Avaliação técnica e vida útil do TR-XLPE em cabos de média tensão

O Polietileno Reticulado (XLPE) tornou-se o isolante globalmente aceito para instalações tanto em redes de transmissão como em distribuição. Este isolante proporciona atratividade devido ao favorável custo-benefício na sua aquisição, como em sua operação, além dos aspectos positivos na sua manutenção e aspectos ambientais. O objetivo deste artigo é delinear e abordar os desenvolvimentos e as avaliações realizadas que levaram o XLPE a esta condição, incluindo a classe de cabos de média tensão (MT), até 35 kV.

Com entendimento destes aspectos técnicos, podemos afirmar que a sua utilização é totalmente segura e confiável para instalações em redes isoladas subterrâneas e áreas, como vem sendo feito já em muitos países. Para os projetos no Brasil, o isolante pode, igualmente, ser utilizado e aplicado com alta confiabilidade, segurança e com vantagens técnico-econômicas.

Quando os cabos de MT isolados com XLPE foram instalados nos anos de 1960, os fabricantes e as concessionárias esperavam uma vida útil de 20 a 30 anos. Entretanto, na prática, esta expectativa não se confirmou. Naquela época, os engenheiros e os especialistas em materiais não tinham conhecimento suficiente de que a umidade e a concentração do campo elétrico superficial devido às impurezas na estrutura do material pudessem acelerar o processo de degradação e acarretar o fenômeno da arborescência (water treeing), reduzindo a vida útil operativa substancialmente para 10 a 15 anos apenas. As consequências foram fortes e drásticas devido à necessidade da substituição dos cabos.

Hoje, sabe-se que os vazios (voids), a contaminação na isolação combinada com a da iônica na camada semicondutora, bem como algumas outras deficiências na fabricação elevam a concentração do campo elétrico no interior do cabo, as quais contribuem diretamente para a degradação do material isolante.

Durante anos foram feitos desenvolvimentos e pesquisas que hoje viabilizam isolamentos XLPE que são formulados para inibir a arborescência com alta confiabilidade. Da mesma forma, camadas semicondutoras livres da excessiva contaminação iônica também estão disponíveis. Paralelamente, os fabricantes melhoraram também os processos produtivos para evitar os voids e assegurar interfaces lisas entre as camadas semicondutoras e a isolação.

TR-XLPE

Conforme observado anteriormente, o fenômeno da arborescência (water trees) reduz o tempo de vida útil dos cabos isolados em XLPE. Veja Figura 1.

As arborescências crescem lentamente no início, mas, uma vez estabelecido o fenômeno, rapidamente podem levar à não suportabilidade da isolação na tensão de operação projetada, levando-a à falha. Muitas ações de pesquisa e desenvolvimento foram tomadas para evitar a ocorrência deste fenômeno para consolidar o TR-XLPE (Water Treeing Retardand XLPE). Paralelamente, com a utilização de uma semicondutora mais limpa e uma melhora no processo de fabricação, eliminou-se a preocupação que havia quanto à aplicação do XLPE em cabos isolados de média e alta tensão. Basicamente, o desenvolvimento focou na alteração da estrutura do polímero, bem como nos seus aditivos.

Performance do TR-XLPE na prática  

Enquanto os testes acelerados de laboratório nos cabos fornecem um resultado, por exemplo, de expectativa de vida útil de 30 anos ou mais, a avaliação prática e real em campo é a melhor ótica que podemos ter de um cabo.

Nesta condição, podemos citar os testes comparativos em campo que foram realizados na concessionária de energia, a Center Point Energy (ex-Houston Lightining & Power System) envolvendo cabos de 35 kV com isolação em XLPE, TR-XLPE e EPR.

Os resultados do teste de tensão elétrica disruptiva mostraram uma melhor performance do TR-XLPE após dez anos de operação. Veja Tabela 1.

Em uma outra concessionária de energia elétrica, Alabama Power, analogamente foi também feita uma comparação entre os cabos isolados em TR-XLPE e EPR, ambos com 17 anos de operação. As conclusões relacionadas ao TR-XLPE estão a seguir.

• Nenhuma falha do cabo após este período de operação (17 anos);
• Os cabos TR-XLPE demonstraram valores de tensão disruptiva aplicada e de impulso mais altos;
• Os cabos TR-XLPE e EPR apresentaram uma boa estabilidade relativa quanto ao desempenho elétrico;
• O aditivo chave “TR” no TR-XLPE é não migratória, apresentando, essencialmente, a mesma concentração dos níveis originais, uniformes ao longo de toda a camada da isolação.

Perdas dielétricas e valor líquido atualizado

Assumindo uma vida útil similar de 30 a 40 anos para cabos isolados de 35 kV em TR-XLPE e EPR, os estudos apresentados na Conferência T&D, em New Orleans em 1999, mostraram que, com o TR-XLPE, o NPV-Net Present Value ou Valor Líquido Atualizado é menor com o TR-XLPE em pelo menos 20%. Esta diferença acentua-se quanto maior for a tensão elétrica de operação do cabo. Em outros termos, quanto maior a tensão elétrica maiores são as perdas dielétricas. Este cálculo foi baseado no Fator de Dissipação na Isolação. Veja Tabela 2.

Conclusão

Com a crescente obrigatoriedade e demanda para melhorar a qualidade de fornecimento e a necessidade de otimizar os custos dos sistemas de T&D por parte das concessionárias, o uso de cabos isolados com TR-XLPE, mesmo em média tensão, até 35 kV, tem se tornado importante, com relevante aceitação em todo o mundo. Comparando-se os cabos TR-XLPE e EPR, os resultados reais da operação em campo demonstraram que o primeiro teve melhor performance elétrica, com menores perdas ao longo do tempo, e permite projetos de cabos mais simples. Porém, o mais significante foi o indicativo de maior vida útil com os cabos em TR-XLPE.

Este desempenho foi confirmado também por inúmeros testes de envelhecimento acelerado em laboratórios. Este aumento resultante na vida útil do cabo reduz efetivamente os custos totais do ciclo de vida dos cabos, minimizando a frequência na substituição de cabos. Este é o componente de maior valor econômico nos sistemas com cabos subterrâneos. Para as concessionárias, a promessa de perdas dielétricas menores e, consequentemente, valor líquido atualizado mais baixo é um atrativo para a real otimização global das redes T&D.

Hoje, o XLPE para cabos de média tensão até 35 kV é utilizado por diversos países, entre eles, Austrália, Bélgica, França, Alemanha, China, Japão, Suécia, Coréia do Sul e Estados Unidos.

Referências Bibliográficas:

– Long life XLPE insulated power cable (Nigel Hampton, Rick Hartlein – Neetrac, Georgia Tech, USA; Hakan Lennartsson – Borouge Pty, Hong Kong; Harry Orton – Ocei, Vancouver, Canada; Ram Ramachandran, The Dow Chemical Company, NJ, USA)

– TR-XLPE cables for utility power distribution: 20 years of field proven, value added performance (S. Ramachandran, R.A. Reed – Dow Chemical Company, USA) 

  *Por Sidnei Ueda é engenheiro eletricista da Alubar.