UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO Escola Politécnic a de Pernambuco Pernambuco
Glauco Safadi Keyla Carvalho Thamiris B arroso
DIELÉTRICOS GASOSOS
Recife 2009
Glauco Safadi Keyla Carvalho Thamiris B arroso
DIELÉTRICOS GASOSOS Materiais Materiais Elétric os Turma: E5
Este Trabalho é uma abordagem geral dos materiais ateriais dielétricos gasosos, sua classificação, classificação, propriedades, aplicações, como vantagens e desvantagens para engenharia elétrica. Foi feito a pedido do professor da disciplina de Materiais Elétricos, Profº Salviano, para ser apresentado em sala.
Recife 2009
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO _____ ___ _____ ___ ________ ___________ ________ ________ _____________ _ 4 2.DESENVOLVIMENTO ___ ________ ________________ ________ ________ ________ ________ 5
2.1 – Materiais dielétricos ___ ___ ________ ___________ _____ ___________ ________ ________ 5 2.2 – Classificação dos dielétricos __________________________________ ______________ 6 2.3 – Rigidez dielétrica _____ ________ ________________ ________ ________ ________ ______ 8 2.4 – Características específicas dos dielétricos gasosos ________ _____________ _ 10 2.4.1 – Propriedades ________ ________ ________________ _____ ___ _______________ ___ 10 2.5 – Principais Dielétricos Gasosos _____ _____________ ___ _____________ ________ __ 12 2.5.1 – Argônio (Ar) ____________________________________________________________ 12 2.5.2 – Hexafluoreto de enxofre (SF6) _____ ________ ________ ________ ___ ____ 13 2.5.3 – Hidrogênio (H2) ___ ___ ___________ _____________ ________ ___________ _________ 18 2.5.4 – Ar ________ ________ _____________ ______ ________ ________ ________ ________ ______ 19 2.5.4.1 – Efeito corona ___ ___ ________ ________ ____ ___ ________ ________ __________ ___ _ 19 3.CONCLUSÃO
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4.BIBLIOGRAFIA _____ _____ ___ _____________ ____ ___ _____ ___________ _______________ 29
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1.INTRODUÇÃO
O estudo dos materiais isolantes constitui-se como um assunto de grande importância para a engenharia, tendo em vista a sua vasta aplicação e utilização no seu cotidiano. Por isso, conhecer e entender como diferentes fatores (propriedades químicas, elétricas, mecânicas, custo) se relacionam no projeto e seleção desses materiais é primordial. Dessa forma, esse trabalho vem com o propósito de apresentar os aspectos gerais sobre os materiais dielétricos gasosos, conceito e principais características.
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2.DESENVOLVIMENTO
2.1 – Materiais dielétricos: Quando se trata de campos eletrostáticos, o meio no qual os mesmos existem deverá ter resistividade muito alta, ou seja, deverá opor-se tanto quanto possível, à passagem de corrente elétrica de condução, motivo pelo qual recebe o nome de dielétrico. O material que o constitui é designado por isolante. O papel dos dielétricos na eletrotécnica é muito importante e tem dois aspectos:
Realizam o isolamento entre os condutores, entre estes e a massa ou a terra, ou, ainda, entre eles e qualquer outra massa metálica existente na sua vizinhança; Modificam, em proporções importantes, o valor do campo elétrico existente em determinado local.
Uma vez que certa porção de isolamento apresenta uma dada resistência, podemos falar em resistividade do material, se bem que esta seja influenciada por uma diversidade de fatores. Por exemplo, a temperatura afeta sensivelmente o valor da resistividade e, de uma maneira geral, o aumento da temperatura provoca uma diminuição da resistividade dos materiais isolantes. Resistência de Isolamento
- O dielétrico impede a passagem da corrente
elétrica enquanto o campo elétrico nele estabelecido não ultrapassar um determinado valor que depende da natureza do dielétrico e das suas condições físicas. Este impedimento, porém, não é total, pois, se uma determinada porção do isolante estiver submetida a uma tensão U, ela será atravessada por uma corrente I, sendo o quociente entre U e I designado por resistência de isolamento.
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2.2 – Classificação dos dielétricos: Conforme a aplicação, alguns isolantes apresentam, em certos casos, nítida superioridade sobre outros, sendo inteiramente inadequados em casos diferentes. O exemplo da porcelana é típico: sendo material excelente para isolamento de linhas aéreas, pelas suas propriedades dielétricas, químicas e mecânicas, é inteiramente inadequada aos cabos isolados, pela falta de flexibilidade. A borracha apresenta excelentes qualidades químicas, mecânicas e elétricas, de modo que é geralmente utilizada nos fios e cabos, mas não é completamente a prova de água, não resiste a temperaturas elevadas, é atacável pelos óleos. O fato de um material apresentar propriedades elétricas muito superiores a outros (alta rigidez dielétrica, alta resistividade, baixas perdas) não é suficiente para determinar o seu emprego se as qualidades mencionadas não forem acompanhadas de propriedades químicas e mecânicas adequadas. Assim, às boas propriedades elétricas pode corresponder uma redução de espessura do isolante a empregar nos condutores das máquinas elétricas; é, porém necessário que o material seja suficientemente forte para resistir aos esforços mecânicos durante a construção e o funcionamento. Muitas das substâncias industrialmente empregadas como isolantes não são inteiramente homogêneas - especialmente as de origem orgânica como o algodão, seda, madeira, óleos, etc. Sendo, além disto, em geral deterioráveis. Uma primeira classificação dos isolantes pode ser feita de acordo com o seu estado: a)Gases:
Ar, anidrido carbônico, azota, hidrogênio, gases raros, hexafluoreto de enxofre.
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b) Líquidos:
I – Óleos minerais: óleos para transformadores, interruptores e cabos. II – Dielétricos líquidos à prova de fogo: Askarel. III – Óleos vegetais: Tung, linhaça. IV – Solventes: (empregados nos vernizes e compostos isolantes) Álcool, tolueno, benzeno, benzina, terebentina, petróleo, nafta, acetatos amílicos e butílicos, tetracloreto de carbono, acetona. c) Sólidos aplicados em estado líquido ou pastoso:
I – Resinas e plásticos naturais: resinas fósseis e vegetais, materiais asfálticos, goma laca. II – Ceras: cera de abelhas de minerais, parafina. III – Vernizes e lacas: preparados de resinas e óleos naturais, produtos sintéticos, esmaltes para fios, vernizes solventes, lacas. IV – Resinas sintéticas: (plásticos moldados e laminados) resinas fenólicas, caseína, borracha sintética, silicones. Sólidos:
I – Minerais: quartzo, pedra sabão, mica, mármore, ardósia, asbesto. II – Cerâmicos: porcelana, vidro, micalex. III – Materiais da classe da borracha: borracha natural, guta-percha, neoprene, buna. IV – Materiais fibrosos (tratados e não tratados): algodão, seda, linha, papel, vidro, asbesto, madeira, celofane, rayon, nylon. Além desta classificação cujo critério é a natureza dos materiais isolantes, estes podem ser classificados visando a sua aplicação, especialmente na construção de máquinas e aparelhos elétricos, cuja temperatura é limitada não pelos materiais condutores ou magnéticos (que são metálicos) e sim pelos 7
isolantes. A durabilidade destes depende de fatores diversos, entre os quais predomina a temperatura, como mostrado na tabela a seguir: Classe
Temperatura máxima admiss ível em serviç o
Y (O)
90°C (algodão, seda e papel sem impregnação)
A
150ºC (idem impregnados)
E
120°C (alguns vernizes, esmaltes e fibras)
B
130°C (mica, asbesto com aglutinante, EPR)
F
155°C (mica, fibra de vidro com aglutinante)
H
180°C (elastômeros de silicato)
C
>180°C (porcelana, vidro, quartzo, cerâmicas)
Tabela 1 - Classificação dos m ateriais isolantes em relação à sua estabilidade térmica em serviço.
A duração dos materiais utilizados para isolamento de máquinas e aparelhos elétricos depende de vários fatores, tais como a temperatura, os esforços elétricos e mecânicos, as vibrações, a exposição a produtos químicos, umidade e a sujeira de qualquer espécie. Reconhece-se que os materiais isolantes poderão não suportar as temperaturas a eles atribuídas na classificação se estas forem mantidas durante tempo ilimitado. Essas temperaturas, todavia são tais que permitirão uma duração adequada do material se forem mantidas durante longos períodos de tempo com temperatura mais baixa. As normas de equipamento elétrico especificam geralmente a elevação de temperatura permissível acima do ar ambiente ou de outro meio refrigerante. 2.3 – Rigidez Dielétrica: Para poder exprimir numericamente a capacidade de um determinado material isolante suportar tensões elevadas, define-se uma grandeza a que se 8
dá o nome de rigidez dielétrica e que é definida como sendo o valor do campo elétrico para o qual se dá a ruptura do isolante. Sabemos que os materiais dielétricos, possuem elétrons que estão presos ao núcleo dos átomos, ou seja, não existem elétrons livres nesses materiais. Se aplicarmos um campo elétrico entre as extremidades de um material isolante, atuará uma força sobre os átomos desse corpo tentando arrancar dele alguns de seus elétrons, mas ocorre que esses elétrons estão fortemente ligados ao núcleo, sendo assim é necessário a aplicação de um campo elétrico mais intenso para que seja possível arrancá-los. Se a intensidade do campo elétrico não for suficientemente grande, a força elétrica provocará somente a polarização do material dielétrico. Aumentando a intensidade do campo sobre o isolante, a intensidade da força que atua sobre seus elétrons também aumenta. Sendo assim, podemos concluir que vai chegar um determinado instante em que o valor do campo elétrico será tão grande que a força elétrica conseguirá arrancar os elétrons dos átomos, dessa forma os elétrons que antes estavam presos se tornam elétrons livres e, como conseqüência, o material que antes era isolante passa a ser condutor. Esse fato pode acontecer com qualquer material isolante, depende apenas da intensidade do campo elétrico que é aplicado sobre ele. A tabela abaixo apresenta uma comparação da ordem de grandeza da rigidez dielétrica de alguns materiais isolantes: Material
Rigidez dielétri ca (kV/cm)
Ar
30
Mica
600
Vidros
75 a 300 Tabela 2
Esta grandeza está longe de ser constante para cada material, pois depende de muitos fatores, tais como a espessura do isolante, as dimensões e forma dos 9
eletrodos utilizados para a aplicação da tensão, a freqüência da tensão aplicada, o número de aplicações de tensão na unidade do tempo (fadiga do material), a temperatura, grau de umidade, etc. - No caso dos isolantes sólidos,pode acontecer que o arco disruptivo, em vez de atravessar a sua massa, salte pela sua superfície. Rigidez dielétrica superficial
Ao quociente da tensão pela distância entre os condutores é dado o nome de rigidez dielétrica superficial. Esta depende, evidentemente, da forma do isolante e do estado da sua superfície. 2.4 – Características específicas dos dielétricos gasosos: Basicamente existem três tipos de dielétricos (gasoso, sólido e líquido). O dielétrico gasoso é o que apresenta um mecanismo de ruptura mais fácil de compreender, pois possuem uma estrutura molecular relativamente simples. 2.4.1 – Propriedades:
Ionização
Quando se aplica um campo elétrico a um gás, há uma força tendendo a atrair os núcleos dos átomos para o eletrodo negativo e os elétrons para o eletrodo positivo. Isto acontece também com os elétrons e íons positivos livres existentes nos gases. Como a tensão aplicada inicialmente é pequena, a corrente inicial será pequena também. Entre os pontos “a” e “b” (ver figura 1), não há aumento de corrente, apesar da tensão crescer. Quando o campo é aumentado (a partir do ponto “b”) os elétrons livres adquirem velocidades maiores e ao colidirem com átomos neutros, muitos elétrons desses átomos saem de suas órbitas e são separados dos núcleos, sobrando mais íons positivos e elétrons livres. Esses elétrons produzem novos íons positivos e elétrons livres por sucessivas colisões. Esta ação é acumulativa e a corrente aumenta rapidamente quando a tensão atinge o ponto “c”. Apesar dos elétrons possuírem uma massa muito menos que a dos íons positivos, gastam uma energia muito maior nas colisões, devido à sua 10
velocidade ser maior. No ponto “c” os íons positivos atingem velocidade suficiente para produzir novos íons e elétrons nas colisões, contribuindo na ionização e aumento da corrente. Este processo é chamado de “avalanche de elétrons”.
Ruptura
A região “d-e” da figura 1 é a região chamada de “ionização completa”. Entre “e” e “f” o sistema elétrico torna-se instável (a corrente aumenta rapidamente mesmo diminuindo-se a tensão). Entre “f” e “g” a densidade de corrente chega a um valor muito alto, quando ocorre o estado de “curto-circuito”. A corrente em “a” é da ordem de alguns micro amperes e a corrente em “h” algo em torno de 108 vezes maior que a corrente em “a”. A tensão máxima depende da pressão e do espaçamento entre os eletrodos.
Figura 1 - Características de ionização e rupt ura nos gases.
.Lei de Paschen
A lei de Paschen, descoberta por ele mesmo em 1889, dá o potencial como função da massa de gás entre os eletrodos. Es =f (p,d) onde p é a pressão 11
absoluta e d o espaço entre os eletrodos. A figura 2 ilustra a lei de Paschen para o ar com altos valores de “pd”.
Figura 2 - Lei de Paschen para o ar com grandes valor es de “p d” .
2.5– Principais Dielétricos Gasosos 2.5.1 – Argônio (Ar) É um gás nobre, mais abundante em nosso planeta, pertence à classe dos gases inertes que não participam de reações químicas. A maior quantidade de gás Argônio se encontra na mistura gasosa do ar atmosférico, constitui 0,93% do volume do ar que respiramos. Esse gás é monoatômico e caracterizado por sua extrema inatividade química. O argônio é incolor, inodoro, não inflamável, não tóxico, insípido e ligeiramente solúvel em água. Este gás tem uma vasta utilização no que diz respeito à conservação de materiais oxidáveis, isto se explica pela propriedade inerte deste gás nobre. A rigidez dielétrica dos gases nobres (Helio, neônio, argônio, xenônio, radônio e criptônio) é inferior à do ar, cerca de1/5. Esses gases não são usados como isolantes ao contrário, por exemplo, o argônio é utilizado em processos industriais de soldagem devido à sua fraca tensão disruptiva. Os gases nobres são também utilizados para encher bulbos de determinados tipos de lâmpadas, em particular de neônio, argônio e outros.
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Extraordinária importância tem o Helio como agente de refrigeração, em particular para os dispositivos que utilizam o fenômeno da supercondutividade. Sua temperatura de liquefação é de 4,216 K. Às vezes utiliza-se o neônio liquido como agente de refrigeração, sua temperatura de liquefação é de 27,6 K, um pouco maior que a do hidrogênio. Entretanto, o neônio é muito caro. Tomando-se como unidade o preço relativo de 0,1 m3 de nitrogênio, o hidrogênio vale aproximadamente duas vezes mais, o Helio 80 e o neônio 30.000. nota-se que o nitrogênio se obtém de modo mais fácil do ar, separando-o do oxigênio. Pode ser empregado:
Em peças de museus para uma melhor conservação das relíquias (devido a pouca reatividade). Em lâmpadas incandescentes para evitar a corrosão do filamento de tungstênio presente neste tipo de lâmpada. É considerado protetor para soldas, pois evita oxidação, protegendo-as das substâncias ativas do ar. Esta é a chamada soldagem especial com atmosfera protetora. Pode ser usado para inflar airbags de automóveis. Lasers a base de Argônio são aplicados na medicina em cirurgias dos olhos.
2.5.3 – Hexafluoreto de enxofre (SF6)
O SF6 é formado por uma reação química entre enxofre fundido e fluoreto. O fluoreto é obtido pela electrólise de ácido de fluorídrico (HF). À temperatura ambiente e pressão atmosférica, o hexafluoreto de enxofre é um gás não inflamável, não tóxico, incolor, inodoro, insípido e quimicamente estável. Isto significa que à temperatura de quarto não reage com qualquer outra substância. A estabilidade vem do arranjo simétrico dos seis átomos de fluoreto em torno do átomo central de enxofre. É esta estabilidade que faz este gás útil em equipamentos elétricos. O SF6 é um isolador elétrico muito bom e pode efetivamente extinguir arcos elétricos nos aparelhos de alta e media tensão 13
enchidos com SF6. O SF6 pode ser achado no mundo inteiro em milhões de aparelhos elétricos; o equipamento elétrico que contém SF6 é um artigo de grande exportação. Possui alta resistência dielétrica e grande estabilidade térmica. Sendo cerca de cinco vezes mais denso que o ar atmosférico, tende a acumular-se em locais baixos. O SF6 é usado como um gás isolante em subestações, como um isolador e médio refrescante em transformadores e como um isolador e extintor de arco elétrico em interruptores para aplicações de alta e média tensão. Estes são sistemas fechados que estão extremamente seguros e livres de improváveis fugas. Em sistemas de energia elétrica, é exigido nos interruptores de alta e media tensão no poder de corte para no caso de uma falha proteger as pessoas e os equipamentos. As subestações isoladas com gás encontram-se principalmente em áreas urbanas e frequentemente instaladas em edifícios num pequeno local. Estas subestações reduzem o campo magnético e removem completamente o campo elétrico. Esta é uma real vantagem para os instaladores, pessoal de manutenção e as pessoas que vivem na redondeza de subestações. O SF6 é também usado de outros modos. Misturado com argônio, pode ser usado em janelas isoladas. O SF6 é usado na indústria de metal, por exemplo, quando o magnésio é utilizado. Os cirurgiões dos olhos usam SF6 como agente refrescante em operações. O SF6 também pode ser usado como um agente que extingue o fogo porque é não inflamável e refrescante. Em aplicações elétricas, o SF6 é só usado hermeticamente em sistemas fechados e seguros que debaixo de circunstâncias normais não libertam gás. O hexafluoreto de enxofre é particularmente adequado para utilização como dielétrico em disjuntores de média e alta voltagem bem como em cabos de alta voltagem, transformadores, transdutores, aceleradores de partículas, raios x e equipamentos de UHF. Devido à sua baixa condutividade térmica e baixa 14
velocidade sônica, é muito utilizado em países frios, como agente isolante em janelas de vidro duplo. Vantagens:
Há duas razões para usar o SF6 em equipamento elétrico: O SF6 é um bom isolador porque é fortemente dopado em elétrons negativos. Isto significa que as moléculas de gás pegam elétrons livres e constroem íons negativos, que não se movem rapidamente. Isto é importante quando se criam avalanches de elétrons que podem conduzir a flashovers. O SF6 controla efetivamente o arco na interrupção do circuito porque tem excelentes propriedades refrescantes a temperaturas (1500-5000 K) na qual os arcos extinguem (o gás usa energia quando dissocia e então produz um efeito refrescante). Os interruptores de média e alta tensão com SF6 ocupam um grande “volume” no mercado. Assim:
O SF6 têm um dielétrico de capacidade resistiva muito alta; O SF6 extingue efectivamente arcos elétricos em circuito de média e alta tensão; Os aparelhos com SF6 são compactos e quase livres de manutenção; O equipamento com SF6 está extremamente seguro quando operado por usuários.
Características do SF6
Geometria Molecular : octaédrica 90 ° (Apolar)
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Figura 3 - Geometria Molecular SF6.
Peso molecular: 146,05 Condutividade térmica à pressão atmosférica: 1,4W/cmK a 40°C Viscosidade (em CP) à pressão atmosférica: 0,015 a 25°C Capacidade de ruptura: 100A à 1 atm. de pressão Fator de perdas: tg d <10-3a – 50°C tg d <2 x 10-7a 25°C Tensão de ruptura: 125kV a 2 atmosferas de pressão com afastamento de 10mm. Transformador a SF6
Os transformadores imersos em hexafluoreto de enxofre (SF6), que, na atualidade, foram desenvolvidos para comercialização por investigadores japoneses, apresentam aspectos construtivos próprios. O núcleo magnético é formado pelo empacotamento da chapa magnética, sem pernos de aperto e sustentado por uma estrutura de perfilado de ferro. Os enrolamentos são isolados com materiais sintéticos e podem ser do tipo bobina ou do tipo em banda de cobre, conforme a intensidade da corrente elétrica que os atravessa. Estes órgãos, que formam a parte activa do transformador, encontra-se encerrados no interior de uma cuba hermética. 16
O material isolante elétrico e condutor de calor utilizado para promover o isolamento elétrico e o arrefecimento do transformador é o hexafluoreto de enxofre (SF6). Esse gás tem um valor de rigidez 2,5 vezes superior à rigidez do ar à pressão atmosférica, e que apresenta uma boa regeneração da rigidez dielétrica, depois de submetido à ruptura pelo arco elétrico. Este gás, como condutor térmico, apresenta um elevado calor especifico, o que facilita o transporte do calor dos enrolamentos onde se desenvolve para a superfície da cuba onde se dissipa. O SF6 não é solúvel em água e não liberta elementos tóxicos ou perigosos quando aquecido, pelo que não apresenta agressividade ambiental. Todo o gás utilizado no transformador está contido na cuba, com um valor de pressão pequeno (1 bar a 4 bar). Por isso, a cuba não necessita de respeitar as normas construtivas para recipientes submetidos a elevadas pressões, registando-se mesmo casos de utilização do alumínio na construção dessa cuba. Como o gás tem uma dupla função de isolante elétrico e de condutor térmico, através do valor da respectiva pressão e do método de refrigeração consegue-se uma grande variedade de soluções construtivas e características nominais: um aumento da pressão do gás pode traduzi-se por uma maior potência nominal ou por um menor atravancamento do transformador. O arrefecimento do transformador pode ser feito por convexão natural do gás ou por circulação forçada de um outro líquido refrigerante, que pode estar ou não estar em contacto directo com o hexafluoreto de enxofre. Devido à utilização do hexafluoreto de enxofre e de lâminas de isolantes sintéticos no isolamento dos enrolamentos do transformador, que são materiais isolantes com constante dielétrica diferente das habituais, as distâncias enter enrolamentos e entre subenrolamentos e as dimensões dos calços de separação dos enrolamentos vêm alteradas, o que, sendo uma particularidade construtiva, não chega a influenciar o valor das dimensões globais do transformador. Os transformadores em SF6 apresentam um conjunto de vantagens e alguns inconvenientes. 17
Como vantagens deste tipo de transformadores salienta-se que são seguros quanto ao contacto acidental porque têm as partes activas protegidas por uma cuba. O material isolante, o SF6, é autoregenerador quanto à ruptura pelo arco eléctrico. Apresentam materiais isolantes quimicamente estáveis e sem problemas de envelhecimento. O comportamento destes transformadores quanto ao impacto ambiental é bom porque no fim da vida útil os seus materiais são recicláveis, não apresentam agressividade ambiental durante o fabrico e durante o funcionamento, e funcionam bem tanto protegidos do meio ambiente em instalações interiores como expostos ao tempo em instalações exteriores. Quanto à aplicação destes transformadores imersos em gás verifica-se que apresentam uma boa capacidade de sobrecarga e que não necessitam de fossa na sua instalação, o que reduz as necessidades de espaço para construção das subestações ou postos de transformação. Verifica-se que um transformadores em SF6 ocupa menos 30% de espaço e apresenta-se como valor típico na sua aplicação uma redução de 15% no custo global de um subestação, apesar deste tipo de transformador ser mais caro que o tradicional transformador imerso em óleo. Assim, o preço constitui o seu maior inconveniente. 2.5.4 – Hidrogênio (H2)
Rigidez dielétrica inferior a do ar, aproximadamente a metade, condutividade térmica elevada, portanto excelente agente de refrigeração. Aplicação:
Aplicado no isolamento e refrigeração de alternadores de grandes potências e motores sícronos.
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2.5.5 – Ar
O AR atmosférico (que na realidade é uma mistura de gases e vapor de d’água). Como isolante, é amplamente usado entre todos os condutores sem isolamento sólido ou líquido, como, por exemplo, nas redes elétricas de transmissão e eventualmente de distribuição, onde os condutores são fixados a certa altura através de cruzetas, ou de braços, os quais, fixos a postes ou torres, são equipados com isoladores (de porcelana, vidro ou resina com borracha). Entre esses condutores nus, o isolamento é somente o ar, de tal modo que o afastamento entre os fios ou cabos é, entre outros fatores, conseqüência da rigidez dielétrica do ar. Esse valor varia acentuadamente com as condições de umidade, impurezas e temperatura. Seu valor a seco e limpo, a 20ºC, é de 45kV/mm; decresce, entretanto, rapidamente, a 3kV/mm, sob ação da umidade, de contaminações provenientes de poluição, da pressão atmosférica e da temperatura, fatores normais no ambiente externo e, conseqüentemente, esse valor precisa ser considerado nos projetos. O afastamento entre condutores não é, porém, apenas função das características elétricas, mas também das mecânicas e de agentes, tais como ventos e outros, que vão determinar, em conjunto, a menor distância entre dois cabos. 2.5.4.1 – Efeito corona A seleção dos condutores é uma das decisões mais importantes a serem tomadas pelo projetista das linhas de transmissão. Nas linhas em médias e altas tensões, a escolha das secções dos condutores geralmente se baseia em um equacionamento econômico entre perdas por efeito joule e os investimentos necessários. Nas linhas em tensões extra-elevadas e nas futuras linhas em tensões ultra-elevadas, o controle das manifestações do efeito corona pode ser o elemento dominante para orientar essa escolha. As múltiplas manifestações do efeito corona têm implicações diretas com a economia das empresas concessionárias e com o meio ambiente no qual as 19
linhas de transmissão se encontram. Todas são importantes, e por isso mesmo devem merecer dos projetistas a devida atenção. O efeito corona aparece na superfície dos condutores de uma linha aérea de transmissão quando o valor do gradiente de potencial aí existente excede o valor do gradiente crítico disruptivo do ar. Mesmo em um campo elétrico uniforme, entre dois eletrodos planos paralelos no ar, uma série de condições controlam essa tensão disruptiva, tais como a pressão do ar, a presença do vapor d’água, o tipo de tensão aplicada e a fotoionizaçao incidente. No campo não uniforme em torno de um condutor, a divergência do campo exerce influencia adicional, e qualquer partícula contaminadora, como poeira, por exemplo, transforma-se em fonte pontual de descargas. Descargas elétricas em gases são geralmente iniciadas por um campo elétrico que acelera elétrons livres aí existentes. Quando esses elétrons adquirem energia suficiente do campo elétrico, podem produzir novos elétrons por choque com outros átomos. É o processo de ionização por impacto. Durante a sua aceleração no campo elétrico, cada elétron livre colide com átomos de oxigênio, nitrogênio e outros gases presentes, perdendo, nessa colisão, parte de sua energia cinética. Ocasionalmente um elétron pode atingir um átomo com força suficiente, de forma a excitá-lo. Nessas condições, o átomo atingido passa a um estado de energia mais elevado. O estado orbital de um ou mais elétrons muda e o elétron que colidiu com o átomo perde parte de sua energia, para criar esse estado. Posteriormente, o átomo atingido pode reverter ao seu estado inicial, liberando o excesso de energia em forma de calor, luz, energia acústica e radiações eletromagnéticas. Um elétron pode igualmente colidir com um íon positivo, convertendo-o em átomo neutro. Esse processo, denominado recombinação, também libera excesso de energia. Toda a energia liberada ou irradiada deve provir do campo elétrico da linha, portanto, do sistema alimentador, para o qual representa perda de energia, por conseguinte, prejuízo. Essas perdas e suas conseqüências econômicas tem sido objeto de pesquisas e estudos há mais de meio século, não obstante, só recentemente se alcançaram meios que permitem determinar, com razoável 20
segurança, qual o desempenho que se poderá esperar para as diversas soluções possíveis para uma linha de transmissão, no que diz respeito a essas perdas. De um modo geral, elas se relacionam com a geometria dos condutores, tensões de operação, gradientes de potencial nas superfícies dos condutores e, principalmente, com as condições meteorológicas locais. Constatou-se, por exemplo, que as perdas por corona em linhas em tensões extra-elevadas podem variar de alguns quilowatts por quilometro até algumas centenas de quilowatts por quilometro, sob condições adversas de chuva ou garoa. As perdas médias, como se verificou, podem constituir apenas pequenas partes das perdas por efeito joule, porém as perdas máximas podem ter influencia significante nas demandas dos sistemas, pois a capacidade geradora para atender a essa demanda adicional deverá ser prevista ou a diferença de energia importada. São significativos os valores obtidos em medições realizadas na Rússia em linhas de 500 KV. Mediram-se perdas médias anuais da ordem de 12 Kw/km de linha trifásica, com tempo bom, perdas máximas da ordem de 313 Kw/km sob chuva e 374 Kw/km sob garoa. Tanto as perdas com tempo bom como aquelas sob chuva dependem dos gradientes de potencial na superfície dos condutores. As perdas sob chuva dependem não só do índice de precipitações, como também do número de gotículas d’água que conseguem aderir à superfície dos condutores. Esse número é maior nos condutores novos do que nos usados, nos quais as gotas d’água aderem mais facilmente à geratriz inferior dos condutores. As linhas aéreas de transmissão de energia elétrica há muito têm sido consideradas como causadoras de impacto visual sobre o meio ambiente em que são construídas. Uma espécie de poluição visual que os conservadores, urbanistas e estetas há muito vem combatendo. O advento da transmissão em tensões extra-elevadas e as perspectivas de transmissão em tensões ultraelevadas enfatizaram dois outros tipos de perturbação do meio, provocados pelo efeito corona, sendo-lhes atribuído também caráter de poluição: A radiointerferência (RI) e o ruído acústico (RA).
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Descargas individuais de corona provocam pulsos de tensão e corrente de curta duração que se propagam ao longo das linhas, resultando em campos eletromagnéticos em suas imediações. Essas descargas ocorrem durante ambos os semiciclos da tensão aplicada, porém aquelas que ocorrem durante os semiciclos positivos é que irradiam ruídos capazes de interferir na radiorecepçao nas faixas de freqüência das transmissões em amplitude modulada ( AM ), em particular nas faixas das ondas médias. Eflúvios de corona também ocorrem em outros componentes das linhas, tais como ferragens e isoladores, porem a intensidade dos ridos gerados é bastante inferior à dos gerado pelos condutores. Ferragens defeituosas, pinos e contrapinos mal-ajustados ou soltos podem igualmente gerar pulsos eletromagnéticos. Estes, no entanto, ocorrem nas faixas das freqüências de "FM" e "TV", provocando interferência ou ruídos nas recepções de "FM" e "TV" ( TVI ). A geração desses ruídos interfere com os direitos individuais dos moradores das vizinhanças das linhas de transmissão, uma vez que os ruídos se podem propagar além das faixas de servidão das linhas. Ainda não é possível projetarse economicamente uma linha de transmissão aérea em tensões acima de 100 KV e que não produza radiointerferência. Não obstante, critérios corretos e atenção aos aspectos relevantes do projeto podem produzir um sistema que resulte pelo menos em níveis aceitáveis de perturbação. O estudo do comportamento das linhas no que se refere à "RI"é bastante complicado em virtude dos inúmeros fatores que afetam seu comportamento, muitos dos quais ainda são indefinidos e nem mesmo completamente entendidos, de forma que os efeitos cumulativos são considerados em bases estatísticas. Nos projetos de pesquisa sobre corona em tensões extra e ultra-elevadas verificou-se, outrossim, que uma outra manifestação sua não mais poderia ser descurada nas linhas de 500 KV ou tensões mais elevadas, dado o caráter de poluição ambiental que apresenta. É a poluição acústica causada pelo ruído característico provocado pelos eflúvios do corona. Esse aspecto também vem merecendo crescente atenção no dimensionamento das linhas, a fim de que o grau de perturbação seja mantido em níveis aceitáveis. Tais estudos mostraram 22
que o ruído auditivo é função dos máximos gradientes de potencial na superfície dos condutores. Em vista do exposto, pode-se concluir que, para as linhas de transmissão em tensões extra e ultra-elevadas, o dimensionamento econômico das linhas está diretamente relacionado com a escolha do gradiente de potencial máximo admissível na superfície dos condutores das linhas de transmissão. Gradientes para uma mesma classe de tensão somente são reduzidos mediante o emprego dos condutores de diâmetros maiores, ou maior espaçamento entre fases, ou pelo emprego de condutores múltiplos, com número crescente de subcondutores, ou pela forma com que são distribuídos sobre o circulo tendo como centro o eixo do feixe. Alternativamente, vem sendo pesquisados outros métodos para a redução da radiointerferência e ruídos audíveis, como a colocação de espinas ao longo dos condutores ou o seu envolvimento em capas de neoprene. A disposição dos subcondutores em forma de polígono irregular também vem sendo investigada como meio de reduzir os gradientes de potencial, e parece ser a forma mais promissora: é possível encontrar uma posição para cada subcondutor na periferia de um circulo, de forma que o gradiente em todos os subcondutores seja mínimo. O emprego dos condutores múltiplos assimétricos tem apresentado problemas de estabilidade mecânica sob ação do vento, e a melhor solução sob esse aspecto poderá conflitar com a melhor solução sob esse aspecto poderá conflitar com a melhor solução sob o aspecto de distribuição de gradientes de potencial. O Efeito Corona e as descargas elétricas nos gases
Em geral o comportamento dos diferentes gases é o mesmo. Os gases são constituídos de átomos e moléculas e, sob o ponto de vista elétrico e em condições normais, são isolantes, ou seja não conduzem eletricidade. Para que exista uma passagem de corrente elétrica através de un gás, é necessário ionizá-lo. Basicamente podemos citar os seguintes mecanismos que tornam um gás condutor: 23
1- IONIZAÇÃO POR CHOQUE ELETRÔNICO Ocorre principalmente nos campos elétricos elevados (Altas tensões), nos quais íons ou elétrons possuem energia cinética suficiente para produzir a ionização. Estas partículas são aceleradas pelo intenso campo elétrico que colidem contra os átomos. São formados assim os Arcos Voltaicos. 2- IONIZAÇÃO TÉRMICA Produz-se pelo aumento de energia cinética quando a sustância é aquecida. 3- FOTOIONIZAÇÃO Origina-se quando os átomos ou moléculas absorvem quantias de energia eletromagnética suficiente para ionizá-los. A intensidade da ionização é medida pelo número de pares de partículas carregadas com sinal contrário que aparecem na unidade de volume do gás em uma unidade de tempo. DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE IONIZAÇÃO Inicialmente sob tensões baixas, os gases não são condutores porém, sempre existem íons presentes. Aumentando a tensão entre dois eletrodos, o campo elétrico resultante entre os mesmos também aumenta de intensidade produzindo a movimentação dos íons entre os eletrodos. A velocidade deste deslocamento depende principalmente da pressão do gás e da intensidade do campo elétrico. Desta forma é cada vez maior a quantidade de íons que na unidade de tempo conseguem chegar até os eletrodos, ou seja, a corrente elétrica que circula pelo gás vai aumentando sua intensidade. A partir de determinado momento, todos os íons produzidos pelo agente ionizador (o campo elétrico), chegam até os eletrodos e então, embora a tensão possa ser aumentada, a corrente elétrica que circula pelo gás não aumentará seu valor, isto é: temos saturado o gás. Dito valor é chamado de intensidade de saturação. 24
Quanto menor seja a densidade do gás, menores serão as intensidades de campo elétrico necessárias para atingir tal saturação. Para aumentar a intensidade da corrente elétrica além do valor de saturação se faz agora necessário elevar consideravelmente a tensão entre os eletrodos. Feito isto, a intensidade da corrente elétrica novamente vai aumentar. Nestas condições aparece a ionização por choque eletrônico e, neste momento, a recombinação dos átomos e moléculas ionizados que voltam ao seu nível energético base, produz a emissão de radiações eletromagnéticas (luz), tornando o gás luminoso. A partir desta situação, um aumento do valor da tensão entre eletrodos produz o chamado efeito de avalanche, ou seja, um elétron qualquer produz um íon e um novo elétron, o qual novamente reinicia o processo. Tipos de descargas
Em condições normais de pressão (1 atmosfera ), podemos distinguir os seguintes tipos de descargas elétricas: 1. DESCARGA SILENCIOSA OU EFLÚVIOS 2. DESCARGA RADIANTE OU PENACHO 3. DESCARGA POR FAÍSCAS 4. DESCARGA POR ARCO 1. Descarga silenciosa ou eflúvios Tal como seu nome indica, ela não produz nenhum tipo de 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. A corrente de descarga existe porém sua intensidade é muito pequena. No entanto, se a superfície do eletrodo apresentam pequenos raios de curvatura, o campo elétrico deixa de ser uniforme e a densidade superficial de carga aumenta consideravelmente assim como a intensidade de dito campo elétrico. Nestes lugares a ionização se 25
intensifica, tornando o vento elétrico mais intenso. 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. Este é o Efeito Corona. A zona do gás adjacente à superfície iluminada é chamada de Camada do Efeito Corona, o restante da região de descarga denomina-se Região da Corrente Negra. No caso da corona se manifestar no eletrodo catódico, a corna se chama Corona Catódica ou Corona Negativa; nela os íons positivos são arrancam do cátodo os elétrons que originam a ionização volumétrica do gás. No caso da corona se produzir no eletrodo anódico, se denomina Corona Anodica ou Corona Positiva, e neal os elétrons surgem junto ao ânodo pela fotoionização do gás devido a radiação emitida pela camada do efeito corona. 2. Descarga radiante ou de penacho Se aumentarmos a tensão dos eletrodos, a corona toma a forma de um penacho luminescente, em forma de feixes radiais intermitentes. 3. Descarga por faíscas Aumentando ainda mais a tensão entre os eletrodos, se produz uma ionização súbita e considerável no gás, devido a criação de canais de condução da descarga. Nestes canais de ionização, a corrente elétrica encontra uma resistência muito menor à passagem da mesma que nos casos anteriores. Desta forma a intensidade da corrente de descarga nestes canais é bem elevada. A repentina condução de corrente nestes canais produz o afastamento súbito do gás gerando assim uma onda de choque, a qual é percebida pelo observador pelo ruído característico que as faíscas produzem. O processo também gera uma luminosidade apreciável no canal de descarga, o qual é perfurado através do gás pelo fluxo de partículas carregadas, porém, a trilha percorrida é altamente instável devido aos múltiplos choques das partículas que constantemente mudam de posição, produzindo assim um canal sinuoso de forma arborescente. A passagem da faísca se produz a um potencial elétrico 26
determinado denominado Potencial Disruptivo. No ar, quando a intensidade do campo elétrico atinge valores de 30 kilovolt por centímetro, sob pressão normal e com eletrodos de 20 mm de diâmetro, a faísca de descarga é produzida. A pressão do gás e a forma dos eletrodos influem notavelmente nos valores do potencial disruptivo, este é o denominado Efeito das Pontas, resultando na diminuição dos valores do potencial disruptivo. Para certa distância entre eletrodos, com o gás a 1 atm., a tensão sob a qual se produzem os efeitos corona e de faisca, são diferentes, sendo o primeiro maior que o segundo. Porém, à tensão de ruptura, o potencial disruptivo é muito mais sensível a diminuição da distância entre os eletrodos que a tensão para o efeito corona. Desta forma é possível encontrar uma distância crítica tal que para um afastamento entre os eletrodos menor que a distância crítica, já não mais é possível a existência do efeito corona e somente se produz a descarga por faíscas. 4. Descarga por arco No arco voltaico, a intensidade da corrente elétrica é muito elevada, porém, a tensão entre os eletrodos é pequena. A temperatura do gás é muito alta e os eletrodos se aquecem consideravelmente. No arco, as partículas são aceleradas a grandes velocidades de maneira que atingem os eletrodos com violência, produzindo deformações físicas nos mesmos e gerando novos elétrons por emissão termoiônica. O gás pode atingir no canal de descarga temperaturas da ordem dos 5000 graus centígrados.
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3.CONCLUSÃO
Diante do que foi visto, observa-se que os isolantes empregados para fins elétricos não podem ser escolhidos levando-se em consideração apenas o seu comportamento elétrico, demais fatores como efeitos mecânicos, químicos e viabilização econômica, por exemplo, devem ser considerados para satisfazer as condições de utilização. Tendo isso em mente, os dielétricos gasosos se destacam por possuir não possuírem volume e forma definidos, alta capacidade de regeneração e moderada capacidade de regeneração por convecção. Sendo assim os mais próximos dos dielétricos ideais, sendo assim são indicados como isolador em altas e médias tensões (Por exemplo o SF6 que é usado como um gás isolante em subestações).
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4.BIBLIOGRAFIA
Disponível em: http://www.del.ufms.br/Materiais.pdf
Disponível em: http://www.labspot.ufsc.br/~jackie/cap4_new.pdf
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