuito dielétrico pode ser expresso idealmente como a junção de elementos de capacitância (C) e resistência (R). Considerando as cargas elétricas surgidas por meio dos vários tipos de polarização, pode-se estruturar um modelo do circuito dielétrico equivalente mais realista e aceitável, onde “ Qo ” representa a carga elétrica do capacitor no vácuo, e as demais cargas ( Qe , Qi , Qd e Qs ) representam alguns tipos de polarização apresentados (eletrônica, iônica, dipolar e estrutural). Conforme apresentado na Figura 4, as resistências elétricas em série com as cargas representam as perdas energéticas ocorridas durante o processo de polarização (PRESENTE, 2004, p. 46).
Figura 4 – Circuito dielétrico equivalente, considerando os vários tipos de polarização Fonte: PRESENTE, 2004, p. 46
6. SEGURANÇA
A segurança no trabalho se tornou um assunto de grande importância nas indústrias. Em atividades profissionais do ramo da Engenharia Elétrica, o risco de choques e contato com correntes elétricas é elevado. A necessidade de testes, ensaios e validação de instalações acarreta em várias situações nas quais o profissional deve submeter-se a tensões e correntes elevadas. De acordo com OLIVEIRA (2007), devido aos grandes riscos do manuseio de equipamentos relacionados à energia elétrica, juntamente com a grande utilização da eletricidade nos dias de hoje, todo tipo de instalação, manutenção, produção ou montagem relacionado com a eletricidade deve ser acompanhado de supervisão por profissionais competentes, utilização adequada de equipamentos de segurança e execução respeitosa e consciente de trabalhos em tais ambientes. A boa prática da Segurança no Trabalho sempre assegura um bom desenvolvimento das atividades, bem como a satisfação de trabalhadores e supervisores quanto à saúde e segurança do indivíduo e da equipe profissional como um todo.
6.1 Efeitos do Choque Elétrico no Corpo Humano
A corrente elétrica, ao passar pelo corpo humano, pode ocasionar vários tipos de lesões e reações prejudiciais à saúde, desde uma pequena sensação de formigamento à parada cardiorrespiratória e risco de morte. Conforme KINDERMANN (2002, p. 115-116.), os fatores mais relevantes à gravidade do choque e suas consequências são a intensidade da corrente elétrica, a natureza da corrente elétrica envolvida (contínua ou alternada), sua frequência, a tensão elétrica existente, o tempo de exposição da vítima ao choque, o caminho percorrido pela corrente no corpo da vítima, o estado de umidade do organismo e as condições orgânicas do indivíduo.
7. ESTUDO DE ENSAIOS
Foi possível observar que no ensaio realizado por Bressan foi necessário o desenvolvimento de sistema de alta complexidade para ser possível mensurar a tensão de retorno. O contrário pode ser visto nos demais ensaios que se utilizara de equipamentos comerciais específicos para medição de tensão de retorno, facilitando e dando maior confiabilidade em suas aquisições de dados. Todos os ensaios anteriormente mostrados não tiveram como objetivo a elaboração de uma proporcionalidade tensão de retorno x comprimento do cabo. Pode-se observar a influência da temperatura e do envelhecimento do cabo, no ensaio realizado por Bressan, já no ensaio realizado por Sujani é perceptível a influência da imersão do cabo condutor na água. Finalmente no ensaio realizado por Piazza há como verificar que a tensão de carga influi diretamente na tensão de retorno remetendo que há a possibilidade de nos ensaios de tensão aplicada a tensão de retorno pode ser elevado a um nível significativo. Assim, pode-se analisar que a tensão de retorno pode ser alta uma vez que o seu tempo de carregamento é alto e sua tensão de carregamento chega a níveis muito maiores do que os utilizados nos ensaios anteriores. Todavia, não é possível concluirmos que realmente haverá um nível perigoso de tensão de retorno uma vez que não se sabe sobre possíveis saturações dos materiais.
8. METODOLOGIA DE CÁLCULO PARA OS ENSAIOS
A seguir, serão definidos procedimentos a serem seguidos durante a análise de resultados dos ensaios realizados pelos autores, no que se refere a cálculos e convenções teóricas. É importante definir o método a ser seguido a fim de padronizar a análise para todos os ensaios realizados, de modo a facilitar a comparação de resultados posteriormente.
8.1 Definição da Topologia
Faz-se necessário optar por apenas uma topologia básica a ser estudada, pois tendo obtido todas as informações desejadas em uma única disposição de cabos, o trabalho de transportá-las para topologias diferentes ou específicas fica facilitado. Após o estudo dos vários tipos de topologia apresentados na revisão bibliográfica, o arranjo físico adotado para estudo de ensaios foi o mais simples possível: um único cabo totalmente isolado, apenas com as duas conexões ao equipamento Hipot (conexão do condutor ao terminal de Alta Tensão do equipamento, e conexão da blindagem com o aterramento do sistema).
8.2 Cálculo das Características Elétricas do Sistema
Inicialmente, pretende-se calcular apenas as grandezas relevantes para o processo de surgimento de tensão residual
no cabo, quais sejam: o campo elétrico atuante no cabo, a capacitância total do cabo utilizado, o circuito equivalente específico para o procedimento de ensaio de tensão aplicada, e a curva de descarregamento do capacitor criado entre o condutor e a blindagem. Uma vez definidas as grandezas matemáticas utilizadas, foi feita a definição do sistema a ser estudado, considerando-se um cabo teórico, composto apenas de condutor e isolação, com determinada corrente elétrica passando através do condutor. Considerando-se um ponto qualquer no centro da secção transversal do cabo como o ponto de origem em um sistema de coordenadas cilíndricas, sabe-se que, nesse sistema, o campo elétrico atuante é simétrico em relação ao eixo vertical. Desse modo, pode-se utilizar o Teorema de Gauss: “O fluxo elétrico total que atravessa qualquer superfície fechada é igual à carga total envolvida por esta superfície” (HAYT JR., 2003, p. 48). Sabe-se que a capacitância pode ser calculada através da razão entre o módulo da carga total envolvida e a diferença de potencial entre os terminais do capacitor (HAYT JR., 2003, p. 123). Assim, a capacitância do cabo é calculada por:
(1)
Percebe-se que o valor da capacitância do cabo depende da permissividade elétrica da isolação, do comprimento do cabo, e dos raios externo e interno (ou seja, da secção nominal do condutor e da isolação).
O segundo ensaio foi feito um cabo blindado de média tensão 12/20 kV de 95 mm² com aproximadamente 149 m de comprimento. Uma extremidade do cabo ficou isolada e a outra foi preparada para receber os terminais do equipamento conforme Figura 8. O nível máximo de tensão aplicada foi de 35 kV por 5 minutos. Apesar de o comprimento do cabo ser superior ao do Ensaio 01, não foram obtidos resultados.
Figura 8 – Extremidade a ser isolada e extremidade conectada ao equipamento, respectivamente. Fonte: Os autores, 2011.
Foi realizado o acompanhamento de um ensaio de tensão aplicada em uma empresa fabricante de cabos. O objetivo foi verificar como o ensaio é realizado, conhecer seus resultados, comparar o ensaio realizado em laboratório e o ensaio de campo e se era possível detectar e medir a tensão de retorno. Entretanto, o software utilizado pela empresa não fornecia essa informação, apenas foi grande valia a observação das descargas parcial através de software especifico. Após o término dos ensaios, concluiu-se que, nas condições em que foram realizadas, não foi possível detectar e medir a tensão de retorno utilizando um osciloscópio. Para os ensaios foi desconsiderado de forma acadêmica e por limitações técnicas a impedância de entrada na ordem de 10^12 sendo utilizado um osciloscópio cujo a ordem de grandeza de impedância de entrada é de 10^6. É possível perceber, de forma concisa, que o método de aterramento bem como a robustez dos equipamentos dos laboratórios torna ínfimo qualquer tipo de sinal além dos pretendidos.
10. RESULTADOS DOS ENSAIOS
O primeiro ensaio, realizado apenas para familiarização com o ambiente e equipamentos de ensaio, apresentou dados da corrente de fuga medida com o equipamento Hipot ao longo do ensaio, bem como a curva de aplicação de tensão na amostra (carregamento). Abaixo, é apresentado gráfico com as curvas de carregamento e corrente de fuga.
Figura 9 – Tensão aplicada e corrente de fuga - Ensaio 1. Fonte: Os autores, 2011.
Os resultados obtidos levaram à confirmação da curva de carregamento de tensão do cabo conforme norma e procedimentos recomendados, além de apresentar a resistência da isolação variável (através da comparação das curvas). Já o segundo ensaio apresenta dados mais conclusivos a respeito do surgimento da tensão de retorno, principalmente por se tratar de amostra mais comprida de cabo (149 metros, contra apenas 2 do ensaio anterior). Assim, tem-se graficamente (Figura 10) o comportamento da tensão e da corrente de fuga no mesmo, com o passar do tempo:
Figura 10 – Comportamento da tensão residual e da corrente de fuga do cabo, após os ensaios. Fonte: Os autores, 2011.
Vale ressaltar que os dados obtidos são referentes ao período pós-ensaio, ou seja, após zerar a tensão aplicada pelo Hipot. Nota-se que a tensão medida é a própria tensão residual existente no cabo.
11. SUGESTÕES DE MELHORIA NO SISTEMA
Paralelamente à realização das práticas, foram analisados alguns tópicos sobre a melhoria na segurança do sistema de ensaios, bem como possíveis soluções para tornar mais eficiente o descarregamento de cargas residuais no cabo. A principal sugestão de melhoria imediata para o ensaio citado é a implementação de um sistema sinalizador de tensão residual, a fim de indicar em tempo real ao operador do ensaio o nível de tensão presente na amostra, assegurando sua proteção física contra choques elétricos. Trata-se de um circuito eletrônico, com um sistema de iluminação através de LEDs dispostos em gráfico de barras ( LED bargaph ). Esse aparelho seria facilmente interpretado pelo operador do sistema, que só poderia se aproximar do cabo ensaiado no momento em que toda a barra estiver apagada.
12. CONCLUSÃO
O principal objetivo deste trabalho, que era o estudo do comportamento das tensões residuais em cabos blindados de média tensão após a realização de ensaio de tensão aplicada, foi alcançado. Todos os ensaios realizados foram aproveitáveis em relação aos resultados esperados na teoria: mostraram com clareza todo o processo de execução do ensaio de Tensão Aplicada, e confirmaram o esperado na teoria em relação ao efeito capacitivo existente nos cabos de média tensão. Enfim, todo o trabalho se mostrou válido e cumprindo a proposta inicial, de modo a deixar espaço para pesquisas futuras e possíveis inovações em sua área de estudo.
13. AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente nossas famílias pelo apoio, incentivo e compreensão durante toda essa jornada acadêmica. Também ao Professor Dr. Antônio Carlos Pinho, pela disponibilidade, solicitude, orientação, paciência, amizade e sobretudo pelo incentivo e apoio nos momentos de dificuldade durante a escrita do presente trabalho.
14. REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7286: Cabos de potência com isolação extrudada de EPR para tensões de 1 kV a 35 kV - Requisitos de desempenho. Rio de Janeiro, 2001. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14039: Instalações elétricas de média tensão de 1,0 kV a 36,2 kV. Rio de Janeiro, 2003. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6251: Cabos de potência com isolação extrudada para tensões de 1 kV a 35 kV - Requisitos construtivos. Rio de Janeiro, 2001. BRESSAN, Bruno N. Desenvolvimento de Sistema e Metodologia para Avaliar a Influência da Temperatura em Medidas de Tensão de Retorno em Cabos de XLPE. 2006. 52p. Dissertação - UFPR, Curitiba, 2006. HAYT JR., William H. Eletromagnetismo. 6.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003. KINDERMANN, Geraldo, et al. Aterramento elétrico. 5. ed. Porto Alegre: Sagra-DC Luzzatto, 2002, 214 p. OLIVEIRA, Cláudio A. D. de. Passo a passo dos procedimentos técnicos em segurança e saúde no trabalho: micro, pequenas, médias e grandes empresas. São Paulo: LTr, 2002. 219 p. PRESENTE, Jonas Roberto. Fundamentos de Técnica de AT. 2004. Apostila - UniOeste, Foz do Iguaçu, 2004. PRYSMIAN CABOS & SISTEMAS. Cabo Eprotenax 6 até 35kV: catálogo. Disponível em: http://www.prysmian.com.br/export/sites/prysmian-ptBR/energy/pdfs/EprotenaxMediaTensao.pdf. Acesso em: 15 mai. 2011. SILVA, Guilherme C. Comportamento elétrico e dielétrico de cabos de potência extrudados utilizados em redes de distribuição de energia elétrica. 122 p. Curitiba. Universidade Federal do Paraná - Curitiba, 2000.
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