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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Escola Politécnica de Pernambuco
Glauco Safadi
Keyla Carvalho
Thamiris Barroso
DIELÉTRICOS GASOSOS
Recife
2009
Glauco Safadi
Keyla Carvalho
Thamiris Barroso
DIELÉTRICOS GASOSOS
Materiais Elétricos Turma: E5
Este Trabalho é uma abordagem geral dos
materiais dielétricos gasosos, sua 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
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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 _________________________________________________________________28
4.BIBLIOGRAFIA________________________________________________________________29
4
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.
5
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
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isolantes. A durabilidade destes depende de fatores diversos, entre os quais
predomina a temperatura, como mostrado na tabela a seguir:
Classe Temperatura máxima admissível em serviço
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)
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
Tabela 1 - Classificação dos materiais isolantes em relação à sua estabilidade térmica em serviço.
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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 dielétrica (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
10
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.
Rigidez dielétrica superficial - No caso dos isolantes sólidos,pode acontecer
que o arco disruptivo, em vez de atravessar a sua massa, salte pela sua
superfície.
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
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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 ruptura 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
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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 valores de “pd”.
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
14
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
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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.
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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.
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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
20
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
21
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 ultra-
elevadas 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).
22
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 projetar-
se 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
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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:
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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.
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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
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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
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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
![Tratamento de Efluentes Gasosos[1]](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5571fbd0497959916995e009/tratamento-de-efluentes-gasosos1.jpg)
