Dielétricos Gasosos, Notas de estudo de Eletrônica

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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO

Escola Politécnica de Pernambuco

Glauco Safadi

Keyla Carvalho

Thamiris Barroso

DIELÉTRICOS GASOSOS

Recife

Glauco Safadi

Keyla Carvalho

Thamiris Barroso

DIELÉTRICOS GASOSOS

Materiais Elétricos

Turma: E 5 Este Trabalho é uma abordagem geral dos materiais dielétricos gasosos, sua classificação, propriedades, aplicações, como vantagens e desvantagens para engenharia elétrica. Foi feito a pedido do professor da disciplina de Materiais Elétricos, Profº Salviano, para ser apresentado em sala. Recife

1.INTRODUÇÃO

O estudo dos materiais isolantes constitui-se como um assunto de grande importância para a engenharia, tendo em vista a sua vasta aplicação e utilização no seu cotidiano. Por isso, conhecer e entender como diferentes fatores (propriedades químicas, elétricas, mecânicas, custo) se relacionam no projeto e seleção desses materiais é primordial. Dessa forma, esse trabalho vem com o propósito de apresentar os aspectos gerais sobre os materiais dielétricos gasosos, conceito e principais características.

2.DESENVOLVIMENTO

2.1 – Materiais dielétricos: Quando se trata de campos eletrostáticos, o meio no qual os mesmos existem deverá ter resistividade muito alta, ou seja, deverá opor-se tanto quanto possível, à passagem de corrente elétrica de condução, motivo pelo qual recebe o nome de dielétrico. O material que o constitui é designado por isolante. O papel dos dielétricos na eletrotécnica é muito importante e tem dois aspectos:  Realizam o isolamento entre os condutores, entre estes e a massa ou a terra, ou, ainda, entre eles e qualquer outra massa metálica existente na sua vizinhança;  Modificam, em proporções importantes, o valor do campo elétrico existente em determinado local. Uma vez que certa porção de isolamento apresenta uma dada resistência, podemos falar em resistividade do material, se bem que esta seja influenciada por uma diversidade de fatores. Por exemplo, a temperatura afeta sensivelmente o valor da resistividade e, de uma maneira geral, o aumento da temperatura provoca uma diminuição da resistividade dos materiais isolantes. Resistência de Isolamento - O dielétrico impede a passagem da corrente elétrica enquanto o campo elétrico nele estabelecido não ultrapassar um determinado valor que depende da natureza do dielétrico e das suas condições físicas. Este impedimento, porém, não é total, pois, se uma determinada porção do isolante estiver submetida a uma tensão U, ela será atravessada por uma corrente I, sendo o quociente entre U e I designado por resistência de isolamento.

b) Líquidos: I – Óleos minerais: óleos para transformadores, interruptores e cabos. II – Dielétricos líquidos à prova de fogo: Askarel. III – Óleos vegetais: Tung, linhaça. IV – Solventes: (empregados nos vernizes e compostos isolantes) Álcool, tolueno, benzeno, benzina, terebentina, petróleo, nafta, acetatos amílicos e butílicos, tetracloreto de carbono, acetona. c) Sólidos aplicados em estado líquido ou pastoso: I – Resinas e plásticos naturais: resinas fósseis e vegetais, materiais asfálticos, goma laca. II – Ceras: cera de abelhas de minerais, parafina. III – Vernizes e lacas: preparados de resinas e óleos naturais, produtos sintéticos, esmaltes para fios, vernizes solventes, lacas. IV – Resinas sintéticas: (plásticos moldados e laminados) resinas fenólicas, caseína, borracha sintética, silicones. Sólidos: I – Minerais: quartzo, pedra sabão, mica, mármore, ardósia, asbesto. II – Cerâmicos: porcelana, vidro, micalex. III – Materiais da classe da borracha: borracha natural, guta-percha, neoprene, buna. IV – Materiais fibrosos (tratados e não tratados): algodão, seda, linha, papel, vidro, asbesto, madeira, celofane, rayon, nylon. Além desta classificação cujo critério é a natureza dos materiais isolantes, estes podem ser classificados visando a sua aplicação, especialmente na construção de máquinas e aparelhos elétricos, cuja temperatura é limitada não pelos materiais condutores ou magnéticos (que são metálicos) e sim pelos

isolantes. A durabilidade destes depende de fatores diversos, entre os quais predomina a temperatura, como mostrado na tabela a seguir: Classe Temperatura máxima admissível em serviço Y (O) 90°C (algodão, seda e papel sem impregnação) A 150ºC (idem impregnados) E 120°C (alguns vernizes, esmaltes e fibras) B 130°C (mica, asbesto com aglutinante, EPR) F 155°C (mica, fibra de vidro com aglutinante) H 180°C (elastômeros de silicato) C >180°C (porcelana, vidro, quartzo, cerâmicas) A duração dos materiais utilizados para isolamento de máquinas e aparelhos elétricos depende de vários fatores, tais como a temperatura, os esforços elétricos e mecânicos, as vibrações, a exposição a produtos químicos, umidade e a sujeira de qualquer espécie. Reconhece-se que os materiais isolantes poderão não suportar as temperaturas a eles atribuídas na classificação se estas forem mantidas durante tempo ilimitado. Essas temperaturas, todavia são tais que permitirão uma duração adequada do material se forem mantidas durante longos períodos de tempo com temperatura mais baixa. As normas de equipamento elétrico especificam geralmente a elevação de temperatura permissível acima do ar ambiente ou de outro meio refrigerante. 2.3 – Rigidez Dielétrica: Para poder exprimir numericamente a capacidade de um determinado material isolante suportar tensões elevadas, define-se uma grandeza a que se Tabela 1 - Classificação dos materiais isolantes em relação à sua estabilidade térmica em serviço.

eletrodos utilizados para a aplicação da tensão, a freqüência da tensão aplicada, o número de aplicações de tensão na unidade do tempo (fadiga do material), a temperatura, grau de umidade, etc. Rigidez dielétrica superficial - No caso dos isolantes sólidos,pode acontecer que o arco disruptivo, em vez de atravessar a sua massa, salte pela sua superfície. Ao quociente da tensão pela distância entre os condutores é dado o nome de rigidez dielétrica superficial. Esta depende, evidentemente, da forma do isolante e do estado da sua superfície. 2.4 – Características específicas dos dielétricos gasosos: Basicamente existem três tipos de dielétricos (gasoso, sólido e líquido). O dielétrico gasoso é o que apresenta um mecanismo de ruptura mais fácil de compreender, pois possuem uma estrutura molecular relativamente simples. 2.4.1 – Propriedades:  Ionização Quando se aplica um campo elétrico a um gás, há uma força tendendo a atrair os núcleos dos átomos para o eletrodo negativo e os elétrons para o eletrodo positivo. Isto acontece também com os elétrons e íons positivos livres existentes nos gases. Como a tensão aplicada inicialmente é pequena, a corrente inicial será pequena também. Entre os pontos “a” e “b” (ver figura 1), não há aumento de corrente, apesar da tensão crescer. Quando o campo é aumentado (a partir do ponto “b”) os elétrons livres adquirem velocidades maiores e ao colidirem com átomos neutros, muitos elétrons desses átomos saem de suas órbitas e são separados dos núcleos, sobrando mais íons positivos e elétrons livres. Esses elétrons produzem novos íons positivos e elétrons livres por sucessivas colisões. Esta ação é acumulativa e a corrente aumenta rapidamente quando a tensão atinge o ponto “c”. Apesar dos elétrons possuírem uma massa muito menos que a dos íons positivos, gastam uma energia muito maior nas colisões, devido à sua

velocidade ser maior. No ponto “c” os íons positivos atingem velocidade suficiente para produzir novos íons e elétrons nas colisões, contribuindo na ionização e aumento da corrente. Este processo é chamado de “avalanche de elétrons”.  Ruptura A região “d-e” da figura 1 é a região chamada de “ionização completa”. Entre “e” e “f” o sistema elétrico torna-se instável (a corrente aumenta rapidamente mesmo diminuindo-se a tensão). Entre “f” e “g” a densidade de corrente chega a um valor muito alto, quando ocorre o estado de “curto-circuito”. A corrente em “a” é da ordem de alguns micro amperes e a corrente em “h” algo em torno de 10 8 vezes maior que a corrente em “a”. A tensão máxima depende da pressão e do espaçamento entre os eletrodos. Figura 1 - Características de ionização e ruptura nos gases.  .Lei de Paschen A lei de Paschen, descoberta por ele mesmo em 1889, dá o potencial como função da massa de gás entre os eletrodos. Es = f (p,d) onde p é a pressão

Extraordinária importância tem o Helio como agente de refrigeração, em particular para os dispositivos que utilizam o fenômeno da supercondutividade. Sua temperatura de liquefação é de 4,216 K. Às vezes utiliza-se o neônio liquido como agente de refrigeração, sua temperatura de liquefação é de 27,6 K, um pouco maior que a do hidrogênio. Entretanto, o neônio é muito caro. Tomando-se como unidade o preço relativo de 0,1 m3 de nitrogênio, o hidrogênio vale aproximadamente duas vezes mais, o Helio 80 e o neônio 30.000. nota-se que o nitrogênio se obtém de modo mais fácil do ar, separando-o do oxigênio. Pode ser empregado:  Em peças de museus para uma melhor conservação das relíquias (devido a pouca reatividade).  Em lâmpadas incandescentes para evitar a corrosão do filamento de tungstênio presente neste tipo de lâmpada.  É considerado protetor para soldas, pois evita oxidação, protegendo-as das substâncias ativas do ar. Esta é a chamada soldagem especial com atmosfera protetora.  Pode ser usado para inflar airbags de automóveis.  Lasers a base de Argônio são aplicados na medicina em cirurgias dos olhos. 2.5.3 – Hexafluoreto de enxofre (SF6) O SF6 é formado por uma reação química entre enxofre fundido e fluoreto. O fluoreto é obtido pela electrólise de ácido de fluorídrico (HF). À temperatura ambiente e pressão atmosférica, o hexafluoreto de enxofre é um gás não inflamável, não tóxico, incolor, inodoro, insípido e quimicamente estável. Isto significa que à temperatura de quarto não reage com qualquer outra substância. A estabilidade vem do arranjo simétrico dos seis átomos de fluoreto em torno do átomo central de enxofre. É esta estabilidade que faz este gás útil em equipamentos elétricos. O SF6 é um isolador elétrico muito bom e pode efetivamente extinguir arcos elétricos nos aparelhos de alta e media tensão

enchidos com SF6. O SF6 pode ser achado no mundo inteiro em milhões de aparelhos elétricos; o equipamento elétrico que contém SF6 é um artigo de grande exportação. Possui alta resistência dielétrica e grande estabilidade térmica. Sendo cerca de cinco vezes mais denso que o ar atmosférico, tende a acumular-se em locais baixos. O SF6 é usado como um gás isolante em subestações, como um isolador e médio refrescante em transformadores e como um isolador e extintor de arco elétrico em interruptores para aplicações de alta e média tensão. Estes são sistemas fechados que estão extremamente seguros e livres de improváveis fugas. Em sistemas de energia elétrica, é exigido nos interruptores de alta e media tensão no poder de corte para no caso de uma falha proteger as pessoas e os equipamentos. As subestações isoladas com gás encontram-se principalmente em áreas urbanas e frequentemente instaladas em edifícios num pequeno local. Estas subestações reduzem o campo magnético e removem completamente o campo elétrico. Esta é uma real vantagem para os instaladores, pessoal de manutenção e as pessoas que vivem na redondeza de subestações. O SF6 é também usado de outros modos. Misturado com argônio, pode ser usado em janelas isoladas. O SF6 é usado na indústria de metal, por exemplo, quando o magnésio é utilizado. Os cirurgiões dos olhos usam SF6 como agente refrescante em operações. O SF6 também pode ser usado como um agente que extingue o fogo porque é não inflamável e refrescante. Em aplicações elétricas, o SF6 é só usado hermeticamente em sistemas fechados e seguros que debaixo de circunstâncias normais não libertam gás. O hexafluoreto de enxofre é particularmente adequado para utilização como dielétrico em disjuntores de média e alta voltagem bem como em cabos de alta voltagem, transformadores, transdutores, aceleradores de partículas, raios x e equipamentos de UHF. Devido à sua baixa condutividade térmica e baixa

Figura 3 - Geometria Molecular SF6. Peso molecular: 146, Condutividade térmica à pressão atmosférica: 1,4W/cmK a 40°C Viscosidade (em CP) à pressão atmosférica: 0,015 a 25°C Capacidade de ruptura: 100A à 1 atm. de pressão Fator de perdas: tg d < 10-3a – 50°C tg d < 2 x 10-7a 25°C Tensão de ruptura: 125kV a 2 atmosferas de pressão com afastamento de 10mm. Transformador a SF Os transformadores imersos em hexafluoreto de enxofre (SF6), que, na atualidade, foram desenvolvidos para comercialização por investigadores japoneses, apresentam aspectos construtivos próprios. O núcleo magnético é formado pelo empacotamento da chapa magnética, sem pernos de aperto e sustentado por uma estrutura de perfilado de ferro. Os enrolamentos são isolados com materiais sintéticos e podem ser do tipo bobina ou do tipo em banda de cobre, conforme a intensidade da corrente elétrica que os atravessa. Estes órgãos, que formam a parte activa do transformador, encontra-se encerrados no interior de uma cuba hermética.

O material isolante elétrico e condutor de calor utilizado para promover o isolamento elétrico e o arrefecimento do transformador é o hexafluoreto de enxofre (SF6). Esse gás tem um valor de rigidez 2,5 vezes superior à rigidez do ar à pressão atmosférica, e que apresenta uma boa regeneração da rigidez dielétrica, depois de submetido à ruptura pelo arco elétrico. Este gás, como condutor térmico, apresenta um elevado calor especifico, o que facilita o transporte do calor dos enrolamentos onde se desenvolve para a superfície da cuba onde se dissipa. O SF6 não é solúvel em água e não liberta elementos tóxicos ou perigosos quando aquecido, pelo que não apresenta agressividade ambiental. Todo o gás utilizado no transformador está contido na cuba, com um valor de pressão pequeno (1 bar a 4 bar). Por isso, a cuba não necessita de respeitar as normas construtivas para recipientes submetidos a elevadas pressões, registando-se mesmo casos de utilização do alumínio na construção dessa cuba. Como o gás tem uma dupla função de isolante elétrico e de condutor térmico, através do valor da respectiva pressão e do método de refrigeração consegue-se uma grande variedade de soluções construtivas e características nominais: um aumento da pressão do gás pode traduzi-se por uma maior potência nominal ou por um menor atravancamento do transformador. O arrefecimento do transformador pode ser feito por convexão natural do gás ou por circulação forçada de um outro líquido refrigerante, que pode estar ou não estar em contacto directo com o hexafluoreto de enxofre. Devido à utilização do hexafluoreto de enxofre e de lâminas de isolantes sintéticos no isolamento dos enrolamentos do transformador, que são materiais isolantes com constante dielétrica diferente das habituais, as distâncias enter enrolamentos e entre subenrolamentos e as dimensões dos calços de separação dos enrolamentos vêm alteradas, o que, sendo uma particularidade construtiva, não chega a influenciar o valor das dimensões globais do transformador. Os transformadores em SF6 apresentam um conjunto de vantagens e alguns inconvenientes.

2.5.5 – Ar O AR atmosférico (que na realidade é uma mistura de gases e vapor de d’água). Como isolante, é amplamente usado entre todos os condutores sem isolamento sólido ou líquido, como, por exemplo, nas redes elétricas de transmissão e eventualmente de distribuição, onde os condutores são fixados a certa altura através de cruzetas, ou de braços, os quais, fixos a postes ou torres, são equipados com isoladores (de porcelana, vidro ou resina com borracha). Entre esses condutores nus, o isolamento é somente o ar, de tal modo que o afastamento entre os fios ou cabos é, entre outros fatores, conseqüência da rigidez dielétrica do ar. Esse valor varia acentuadamente com as condições de umidade, impurezas e temperatura. Seu valor a seco e limpo, a 20ºC, é de 45kV/mm; decresce, entretanto, rapidamente, a 3kV/mm, sob ação da umidade, de contaminações provenientes de poluição, da pressão atmosférica e da temperatura, fatores normais no ambiente externo e, conseqüentemente, esse valor precisa ser considerado nos projetos. O afastamento entre condutores não é, porém, apenas função das características elétricas, mas também das mecânicas e de agentes, tais como ventos e outros, que vão determinar, em conjunto, a menor distância entre dois cabos. 2.5.4.1 – Efeito corona A seleção dos condutores é uma das decisões mais importantes a serem tomadas pelo projetista das linhas de transmissão. Nas linhas em médias e altas tensões, a escolha das secções dos condutores geralmente se baseia em um equacionamento econômico entre perdas por efeito joule e os investimentos necessários. Nas linhas em tensões extra-elevadas e nas futuras linhas em tensões ultra-elevadas, o controle das manifestações do efeito corona pode ser o elemento dominante para orientar essa escolha. As múltiplas manifestações do efeito corona têm implicações diretas com a economia das empresas concessionárias e com o meio ambiente no qual as

linhas de transmissão se encontram. Todas são importantes, e por isso mesmo devem merecer dos projetistas a devida atenção. O efeito corona aparece na superfície dos condutores de uma linha aérea de transmissão quando o valor do gradiente de potencial aí existente excede o valor do gradiente crítico disruptivo do ar. Mesmo em um campo elétrico uniforme, entre dois eletrodos planos paralelos no ar, uma série de condições controlam essa tensão disruptiva, tais como a pressão do ar, a presença do vapor d’água, o tipo de tensão aplicada e a fotoionizaçao incidente. No campo não uniforme em torno de um condutor, a divergência do campo exerce influencia adicional, e qualquer partícula contaminadora, como poeira, por exemplo, transforma-se em fonte pontual de descargas. Descargas elétricas em gases são geralmente iniciadas por um campo elétrico que acelera elétrons livres aí existentes. Quando esses elétrons adquirem energia suficiente do campo elétrico, podem produzir novos elétrons por choque com outros átomos. É o processo de ionização por impacto. Durante a sua aceleração no campo elétrico, cada elétron livre colide com átomos de oxigênio, nitrogênio e outros gases presentes, perdendo, nessa colisão, parte de sua energia cinética. Ocasionalmente um elétron pode atingir um átomo com força suficiente, de forma a excitá-lo. Nessas condições, o átomo atingido passa a um estado de energia mais elevado. O estado orbital de um ou mais elétrons muda e o elétron que colidiu com o átomo perde parte de sua energia, para criar esse estado. Posteriormente, o átomo atingido pode reverter ao seu estado inicial, liberando o excesso de energia em forma de calor, luz, energia acústica e radiações eletromagnéticas. Um elétron pode igualmente colidir com um íon positivo, convertendo-o em átomo neutro. Esse processo, denominado recombinação, também libera excesso de energia. Toda a energia liberada ou irradiada deve provir do campo elétrico da linha, portanto, do sistema alimentador, para o qual representa perda de energia, por conseguinte, prejuízo. Essas perdas e suas conseqüências econômicas tem sido objeto de pesquisas e estudos há mais de meio século, não obstante, só recentemente se alcançaram meios que permitem determinar, com razoável