ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DOS ENSAIOS DE TENSÃO ELÉTRICA E RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO A SECO.

ANALYSIS OF EFFECTIVENESS OF DRY ELECTRICAL TEST FOR VOLTAGE PROOF AND INSULATION RESISTANCE.

REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10894492

Clayton Martins Correia

Resumo

CORREIA, Clayton Martins. Análise de eficiência dos ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento a seco. 2024. 28 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia de Produção e Qualidade, Fundação Educacional de Guaxupé. Guaxupé, 2024.

Este artigo aborda a metodologia dos ensaios elétricos de tensão elétrica e resistência de isolamento prescritos pela ABNT NBR 8182 como ensaios de rotina para cabos multiplexados autossustentados com isolação extrudada de XLPE para tensões até 0,6/1kV. O conteúdo abordará a eficiência destes ensaios para cabos de alumínio multiplexados com neutro sem isolação (nu), através de resultados obtidos utilizando o método exato de Fisher para planejamento de experimento.

Palavras-chave: Ensaio de Tensão elétrica. Ensaio de Resistência de isolamento. Cabos Multiplexados. Condutores Elétricos.

ABSTRACT

CORREIA, Clayton. Analysis of effectiveness of dry electrical test for voltage proof and insulation resistance. 2024. 28 f. Final Paper – Industrial and Quality Engineering, Fundação Educacional de Guaxupé. Guaxupé, 2024

This academic paper addresses the methodology of electrical tests for voltage proof and insulation resistance, as prescribed by ABNT NBR 8182, as routine tests for overhead multiplex cables. The content will explore the effectiveness of these tests for overhead multiplex aluminum cables with bare neutral conductors.

Keywords: Voltage proof test. Insulation resistence test. Overhead Multiplex Cable. Electrical conductor

1. INTRODUÇÃO

Segundo a ABNT NBR 8182 (2011) cabos de potência multiplexados autossustentados com isolação extrudada em polietileno termofixo (XLPE) para tensões até 0,6/1kV, são utilizados em circuitos de alimentação e/ou distribuição de energia elétrica, em tensões de até 0,6/1kV, em instalações aéreas fixadas em postes ou fachadas. No sistema de geração, transmissão e distribuição (GTD) de energia elétrica do Brasil, os cabos multiplexados autossustentados são empregados na fase de distribuição.

Este produto é formado por um ou mais condutores fase e um condutor neutro autossustentado. O condutor fase é constituído por um ou vários fios de cobre eletrolítico, nus, com tempera mole, ou de alumínio liga 1 350. O condutor neutro de sustentação é constituído por fio ou cabo de cobre duro, ou cabo de alumínio duro (CA), ou cabo de alumínio liga alumínio-magnésiosilício, podendo o condutor neutro ser isolado ou sem isolação (nu).

A Isolação dos cabos multiplexados é constituída por composto extrudado à base de polietileno termoplástico (PE) ou polietileno termofixo (XLPE). Após isolados as fases são reunidas em volta do neutro de sustentação para formar o cabo multiplexado autossustentado.

Entre os ensaios de recebimento previstos pela ABNT NBR 8182 (2011) como critério de aceitação do produto, consta o ensaio de tensão elétrica e ensaio de resistência de isolamento à temperatura ambiente, ambos são previstos como ensaios de rotina e tipo.

O ensaio de tensão elétrica consiste em submeter o produto a uma tensão elétrica alternada de 4 kV com frequência de 48 Hz a 62 Hz, ou 9,6 kV em corrente contínua, por cinco minutos. Para realização do ensaio, os cabos com condutor neutro de sustentação isolado são imersos durante uma hora ou mais em água, e a tensão é aplicada entre cada condutor isolado e a água. Já os cabos com neutro de sustentação não isolados são ensaiados a seco, não sendo permitido submergi-los em água, neste caso, a tensão elétrica é aplicada entre cada condutor fase e todos os outros condutores são curto-circuitados e aterrados.

No ensaio de resistência de isolamento o produto é submetido a uma tensão de 300V a 500V pelo tempo mínimo de 1 minuto e máximo de 5 minutos. Para realização do ensaio de resistência de isolamento as conexões do cabo com o instrumento de medição, bem como a realização do ensaio em água ou a seco são realizadas conforme o ensaio de tensão elétrica. O ensaio de resistência de isolamento é realizado somente após o ensaio de tensão elétrica.

Como requisito de qualidade e critério de aceitação do produto a ABNT NBR 8182 (2011), prescreve que durante o ensaio de tensão elétrica não deve ocorrer rompimento do material dielétrico do produto. E a resistência de isolamento do produto deve ser no mínimo superior ao valor calculado pela seguinte equação:

Onde:
Ri = a resistência de isolamento, expressa em megaohms vezes quilometro (MΩ.km);
ki = a constante de isolamento, igual a 12 MΩ.km para isolação em PE e 3,7 MΩ.km para isolação em XLPE;
D = o diâmetro sobre a isolação, expresso em milímetros (mm)
d = o diâmetro sob a isolação, expresso em milímetros (mm)

1.1. JUSTIFICATIVA

A realização de ensaios elétricos é crucial para garantir a confiabilidade e segurança dos cabos multiplexados autossustentados, especialmente quando utilizados em circuitos de alimentação e distribuição de energia elétrica em instalações aéreas. Com foco na norma ABNT NBR 8182, os ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento são destacados como critério de aceitação do produto, desempenhando um papel fundamental na verticalização da integridade do isolamento e na prevenção de possíveis falhas.

A justificativa para realização destes ensaios reside na necessidade de assegurar que os cabos multiplexados autossustentados atendam aos padrões de qualidade e desempenho esperados. Dada a diversidade de condições de operação, como a presença de neutro nu, é crucial avaliar a adequação destes ensaios específicos para esse tipo de configuração, visando melhorar a confiabilidade e a durabilidade dos cabos em ambientes reais de operação.

Além disso, ao considerar o contexto do sistema de geração, transmissão e distribuição (GTD) de energia elétrica no Brasil, onde esses cabos são comumente empregados na fase de distribuição, a importância de ensaios precisos e eficazes torna-se ainda mais evidente. Portanto, a investigação da eficiência dos ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento se torna pertinente para aprimorar a qualidade e a segurança das instalações elétricas.

1.2. OBJETIVOS

Esta pesquisa propõe cumprir os seguintes objetivos:

a) Determinar se os ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento ensaiados a seco conforme empregado pela ABNT NBR 8182 (2011) são eficientes para detectar falhas na isolação quando o neutro nu não está próximo ao ponto de origem desta falha.

b) Analisar se os ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento ensaiados com o produto submerso em água são eficientes para detectar falhas na isolação quando o neutro nu não está próximo ao ponto de origem desta falha.

c) Determinar se os ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento ensaiados a seco conforme empregado pela ABNT NBR 8182 (2011) são eficientes para detectar falhas na isolação quando o neutro nu está próximo ao ponto de origem desta falha.

d) Analisar se os ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento ensaiados com o produto submerso em água são eficientes para detectar falhas na isolação quando o neutro nu não está próximo ao ponto de origem desta falha.

e) Verificar e apresentar qual das metodologias empregadas pela ABNT NBR 8182 para ensaios elétricos de tensão elétrica e resistência de isolamento possui maior eficiência para detectar falhas na isolação dos cabos multiplexados com neutro sem isolação.

1.3. DELIMITAÇÕES DE ESTUDO

Este trabalho delimita-se a estudar e investigar os métodos dos ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento a seco e em água prescritos como requisitos de aceitação de produtos pela ABNT NBR 8182.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Esta pesquisa se fundamenta nas seguintes grandes áreas:

a) A indústria de produção de condutores elétricos para redes de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica;

b) A aplicação de cabos multiplexados autossustentáveis nas redes de transmissão e distribuição de energia elétrica;

c) A utilização de métodos de planejamento de experimentos para determinar se o planejamento e controle de qualidade de cabos de potência multiplexados autossustentados, conforme estabelecido nos requisitos normativos da especificação do produto, são eficazes na medição das características de qualidade.

2.1. ESTRUTURA DE MATERIAIS DOS CABOS MULTIPLEXADOS.

A ABNT NBR 8182, prevê diversos tipos de configurações para cabos multiplexados que envolvem desde o material condutor até o composto polimérico empregado.

O condutor fase pode ser constituído de um ou vários fios de cobre eletrolítico, nus, com tempera mole, ou de alumínio liga 1350.

O condutor neutro de sustentação, por sua vez, pode ser composto por fio ou cabo de cobre duro; cabo de alumínio duro (CA); cabo alumínio liga alumínio-magnésio-silício (CAL).

Figura II – Condutor de Alumínio

A seleção do material constituinte do condutor fase e do neutro de sustentação está intrínseco ao projeto da instalação. Essa escolha afeta tanto a capacidade física quanto a elétrica do produto. Por exemplo, condutores neutros feitos de alumínio liga alumínio-magnésio-silício possuem maior resistência mecânica e elétrica em comparação com os neutros CA, sendo uma configuração recomendada para locais que exigem maior resistência à ruptura e menor carga elétrica.

A ABNT NBR 8182 específica dois compostos que podem ser utilizados como material de isolamento para cabos multiplexados: o polietileno (PE) e o polietileno reticulado quimicamente (XLPE).

Segundo a ABNT NBR 6251 (2018), o PE é um composto isolante à base de polietileno termoplástico, utilizados em cabos com tensões de isolamento de até 3,6/6 kV. O condutor isolado com PE possui limite térmico em função da isolação, em condição de regime permanente em 70 °C.

Já o XLPE é um composto isolante à base de polietileno reticulado quimicamente, utilizado em cabos com qualquer tensão de isolamento. O condutor isolado com XLPE possui limite térmico em função da isolação, em condição de regime permanente de 90°C.

Nos compostos da isolação são acrescentados masterbatch, um pigmento à base de polietileno de baixa densidade que atribuem a coloração dos produtos. A ABNT NBR 8182, prescreve que os cabos isolados na cor preta devem possuir no mínimo 2% de carbon black dispersos na isolação. Já os cabos coloridos devem possuir aditivos que protegem contra a radiação ultravioleta.

Figura III – Composto de XLPE e masterbatch

Fonte: Polyexcel

2.2. O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE CABOS MULTIPLEXADOS PARA REDES AÉREAS.

O processo de fabricação de cabos multiplexados inicia-se com o recebimento dos rolos de vergalhão, definidos pela ABNT NBR 5471 (1986) como “produto metálico de seção maciça circular, destinado à produção de fios”. Esses vergalhões são recebidos em rolos paletizados com um volume de cerca de 1m³ e 2.000kg de massa para vergalhões de alumínio, e 8.000kg para vergalhões de cobre. Os fios dos vergalhões possuem um diâmetro aproximado de 9,5mm para alumínio e 8,6mm para cobre.

Após serem liberados para uso, os vergalhões são direcionados ao processo de trefilação. Dentro das trefilas, serão lubrificados com óleo, alongados por fieiras com núcleo de PCD e têm seus diâmetros reduzidos, até a unidade programada, dando origem aos fios trefilados, definidos como “produto metálico maciço e flexível, de seção transversal invariável e de comprimento muito maior do que a maior dimensão transversal”, segundo a ABNT NBR 5471 (1986). Os fios trefilados podem ser acondicionados em bobinas de ferro ou em fuster, sendo inspecionados e liberados para o próximo processo. Em todos os processos de fabricação dos cabos multiplexados, existe um equipamento denominado pelo setor de condutores elétricos de Bobinador. Ele é responsável por acoplar as bobinas com o produto do processo, no caso do processo de trefilação, o bobinador é responsável por acoplar a bobina que recebe os fios trefilados.

O setor de torção é responsável por produzir os condutores encordoados e condutores compactados. A ABNT NBR 5471 (1986) define condutor encordoado como “condutor constituído por um conjunto de fios dispostos helicoidalmente”. E condutor compactado como “condutor encordoado no qual foram reduzidos os interstícios entre os fios componentes, por compressão mecânica, trefilação ou escolha adequada da forma ou disposição dos fios”. Neste processo os fios são torcidos em volta de um condutor elementar central, a depender da configuração do condutor, (por exemplo, 1+6, para condutores de 7 fios; 1+6+12, para condutores de 19 fios; 1+6+12+18, para condutores de 37 fios, etc.). Para a fase dos cabos multiplexados com seções maiores do que 16mm², o condutor circular é compactado em uma fieira lubrificada com núcleo de diamante PCD. Dando origem ao condutor circular compactado classe 2 NM 280.

Após inspecionados os condutores estão prontos para serem isolados. A isolação ocorre no processo de extrusão, onde a extrusora é a responsável por isolar o produto. O XLPE e MasterBatch são inseridos no funil da máquina e aquecido a uma determinada temperatura. A rosca da extrusora comprime e direciona a massa dos compostos até uma matriz. O cabo passa no centro desta matriz que possui sulcos para receber o XLPE em alta temperatura. O cabo é isolado e direcionado a uma calha esfriadora e posteriormente acolhido no bobinador.

Os cabos isolados são destinados ao processo de reunião, ou torção. Onde são torcidos helicoidalmente em torno do condutor neutro de sustentação, conforme o número de condutores fases requeridas, dando origem ao cabo multiplexado. A ABNT NBR 5471 (1988) define como cabo multiplexado autossustentado, “cabo formado por um ou mais condutores isolados, ou cabo unipolares, e um condutor de sustentação isolado ou não, dispostos helicoidalmente sem cobertura”.

A bobina com cabo multiplexado autossustentado é encaminhada ao setor de repasse onde ela é medida, cortada, embalada e encaminhada para o laboratório para realização de ensaios de recebimento. Após a aprovação do produto pelo laboratório, os cabos estão prontos para serem despachados ao cliente.

2.3. APLICAÇÃO DE CABOS MULTIPLEXADOS

As concessionárias de energia no Brasil utilizam os cabos multiplexados autossustentado nos seus sistemas elétricos de baixa tensão, compreendendo redes secundárias e ramais de ligação de unidades consumidoras.

Segundo a CELESC DISTRIBUIÇÃO S.A, concessionária de energia do estado de Santa Catarina, no seu manual especial de número E. 313.0052 – Especificação de cabos de alumínio e cobre multiplexados autosustentados com isolação extrudada de polietileno termofixo – xlpe para redes de baixa tensão e ramal de ligação 0,6/1 kv (Ago/2023), os cabos multiplexados devem ser projetados para suportar as seguintes condições:

a) Sistema trifásico a 3 fios, com neutro da baixa tensão descontínuo e aterrado através de impedância, 60Hz, com tensões fase-fase de 220V ou 380V.

b) Locais de arborização intensa

c) Exposição ao sol, chuva, salinidade e poeira.

Essas condições demandam cabos robustos e duráveis, capazes de resistir a diversos tipos de ambientes e situações adversas, garantindo assim a confiabilidade e segurança do fornecimento de energia elétrica para os consumidores.

2.4. PLANEJAMENTO E CONTROLE DA QUALIDADE

O planejamento e controle da qualidade são processos essenciais em qualquer indústria, incluindo a fabricação de cabos multiplexados. O objetivo desses processos é garantir que os produtos atendam aos requisitos e padrões de qualidade estabelecidos, satisfazendo as expectativas dos clientes e minimizando o risco de defeitos ou falhas. No livro “Administração da Produção 3° Edição 2009” de Slack, Chambers e Johnston, o planejamento e controle de qualidade são descritos em seis etapas: definir as características da qualidade do produto ou serviço, definir como medir essas características, estabelecer padrões de qualidade, controlar a qualidade em relação a esses padrões, encontrar e corrigir causas de má qualidade e continuar a fazer melhoramentos. É essencial estabelecer padrões claros de qualidade desde o início do processo produtivo, como destaca Philip B. Crosby em seu livro “Qualidade é Investimento”, a fim de evitar retrabalhos e custos adicionais.

No contexto da fabricação de cabos multiplexados e indústria de condutores elétricos em geral, o planejamento e controle de qualidade são definidos com base nos requisitos normativos, atribuídos pelas normas brasileiras de especificações de produto. Estas normas estabelecem requisitos de desempenho, dimensionais, requisitos físicos e elétricos, bem como os métodos de ensaios para verificação dos requisitos estabelecidos. Isso gera uma certa limitação de liberdade para criação de métodos relacionados aos passos um ao quatro proposto por Slack, Chambers e Johnston. Uma referência a esta limitação é a obrigatoriedade de realizar o ensaio de tensão elétrica e ensaio de resistência de isolamento a seco em cabos multiplexados com neutro sem isolação.

Além disso, é fundamental considerar métodos de ensaio precisos e confiáveis para avaliar as características do produto. Métodos de ensaio bem definidos e padronizados são essenciais para garantir resultados consistentes e confiáveis, permitindo a detecção precoce de defeitos ou não conformidades.

A norma ABNT NBR 8182 estabelece os requisitos para os ensaios elétricos de tensão e resistência de isolamento em cabos multiplexados, fornecendo diretrizes claras sobre os procedimentos a serem seguidos e os critérios de aceitação. A conformidade com esses requisitos é fundamental para garantir a qualidade e segurança dos cabos, evitando potenciais falhas elétricas que possam comprometer o funcionamento do sistema.

No entanto, uma abordagem clara sobre o planejamento de experimentos específicos para avaliar a eficácia dos ensaios elétricos em diferentes condições pode ser ainda mais elucidativa. Isso pode incluir a definição das variáveis a serem testadas, o estabelecimento de grupos de controle e experimentais, bem como a determinação dos métodos de análise estatística apropriados para interpretar os resultados. Ao considerar esses aspectos, o planejamento de experimentos pode fornecer insights valiosos sobre a eficácia dos processos de ensaio e contribuir para melhorias contínuas na qualidade dos produtos.

3. METODOLOGIA

Segundo Prodanov e Freitas (2013, p. 51), este estudo se classifica como uma pesquisa aplicada, uma vez que busca aplicar conhecimentos teóricos e técnicos existentes para resolver um problema prático específico. O problema em questão diz respeito à eficiência dos testes de qualidade em diferentes condições (a seco e em água, com furo e sem furo, com neutro sem isolação próximo ou afastado) para cabos multiplexados autossustentados, e as possíveis consequências da falta de eficiência nesses testes.. A pesquisa aplicada é caracterizada por ter um propósito prático específico em mente. Neste caso, o propósito é melhorar a eficácia dos testes de qualidade para esses cabos, o que pode ter implicações significativas para a indústria de fabricação de condutores elétricos e para a segurança e confiabilidade das redes elétricas.

Portanto, a metodologia deste estudo foi projetada com esse propósito prático em mente. Durante anos, observou-se uma correlação inversamente proporcional entre a taxa de aprovação do ensaio de tensão elétrica e o ensaio de resistência de isolamento a seco e a umidade na isolação do produto. As bobinas expostas à chuva apresentavam uma taxa de aprovação menor do que aquelas não expostas ao intemperismo. Além disso, notou-se um aumento na frequência de descargas elétricas durante os ensaios de tensão elétrica. Em discussões sobre esse fenômeno com engenheiros das concessionárias de energia, foi apresentado o fato de que o aumento na taxa de reprovação poderia ser atribuído à presença de água em possíveis deformidades na isolação. Nessa hipótese, a água desempenharia o papel de condutor, permitindo que a corrente elétrica percorresse a deformidade e entrasse em contato com o neutro sem isolação aterrado, o que facilitaria a detecção da falha, algo que não ocorreria na ausência dela. Com base na observação desse fenômeno, foi proposto o uso de métodos científicos de planejamento de experimentos para simular os ensaios elétricos tanto a seco quanto em água, com e sem deformidades na isolação, a fim de testar a capacidade de detecção de falhas dos ensaios elétricos a seco nessas condições.

3.1. EXPERIMENTOS NOS PRODUTOS

Do estoque de produto acabado, foram selecionados ao acaso 20 produtos já testados, aprovados e de pronto uso. Os produtos foram direcionados para a plataforma do laboratório de alta tensão para submissão dos ensaios elétricos.

Iniciou-se, então a preparação dos produtos para submetê-los ao ensaio de tensão elétrica a seco, utilizando as orientações previstas pela ABNT NBR 8182 e complementados pela ABNT NBR 6881, da seguinte maneira, foi realizado a remoção da isolação das extremidades dos condutores fase de cada bobina. Realizou-se a ligação através de jumper em cada fase das bobinas e entre as bobinas, e conectou a garra jacaré do transformador de alta tensão nestas fases. Os condutores neutros de cada bobina foram ligados entre si, curto-circuitados e aterrados. A fonte de alta tensão de corrente contínua (C.C), (Highpot), foi ligada e obteve-se a leitura de 0kV, através do potenciômetro do equipamento, elevou-se o valor da tensão de forma contínua e uniforme de tal forma que passado quinze segundos, foi possível ler no display o valor de tensão de 9,6 kV, este valor foi mantido por cinco minutos. Após transcorrido o tempo de ensaio, através do potenciômetro reduziu-se a tensão elétrica de forma uniforme. Aguardou-se então, o tempo necessário para que a tensão no visor do equipamento reduzisse a 1 kV.

Durante a execução do ensaio não ocorreu perfuração total ou parcial do dielétrico. O equipamento foi então desligado e iniciou-se o procedimento para descarregar as cargas elétricas remanescentes no produto. Um bastão de aterramento foi encostado nas fases dos produtos, onde foi possível ouvir o barulho característico de descarga elétrica a terra. O bastão foi remanejado de tal forma que as fases e o neutro do produto permanecessem curto-circuitado e aterrados, desta forma foram mantidos por cerca de 25 horas.

Transcorrido o tempo de espera para a descarga à terra da tensão remanescente, iniciou-se a realização do ensaio de resistência de isolamento a seco, utilizando o procedimento de ensaio prescrito pela ABNT NBR 8182 e complementado pela ABNT NBR 6813. Retirou-se o bastão de aterramento da fase dos produtos, inserindo a garra jacaré do megôhmetro (equipamento utilizado para realização do ensaio de resistência de isolamento). Através da interface do megôhmetro, foi realizado as seguintes configurações: selecionado tempo de duração de ensaio em um minuto; tensão elétrica de ensaio em 500 V em corrente contínua. O equipamento utilizado consegue realizar leituras de resistência de isolamento de até 1 Teraohn, valores acima deste são descritos como superior a Teraohn (>TΩ) no display do dispositivo. Os valores encontrados em outras unidades, foram corrigidos para MΩ.km. Além disso, utilizou-se o coeficiente de 1,06 para a correção da resistência de isolamento encontrada em T°C para 20°C, seguindo as orientações prescritas pela ABNT NBR 8182.

Posteriormente os produtos foram submetidos aos mesmos ensaios elétricos, seguindo os mesmos procedimentos prescritos pela ABNT NBR 6881 para ensaio de tensão elétrica e ABNT NBR 6813, para ensaio de resistência de isolamento, desta vez em água. Em ambos os casos os produtos aprovaram aos ensaios. Os resultados dos ensaios realizados, tanto de tensão elétrica quanto de resistência de isolamento a seco e em água, são dados na tabela I.

Posteriormente os produtos ensaiados foram secados ao tempo de forma natural e separados em dois grupos (A e B). Com intuído de verificar se há interferência nos ensaios a seco quando o neutro está próximo ou afastado de uma deformidade na isolação, foi realizado furos no produto da seguinte forma:

a) No grupo A foi realizado furos na isolação da fase dos produtos, deixando o condutor neutro afastado deste furo, e

b) No grupo B foi realizado furos na isolação da fase dos produtos, deixando o condutor neutro próximo ao furo.

Desta forma, iniciou-se novos ensaios, seguindo os mesmos procedimentos anteriores tanto para o ensaio de tensão elétrica, quanto para o ensaio de resistência de isolamento.

O segundo conjunto de ensaios elétricos foi realizado no grupo A, devido ao furo proposital realizado na isolação dos produtos, era esperado que fosse detectado a falha durante os ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento, tanto para o ensaio a seco quanto para o ensaio em água. Contudo, não houve perfuração parcial ou total do dielétrico durante o ensaio de tensão elétrica a seco. E no ensaio de resistência de isolamento a seco, foi registrado valores acima dos valores mínimos. Em ambos os casos os produtos com furo na isolação foram aprovados.

Já durante o ensaio de tensão elétrica em água, foi detectado furo total do dielétrico e os valores de resistência de isolamento foram menores que os valores mínimos, indicando deformidade na isolação. Neste caso, conforme esperado, os produtos foram reprovados. Devido a detecção de falha no produto durante os ensaios elétricos em água houve a necessidade de ensaiar os produtos individualmente, com intuito de verificar se o ensaio em água detectasse falhas em todos os eles. Os resultados dos ensaios são apresentados na tabela II.

Tabela II – Resultado dos ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento com neutro nu

A terceira bateria de ensaios elétricos foi realizada no grupo B. O neutro sem isolação foi disposto de forma proposital próximo aos furos das isolações dos produtos, a fim de verificar se há relação quanto a eficiência do ensaio a seco quando a deformidade está próxima ao neutro sem isolação. Os procedimentos dos ensaios foram executados da mesma forma como descrito nos ensaios anteriores. Durante o ensaio de tensão elétrica a seco foi detectado furo parcial na isolação dos produtos, devido a isto, com o intuito de verificar se o ensaio era capaz de detectar as deformidades em todos os produtos, necessitou-se realizar o ensaio individualmente, para isso retirou-se os jumper das fases dos produtos. E em todos os casos detectou-se furo total da isolação. As fases e o neutro dos produtos do grupo B foram curto-circuitados entre si e aterrados.

Após 26 horas, as fases dos produtos foram novamente unidas e iniciou-se o ensaio de resistência de isolamento a seco, onde não foi possível detectar a falha na isolação, registrando para os produtos valores de resistência de isolamento superiores aos valores mínimos. Nesta terceira bateria de ensaios elétricos a seco, com o neutro próximo ao furo, foi possível detectar deformidade na isolação no ensaio de tensão elétrica, para ensaio de resistência de isolamento a seco, não foi possível detectar a deformidade na isolação.

Os produtos foram então submetidos aos ensaios elétricos em água. Durante o ensaio de tensão elétrica foi detectado furo total do dielétrico, e os valores encontrados durante o ensaio de resistência de isolamento foram menores do que os valores mínimos para os produtos, indicando deformidade nas isolações. Os valores da terceira bateria de ensaios elétricos, são dados na tabela III.

Tabela III – Resultado dos ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento com neutro nu afastado do furo.

3.2. ANÁLISE DOS DADOS OBTIDOS

Os ensaios elétricos realizados nesta pesquisa são classificados como medidas de atributo, segundo Slack, Chambers e Johnston (2009, p.530). Essas medidas são dicotômicas, não possuem escala ou variação permissível, e podem ser analisadas apenas em duas condições distintas, como satisfatório ou não satisfatório, aprovado ou reprovado.

Para realizar uma análise precisa e rigorosa dos dados desses atributos, optou-se por empregar o método exato proposto por Ronald Aylmer Fisher. Seu método, detalhadamente discutido em seu artigo seminal sobre a interpretação do teste do qui-quadrado (X²) em tabelas de contingência, proporciona uma estrutura robusta para a análise estatística de dados categóricos. Fisher é amplamente reconhecido como um dos pioneiros no desenvolvimento de técnicas estatísticas fundamentais, e sua abordagem tem sido amplamente adotada e respeitada na comunidade científica. Diversos artigos publicados utilizam análise com base em sua metodologia, evidenciando sua relevância contínua no campo da estatística e da ciência em geral.

A aplicação do método de Fisher começa com a organização dos dados em uma tabela de contingência. Esta tabela representa as frequências de ocorrência para cada combinação possível das variáveis em estudo. Por exemplo, em um cenário de teste de qualidade de produtos, poderíamos ter uma tabela de contingência como a seguinte:

Fonte: Fisher, R. A. (1922). “On the Interpretation of X2 from Contingency Tables; and the Calculation of
P.” Biometrika, 14(1/2), 87-94

Onde:
a = número de sucessos no grupo 1;
b = número de falhas no grupo 1;
c = número de sucessos no grupo 2;
d = número de falhas no grupo 2;
a + b = total de observações no grupo 1;
c + d = total de observações no grupo 2;
a + c = total de sucessos em ambos os grupos;
b + d = total de falhas em ambos os grupos, e
a + b + c + d = total geral de observações (n)

Em seguida, o método de Fisher calcula a estatística do qui-quadrado (X²), que mede a diferença entre as frequências observadas e esperadas em cada célula da tabela de contingência. Com base nessa estatística, é possível determinar se as diferenças observadas são estatisticamente significativas. O valor p, que representa a probabilidade de observar um (X²) igual ou mais extremo do que o observado, é então calculado usando a fórmula:

A interpretação do valor de p (p-valor) nos permite avaliar a significância estatística das diferenças observadas entre as frequências observadas e esperadas na tabela de contingência. Essa abordagem fornece uma ferramenta poderosa para a análise de dados categóricos e a interpretação de resultados de estudos experimentais ou observacionais.

Essa metodologia robusta e amplamente reconhecida proporciona uma base sólida para a análise confiável e significativa para interpretar os resultados dos ensaios elétricos, fornecendo insights valiosos para a compreensão da relação entre os atributos avaliados.

A utilização do teste exato de Fisher nos dados obtidos nos ensaios resultou na obtenção de quatro tabelas de contingência para os ensaios de tensão elétrica e outras quatro tabelas de contingência para os ensaios de resistência de isolamento, totalizando oito tabelas de contingência para análise. Em todos os casos, foi considerado um nível de confiança de 95%, o qual indica a probabilidade de que a verdadeira estimativa populacional esteja dentro do intervalo especificado. Além disso, um nível de significância de 5% (alfa α) foi adotado para o teste, representando a probabilidade de cometer um erro do tipo I ao rejeitar a hipótese nula quando ela é verdadeira. No livro “Administração da Produção” de Slack, Chambers e Johnston (2009, p.534), é oferecida uma explicação mais detalhada sobre os erros de Tipo I. Eles definem os erros de Tipo I como situações em que uma decisão é tomada para realizar uma ação, embora as circunstâncias não garantam sua viabilidade.

3.2.1. Análise dos dados do grupo A para ensaio de tensão elétrica

A tabela de contingência a seguir representa a análise dos dados do grupo A, no ensaio de tensão elétrica a seco e em água. Dos dez produtos submetidos ao ensaio de tensão elétrica a seco e em água obteve-se os seguintes resultados:

A hipótese nula (H0) para esse caso é de que não há diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco”, ou seja, ambos os ensaios são capazes de obterem os mesmos resultados.

Já a hipótese alternativa (H1) sugere que existe uma diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco”, implicando variações nos métodos e na eficiência de detecção de falhas, bem como na medição das características de qualidade.
Aplicando a equação para encontrar o p-valor, encontra-se o valor de 5,41×10⁻⁶, que é extremamente baixo. Normalmente, com um nível de significância de 0,05 (5%), rejeitaríamos a hipótese nula se p-valor fosse menor que 0,05. Neste caso, o p-valor é muito menor que 0,05 o que sugere fortemente que há uma diferença significativa na proporção de aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco”.

Portanto, com base nos resultados obtidos e na interpretação do p-valor, conclui-se que há uma diferença significativa na proporção de produtos aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco”. Esse resultado sugere a possível ineficiência na detecção de falhas no ensaio de tensão elétrica “A seco”.

3.2.2. Análise dos dados do grupo B para ensaio de tensão elétrica

A tabela de Fisher abaixo apresenta a análise dos dados do grupo B nos ensaios de tensão elétrica a seco e em água. Dos dez produtos submetidos a esses ensaios, os resultados foram os seguintes:

Para este caso, a hipótese nula (H0) postula que não há diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco”, ou seja, ambos os ensaios são capazes de obter os mesmos resultados. Por outro lado, a hipótese alternativa (H1) sugere que existe uma diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco”, implicando variações nos métodos e na eficiência de detecção de falhas, bem como na medição das características de qualidade.

Ao calcular o p-valor para esse teste, obteve-se o valor de 1, o que é extremamente alto. Com um nível de significância de 0,05 (5%), devemos aceitar a hipótese nula. O valor do p-valor muito maior que 0,05 sugere que não há diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco”.

Portanto, com base nos resultados e na interpretação do p-valor, conclui-se que não há diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco” para o grupo B. Esse resultado indica que tanto o ensaio em água quanto o ensaio a seco são igualmente eficazes na detecção de falhas na isolação quando a deformidade está próxima ao condutor neutro.

3.2.3. Análise dos dados dos grupos A e B para ensaio de tensão elétrica a seco.

A tabela de contingência abaixo faz a comparação dos dados obtidos para os grupos A e B nos ensaios de tensão elétrica a seco. Dos vinte produtos submetidos a esses ensaios, os resultados foram os seguintes:

Para este caso, a hipótese nula (H0) define que não há diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos A e B, ou seja, ambos os casos, o neutro nu próximo a deformidade da isolação que é o caso do grupo A e afastado da isolação grupo B, obtém os mesmos resultados no ensaio de tensão elétrica a seco. Já, a hipótese alternativa (H1) trata de que existe diferença na detecção do ensaio elétrico a seco, quando a deformidade está próxima ou afastada do neutro sem isolação, implicando variações nos métodos e na eficiência de detecção de falhas, bem como na medição das características de qualidade.

Ao calcular o p-valor para esse teste, obteve-se o valor de 5,41×10⁻⁶, o que é muito inferior comparado ao nível de significância de 0,05. Portanto deve-se rejeitar a hipótese nula (H0). Neste caso, o p-valor é muito menor que 0,05 indicando fortemente que há uma diferença significativa na proporção de aprovados entre os grupos “A” e “B” durante o ensaio de tensão elétrica a seco.

Portanto, com base nos resultados obtidos e na interpretação do p-valor, conclui-se que há uma diferença significativa na proporção de produtos aprovados no ensaio de tensão elétrica a seco entre os grupos “A” e “B”. Esse resultado sugere a possível ineficiência na detecção de falhas no ensaio de tensão elétrica a seco quando o neutro sem isolação está afastado da deformidade da isolação do condutor fase.

3.2.4. Análise dos dados dos grupos A e B para ensaio de tensão elétrica em água.

A análise dos dados dos grupos A e B no ensaio de tensão elétrica em água é apresentada na tabela de contingência abaixo. Esta tabela compara os resultados obtidos para os dois grupos, nos quais vinte produtos foram submetidos ao teste: Tabela VII – Tabela de Contingência, Ensaio de Tensão Elétrica em Água para os Grupos A e B.

A hipótese nula (H0) para este caso afirma que não há diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos A e B. Ou seja, ambos os casos – com o neutro próximo à deformidade da isolação no grupo A e afastado no grupo B, resultam nas mesmas taxas de aprovação no ensaio de tensão elétrica em água. Por outro lado, a hipótese alternativa (H1) sugere que existe uma diferença na eficácia do ensaio de tensão elétrica em água, dependendo da proximidade do neutro à deformidade da isolação. Isso implica variações nos métodos de teste e na eficiência de detecção de falhas, bem como nas medidas das características da qualidade.

Ao calcular o p-valor para esse teste, obteve-se o valor de 1, consideravelmente superior ao nível de significância de 0,05. Portanto, a hipótese nula (H0) é aceita, pois o p-valor é muito maior que 0,05, indicando que não há diferença significativa na proporção de produtos aprovados entre os grupos “A” e “B” durante o ensaio de tensão elétrica em água.

Dessa forma, com base nos resultados obtidos e na interpretação do p-valor, conclui-se que não há uma diferença significativa na proporção de produtos aprovados no ensaio de tensão elétrica em água entre os grupos “A” e “B”. Isso sugere que o ensaio de tensão elétrica em água é eficiente na detecção de falhas na isolação, independentemente da posição do neutro sem isolação.

3.2.5. Análise dos dados do grupo A para ensaio de resistência de isolamento

A tabela de contingência a seguir representa a análise dos dados do grupo A, obtidos no ensaio de resistência de isolamento a seco e em água. Os produtos submetidos ao ensaio de resistência de isolamento a seco e em água obteve-se os seguintes resultados:

A hipótese nula (H0) para esse caso é de que não há diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco”, ou seja, ambos métodos de ensaios são capazes de obterem os mesmos resultados.

Utilizando a equação de Fisher obteve-se 5,41×10⁻⁶ consideravelmente baixo para p-valor. Com um nível de significância de 0,05 (5%), deve-se rejeitar a hipótese nula se p-valor for menor. Para o evento apresentado, o p-valor é muito menor que 0,05 sugerindo intensamente que há uma diferença significativa na proporção de aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco”.

Assim sendo, com base nos resultados obtidos e na interpretação do p-valor, conclui-se que há uma expressiva diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “Em água” e “A seco”. Esse resultado demonstra a possível ineficiência na detecção de falhas no ensaio de resistência de isolamento “A seco”.

3.2.6. Análise dos dados do grupo B para ensaio de resistência de isolamento

A tabela de contingência a seguir representa a análise dos dados do grupo B, obtidos no ensaio de resistência de isolamento a seco e em água. Os produtos submetidos ao ensaio de resistência de isolamento a seco e em água obteve-se os seguintes resultados:

3.2.7. Análise dos dados dos grupos A e B para ensaio de resistência de isolamento a seco A tabela de número X representa a análise dos dados obtidos nos grupos A e B para o ensaio de resistência de isolamento a seco.

A hipótese nula (H0) para esse caso é de que não há diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “A” e “B”, ou seja, ambos métodos de ensaios são capazes de obterem os mesmos resultados.

Já a hipótese alternativa (H1) sugere que existe uma diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “A” e “B”, implicando variações nos métodos e na eficiência de detecção de falhas, bem como no comprometimento da medição das características de qualidade.

Ao calcular o p-valor para este experimento obteve-se o valor de 1, consideravelmente alto para p-valor. Com um nível de significância de 0,05 (5%), deve-se aceitar a hipótese nula (H0), se p-valor for maior. Para o experimento apresentado, o p-valor é muito maior que 0,05 sugerindo intensamente que não há uma diferença significativa na proporção de aprovados entre os grupos “A” e “B”.

Assim sendo, com base nos resultados deste experimento e na interpretação do p-valor, conclui-se que não há uma expressiva diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “A” e “B”. Esse resultado demonstra a possível ineficiência na detecção de falhas no método de ensaio de resistência de isolamento “A seco”.

3.2.8. Análise dos dados dos grupos A e B para ensaio de resistência de isolamento em água

A tabela de número XI representa a análise dos dados obtidos nos grupos A e B para o ensaio de resistência de isolamento em água.

Ao calcular o p-valor para este experimento obteve-se o valor de 1, consideravelmente alto. Com um nível de significância de 0,05 (5%), deve-se aceitar a hipótese nula (H0), se p-valor for maior. Para o experimento apresentado, o p-valor é muito maior que 0,05 sugerindo intensamente que não há uma diferença significativa na proporção de aprovados entre os grupos “A” e “B”.

Assim sendo, com base nos resultados deste experimento e na interpretação do p-valor, conclui se que não há uma expressiva diferença na proporção de produtos aprovados entre os grupos “A” e “B”. Esse resultado demonstra que o ensaio de resistência de isolamento em água é eficiente para detecção de falhas na isolação, tanto para o neutro próximo a deformidade, quanto para o neutro afastado da deformidade.

4. Conclusão

Após uma análise meticulosa dos dados dos ensaios de tensão elétrica e resistência de isolamento, torna-se evidente que os métodos atualmente empregados nos ensaios elétricos a seco são inadequados para detectar falhas na isolação dos produtos.

O ensaio de tensão elétrica a seco demonstrou eficácia na detecção de falhas apenas quando o neutro sem isolação está próximo e tangenciando a deformidade da isolação do condutor fase. No entanto, devido às características intrínsecas dos produtos, não é possível garantir que essa peculiaridade ocorra de forma consistente, levando à conclusão de que o ensaio de tensão elétrica a seco não é eficaz na detecção de falhas na isolação.

Por outro lado, no ensaio de resistência de isolamento a seco, tanto para o neutro afastado quanto para o neutro próximo, não foi possível detectar a deformidade na isolação, indicando que o ensaio a seco não possui eficácia na detecção de deformidades na isolação.

Quanto aos ensaios realizados em água, ambos se mostraram promissores, detectando em 100% dos casos as deformidades na isolação. Esse resultado indica uma maior eficácia dos ensaios elétricos em água na detecção de falhas na isolação quando comparados aos ensaios a seco. Ao trazer as observações encontradas para o campo do planejamento e controle da qualidade, emerge uma preocupação significativa quanto ao comprometimento das medições, conforme delineado nos passos para o planejamento e controle de qualidade proposto por Slack, Chambers e Johnston (2009, p. 527-532). A ineficácia dos ensaios elétricos a seco em identificar deformidades na isolação do produto representa uma falha nos processos de controle de qualidade, especialmente no que diz respeito ao passo 2, que consiste em definir como medir cada característica da qualidade. Esta inadequação das medições compromete diretamente a capacidade de avaliar adequadamente a qualidade do produto, evidenciando a necessidade de revisão e melhoria dos procedimentos de teste e controle de qualidade.

Este cenário é agravado pelo considerável custo associado aos produtos instalados com falhas na isolação, que se desdobra de diversas maneiras. Para além dos custos diretos de substituição dos produtos defeituosos, surgem custos indiretos decorrentes dos danos causados por falhas na isolação. Esses custos adicionais, sintomáticos da má qualidade do produto, têm o potencial de se acumular rapidamente, podendo exercer um impacto substancial nas finanças das empresas. Slack, Chambers e Johnston (2009, p. 634) classificam esses custos como custos de falha externa, abrangendo aspectos como perda de confiança do consumidor, insatisfação dos clientes, litígios e custos de garantia.

Essas constatações não apenas suscitam preocupações essenciais relacionadas aos riscos do mau planejamento e controle de qualidade, mas também levantam sérias questões operacionais, sociais, ambientais, de saúde e segurança. Cabos de potência com falhas de isolação representam ameaças substanciais, podendo resultar em curtos-circuitos, incêndios e choques elétricos, disrupções operacionais nos sistemas elétricos, provocando interrupções no fornecimento de energia e danos a equipamentos vitais, além de causar danos significativos ao meio ambiente e à segurança pessoal, um levantamento de dados realizado pela Associação Brasileira de Conscientização para os Perigos da Eletricidade (ABRACOPEL), destaca que somente em 2022, houve 262 óbitos relacionados a redes aéreas de distribuição de energia elétrica, De Souza e Martinho (2023, p. 35).

Além disso, é crucial ressaltar a importância crítica da revisão e aprimoramento dos procedimentos de teste, bem como da implementação de medidas de controle de qualidade mais rigorosas. Diante dessas considerações, é imperativo que os órgãos reguladores revisem as normas existentes para eliminar a obrigatoriedade dos ensaios elétricos a seco para cabos multiplexados com neutro sem isolação. Essa alteração demanda uma transição dos ensaios elétricos a seco para ensaios elétricos em água, garantindo uma avaliação mais abrangente da integridade da isolação dos produtos.

REFERÊNCIAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5471:1986. Condutores elétricos. Rio de Janeiro: ABNT, 1986.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6251:2018 – Cabos de potência com isolação extrudada para tensões de 1 kV a 35 kV – Requisitos construtivos. Rio de Janeiro: ABNT, 2018. NBR 6251:2018.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6813:1981. Fios e cabos elétricos – Ensaio de resistência de isolamento. Rio de Janeiro: ABNT, 1981

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6881:2010 – Fios e cabos elétricos de potência, controle e instrumentação — Ensaio de tensão elétrica. Rio de Janeiro: ABNT, 2010. NBR 6881:2010.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8182: Cabos de Potência multiplexados com isolação extrudada de PE ou XLPE, para tensões até 0,6/1KV – Requisitos de desempenho. Rio de Janeiro: ABNT, 2011. NBR 8182.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 280:2011. Condutores de cabos isolados (IEC 60228, MOD). Rio de Janeiro: ABNT, 2011.

CELESC DISTRIBUIÇÃO S.A. Especificação de cabos de alumínio e cobre multiplexados autosustentados com isolação extrudada de polietileno termofixo – XLPE para redes de baixa tensão e ramal de ligação 0,6/1 kv. E-313.0052. 6° Rev. Santa Catarina: CELESC, Ago/2023.

CROSBY, Philip B. Qualidade é Investimento. São Paulo: Makron Books, 1992.

DE SOUZA, Danilo Ferreira; MARTINHO, Edson; MARTINHO, Meire Biudes; MARTINS JR. Walter Aguiar (Org.). ANUÁRIO ESTATÍSTICO DE ACIDENTES DE ORIGEM ELÉTRICA 2023 – Ano base 2022. Salto-SP: Abracopel, 2023. DOI: 10.29327/5194308.

FISHER, R. A. On the Interpretation of X2 from Contingency Tables; and the Calculation of P. Biometrika, v. 14, n. 1/2, p. 87-94, 1922.

PRODANOV, C. C.; FREITAS, E. C. Metodologia do Trabalho Científico: Métodos e Técnicas da Pesquisa e do Trabalho Acadêmico. 2. ed. Novo Hamburgo: Feevale, 2013

SLACK, Nigel; CHAMBERS, Stuart; JOHNSTON, Robert. Administração da Produção. São Paulo: Atlas, 2009.