Sistema de Ensaio de Trilhamento Elétrico: análise de fornecimento e detecção de falha de isolamento em silicone, PEAD e XLPE

Resumo executivo

Isolamentos poliméricos — borracha de silicone, polietileno de alta densidade (PEAD) e polietileno reticulado (XLPE) — dominam hoje isoladores, cabos cobertos e acessórios de redes de média e alta tensão. Sua leveza, hidrofobicidade e desempenho sob poluição os tornaram preferidos frente à porcelana e ao vidro. Contudo, expostos a umidade, contaminação salina e industrial, esses materiais estão sujeitos a um mecanismo de degradação superficial insidioso: o trilhamento elétrico, que forma caminhos condutivos carbonizados que evoluem, silenciosamente, até a falha do componente.

Este white paper apresenta os fundamentos do trilhamento e da erosão em polímeros, descreve o ensaio de plano inclinado normalizado pela IEC 60587 e a filosofia de qualificação da IEC 62217, e discute como o ensaio se insere no controle de qualidade de fornecimento e na análise de falhas de isolamento. Mostra ainda como o Sistema de Ensaio de Resistência ao Trilhamento Elétrico e Erosão da HVEX, totalmente automatizado, executa o ensaio em até cinco corpos de prova simultâneos com monitoramento de corrente de fuga em tempo real, conforme IEC 60112, IEC 60587, NBR 10296 e NBR 16326.

1. O trilhamento como modo de falha dos isolamentos poliméricos

Diferentemente dos materiais cerâmicos, os polímeros são orgânicos e, portanto, degradáveis pela ação combinada de campo elétrico, calor localizado e agentes ambientais. Quando uma superfície polimérica é contaminada e umedecida, forma-se um filme condutivo que conduz corrente de fuga. A passagem dessa corrente aquece o filme, provoca sua evaporação parcial e cria regiões secas (dry bands); nas bordas dessas regiões surgem pequenos arcos — a cintilação — cuja energia carboniza o material. Repetido milhares de vezes, o processo constrói trilhas condutivas permanentes de carbono, irreversíveis, que reduzem a distância de isolamento efetiva até a disrupção. Em paralelo, a erosão remove massa da superfície, expondo o núcleo do componente.

A distinção entre trilhamento e erosão é normativa e prática. O trilhamento é a formação de um caminho condutivo carbonizado sobre a superfície; a erosão é a perda localizada e gradual de massa, sem necessariamente formar caminho condutivo contínuo. Ambos comprometem a confiabilidade: o primeiro tende à falha por curto-circuito superficial; a segunda, à penetração de umidade e à falha do dielétrico interno. Materiais bem formulados — por exemplo, silicones com cargas de tri-hidróxido de alumínio (ATH) — resistem melhor a esses mecanismos, e é justamente essa resistência que o ensaio de trilhamento quantifica [1][6].

A literatura consolidou o ensaio de plano inclinado da IEC 60587 como ferramenta de rotina para o desenvolvimento e a qualificação de materiais de isolação externa, permitindo comparar formulações, avaliar o efeito de cargas minerais e classificar polímeros quanto à sua resistência ao trilhamento e à erosão [6][7][8]. Para o comprador de isoladores, cabos cobertos e acessórios, esse ensaio é a evidência objetiva de que o material fornecido resistirá às condições reais de serviço.

2. Fundamentos do ensaio de plano inclinado (IEC 60587)

A IEC 60587 padroniza o método de plano inclinado para avaliar a resistência ao trilhamento e à erosão de materiais isolantes sólidos empregados em condições severas de ambiente. O corpo de prova é fixado com a superfície de ensaio voltada para baixo, inclinada a 45° em relação à horizontal (Figura 1). Um eletrodo superior, energizado em alta tensão, e um eletrodo inferior, aterrado e serrilhado, são posicionados sobre a face de ensaio. Entre eles, um papel filtro conduz uma solução contaminante que escorre continuamente pela superfície, a vazão controlada por bomba peristáltica.

A solução contaminante é normalizada: cloreto de amônio (NH₄Cl) a 0,1% em massa e um agente umectante não iônico a 0,02%, resultando em resistividade em torno de 3,95 Ω·m a 23 °C. Ao escoar entre os eletrodos, o líquido estabelece a corrente de fuga inicial; o aquecimento resistivo forma bandas secas e cintilação junto ao eletrodo inferior serrilhado, iniciando o processo de trilhamento exatamente como ocorre em serviço, porém de forma acelerada e repetível.

A norma admite dois métodos de aplicação de tensão: o Método 1, com tensão constante (tipicamente 2,5; 3,5 ou 4,5 kV) mantida por um tempo fixo; e o Método 2, com tensão em degraus crescentes, cada patamar mantido por um intervalo definido. Um resistor em série limita a corrente de curto e molda o regime de arcos. A classificação do material decorre da tensão que ele suporta sem atingir os critérios de falha, e dos parâmetros de dano registrados — profundidade de erosão, comprimento da trilha e histórico da corrente de fuga [1][8].

Figura 1 – Arranjo do ensaio de plano inclinado conforme IEC 60587: corpo de prova a 45°, eletrodo superior em alta tensão, eletrodo inferior serrilhado aterrado, papel filtro com contaminante alimentado por bomba peristáltica e resistor série com medição de corrente de fuga. Elaboração: HVEX, com base em [1][9].

3. Critérios de falha e a leitura da corrente de fuga

A avaliação do ensaio apoia-se em dois critérios de fim de ensaio, previstos na IEC 60587 e na NBR 10296. O critério baseado em corrente de fuga — preferido por ser totalmente automatizável e permitir ensaiar várias amostras simultaneamente — estabelece o ponto final quando a corrente de fuga no corpo de prova excede um limite (60 mA) por mais de 2 segundos, acionando a proteção por sobrecorrente. O critério alternativo, baseado em dano físico, considera falho o corpo de prova quando a trilha carbonizada progride a partir do eletrodo inferior até uma marca de referência; esse critério exige supervisão visual e controle manual da tensão.

A corrente de fuga é, portanto, a variável de diagnóstico central. Sua evolução ao longo do ensaio (Figura 2) conta a história da degradação: parte de valores baixos, com o filme apenas conduzindo; passa por surtos intermitentes de cintilação, cada vez mais frequentes e intensos à medida que se formam bandas secas e microarcos; e, quando as trilhas condutivas se consolidam, cresce de forma acelerada até ultrapassar o limite de proteção. Registrar essa curva com alta taxa de amostragem permite distinguir materiais que degradam abruptamente daqueles que resistem com corrente de fuga estável — informação que uma simples inspeção pós-ensaio não revelaria [6][8].

Figura 2 – Evolução esquemática da corrente de fuga e das trilhas ao longo do ensaio: cintilação inicial, formação de trilhas carbonizadas e crescimento acelerado até o critério de 60 mA por 2 s. Elaboração: HVEX, com base em [1][6][8].

4. IEC 62217, controle de qualidade e análise de fornecimento

O ensaio de trilhamento não é um exercício isolado de laboratório: ele integra a cadeia de qualificação de componentes poliméricos. A IEC 62217 estabelece definições, métodos e critérios de aceitação comuns para isoladores poliméricos de uso externo, e recorre a ensaios de material — entre eles o de trilhamento e erosão da IEC 60587 — como parte do processo de design tests e verificação de matéria-prima. Complementarmente, a IEC 60112 quantifica o índice de trilhamento comparativo (CTI) de materiais isolantes sólidos, útil para seleção de materiais de menor porte, enquanto a NBR 16326 trata especificamente de cabos cobertos e acessórios para redes de distribuição aérea protegida.

Para o comprador — concessionária, integrador ou fabricante de conjuntos — o ensaio cumpre três funções. Primeira, análise de fornecimento: verificar, por amostragem, se o lote de isoladores, cabos cobertos ou acessórios recebido corresponde ao material qualificado, barrando formulações adulteradas ou com cargas insuficientes. Segunda, desenvolvimento e comparação de materiais: avaliar objetivamente novas composições de silicone, PEAD e XLPE, ou o efeito de aditivos e cargas antitrilhamento. Terceira, análise de falha: reproduzir em laboratório o mecanismo de degradação observado em campo, confirmando se um componente falhou por trilhamento superficial e orientando a substituição por material mais resistente. Em todos os casos, a repetibilidade do ensaio normalizado é o que confere validade jurídica e técnica ao resultado [1][3][4][5].

5. O Sistema de Ensaio de Trilhamento Elétrico e Erosão HVEX

A HVEX desenvolveu uma solução nacional, robusta e altamente automatizada para o ensaio de resistência ao trilhamento elétrico e erosão. O sistema realiza medições simultâneas em até cinco corpos de prova — do tipo lingueta/placa ou em configurações de cabo — com seleção automática do resistor série e da vazão do contaminante por meio de solenoides e bomba peristáltica integrada ao CLP. Todo o circuito de média tensão é segregado em painel e invólucro de acrílico, com sensores de fim de curso que garantem operação segura, e um sistema de combate a incêndio atua em caso de propagação de chama. Na saída do inversor de frequência, um filtro senoidal alimenta o transformador de potencial mantendo a distorção harmônica abaixo de 5%, condição essencial para a fidelidade do ensaio.

O software HVEX Tracking conduz o ensaio, cadastra clientes, materiais e corpos de prova, e apresenta em tempo real as curvas de tensão aplicada e de corrente de fuga de cada amostra, gerando relatórios técnicos com classificação do material. Os principais parâmetros do sistema são resumidos a seguir.

5.1 Aplicações típicas

•       Ensaio de cabos de energia blindados e cabos cobertos de redes de distribuição aérea protegida (NBR 16326);

•       Qualificação de isoladores poliméricos de silicone e de PEAD, e de acessórios como para-raios, emendas e terminações;

•       Avaliação de materiais dielétricos — silicone, XLPE, PEAD, resinas epóxi, entre outros — para redes de média e alta tensão;

•       Desenvolvimento de novas formulações e cargas antitrilhamento em laboratórios de P&D e centros de pesquisa;

•       Certificação de componentes segundo normas IEC e ABNT, e análise de falha de componentes retirados de campo.

6. Benefícios operacionais mensuráveis

A automação total do ensaio produz ganhos diretos. Ensaiar cinco corpos de prova em paralelo, com seleção automática de resistor e vazão, reduz drasticamente o tempo de laboratório e o esforço do operador em relação aos arranjos manuais tradicionais. O monitoramento contínuo da corrente de fuga a 10 kHz transforma o ensaio de um teste passa/não-passa em uma medida quantitativa da cinética de degradação, base para decisões de aceitação de lote e para o desenvolvimento de materiais. A segregação em painel, os sensores de fim de curso e o sistema de combate a incêndio elevam a segurança de um ensaio que, por natureza, envolve alta tensão, contaminantes e arcos. E o registro estruturado no HVEX Tracking cria um histórico rastreável — essencial para auditorias de qualidade de fornecimento e para a defesa técnica em análises de falha.

7. Conclusão

O trilhamento elétrico é o principal mecanismo de degradação superficial dos isolamentos poliméricos que sustentam as redes modernas. Detectá-lo e quantificá-lo antes que se traduza em falha de campo é o papel do ensaio de plano inclinado da IEC 60587, articulado às exigências da IEC 62217, IEC 60112 e das normas ABNT NBR 10296 e NBR 16326. Bem executado, o ensaio protege a concessionária contra fornecimentos deficientes, orienta o desenvolvimento de materiais mais resistentes e fundamenta análises de falha conclusivas.

O Sistema de Ensaio de Resistência ao Trilhamento Elétrico e Erosão da HVEX oferece essa capacidade em uma plataforma nacional, automatizada e segura, com software dedicado e conformidade normativa. Para conhecer as especificações completas e o datasheet, acesse a página do produto em hvex.com.br ou agende uma conversa com a equipe técnica da HVEX.

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Referências

[1] IEC 60587:2007, Electrical insulating materials used under severe ambient conditions – Test methods for evaluating resistance to tracking and erosion. IEC, Genebra.

[2] IEC 60112:2020, Method for the determination of the proof and the comparative tracking indices of solid insulating materials. IEC, Genebra.

[3] IEC 62217:2012, Polymeric HV insulators for indoor and outdoor use – General definitions, test methods and acceptance criteria. IEC, Genebra.

[4] ABNT NBR 10296, Resistência ao trilhamento elétrico – Método do plano inclinado com líquido contaminante. ABNT, Rio de Janeiro.

[5] ABNT NBR 16326, Cabos cobertos e acessórios para redes aéreas de distribuição – Requisitos e ensaios. ABNT, Rio de Janeiro.

[6] MEYER, L. et al. Inclined-Plane Tracking and Erosion Test According to the IEC 60587 Standard. IEEE, 2008. https://ieeexplore.ieee.org/document/4772862/

[7] Tracking and erosion performance of silicone rubber incorporated with TiO2@SiO2 core-shell nano fillers under the IEC 60587 standard. Materials Research Express (IOP), 2019. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1591/ab5e69

[8] Evaluation of Erosion Discharge Characteristics in Inclined Plane Tracking and Erosion Tests on Silicone Rubber under AC and DC Voltages. Energies (MDPI), v. 14, n. 19, 6051, 2021. https://www.mdpi.com/1996-1073/14/19/6051

[9] HVEX. Sistema de ensaio para trilhamento elétrico e erosão – página do produto e datasheet técnico. https://hvex.com.br/solutions/laboratorios-de-ensaio/sistema-de-ensaio-para-trilhamento-eletrico-e-erosao