TT 255
ACELERAÇÃO DA DEGRADAÇÃO TÉRMICA DO ISOLAMENTO DE
CABOS EM PARALELO
Felipe Tavares Fialho Lopes (1)
Paulo Tarcísio Fialho Lopes (2)
Sinval Rosin Volpato (3)
Paulo Luiz Lacorte (4)
Resumo
A utilização de dois ou mais condutores em paralelo por fase, representa uma
solução prática e econômica, quando se trata de transportar correntes
elevadas. Quanto menor a seção do cabo, mais fácil seu manuseio e sua
instalação. Na prática, costuma-se limitar a seção dos condutores a 300 mm2.
A NBR 14039 prescreve em 6.2.5.6 que quando dois ou mais condutores são
ligados em paralelo na mesma fase ou polaridade, devem ser tomadas
medidas para garantir que a corrente se divida igualmente entre eles.
É muito comum encontrar circuitos com uma distribuição muito desigual de
corrente em função de um arranjo inapropriado dos cabos, devido à diferença
entre suas indutâncias mútuas.
O desequilíbrio de corrente pode provocar o carregamento de um ou mais
condutores com correntes tais que provoquem a degradação térmica prematura
do isolamento, mesmo que a corrente total permaneça inferior à de projeto.
O trabalho apresenta casos reais de degradação prematura do isolamento e
conseqüências para a continuidade operacional de uma planta industrial.
1. Introdução
Um dos critérios de especificação dos condutores elétricos é a sua
ampacidade.
Neste critério é verificada qual a seção mínima do condutor capaz de
transportar continuamente, a corrente de projeto, sem que a temperatura
máxima no material isolante atinja a temperatura limite deste material.
(1) Engenheiro Eletricista da Oficina de Reparo de Máquinas e Ensaios
Preditivos da Tereme Engenharia de Manutenção.
(2) Engenheiro Eletricista Diretor Técnico da Tereme Engenharia de
Manutenção – Sócio da Abraman.
(3) Engenheiro Eletricista Sênior de Manutenção das Usinas de
Pelotização V à VII da Companhia Vale do Rio Doce.
(4) Engenheiro Eletricista Gerente de Obras da Tereme Engenharia de
Manutenção.
Nestas condições a degradação térmica do material isolante se processará
naturalmente, podendo-se esperar uma longa vida útil do condutor.
Se o condutor opera com corrente e, conseqüentemente, temperatura superior
à de projeto, o material isolante sofre uma degradação térmica acelerada
antecipando a vida útil deste condutor.
A NBR 14039 prescreve em 6.2.5.6 que quando dois ou mais condutores são
ligados em paralelo na mesma fase ou polaridade, devem ser tomadas
medidas para garantir que a corrente se divida igualmente entre eles. Este
procedimento garante que a proteção de sobrecarga seja efetiva na proteção
dos condutores.
2. Degradação térmica do material isolante
A equipe de manutenção elétrica das usinas de pelotização V a VII da CVRD
constatou a degradação do isolamento de um condutor de cada fase do circuito
que vai do secundário do trafo 80T3 ao CCM 80 A2 bus “B” PT tensão 4,16 kV
da usina de pelotização VII (Kobrasco) da CVRD. O transformador foi
desenergizado.
Figura I – Diagrama unifilar do circuito do transformador 80T3.
O circuito é composto de cinco condutores unipolares 400 mm2 3,6/6 kV,
isolado em EPR 105 ºC, com extensão de 25 m.
A Tereme foi contratada para fazer uma análise do problema, executar os
testes de avaliação da condição do isolamento de todos os condutores do
circuito e eliminar a causa da degradação prematura do isolamento dos
circuitos dos trafos 80T1, 80T2, 80T3 e 80T4.
A instalação foi energizada em outubro de 1998, estando, portanto, com 7,5
anos de operação.
Os condutores estão lançados justapostos em leito de cabos ao ar livre,
método de referência “A” tabela 25 da NBR 14039:2003. (Fig. II)
Figura II – Disposição dos condutores de forma linear e justapostos, sem
preocupação com a indutância mútua.
3. Análise da causa mais provável
Uma inspeção visual do isolamento degradado e a observação da disposição
inadequada dos condutores em paralelo conduziram a análise da causa para
uma distribuição desigual das correntes pelos condutores de cada fase.
3.1. Medição da corrente nos condutores
Foram executadas as medições de corrente dos condutores do secundário do
trafo 80T4 com um alicate amperímetro Fluke modelo i1000s, com escalas de
10, 100 e 1.000 A, anotadas na tabela I.
N° do Condutor em paralelo
1
2
3
4
5
R
197
209
210
322
690
S
433
214
184
226
385
T
376
220
214
233
178
Tabela 1 – Intensidade de corrente em ampéres no secundário do trafo 80T4
Fase
3.2. Impedância desigual dos condutores de cada fase
A distribuição largamente desigual da corrente dos condutores de fase decorre
da impedância desigual destes condutores.
A variação da impedância é decorrente da desigualdade da impedância mútua
dos vários condutores de uma fase, em razão da disposição inadequada destes
condutores sobre o leito de cabos (fig.III).
Figura III – Gráfico da distribuição da corrente pelos condutores em paralelo.
4. Dimensionamento dos condutores pelo critério da ampacidade.
A tabela 30 da NBR 14039 - Instalações elétricas de média tensão de 1,0kV a
36,2 kV, indica como capacidade de condução de corrente em ampéres para
cabos de isolamento em EPR, temperatura do condutor 105 ºC, temperatura
ambiente 30 ºC, método de instalação “A”, seção 400mm2, tensão nominal
3,6/6kV, 672 Ampéres.
Considerando os fatores de correção:
0,80 para 5 (cinco) circuitos
0,93 para temperatura ambiente de 40 ºC
A capacidade de corrente corrigida Ccorr para os condutores será:
Ccorr=672 x 0,80 x 0,93 = 500 Ampéres
A corrente nominal de transformador em 4,16 kV é:
In= 17.500 ÷ 4,16 x √3= 2.434 A
Corrente nominal do transformador por condutor fase = 2.434 ÷ 5= 487 A
Comparando a corrente acima com a capacidade de condução de corrente de
cada condutor (500 A), fica claro a necessidade da igual distribuição da
corrente dos condutores em paralelo para transportar a corrente nominal sem
sobrecarregar os condutores.
5. Solução adotada para a igual divisão da corrente entre os condutores
de fase.
A solução passa pela disposição dos condutores sobre o leito de cabos numa
configuração tal que as impedâncias dos condutores sejam as mais
aproximadas possíveis, de forma que a corrente se distribua igualmente entre
estes condutores.
Os cabos foram agora dispostos sobre o leito de cabos com a configuração
conforme figura IV.
Figura IV – Nova distribuição dos cabos sobre o leito.
Comparando as figuras II e IV, observa-se que os condutores passaram da
configuração linear para trifólio, com uma inversão entre os condutores das
fases “R” e “T” e um espaçamento de 2d (d é o diâmetro externo do condutor)
entre os trifólios.
Esta configuração faz com que as indutâncias mútuas entre os condutores
sejam muito uniformes.
6. Medição das correntes nos condutores após a reconfiguração dos
condutores
O religamento do transformador depende de uma parada da usina Kobrasco
para manutenção que ainda não ocorreu.
No seminário estaremos apresentando o resultado das medições realizadas.
7. Testes dos condutores do Trafo 80T3
Para verificação das condições dos isolamentos dos cabos, foram executados
testes de alto potencial (Hypot Test) com corrente contínua pelo método de
degrau de tensão.
A tensão máxima de teste foi determinada em 8,6 kV de acordo com a NBR
7286, cabos em operação, fora do período de garantia.
O teste foi dividido em 10 degraus de tensão e o isolamento ficou exposto à
maior tensão por um período de 5 minutos.
Foi utilizado um instrumento de teste de alto potencial da Baur Pruf- und
Messtechnik GmbH, modelo PGK 50, tensão regulável de 0 a 50 kV, CC, leitura
mínima 20 nA.
Figura V – Curva obtida através da medição de corrente de fuga em função da
tensão aplicada (degraus de tensão) em um dos condutores.
Os condutores nº 5 da fase “R” e nº 1 da fase “S” que apresentavam
isolamento claramente degradados estavam removidos, não sendo possível
testá-los.
As curvas de corrente de fuga versus tensão aplicada, traçadas durante a
realização dos testes, de todos os outros condutores, apresentaram perfil sem
indicação de problema de isolamento, similares à curva indicada na figura V.
Os valores das correntes de fuga lidas um minuto após a aplicação do último
degrau de tensão variaram de 90 até 430 nA. As maiores correntes de fuga
(420 e 430 nA) foram medidas nos condutores n° 5 da fase “S” e n° 1 da fase
“T”, respectivamente condutores testados que transportavam as maiores
intensidades de corrente
Fase
Circuito
Corrente (nA)
R
1
120
2
150
S
3
150
4
260
2
180
3
90
4
260
5
420
1
430
2
90
T
3
200
4
160
5
230
Tabela II – Correntes de fuga em nanoampéres lidas um minuto após aplicação
do último degrau de tensão.
A resistência de isolamento mínima de condutores bitola 240 mm2, isolamento
em EPR, comprimento 25 m. pode ser calculada:
Ri =Ki log (D / d), onde:
Ri = Resistência de isolamento em MΩ x km à 20ºC
Ki = Constante de isolamento igual a 3.700 MΩ x km
D = Diâmetro nominal sobre a isolação, em mm
d = Diâmetro nominal sob a isolação,em mm
Ri = 3.700 log ( 35,3/18,3 ) = 1.056 MΩ
Para comprimento de 25 m e temperatura de 28ºC (temperatura do condutor no
instante do teste) , a resistência de isolamento mínima será:
Rmin = 1056 x 1000 / 25 x 2,5 = 16.896 MΩ
A resistência de isolamento calculada através da maior corrente de fuga
medida no condutor nº 1 da fase “T” (menor resistência de isolamento de todos
os condutores), é:
Risol. = 8,6 (kV) / 430 (nA) = 20.000 MΩ
Todos os condutores apresentam resistências de isolamento, em 8,6 kV,
superiores ao mínimo.
Conclusão
Condutores instalados em paralelo, quando lançados de forma aleatória,
carregam-se com intensidades de corrente muito discrepantes. Dependendo da
relação entre a corrente de operação e de projeto, os condutores com maior
corrente podem trabalhar com temperaturas superiores ao máximo permissível
para o material isolante, reduzindo a vida útil.
No caso apresentado, dois condutores, de um total de quinze, apresentavam
degradação térmica do material isolante, claramente perceptíveis, com menos
de oito anos de operação, quando a vida mínima esperada é de trinta anos.
Nas fases de projeto e montagem devem ser definidas as disposições dos
condutores em paralelo capazes de garantir a distribuição igualitária da
corrente entre os vários condutores de todas as fases.
Este trabalho não permitiu verificar a efetividade de testes de isolamento, com
aplicação de alto potencial, no diagnóstico de problemas de degradação
térmica do isolamento, em virtude dos condutores degradados terem sido
destruídos.
Bibliografia
NBR 6251 – Cabos de potência com isolação sólida extrudada para tensões de
1 kV a 35 kV – Construção – Padronização
NBR 6813 – Fios e cabos elétricos – Ensaio de resistência de isolamento –
Método de ensaio.
NBR 6881 – Fios e cabos elétricos de potência ou controle – Ensaio de tensão
elétrica – Método de ensaio.
NBR 7286 – Cabos de potência com isolação sólida extrudada de borracha
etileno propileno (EPR) para tensões de isolamento de 1 kV a 35 kV.
IEEE Std 400 –2001 – IEEE guide for field testing and evaluation of the
insulation of shielded power cable systems.
IEEE P400.1TM, IEEE draft guide for making hight–direct–voltage tests on
shielded power cable systems in the field.