MATERIAIS POLIMÉRICOS DO SETOR ELÉTRICO: O CASO DOS ISOLADORES

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1 MATERIAIS POLIMÉRICOS DO SETOR ELÉTRICO: O CASO DOS ISOLADORES Bruno F. Gianelli 1, Nílson Cristino da Cruz 1, Galdenoro Botura Jr. 1, Elidiane C. Rangel 1, Luciane L. Rodrigues 1, Sandro D. Mancini 1*, Vladimir X. Batista 2, Camila S. Franco 1, Juliane Ziviani 1, Gabriela Antoniol 1, Natália Nogueira 1 1 Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho UNESP, Campus de Sorocaba, Sorocaba-SP mancini@sorocaba.unesp.br 2 AES Eletropaulo A manutenção de linhas de distribuição e transmissão de energia gera grandes quantidades de resíduos, dos quais apenas os não condutores foram tratados neste trabalho, em especial, os poliméricos na forma de isoladores. Em 11 meses foram gerados pela Eletropaulo cerca de 560 toneladas de resíduos não condutores e deste total, tem-se aproximadamente 14,5 toneladas ou 7270 unidades de isoladores poliméricos, os quais gradualmente estão substituindo seus similares de porcelana e vidro e cujo potencial de reciclagem precisa ser estudado quanto a sua rentabilidade e características técnicas. Estudo comparativo entre isoladores poliméricos retirados de linhas com uma amostra padrão sem uso, através da medição do ângulo de contato, constatou que um simples procedimento de limpeza aumentou o ângulo de contato, de até 2,3 (2%), tornando a amostra mais hidrofóbica. Isto ocorreu devido à limpeza da camada de poluição que se deposita em sua superfície ao longo do tempo, que é mais pronunciada no nível inferior da cadeia de isoladores, onde a lavagem natural através de chuvas não ocorre adequadamente. Palavras-chave: Reciclagem, polímeros, resíduos elétricos, isoladores elétricos. Polymeric materials of the electric sector: the case of insulators. The maintenance of the distribution and transmission lines generates great amounts of residues, which only the not conducting ones had been dealt in this work, specially, the polymerics in the form of insulators. In 11 months had been generated by Eletropaulo about 560 tons of not conducting residues and of this total, we have approximately 14,5 tons or 7,270 units of polymerics insulators, which gradually are substituting its similars of porcelain and glass and whose recycling potential must to be studied in relation its yield and technical characteristics. Comparative study between polymerics insulators removed of lines with a standard sample without use, through the measurement of the contact angle, it evidenced that a simple procedure of cleaning increased the contact angle, up to 2,3 (2%), becoming the sample more hydrophobic. This occurred due to cleaning of pollution s layer deposited in its surface throughout the time, that is more significative in the bottom level of the chain of insulators, where the natural washing through rains does not occur adequately. Keywords: Recycling, polymers, electrical residues, electrical insulators. Introdução Com o desenvolvimento tecnológico e o aumento da população, novos produtos foram inseridos na sociedade e também benfeitorias foram assimiladas, como é o caso da transmissão e distribuição de energia elétrica. Porém com o vislumbre do esgotamento dos recursos naturais e a geração de grandes quantidades de resíduos originados das reposições periódicas dos materiais das redes elétricas, assim como dos custos associados a sua disposição final, existe atualmente um reconhecimento pela sociedade das empresas que atuam de forma responsável com relação o meio ambiente.

2 Dentre os resíduos originados das reposições periódicas do setor elétrico que não encontram facilidade de encaminhamento para a reciclagem, incluem-se os materiais poliméricos e os materiais cerâmicos, em especial empregados como isolantes. Nos últimos 11 meses foram gerados pela Eletropaulo cerca de 560 toneladas de resíduos não condutores, destes, 14,5 toneladas são, na sua maioria, isoladores poliméricos, ou seja, aproximadamente 7270 unidades foram descartadas neste período, considerando que o peso médio do isolador utilizado pela Eletropaulo é de 2 kg. Os isoladores poliméricos ou compósitos gradualmente estão substituindo seus similares de porcelana e vidro nas linhas de transmissão e distribuição de energia, ou seja, a tendência atual é que a quantidade de resíduo originado por esse componente aumente. Dentre os principais materiais empregados na fabricação dos mesmos se destacam o EPDM (monômero de etileno-propileno-dieno) e a borracha de silicone. Nos últimos anos é possível notar a crescente tendência no emprego de isoladores poliméricos baseados na borracha de silicone devido, principalmente, ao seu melhor desempenho na recuperação de sua característica hidrofóbica [1]. Usualmente um isolador polimérico tipo bastão é constituído por três partes fundamentais: o núcleo, as pontas de conexão e a superfície polimérica, como pode ser visto na Figura 1. Figura 1 Elementos de um Isolador Polimérico [2]. As principais características de cada um desses componentes encontram-se listadas a seguir [3]: Núcleo: constituído de fibra de vidro reforçada - FRP ( fiber-glass reinforced plastic ), sendo que o material empregado normalmente é uma fibra de vidro e uma resina epóxi como matriz. Possui como característica servir de matriz para a deposição da borracha de silicone durante o processo de injeção; Pontas de conexão: normalmente são constituídas de aço forjado, alumínio ou outros materiais condutores e com boa resistência mecânica. São fixadas previamente ao núcleo

3 antes mesmo desse ser submetido ao processo de injeção. Possui como característica principal a de servir de conexão e ancoragem entre a linha de transmissão e distribuição de energia e a torre; Superfície polimérica: é constituída de borracha de silicone e provê principalmente isolação elétrica e proteção ao núcleo de FRP. Os isoladores em questão são todos do mesmo padrão, possuindo um comprimento total entre pontas de 880 mm, e um total de 25 discos poliméricos, sendo que esses discos poliméricos também são conhecidos como saias ou abas. A formação de descargas superficiais, conhecidas como flashover, desgasta a superfície do isolador podendo levar a uma falha crítica, como mostra a Figura 2. Figura 2 Imagem de descarga corona em isolador polimérico. A seqüência de eventos que levam à ocorrência de descargas superficiais e conseqüentemente a esta falha crítica, pode ser descrita da seguinte maneira [4]: i. Ocorre a precipitação de particulados, contendo sais solúveis ou ácidos diluídos, em suspensão na atmosfera, diretamente sobre a superfície do isolador. ii. A superfície do isolador é umedecida pela presença de névoa, chuva fina, nevoeiro ou ambiente com alto grau de umidade, durante um período significativo de tempo. Isso acarreta a dissolução dos depósitos salínicos, criando uma camada condutora na superfície do isolador. iii. Assim que a camada condutora se forma, ela possibilita o início de correntes de fuga superficiais. Essas correntes sobreaquecem a superfície do isolador, secando assim determinados pontos dela.

4 iv. A secagem da camada condutora não ocorre de maneira uniforme, fazendo com que partes da camada poluidora úmida sejam cortadas por bandas secas, interrompendo o fluxo de corrente de fuga. v. As tensões aplicadas sobre as bandas secas, que normalmente possuem alguns centímetros de largura, causam uma descarga no ar que ultrapassam essa banda. Esses arcos se encontram eletricamente em série com a resistência das camadas úmidas da poluição. vi. Se a resistência da banda seca for muito baixa, os arcos que a ultrapassam não se extinguem e passam a aumentar sua extensão ao longo da superfície do isolador. Este fato diminui a resistência em série com os arcos, aumentando a corrente e sua extensão, até o ponto no qual toda a superfície do isolador esteja coberta, ocasionando uma descarga disruptiva. O objetivo deste trabalho é apresentar uma caracterização da geração de resíduos não condutores por parte de empresa do setor elétrico, bem como mostrar resultados de estudo sobre isoladores poliméricos de borracha de silicone retirados de linhas em comparação com uma amostra padrão sem uso. Para a comparação, utilizou-se a medição da propriedade ângulo de contato, importante medida das características superficiais dos materiais. Experimental Utilizaram-se dados fornecidos pela AES Eletropaulo com relação ao seu descarte para a elaboração de uma caracterização dos materiais não condutores descartados peal empresa. A idéia do estudo é dimensionar massa de resíduos cujo encaminhamento para a reciclagem não é tão simples e rentável, como são outros resíduos típicos da AES Eletropaulo e do setor elétrico em geral, como fios de cobre e alumínio, bem como sucata ferrosa. Já o estudo sobre as propriedades superficiais do isolador de silicone foi realizado a partir do ângulo de contato formado entre uma gota de líquido e a superfície. Esse ângulo está diretamente relacionado à energia superficial presente em cada material e esta é caracterizada pelo fato de que os átomos presentes na superfície do material se encontram em um estado de energia superior aos apresentados pelos átomos no interior do mesmo. Isso porque átomos da superfície não interagem com o número máximo possível de átomos vizinhos, ao contrário do que ocorre com os átomos presentes no interior do material [5-6]. A interação entre uma gotícula de água e a superfície de um material, origina um ângulo, que é definido como o ângulo formado entre o plano tangente á gota do líquido e a superfície onde ela se encontra depositada, como ilustra a Figura 3.

5 γ LV )θ γ SV γ SL Figura 3 - Ângulo de Contato [7]. Baseado no conceito exposto anteriormente e devido ao fato que na natureza todos os elementos tendem ao estado de menor energia, quanto maior a energia superficial de um material, maior será a superfície de contato entre a gota de um líquido e a superfície, pois com isso os átomos da superfície desse material recobertos pela gota irão ter sua energia livre diminuída. Com essa maior área de contato, o ângulo é reduzido. Para ângulos menores que 90 0 a superfície é dita hidrofílica, ou seja, possui afinidade com a água. Para ângulos maiores que 90 0 a superfície passa a ser hidrofóbica, possuindo baixa afinidade pela água [3]. O processo de caracterização por ensaio de hidrofobia consistiu na obtenção de dados da superfície poluída do isolador, sem limpeza, e na coleta de dados com a superfície limpa, sendo que um isolador polimérico de borracha de silicone proveniente do mesmo fabricante foi considerado como amostra padrão. Realizou-se então a separação de amostras medindo 3 x 2 cm de área das abas dos isoladores, sempre coletando a amostra na parte mais próxima da haste do isolador. Esta região, embora teoricamente seja o local com menor grau de deposição de poluição salínica, também é a região que provavelmente menos sofre a limpeza natural de sua superfície pela ação de chuvas. A coleta das amostras foi realizada em três níveis distintos de cada isolador, superior, médio e inferior, devido à ação do campo eletromagnético ao longo da extensão da cadeia do isolador, o que pode afetar as propriedades da borracha de silicone, em função do campo elétrico sobre a mesma, como mostra a Figura 4. Apenas a amostra proveniente do isolador sem uso (amostra padrão) foi coletada de um único nível, pois o mesmo nunca entrou em operação [8].

6 Nível Inferior Nível Superior Figura 4 Distribuição de campo elétrico para um isolador polimérico padrão [8]. Considerando que os isoladores padrões empregados nas linhas em questão possuem uma distância entre pontas de aproximadamente 880 mm, e adotando como ponto inicial a extremidade mais próxima da linha de energia, o nível inferior de coleta dista 120 mm, o nível médio dista 450 mm e o nível superior dista 780 mm do ponto inicial, ou ponto zero. Ainda, foram realizados ensaios semelhantes para amostras limpas, após remoção da camada poluída em banho ultra-sônico de 15 minutos com água destilada e secagem a temperatura ambiente. O procedimento acima adotado deve-se ao fato que embora um isolador polimérico de borracha de silicone seja hidrofóbico, os sais que se depositam em sua superfície não o são, podendo assim acarretar um maior espalhamento da gota e o surgimento de descargas superficiais. Utilizando-se um goniômetro Ramé-Hart , mostrado na Figura 5, do LaPTec - Laboratório de Plasmas Tecnológicos - da UNESP Campus Experimental de Sorocaba, foram depositadas cinco gotas de aproximadamente 10 µl de água deionizada e mediu-se 20 vezes o ângulo de contato entre essa gota e a superfície da amostra.

7 Figura 5 Goniômetro Ramé-Hart Resultados e Discussão A Tabela 1 apresenta os resíduos de materiais não condutores que foram gerados de junho de 2008 até maio de 2009 e suas respectivas quantidades. Tabela 1 Resíduos de Materiais Não Condutores Material Descritivo Massa, kg Porcelana / Vidro Sem ferragem Com ferragem Com bobinas Madeira Cruzetas Só bobinas 1556 Plástico Isoladores Borracha Diverso Sucata sem valor 398 TOTAL Verifica-se pela Tabela 1, que temos 14,5 toneladas, ou seja, quase 3% do total de materiais não condutores descartados, somente de isoladores poliméricos, que são descartados sem nenhum processo de reciclagem. A Tabela 2 apresenta os valores das medidas de ângulo de contato entre a gotícula de água deionizada e a superfície das amostras.

8 Tabela 1 Ângulo de contato Amostras Envelhecidas x Amostra Padrão. Ângulo de contato, Isolador Nível da amostra Isolador com superfície poluída Isolador com superfície limpa Superior 104,24 ± 5,90 105,33 ± 8,91 1 Médio 102,21 ± 6,44 103,76 ± 5,33 Inferior 90,45 ± 5,78 97,66 ± 3,76 Superior 103,61 ± 5,22 105,47 ± 9,29 2 Médio 106,80 ± 7,83 106,89 ± 8,12 Inferior 98,80 ± 7,54 99,57 ± 5,67 Superior 105,01 ± 9,73 107,31 ± 7,96 3 Médio 101,41 ± 6,77 103,21 ± 6,98 Inferior 100,22 ± 3,27 103,65 ± 8,53 Superior 107,19 ± 6,98 107,19 ± 9,18 4 Médio 100,53 ± 4,66 100,53 ± 6,84 Inferior 95,55 ± 4,70 95,55 ± 4,83 Superior 107,12 ± 5,05 107,12 ± 7,75 5 Médio 106,01 ± 3,75 106,12 ± 5,98 Inferior 98,75 ± 7,03 98,75 ± 6,36 6 PADRÃO - 107,78 ± 4,58 Os dados obtidos mantêm coerência com o que se esperava. Os ângulos de contato tendem a aumentar com a limpeza da superfície da amostra, aproximando-se dos valores da amostra padrão, de 107,78 o. O valor máximo atingido por amostras usadas poluídas foi de 107,19 o e para amostras limpas foi de 107,31 o, sempre no nível superior do isolador. Nesse sentido, observa-se pela Tabela 1 que para as amostras coletadas no nível inferior do isolador, ou seja, próximo à linha de transmissão de energia e, portanto submetida a um alto campo eletromagnético, assim como pouco sujeita a limpeza superficial pela ação da chuva, o ângulo de contato apresenta-se muito inferior ao da amostra padrão, chegando ao mínimo de 90,45 o. Esse fator torna essa região como a mais propícia a se detectar a presença de efeito corona. A atividade corona presente em uma linha de transmissão e distribuição é uma descarga parcial luminosa dos cabos condutores e dos isoladores devido à ionização do ar, onde o campo elétrico excede um valor crítico. Por exemplo, um alto campo eletromagnético gerado por descargas superficiais ioniza o ar, excitando assim as moléculas de nitrogênio, o que causa uma emissão de radiação ultravioleta e por conseqüência o efeito corona. Uma região do isolador polimérico que apresenta uma elevada atividade corona por um período significativo de tempo pode ter sua superfície desgastada e suas características hidrofóbicas (e por conseqüência isolantes) alteradas. Observa-se ainda pela Tabela 2 que, assim como esperado, em todas as amostras limpas o valor médio do ângulo de contato foi sempre superior ou no máximo igual ao determinado para as amostras poluídas. Isso indica que eventuais depósitos de sal foram removidos do isolador com a limpeza, aumento a característica hidrofóbica do material.

9 O ângulo de contato é uma das propriedades mensuráveis para isoladores, pois pode fornecer um indicativo de seu desgaste com o uso. Isso porque quanto maior o ângulo de contato, maior a característica hidrofóbica do material, ou seja, menor a afinidade dele com a água e, consequentemente, mais isolante ele será. Conclusões Atualmente carece de desenvolvimento uma melhor destinação dos materiais não condutores descartados pela empresa, seja na forma de reciclagem ou de um reaproveitamento. Neste levantamento de apenas 11 meses, verifica-se que 559 toneladas de materiais são descartados e destes, 14,5 toneladas são oriundas somente de isoladores usados. A despeito do impacto ambiental causado pelo seu descarte, a quantidade não parece ser muito expressiva, porém é necessário verificar se o aguardo do acúmulo deste tipo de material para a obtenção de uma quantidade mais significativa para o seu processamento seria rentável economicamente. A reciclagem do isolador envolveria um estudo para a reciclagem da fibra de vidro com resina epóxi, material que constitui o núcleo. E para a borracha (EPR), material da superfície, o processo já é conhecido e envolve a quebra das suas ligações covalentes. Houve um aumento nos valores de ângulo de contato com o procedimento de limpeza dos isoladores, principalmente para as amostras de nível superior e médio, mais sujeitas à ação da limpeza natural por parte das chuvas. Esse aumento, por exemplo, foi de cerca de 2% para a amostra coletada no nível superior para o isolador 3, com o ângulo de contato aumentando em 2,3 e a amostra após limpeza apresentando valor de 107,31 - apenas 0,4% menor que o valor do padrão, que é de 107,78. Ficou clara a diminuição da hidrofobicidade do isolador polimérico quando sua superfície encontra-se coberta por uma camada de poluição, proeminentemente salínica. A amostra coletada no nível inferior do isolador 1 apresentou valor de 90,45 antes da limpeza denotando uma característica hidrofílica mais pronunciada, e passou para 97,66 após a limpeza, valor este ainda quase 10% inferior ao valor do padrão. Isto acontece especialmente no nível inferior da cadeia de isoladores, pois a mesma é submetida a altos campos eletromagnéticos. Também se deve a seu posicionamento na linha, pois a lavagem natural que ocorreria com a presença de uma chuva forte não ocorre adequadamente. Com isso essa região pode ser considerada como a mais propícia a apresentar falhas devido à presença de efeito corona. Agradecimentos Os autores agradecem a Eletropaulo, por disponibilizar as informações necessárias e pelo apoio financeiro, bem como à Fundação para o Desenvolvimento da UNESP e a Fundação para o

10 Desenvolvimento de Bauru. Agradecem ainda ao André Alves dos Santos pelo auxílio na obtenção dos dados. Referências Bibliográficas 1. E.G.C. Gonzáles et al in 16º. Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica (SNPTEE), Campinas, J.M. Seifert; W. Hubl in Iraklion Symposium, Grécia, B. F. Gianelli, Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP) Sorocaba, D.R. Mello et al in Anais do 1º. Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica (CITENEL), M. Ashraf; R. Hackam in IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 1998, H. Hillborg; U.W. Gedde in IEEE Transactions on Dieletrics and Electrical Insulation, 1999, Vol. 6, P. C. Inone et al in 2º. Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica (CITENEL), 2003, D.A. Hoch; N. Mahatho; F. Bologna, Water induced discharges on transmission voltage silicone rubber insulators. Disponível em < >. Acesso em 20 dez