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CABOS DE MDIA TENSO PROCESSOS DE ISOLAO

Joo J. A. de Paula Introduo Quando se trata de cabos isolados, para instalao em dutos, diretamente enterrados, em canaletas e at em redes areas, costuma-se classificar estes produtos, quanto a seu nvel de tenso eltrica, em cabos de baixa, mdia e alta tenso, ouvindo-se, s vezes, o termo "altssima tenso", no havendo, entretanto, uma definio clara de qual valor de tenso o limite entre essas classificaes. Em sistemas trifsicos, considerando a tenso nominal entre fases, podemos em geral assumir que at 1 kV temos a baixa tenso, entre 1 kV e 35 kV temos a mdia tenso, sendo considerados os casos acima de 35 kV como alta tenso, havendo sempre uma variao em torno desses valores limites. Os cabos de mdia e alta tenso podem ter o ar como isolao, quando se utiliza condutores de alumnio sem qualquer recobrimento em linhas de transmisso ou sistemas de posteamento, sobre isoladores. Estes produtos no tm grandes exigncias tcnicas e so de constituio muito simples. Quando se trata, entretanto, de cabos isolados para mdia e alta tenso, uma maior tecnologia envolvida. Inicialmente isolados com papel e leo, j h muitas dcadas estes produtos passaram a ter como material de isolao os compostos chamados de "polimricos", tendo sido usados ou estando em uso o PVC (cloreto de polivinila), o polietileno, o polietileno reticulado (XLPE) e a borracha de etileno-propileno (EPR) ou o monmero de etileno-propileno-dieno (EPDM), sendo estes dois ltimos chamados, em geral, de EPR ou HEPR.

J no incio da utilizao dos compostos polimricos foi notado o aparecimento do fenmeno da arborescncia, que ser explicado adiante e que provoca o colapso da isolao. Para elimin-la, materiais e processos foram desenvolvidos ao longo dos anos e o estado da arte atual a utilizao de compostos do tipo EPR ou XLPE, extrudados simultaneamente com os compostos semicondutores do condutor e da isolao e reticulados em processo "dry-curing", ou cura a seco. Este processo, executado em linhas comumente chamadas de "catenrias" ou "CV (Continuous Vulcanization)" demanda equipamentos e tecnologias bastante sofisticadas e ser detalhado em item prprio. Um outro processo de fabricao, bastante utilizado em cabos de baixa tenso, foi desenvolvido h dcadas, sendo conhecido, entre outros nomes, por "processo de cura por silano". Sendo um processo muito menos sofisticado, existe um grande interesse por parte dos fabricantes em utiliz-lo nos cabos de tenses mais elevadas, mas as pesquisas mostram que isto ainda no recomendvel tecnicamente e, embora as prprias normas brasileiras tenham restries a este processo, existe uma presso crescente no mercado pela sua utilizao. O objetivo da Nexans neste trabalho o esclarecimento do usurio quanto aos riscos inerentes de utilizao de materiais de baixa confiabilidade em sistemas com tenses mais elevadas.

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Arborescncia e ruptura eltrica do dieltrico O fenmeno da arborescncia ou treeing se d quando, por ruptura eltrica parcial do dieltrico, inicia-se um processo de deteriorao da rigidez dieltrica, com direes tais que a poro ou pores do dieltrico afetadas apresentam caminhos que se assemelham a rvores. O processo geralmente cumulativo, de forma que, uma vez iniciado o fenmeno, este se propaga com o passar do tempo, causando muitas vezes o colapso final da isolao. Isto, entretanto, no costuma ser um processo rpido, decorrendo muitas vezes anos at que se rompa a rigidez dieltrica de toda a isolao. A arborescncia tem sido bastante estudada e discutida, principalmente nos ltimos 30 anos e muito se tem aprendido sobre ela. Entretanto, no existe ainda um domnio do assunto em relao a suas causas especficas, nem tampouco sobre sua formulao matemtica. Os progressos obtidos deram-se quanto ao aspecto da minimizao de seus efeitos, com o desenvolvimento de novos compostos, mas at o momento no h sequer uma metodologia de ensaio consagrada para sua previso. importante notar entretanto que o treeing no a maior causa de falhas em cabos subterrneos (tipo de instalao em que cabos isolados so mais utilizados). Cerca de 90% dos defeitos se do por causas mecnicas, sendo que dentro dos 10% restantes muitos defeitos esto localizados nas emendas e terminaes e a maioria deles tem causas desconhecidas, ou no perfeitamente determinadas, entre os quais se inclui o treeing.

A grande variedade da aparncia visual das arborescncias, combinada com as circunstncias de seu aparecimento e crescimento, deram origem s suas vrias designaes, tais como dentritos, "fans", plumas, delta, "bush", "bow tie", etc. Muitos autores dividem o treeing em trs categorias: eltrica, "water trees" e eletroqumica. As "electrical trees" so formadas por canais vazios dentro do dieltrico, resultado da decomposio do material. So perfeitamente visveis e parecem-se bastante com rvores, o que deu o nome ao fenmeno, enquanto as "water trees" se apresentam com forma difusa e temporria. As "water trees", ao contrrio das eltricas, no so formadas por canais vazios resultado da destruio do material. Parecem ser formadas por caminhos muito estreitos ao longo dos quais a umidade penetrou pela ao de um gradiente eltrico. Uma energia considervel necessria para forar essa penetrao, que se inicia na superfcie de uma imperfeio ou concentrao de gradiente e pode causar a ruptura do dieltrico sem decompor sua estrutura enquanto progride. Quando a energia que alimenta a evoluo de uma "water tree" retirada ou a fonte de umidade eliminada, a maioria da gua injetada difunde-se e evapora, e a arborescncia desaparece. Esse desaparecimento indica que os caminhos da arborescncia so fechados com a retirada da umidade pois, caso contrrio, ficariam ainda mais visveis quando a gua fosse substituda por ar, que tem uma diferena de ndice de refrao maior relativamente ao polietileno, um dos materiais em que as

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"water trees" so mais visveis. J com o EPR a observao do fenmeno fica mais difcil, pois esse material no permite visualizao das arborescncias mesmo quando se supe que estejam em franca expanso. Existe entretanto uma vertente tcnica que advoga ser o EPR muito mais resistente arborescncia do que o XLPE, mesmo tendo este ltimo sido aperfeioado tremendamente nos ltimos 20 anos, enquanto o EPR permanece praticamente o mesmo, sendo esta opinio a predominante no mercado brasileiro, que quase o nico no mundo a ainda guard-la. O caso no o de que tenha se comprovado ser o EPR igual ao XLPE, mas o fato de existirem, no mundo, somente um fabricante primeira linha do EPR e dois do XLPE. Note-se que todas as referncias a EPR ou XLPE que esto sendo feitas o so quanto aos materiais reticulveis em processo contnuo (catenria ou "CV"). As arborescncias eltricas e devido umidade podem comear na interface interna da isolao ou a partir de micro-vazios ou partculas contaminantes internos isolao. Neste ltimo caso, seu crescimento radial, dirigindo-se para as superfcies interna e externa da isolao, caso em que so chamadas de "bow-tie trees". Embora interessantes, normalmente no crescem o suficiente para causar o colapso da isolao. Para isto seria necessrio que a isolao tivesse uma

concentrao anormalmente alta de micro-vazios e contaminantes. A ltima classificao de arborescncias, a eletroqumica, causada pela contaminao qumica, devido principalmente migrao dos produtos da corroso do condutor. Muitas vezes essa contaminao se d tambm por migrao de umidade, tendo a gua ons solveis e ainda no se sabe se seria necessria a existncia de caminhos prvios por onde esses ons se movimentariam ou se poderiam movimentar-se pela estrutura do composto da isolao. A arborescncia eletroqumica se d principalmente em cabos cuja camada semicondutora do condutor constituda por fita semicondutora, sendo este um dos motivos pelo qual a blindagem semicondutora do condutor nos cabos atuais constituda por camada semicondutora extrudada, que melhora a resistncia do cabo a este fenmeno, embora alguns estudos mostrem o decrscimo sensvel da resistividade da camada extrudada em presena de umidade. Existe portanto um relacionamento estreito entre as trs categorias de arborescncia, mas se tem como certo nos dias de hoje que a presena de umidade colabora para o aparecimento do fenmeno em qualquer de suas formas, alm do que a existncia de micro vazios ou impurezas no interior da isolao uma condio excelente para o aparecimento das arborescncias.

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Fotos do crescimento de uma "electrical tree" em amostras de cabos isolados com XLPE

antes da ruptura da rigidez dieltrica

"Water trees"

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Projeto de um cabo de mdia ou alta tenso Um cabo eltrico isolado seco de mdia e alta tenso normalmente constitudo por: - Condutor de cobre ou alumnio,

formado por vrios fios encordoados, normalmente compactados;

- Blindagem semicondutora do condutor; - Isolao de EPR ou XLPE; - Blindagem semicondutora da isolao; - Blindagem de fios ou fitas de cobre; - Cobertura protetora de PVC ou

polietileno.

Corte transversal de um cabo tpico

O dimensionamento do condutor feito com base nos critrios de capacidade de corrente e queda de tenso. A espessura da isolao definida pelos gradientes de tenso a que o cabo estar sujeito, sendo o gradiente eltrico dado por:

dDlnx

VE o

=

onde:

E = gradiente eltrico (kV/mm) Vo = tenso eltrica aplicada entre condutor e terra (kV) D = dimetro sobre a isolao (mm) d = dimetro sob a isolao (mm) x = distncia entre o ponto considerado e

o centro do condutor (mm) Em funo do material utilizado, estabelece-se um gradiente eltrico interno (sob a isolao) e um externo (sobre a isolao) mximos e a partir desses valores a espessura da isolao

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definida. Evidentemente, o clculo pressupe material homogneo. A blindagem semicondutora interna tem a funo de uniformizar o campo eltrico no condutor, regio do maior gradiente, eliminando o efeito de ponta dos fios encordoados. A externa serve basicamente como acolchoamento para a blindagem metlica. A blindagem metlica confina o campo eltrico e, quando convenientemente aterrada, fornece segurana durante a operao do cabo. Serve tambm, na maioria dos casos, como caminho para correntes de curto-circuito. A cobertura externa tem a funo de proteger mecanica e quimicamente o conjunto. Os materiais termofixos tm um gradiente de perfurao quando aplicado, ocorre ruptura eltrica instantnea do dieltrico que pode chegar a 80 kV/mm no condutor e os cabos de mdia tenso so projetados de forma que o gradiente eltrico no condutor varie entre 1,3 e 4,0 kV/mm em uso permanente, sendo ensaiados com gradiente de 12 kV/mm durante 15 minutos. Cabos de alta tenso so projetados para um gradiente eltrico mximo no condutor de 6,0 a 16 kV/mm em regime permanente e 15 a 40 kV/mm durante 30 minutos de ensaio, como valores tpicos, pois estes variam muito de um projeto para outro. Os ensaios de tenso aplicada so destinados a detectar defeitos de

fabricao; esquematicamente, utilizando a "curva de vida" de um cabo:

Entretanto, os ensaios de tenso aplicada geralmente no detectam cabos cuja probabilidade de vida esteja muito reduzida:

e uma falha ocorrer em algum momento do futuro. Portanto, no h uma maneira confivel de ensaiar um cabo de mdia ou alta tenso, garantindo que este comportar-se- de forma adequada durante o perodo de vida da instalao, de forma que somente um controle dos materiais e processos podem fornecer as melhores garantias.

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Processos de extruso e cura da isolao de mdia e alta tenso Dividimos os compostos isolantes polimricos em dois tipos: os termoplsticos e os termofixos. Os compostos termoplsticos, como o PVC e o polietileno, caracterizam-se por tornarem-se maleveis quando aquecidos e retomarem suas caractersticas originais quando resfriados. Foram utilizados como isolantes para tenses acima de 1 kV durante algum tempo, mas abandonados e hoje no so permitidos pelas normas tcnicas nacionais e pela maioria das internacionais. Os compostos termofixos, como o EPR, HEPR, EPDM e XLPE aps aquecidos e reticulados no retomam suas caractersticas originais e so os compostos especificados para cabos de mdia e alta tenso. A reticulao ou cura ou vulcanizao do material (em ingls, "crosslinking" ou "X-linking") a interligao das cadeias do polmero em uma nica molcula:

Termoplstico

Termofixo A reticulao acontece pela adio de catalisadores e aplicao de alta temperatura. Reticulao Contnua (CV Continuous Vulcanization) Neste processo, reticula-se o polietileno ou o EPR/HEPR/EPDM utilizando-se um

perxido. Logo aps a extruso, o cabo entra em um tubo pressurizado, onde a alta temperatura e alta presso faz com que ocorra a reticulao. As caractersticas deste processo so: 1) o processo de reticulao gera sub-

produtos ("by-products"), tais como a acetofenona, lcool cumlico, metil-estireno e vapor d'gua.

2) a alta presso evita que estes sub-

produtos criem micro-vazios no composto ("voids"), dando origem s arborescncias (aqui reside uma das principais, seno a principal vantagem sobre o processo seguinte, de cura por silano).

3) instalaes modernas contam com

separadores para estes sub-produtos ("by-product separator"), que os eliminam.

4) a alta temperatura, conseguida

inicialmente por vapor aquecido, atualmente obtida pelo nitrognio, no processo conhecido como "dry-curing", evitando assim uma quantidade maior de umidade em contato com o composto e reduzindo a possibilidade de aparecimento das arborescncias.

5) a isolao deve ser extrudada

simultaneamente com a camada semicondutora do condutor e a camada semicondutora da isolao, ficando entre elas e evitando qualquer espao vazio nas interfaces. Este processo, conhecido como trplice extruso, no deve ser confundido com extruso "em tandem" onde as trs camadas so

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aplicadas uma aps a outra, no mesmo processo: as trs camadas devem ser aplicadas no mesmo ponto, no mesmo cabeote de extruso, e suas espessuras e concentricidades medidas por raios-X.

6) os materiais devem ser

acondicionados pelos seus fabricantes em embalagens seladas que evitem a absoro de umidade e qualquer contaminao. Sua manipulao durante a fabricao dos cabos deve ser feita com cuidado, de preferncia em salas limpas com alimentao automtica. O ambiente de extruso deve ser limpo e independente do restante das instalaes de fabricao.

7) a reticulao da isolao se d ao

mesmo tempo em que se reticulam as camadas semicondutoras, que devem ser tambm termofixas para garantir a temperatura mxima de operao do cabo.

Aps a reticulao, como em qualquer outro processo, o cabo resfriado em gua, que neste estgio j no tem mais como contaminar o produto. Reticulao por Silano Este mtodo foi desenvolvido pela Dow Corning na dcada de 1970, que lhe deu o nome de Sioplas. Enquanto a reticulao por perxidos se d com base em ligaes carbnicas, no processo Sioplas, a ligao feita atravs do silcio. A vantagem deste mtodo que se pode utilizar qualquer linha de extruso de termoplsticos para a isolao, enquanto a reticulao ocorre a posteriori. O material de isolao misturado ao catalisador durante a extruso e a

reticulao ocorre tanto ao ar livre como pode ser acelerada em estufas midas ou piscinas com gua quente, uma vez que a reticulao feita pela penetrao de umidade na isolao, o que j constitui um risco de maiores arborescncias, j que no se garante que toda a umidade seja utilizada na reao de reticulao. Alm disto, por no haver pressurizao, a formao de micro-vazios ("voids") bastante facilitada. Existe ainda um outro processo, semelhante ao Sioplas, desenvolvido pela Maillefer em conjunto com a BICC, denominado de Monosil que, para o usurio, em tudo se equivale ao Sioplas, sendo somente mais complexa sua aplicao. Muitas empresas, tais como a Nexans, esto h anos pesquisando novos materiais base de silano para uso em mdia tenso, mas no se tem ainda um resultado satisfatrio. provvel que se chegue a um ponto em que se possa ter um material adequado para uso at um certo nvel de tenso, aceitando-se uma performance um pouco pior que aquela obtida em nveis maiores de tenso. Consideraes A Nexans v com preocupao a tendncia de parte do mercado de aceitar um produto duvidoso para aplicaes tecnologicamente complexas. H pouco tempo, quando se resolveu a participar do mercado de cabos at 35 kV, a Nexans, embora j possusse um dos melhores equipamentos para a fabricao de cabos de mdia tenso com cura a silano, usado para outras finalidades, investiu maciamente para sua fabricao com cura contnua justamente por considerar que a

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tecnologia silano ainda no est pronta para este mercado (note-se que existem centros de pesquisa da Nexans na Europa pesquisando estes materiais h anos). O maior empecilho para um bom esclarecimento dos usurios que no existe um ensaio rpido que possa ser feito, comprovando que um material melhor ou pior do que outro e disto esto se aproveitando fabricantes que no querem ou no podem investir em tecnologia. A falha no produto se dar aps alguns anos de uso e o mais perverso que, aps o curto-circuito, a anlise do material carbonizado no permite a determinao da causa da falta. A melhor forma de um usurio se proteger especificar o melhor processo que lhe convenha e verificar se o fabricante possui este processo. Citam-se exemplos de utilizao e referncias como argumentao de existncia de composto reticulvel por silano para uso em mdia tenso mas essas referncias so em geral vagas e impossveis de se encontrar. Nas poucas referncias que se encontra, nas quais o silano resulta comparvel aos materiais feitos por reticulao contnua (CV), ficam suspeitas sobre a qualidade dos prottipos fabricados em CV utilizados: evidentemente, se forem comparados silano x CV com materiais CV mal feitos, os resultados ficam distorcidos. As normas tcnicas em geral sequer consideram compostos por reticulao a silano, usando termos que referem-se somente reticulao contnua. Por exemplo, a norma inglesa BS 7870 (vide "referncias") traz a seguinte nota em sua seo 4.2.1: precautions should be taken to ensure that gaseous cross- linking by-products are adequately removed from the core prior to supply (devem ser tomadas precaues para

garantir que os sub-produtos gasosos da reticulao sejam adequadamente removidos do ncleo antes do fornecimento) e isto no uma precauo aplicvel reticulao por silano. Nas ltimas revises de normas brasileiras vem sendo colocada observao de que "o processo de vulcanizao d-se em atmosfera inerte de nitrognio", numa clara indicao de vulcanizao contnua (processo "dry-curing" em oposio cura por vapor) Por fim, note-se que ningum at hoje arriscou-se a defender o uso de reticulao por silano para cabos de alta tenso; se toda a argumentao usada para mdia tenso fosse verdadeira e a reticulao por silano fosse realmente melhor que a reticulao contnua, no haveria motivos para esta no s no existir em alta tenso como jamais ter sido sequer cogitada.

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Referncias [1] Joo J. A. de Paula, Influncia

da Umidade no Tempo de Vida de Cabos Eltricos de Mdia Tenso com Isolao Polimrica. Dissertao de Mestrado Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Biblioteca depositria: Escola Politcnica da Universidade de So Paulo.

[2] The Wire Association

International, Inc., Electrical Wire Handbook, 1983, editado pela The Wire Association International, Inc.

[3] British Standards Institution,

BS 7870-4.10:1999 LV and MV polymeric insulated cables for use by distribution and generation utilities Part 4: Specification for distribution cables with extruded insulation for rated voltages of 11 kV and 33 kV Section 4.10: Single-core 11 kV and 33 kV cables (confirmed October 2005)

[4] Associao Brasileira de

Normas Tcnicas, ABNT NBR 7287:2009 Cabos de potncia com isolao extrudada de polietileno reticulado (XLPE) para tenses de 1 kV a 35 kV Requisitos de desempenho

[5] International Electrotechnical

Commission, IEC 60840 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 30 kV (Um = 36 kV) up to 150 kV (Um = 170 kV) Test methods and

requirements, third edition, 2004; IEC 3, rue de Varemb, P.O. Box 131, CH-1211 Geneva 20, Switzerland, www.iec.ch

[6] International Electrotechnical Commission, IEC 62067 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 150 kV (Um = 170 kV) up to 500 kV (Um = 550 kV) Test methods and requirements, edition 1.1, 2006; IEC 3, rue de Varemb, P.O. Box 131, CH-1211 Geneva 20, Switzerland, www.iec.ch

[7] Insulated Cables Engineers

Association, Inc., ANSI/ICEA S-108-720 Standard for extruded insulation power cables rated above 46 through 345 kV, publication date July 15, 2004, by Insulated Cable Engineers Association, Inc., Post Office Box 1568, Carrollton, Georgia 30112, USA; approved by American National Standards Institute in May 12, 2005.