Dielétricos Gasosos

DIELÉTRICOS GASOSOS APLICADOS EM ELETROTÉCNICA Lídia Ana Araújo de França [Voluntária] [ Voluntária] 1, Marco Antonio Ferreira Finocchio [Orientador]  2, Marcio Mendonça [Colaborador]  3 1

Acadêmica do Curso Técnico em Eletrotécnica

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Curso de Engenharia Elétrica, Laboratório de Segurança Iluminação e Eficiência Energética LABSIEE

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Curso de Engenharia Elétrica, Laboratório de Segurança Iluminação e Eficiência Energética LABSIEE Campus de Cornélio Procópio Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Endereço: Av. Alberto Carazzai, 1640  –  CEP:  CEP: 86.300-000 [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]  [email protected]

Resumo - Este trabalho objetiva explicar as características de mérito dos dielétricos gasosos, mais precisamente o vácuo e do ar, muito utilizados no setor elétrico. Apresentando o comportamento destes gases frente a presença de campos elétricos, o que pode gerar uma simples ionização do mesmo ou uma descarga disruptiva de sua rigidez dielétrica. As principais características do ambiente serão abordadas, tais como a pressão, a temperatura  podem influenciar nas propriedades físicas físicas do dielétrico, bem como suas aplicações aplicações práticas. Palavras-chave: Descarga elétrica; Dielétrico; Lei de Paschen.

INTRODUÇÃO Todo gás é um bom isolante quando submetido à pressão atmosférica, porém na  presença de um campo elétrico de grande grande intensidade, ele passa a ser ser condutor. Cabe salientar a distinção entre dielétricos e condutores. Os dielétricos são materiais que apresentam resistividade elétrica acima de 10 9cm, por sua vez os condutores são materiais que têm seus átomos ou íons polarizados quando submetidos à um campo elétrico externo, gerando um campo elétrico de sentido contrário ao que o gerou, além de possuir baixíssima resistividade.  Neste trabalho serão analisadas analisadas as principais propriedades elétricas elétricas destes materiais. materiais.

PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS GASES Geralmente o dielétrico atua como uma barreira à passagem da corrente elétrica enquanto o campo elétrico nele estabelecido não superar certo valor que depende de suas características materiais e das suas condições físicas. Esta impossibilidade não é perfeita, pois se certa parcela do dielétrico for submetida a uma tensão, ela será percorrida por uma corrente, o que pode ser representado pela primeira lei de Ohm como a resistência de isolamento.

Como a resistência de isolamento não é constante, ou seja, os isolantes não obedecem de uma forma geral, à lei de Ohm. Nos gases esta lei só é verdadeira em baixa tensão.  Na Figura 1 é possível observar a variação da corrente com a tensão produzida pelo campo elétrico, supondo-se uniforme para os gases ionizados, bem como se mantendo constante a causa da ionização [5] e [6].

Figura 1. Variação da corrente com o valor da tensão elétrica. A Figura 1 apresenta no trecho OA uma proporcionalidade entre a corrente e a tensão, ou seja, satisfazendo à lei de Ohm. Porém no trecho AB apesar da tensão aumentar muito a corrente cresce pouco. No ponto B a corrente cresce rapidamente com o aumento de tensão.  Nos dielétricos a característica primordial é sua constante dielétrica   expressa pela  permissividade relativa. Esta magnitude é a razão entre a carga q, obtida por certa tensão no capacitor que contém um dielétrico e a carga q0, que poderia obter-se com um capacitor das mesmas dimensões, com a mesma tensão, se entre os eletrodos tivesse o vácuo [7].  



q q0



C  C 0

 

(1)

A constante dielétrica dos gases é próxima da unidade para temperaturas entre 0 e 20ºC. A Tabela 1 apresenta valores típicos da constante dielétrica de alguns gases [3]. Tabela 1. Constante dielétrica dos gases. Material Constante Dielétrica Argônio 1,000574 Hélio 1,000074 Hidrogênio 1,000260  Nitrogênio 1,000600 Oxigênio 1,000540 Dióxido de Enxofre 1,009930 Dióxido de Carbono (CO 2) 1,000940 CF4  1,000600 Para um dielétrico submetido a um campo elétrico alternado, a corrente que o percorre deveria estar adiantada de  em relação à tensão, como há uma queda ôhmica pela massa do isolante. Existe uma componente da corrente que fica em fase com a tensão e o ângulo de diferença de fase será (  -  ), sendo   o ângulo de perdas. Este valor pode variar de alguns minutos para um bom dielétrico, a poucos graus para um péssimo dielétrico.

A tangente de perdas tg  equivale ao ângulo em radianos, para ângulos muito pequenos é chamada de fator de perdas. O fator de perdas é uma característica do material dependendo das condições físicas a que é submetido, como a temperatura. Por definição é a máxima tensão por unidade de espessura (kV/mm) que o material isolante suportar sem haver descarga disruptiva. Dependendo da freqüência da tensão aplicada, da duração da tensão, da umidade e temperatura. Basicamente o comportamento dos diversos gases é o mesmo. Os gases são formados por átomos e moléculas, do ponto de vista elétrico sob condições normais, são isolantes. Para haver passagem de corrente elétrica por um gás, é preciso ionizá-lo. Os meios que tornam um gás condutor são enumerados em [8] como segue abaixo: 

 

Ionização por choque eletrônico: Ocorre geralmente com altas tensões, onde os íons ou elétrons possuem energia cinética suficiente para gerar a ionização. Estas  partículas são aceleradas pelo intenso campo elétrico que colidem contra os átomos, formando assim os arcos voltaicos. Ionização térmica: Produzida pelo aumento de energia cinética quando a substância é aquecida. Fotoionização: Origina-se quando os átomos ou moléculas absorvem quantias de energia eletromagnética suficiente para ionizá-los.

Em condições normais de pressão (1atm), observar-se quatro tipos de descargas elétricas. A primeira é a descarga silenciosa ou eflúvios que é a descarga que não gera barulho ou luminescência. A região ionizada fica carregada eletricamente e o eletrodo repele os íons do mesmo sinal elétrico, produzindo assim o chamado vento elétrico. Ocorre nas regiões onde o campo elétrico toma valores elevados. Se a ionização for ainda maior, o gás começa a se iluminar, e nos pontos onde o raio de curvatura é muito pequeno aparece uma luminosidade, além da formação de ozônio. Este é o efeito corona Figura 2 [8]. A segunda é a descarga radiante que a tensão entre os eletrodos foi aumentada, a corona toma a forma de um penacho luminescente, em forma de feixes radiais intermitentes. A terceira é a descarga por faíscas que aumentando ainda mais a tensão entre os eletrodos, produz-se uma ionização súbita e considerável no gás, devido à criação de canais de condução da descarga. A passagem da faísca produz um potencial elétrico denominado  potencial disruptivo. Quando da descarga no arco voltaico, a intensidade da corrente elétrica é elevadíssima e a tensão entre os eletrodos é pequena. A temperatura do gás é elevada e os eletrodos se aquecem muito.

Figura 2. Descarga corona. A tensão para causar ruptura do ar entre eletrodos é muito afetada pela geometria do eletrodo. Para dois eletrodos planos e paralelos e condições normais de temperatura e pressão, a rigidez dielétrica do ar é de 30kV/cm. O mesmo valor é obtido para eletrodos esféricos, desde que a distribuição do campo entre eles seja uniforme. Se a distância entre as esferas for

aumentada, a rigidez dielétrica diminui. Em casos extremos de aplicações, na qual os eletrodos são pontiagudos, a rigidez dielétrica deve ser no mínimo 5kV/cm [3]. O valor da rigidez dielétrica do ar para dois fios paralelos varia de acordo com o diâmetro dos fios. Isto pode ser visto na Figura 3.

Figura 3. Variação da rigidez dielétrica do ar em função do diâmetro dos fios. Em condições normais de trabalho, não há influência do tipo de material do eletrodo e na tensão de ruptura do dielétrico. Para condições dos eletrodos são separados por uma distância muito pequena, o potencial de ruptura varia dependendo da natureza do material do eletrodo, não importando qual dielétrico esta presente [3]. A Tabela 2 apresenta valores do potencial de alguns materiais quando os eletrodos são separados por uma distância próxima a três comprimentos de onda da luz do sódio. Tabela 2. Influência do material do eletrodo no valor do potencial de ruptura do ar. Material do eletrodo Potencial de ruptura [V] Antimônio 285 Prata 270  Níquel 245 Bronze 220 Alumínio 185 Para a superfície dos eletrodos é crucial a habilidade do gás resistir à ruptura dielétrica. A Figura 4 ilustra os casos quando o eletrodo é rugoso, quando a rigidez diminui cerca de 50%, e dos eletrodos parcialmente e totalmente condicionados.

Figura 4. Efeito das condições do eletrodo na tensão/pressão de ruptura para o ar.

Outro efeito que pode ser citado é o aumento da temperatura que faz as partículas do gás aumentar sua energia cinética, e consequentemente a tensão de ruptura do gás diminuí. A umidade como efeito quanto mais seco o ar, maior será sua rigidez dielétrica. Na Figura 5  pode-se observar o comportamento da rigidez dielétrica do ar frente à freqüência [3].

Figura 5. Potencial disruptivo do ar com a freqüência.

LEI DE PASCHEN Qualquer que seja a distância entre eletrodos em atmosfera gasosa, existe uma pressão crítica na qual, a descarga disruptiva se da com um valor mínimo de tensão aplicada entre os eletrodos. Com pressões acima e abaixo destes valores críticos, aumenta a tensão necessária para  produzir a ruptura do gás, tanto no aumentar como no diminuir das pressões. Estes resultados estão resumidos na Lei de Paschen Equação 2, a qual estabelece que a tensão disruptiva do gás, somente é função do produto da distância d entre os eletrodos pela  pressão p do gás: V d    f  ( p.d )

(2)

A tensão disruptiva do gás isolado depende da massa de gás entre os eletrodos. Se o produto  p.d for constante, a tensão disruptiva também será constante. A Tabela 3 mostra alguns valores das tensões mínimas e do produto  p.d  para alguns gases utilizados em eletrotécnica [3]. Tabela 3. Tensões disruptivas mínimas dos gases. Gás Potencial Disruptivo Produto p.d * Mínimo [V] Ar 341 5,7 Argônio 233 7,6 Hélio 263 27 Hidrogênio 278 14,4  Nitrogênio 251 6,7 * p em mm de água e d  em mm (1mm de água=9,8.10 -2 atm)

 Nota-se que quanto maior a pressão, menor deve ser a distância entre os eletrodos para gerar a descarga disruptiva. Pode-se dizer que os gases comprimidos são melhores isolantes que em condições normais de pressão. A Figura 6 representa graficamente a lei de Paschen [3].

Figura 6. Rigidez dielétrica do ar versus a pressão. Segundo [1], a rigidez dielétrica do ar na temperatura de 20ºC e pressão de 1atm é dada  pela Equação 3:  E rig ar  

V d  d 

 24,22 

6,08 d 

[kV/cm]

(3)

A Equação 2 pode ser reescrita conforme [4] para incluir o efeito da temperatura: V d    f  ( N .d )

(4)

Com base na equação anterior [9] pode determinar empiricamente a tensão de ruptura do ar pela Equação 5: 293. p.d   293. p.d   [kV/cm]   6,08. 760T    760T   

V d   24,22.

(5)

Onde  p é a pressão do ar em Torricelli (1atm=760torr), d  representa a distância entre os eletrodos em cm, e T a temperatura do ar em Kelvin.

CARACTERISTICAS DO AR E VÁCUO COMO DIELÉTRICOS O ar é o dielétrico mais usado e econômico. A seguir são apresentadas, as principais  propriedades físicas do ar [3]. Tabela 4. Propriedades físicas do ar. Ponto de ebulição -194oC Densidade 0,31g/ml o Viscosidade [0 C] 181,2.10-  poises Calor específico 0,23999cal/g/ oC Temperatura crítica -140,7oC Pressão Crítica 37,2atm Constante dielétrica 1,000590[0oC]

Assim como os demais gases, a constante dielétrica do ar aumenta linearmente com a  pressão, isto pode ser observado na Figura 7 [3].

Figura 7. Constante dielétrica do ar em função da pressão. O ar segue, em tese, o mesmo formato dos gráficos já mostrados anteriormente, no que diz a variação de suas propriedades com a pressão, temperatura, entre outros.  Nos efeitos elétricos, considera-se alcançado o vácuo, quando a condução e a tensão entre eletrodos metálicos tornam-se independente da pressão do gás residual. Sobe condições normais, a ionização gasosa pode ser desprezada para pressões menores que 10 -5mmHg. Nesta situação, o mecanismo de ruptura depende somente da tensão aplicada, do material, estado dos condutores e suas características. A Figura 8 apresenta a variação da rigidez dielétrica no vácuo, em função da distância entre os eletrodos, quando estes são formados por discos planos.

Figura 8. Rigidez dielétrica do vácuo versus a Distância entre os eletrodos. A rigidez dielétrica do ar rarefeito é elevadíssima para pequenas distâncias entre os eletrodos e alcançam valores não igualados nem com os melhores isolantes sólidos. A tensão disruptiva diminui quando aumenta a distância entre eletrodos, como ocorre nos isolantes.

APLICAÇÕES As aplicações práticas mais comuns da utilização do ar ou do vácuo como isolantes são os disjuntores à vácuo que são construídos para interromper elevadas correntes de faltas geradas por curto-circuito ou faltas similares em sistemas de potência. Possui vantagem de não

usar óleo como isolante conforme Figura 9 [10]. Os disjuntores trifásicos a vácuo são próprios  para uso em instalações de manobra abrigadas de média tensão. São disjuntores que atuam no  princípio de extinção de arco no vácuo e apresenta alta economia de serviço. A combinação da geometria de contatos especial com o material de contato desenvolvido deste disjuntor possibilita seu uso. Estes disjuntores são próprios para linhas aéreas sujeitas as contínuas descargas atmosféricas, e manobra de grandes motores e capacitores. O surgimento de sobre tensões reduzidas aparece quando pequenas correntes indutivas são interrompidas. O disjuntor a vácuo é constituído por três câmaras de extinção a vácuo, suportes das câmaras de extinção e pelo mecanismo de operação. A extinção do arco ocorre quando os contatos se separam, uma descarga em forma de vapor metálico é instituída pela corrente a ser cortada, que emana deste plasma até a próxima  passagem por zero. O arco é então extinto e o vapor metálico condutivo condensa sobre superfícies metálicas em poucos microssegundos, restabelecendo rapidamente a rigidez dielétrica entre os contatos. Os contatos são confeccionados para que o campo magnético criado pelo próprio arco provoque deslocamento do mesmo, evitando sobre aquecimento excessivo em certo ponto do contato ao se interromper correntes elevadas.  Na manutenção da descarga em forma de vapor metálico é preciso uma corrente mínima. Correntes que não atinjam este nível são cortadas antes da passagem pelo zero. A corrente de corte deve ser limitada aos valores mínimos. Isto evita sobre tensões indesejáveis ao se desligar circuitos indutivos. O material adequado nos contatos vai limitar corrente de corte entre 2 e 4A. O rápido restabelecimento da rigidez dielétrica entre contatos possibilita a extinção segura do arco, mesmo quando a separação de contatos ocorre imediatamente antes da passagem da corrente  pelo zero. O arco nos disjuntores a vácuo não é resfriado. O plasma de vapor metálico é altamente condutivo. O que produz uma tensão de arco muitíssimo baixa com valores entre 20 e 200V. Por este motivo, e devido à pequena duração do arco, a energia dispersada no local de extinção é muito pequena. Explicando a elevada vida elétrica dos contatos. Em conseqüência do alto vácuo (até 10-9bar) nas câmaras de interrupção, distâncias de 6 a 20mm entre contatos são suficientes para atingir elevada rigidez dielétrica, conforme a necessidade.

Figura 9. Corte de uma câmara a vácuo. Os contadores à vácuo são construídos para interrupções de grande freqüência de motores ou cargas semelhantes. Frequentemente usados com fusíveis de potência ou equipamentos de  proteção de curto circuito.

CONCLUSÃO Há vários estudos que abordam o comportamento dos dielétricos gasosos e seu mecanismo de ruptura elétrica, tais como a ionização, o tipo de material do eletrodo, a

superfície e forma do material entre outras. Entretanto, as teorias aqui apresentadas, são motivos de constantes pesquisas e também, em geral aceitas como as de maior importância na área pela comunidade científica. Como seqüência do trabalho é importante citar os estudos preliminares com hexafluoreto de enxofre (SF6), e suas novas aplicações isolantes.

REFERÊNCIAS [1] CALLISTER Jr., W.D. Fundamentals of Materials Science and Engineering. 5 a ed., Wiley, 2000. [2] CEPEL, Centro de Pesquisas de Energia Elétrica. Proteção para sistemas MRT RER-10. ELETROBRÁS, Rio de Janeiro, 2006. [3] CLARCK, Frank M.. Insulating Materials for Design and Engineering Pratice. vol1 , Formely Division Engineer and Consulting Engineer on Dielectrics, General Electric Company, New York, 1962. [4] KASAP, S., CAPPER, P..Springer Handbook of Eletronic and Photonic Materials. Springer, 2007. [5] PRAXEDES, José S. Apostila de Materiais Elétricos e Magnéticos. Publicação interna: UFRN, versão 0.1, agosto 2001. [6] ROLIM, Jaqueline Gisele. Apostila de Materiais Elétricos. Publicação interna: Labspot. UFSC, Florianópolis, 2008. [7] SCHMIDT, Walfredo. Materiais elétricos: isolantes e magnéticos. 3. ed. rev. e ampl. São Paulo: Blucher, volume 2, 2010. [8] SCHNEIDER. Técnicas de interrupção dos circuitos. Programa de formação técnica continuada. Schneider Electric, São Paulo, 2008. [9] SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6 a ed., Person, 2008. [10] SIEMENS. Manual de aplicação de Equipamentos Elétricos. Siemens, São Paulo, 2006.