O que os engenheiros se enganam sobre a tecnologia de proteção de superfícies

Introdução

A tecnologia de blindagem de superfície em comutadores de isolamento sólido é um dos elementos de design mais consequentes e menos compreendidos na engenharia de subestações de média tensão - uma tela semicondutora ou metálica aterrada aplicada à superfície externa do resina epoxídica¹ barramento encapsulado e módulo de comutação que controla o distribuição do campo elétrico² no limite do isolamento sólido e fornece a superfície externa de tensão zero, segura ao toque, que torna o painel de distribuição SIS fundamentalmente diferente de qualquer outra tecnologia de painel de distribuição de média tensão em termos de segurança do pessoal. No entanto, em especificações de projectos, guias de seleção e avaliações de aquisições analisadas em centenas de projectos de modernização de subestações, o mesmo conjunto de conceitos errados de engenharia sobre a blindagem de superfície aparece repetidamente - conceitos errados que produzem especificações incorrectas de comutadores SIS, avaliações de segurança inadequadas e instalações no terreno em que o sistema de blindagem de superfície foi comprometido por erros de instalação que eliminam os benefícios de segurança e desempenho de isolamento que a tecnologia foi concebida para proporcionar. O que os engenheiros mais se enganam em relação à blindagem da superfície dos comutadores SIS é tratar a blindagem exterior ligada à terra como um revestimento mecânico passivo e não como um sistema ativo de controlo do campo elétrico, cuja integridade, continuidade e ligação à terra correta são tão importantes para o desempenho dielétrico do comutador e para a segurança do pessoal como o próprio isolamento primário. Para engenheiros de projeto de subestações, responsáveis pela segurança eléctrica e gestores de aquisições responsáveis pela seleção e instalação de comutadores SIS em aplicações de subestações de alta tensão, este guia corrige os cinco equívocos mais consequentes sobre a tecnologia de blindagem de superfície com a precisão técnica que a literatura de guias de seleção raramente fornece.

Índice

• O que é a Tecnologia de Blindagem de Superfície de Aparelhagem SIS e como é que controla a distribuição do campo elétrico?
• Quais são os cinco equívocos de engenharia mais importantes sobre o desempenho da blindagem de superfície?
• Como especificar corretamente os requisitos de blindagem de superfície no painel de distribuição SIS para projectos de subestações de alta tensão?
• Que erros de instalação e manutenção comprometem a integridade da blindagem de superfície em serviço?

O que é a Tecnologia de Blindagem de Superfície de Aparelhagem SIS e como é que controla a distribuição do campo elétrico?

A blindagem de superfície nos comutadores SIS é o sistema de camadas condutoras ou semicondutoras aplicadas à superfície exterior dos módulos encapsulados em resina epóxida que desempenha duas funções simultâneas e interdependentes: controla a distribuição do campo elétrico no interior do isolamento sólido para evitar a concentração de tensões no limite epóxi-ar e apresenta uma superfície exterior continuamente ligada à terra que elimina a tensão capacitivamente acoplada que, de outro modo, apareceria na superfície exterior de um módulo de isolamento sólido não blindado a alta tensão.

O problema do campo elétrico que a blindagem de superfície resolve

Sem blindagem de superfície, a superfície externa de um módulo de isolamento sólido de resina epóxi a 24 kV transportaria uma tensão de superfície acoplada capacitivamente determinada pelo divisor de tensão capacitivo formado entre o condutor de alta tensão e o invólucro aterrado do painel de distribuição:

$U_{superfície} = U_{fase} \times \frac{C_{conductor-surface}}{C_{conductor-surface} + C_{superfície-terra}}$

Para um módulo epóxi de 24 kV de tensão de fase (13,9 kV) com geometria típica, esta tensão superficial acoplada capacitivamente atinge 2-6 kV - suficiente para produzir um choque elétrico perigoso para as pessoas que tocam na superfície exterior e suficiente para iniciar uma descarga parcial nas irregularidades da superfície onde o campo elétrico local excede a tensão de início da descarga parcial do ar na superfície epóxi.

Arquitetura do Sistema de Blindagem de Superfície

A proteção de superfície dos comutadores SIS é implementada em duas configurações principais:

• Revestimento semicondutor³ escudo: Um revestimento de epóxi ou silicone carregado de carbono aplicado à superfície exterior do módulo encapsulado - resistividade superficial 10³-10⁶ Ω/quadrado; proporciona um acoplamento capacitivo contínuo à terra através da camada semicondutora; rentável para aplicações de 12-24 kV
• Proteção metálica do ecrã: Uma folha ou rede contínua de cobre ou alumínio embutida ou aplicada na superfície exterior do módulo epoxídico e ligada à barra de terra do comutador - proporciona uma ligação à terra de impedância zero da superfície exterior; necessária para 40,5 kV e superior, quando a tensão de superfície acoplada capacitivamente num revestimento semicondutor excede os limites da tensão de contacto segura

Principais parâmetros técnicos dos sistemas de blindagem de superfície

Parâmetro	Revestimento semicondutor	Ecrã metálico
Resistividade da superfície	10³-10⁶ Ω/quadrado	< 0,1 Ω/quadrado
Ligação à terra	Capacitivo (distribuído)	Direto (caucionado)
Tensão de contacto à tensão nominal	< 50 V AC (IEC 61140)	< 1 V AC
Adequação à classe de tensão	12-24 kV	12-40,5 kV
Sensibilidade aos danos	Abrasão - remoção do revestimento	Mecânica - descontinuidade do ecrã
Conformidade com a norma IEC 62271-200	Tipo testado com revestimento intacto	Tipo testado com ecrã colado

Norma de segurança aplicável

IEC 61140⁴ - Proteção contra choques eléctricos - define o limite de tensão de toque de 50 V CA que o sistema de blindagem de superfície deve manter na superfície exterior dos módulos de comutadores SIS em todas as condições normais de funcionamento. O sistema de blindagem de superfície é o controlo de engenharia que proporciona a conformidade com a IEC 61140 para comutadores de isolamento sólido - sem ele, as superfícies exteriores dos comutadores SIS não são seguras ao toque em valores nominais de tensão média.

Quais são os cinco equívocos de engenharia mais importantes sobre o desempenho da blindagem de superfície?

Estas cinco ideias erradas aparecem nas especificações do projeto, nos procedimentos de instalação e nos registos de manutenção em projectos de subestações em todas as geografias - cada uma delas produzindo um modo de falha específico e previsível que a compreensão correta da tecnologia de blindagem de superfície teria evitado.

Equívoco 1 - “A proteção de superfície é apenas um revestimento de tinta”

O equívoco mais difundido trata a blindagem da superfície semicondutora ou metálica como um revestimento protetor cosmético ou mecânico - equivalente à pintura de uma caixa de painel de comutação - em vez de um componente elétrico funcional cuja integridade é tão crítica como o isolamento primário.

A consequência: O pessoal de manutenção lixa, raspa ou aplica tinta de retoque não condutora em áreas danificadas do revestimento semicondutor durante a manutenção de rotina - criando manchas não blindadas na superfície de epóxi onde o campo elétrico reverte para a distribuição não controlada, a tensão do campo local excede a descarga parcial⁵ e a atividade de DP inicia-se no limite da mancha. Uma mancha não blindada de 50 mm² numa superfície de um módulo SIS de 24 kV produz uma tensão de campo elétrico local de 4-8 kV/mm no limite da mancha - muito acima do limiar de início da DP de 1-2 kV/mm para o ar na superfície de epóxi.

Equívoco 2 - “A ligação à terra com blindagem de superfície é opcional para classes de baixa tensão”

Alguns engenheiros especificam os comutadores SIS a 12 kV sem exigir que a ligação à terra da blindagem de superfície seja efectuada à barra de terra do comutador - argumentando que a classe de tensão mais baixa produz uma tensão de superfície acoplada capacitivamente mais baixa que é “provavelmente suficientemente segura”.”

A consequência: A norma IEC 61140 não prevê uma isenção de classe de tensão para os limites de tensão de contacto - 50 V CA é o limite, independentemente da tensão do sistema. Um módulo SIS de 12 kV com uma blindagem de revestimento semicondutora não ligada transporta uma tensão de superfície de 0,8-2,5 kV em condições normais de funcionamento - 16-50× o limite de tensão de contacto da norma IEC 61140. A avaliação “provavelmente suficientemente seguro” não é um cálculo de engenharia; é um pressuposto que elimina a principal função de segurança pessoal do sistema de proteção de superfície.

Equívoco 3 - “Uma tela metálica descontínua continua a proporcionar uma proteção adequada”

Os engenheiros que especificam os comutadores SIS com blindagem metálica a 40,5 kV aceitam, por vezes, falhas de continuidade na blindagem - nas juntas dos módulos, nos pontos de entrada dos cabos ou nos locais de danos mecânicos - com base no facto de a blindagem cobrir “a maior parte” da superfície e proporcionar “a maior parte” do benefício da blindagem.

A consequência: A blindagem do campo elétrico não é uma função proporcional da cobertura do painel - uma abertura de 10 mm num painel metálico contínuo concentra todo o campo elétrico não blindado no local da abertura. A tensão de campo numa abertura de blindagem num módulo SIS de 40,5 kV atinge 15-25 kV/mm - suficiente para iniciar uma descarga parcial no ar na abertura que corrói a superfície de epóxi e progride para uma falha de rastreio dentro de 500-2.000 horas de funcionamento.

Um caso de cliente: Um engenheiro de projeto de uma subestação de um empreiteiro EPC em Jiangsu, na China, contactou a Bepto depois de um painel de comutação SIS de 35 kV ter desenvolvido uma marca de rastreio visível na superfície do módulo do barramento encapsulado 8 meses após a entrada em funcionamento. A inspeção pós-falha identificou uma lacuna de continuidade da tela de 15 mm na junção entre duas secções do barramento encapsulado - a lacuna tinha sido criada durante a instalação quando a equipa de instalação omitiu a fita de ligação da tela na junção do módulo. O canal de rastreamento avançou 35 mm a partir da borda da lacuna em direção à terminação do cabo. A equipa técnica da Bepto especificou o procedimento correto de ligação da continuidade da blindagem e forneceu fita de ligação de substituição e adesivo condutor para a reparação. A instalação reparada tem funcionado sem recorrência durante 30 meses.

Equívoco 4 - “A blindagem de superfície elimina a necessidade de testes de descarga parcial”

Alguns cadernos de encargos para os comutadores SIS omitem o teste de comissionamento de descarga parcial com base no facto de o sistema de blindagem de superfície “impedir a DP” - confundindo a função de blindagem de superfície (controlar a distribuição externa do campo) com a função de isolamento primário (impedir a DP interna no interior da fundição epoxídica).

A consequência: A blindagem da superfície controla o campo elétrico no limite epóxi/ar - não impede a descarga parcial nos espaços vazios, delaminações ou inclusões no interior da peça fundida em epóxi. A DP interna nos comutadores SIS não é detetável por inspeção visual e não é impedida pela integridade da blindagem superficial - requer a medição de descargas parciais IEC 60270 a 1,5× U0 para ser detectada. A omissão dos testes de comissionamento de DP com base na presença de blindagem superficial deixa os defeitos internos da fundição por detetar.

Equívoco 5 - “Todos os sistemas de blindagem de superfície do painel de distribuição SIS são equivalentes”

Os engenheiros que selecionam entre produtos de comutadores SIS de diferentes fabricantes tratam por vezes a blindagem de superfície como uma caraterística normalizada - assumindo que qualquer produto rotulado como “SIS” com “blindagem de superfície” fornece um controlo de campo elétrico e um desempenho de segurança ao toque equivalentes.

A consequência: A conceção do sistema de blindagem da superfície, a especificação do material e a verificação do teste de tipo IEC variam significativamente entre fabricantes - um revestimento semicondutor com uma resistividade de superfície de 10⁷ Ω/quadrado (limite superior do intervalo aceitável) proporciona um controlo de campo substancialmente menor do que um revestimento a 10³ Ω/quadrado, e uma blindagem metálica com ligação descontínua nas juntas dos módulos proporciona uma proteção substancialmente menor do que uma blindagem com ligação contínua. Sem exigir que o fabricante forneça o relatório do ensaio de tipo IEC 62271-200 que inclui a medição da tensão de superfície com o sistema de blindagem instalado, a especificação não pode verificar se o produto está em conformidade com a norma IEC 61140 relativa à tensão de contacto.

Como especificar corretamente os requisitos de blindagem de superfície no painel de distribuição SIS para projectos de subestações de alta tensão?

Passo 1: Definir os requisitos eléctricos e de segurança

Estabelecer os parâmetros de especificação da blindagem da superfície a partir dos requisitos eléctricos e de segurança do projeto:

• Tensão do sistema: Determina o tipo mínimo de blindagem - revestimento semicondutor aceitável a 12-24 kV; ecrã metálico necessário a 40,5 kV
• Limite da tensão de contacto: Especificar a conformidade com a norma IEC 61140 - máximo de 50 V CA em qualquer superfície exterior acessível à tensão nominal de funcionamento
• Frequência de acesso do pessoal: O acesso de pessoal de alta frequência (percursos de inspeção diários adjacentes a módulos SIS activos) exige uma blindagem de ecrã metálico em todas as classes de tensão - a ligação à terra de baixa impedância proporciona uma maior margem de segurança do que o revestimento semicondutor

Passo 2: Considerar as condições ambientais da subestação

• Subestação interior climatizada: Proteção de revestimento semicondutor aceitável - temperatura e humidade estáveis evitam a degradação do revestimento
• Subestação ao ar livre ou em ambiente não controlado: Blindagem de ecrã metálico especificada - a radiação UV, os ciclos térmicos e a humidade degradam os revestimentos semicondutores mais rapidamente do que os ecrãs metálicos
• Subestação de alta poluição (SPS classe III/IV): Tela metálica com juntas de módulos seladas - evita que a poluição condutora faça a ponte entre as lacunas da tela nas interfaces dos módulos

Etapa 3: Corresponder normas e certificações

Exigir as seguintes verificações para cada produto de aparelhagem SIS apresentado para avaliação:

Requisito de certificação	Cláusula de especificação	Documento de verificação
Ensaio de tipo IEC 62271-200	Ensaio de tipo completo, incluindo medição da tensão superficial	Relatório de ensaio original - não certificado sumário
Conformidade com a tensão de contacto IEC 61140	Tensão de superfície ≤ 50 V AC à tensão nominal	Dados de medição no relatório de ensaio de tipo
Resistividade do revestimento semicondutor	10³-10⁶ Ω/quadrado	Certificado de ensaio do material do fabricante
Continuidade da tela metálica	Descontinuidade zero nas juntas dos módulos	Registo de inspeção da fábrica
Ensaio de descarga parcial	< 10 pC a 1,5× U0	Relatório de ensaio IEC 60270

Cenários de sub-aplicação

• Subestação de distribuição urbana: Ecrã metálico SIS - elevada frequência de acesso de pessoal; pegada compacta crítica; segurança tátil não negociável em instalações adjacentes ao público
• Subestação de instalações industriais: Revestimento semicondutor SIS a 12-24 kV - acesso controlado; ambiente interior estável; custo optimizado para um grande número de painéis
• Subestação de colectores de energias renováveis: Tela metálica SIS a 35 kV - instalação exterior ou semi-exterior; intervalos de manutenção longos; durabilidade da tela ao longo de 25 anos de vida útil
• Subestação de alta altitude (> 1.000 m): SIS de tela metálica - a densidade reduzida do ar aumenta o risco de DP à superfície nas descontinuidades do revestimento; a tela metálica elimina a iniciação de DP na superfície

Que erros de instalação e manutenção comprometem a integridade da blindagem de superfície em serviço?

Etapas de instalação e manutenção

1. Inspeção da integridade da blindagem antes da instalação: Inspecionar todas as superfícies do módulo encapsulado quanto a danos no revestimento ou descontinuidades na blindagem antes da instalação - rejeitar qualquer módulo com abrasão visível no revestimento > 25 mm² ou lacuna na blindagem > 5 mm; documentar os resultados da inspeção com fotografias
2. Colagem de ecrã nas juntas dos módulos: Aplique fita de ligação condutora especificada pelo fabricante em todas as juntas de módulo a módulo - verifique a sobreposição da fita ≥ 50 mm em cada lado da junta; meça a resistência da junta < 1 Ω com um ohmímetro calibrado de baixa resistência antes da montagem do painel
3. Verificação da ligação à terra: Confirmar que a ligação à terra da blindagem de superfície à barra de terra do painel de distribuição é feita com o condutor especificado pelo fabricante e com o valor de torque especificado - medir a resistência da ligação à terra < 0,5 Ω; registar no registo de entrada em funcionamento da instalação
4. Medição da tensão de contacto na entrada em funcionamento: Medir a tensão de superfície em todas as superfícies acessíveis do módulo encapsulado com um voltímetro de alta impedância à tensão de funcionamento nominal - confirmar < 50 V CA em todas as superfícies; qualquer superfície que exceda 50 V CA requer uma investigação imediata da continuidade da blindagem e da ligação à terra antes de ser permitido o acesso do pessoal

Erros comuns a eliminar

• Erro 1 - Reparação do revestimento semicondutor danificado com tinta não condutora ou massa epóxi: Qualquer material de reparação aplicado numa área de revestimento danificada deve ter uma resistividade de superfície dentro do intervalo de especificação de 10³-10⁶ Ω/quadrado - utilize apenas o composto de reparação condutor fornecido pelo fabricante; a reparação não condutora cria um remendo não blindado que inicia a DP
• Erro 2 - Omissão da fita de proteção nas juntas dos módulos durante a instalação: A fita de colagem da junta do módulo não é um equipamento opcional - é o elemento de continuidade que evita o modo de falha PD da abertura de blindagem; a sua omissão é o erro de instalação mais comum que produz falhas de rastreio da superfície dos comutadores SIS no início da vida útil
• Erro 3 - Efetuar a medição da tensão de contacto com um multímetro normal: Os multímetros normais têm uma impedância de entrada de 10 MΩ - insuficiente para medir com precisão a tensão de superfície acoplada capacitivamente numa blindagem de revestimento semicondutor; utilize um voltímetro eletrostático de alta impedância (impedância de entrada > 1 GΩ) para medir a tensão de toque em módulos blindados de revestimento semicondutor

Um segundo caso de cliente: Um gestor de compras de um operador regional de rede eléctrica em Shandong, China, contactou a Bepto para avaliar duas propostas concorrentes de comutadores SIS para a modernização de uma subestação de distribuição urbana de 10 kV - ambos os produtos eram rotulados como “SIS de superfície blindada” nos materiais de marketing do fabricante. A avaliação da Bepto solicitou os relatórios de teste de tipo IEC 62271-200 para ambos os produtos e descobriu que o relatório de um fabricante incluía dados de medição de tensão de superfície confirmando 38 V CA na tensão nominal - em conformidade com a IEC 61140. O relatório do segundo fabricante não continha dados de medição da tensão de superfície - o ensaio de tipo tinha sido efectuado sem a ligação à terra da blindagem de superfície, tornando o desempenho de segurança ao toque não verificado. A Bepto recomendou o produto certificado; o operador da rede adoptou o requisito de medição da tensão superficial IEC 61140 como cláusula de especificação de aquisição obrigatória para todas as futuras aquisições de comutadores SIS.

Conclusão

A tecnologia de blindagem de superfície em comutadores SIS não é um revestimento passivo - é um sistema ativo de controlo do campo elétrico cuja integridade, continuidade e ligação à terra correta determinam tanto a fiabilidade dieléctrica do isolamento sólido como a segurança ao toque do comutador para todas as pessoas que trabalham na subestação. Os cinco equívocos corrigidos neste guia - tratar a blindagem como cosmética, omitir a ligação à terra em classes de tensão mais baixas, aceitar descontinuidades na blindagem, substituir a blindagem por testes PD e assumir que todos os sistemas de blindagem SIS são equivalentes - produzem falhas específicas e evitáveis que a especificação e a disciplina de instalação corretas eliminam. Exigir relatórios de teste do tipo IEC 62271-200 com dados de medição da tensão de superfície que confirmem a conformidade com a IEC 61140, especificar blindagem metálica para aplicações de 40,5 kV e de alta frequência de acesso, impor a instalação de fita de ligação de blindagem em cada junta de módulo, verificar a resistência da ligação à terra na colocação em funcionamento e medir a tensão de toque em todas as superfícies acessíveis antes de ser permitido o acesso do pessoal - porque o sistema de blindagem de superfície que é especificado corretamente, instalado completamente e verificado na colocação em funcionamento é o sistema que proporciona o desempenho de segurança da subestação de alta tensão que o painel de distribuição SIS foi concebido para fornecer.

Perguntas frequentes sobre a tecnologia de blindagem de superfície do painel de distribuição SIS

1. Compreender as caraterísticas dieléctricas e mecânicas da resina fundida utilizada nos módulos SIS. ↩

2. Saiba como as blindagens de ligação à terra controlam a concentração de tensão eléctrica no limite do isolamento. ↩

3. Explore os requisitos de resistência eléctrica para um controlo de campo eficaz em aplicações de média tensão. ↩

4. Aceder à norma internacional de segurança para proteção contra choques eléctricos em instalações eléctricas. ↩

5. Investigar os níveis de tensão a que se inicia a avaria eléctrica localizada em ambientes gasosos. ↩