BRPI0817773B1

BRPI0817773B1 - bucha externa de alta tensão

Info

Publication number: BRPI0817773B1
Application number: BRPI0817773A
Authority: BR
Inventors: Rocks Jens; Tilliette Vincent; Odermatt Walter; Gerig Willi
Original assignee: Abb Research Ltd
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2018-10-23
Also published as: RU2473997C2; EP2203922A1; CA2701361A1; US8003891B2; CN101836269A; WO2009053147A1; EP2053616A1; BRPI0817773B8; ATE532186T1; CA2701361C; RU2010121171A; EP2203922B1; CN101836269B; US20100206604A1; JP2011501868A; BRPI0817773A2

Description

(54) Titulo: BUCHA EXTERNA DE ALTA TENSÃO (51) lnt.CI.: H01B 17/28 (30) Prioridade Unionista: 26/10/2007 EP 07 119369.2 (73) Titular(es): ABB RESEARCH LTD (72) Inventor(es): JENS ROCKS; VINCENT TILLIETTE; WALTER ODERMATT; WILLI GERiG (85) Data do Início da Fase Nacional: 27/04/2010

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para BUCHA EXTERNA DE ALTA TENSÃO.

Campo Técnico

A invenção refere-se ao campo de tecnologia de alta tensão e diz respeito à bucha externa de alta tensão compreendendo um condutor estendido ao longo de um eixo, um núcleo condensador e um alojamento polimérico de proteção contra as intempéries isolante eletricamente moldado sobre o núcleo condensador. O núcleo condensador contém uma fita isolante eletricamente que é enrolada na forma de espiral em volta do condutor, inserções de graduação de capacitância arranjadas entre enrolamentos sucessivos da fita e uma matriz isolante polimérica curada embutindo a fita enrolada e as inserções de graduação capacitiva. Uma bucha como esta é usada em tecnologia de alta tensão, em particular em instalações de mecanismo de distribuição ou em aparelhos de alta tensão, tais como geradores ou transformadores, para tensões de até várias centenas de kV, tipicamente para tensões entre 24 e 800 kV.

Uma bucha externa de alta tensão é um componente que é usualmente usado para carregar corrente em alto potencial de uma parte ativa encapsulada de um componente de alta tensão, tal como um transformador ou um disjuntor, através de uma barreira aterrada, tal como um tanque de transformador ou um alojamento de disjuntor, para uma linha externa de alta tensão. A fim de diminuir e controlar o campo elétrico, a bucha externa compreende um núcleo condensador que facilita o controle de tensão elétrica por meio de inserções de graduação de capacitância flutuante, as quais estão incorporadas no núcleo condensador. O núcleo condensador diminui o gradiente de campo elétrico e distribui o campo elétrico de forma homogênea ao longo do comprimento da bucha.

O núcleo condensador da bucha é tipicamente enrolado de papel kraft ou de papel kraft em forma de crepe como um espaçador. As inserções de graduação de capacitância são executadas como lâminas metálicas (tipicamente de alumínio) ou manchas não metálicas (tipicamente tinta, pasta de grafita). As inserções são localizadas coaxialmente a fim de alcançar

2/10 um equilíbrio ideal entre centelha externa e resistência à perfuração interna. O papel espaçador assegura uma posição definida das inserções e a estabilidade mecânica do núcleo condensador. O núcleo condensador é impregnado com resina (RIP, papel impregnado de resina). A resina é então introduzida durante um processo de aquecimento e vácuo do núcleo. Uma bucha externa de RIP como esta tem a vantagem em que ela é seca (livre de óleo).

A bucha externa compreende um lado externo com um isolante feito de porcelana ou de um material polimérico resistente às intempéries, tipicamente com base em silicone ou em epóxido, tendo cobertas que asseguram a distância de fuga de corrente necessária para tensões suportáveis sob todas as condições de operação. A porcelana é usada tradicionalmente como material de isolamento, entretanto, existe uma demanda continuamente crescente por isolamento polimérico. A demanda por isolamento polimérico é baseada principalmente no fato de que isolantes poliméricos têm o benefício adicional de serem hidrofóbicos (impermeáveis à água) que resulta em uma propriedade de autolimpeza, e que assim estende vida útil e abaixa significativamente custos de manutenção de subestação. Além disso, a propriedade hidrofóbica intrínseca ao silicone ajuda a romper películas de água e a criar gotinhas separadas que reduzem correntes de dispersão, impedem centelha e elevam a capacidade de suporte de tensão em condições de chuva e altamente contaminadas, as quais são típicas para ambientes costeiros ou altamente poluídos. Além disso, uma bucha com isolamento polimérico é leve e resistente contra vandalismo e abalo sísmico. Além disto, uma bucha como esta é à prova de explosão. Assim um espalhamento de um alojamento de isolamento rígido, em particular de um isolante de porcelana, e uma avaria de equipamento secundário é geralmente excluída.

Técnica Anterior

Uma bucha externa de alta tensão com um condutor estendido ao longo de um eixo, um núcleo condensador circundando coaxialmente o condutor e com um alojamento polimérico de proteção contra as intempéries isolante eletricamente está descrito na EP 1 284 483 A1. O alojamento de proteção contra as intempéries é fabricado de um silicone e é moldado dire3/10 tamente sobre a superfície externa e a face dianteira de alta tensão do núcleo condensador e é estendido para uma parte da superfície do condutor, a qual não é coberta pelo núcleo condensador. Uma tampa de bucha que proteja o lado de alta tensão contra as condições meteorológicas não se torna mais necessária e assim a bucha pode ser fabricada com baixos custos. Entretanto, buchas externas moldadas diretamente têm se mostrado gerando problemas significativos durante armazenamento e operação. Particularmente, o fator de dissipação tan δ tem aumentado consideravelmente durante períodos estendidos de armazenamento e operação.

Buchas externas de alta tensão adicionais que compreendem respectivamente um condutor estendido ao longo de um eixo e um núcleo condensador circundando coaxialmente o condutor estão descritas na EP 1 622 173 A1, EP 1 798 740 A1 e na WO 2006/131011 A1. Estas buchas compreendem respectivamente um isolante compósito como alojamento de proteção contra as intempéries que é projetado como um alojamento rígido pré-fabricado. O alojamento rígido recebe o núcleo condensador préfabricado e o condutor e é fechado por meio de uma tampa e um flange de montagem.

A produção do núcleo condensador compreende as etapas de enrolar uma fita isolante no condutor, acrescentar inserções de graduação de capacitância durante enrolamento entre camadas sucessivas da fita, colocar a fita enrolada dentro de um molde, aplicar um vácuo a um molde e impregnar a fita enrolada retirada com um material isolante consistindo em um polímero que é carregado com um pó de enchimento inorgânico. Depois a fita enrolada impregnada é curada. O núcleo condensador resultante é resfriado e usinado se necessário. A fim de acelerar a etapa de impregnação pelo menos uma das camadas da fita (EP 1 622 173 A1) e/ou uma das inserções de graduação de capacitância (EP 1 798 740 A1) compreende furos e/ou a fita contém as partículas de enchimento inorgânicas que preenchem a fita antes da execução do processo de impregnação com o polímero não preenchido (WO 2006/131011 A19).

Tais buchas externas de alta tensão são caras uma vez que os

4/10 isolantes compósitos devem ser fabricados separadamente e necessitam de uma tampa de bucha. Além disso, material isolante eletricamente é necessário para encher folgas e poros dentro dos alojamentos de bucha e para impedir descargas elétricas e falhas nas buchas. Buchas externas de alta tensão com um núcleo condensador de um material higroscópico relativamente de absorção de umidade são conhecidas a partir da WO 2005/006355 A e da GB 537 268 A. Nestas buchas, a absorção de umidade no núcleo condensador é impedida por meio de uma barreira de difusão que é aplicada à superfície do núcleo e que compreende uma película tendo baixa permeabilidade à água, respectivo a um revestimento sólido à prova de umidade. Descrição da Invenção

É um objetivo da invenção criar uma bucha externa de alta tensão que possa ser fabricada em um modo fácil e econômico e que ao mesmo tempo durante operação, mesmo sob condições meteorológicas severas, seja distinguida por um longo tempo de vida de armazenamento e operação e uma alta confiabilidade.

A bucha externa de alta tensão de acordo com a invenção compreende uma barreira contra difusão de umidade que é incorporada dentro do núcleo condensador antes de moldar um alojamento polimérico de proteção contra as intempéries. Uma bucha como esta é distinguida por uma excelente estabilidade de armazenamento e de operação sob condições meteorológicas de calor e de chuva. Isto é por causa do fato de que a barreira contra difusão de umidade limita umidade para não entrar profundamente no núcleo condensador. De outro modo, a umidade após ter migrado através do alojamento polimérico de proteção contra as intempéries por meio de difusão pode migrar profundamente para dentro do núcleo condensador e pode então afetar fortemente as propriedades elétricas da bucha, em particular o fator de dissipação.

Em uma modalidade preferida da bucha de acordo com a invenção, a barreira contra difusão de umidade compreende pelo menos uma parte da matriz isolante que é carregada com um pó de enchimento inorgânico. As partículas do pó de enchimento reduzem significativamente o coeficiente

5/10 de difusão do núcleo condensador uma vez que as partículas de enchimento do pó de enchimento inorgânico reduzem o comprimento efetivo do caminho de difusão de moléculas de água. Assim em um modo muito simples, umidade é notavelmente impedida de entrar no núcleo condensador. A bucha pode ser fabricada facilmente e ao mesmo tempo a estabilidade de armazenamento e de operação da bucha, mesmo sob condições ambientais de calor e de chuva, pode ser aprimorada significativamente.

A fim de obter uma barreira muito efetiva contra a penetração de água é recomendado carregar altamente o polímero com as partículas de enchimento inorgânicas. Uma bucha com um tempo de vida de armazenamento e operação comparativamente alto sob condições meteorológicas moderadas é alcançada quando o enchimento compreende pelo menos 20%, preferivelmente pelo menos 30% em volume do material da matriz antes da cura. Uma bucha com um alto tempo de vida de armazenamento e operação mesmo sob condições meteorológicas severas é alcançada quando o enchimento compreende entre 40% e 50% em volume do material da matriz antes da cura.

A fim de alcançar uma barreira contra difusão de umidade densa e assim efetiva, o pó de enchimento tem duas frações de partículas com diferentes tamanhos médios, das quais as partículas na primeira fração têm um diâmetro médio maior que o das partículas na segunda fração e são arranjadas essencialmente na forma de empacotamento de esferas fechado e as partículas na segunda fração enchem os interstícios formados pelo empacotamento de esferas. Um enchimento compacto é alcançado se o diâmetro médio das partículas na segunda fração for de cerca de 10% a cerca de 50% do diâmetro médio das partículas na primeira fração e se a quantidade da segunda fração for de cerca de 5% a cerca de 30% em volume da quantidade da primeira fração. A densidade e assim a eficiência da barreira contra difusão de umidade podem ser melhoradas adicionalmente se uma fração adicional de partículas criadas de forma predominantemente esférica do enchimento estiver presente, cujo diâmetro médio é de cerca de 10% a cerca de 50% do diâmetro das partículas na segunda fração.

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Vapor de água que tenha passado pelo alojamento polimérico de proteção contra as intempéries por meio de difusão é impedido de penetrar no núcleo condensador por uma grande extensão se a barreira contra difusão de umidade compreender uma camada que frequentemente já existe e que produz uma forte força adesiva entre o núcleo condensador e o alojamento de proteção contra as intempéries. É recomendado fazer uma camada como esta na forma de um promotor de aderência na base de um polímero adesivo compreendendo um material de restrição de difusão.

O condutor tipicamente é executado como uma haste, um tubo ou um arame.

A fita tipicamente é enrolada na forma de espiral, formando assim uma grande quantidade de camadas vizinhas e é fabricada de fibras que são arranjadas na forma de um papel ou de uma rede. Fibras apropriadas são orgânicas ou inorgânicas. Fibras orgânicas incluem tipicamente fibras naturais, tais como fibras poliméricas de celulose com base em um termofixador, tal como poliéster, ou com base em um termoplástico, tal como aramida (NOMEX (R)), poliamida, poliolefina, por exemplo, PE, polibenzimidazol (PBI), polibenzobisoxazol (PBO), sulfeto de polifenileno (PPS), melamina e poli-imida. Fibras inorgânicas incluem tipicamente vidro, lava, basalto e alumina. O papel preferivelmente é um papel crepe ou um papel compreendendo furos. O material de matriz então pode ser distribuído muito rápido e homogêneo no núcleo condensador. Uma distribuição rápida e homogênea do material de matriz também é alcançada quando a fita contém partículas de pó de enchimento que são introduzidas na fita ou na matriz isolante antes de impregnar a fita enrolada com um polímero não curado.

As inserções de graduação de capacitância são inseridas no núcleo após certos números de enrolamentos, de maneira que as inserções de graduação de capacitância sejam arranjadas em uma distância radial bem definida para o eixo. As inserções de graduação de capacitância podem ser intercaladas com aberturas, as quais facilitam e aceleram a penetração da fita enrolada com o material de matriz.

A combinação de espaçador e inserções de graduação de capa7/10 citância facilita e acelera consideravelmente a impregnação da fita enrolada com material de matriz.

O polímero, por exemplo, pode ser uma resina com base em um silicone, um epóxi, em particular um epóxi hidrofóbico, um poliéster insaturado, um viniléster, um poliuretano ou um fenol. Preferivelmente, as partículas de enchimento são isolantes ou semicondutoras eletricamente. As partículas de enchimento podem ser partículas de SiO₂, AI₂O₃, BN, Aln, BeO, TiB₂, TiO₂, SiC, SÍ3N4, B₄C, ZnO ou similar, ou misturas dos mesmos. Também é possível ter uma mistura de várias de tais partículas no polímero.

Vantagens adicionais e aplicações da invenção são dadas em um desenho e em uma parte da descrição que se segue.

Breve Descrição do Desenho

Está mostrada em uma figura uma modalidade da bucha externa de alta tensão de acordo com a invenção com uma seção parcial axial através da bucha no lado direito.

Os símbolos de referência usados na figura e seus significados estão resumidos em uma lista de símbolos de referência. De uma maneira geral, às partes iguais ou de mesmo modo de funcionamento são dados os mesmos símbolos de referência. A modalidade descrita é pretendida como exemplo e não deve confinar a invenção.

Modo para Implementar a Invenção

A bucha mostrada na figura é substancialmente simétrica rotativamente com relação a um eixo de simetria 1. No centro da bucha é arranjado um corpo de suporte colunar 2, o qual é executado como haste metálica sólida ou um tubo metálico. A haste metálica é um condutor elétrico 2 que conecta uma parte ativa de um dispositivo encapsulado, por exemplo, um transformador ou um comutador, com um componente externo, por exemplo, uma linha de energia. Se o corpo de suporte 2 for executado como tubo metálico, este tubo também pode ser usado como o condutor elétrico 2, mas também pode receber uma extremidade de um cabo, o qual é guiado de baixo para dentro do tubo e do condutor de corrente do qual é conectado eletricamente à parte 2. O condutor 2 é circundado parcialmente por um núcleo 3,

8/10 o qual também é substancialmente simétrico rotativamente com relação ao eixo de simetria 1. O núcleo 3 compreende uma fita isolante 4 (mostrada no lado direito da figura), a qual é enrolada em volta do condutor 2 e que é impregnada com um material de matriz curado na base de um polímero preenchido com um pó de enchimento inorgânico. O pó de enchimento compreende aproximadamente 45% em volume do material de matriz antes da cura. As inserções de graduação de capacitância 5 (mostradas no lado direito da figura) são arranjadas entre enrolamentos adjacentes da fita 4. No lado de fora do núcleo 3, um flange de suporte (foot flange) 6 é fornecido, o qual permite fixar a bucha a um invólucro aterrado do dispositivo encapsulado. Sob condições de operação, o condutor 2 estará em alto potencial, e o núcleo condensador 3 assegurará o isolamento elétrico entre o condutor 2 e o flange 6. Nesse lado da bucha, o qual usualmente é localizado no lado de fora do invólucro aterrado, um alojamento de proteção contra as intempéries isolante eletricamente 7 circunda o núcleo 3. O alojamento de proteção contra as intempéries 7 é fabricado de um polímero com base em um silicone ou uma resina epóxi hidrofóbica. O alojamento 7 compreende cobertas e é moldado sobre o núcleo condensador 3 de tal maneira que ele se estenda do topo do flange de suporte 6 ao longo da superfície externa adjacente do núcleo condensador 3 para a extremidade superior 8 do condutor 2. Uma camada de adesivo, que é depositada nas superfícies cobertas das partes 2, 3 e 6, melhora aderência do alojamento 7. O alojamento protege o núcleo condensador 3 contra envelhecimento causado por radiação (UV) e pelas condições meteorológicas e mantém boas propriedades de isolamento elétrico durante a vida total da bucha. A forma das cobertas é projetada de tal maneira que elas têm uma superfície de autolimpeza quando elas ficam expostas à chuva. Isto evita acúmulo de poeira ou poluição na superfície das cobertas, o que pode afetar as propriedades de isolamento e resultar em centelha elétrica.

A fita 4 é executada como uma rede na base de um poliéster. O material de matriz compreende, como polímero, uma resina epóxi que foi curada com um anidrido e, como pó de enchimento, sílica fundida. Os tama9/10 nhos das partículas de sílica fundida são de até 64 pm e compreendem três frações com um tamanho médio de partícula de 2, 12 e 40 pm respectivamente.

A bucha de acordo com a figura e uma bucha de referência fo5 ram armazenadas em água de torneira em 25 ± 3°C. Ambas as buchas ficaram totalmente imersas na água de torneira. A bucha de referência diferiu da bucha da invenção no material da fita e no material da matriz. A fita da bucha de referência foi tal como papel crepe. A matriz da bucha de referência teve o mesmo polímero que a matriz da bucha de acordo com a invenção, mas sem um pó de enchimento. De tempos em tempos as buchas eram removidas da água, sopradas com ar comprimido e secas ao ar por 2 ou 3 horas. Depois o fator de dissipação tan δ das duas buchas foi medido de acordo com a IEC 60137 em uma frequência de 50 Hz.

Os resultados das medições estão mostrados na tabela abaixo.

Tempo de armazenamento [horas]	Tan δ da bucha de referência [%]	Tan δ da bucha d ainvenção [%]
0	0,38	0,11
65	6,26	0,14
110	12,92	0,14
227	17,75	0,14
387	43,16	0,48
573	30,85	0,44
691	45,48	0,49
923	48,21	0,52
1.183	54,52	0,50
1.848	76,42	0,56
2.489	119,60	0,53

A tabela mostra que a bucha de acordo com a invenção mesmo após um período de armazenamento de mais de uma centena de dias sob condições de armazenamento severas teve um fator de dissipação menor que 1%. Além disso, o fator de dissipação alcançou este pequeno valor já após algumas semanas e permaneceu quase que constante até este mo20 mento. Por outro lado, o fator de dissipação da bucha de referência após algumas semanas alcançou um valor que foi um fator de 100 vezes maior

10/10 que o valor correspondente da bucha de acordo com a invenção e que ainda aumentou consideravelmente com o tempo.

Assim o material de matriz do núcleo condensador da bucha de acordo com a invenção age como uma barreira contra difusão de umidade que limita a difusão de moléculas de água para o interior do núcleo condensador por uma grande extensão e que é responsável pela bucha de acordo com a invenção manter por uma grande extensão um baixo fator de dissipação mesmo sob fortes condições externas.

Lista de Símbolos de Referência eixo condutor núcleo fita inserções de graduação de capacitância flange de suporte alojamento de proteção contra as intempéries extremidade superior do condutor 2.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Bucha externa de alta tensão compreendendo um condutor (2) estendido ao longo de um eixo (1), um núcleo condensador (3) e um alojamento polimérico de proteção contra as intempéries isolante eletricamente

5 (7) moldado sobre o núcleo condensador (3), em que o núcleo condensador (3) contém uma fita isolante eletricamente (4) que é enrolada na forma de espiral em volta do condutor (2), inserções de graduação de capacitância (5) arranjadas entre enrolamentos sucessivos da fita (4) e uma matriz isolante polimérica curada embutindo a fita enrolada (4) e as inserções de graduação

10 capacitiva (5), caracterizada pelo fato de que a bucha compreende adicionalmente uma barreira contra difusão de umidade que é incorporada dentro do núcleo condensador (3) antes de moldar o alojamento de proteção contra as intempéries (7).

15 2. Bucha de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a barreira contra difusão de umidade compreende pelo menos uma parte da matriz isolante que é carregada com um pó de enchimento inorgânico.

3. Bucha de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo

20 fato de que o enchimento compreende pelo menos 20%, preferivelmente pelo menos 30% e mais preferivelmente entre 40% e 50% em volume do material da matriz antes da cura.

4. Bucha de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o enchimento tem duas frações de partículas com diferentes ta25 manhos médios, das quais as partículas na primeira fração têm um diâmetro médio maior que o das partículas na segunda fração e são arranjadas essencialmente na forma de empacotamento de esferas fechado e as partículas na segunda fração enchem os interstícios formados pelo empacotamento de esferas.

30 5. Bucha de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o diâmetro médio das partículas na segunda fração é de cerca de 10% a cerca de 50% do diâmetro médio das partículas na primeira fraPetição 870180060066, de 12/07/2018, pág. 8/9
2/2 ção.

6. Bucha de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a quantidade da segunda fração é de cerca de 5% a cerca de 30% em volume da quantidade da primeira fração.
5 7. Bucha de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma fração adicional de partículas criadas de forma predominantemente esférica está presente, cujo diâmetro médio é de cerca de 10% a cerca de 50% do diâmetro médio das partículas na segunda fração.
10 8. Bucha de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que a quantidade e o tamanho do enchimento são selecionados de tal maneira que, após imergir a bucha por mais que 1.000 horas em água a 25°, o fator de dissipação da bucha em uma frequência de 50 Hz permanece menor que 1%.

15 9. Bucha de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a fita (4) e/ou pelo menos uma das inserções de graduação de capacitância (5) compreende furos que geram uma estrutura de células abertas e que são preenchidos com a matriz isolante e/ou que a fita contém partículas de pó de enchimento que são introduzidas na fita (4)

20 antes de impregnar a fita enrolada com um polímero não curado da matriz isolante.

10. Bucha de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que a barreira contra difusão de umidade compreende uma camada que produz uma forte força adesiva entre o núcleo

25 condensador (3) e o alojamento de proteção contra as intempéries (7).
11. Bucha de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que a barreira contra difusão de umidade é na forma de um promotor de aderência na base de um polímero adesivo compreendendo um material de restrição de difusão.

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