Aulas do Capítulo 5- Materiais Isolantes

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESTADO DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

Cuiabá – MT, dezembro de 2014.

Capítulo 5

Materiais Isolantes

Prof. Eraldo da Silva Pereira Disciplina: Princípio da Ciência dos Materiais e Dispositivos Elétricos Período: 2014/2

Ø UFMT

Materiais Isolantes

O meio onde existem campos eletrostáticos (transmissor do efeito causado por carga elétrica ao seu redor) deve ter resistividade muito alta para opor-se à passagem da corrente elétrica e 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:

1. isolam os condutores, entre esses e ou a terra, ou, ainda, entre eles e qualquer outra massa metálica existente na sua vizinhança;

2. modificam, em proporções importantes, o valor do campo elétrico existente em determinado local.

Introdução

Materiais Isolantes

Os dielétricos (que isolam eletricidade) se distinguem dos condutoras por não possuírem elétrons livres que possam mover-se ao longo do material, ao serem submetidos a um campo elétrico. Nos dielétricos, todos os elétrons estão ligados e por isso o único movimento possível é um leve deslocamento das cargas positivas e negativas em direções opostas, geralmente pequeno em comparação com as distâncias atômicas.

Esse deslocamento, chamado polarização elétrica, atinge valores importantes em substâncias cujas moléculas já possuam um ligeiro desequilíbrio na distribuição das cargas. Nesse caso, se produz ainda uma orientação dessas moléculas no sentido do campo elétrico externo e se constituem pequenos dipolos elétricos que criam um campo característico. O campo é dito fechado quando suas linhas partem do pólo positivo e chegam ao negativo.

Introdução

Materiais Isolantes

Polarização: é o deslocamento limitado de cargas ou a orientação das moléculas dipolares, característico para qualquer dielétrico, quando sobre ele atua uma tensão elétrica.

Introdução

Dependendo da constante dielétrica, pode haver dissipação de energia provocando aquecimento do dielétrico, decorrente das poucas cargas livres e resulta numa corrente de fuga pelo dielétrico.

A maioria dos dielétricos se caracteriza por um deslocamento elétrico das cargas como uma função linear do campo elétrico que se cria no dielétrico.

Materiais Isolantes

Todo dielétrico inserido em um circuito elétrico pode ser considerado como um capacitor, cuja carga é dada por:

U (Fonte de Tensão)

Introdução

- - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + +

Q = C. U

Onde: C é a capacitância e U a tensão aplicada.

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A carga Q é a soma de duas componentes: Qₒ, carga que existiria se os eletrodos estivessem separados pelo vácuo, e Qd, devida a polarização do dielétrico que na verdade separa os tais eletrodos.

Q = Qₒ + Qd Os dielétricos são caracterizados pela sua permissividade relativa ou constante dielétrica ε, (razão entre a carga Q, obtida com uma determinada tensão no capacitor (dielétrico) e a carga Qₒ.

ε = Q = 1 + Qd sendo ε > 0 Qₒ Qₒ

Introdução

ε também pode ser determinada pela razão entre a capacitância de um capacitor (dielétrico) e a capacitância de outro capacitor com as mesmas dimensões cujo dielétrico seja o vácuo.

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1.  Eletrônica e iônica: ocorre de um modo instantâneo sob a ação de um campo elétrico e sem dissipação de energia. A eletrônica diminui com o aumento da temperatura, e a iônica é intensificada com o aumento da temperatura - parafina, enxofre, poliestireno, benzeno, hidrogênio;

2.  Dipolar: moléculas em movimento térmico caótico, se orientam parcialmente pela ação do campo, o qual é a causa da polarização. Aumenta a princípio com o aumento da temperatura, depois cai a medida que aumenta a temperatura - algumas resinas, celulose, alguns hidrocarbonetos cloretados, possuem ao mesmo tempo polarização eletrônica e dipolar;

3.  Estrutural: é a orientação de estruturas complexas do material, perante a ação de um campo externo, aparecendo devido a um deslocamento de íons e dipolos, na presença de aquecimento devido a perdas Joule. Quanto a sua dependência com a temperatura têm comportamento semelhante à polarização dipolar. Ocorre em corpos amorfos e em sólidos cristalinos polares como do vidro.

Tipos de polarização

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1.  Possuem somente a polarização eletrônica - parafina, enxofre, poliestireno, benzeno, hidrogênio;

2.  Possuem ao mesmo tempo polarização eletrônica e dipolar- algumas resinas, celulose, alguns hidrocarbonetos cloretados,;

3.  Inorgânicos sólidos com polarização eletrônica, iônica e íon-eletrônica dipolar, dividido nos subgrupos:

ü  com polarização eletrônica e iônica: substâncias cristalinas com empacotamento denso de íons - quartzo, mica, sal e óxido de alumínio;

ü  com polarização eletrônica, iônica de dipolar ao qual pertencem os materiais que contem fase vítrea – porcelana - e os dielétricos cristalinos com empacotamento não denso.

4. Componentes ferroelétricos, que se caracterizam por ter polarização espontânea (considerável dissipação de energia), eletrônica e iônica combinadas - sal de Seignette e de Rochelle, Titanato de Bário e outros.

Grupos de Dielétricos

Materiais Isolantes Comportamento dos Dielétricos em Serviço

Efeitos da Temperatura: A resistividade elétrica de um material é uma função da temperatura. A função é crescente ou decrescente conforme os materiais sejam isolantes, semicondutores ou condutores, dependendo em particular da maior ou menor variação dos parâmetros mobilidade, µ e densidade de cargas livres, n. A condutividade de um material pode em geral escrever-se

s (T) = 1/r (T) = n (T) µ (T) e

Associados ao aumento da temperatura existem dois efeitos: o aumento da energia cinética dos elétrons, que eleva a densidade de elétrons livres disponíveis para suportar o fenômeno da condução elétrica, e o aumento da agitação térmica dos átomos, que, pelo contrário, reduz a mobilidade das cargas eléctricas. É a preponderância de um ou outro que conduz à diferença de comportamentos manifestada pelos materiais isolantes, semicondutores e condutores. Em geral, pode dizer-se que:


(i) a resistividade dos materiais condutores aumenta com a temperatura, designadamente devido à degradação da mobilidade e ao não significativo aumento do número de elétrons livres disponíveis para a condução (nesses materiais a densidade de cargas livres é, por si só, bastante elevada à temperatura ambiente). Com efeito, metais como a platina, o ouro, o alumínio e o cobre apresentam coeficientes de temperatura positivos;

(ii) a resistividade dos materiais isolantes e semicondutores diminui com a temperatura, devido à preponderância do aumento do número de cargas livres sobre a degradação da mobilidade. Materiais semicondutores como o silício e o germânio, ou isolantes como o óxido de silício, apresentam coeficientes de temperatura negativos.


Havendo isolamento, existe resistência, então, há resistividade do material influenciada por uma diversidade de fatores: ex. temperatura (aumento da temperatura provoca diminuição da resistividade).

Resistência de Isolamento – é a relação entre U (tensão submetida ao isolante) e I (corrente). 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.

Essa resistência não é constante (não obedece à lei de Ohm), exceto para gases e só para valores baixos de tensão. No caso dos dielétricos sólidos, a curva de variação da corrente com a tensão já tem um aspecto diferente, sendo de uma forma geral do tipo da apresentada abaixo:

Lei de variação da corrente com a tensão nos dielétricos sólidos

perfuração do isolamento


Resistência Superficial - Ocorre pela acumulação de poeira e umidade na superfície dos isolantes na forma um novo caminho para a passagem da corrente elétrica.

Aparece nos isolantes expostos ao tempo - isoladores de linhas de transmissão aéreas. Assim, a resistência de isolamento é dos dois circuitos em paralelo, superficial e de massa.

Circuito Equivalente de um dielétrico com perdas de energia e correntes de fuga.

O aumento da temperatura faz atenuar a importância da resistência superficial, pois a resistência de massa decresce em relação àquela.

R1 C

A B

R2


Rigidez Dielétrica (RD) – é a relação da tensão aplicada no momento da ruptura pela espessura do isolamento e determina o valor do campo elétrico para o qual se dá a ruptura do isolante.

Não é constante para cada material, pois depende de muitos fatores, tais como: espessura do isolante, dimensões e forma dos eletrodos utilizados para a aplicação da tensão, freqüência da tensão aplicada, número de aplicações de tensão na unidade do tempo (fadiga do material), 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.

À relação da tensão pela distância entre os condutores é dado o nome de rigidez dielétrica superficial, sendo dependente da forma do isolante e do estado da sua superfície.


Perdas nos dielétricos - Nos dielétricos sujeitos a uma tensão contínua verifica-se uma perda por efeito Joule. A corrente de perdas (muito limitada), ocasiona certo aquecimento. Essas perdas não têm importância.

Nos dielétricos sujeitos a uma tensão alternada dá-se, a perda por efeito Joule, mas surge um outro fenômeno que origina perdas denominado histerese dielétrica (decorrente de um atraso na orientação das moléculas polares do dielétrico). A energia perdida é também transformada em calor, dada por consideração da falta de homogeneidade do dielétrico.

Ângulo e Fator de Perdas - Quando um dielétrico está sujeito a um campo elétrico alternado, a corrente que o atravessa deveria estar avançada de π/2 em relação à tensão, mas pelo fato de existir uma queda ôhmica através da massa do isolante, haverá uma componente da corrente que fica em fase com a tensão e o ângulo de diferença de fase será (π /2 -δ), sendo δ chamado ângulo de perdas. À tg δ, igual ao ângulo expresso em radianos (δ muito pequeno) é dado o nome de fator de perdas. A potência perdida no dielétrico será dada por:

P = U.I.cos(π /2 - δ) = U.I.sen δ ~ U.I. δ δ depende das condições físicas a que o isolante se encontra submetido, principalmente a temperatura.


Ruptura dos Dielétricos – ocorre quando o campo elétrico ultrapassa um determinado valor.

Se a ruptura ocorrer num dielétrico fluido, o isolante é logo substituído e a única conseqüência é o aparecimento de partículas carbonizadas no seio do fluido. Nos dielétricos sólidos a descarga os destrói no ponto em que a ruptura se verifica.

Efeito Corona- é a ionização do ar (ou gás) existente entre dois condutores, ocasionada por campo elétrico resultante de uma grande diferença de potencial existente entre as suas superfícies. O efeito obtido é equivalente ao aumento das dimensões dos condutores, visto o gás ou o ar ionizado se tornar condutor também.

A ionização limita-se como que a uma bainha à volta dos condutores, visível sob o aspecto de uma luz azulada e sensível pelo cheiro a ozônio Dependendo da forma e da distância entre os condutores, o campo pode ir se mantendo nas camadas sucessivas valores altos para provocarem a ionização até estabelecer um caminho de gás ou ar ionizado entre os condutores.

As cargas elétricas deixam de encontrar resistência e passam em grande quantidade de um condutor para o outro, sob a forma de um arco. É a descarga elétrica.

Materiais Isolantes

O uso dos isolantes está relacionado à sua aplicação - isolantes que apresentam superioridade em algumas aplicações podem ser inadequados em outras. Ex.: porcelana excelente para isolamento de LTs, (propriedades dielétricas, químicas e mecânicas), e inadequada para cabos isolados (falta de flexibilidade); borracha (excelentes qualidades químicas, mecânicas e elétricas), é usada em fios e cabos, mas não é a prova de água, não resiste a temperaturas elevadas, é atacável pelos óleos e pelo ozona.

Conclusão: excelentes propriedades elétricas (alta rigidez dielétrica, alta resistividade, baixas perdas) não são suficientes para determinar o emprego do isolante se as propriedades químicas e mecânicas não forem adequadas.

Uso dos Isolantes

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I - Gases: Ar, anidrido carbônico, nitrogênio (Azoto), hidrogênio, gases raros, hexafluoreto de enxofre, vácuo.

II - Líquídos:

A - Óleos minerais: óleos para transformadores, interruptores e cabos.

B - Dielétricos líquidos à prova de fogo: Askarel.

C - Óleos vegetais: linhaça.

D - Solventes: (empregados nos vernizes e compostos isolantes) Álcool, tolueno, benzeno, benzina, terebentina, petróleo, nafta, acetatos amílicos e butílicos, tetracloreto de carbono, acetona.

Classificação de acordo com o seu estado

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III - Sólidos aplicados em estado líquido ou pastoso: A - Resinas e plásticos naturais: resinas fósseis e vegetais, goma laca.

B - Ceras: de origem animal (abelhas), vegetal (carnaúba) e mineral (petróleo - parafina.)

C - Vernizes e lacas: preparados de resinas e óleos naturais, produtos sintéticos, esmaltes para fios, vernizes solventes, lacas (resinas vegetais).

D - Resinas sintéticas: (plásticos moldados e laminados) resinas fenólicas, caseína, borracha

sintética, silicones.

E - Compostos de celulose: (termoplásticos) acetato de celulose, nitrocelulose.

F - Plásticos moldados a frio: cimento portland empregado com resinas ou asfaltos.

IV - Sólidos: A - Minerais: quartzo, pedra sabão, mica, mármore, ardósia, asbesto (amianto).

B - Cerâmicos: porcelana, vidro, micalex.

C - Materiais da classe da borracha: borracha natural, guta-percha, neoprene, buna.

D - Materiais fibrosos (tratados e não tratados): algodão, seda, linha, papel, vidro, asbesto,

madeira, celofane, rayon, nylon).

Classificação de acordo com o seu estado

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Em máquinas e aparelhos elétricos a temperatura é limitada pelos isolantes. A duração dos isolantes depende de vários fatores: temperatura, esforços elétricos e mecânicos, vibrações, exposição a produtos químicos, umidade e sujeira de qualquer espécie.

Classificação dos materiais isolantes em relação à sua estabilidade térmica em serviço (NBR 7034).

Classe Temperatura máxima admissível em serviço

Y (O) 90°C (algodão, seda e papel sem impregnação)

OA 105°C (idem impregnados)

OE 120°C ( alguns vernizes, esmaltes e fibras)

OB 130°C (mica, asbesto com aglutinante, EPR)

OF 155°C (mica, fibra de vidro com algutinante)

OH 180°C (elastômeros de silicato)

OC > 180°C (porcelana, vidro, quartzo, cerâmicas)

Classificação quanto à duração

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1.  Ar: usado em condutores sem isolamento sólido ou líquido em RDs e LTs. Entre os condutores nus, o isolamento é o ar e o afastamento entre os condutores é conseqüência da rigidez dielétrica do ar, que varia com: umidade, impurezas e temperatura. Valor a seco e limpo, a 20°C, é de 45kV/mm; decresce, rapidamente, a 3kV/mm, sob ação da umidade, da poluição, da pressão atmosférica e da temperatura. O afastamento entre condutores também é das características mecânicas e de agentes, tais como ventos e outros, que vão determinar, em conjunto, a menor distância entre dois cabos;

2.  SF6 - hexafluoreto de enxofre: Disjuntores e em SEs compactadas;

3.  Vácuo: disjuntores de alta capacidade.

Isolantes Gasosos

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Além da função isolação, atuam na refrigeração retirando o calor gerado pelo condutor, transferindo-o aos radiadores de calor, mantendo, assim, dentro de níveis admissíveis o aquecimento do equipamento.

No uso diário destacam-se os seguintes:

1. Óleo mineral: obtido a partir do petróleo e, eventualmente, de outros produtos sedimentares, sendo constituído de misturas de hidrocarbonatos, gorduras e outras deposições. Seu cheiro é desagradável, de coloração preto-azulada ou marrom, com uma composição dependente do local em que é encontrado. É composto de: metano, ou óleos parafinados do qual se extrai 3 a 8% de parafina sólida; nafta; mistura de dois anteriores.

Aplicação: transformadores, cabos, capacitores e chaves a óleo, etc.

Isolantes líquidos

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Os óleos devem ter baixa viscosidade (serem bastante líquidos), pois, além de sua função dielétrica de impregnação, devem também transmitir o calor (transformadores).

No caso dos dispositivos de comando (chaves, disjuntores), o óleo deve fluir rapidamente entre os contatos entreabertos, para extinguir rapidamente o arco voltaico.

Em cabos e capacitores, o óleo deve também fluir com facilidade, para impregnar totalmente o papel isolante empregado, deslocando e eliminando assim a presença de água e de bolsas de ar em produtos fibrosos, como é o caso dos papéis.

A viscosidade recomendada em cada aplicação consta de normas técnicas, relacionada com a temperatura, sobretudo a temperatura máxima admissível. Assim, o ponto de chama varia de 130 a 145oC.

Óleos Minerais

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Providências de rotina: verificação da tensão de ruptura ou da rigidez dielétrica, face à constatação de envelhecimento rápido. Os processos de manutenção prevêem a retirada periódica de amostras de óleo e a verificação de suas características isolantes. Nota-se após um período curto (2 a 3 anos) a perda das propriedades isolantes, podendo ser necessária a purificação ou filtragem ou a substituição do óleo envelhecido.

A oxidação do óleo é presente devido à presença do oxigênio do ar e da elevação de temperatura. Pode decorrer, também, da luz do dia. Como resultado, aparecem diversos ácidos orgânicos, além de água e materiais voláteis que se transformam em matérias com cadeia molecular extensa, devido à polimerização ou policondensação progressiva. O envelhecimento inicia com o aumento do coeficiente de acidez.

Óleos Minerais

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Além da rigidez dielétrica, outro fator que pode caracterizar o envelhecimento é a variação do fator de perdas. A fig. abaixo demonstra tal situação, para freqüência industrial de 60 Hz. Nota-se que, ao longo do tempo (três anos), o óleo corretamente purificado não alterou seu fator de perdas. Pela configuração das curvas, é possível concluir ainda sobre os tipos de produtos de oxidação que se apresentaram, e daí escolher a melhor maneira de eliminá-los, mesmos sabendo que influem menos sobre a rigidez dielétrica do que a presença de certos gases ou água no óleo.

Óleos Minerais

Variação das perdas dielétricas de óleos minerais em função do grau de pureza e do

envelhecimento

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A umidade provém do ar - apesar dos cuidados com a secagem na fabricação a umidade contamina o óleo durante o uso dos equipamentos. Uso de sílica gel nos trafos. A absorção de gases, inclusive resultante da deterioração de materiais na parte interna do equipamento, com características isolantes inferiores às dos óleos, pode resultar em baixa isolação.

Processos de purificação: eliminação de impurezas sólidas através de filtro-prensa ou centrifugação e eliminação da água em câmara a vácuo aquecida.

Inflamabilidade: combustão espontânea quando sobre aquecido coloca em risco o pessoal e os equipamentos próximos, exigindo controladores temperatura (termômetros com contatos) para ligar alarme. Se não for possível redução de carga, aumento da velocidade de retirada de calor por refrigeração intensa, etc., é acionado o disjuntor para desliga o equipamento.

Óleos Minerais

Materiais Isolantes Óleos Minerais

Estágios da Oxidação do Óleo

Materiais Isolantes

2. Askarel: é um pentaclorodifenil (C6 H2 Cl3 C6 H2 Cl3), denominado Clophen, Inerteen ou Aroclor que se destaca por não ser inflamável, pela ausência de envelhecimento e da formação de subprodutos durante o seu uso; porém apresenta outros problemas e cuidados, que resultaram na sua substituição por um óleo à base de silicone. Também não pode ser usado em aplicações onde se apresentam arcos voltaicos expostos, pois a temperatura rompe a cadeia de HCl e há desprendimento do cloro.

Aplicação: Foi utilizado principalmente na impregnação do papel isolante de cabos e em capacitores para ter distribuição de campo elétrico mais uniforme, elevando a capacitância até 40%.

Problema: quimicamente ativo, ataca o sistema respiratório e visual dos que o manuseiam e a alguns produtos dos componentes. Exige prevenção contra intoxicação orgânica e verificação de seu comportamento com os materiais com os quais ficará em contato. Preço dez vezes superior ao do óleo mineral, o que também limita seu uso.

Materiais Isolantes

3. Óleos de Silicone: líquidos incolores e transparentes (cadeias Si - O - Si associado a grupos metílicos e fenólicos) caracterizam-se por um ponto de chama bastante elevado e baixo ponto de solidificação.

Permanecem neutros perante a maioria dos elementos garantindo ausência de envelhecimento e são repelentes à água, evitando assim perda de características isolantes.

Aplicação: em transformadores especiais e como lubrificantes em máquinas que trabalham a temperaturas muito altas ou baixas; em áreas paralelas, graxas e óleos de silicone são preferidos como elemento de separação entre a massa de um molde e o molde propriamente dito, nas aplicações de injeção em plástico. Silicones líquidos em numerosos processos e produtos industriais tais como acréscimos de tintas e vernizes, lubrificantes e outros.

Problema: preço é muito alto em relação ao óleo mineral.

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4. Óleos Vegetais Isolantes (OVI): são obtidos a partir de grãos ou sementes de plantas oleaginosas (soja, milho, girassol, linhaça, etc.) através de processos apropriados (trituração, cozimento, prensagem mecânica, extração por solvente, etc.), e refinamento

Para utilização como dielétrico, o óleo vegetal tem suas características adequadas a essa utilização, através de processos específicos, recebendo aditivos anti-oxidantes e redutores de ponto de fluidez, além de componentes que lhe conferem características biodegradáveis.

O OVI é mais higroscópico que o papel isolante, e sua utilização em equipamentos elétricos que utilizam esse meio isolante, faz com que haja a transferência gradativa da umidade do papel dos enrolamentos para o óleo. Dessa forma, a utilização de óleo vegetal como meio dielétrico em transformadores e reatores, promove a secagem gradativa do isolamento sólido, concentrando a umidade retirada no OVI, onde a mesma pode ser extraída com maior facilidade.

Em norma, o limite de retenção de umidade do OVI, é de 150 ppm (alguns estudos mostram que esse valor é bem conservativo e que na prática esse limite supera 200 ppm). No OMI esse limite é de 35 ppm.

Por ser um produto biodegradável, o OVI é susceptível ao ar e umidade atmosféricos, sendo mais apropriado para utilização em equipamentos selados (sem contato com a atmosfera).

Em ensaio, o OVI mostrou propriedades bastante interessantes para aplicação em transformadores com isolação à base de celulose (papel Kraft), visto que com o tempo de utilização, o mesmo confere (através de reações químicas e retiradas de umidade) ao papel isolante, características de esterificação muito superiores às obtidas para o papel Kraft termo estabilizado nos tratamentos convencionais.

Com essa esterificação natural o papel isolante suporta maiores temperaturas de utilização sem perda de vida útil e de resistência mecânica (GP). Assim, é possível impor maior carregamento ao transformador (repotenciação), sem perda de vida útil.

Já está em utilização a nova norma IEEE (C57.154™), para transformadores de potência e de distribuição imersos em líquido isolante usando sistemas de isolamento de alta temperatura.

Agora, transformadores novos e existentes, imersos em éster natural (OVI), podem operar em temperaturas mais altas que as convencionais, permitindo ganhos na potência, custo e dimensão, ou ainda, aumentar a vida útil do transformador.

Isso porque, nessa norma, o IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) confirma o aumento da classe térmica do papel isolante e também amplia os limites de temperatura de operação, devido às comprovadas propriedades térmicas do óleo vegetal isolante.

Materiais Isolantes

Por ser um produto biodegradável, o OVI é susceptível ao ar e umidade atmosféricos, sendo mais apropriado para utilização em equipamentos selados (sem contato com a atmosfera).

O OVI apresenta propriedades bastante interessantes para aplicação em transformadores com isolação à base de celulose (papel Kraft), visto que com o tempo de utilização, o mesmo confere (através de reações químicas e retiradas de umidade) ao papel isolante, características de esterificação (reação química reversível na qual um ácido carboxílico reage com um álcool produzindo éster água) muito superiores às obtidas para o papel Kraft termo estabilizado nos tratamentos convencionais.

Com essa esterificação natural o papel isolante suporta maiores temperaturas de utilização sem perda de vida útil e de resistência mecânica (GP). Assim, é possível impor maior carregamento ao transformador (repotenciação), sem perda de vida útil.

Óleos Vegetais Isolantes

Materiais Isolantes

Caracterizam pelo baixo ponto de fusão, podendo ter estrutura cristalina, baixa resistência mecânica e baixa higroscopia.

1. Parafina: é obtida de uma das fases de decomposição do petróleo, com elevado teor de metano, por meio de destilação. Com aparência branca, livre de ácidos, de bolhas impurezas é o isolante pastoso mais usado e mais barato. Sua constante dielétrica ε reduz com elevação de temperatura, mudando bruscamente seu valor quando passa do estado sólido ao líquido. É altamente anti-higroscópio (repelente à água), o que mantém elevada sua rigidez dielétrica e a resistividade superficial e transversal. Tem baixa estabilidade térmica – pouco calor para se liquefazer.

Aplicação: material de impregnação e recobrimento de outros isolantes. Uso limitado aos casos em que o nível de aquecimento do componente se mantém baixo (baixas perdas Joule às baixas correntes circulantes), caso dos componentes eletrônicos.

Isolantes Pastosos e Ceras

Materiais Isolantes

2. Pasta de silicone: tem estrutura molecular semelhante à dos óleos de silicone, e as mesmas propriedades. Recebem o acréscimo de pó de grafita para melhorar suas características antifricção. É, também, repelente à água.

Aplicação: material de isolamento de alta performance e proteção contra oxidação, tal como peças de contato, em articulações condutoras, e como pastas de recobrimento de partes isolantes expostas que devem manter elevada resistividade superficial e, também, como lubrificante.


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3. Resinas: são misturas estruturalmente complexas, de elevado número molecular e elevado grau de polimerização - massas vitrificadas, amorfas a baixas temperaturas – e quebradiça à temperatura ambiente. Em camadas finas se tornam flexíveis. Quando aquecidas, podem amolecer dentro de certos intervalos de temperatura, se tornam plásticas e podem chegar ao estado líquido. Geralmente as resinas não se caracterizam por um certo ponto de fusão.

Um verniz é aplicado na forma líquida, e solidifica durante a sua aplicação, passando ao estado sólido em sua fase final. Ex: o verniz não é um isolante líquido, sendo constituído de um solvente e uma matéria-prima capaz de formar uma película, um filme representado por uma resina.


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Resinas São classificadas em naturais: de origem animal (goma-laca) ou vegetal (Copal, Âmbar) obtidas por processo de purificação, e sintéticas obtidas por complexos processos químicos, reunindo diversas matérias-primas, destacando-se as resinas polimerizadas, as condensadas e as à base de celulose.


Goma Laca

Copal Âmbar

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4. Vernizes: são produtos resultantes de resinas com um solvente, eliminado no final do processo. Os vernizes mantém na forma final as propriedades das resinas, classificando-se em três grupos, a saber:

a) vernizes de impregnação - encontrado em associação com papéis, tecidos, cerâmicas porosas e materiais semelhantes. Sua função é preencher o espaço deixado internamente a um material, com um isolante de qualidade e características adequadas, evitando a fixação de umidade. Melhorando as características elétricas: condutividade térmica e a rigidez dielétrica e reduzindo a higroscopia, e também as propriedades mecânicas porque a complementação do volume do isolante com um material sólido, a transferência de tensões mecânicas se faz em toda a seção aplicada, o que reduz a concentração de esforços e eleva os valores que podem ser aplicados;


Materiais Isolantes

Vernizes b) vernizes de recobrimento - formam sobre o material sólido de base, uma camada de elevada resistência mecânica, lisa, e à prova de umidade e com aparência brilhante. Aplicam-se em isolantes porosos e fibrosos para elevar a resistência superficial de descarga e conseqüente tensão de descarga externa, bem como na cobertura de matais (fios esmaltados).

A aplicação do verniz protege contra a umidade e, sendo a superfície lisa, torna-se mais difícil a deposição de poeiras e outros detritos, além de facilitar a limpeza.


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Vernizes c) vernizes de colagem - é um verniz que cola entre si as diversas partes do isolamento quando o próprio isolante (mica, fibra de vidro, etc.) em geral sintético, não apresenta a necessária consistência ou coeficiente de atrito, para permitir seu uso em eletricidade. Também é usado na colagem de isolantes sobre metais.

Não se trata da necessidade de um verniz que se impregne no sólido, pois os sólidos em si são bastante compactos; por outro lado, também não é o caso de um recobrimento.

Distinguem-se tais vernizes por baixa higroscopia e boas características isolantes.

Na prática, uma verniz não apresenta unicamente uma dessas propriedades. Todos eles possuem uma certa predominância de alguma das três propriedades indicadas, vindo porém acompanhadas de mais ou duas outras propriedades.


Materiais Isolantes

1.  Fibrosos: podem ser orgânicas: celulose, o papel, o algodão, a seda e outras fibras sintéticas ou naturais, e inorgânicas: amianto e fibra de vidro.

a) Papel – é celulose obtida a partir de diversas árvores e do algodão (fibras não usadas para finalidades têxteis).

Vantagens: propriedades elétricas favoráveis; destaca-se pela elevada resistência mecânica, grande flexibilidade, capacidade de obtenção em espessuras pequenas, preço geralmente razoável e estabilidade térmica em torno de 100°C. Problema: elevada higroscopia, o que exige impregnação adequada com óleos ou resinas - 40% do volume é de fibras, o restante são espaços livres.

Aplicação: isolante de cabos, onde ficam sujeitos a acentuados esforços de tração e de compressão, quando o cabo é tracionado e dobrado. Isola espiras de fios, placas condutoras de capacitores, placas usadas como base de suporte de outros componentes, e em separadores dielétricos, no caso de barramentos ou de base de suporte de núcleos de transformadores ou dos enrolamentos de motor, dentro da ranhura.

Isolantes Sólidos

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b) Fibras Sintéticas: produtos fibrosos naturais (algodão e seda) estão sendo substituídos por fibras sintéticas quando preço e características elétricas, mecânicas e químicas justificam sua aplicação.

•  Fibras de poliamida: são fitas isolantes (massa compacta e não porosa), usadas como reforços mecânicos de cabos de utilização especial, sempre que for necessário material resistente à ação do fogo, elevada flexibilidade e capaz de suportar elevados esforços de tração.

Possui superfície externa lisa, com baixo coeficiente de atrito, tornando imprescindível a aplicação de um verniz de colagem, capaz de conferir ao tecido assim fabricado a necessária consistência mecânica, o que, por sua vez, garante manter a continuidade de uma camada elétrica isolante.

Isolantes Sólidos

Materiais Isolantes

•  Fibras de vidro: derivada do vidro isolante, é obtida com espessura de 5 a 10 mm (micrometros). O vidro deve ser livre de álcalis – evita fissuras e a umidade que prejudica a resistência superficial. Após sua fabricação, é envolvida com uma camada protetora contra ação do ambiente. Também necessita de tratamento com verniz de colagem, para fornecer produtos elétrica e mecanicamente adequados.

Caracterizam-se pela estabilidade térmica (mais elevada que a de outras fibras) e são associadas a resinas da família dos epoxes, para suportar temperaturas de 200-300°C. São usadas nas câmaras de extinção do arco voltaico, sobretudo em disjuntores de média e alta-tensão com reduzido volume de óleo.

Isolantes Sólidos

Materiais Isolantes

2. Materiais Cerâmicos: são um grupo de materiais de elevado ponto de fusão, manufaturados a frio na forma plástica e que sofrem processos de queima até temperaturas de 2000°C. São constituídos de quartzo (aspecto térmico – aumenta temperatura admissível), feldspato (aspecto dielétrico – aumenta propriedade isolante), caolim (aspecto mecânico – aumenta suportabilidade a esforços) e a argila, incluindo aditivos em menor porcentagem mas de influência sensível no produto resultante.

Caracterizam-se pelo preço baixo, pela simplicidade de fabricação, e pelas características elétricas, térmicas e físicas vantajosas que podem apresentar, quando bem fabricados.

Isolantes Sólidos

Caolim + argila: propriedades mecânicas.

feldspato: propriedades elétricas

quartzo: propriedades térmicas

Exemplo: Ponto A: 20% caolim + argila 40% feldspato

40% quartzo.

Triângulo de c o m p o s i ç ã o porcelana

Materiais Isolantes

Aplicações: conforme segue, dependendo do processo de fabricação:

1. Porcelana de isoladores: destinada a fabricação de isoladores de baixa, média e alta-tensão, para redes elétricas, dispositivos de c o m a n d o , t r a n s f o r m a d o re s , e t c . D e v e a p re s e n t a r comportamentos elétrico e mecânico adequados.

2. Cerâmica de capacitores: distingue-se pela elevada constante dielétrica, aplicando-se em capacitores de baixa e alta-tensão. Não são solicitados por esforços mecânicos elevados.

3. Cerâmica porosa: próprios para receber fios resistivos destinados à fabricação de resistores de fornos elétricos e de câmaras de extinção.

Materiais Cerâmicos

Materiais Isolantes

3. Vidro: composto de óxido de silício e de boro (SiO2 e B2O3); e aditivos, tais como K2O e Na2O (influem na temperatura de fusão), além de magnésio, zinco, antimônio, e chumbo. Tem preço baixo (simples fabricação) e características elétricas, térmicas e físicas vantajosas, além de elevada estabilidade térmica É alternativa à porcelana além das resinas (epoxe) e aglomerados de resina com borracha. O vidro é encontrado em duas formas: normal e temperada (tratamento térmico que eleva as suas propriedades mecânicas).

É incluído tanto no estado sólido (forma estável) quanto no líquido (leis da deformação). O estado vítreo é particular de uma longa série de produtos orgânicos e inorgânicos (conhecido por vidro).

Isolantes Sólidos

Aplicação: isoladores tipo disco e pedestal, devido à presença de esforços mecânicos acentuados.

Materiais Isolantes

4. Minerais 1.  Mica: mineral cristalino (silicato de alumínio), apresenta-se em

pequenas lâminas, devido à baixa força de coesão entre os diversos planos cristalinos. Dois tipos têm aplicação elétrica como um dos mais antigos isolantes : muscovita (K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O), e flogopita (K2O.3Al2O3.12MgO.12SiO2.2H2O. Caracteriza-se pelas propriedades a seguir.

§  É encontrado com facilidade, associado a óxidos metálicos, que precisam ser eliminados por meio de purificação. Na forma natural, se mantém em camadas facilmente divisíveis, permitindo obter lâminas pequena espessura.

§  Na purificação elimina-se material de ligação entre as lâminas exigindo o uso de um verniz de colagem. Recebe um esforço mecânico através de uma base de papel ou de tecido sendo assim conhecida por micanite.

§  O produto da mica com verniz pode ser rígido ou flexível, dependendo das características do verniz usado.

Isolantes Sólidos

Materiais Isolantes

1.  Mica: §  Têm elevada estabilidade térmica e maior temperatura de

serviço, atingindo valores de até 1000°C, sendo usada em numerosos casos de aquecimento elétrico. Apesar de permitir uma temperatura muito alta, os produtos de mica têm sua temperatura limitada pelo valor máximo admissível do verniz.

§  Bom comportamento mecânico com valores de resistência à tração e à compressão bastante altos: é, entretanto, sensível perante a flexão, o que faz da mica um material.

§  Ótimas características elétricas. §  É usada na forma de grandes lâminas, lamelas (lâminas muito

finas) e pó, sempre reforçada por material de base e impregnado com vernizes, se assim se fizer necessário, para o seu uso correto.

§  É relativamente higroscópica, devido à sua estrutura lamelar. §  A cor da mica informa sobre sua qualidade: quanto mais

incolor (menos impurezas), melhor é a sua qualidade. As cores geralmente encontradas são o amarelo, o esverdeado e o avermelhado.

Minerais

Materiais Isolantes

1.  Mica: seus derivados são os seguintes produtos :

Minerais

3. Pó de mica: usado como aditivo a outras massas e pós, ou na forma combinada com verniz de colagem, prensado em moldes, como peças de micanite, sendo usada aquecimento elétrico.

1. Placas de mica: camadas com espessura superior a 0,05 mm, usados em equipamentos e componentes elétricos estáticos: em alguns tipos de capacitores e também em aparelhos térmicos, tais como: aquecedores e ferros elétricos, onde um fio de aquecimento é envolto por placas de mica. 2. Lamelas ou lâminas de mica: não apresenta forma própria, necessitando de aglomerante, e , eventualmente, também de um material de base. As lamelas são coladas entre si, formando fitas, chapas, tubos, etc. Incluem-se nesse caso, canaletas de papel, mica e verniz de colagem, usados para isolar ranhuras de máquinas, ou a isolação entre as lâminas de um coletor.

Materiais Isolantes

2. Amianto: mineral fibroso, com brilho de seda, flexível, resultante da transformação de silicato de magnésio. A estrutura física é explicada pela forma cristalina. Sua forma cristalina permite uma divisão em filetes ou tubos. É encontrado na natureza dentro de pedras, em filetes, com espessura variável desde fiação de milímetros até alguns centímetros. Quanto maior o seu comprimento, maior é o valor do produto.

Destaca-se pela estabilidade térmica e alta temperatura de serviço, mantendo sua resistência mecânica e flexibilidade praticamente inalteradas perante temperaturas em que fibras orgânicas já estão sendo destruídas. Suporta elevados esforços mecânicos e elevada higroscopia, o que faz com que seja usado eletricamente com impregnação com resinas, óleos ou massas isolantes.

Isolantes Sólidos

Materiais Isolantes

Aplicações:

1. Pó de amianto: resultado da decomposição de fios muito curtos, os mais freqüentes, usado de diversas maneiras:

a) recebendo como aditivo um verniz e aplicando a massa sobre papel isolante torna-se repelente à água, com elevada estabilidade térmica e resistente a ácidos, álcalis e solventes orgânicos (com exceção do benzol e seus derivados);

b) preenchimento de fusíveis do tipo encapsulado, atuando como elemento extintor, em substituição à areia.

Amianto

Materiais Isolantes

Aplicações:

2. Fibras e respectivos tecidos: na forma de fitas, simples e combinadas com papéis aglutinadas por verniz de colagem são duras, grossas e mal-acabadas. Pode ser usada em mistura com fibras orgânicas (mais flexível e bom comportamento térmico) ou com a fibra de vidro. Para aplicações elétricas especiais, usa-se o cimento de amianto (fibras de amianto são misturadas com cimento e água, prensando-se a massa nas dimensões desejadas), que substitui mármores e produtos semelhantes. Devido a elevada higroscopia, é necessário aplicar verniz. Esse cimento, suporta o calor e elevadas solicitações mecânicas, o que leva a seu uso como base de chaves de manobra, câmaras de extinção do arco voltaico e paredes de separação de fase.

Fibras de amianto

Cimento de Amianto

Amianto

Materiais Isolantes

Tratam-se de borrachas naturais e artificiais ou sintéticas.

1. borracha natural: obtida a partir do látex de plantas (seringueira) sofre um tratamento térmico com enxofre e outros aditivos (vulcanização). Perdeu sua aplicação diante das borrachas sintéticas.

Materiais da Classe da Borracha

Materiais Isolantes

2. borracha sintética: é o polibutadieno - combinação de butadieno e sódio, abreviada como "Buna". Tem como elemento básico o isopreno, ou butadieno (bu), usando-se como catalisador o sódio (Na). Essa mistura é plastificada, por meio de oxidantes e da elevação de temperatura.

Suas propriedades dependem dos aditivos plastificantes e outros materiais presentes, o que permite ser adaptadas às exigências específicas, inclusive um tubo de borracha sintética com materiais diferentes na parte interna e na externa.

As borrachas sintéticas tem reforços admissíveis de tração inferiores às naturais; entretanto, são melhores quanto ao envelhecimento, estabilidade térmica, resistência perante agentes químicos e perante ozona, e mais resistentes à abrasão.


Materiais Isolantes

Entre as borrachas artificiais, que pertencem ao grupo termofixos, destacam-se as conhecidas por EPR (borracha de etileno-propileno), o neoprene e a borracha butílica.

Foi desenvolvida para resolver os seguintes problemas críticos da borracha natural:

ü rápido envelhecimento - a borracha natural se torna dura e quebradiça.

ü extremamente sensível à gasolina e ao óleo, inchando acentuadamente.

ü atacado pelo cobre e pelo manganês. O enxofre presente na borracha desencadeia uma reação inadmissível para finalidades elétricas. Solução adotada: estanhagem do condutor de cobre. ü Não permite temperaturas de serviço acima de 75°C. Acima desse valor, a borracha perde sua elasticidade.

ü É também sensível à ação dos raios solares e da ozona.


Materiais Isolantes

3. neoprene: obtido por polimerização (processo químico no qual moléculas chamadas monômeros se combinam umas com as outras formando moléculas maiores denominadas polímeros) do clorobutadieno. Resulta cadeias de átomos interligados, mediante acréscimo de estabilizadores de reação, evita modificação perante a temperatura ambiente. Apresenta como uma massa dura, mal-cheirosa e escura, que não é inflamável; não precisa de enxofre para sua polimerização. Aquecido a 60°C, perante uma compressão, a massa amolece e permite facilmente sua aplicação.


O neoprene suporta 120°C apresentando, assim, uma estabilidade térmica e temperatura de serviço superior à da borracha natural. Suporta também a gasolina e o óleo. A resistência à tração é um pouco inferior à da borracha natural, sendo também inferior em elasticidade.

As propriedades elétricas também não são as melhores tendo importante aplicação como capa externa de cabos, mas não como isolamento dos mesmos.

Materiais Isolantes

4. borracha butílica: substitui com vantagens a borracha natural, também sob ponto de vista elétrico, se apresenta com grande flexibilidade, boa resistência contra agentes químicos e, assim, baixo envelhecimento.

A presença de enxofre, que dá ao material uma maior estabilidade, cria porém um problema em contato com o cobre, com o qual reage. Por essa razão, os condutores isolados eletricamente com borracha butílica, devem ser estanhados. Sua temperatura limite de serviço é menor que a do neoprene, não devendo ultrapassar 80°C (max. 85°C).


Materiais Isolantes

5. borracha de etileno-propileno- EPR (ethylene propylene rubber): é a borracha mais moderna e de melhores características. Esse material termofixo apresenta uma rigidez dielétrica levemente superior à borracha butílica, inferior porém ao polietileno reticulado. Apresenta baixo fator de perdas e valor de constante dielétrica intermediária. Suporta temperaturas até 90°C em regime permanente. Quimicamente, o EPR é excelente perante a ação da ozônio (O3), e aos agentes químicos presentes no ar.


Aulas do Capítulo 5- Materiais Isolantes

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