Gerenciamento de Estresse Elétrico em Emendas e Terminações de Cabos: Melhores Práticas para Sistemas de Energia Confiáveis

Como Controlar Estresse Elétrico em Emendas e Terminações de Cabos?

Introdução

Cabos de energia são de grande importância em sistemas de transmissão e distribuição de energia.

Terminações e emendas são os acessórios básicos dos cabos de energia e são necessários para fazer conexões entre linhas ou a um aparelho elétrico.

Vários aspectos são considerados ao projetar terminações e emendas de cabos porque eles devem possuir a mesma integridade que seus cabos associados ao fazer a conexão, tanto em aplicações internas quanto externas.

O aspecto mais crítico da emenda e terminação de cabos de alta tensão é o controle do estresse dielétrico originado no ponto de terminação da blindagem – controle de estresse elétrico.

Estresse Elétrico e Controle de Estresse

Terminais e emendas de cabos de média e alta tensão devem gerenciar os campos elétricos nas extremidades. Quando a blindagem de isolação é removida de um cabo, gradientes de potencial altos são concentrados no ponto de corte, como mostrado na Figura 1.

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Nesta figura, pode-se ver que a blindagem de terra de um cabo (0%) é cortada, as linhas equipotenciais (de 20% a 80%) se concentram na borda do eletrodo de terra, causando alto estresse elétrico.

Realce do campo elétrico nestes pontos pode produzir descargas parciais locais que poderiam levar a flashover ao longo da superfície de isolação ou ruptura dielétrica causando falha do cabo.

Na instalação de cabos, cabos de energia blindados requerem controle de estresse elétrico quando terminados.

Terminações e emendas de cabos são projetadas para eliminar a concentração de estresse na terminação da blindagem para evitar a ruptura do cabo – o campo elétrico deve ser controlado em uma terminação e emenda de cabo.

A distribuição de estresse na emenda do condutor varia consideravelmente devido a mudanças no perfil introduzidas pelo uso de uma luva de emenda.

Arestas vivas e projeções na emenda, se não aliviadas, também resultam em mudança abrupta do gradiente de estresse.

É portanto essencial que o condutor tenha um perfil suave para que não haja concentração indevida de estresses.

No entanto, o aspecto mais importante do controle de estresse aplica-se à localização onde a blindagem de isolação é terminada.

Deve-se notar que não apenas o estresse dielétrico aumenta na região de terminação, mas também um gradiente de potencial é estabelecido ao longo da interface entre o dielétrico e o meio circundante.

O estresse no dielétrico na terminação da blindagem será bem acima do estresse de projeto e pode levar a falha prematura.

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Além disso, se o meio circundante for ar, ou houver um vazio entre o dielétrico e o meio de enchimento, então o estresse na área pode fazer o ar permitir descarga mesmo na tensão de trabalho.

Papel é um tanto resistente a estas descargas, mas para isolação polimérica, como XLPE (polietileno reticulado), tais descargas erodirão rapidamente o dielétrico e eventualmente resultarão em falha.

Sem aplicação de controle de estresse, descargas ocorreriam, afetando adversamente a vida útil da emenda e terminação.

Figura 2 mostra a distribuição do campo elétrico sem e com controle de estresse.

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Causas

Principais fraquezas na área de terminação e emendas de cabos de média e alta tensão que requerem controle de estresse são:

• Lugares de compressão permitindo umidade penetrar nos núcleos do condutor
• Falha em eliminar bolsas de ar
• Cruzamento de núcleos resultando em descarga parcial
• Preparação inadequada do cabo
• Penetração de umidade
• Isolamento fase-fase e fase-terra inadequado
• Rastreamento (tracking)
• Instruções de emenda inadequadas

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Métodos de Controle de Estresse

Não existe terminação ou emenda universal. Existe uma variedade de diferentes tipos de terminação e emendas, cada uma com vantagens e desvantagens.

A otimização de terminações de cabos é alcançada investigando várias construções.

O método de terminação adequado deve fornecer boa integridade elétrica e mecânica.

Para projetar uma terminação adequada, uma análise de distribuição de campo elétrico deve ser feita nas regiões críticas.

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Método do Cone de Estresse

O método comum empregado para controle de estresse é o uso de um cone de estresse mostrado na Figura 3.

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O cone de estresse é um meio de controlar a capacitância na área de terminação da blindagem, reduzindo o estresse dielétrico ao longo de um gradiente a limites toleráveis no ponto de terminação.

O cone de estresse é estendido além da terminação da blindagem, de forma que o gradiente de potencial na superfície do dielétrico é reduzido a um nível onde descargas não ocorrerão.

Em emendas de cabos de papel de média e alta tensão, o cone de estresse é geralmente construído em um contorno predeterminado por aplicação manual de fitas de papel isolante, enquanto em terminações o cone de estresse é aplicado manualmente ou pré-moldado. Com o desenvolvimento de cabos poliméricos e elastoméricos, cones de estresse pré-moldados também foram introduzidos.

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Antes de o cone de estresse ser aplicado, é necessário reduzir o estresse elétrico na emenda do condutor, devido às razões explicadas anteriormente.

O conceito é fornecer um perfil suave para que o estresse seja uniformizado. Isso é obtido por 'degraus dos papéis do cabo', que é alcançado pela remoção da isolação de papel em um conjunto de degraus, com espelhos e pisadas da superfície interna do condutor até a superfície externa da isolação.

Com as duas extremidades do cabo assim tratadas e unidas, fitas de papel impregnadas aplicadas manualmente são aplicadas sobre o conjunto para formar o dielétrico da emenda.

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Método de Tubo Termorretrátil de Controle de Estresse

Outro método comum é o tubo termorretrátil de controle de estresse usado para controlar altos estresses elétricos no ponto de terminação da blindagem de isolação em emendas e terminações de cabos de média tensão plásticos e de papel até 36 kV.

Eles também controlam os altos estresses sobre os conectores em emendas.

Tubo de controle de estresse é feito de material polimérico de alta permitividade e alta resistividade, termicamente estabilizado e reticulado.

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Outros Métodos para Controlar Estresse

Outros métodos são:

• Fitas ou revestimentos de alta resistência, e materiais com camadas de resistência não-linear; o material sendo de resistividade superficial constante passa uma pequena corrente e assim estabelece um gradiente de tensão linear ao longo de seu comprimento. Uma melhor distribuição de estresse é alcançada usando materiais de resistividade não-linear, que também permitem pequeno aumento de corrente na camada, a resistência do material cai, e um gradiente de tensão linear suave é alcançado ao longo do comprimento aplicado.
• Materiais com permitividade relativa significativamente maior que o dielétrico do cabo. O método baseia-se no princípio de que quando materiais de permitividade dissimilar são submetidos a um gradiente de potencial através de sua espessura combinada, o maior estresse é experimentado pelo material com a menor permitividade. Pode-se ver no diagrama esquemático que as linhas equipotenciais emergem gradualmente do dielétrico, produzindo assim um gradiente suave na superfície do dielétrico.

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Sobre o Autor: Manuel Bolotinha

-Licenciatura em Engenharia Eletrotécnica – Energia e Sistemas de Potência (1974 – Instituto Superior Técnico/Universidade de Lisboa)
– Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Universidade Nova de Lisboa)
– Consultor Sênior em Subestações e Sistemas de Potência; Instrutor Profissional