Colapso de Impulso com Frente Acentuada de Isoladores de Porcelana Compósitos Revestidos com HTV: Mecanismos Testes e Simulação

Isoladores de porcelana e vidro exibem excelente desempenho de isolamento e resistência mecânica, mas são propensos a descargas por poluição sob contaminação severa, ameaçando a operação estável das redes elétricas. Para aumentar a resistência à descarga por poluição do isolamento externo, os fabricantes comumente aplicam revestimentos de silicone vulcanizado à temperatura ambiente (RTV) com excelentes propriedades hidrofóbicas e de transferência de hidrofobicidade sobre as superfícies dos isoladores, reduzindo assim os riscos de descarga. Inicialmente, os revestimentos RTV na China eram aplicados no local, um método caracterizado por alta dificuldade de construção e controle de qualidade inconsistente.

Posteriormente, foram desenvolvidos processos de imersão ou pulverização em fábrica, permitindo que os isoladores revestidos com RTV fossem entregues como produtos completos sujeitos a supervisão e aceitação, melhorando significativamente a qualidade do produto e promovendo sua adoção generalizada nas redes elétricas. No entanto, os revestimentos RTV sofrem de baixa resistência mecânica e adesão interfacial fraca ao corpo isolante, tornando-os suscetíveis a danos de forças externas durante o transporte, construção, instalação e operação de longo prazo. Fenômenos de envelhecimento operacional, como descascamento, rachaduras e delaminação, são comuns, necessitando desmontagem e re-revestimento, resultando em altos custos de manutenção.

Os isoladores compostos suspensos de disco utilizam um isolador completo de porcelana como núcleo, com uma camada de silicone vulcanizado a alta temperatura (HTV) — espessura mínima de 3 mm — formada em um processo de moldagem única por injeção a alta temperatura. Em comparação com o RTV, o HTV demonstra superior resistência mecânica, além de melhor desempenho em resistência ao rastreamento e erosão, retardo à chama, propriedades elétricas, resistência ao envelhecimento e resistência a altas temperaturas.

Além disso, modificando a camada de esmalte na superfície da porcelana e utilizando agentes de acoplamento especializados, a força de adesão interfacial entre a porcelana e o silicone de HTV é significativamente melhorada, promovendo a integração e uniformidade do componente. Consequentemente, os isoladores compostos suspensos de disco de porcelana oferecem desempenho mecânico e anti-descarga por poluição superior, com baixos requisitos operacionais e de manutenção, abrindo um novo caminho para aplicações de isolamento externo em linhas de transmissão.

A experiência em campo indica que, quando as linhas aéreas são atingidas por raios, a sobretensão resultante contém impulsos de frente íngreme com duração extremamente curta, alta inclinação e tensões de pico muito altas, representando ameaças significativas aos isoladores de linha. Tais impulsos íngremes podem causar perfuração ou até explosão de isoladores de disco, e, em casos graves, levar a ruptura de cordoalha e queda de linha. A capacidade de suportar impulsos de frente íngreme é um indicador crítico da qualidade do isolador.

Embora pesquisas extensivas tenham sido realizadas sobre o desempenho de ondas íngremes de isoladores de porcelana e vidro tanto no país quanto internacionalmente, estudos sobre isoladores compostos suspensos de disco de porcelana permanecem escassos, e seus mecanismos subjacentes não são bem compreendidos. Portanto, este artigo realiza testes de ruptura por impulso no ar em isoladores compostos suspensos de disco de porcelana para investigar suas características de ruptura por onda íngreme.

Testes de ruptura por impulso no ar avaliam eficazmente o desempenho de resistência a ondas íngremes de equipamentos elétricos, garantindo segurança e confiabilidade sob condições extremas, e têm grande valor na avaliação da qualidade dos isoladores. Este estudo primeiro realiza testes de ruptura por impulso para analisar o desempenho de ondas íngremes, então estabelece uma simulação de distribuição de campo elétrico no pico da tensão de onda íngreme com base nos resultados dos testes para explorar o mecanismo de variação do desempenho, visando fornecer orientações para a coordenação de isolamento de isoladores compostos de porcelana em linhas de transmissão.

1 Configuração do Teste de Ruptura por Impulso no Ar

1.1 Amostra

Foi selecionado o isolador composto suspenso de disco HU550B240/650T AC produzido por um fabricante como amostra de teste. O isolador tem uma estrutura de triplo guarda-chuva, conforme mostrado na Figura 1. Seus principais parâmetros de desempenho estão listados na Tabela 1.

1.2 Plataforma e Esquema de Teste
Um gerador de tensão de impulso de 2400 kV foi utilizado para o teste. A tampa do isolador foi colocada para baixo em uma placa metálica aterrada, e um soquete de bola padrão foi instalado na extremidade do pino para evitar concentração excessiva de campo elétrico na área cimentada ao redor do pino. A configuração do isolador é ilustrada na Figura 2.

Testes de ruptura por impulso no ar foram realizados em um total de 20 amostras de isolador. Os métodos de teste para ruptura por impulso no ar são categorizados em método de inclinação e método de amplitude, sendo o método de amplitude principalmente usado para isoladores de disco.

Este estudo empregou o método de amplitude, que não requer linearidade da frente do impulso, mas usa apenas a amplitude da tensão de ruptura como critério, com o tempo de frente controlado entre 100 e 200 ns e a variação de amplitude dentro de ±10%. Durante o teste, cada isolador foi submetido a cinco impulsos de tensão de polaridade positiva seguidos por cinco impulsos de polaridade negativa, e esta sequência foi repetida uma vez. O intervalo entre impulsos consecutivos foi mantido entre 1 e 2 minutos.

Pesquisas de fontes nacionais e internacionais indicam que revestir as superfícies dos isoladores com silicone altera a taxa de propagação dos streamers de superfície nos isoladores de porcelana, levando a um desempenho reduzido de resistência a impulsos de frente íngreme. No entanto, o desempenho de isolamento na cabeça do isolador permanece inalterado na operação real.

Este fenômeno foi confirmado por mais de dez fabricantes nacionais de isoladores de disco: independentemente de o perfil da barreira ser de costelas profundas ou de guarda-chuvas alternados, ou se a estrutura da cabeça seja cilíndrica ou cônica, todos os isoladores exibem algum grau de redução no desempenho de ruptura por onda íngreme após o revestimento com silicone.

Como resultado, padrões relevantes foram revisados, reduzindo a amplitude do teste de ruptura por impulso no ar para isoladores de disco revestidos com RTV de 2,8 p.u. para 2,2 p.u. Resultados preliminares mostram que a ruptura raramente ocorre em 2,2 p.u. Portanto, este estudo selecionou isoladores de porcelana sem revestimento RTV e realizou testes de ruptura por impulso no ar na tensão de teste padrão de 2,8 p.u., com o tempo de frente da tensão controlado no intervalo de 100-200 ns.

Análise estatística adicional da polaridade da tensão e da localização da ruptura revelou que, dos 15 eventos de ruptura, 14 ocorreram sob polaridade positiva e apenas um sob polaridade negativa. Entre as rupturas de polaridade positiva, 8 ocorreram na cabeça e 6 nas barreiras; a única ruptura de polaridade negativa ocorreu na cabeça. Além disso, arcos foram observados na superfície do isolador antes das rupturas nas barreiras, enquanto nenhum arco foi observado durante as rupturas na cabeça.

No entanto, em referências, todas as rupturas de frente íngreme de isoladores de porcelana ocorreram na cabeça, e em referências, isoladores de porcelana sofreram ruptura na cabeça tanto antes quanto depois do revestimento RTV. Em contraste, este teste mostra que, sem a cobertura HTV injetada em uma única vez, as rupturas de onda íngreme no mesmo lote de isoladores de porcelana ocorreram exclusivamente na cabeça. Após a moldagem HTV, as rupturas nos isoladores compostos de porcelana ocorreram não apenas na cabeça, mas também no pescoço, indicando que o revestimento de silicone HTV altera o caminho de ruptura.

O número de impulsos aplicados antes da ruptura foi registrado, com resultados mostrados na Figura 4. Como ilustrado, 12 isoladores sofreram ruptura dentro dos primeiros cinco impulsos, um sofreu ruptura no 7º impulso e dois no 15º impulso. Referências indicam que isoladores de porcelana revestidos com RTV apresentam uma redução significativa no desempenho de resistência a ondas íngremes, com maior probabilidade de ruptura para isoladores de maior tonelagem, sugerindo que o revestimento de silicone degrada a resistência a ondas íngremes. Neste teste, 80% dos isoladores compostos revestidos com HTV sofreram ruptura dentro dos primeiros quatro impulsos, demonstrando ainda mais que a presença de silicone HTV reduz significativamente a capacidade do isolador de suportar impulsos de frente íngreme.

3 Simulação de Distribuição de Campo Elétrico no Pico da Tensão de Onda Íngreme

A análise dos resultados dos testes na Seção 2 revela que, em comparação com isoladores de porcelana, o caminho de ruptura dos isoladores compostos mudou e seu desempenho de resistência a ondas íngremes diminuiu significativamente. Esta seção utiliza simulação para calcular a distribuição de campo elétrico do isolador composto no pico da tensão de impulso, visando investigar as causas da mudança no caminho de ruptura e do desempenho reduzido de ondas íngremes.

2.1 Modelo de Simulação

Observações dos testes de ruptura por impulso no ar indicam que, quando ocorre flashover nas barreiras dos isoladores compostos, arcos se desenvolvem ao longo da superfície do isolador até o local de ruptura. A presença de arcos influencia a distribuição do campo elétrico e deve ser considerada no modelo. No entanto, devido à forma irregular dos arcos, estabelecer um modelo 3D para cálculo seria desafiador, especialmente porque a camada de silicone é fina e muito menor em dimensão em relação ao isolador geral, tornando difícil a malha 3D. Portanto, para analisar qualitativamente o impacto da camada de silicone e dos arcos na distribuição do campo elétrico, um modelo bidimensional axialmente simétrico é adotado nesta seção para simplificação. O modelo de simulação é mostrado na Figura 5.

2.2 Materiais e Condições de Contorno

A tensão de flashover de impulso de raio de 50% do isolador é de 145 kV, e o valor de pico da tensão de impulso de frente íngreme de 2,8 p.u. é de 406 kV. Como a maioria das amostras de teste experimentou ruptura de polaridade positiva, na simulação, o pino (pino de aço) é definido como potencial alto (406 kV) e a tampa (tampa de aço) como potencial zero. Os valores de permissividade relativa dos materiais estão listados na Tabela 2.

2.3 Resultados e Análise da Simulação

No modelo sem revestimento de silicone, a distribuição de campo elétrico do isolador de porcelana no pico da tensão de impulso de frente íngreme é mostrada na Figura 6(a). Como visto na Figura 6, a intensidade do campo elétrico está principalmente concentrada na cabeça do isolador, atingindo até 50 kV/mm, indicando alta probabilidade de flashover na cabeça — consistente com a experiência de campo e estudos relacionados.

Para analisar comparativamente o efeito do revestimento de silicone, a distribuição de campo elétrico do modelo de isolador composto com silicone injetado em uma única vez foi calculada, com resultados mostrados na Figura 6(b). Pode-se observar na Figura 6(b) que o campo elétrico máximo ocorre no final do arco na superfície inferior do corpo isolante, aproximadamente 219,4 kV/mm; a intensidade do campo no final do arco na superfície superior é menor, em 41,21 kV/mm; e há também uma concentração significativa de campo na cabeça do pino, com um máximo de 50,68 kV/mm.

Assim, sob a influência do revestimento de silicone, a resistividade superficial do isolador aumenta, elevando significativamente a razão de corrente capacitiva volumétrica para corrente resistiva superficial nas barreiras. Isso leva a um aumento substancial na componente do campo elétrico perpendicular à superfície do isolador, fazendo com que o arco siga de perto a superfície após sua iniciação.

Sob a influência do revestimento HTV, arcos de superfície se propagam ao longo da superfície do isolador quando submetidos a tensão de frente íngreme, resultando em um aumento acentuado na intensidade do campo local — muito além daquela na cabeça do pino — tornando a ruptura mais provável na ponta do arco e levando a flashover nas barreiras. Isso indica que o desempenho de resistência a ondas íngremes é afetado pelo revestimento HTV na superfície das barreiras. Além disso, a simulação mostra um campo elétrico relativamente alto na cabeça do isolador, o que se correlaciona com os flashovers na cabeça observados nos testes.

3 Conclusão

Testes de ruptura por impulso no ar foram realizados em isoladores compostos para analisar suas características de ruptura por ondas íngremes, e simulações de distribuição de campo elétrico foram realizadas no pico da tensão de frente íngreme. As seguintes conclusões foram extraídas:

• Sob tensão de impulso de frente íngreme de 2,8 p.u., 15 de 20 amostras de isoladores compostos sofreram ruptura, com 80% ocorrendo dentro dos primeiros quatro impulsos, indicando que a presença de silicone HTV reduz significativamente o desempenho de resistência a ondas íngremes dos isoladores compostos.

• Dos 15 eventos de ruptura, além de flashovers na cabeça do pino, seis ocorreram nas barreiras, indicando uma mudança clara no caminho de ruptura geral em comparação com isoladores de porcelana convencionais.

• Os resultados da simulação mostram que a propagação de arcos de superfície nos isoladores compostos causa um aumento significativo na intensidade do campo elétrico nas barreiras no pico da tensão, atingindo 217,64 kV/mm, tornando o flashover nas barreiras mais provável. Em contraste, para isoladores sem camada de silicone, o campo máximo durante o desenvolvimento do arco está localizado na cabeça do pino, atingindo 49,55 kV/mm, onde a ruptura ocorre principalmente.