AVALIAÇÃO TÉRMICA DE ISOLADORES POLIMÉRICOS UTILIZADOS EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

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1 AVALIAÇÃO TÉRMICA DE ISOLADORES POLIMÉRICOS UTILIZADOS EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA João B. de Olveira Jr. 2, Letícia G. Toledo 2, Álvaro J. A. L. Martins 1, Maria Elisa S. R. e Silva 2, Roberto F. S. Freitas 2, Ricardo G. de Sousa 2 * 1 Cemig Distribuição S/A; 2* Departamento de Engenharia Química da UFMG, Rua Espírito Santo, 35 6º Andar, Centro, Belo Horizonte, MG, CEP: sousarg@ufmg.br Nesse trabalho, materiais poliméricos utilizados em sistemas elétricos de potência foram avaliados por meio de análise térmica. Materiais poliméricos retirados de pára-raios novos e uma parte de um disjuntor que apresentou falha em seu comportamento isolador foram utilizados como amostras. As amostras foram avaliadas utilizando-se Calorimetria Exploratória Diferencial DSC e Termogravimetria TG. Antes dos ensaios TG e DSC, foi efetuado um teste de estabilidade térmica em mufla. Com as curvas TG e DSC foi possível estudar o comportamento térmico das amostras por meio das análises de perdas de massa e temperaturas de degradação durante o aquecimento das amostras. A estabilidade térmica das amostras foi determinada, sendo as mesmas resistentes até temperaturas de 180ºC, aproximadamente. Palavras-chave: Estabilidade Térmica; Degradação; Isoladores Poliméricos; Sistema Elétrico de Potência. Thermal Valuation of the Polymeric Insulators in Power Electric Systems. In this work, polymeric materials used in power electric systems were evaluated by thermal analysis. Polymeric materials from new lightning rods and a piece of a circuit breaker that presented fails in its isolating behaviour were used as samples. The samples were evaluated by Differential Scanning Calorimetry DSC and Thermogravimetry TG. Before DSC and TG analyses, it was effectuated a thermal stability test in the muffle. With DSC and TG curves it was possible to study the thermal behaviour of the samples by analysis the mass variation and degradation temperatures during heating of samples. The thermal stability of samples was determinate, the degradation occurs in temperatures above 180ºC. Keywords: Thermal Stability; Degradation; Polymeric Insulate, Power Electric Systems. Introdução Polímeros são moléculas relativamente grandes, em cuja estrutura encontram-se unidades químicas simples repetidas, conhecidas como meros. São formados a partir de compostos químicos chamados monômeros. As propriedades dos polímeros dependem principalmente de três fatores: (i) da natureza química dos monômeros e suas implicações na estrutura molecular formada, tanto no que se refere à constituição quanto à configuração; (ii) da massa molar e (iii) da conformação do processo de preparação empregado e da técnica escolhida para essa preparação. A caracterização estrutural do produto polimérico é feita pelos métodos usuais em química orgânica, enquanto que, a avaliação tecnológica dos polímeros é feita por meio de suas propriedades físicas, conforme as propriedades investigadas e a natureza do polímero. De uma forma geral, os materiais poliméricos apresentam propriedades mecânicas e elétricas importantes para determinadas aplicações, dentre as quais: resistência à tração e ao impacto, módulo, alongamento na ruptura e boas características isolantes. No que concerne às propriedades elétricas, particularmente são relevantes a resistência à degradação e boa resistência química, que os

2 distingue de outros tipos de materiais, tornando o seu emprego muito apropriado como material de isolamento elétrico de fios, cabos, bem como em dispositivos de pára-raios, isoladores de linhas e redes de energia, e equipamentos em geral utilizados no sistema elétrico. A combinação das características de facilidade de fabricação, baixo custo, baixa densidade, ótimas propriedades de isolamento e muito menor peso que os isolamentos sólidos tradicionais têm disseminado a aplicação generalizada dos materiais poliméricos nos sistemas de transmissão e distribuição e nas subestações de energia. Isoladores poliméricos são dispositivos usados para isolar condutores da terra. De forma geral, os isoladores poliméricos são constituídos por três partes principais: o bastão ou núcleo de fibra de vidro que tem por finalidade resistir a esforços mecânicos provenientes do condutor; o revestimento de borracha que tem propriedades isolantes e protege o núcleo da ação dos agentes externos mais hostis e impõe ao isolador, por meio de suas saias, as distâncias elétricas necessárias para o seu bom funcionamento; e os terminais que são metálicos e tem a finalidade principal de realizar as conexões isolador/condutor e isolador/estrutura de sustentação. Na isolação de condutores para terra, os isoladores de vidro ou porcelana estão sendo substituídos pelos isoladores poliméricos. Isoladores fabricados com materiais hidrofóbicos têm as suas correntes de escoamento e as possibilidades de descargas reduzidas. Além disso, os isoladores poliméricos apresentam redução dos custos de manutenção e fornecem maior resistência ao vandalismo. Por outro lado, apresentam dificuldades na identificação de defeitos internos e, em alguns casos, a sua falta de articulação, pode provocar a ruptura do cabo devido ao desgaste prematuro [1,2]. Análise térmica tem se tornado, cada vez mais, uma técnica muito útil para o estudo de estruturas de materiais, especialmente polímeros [3-9]. Ela representa um conjunto de técnicas que possibilita a medida de uma propriedade física de uma substância ou seus produtos de reação em função da temperatura [10,11]. Dentre as técnicas de análise térmica utilizadas nessa pesquisa, fez-se o uso da Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) e da Termogravimetria (TG). O objetivo desse trabalho é caracterizar e avaliar termicamente os materiais poliméricos utilizados em alguns isoladores de redes de energia. Experimental Os corpos de prova definidos são constituídos de quatro (4) amostras distintas, assim denominadas: Amostra A: disco simples de um pára-raios de 138KV, novo, fabricante ABB; Amostra B: disco duplo com cone central de um pára-raios de 138KV novo, fabricante ABB; Amostra C: pára-raios de 138 KV novo e inteiro, fabricante ABB e Amostra D: pequeno pedaço de um disjuntor de 138KV de uma subestação móvel, com tempo de uso de 1 ano,

3 aproximadamente, fabricante ABB. Após esse intervalo de tempo o disjuntor foi retirado do sistema elétrico por apresentar falhas em seu comportamento isolador, ele apresentou-se quebradiço. As fotografias dessas amostras são mostradas na Figura 1. Figura 1 - Fotografias das amostras A, B, C e D, respectivamente. A parte flexível da amostra C corresponde à parte do isolador denominada de amostra C3 e a parte rígida de amostra C4. Os materiais poliméricos foram avaliados por dois métodos: ensaios de estabilidade térmica e análise térmica, por meio das técnicas TG e DSC. Os ensaios de estabilidade térmica tinham a finalidade de visualizar o comportamento das amostras sob aquecimento. Além disso, tais ensaios permitiriam conhecer macroscopicamente o comportamento térmico dessas amostras antes dos testes nos equipamentos de DSC e TG, de forma evitar algum dano nos mesmos devido a alta sensibilidade que eles apresentam. Os ensaios de estabilidade térmica foram assim realizados: com auxílio de estilete e serra, prepararam-se quatro amostras a partir dos corpos de prova constituídos pelas Amostras A, B e C. As amostras 1 e 2 correspondem aos materiais dos corpos de prova das Amostras A e B, respectivamente. A amostra 3 corresponde ao material do corpo de prova da Amostra C, parte flexível do isolador, enquanto que, a amostra 4 corresponde ao material do corpo de prova da Amostra C, parte rígida do isolador, conforme apresenta a Figura 1. Colocou-se cada amostra em cadinho de porcelana, atribuindo a cada cadinho o número correspondente ao da amostra. Colocaram-se os conjuntos cadinho/amostra em mufla Lavoisier, modelo 400D, para aquecimento das amostras. A mufla foi mantida aberta, de maneira a possibilitar a visualização das amostras no interior dos cadinhos. Aqueceu-se até a temperatura máxima de 320ºC, com alguns patamares em temperaturas inferiores, conforme mostra a Tabela 1. Após o aquecimento em cada patamar, o estado das amostras foi examinado visualmente e manualmente no final do experimento. Os testes de análise térmica foram realizados com as amostras 1 a 5, sendo a amostra 5 preparada a partir do corpo de prova da amostra D (Figura 1). As medidas termogravimétricas foram feitas no equipamento Shimadzu TGA-50, com uma taxa de aquecimento de 10ºC/min, vazão de gás de 20mL/mim, massa das amostras pulverizadas em torno de 5,0 0,5mg, célula de platina e faixa de aquecimento da temperatura ambiente até 900ºC. Já as medidas calorimétricas, foram conduzidas no equipamento Shimadzu DSC-50, com amostras pulverizadas, massa de 3,0 0,3mg, células de alumínio seladas com tampa, temperatura variando da temperatura ambiente até 500ºC,

4 taxa de aquecimento de 10ºC/min e vazão de gás de 20mL/mim. Tanto na TG quanto na DSC, utilizou-se atmosfera inerte de nitrogênio (N 2 ) e atmosfera oxidante de ar sintético. Resultados e Discussão As observações experimentais para os ensaios de estabilidade térmica para as amostras de 1 a 4, bem como os patamares de temperatura em que as mesmas foram feitas, encontram-se registradas na Tabela 1. Tabela 1 - Observações experimentais dos ensaios de estabilidade térmica realizados em mufla. Temp (ºC) Amostra Observações experimentais 1 Ocorreu mudança de tonalidade. 2 Desprendimento de gás branco A amostra movimentou-se. Percepção de pequenos estalos na superfície de contato da amostra com o cadinho e aparecimento de fissuras. 4 Iniciou o amarelamento da amostra e desprendimento de gás branco. 1 Desprendimento de gás branco. 3 Desprendimento de gás branco e deformação da amostra Escurecimento do contorno das amostras. Após algum tempo mudou de cor, ficou mais escura. Continuou desprendendo gás branco Aumento do desprendimento de gás branco. 1 Escurecimento do contorno e branqueamento das superfícies da amostra Leve escurecimento da amostra. 4 Amostra ficou muito escura, com desprendimento de muito gás branco Aumento maior do desprendimento de gás a partir da amostra A amostra continuou escura e desprendendo de gás branco. 1 Ocorreram estalos, fissuras, amarelamento das faces e aumento do desprendimento de gás Pequenos estalos e projeção de parte da amostra foram observados. Surgiram muitas trincas, depois um amolecimento da amostra e grande desprendimento de gás. 3 Amostra ficou branca Amostra continuou escura e liberando muito gás branco. 3 Amostra desintegrou-se Enorme aumento de desprendimento de gás. Amostra começou a ficar branca das bordas para o centro. Quando ela ficou completamente branca parou o desprendimento de gás. 1 Ocorreram pequenas explosões superficiais, aumento das fissuras e desprendimento de gás Aumentou o número de fissuras, a perda da elasticidade e ocorreram pequenas explosões na superfície da amostra em contato com o cadinho. 3 Cessou o desprendimento de gás. 1 A superfície da amostra ficou escura e ocorreu um forte desprendimento de gás Alteração da forma física, forte desprendimento de gás e início da desintegração da amostra Amostra ficou escura e cessou o desprendimento de gás Total desintegração da amostra. Foi possível observar por meio desse experimento que, a partir de 180ºC, começaram a ocorrer eventos que podem sinalizar o início de degradação, tais como: mudanças de tonalidade, desprendimento de gases e ocorrência de pequenas explosões. Com o aumento da temperatura, esses eventos se intensificaram e começaram a ocorrer simultaneamente. O desprendimento de gases foi muito intenso em todas as amostras na faixa de temperatura entre 200 e 265ºC. Quando cessou a liberação dos gases, as amostras encontravam-se desintegradas ou escuras. O

5 comportamento térmico das amostras 1 e 3 foi muito semelhante, pois ambas apresentaram eventos térmicos similares em temperaturas próximas. Uma importante verificação constatada na amostra 2 foi a perda de elasticidade e o surgimento de fissuras com o aumento da temperatura. O comportamento da amostra 4 diferiu bastante das demais analisadas, pois se verificou duas significativas mudanças de tonalidade na amostra. Após o aquecimento em estufa, foi feita uma avaliação tátil das amostras. Constatou-se que, ao serem friccionadas, todas se esfarelavam com certa facilidade. Essa observação, juntamente com as descritas na Tabela 1, permite constatar que todas sofreram degradação térmica. Além disso, é importante salientar que as primeiras observações foram registradas a partir de uma temperatura de 180ºC, o que indica que os materiais analisados apresentaram boa estabilidade térmica para suas devidas aplicações até essa temperatura. O desprendimento de gás branco constatado nesses experimentos pode indicar que, juntamente com o material polimérico, existem aditivos que são liberados com o aumento da temperatura. As análises térmicas foram divididas em dois sub-itens, a Termogravimetria e a Calorimetria Exploratória Diferencial. Termogravimetria As curvas TG das amostras 1 a 5, em nitrogênio e em ar sintético, são apresentadas nas Figuras 2 e 3, respectivamente. Figura 2: Curvas TG das amostras 1 a 5 em atmosfera de nitrogênio.

6 Figura 3: Curvas TG das amostras 1 a 5 em atmosfera de ar sintético. É importante destacar que todas as amostras começam a perder massa em temperaturas superiores a 180ºC, tanto em nitrogênio quanto em ar sintético. Portanto, todas elas são estáveis termicamente até essa temperatura. Esse valor encontrado na TG está em concordância com o determinado por meio do ensaio de estabilidade térmica em mufla, descrito anteriormente. As Tabelas 2 e 3 apresentam os valores encontrados para as temperaturas e perdas de massa correspondentes aos eventos térmicos das curvas TG mostradas nas Figuras 2 e 3. Esses valores representam os valores médios de testes em duplicata. Tabela 2 Temperaturas e perdas de massa determinadas a partir das curvas TG em atmosfera de nitrogênio. Evento Térmico Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 1º Temperatura (ºC) 288 ± ± ± ± ± 2 Perda de Massa (%) 15 ± 0 10 ± 3 7 ± 3 18 ± 1 14 ± 2 2º Temperatura (ºC) 456 ± ± ± ± ± 2 Perda de Massa (%) 24 ± 2 48 ± 6 28 ± 2 4 ± 2 27 ± 2 3º Temperatura (ºC) ± 7 - Perda de Massa (%) ± 2 - Tabela 3 Temperaturas e perdas de massa determinadas a partir das curvas TG em atmosfera de ar sintético. Evento Térmico Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 1º Temperatura (ºC) 288 ± ± ± ± ± 2 Perda de Massa (%) 14 ± 1 12 ± 2 7 ± 1 18 ± 1 16 ± 0 2º Temperatura (ºC) 460 ± ± ± ± ± 3 Perda de Massa (%) 26 ± 1 29 ± 4 27 ± 1 5 ± 0 26 ± 1 3º Temperatura (ºC) ± 2 - Perda de Massa (%) ± 1 -

7 Nas curvas obtidas por meio da TG, em atmosfera de nitrogênio, para as amostras 1 e 3, é possível visualizar duas regiões nas quais ocorrem significativas perdas de massa. A primeira perda de massa pode ser devida à perda de aditivos de baixa massa molar que existem no material polimérico e a segunda perda de massa é atribuída à degradação completa das cadeias poliméricas. As curvas TG, em atmosfera de ar sintético, das amostras 1 e 3, apresentam o mesmo comportamento das curvas TG apresentadas em nitrogênio, o que indica, de certa forma, que esses materiais não sofrem oxidação na faixa de temperatura pesquisada. Além disso, o percentual de perda de massa nos dois eventos térmicos e nas duas atmosferas distintas é praticamente o mesmo, sem nenhuma variação significativa, conforme mostram os valores das Tabelas 2 e 3. As curvas TG, em nitrogênio e em ar, para a amostra 2, apresentam duas perdas de massa com o aumento da temperatura. Os perfis dessas curvas são semelhantes e têm valores referentes à perda de massa para o primeiro evento térmico próximos. Porém, em relação ao segundo evento térmico, percebe-se uma diferença tanto no perfil quanto no valor da perda de massa, sendo essa perda mais expressiva em atmosfera de nitrogênio do que em ar sintético. Esse comportamento pode ser devido ao fato de que esse material polimérico pode ser constituído de uma mistura de vários componentes e que, provavelmente, algum desses está sendo oxidado durante o processo de aquecimento, perdendo menos massa comparativamente ao ensaio feito em atmosfera de nitrogênio. Todos os dois eventos térmicos ocorrem em faixas de temperatura próximas umas das outras. As curvas TG, em nitrogênio e em ar, para a amostra 4, apresentam três perdas de massa com o aumento da temperatura. Os perfis dessas curvas são semelhantes e têm basicamente os mesmos valores referentes às perdas de massa para todos esses eventos térmicos. Todos os três eventos térmicos ocorrem em uma mesma faixa de temperatura. Uma diferença marcante desta amostra com as outras quatro é que além dela apresentar um evento térmico a mais (3 perdas de massa) ela tem uma perda de massa significativa (23%) em temperaturas muito altas, entre 700 e 800ºC. As curvas TG, em nitrogênio e em ar, para a amostra 5, apresentam duas perdas de massa com o aumento da temperatura. Os perfis dessas curvas são semelhantes e têm aproximadamente os mesmos valores referentes à perda de massa para esses dois eventos térmicos. Aqui também não se percebe variação significativa de temperatura onde os eventos térmicos ocorrem. Calorimetria Exploratória Diferencial As curvas DSC estão registradas nos gráficos das Figuras 4 e 5. Observando a curva DSC obtida para a amostra 1, em atmosfera de nitrogênio, apresentada na Figura 4, é possível visualizar um único evento exotérmico, iniciando em uma temperatura de

8 aproximadamente 240ºC. Juntamente com o evento exotérmico pronunciado, percebe-se a presença de um pequeno ombro, que poderia indicar um outro evento exotérmico próximo do maior. Essa suposição estaria em concordância com os resultados obtidos na TG, os quais apresentam duas perdas de massa. Em atmosfera de nitrogênio, as outras 4 amostras não apresentaram nenhum evento exotérmico, somente endotérmicos, conforme mostras as curvas DSC da Figura 4. Exo Endo Figura 4: Curvas DSC das amostras 1 a 5 em atmosfera de nitrogênio. Exo Endo Figura 5: Curvas DSC das amostras 1 a 5 em atmosfera de ar sintético.

9 Os valores médios das temperaturas dos picos apresentados nas curvas DSC das Figuras 4 e 5, para medidas em duplicata, são mostrados nas Tabelas 4 e 5. Tabela 4 - Temperaturas de pico determinadas a partir das curvas DSC em atmosfera de nitrogênio. Evento Térmico Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Temperatura (ºC) 1º 223 ± ± ± ± 2 2º 288 ± ± ± ± 2 Tabela 5 - Temperaturas de pico determinadas a partir das curvas DSC em atmosfera de ar sintético. Evento Térmico Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Temperatura (ºC) 1º 294 ± ± ± ± 10 2º 410 ± ± ± ± 7 3º ± 2 - A amostra 1, quando aquecida em atmosfera de ar sintético (Figura 5), apresenta comportamento térmico completamente diferente daquele apresentado em atmosfera de nitrogênio. Ao invés de não ter nenhum evento exotérmico, ela têm dois eventos endotérmicos, sendo um bem mais pronunciado e outro bem menor que o primeiro. As curvas DSC obtidas para as amostras 3 e 5, em atmosfera de nitrogênio e ar sintético, apresentaram, isoladamente, os mesmos perfis: qual seja: dois picos endotérmicos, sendo um bem nítido e outro bem tímido. Esses resultados apresentam certa concordância com a termogravimetria e com os ensaios de estabilidade térmica realizados na mufla. Nas condições em que se realizaram os experimentos, não se verificou nenhuma liberação ou absorção de energia significativa para a amostra 2, em atmosfera de nitrogênio. Entretanto, quando em atmosfera de ar sintético, percebe-se claramente vários picos exotérmicos acima de 340ºC. Isso pode representar oxidações sucessivas nos componentes do material, como uma combustão. Esse comportamento foi muito estranho e contraditório, necessitando de mais testes para melhor compreensão do que está ocorrendo. O comportamento térmico da amostra 4 é bem distinto quando se tem atmosferas diferentes: nitrogênio e ar sintético. Em atmosfera inerte ela apresenta somente um pico endotérmico, em temperaturas próximas de 400ºC, ao passo que, em atmosfera oxidante, percebe-se dois picos exotérmicos e um endotérmico. Conclusões Os materiais poliméricos utilizados em isoladores para fins de aplicação em sistemas elétricos de potência, estudados neste trabalho, foram avaliados termicamente. Os resultados dos ensaios de estabilidade térmica, assim como os das análises térmicas, mostraram que os materiais são estáveis até cerca de 180ºC.

10 Foi possível verificar o comportamento térmico das amostras 1, 2 e 3 e constatar que elas apresentam algumas particularidades, devido aos resultados do ensaio de estabilidade térmica e das análises térmicas. A amostra 5 apresentou os mesmos perfis nas suas curvas TG e DSC, tanto em N 2 quanto em ar sintético. Os resultados obtidos para a amostra 4 são bem diferentes se comparados aos resultados das outras amostras, principalmente quanto às análises térmicas. Uma explicação para isso talvez seja o fato dessa amostra ter sido retirada de uma parte do isolador que não necessita apresentar grande capacidade de isolamento, pois sua função principal é dar suporte mecânico. Portanto, a composição da amostra 4 deve ser bem diferente da composição das outras amostras. Agradecimentos Ao Departamento de Engenharia Química da UFMG, onde este trabalho foi desenvolvido, à CEMIG Distribuição S/A e ANEEL pelo suporte financeiro ao projeto de pesquisa (Projeto Cemig D-165). Referências Bibliográficas 1. R. Hackam IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 1999, 6 (5), S. M. Gubanski; A. Dernfalk; J. Andersson; H. Hillborg IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 2007, 14 (5), A. Kyritsis; P. Pissis; J. L. G. Ribelles; M. M. Pradas Polymer Gels and Networks 1995, 3, R. Androsch; M. Stolp; H. Radusch Thermochimica Acta, 1996, 271, S. J. Evans; P. J. Haines; G. A. Skinner Thermochimica Acta 1996, 278, J. M. Hutchinson; S. Montserrat Thermochimica Acta 1996, 286, J. Doupovec; F. Suchý; E. Illekova; I. Janigová Thermochimica Acta 1996, 282/283, P. Budrugeae; E. Segal Chimie, Anul XIV (serie nouă) 2005, I-II, A. Y. Uyarel; I. Pektas Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 1996, 46, A. R. West Solid State Chemistry and its Applications, John Wiley & Sons, New York, H. Homma; T. Kuroyagi; K. Iizumi; C. L. Mirley; J. Ronzello; S. A. Boggs in Anais International Symposium on Electrical Insulating Materials, Toyohashi, Japan, 1998, Vol. 1, página 63.