Materiais e Equipamentos Elétricos. Aula 3 Materiais isolantes e cerâmicos

Transcrição

1 Materiais e Equipamentos Elétricos Aula 3 Materiais isolantes e cerâmicos

2 Materiais isolantes O papel dos isolantes (dielétricos) no segmento elétrico é muito importante Isolam os condutores (massas, terra e entre si) Amplificam o campo elétrico sobre eles Quando aplicada uma tensão elétrica nos dielétricos ocorre a polarização das suas cargas ou de seus dipolos.

3 Materiais isolantes

4 Materiais isolantes

5 Polarização eletrônica e iônica A polarização elétrica dos materiais tem várias origens A polarização total do material é a soma de todas as polarizações presentes Polarização eletrônica e iônica Constituído por átomos ou moléculas que não apresentam momento dipolar Os átomos se orientam de acordo com o campo elétrico aplicado sobre eles Mas retornam a sua posição inicial A polarização ocorre praticamente de forma instantânea e sem dissipar energia

6 Polarização dipolar Polarização dipolar Constituído por moléculas que apresentam dipolos O campo elétrico tenderá a orientar as moléculas em sua direção e sentido Níveis mais altos de campos elétricos causam maior reorientação dos dipolos, realizando mais trabalho sobre as moléculas, causando aquecimento do material

7 Polarização dipolar

8 Polarização estrutural Polarização estrutural Constituído pela orientação complexas de material O campo elétrico tenderá deslocar íons e dipolos Ocorre em materiais amorfos e em sólidos cristalinos, por exemplo vidro Ocorrem perdas e aquecimento devido ao efeito Joule

9 Permissividade elétrica Permissividade elétrica Característica importante dos dielétricos É a razão entre as cargas movimentadas em dois eletrodos com um dielétrico e com vácuo para a mesma tensão É a razão das capacitâncias entre dois capacitores idênticos, exceto pelo dielétrico do segundo ser vácuo.

10 Permissividade elétrica ϵ r = Q Q 0 = C C 0 ϵ=ϵ r ϵ 0 ϵ 0 =8, F /m

11 Resistência de isolamento O dielétrico impede a passagem de corrente elétrica apenas enquanto o campo elétrico não exceder seu valor de ruptura (rigidez dielétrica) Em geral os dielétricos não obedecem a lei de Ohm Para valores baixos de tensão os gases obedecem a lei de Ohm

12 Resistência de isolamento

13 Resistência superficial A corrente que atravessa materiais de alta resistividade elétrica é extremamente pequena Mas a poeira, umidade e outros agentes pode criar um caminho para corrente elétrica A resistência do novo circuito é chamada de resistência superficial A resistência de isolamento é formada pelo paralelo da resistência superficial e do material

14 Resistência superficial

15 Rigidez dielétrica É definida como o valor do campo elétrico em que ocorre a ruptura do isolante Não é constante para cada material Depende da geometria Espessura, dimensões, forma dos eletrodos, frequência da tensão aplicada, temperatura, umidade Costuma-se caracterizar a rigidez dielétrica pela razão entre a tensão que gera a ruptura e a espessura do isolamento Mica: RD entre 600 a 750 kv/cm, para expessura de 1 mm

16 Rigidez dielétrica superficial Em isolantes sólidos pode ocorrer ruptura na sua superfície, em vez da massa A razão da tensão e distância entre os eletrodos ou condutores Depende da forma do isolante e do estado de sua superfície.

17 Ruptura dos dielétricos Quando o campo elétrico em um dielétrico ultrapassa sua rigidez dielétrica ocorre a ruptura do dielétrico As consequências da ruptura dependem do material dielétrico Se a ruptura ocorrer em um dielétrico fluido a matéria atingida pela descarga se espalha pelo fluido, sendo substituída por outras partículas e haverá partículas carbonizadas no fluido Em dielétricos sólidos a descarga destrói o material no ponto de ruptura, podendo reduzir ainda mais sua tensão de ruptura

18 Efeito corona Ocorre quando o gradiente de potencial excede um valor crítico Descarga luminosa que resulta da ionização do ar em torno de um condutor A condução pode ser contínua (arco elétrico) ou pulsada (faiscamento) Geralmente está relacionado a dois eletrodos assimétricos Eletrodo pontiagudo e eletrodo plano ou de baixa curvatura Dois eletrodos pontiagudos

19 Efeito corona Estão sujeitos ao efeito corona: fios, cabos, terminais, isoladores e outros equipamentos com formas irregulares A geometria e o gradiente podem fazer com que a região ionizada tenda a crescer, causando arcos elétricos ou faiscamento A descarga de corona ocorre entre dois eletrodos assimétricos Um altamente curvado e uma superfície curvada Furo de pequeno diâmetro e uma placa planar Gera um alto gradiente de potencial próximo ao eletrodo irregular

20 Efeito corona Coronas podem ser positivas ou negativas, conforme a polaridade do potencial elétrico no eletrodo altamente curvado A faísca das coronas positivas são diferentes das negativas Coronas ionizam o ar e produzem ozônio Coronas negativas gera muito mais ozônio O átomo de oxigênio O2 é ionizado e junta-se a água, formando água ozonizada H2O3. O ozônio O3 se desprende do hidrogênio H2 Sob corrente alternada, o campo magnético causado pelo campo elétrico oscilatório aumenta o campo de ionização, fazendo circuitos CA mais suscetíveis ao efeito corona

21 Efeito corona Aplicações Fabricação de ozônio Limpeza de sistemas de condicionamento de ar Máquinas de fotocópias Problemas Causa perdas de energia nas linhas de transmissão de energia elétrica Pode danificar componentes caso ocorra em seu interior, como transformadores, capacitores, motores, geradores

22 Efeito corona

23 Isolantes gasosos Ar Usado pelos condutores sem isolamento sólido ou líquido, por exemplo, nas redes de transmissão e distribuição Ar seco e limpo a 20 C tem rigidez dielétrica 45 kv/mm A rigidez cai rapidamente a 3 kv/mm na presença de umidade

24 Isolantes gasosos Hexafluoreto de enxofre SF6 5 vezes mais denso que o ar Não tóxico, inodoro e incolor Não inflamável Dobro do poder de extinção de arco elétrico relativo ao ar Rigidez dielétrica 3 vezes maior que a do ar

25 Isolantes líquidos Óleo mineral São processados através de uma rigorosa purificação Muito utilizado em transformadores, chaves elétricas, reatores, disjuntores, religadores Obtém-se o óleo mineral a partir do petróleo e de outros produtos sedimentares Cheiro desagradável, de coloração preto-azulada ou marrom Óleo isolante ideal: Baixa viscosidade; alto poder dielétrico; alto ponto de fulgor Isento de ácidos álcalis e enxofre corrosivo Resiste oxidação e formação de borras Tem baixo ponto de fluidez e não ataca os materiais usados na construção do componente (transformadores e artefatos elétricos) Baixa perda dielétrica e não contém produtos que possam agredir pessoas ou o meio ambiente Valores de ruptura dielétrica entre 80 até 140 kv/cm

26 Isolantes líquidos Propriedades físicas do óleo mineral Baixa viscosidade para que possa circular com facilidade, o que auxilia na transferência de calor com o ambiente Alto ponto de fulgor para segurança contra incêndio nos equipamentos Alto ponto de anilina, que indica baixa solubilidade dos materiais em que está em contato Alta tensão interfacial, indica um baixo número de substâncias polares no óleo, que prejudicam seu desempenho dielétrico e aceleram seu envelhecimento Cor clara quando novo; o escurecimento indica deterioração Ponto de fluidez compatível com a temperatura ambiente em que será utilizado

27 Isolantes líquidos Propriedades químicas do óleo mineral Estabilidade a oxidação. A oxidação se manifesta na forma de borra e acidez no óleo. Pode-se usar anti-oxidantes para reduzir os efeitos da oxidação Acidez e água: devem ser extremamente baixos para evitar a passagem de corrente elétrica, minimizar corrosão e aumentar a vida do sistema Compostos de enxofre (sulfatos): devem estar ausentes para evitar que o óleo cause corrosão ao cobre, prata e outros materiais existentes nos equipamentos Tendência de desprender ou absorver gases (geralmente hidrogênio) só condições de variação de temperatura, pressão

28 Isolantes líquidos Propriedades elétricas do óleo mineral Resistividade elétrica: capacidade de resistir a passagem de corrente elétrica Rigidez dielétrica: capacidade de resistir a altas tensões sem a ocorrência de rupturas dielétricas Umidade, gases dissolvidos, íons e partículas sólidas presentes no óleo prejudicam suas propriedades isolantes. O óleo pode ser tratado com aquecimento e filtragem Fator de potência: indica as perdas dielétricas no óleo. Melhores óleos causam menores perdas O fator de potência mede a contaminação do óleo por água e contaminantes sólidos ou solúveis, que causam a condução de corrente elétrica no óleo

29 Isolantes líquidos Ascarel Líquido isolante colorado Nomes comerciais: clophen, pgranol, inerteen, pyrocolor sowol No Brasil foi proibida em 1981 a instalação de novos aparelhos que usam Ascarel Comum encontrar em equipamentos velhos ou abandonados em subestações Seu impacto ambiental é alto, causando contaminação do solo e água, ameaçando lençóis freáticos. Altos riscos a saúde: cancerígeno, afeta o fígado, baço e rins. Pode causar danos irreversíveis ao sistema nervoso central Não apresenta envelhecimento Ruptura dielétrica de 200 kv/cm.

30 Vernizes Vernizes de impregnação Vernizes de colagem Vernizes de recobrimento

31 Vernizes Vernizes de impregnação É utilizado em associação com papéis, tecidos, cerâmicas porosas e materiais semelhantes Como isolante, preenche o espaço interno em um material, impedindo a fixação de umidade Melhora as propriedades elétricas, térmicas e mecânicas

32 Vernizes Vernizes de recobrimento Têm a função de camada com alta resistência mecânica, lisa e a prova de umidade Aplicação necessária em corpos isolantes porosos e fibrosos, bem como na cobertura de metais (fios esmaltados) Eleva a resistência a penetração de umidade Ainda assim é necessário o uso de um material isolante, pois uma quebra do verniz coloca o isolamento em perigo, expondo o condutor A superfície lisa torna mais difícil a deposição detritos e facilita a limpeza

33 Vernizes Vernizes de colagem Utilizados para aglutinar materiais isolantes com baixo coeficiente de atrito ou baixa consistência (ex: mica) Este tipo de verniz possui boas características isolantes, sendo utilizado para colar isolantes sobre metais Cada verniz apresenta as três propriedades, mas uns possuem uma ou duas delas de forma predominante, caracterizando a aplicação principal de cada um

34 Isolante sólidos Papel Papel é fabricado a partir da celulose da madeira Muito utilizado para finalidades elétricas, devido a flexibilidade, espessuras pequenas, preço razoável e estabilidade térmica até 100 C Elevada higroscopia: apenas 40% do volume é preenchido por fibras, o restante é espaço livre. Isso permite seu uso na eletrotécnica, com impregnação de óleos ou resinas A elevada higroscopia é consequência da disposição irregular e cruzada das fibras, deixando aberturas no seu interior, que são ocupados por outros materiais na impregnação Possui elevada resistência mecânica, a longo das fibras e transversalmente Permite tração, compressão e dobras acentuadas sem ocorrer quebras das fibras

35 Isolante sólidos Fibras de poliamida Usadas frequentemente como reforços mecânicos em cabos de utilização especial, quando as condições de uso exigem um material resistente ao fogo, de elevada flexibilidade e capaz de suportar elevados esforços de tração Fibras sintéticas de massa compacta e não-porosa (ao contrário do papel) tem em geral uma superfície externa lisa com baixo coeficiente de atrito É necessária a aplicação de verniz de colagem, adicionando resistência mecânica e assegurando a continuidade de uma camada elétrica isolante São fabricadas e consumidas em forma de fitas isolantes que suportam até 2000 kgf/cm 2 com espessura em torno de 0,5 a 1,5 cm.

36 Fibras sintéticas Fibras de vidro (material compósito) Derivada do vidro, a fibra de vidro é obtida com espessura de 5 a 10 μm. A matéria-prima deve ser vidro livre de álcalis, para evitar o aparecimento de fissuras capilares que tendem a reter umidade e prejudicar a resistência superficial Após a fabricação deve-se manter a fibra de vidro protegida da ação do ambiente Quando associadas a resinas epóxis podem suportar temperaturas acima de 200 a 300 C Câmaras de extinção de arco voltaico, em disjuntores de média e alta-tensão com volume de óleo reduzido Necessita um tratamento com verniz de colagem, para fornecer produtos elétrica e mecanicamente adequados

37 Materiais cerâmicos Reúne-se sob designação de cerâmicas um grupo de materiais de elevado ponto de fusão, que em geral, são fabricados a frio na forma plástica e que sobrem processos de queima até temperaturas de 2000 C As matérias-primas mais importantes são quartzo, feldspato, caolim e argila, havendo uma série de aditivos em baixo quantidade mas de influência sensível no resultado Caracterizam-se geralmente pelo preço baixo, por um processo de fabricação relativamente simples, e devido às características elétricas, térmicas e físicas vantajosas que apresentam com bom processo de fabricação

38 Materiais cerâmicos

39 Materiais cerâmicos Aspecto térmico: quartzo (maior porcentagem permite temperaturas mais altas) Aspecto dielétrico: feldspato (maior porcentagem permite melhor comportamento isolante) Aspecto mecânico: argila e caolim (maior porcentagem permite maior resistência mecânica)

40 Materiais cerâmicos Aplicações na elétrica: Isoladores de porcelana. Isoladores de baixa, média e altatensão para redes elétricas, dispositivos de comando, transformadores. Deve apresentar bom comportamento elétrico e mecânico Capacitores de cerâmica. Elevada constante dielétrica permite capacitores de menor volume, usados de baixa a alta-tensão. Não necessita de resistência mecânica, apenas do comportamento elétrico desejado em capacitores Cerâmica porosa. Próprias para receber fios resistivos destinados a fabricação de resistores de fornos elétricos e de câmaras de extinção de arco.

41 Materiais cerâmicos Vidro Vidro é a solução moderna para diversos problemas antigamente resolvidos apenas com porcelana O vidro pode ser encontrado em duas formas: normal e temperado Suporta temperaturas elevadas (até 200 a 250 C), sendo portanto um isolante de alta estabilidade térmica Permite tratamento térmico que eleva as suas propriedades mecânicas. A têmpera do vidro adquire importância particular nas áreas dos isolantes, tipo disco e pedestal, devido a presença de altos esforços mecânicos Geralmente possui acentuada estabilidade em contato com umidade

42 Materiais cerâmicos

43 Materiais cerâmicos Mica Mineral cristalino, que se apresenta em forma de pequenas lâminas, devido a baixa força de coesão entre os diversos planos cristalinos É um silicato de alumínio, sendo dois tipos de mica os com maior aplicação elétrica: a muscovita K 2 O.3Al 2 O 3.6SiO 2.2H 2 O e a flogopita K 2 O.3Al 2 O 3.12MgO.12SiO 2.2H 2 O Na purificação elimina-se o material de ligação entre as duas lâminas de mica, fincando o material sem um meio aderente, que é substituído por um verniz de colagem Elevada estabilidade térmica e maior temperatura de serviço, atingindo valores de até 1000 C, sendo utilizada em vários casos de aquecimento elétrico É usada na forma de grandes lâminas, lamelas e pó, reforçados por material de base e impregnado com vernizes

44 Materiais cerâmicos

45 Materiais cerâmicos Mica A cor da mica revela sua qualidade. A coloração é devida a presença de impurezas de difícil eliminação. Quanto mais incolor a mica, melhor é a sua qualidade. As cores geralmente são o amarelo, o esverdeado e o avermelhado.

46 Materiais cerâmicos Mica Placas de mica: camadas com espessura superior a 0,05 mm, usados em equipamentos e componentes elétricos estáticos, como em alguns tipos de capacitores. Estas placas de mica são também usadas para aparelhos térmicos, como aquecedores e ferros elétricos, onde um fio de aquecimento é envolto por placas de mica Lâminas de mica: Não apresenta forma própria, necessitando de aglomerante e, eventualmente, de um material de base. As lâminas são coladas entre si, formando fitas, capas, tubos de acordo com a necessidade. Incluem-se neste caso, canaletas de papel, mica e verniz de colagem, usados para isolar ranhuras de máquinas, ou a isolação entre lâminas de um coletor Pó de mica: obtido por moagem de lâminas, pode ser usado como aditivo a outras massas, pós, verniz de colagem, prensado em moldes dando origem a peças de micanite

47 Materiais cerâmicos Amianto ou abesto É um material mineral fibroso com brilho de seda, flexível resultante da transformação de silicato de magnésio O amianto se destaca pela estabilidade térmica e alta temperatura de serviço, mantendo sua resistência mecânica e flexibilidade sob altas temperaturas Utilizado como preenchimento de fusíveis, massa isolante sobre papel e fitas Há muitos anos, alguns estados e municípios brasileiros proibiram a industrialização e a comercialização de todos os tipos de amianto Em 2017 o STF proibiu o uso do amianto em todo o país