PROPRIEDADES DIELÉTRICAS DE COMPOSIÇÕES DE SILICONE PARA USO EM ISOLADORES DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

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1 GLT/9 21 a 26 de Outubro de 21 Campinas - São Paulo - Brasil GRUPO III LINHAS DE TRANSMISSÃO PROPRIEDADES DIELÉTRICAS DE COMPOSIÇÕES DE SILICONE PARA USO EM ISOLADORES DE LINHAS DE TRANSMISSÃO Eliane Guerra C. Gonzalez (*) Marcio A. Sens Leila Y. Visconte Regina Célia R. Nunes CEPEL CEPEL IMA/UFRJ IMA/UFRJ RESUMO A borracha de silicone vem sendo largamente empregada em isoladores poliméricos para linhas de transmissão devido a sua excelente característica hidrofóbica. Para prevenir a degradação do material de silicone, proveniente do efeito do arco de banda seca, é adicionado à borracha de silicone alumina triidratada, com o propósito principal de melhorar a resistência ao trilhamento elétrico. O objetivo deste trabalho é estudar as propriedades dielétricas de composições de silicone, por incorporação de quantidades variadas de alumina triidratada. Foram investigadas propriedades como rigidez dielétrica, constante dielétrica, fator de dissipação, resistividade elétrica e resistência ao trilhamento elétrico. PALAVRAS CHAVE: Isoladores poliméricos, Borracha de silicone, Alumina triidratada, Propriedades dielétricas 1. - INTRODUÇÃO Faz 3 anos que os isoladores compósitos, também conhecidos como isoladores poliméricos, vêm substituindo os seus similares em vidro e porcelana no cenário mundial 1 nas linhas de transmissão de energia elétrica. O silicone e o EPDM são os materiais que vêm sendo mais utilizados na confecção dos revestimentos destes isoladores. No entanto, observa-se nos últimos anos uma tendência maior para a utilização do silicone, devido aparentemente ao seu maior desempenho quanto à recuperação da propriedade hidrofóbica 2,3. O polidimetilsiloxano (PDMS) é o polímero básico da borracha de silicone utilizada na fabricação dos isoladores compósitos. Os grupamentos hidrocarbônicos são hidrófobos, sendo os responsáveis pela repelência à água. O material é sensível à umidade, formando gotas em uma área mínima, e desta forma, a superfície é capaz de resistir ao desenvolvimento de correntes de fuga 4. No entanto, quando o isolador compósito energizado é submetido a elevada ou prolongada umidade, a repelência à água é temporariamente perdida, formando um filme transitório de água, com conseqüente desenvolvimento das correntes de fuga 5-9. A densidade de corrente de fuga na superfície do isolador não é uniforme e depende da distribuição da poluição e da umidade. Se a corrente for suficientemente concentrada, ela promoverá a evaporação do filme de água devido ao efeito Joule, levando à formação de bandas secas. Essas bandas secas são pontos de elevada resistência elétrica e que por isto concentram praticamente toda a tensão aplicada ao isolador. O elevado nível de campo elétrico nesses pontos favorece a ocorrência de descargas pelo ar, ocorrendo os denominados arcos de banda seca 1. O arco de banda seca é capaz de produzir temperaturas superficiais localizadas 11, da ordem de 24 a 4 o C, podendo ocasionar o trilhamento elétrico e a erosão do material polimérico 12. Para prevenir a degradação do material de silicone, proveniente do efeito do arco de banda seca, é adicionado à borracha de silicone o hidróxido de (*) Centro de Pesquisas de Energia Elétrica CEPEL Caixa Postal 687 Rio de Janeiro RJ - CEP: Tel: (21) Fax: (21) eliane@cepel.br

2 2 alumínio (Al(OH) 3), também conhecido como alumina triidratada (ATH), com o propósito principal de melhorar a resistência ao trilhamento elétrico e à erosão 2,4,8, A alumina triidratada é uma carga mineral semireforçadora, quimicamente inerte, que apresenta a capacidade de retardar a chama e suprimir a fumaça para a maioria dos materias poliméricos. Como contém 34,6% de água quimicamente combinada, quando exposta a elevadas temperaturas se decompõe, absorvendo energia da fonte de calor e liberando vapor d'água, proporcionando, no caso dos isoladores de silicone, uma maior estabilidade térmica. A decomposição inicia-se à 23 o C, mas a decomposição máxima ocorre entre 3 e 35 o C. A reação endotérmica de desidratação é ilustrada abaixo 19 : 2 Al(OH) cal/g Al 2O H 2O TABELA 1 - Estrutura do polidimetilsiloxano e propriedades dielétricas de compósitos de silicone PROPRIEDADE Rigidez dielétrica 2 Constante dielétrica 2, FAIXA TÍPICA > 2kV/mm Fator de dissipação 2,19,3-3 % Resistividade volumétrica 19 Exemplo 1-1 T Ω.m Polidimetilsiloxano Estrutura química CH 3 Si O CH 3 n Apesar da comprovada importância da alumina triidratada nas composições de silicone, trata-se de uma carga hidrofílica, o que pode elevar o desenvolvimento de correntes de fuga. Como a prioridade nos isoladores é a redução da corrente de fuga, o que é controlado pela fração polimérica da composição 15, a quantidade de ATH utilizada precisa ser muito bem dosada. O comportamento do material polimérico sob condições reais de serviço depende, em grande parte, das propriedades físicas do polímero, as quais são função de sua estrutura molecular e das alterações destas propriedades com o tempo. Portanto, é de grande importância o estudo do fenômeno de envelhecimento de materiais poliméricos. Para simular as condições reais de utilização do composto elastomérico, com suas variadas cargas, corpos-de-prova foram condicionados sob radiação ultravioleta e umidade elevada. A radiação ultravioleta proveniente do sol, ou de uma fonte artificial, pode promover a fragilização da maioria dos materiais, principalmente dos poliméricos, levandoos a um processo de degradação progressivo, capaz de reduzir a repelência dos mesmos à umidade, de propagar trincas e fissuras e, conseqüentemente, de acumular contaminantes superficiais e de facilitar o processo de trilhamento elétrico, quando tais materiais estão sob ação simultânea de campos elétricos e de alta umidade. Na Tabela 1, além da estrutura química do polidimetilsiloxano, são listadas faixas de algumas propriedades dielétricas de compósitos de silicone de alto desempenho EXPERIMENTAL 2.1 Materiais Para o desenvolvimento deste trabalho foram utilizados os seguintes materiais: goma de silicone Silastic GP437 (Dow Corning); hidróxido de alumínio Hydrogard HY com tratamento supeficial de silano a,5% e sem tratamento superficial (Alcoa Alumínio S/A); sílica pirogênica LM-15 (Cabot); peróxido de 2,5 bis-tercio-butil 2,5 dimetil-hexano - Varox (Vanderbilt Co.); fluido de silicone 55 (Dow Corning). 2.2 Preparação dos corpos-de- prova 2 As misturas foram preparadas em moinho de rolo Berstorff e vulcanizadas por compressão a 17 o C, por cerca de 7 minutos, conforme tempo obtido no reômetro de disco oscilatório, segundo norma ASTM D 284. Os corpos-de-prova (CP's) passaram por um processo de pós cura a 185 o C, em estufa com circulação de ar, por um período de 7 horas, de forma a eliminar os produtos voláteis provenientes da decomposição do peróxido durante a vulcanização. 2.3 Ensaios elétricos Os ensaios foram realizados no Laboratório de Propriedades Elétricas e Magnéticas do Cepel, na temperatura de 23 ± 2 o C e umidade relativa de 63 ± 5% Ensaio de resistência ao trilhamento elétrico O ensaio foi realizado conforme norma ASTM D 233, método 2, critério A, com tensão crescente em degraus de 25 V por hora. A tensão inicial variou de acordo com o tipo de composição, e o fluxo do líquido contaminante, conforme o nível de tensão.

3 3 Para que a composição possa ser classificada no seu último nível de tensão suportado, os seus cinco corposde-prova devem suportar três níveis de tensão sem ocorrência de falha, e a corrente no circuito de alta tensão através dos corpos-de-prova não deve exceder à 6 ma Determinação da constante dielétrica e fator de dissipação Este ensaio foi realizado conforme norma ASTM D 15. A espessura de cada corpo-de-prova foi medida com um micrômetro, em cinco pontos diferenciados, para a obtenção da espessura média. Em seguida foram determinados a capacitância e o fator de dissipação de cada amostra, utilizando-se uma célula própria para materiais sólidos e de uma ponte de capacitância com tensão de 1V e freqüência de 1 khz. Com o valor da capacitância de cada CP e a capacitância à vazio, determinado pela espessura de cada amostra, foi obtido o valor da constante dielétrica. O fator de dissipação de cada CP foi o valor medido na ponte transformado em valor percentual Determinação da resistividade volumétrica A resistividade volumétrica foi determinada conforme ASTM D 257, utilizando-se uma célula para medição de resistividade em materiais dielétricos sólidos, e o valor de resistência de cada amostra foi obtido através de um teraohmímetro, com tensão de 5 V. Com o valor de resistência, da espessura de cada CP e com a área dos eletrodos a resistividade volumétrica foi calculada Determinação de rigidez dielétrica O ensaio foi realizado conforme norma ASTM D 149. Os CP's foram colocados dentro de uma cuba entre dois eletrodos de 25 mm de diâmetro, imersas em óleo isolante, para reduzir o escoamento de correntes superficiais. O eletrodo inferior foi aterrado e o superior conectado à uma fonte de alta tensão em 6 Hz. Para se estabelecer a tensão inicial de ensaio submeteu-se um CP a uma aplicação crescente de tensão até a ruptura. Nos demais CP's foi aplicado inicialmente 5% deste valor que foi incrementado de 1% a cada 2 segundos, até a tensão romper volumetricamente o CP, sendo considerado o último degrau de tensão suportado. A rigidez dielétrica foi então obtida pela divisão dessa tensão pela espessura do CP. 2.4 Avaliação do envelhecimento acelerado nas propriedades dielétricas das composições de silicone A retenção das propriedades dielétricas das composições foram verificadas após elas serem submetidas a um ciclo de envelhecimento acelerado pelo período de aproximadamente 3 meses. Este ciclo envolveu, além da radiação ultravioleta emitida por lâmpadas fluorescentes FS-4 313/28 nm (94 h), períodos de umidificação (276 h), chuva (138 h), névoa salina (7kg/m 3 46h), e aquecimento (~ 4 o C/ 483 h) RESULTADOS E DISCUSSÃO As composições de silicone serão diferenciadas conforme a quantidade de cargas na composição em ATH/Sílica. Exemplo: 1TS/2 significa que para cada 1 partes de goma de silicone utilizou-se 1 partes de ATH e 2 partes de sílica. TS - alumina com tratamento superficial foi utilizada. Os resultados dos ensaios de trilhamento são mostrados na Figura 1 de acordo com os os níveis de tensão suportados pelos compósitos, seguindo o critério de classificação da norma especificada. Tensão (kv) ,75 2,25 2,75 2,75 3 3,5 3,5 5TS/ / /2 1/ 1TS/ 1TS/2 15TS/ ATH / silica FIGURA 1 - Resistência ao trilhamento das composições de silicone-ath/sílica (ASTM D 233). Observa-se através dos valores de resistência ao trilhamento obtidos, que a composição 5TS/ mostrou menor resistência do que a /, levando a crer que 5 phr desta alumina está abaixo do valor crítico para que a propriedade possa ser influenciada. Comparando-se as composições 1TS/ e 1/ nota-se uma maior resistência para a composição contendo a alumina tratada superficialmente, indicando uma melhor distribuição da carga. As composições 1TS/2 e 15TS/ foram as que mostraram melhores resultados quanto à resistência ao trilhamento, indicando um efeito de diluição na composição pelo valor de carga total acima de 1 phr (**) (5%). Comparando-se as composições /2, 1TS/ e 1TS/2 pode-se perceber um sinergismo entre as cargas de sílica e alumina. Nas Figuras 2, 3 e 4 são mostrados os resultados obtidos para os demais ensaios elétricos realizados nas diversas composições. Para um dielétrico é importante que sua constante dielétrica e fator de dissipação tenham valores bem baixos, pois isso assegura o reduzido aquecimento do material quando submetido à um campo elétrico alternado. Já a resistividade e a rigidez dielétrica é importante que apresentem valores elevados. (**) phr parts per hundred of resin

4 4 Destaca-se na Figura 2 o significante efeito da alumina na elevação da constante dielétrica, que chegou a 7, aproximadamente, para 15 phr de ATH, contra 3 da goma pura. Além de que, nesta concentração de carga de alumina, o material resultou em um fator de dissipação muito elevado, ocasionando grandes perdas e aquecimento, quando sob ação de campos elétricos. Constante dielétrica Fator de dissipação (%) Rigidez dielétrica (kv/mm) , 22, 2,5 21,2 22,6 24,3 24,7 εr, D (%) , 8,7 7,9 6,5 6,4 6,4 4,8 5,6 6, ,1,2,2 / /2 5TS/ 1/ 1TS/ 1TS/2 15TS/ / /2 5TS/ 1/ 1TS/ 1TS/2 15TS/ ATH / sílica (phr) FIGURA 4 - Rigidez dielétrica das composições de silicone ATH/sílica. ATH / silica (phr) FIGURA 2 - Constante dielétrica (εr) e Fator de dissipação (D) das composições silicone-ath/sílica. A polaridade do hidróxido de alumínio tende a aumentar a absorção de água dos compósitos e então diminuir a sua resistividade elétrica, o que pode ser observado claramente na Figura 3, onde a resistividade volumérica diminui drasticamente com a adição de ATH. No entanto, a composição contendo a alumina parcialmente tratada (1TS/) apresentou uma resistividade volumétrica levemente maior do que a sua similar com ATH sem tratamento(1/). Nota-se ainda que, com a incorporação de 2 phr de sílica, a resistividade aumenta. ρv ( T Ω.m ) ,92 2,1 5,1 / 5TS/ 1/ 1TS/ 1TS/2 15TS/ ATH/silica (phr),62 FIGURA 3 - Resistividade volumétrica (p v) das composições de silicone-ath/sílica Através da Figura 4 pode-se observar que houve algum ganho na rigidez dielétrica com a adição de alumina na borrracha de silicone, que foi ainda melhorada com a incorporação de sílica, comprovando os resultados de resistência ao trilhamento e indicando uma preferência pela composição 1TS/2, que também teve sua resistividade volumétrica superior. Analisando os resultados dielétricos de todas as composições observa-se que as formulações com ATH/sílica: 1TS/2 e 15TS/, apresentaram resultados semelhantes, sendo que em algumas propriedades dielétricas a 1TS/2 mostrou maior desempenho. Através das Tabelas 2 e 3 pode ser feita uma avaliação dos danos causados às composições pelo envelhecimento acelerado. A goma pura (/) praticamente não teve alteração, tendo até melhorado algumas propriedades, como a resistividade volumétrica (Tabela 2) e rigidez dielétrica (Tabela 3). No caso da composição contendo sílica (/2), somente a resistividade volumétrica diminuiu um pouco, sua rigidez dielétrica praticamente não variou. No entanto, com a adição da alumina, todas as propriedades dielétricas analisadas foram prejudicadas devido, provavelmente, à absorção de água pela alumina durante o envelhecimento. TABELA 2 - Popriedades dielétricas das composições antes e após o envelhecimento acelerado conforme item 2.4. ATH/Sil (phr) Constante Dielétrica Fator de dissipação (%) Resistividade volumétrica (TΩ.m) / antes 2,97,17 67 / após 3,7,5 234 Retenção /2 antes 2,98,18 51 /2 após 3,18,3 31 Retenção TS/2 antes 5,59 6,42 5,11 1TS/2 após 6,23 6,83 1,39 Retenção

5 5 Na resistência ao trilhamento foi observado que o percentual de retenção (Tabela 3) foi praticamente o mesmo para as três composições, tendo portanto, a alumina cumprido o seu objetivo: aumentar a resistência ao trilhamento do material de silicone. TABELA 3 - Retenção da rigidez dielétrica e da resistência ao trilhamento elétrico das composições após envelhecimento acelerado conforme item 2.4 ATH/Silica (phr) Rig. Dielétrica (kv/mm) Trilhamento (kv) / antes 2, 2,25 / após 22, 1,75 Retenção /2 antes 22, 2,75 /2 após 2,9 2,25 Retenção TS/2 antes 24,3 3,5 1TS /2 após 2, 2,75 Retenção CONCLUSõES Para as composições estudadas: foi observado que 5 phr desta alumina é insuficiente para influenciar na resistência ao trilhamento; a quantidade de sílica pirogênica incorporada, por apresentar elevada resistividade elétrica e absorver quantidades insignificativas de água, não prejudicou as propriedades dielétricas estudadas; a utilização da ATH com tratamento superficial proporcionou a obtenção de melhor dispersão da carga na matriz polimérica em relação à não tratada; ocorreu um sinergismo entre as cargas utilizadas (sílica e ATH), observado nos resultados de resistência ao trilhamento; A alumina se mostrou adequada na melhora da resistência ao trilhamento elétrico do material, embora prejudique algumas das propriedades dielétricas; As propriedades dielétricas analisadas foram influenciadas pelas condições de envelhecimento acelerado. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) MAKEVISH, J., SHAH, M. Polymer outdoor insulating materials - Part I: Comparison of porcelain and polymer electrical insulation, IEEE Eletrical Insulation Magazine, v. 13, n.3, p. 5-12, (2) KINDERSBERGER, J. et al. Service perfornance, material design and applications of composite insulators with silicone rubber housings, CIGRÉ SC 33-33, p. 1-5, Paris, (3) RIQUEL, G. et al. Natural and artificial ageing of non-ceramic insulators evaluation of diagnostic techniques, 9 th International Symposium on High Voltage Engineering, p /4, Austria, (4) KIM, S.H., CHERNEY, E.A., HACKAM, R. "Hydrophobic behavior of insulators coated with RTV", IEEE Trans. on Electrical Insulation, v. 27, n. 3, p , (5) MARTINS, A.J.C. Revestimento à base de silicone para isoladores de alta tensão. II Seminário de Materiais do Setor Elétrico, Curitiba, 199. (6). GUBANSKI, S.M. Properties of silicone rubber housings and coatings, IEEE Transactions on Dieletrics and Electrical Insulation, v. 27, n. 2, p , (7) ROBERT, R., DIETRICHKEIT, E. Efeito da radiação UV, ozônio e temperatura sobre borracha de silicone, III Seminário de Materiais do Setor Elétrico, p. VII-51-63, Curitiba, (8) WANKOWICZ, J.G., GUBANSKI, S.M., LAMPE, W.D. Loss and recovery of hydrophobicity on RTV coating surfaces, IEEE Transactions on Dieletrics and Electrical Insulations, v. 1, n. 4, p , (9) SWIFT, D.A. Hydrophobicity of silicone rubber insulators: some intriguiding experimental findings. In: CIGRÉ Colloquium, SC 33-95, Zimbabwe, (1) GLEIZER, H.,1987, Um estudo sobre trilhamento elétrico e erosão em dielétricos inorgânicos usados em isoladores para linhas de transmissão de corrente contínua. Tese de mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. (11) DENG, H., HACKAM, R. "Electrical of RTV silicone rubber coating of different thicknesses on porcelain", IEEE Trans. on Power Delivery, v 12, n. 2, p , (12) GORUR, R.S. et al. "The electrical performance of polymeric insulating materials under accelerated aging in a fog chamber"; IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, v. 3, n. 3, p , (13) KIM, S.H., CHERNEY, E.A., HACKAM, R. Effects of filler level in RTV silicone rubber coatings used in HV

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