UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO Escola Politcnica de Pernambuco

Glauco Safadi Keyla Carvalho Thamiris Barroso

DIELTRICOS GASOSOS

Recife 2009

Glauco Safadi Keyla Carvalho Thamiris Barroso

DIELTRICOS GASOSOS Materiais EltricosTurma: E5

Este Trabalho uma abordagem geral dos materiais dieltricos gasosos, sua classificao, propriedades, aplicaes, como vantagens e desvantagens para engenharia eltrica. Foi feito a pedido do professor da disciplina de Materiais Eltricos, Prof Salviano, para ser apresentado em sala.

Recife 2009

SUMRIO

1.INTRODUO

_________________________________________________________________4

2.DESENVOLVIMENTO___________________________________________________________5 2.1 Materiais dieltricos_________________________________________________________5 2.2 Classificao dos dieltricos________________________________________________6 2.3 Rigidez dieltrica ___________________________________________________________8 2.4 Caractersticas especficas dos dieltricos gasosos______________________10 2.4.1 Propriedades__________________________________________________________10

2.5 Principais Dieltricos Gasosos ____________________________________________12 2.5.1 Argnio (Ar) ____________________________________________________________ 12 2.5.2 Hexafluoreto de enxofre (SF6) 2.5.3 Hidrognio (H2)____________________________________13

__________________________________________________________18

2.5.4 Ar _________________________________________________________________________19 2.5.4.1 Efeito corona ___________________________________________________________19 3.CONCLUSO_________________________________________________________________28

4.BIBLIOGRAFIA________________________________________________________________29

3

1.INTRODUO O estudo dos materiais isolantes constitui-se como um assunto de grande importncia para a engenharia, tendo em vista a sua vasta aplicao e utilizao no seu cotidiano. Por isso, conhecer e entender como diferentes fatores (propriedades qumicas, eltricas, mecnicas, custo) se relacionam no projeto e seleo desses materiais primordial. Dessa forma, esse trabalho vem com o propsito de apresentar os aspectos gerais sobre os materiais dieltricos gasosos, conceito e principais

caractersticas.

4

2.DESENVOLVIMENTO 2.1 Materiais dieltricos: Quando se trata de campos eletrostticos, o meio no qual os mesmos existem dever ter resistividade muito alta, ou seja, dever opor-se tanto quanto possvel, passagem de corrente eltrica de conduo, motivo pelo qual recebe o nome de dieltrico. O material que o constitui designado por isolante. O papel dos dieltricos na eletrotcnica 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 metlica existente na sua vizinhana; Modificam, em propores importantes, o valor do campo eltrico existente em determinado local. Uma vez que certa poro de isolamento apresenta uma dada resistncia, 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 diminuio da resistividade dos materiais isolantes. Resistncia de Isolamento - O dieltrico impede a passagem da corrente eltrica enquanto o campo eltrico nele estabelecido no ultrapassar um determinado valor que depende da natureza do dieltrico e das suas condies fsicas. Este impedimento, porm, no total, pois, se uma determinada poro do isolante estiver submetida a uma tenso U, ela ser atravessada por uma corrente I, sendo o quociente entre U e I designado por resistncia de isolamento.

5

2.2 Classificao dos dieltricos: Conforme a aplicao, alguns isolantes apresentam, em certos casos, ntida superioridade sobre outros, sendo inteiramente inadequados em casos diferentes. O exemplo da porcelana tpico: sendo material excelente para isolamento de linhas areas, pelas suas propriedades dieltricas, qumicas e mecnicas, inteiramente inadequada aos cabos isolados, pela falta de flexibilidade. A borracha apresenta excelentes qualidades qumicas, mecnicas e eltricas, de modo que geralmente utilizada nos fios e cabos, mas no completamente a prova de gua, no resiste a temperaturas elevadas, atacvel pelos leos. O fato de um material apresentar propriedades eltricas muito superiores a outros (alta rigidez dieltrica, alta resistividade, baixas perdas) no suficiente para determinar o seu emprego se as qualidades mencionadas no forem acompanhadas de propriedades qumicas e mecnicas adequadas. Assim, s boas propriedades eltricas pode corresponder uma reduo de espessura do isolante a empregar nos condutores das mquinas eltricas; , porm necessrio que o material seja suficientemente forte para resistir aos esforos mecnicos durante a construo e o funcionamento. Muitas das substncias industrialmente empregadas como isolantes no so inteiramente homogneas - especialmente as de origem orgnica como o algodo, seda, madeira, leos, etc. Sendo, alm disto, em geral deteriorveis. Uma primeira classificao dos isolantes pode ser feita de acordo com o seu estado: a)Gases: Ar, anidrido carbnico, azota, hidrognio, gases raros, hexafluoreto de enxofre.

6

b) Lquidos: I leos minerais: leos para transformadores, interruptores e cabos. II Dieltricos lquidos prova de fogo: Askarel. III leos vegetais: Tung, linhaa. IV Solventes: (empregados nos vernizes e compostos isolantes) lcool, tolueno, benzeno, benzina, terebentina, petrleo, nafta, acetatos amlicos e butlicos, tetracloreto de carbono, acetona. c) Slidos aplicados em estado lquido ou pastoso: I Resinas e plsticos naturais: resinas fsseis e vegetais, materiais asflticos, goma laca. II Ceras: cera de abelhas de minerais, parafina. III Vernizes e lacas: preparados de resinas e leos naturais, produtos sintticos, esmaltes para fios, vernizes solventes, lacas. IV Resinas sintticas: (plsticos moldados e laminados) resinas fenlicas, casena, borracha sinttica, silicones. Slidos: I Minerais: quartzo, pedra sabo, mica, mrmore, ardsia, asbesto. II Cermicos: porcelana, vidro, micalex. III Materiais da classe da borracha: borracha natural, guta-percha, neoprene, buna. IV Materiais fibrosos (tratados e no tratados): algodo, seda, linha, papel, vidro, asbesto, madeira, celofane, rayon, nylon. Alm desta classificao cujo critrio a natureza dos materiais isolantes, estes podem ser classificados visando a sua aplicao, especialmente na construo de mquinas e aparelhos eltricos, cuja temperatura limitada no pelos materiais condutores ou magnticos (que so metlicos) e sim pelos7

isolantes. A durabilidade destes depende de fatores diversos, entre os quais predomina a temperatura, como mostrado na tabela a seguir: Classe Y (O) A E B F H C Temperatura mxima admissvel em servio 90C (algodo, seda e papel sem impregnao) 150C (idem impregnados) 120C (alguns vernizes, esmaltes e fibras) 130C (mica, asbesto com aglutinante, EPR) 155C (mica, fibra de vidro com aglutinante) 180C (elastmeros de silicato) >180C (porcelana, vidro, quartzo, cermicas)

Tabela 1 - Classificao dos materiais isolantes em relao sua estabilidade trmica em servio.

A durao dos materiais utilizados para isolamento de mquinas e aparelhos eltricos depende de vrios fatores, tais como a temperatura, os esforos eltricos e mecnicos, as vibraes, a exposio a produtos qumicos, umidade e a sujeira de qualquer espcie. Reconhece-se que os materiais isolantes podero no suportar as temperaturas a eles atribudas na classificao se estas forem mantidas durante tempo ilimitado. Essas temperaturas, todavia so tais que permitiro uma durao adequada do material se forem mantidas durante longos perodos de tempo com temperatura mais baixa. As normas de equipamento eltrico especificam geralmente a elevao de temperatura permissvel acima do ar ambiente ou de outro meio refrigerante. 2.3 Rigidez Dieltrica: Para poder exprimir numericamente a capacidade de um determinado material isolante suportar tenses elevadas, define-se uma grandeza a que se

8

d o nome de rigidez dieltrica e que definida como sendo o valor do campo eltrico para o qual se d a ruptura do isolante. Sabemos que os materiais dieltricos, possuem eltrons que esto presos ao ncleo dos tomos, ou seja, no existem eltrons livres nesses materiais. Se aplicarmos um campo eltrico entre as extremidades de um material isolante, atuar uma fora sobre os tomos desse corpo tentando arrancar dele alguns de seus eltrons, mas ocorre que esses eltrons esto fortemente ligados ao ncleo, sendo assim necessrio a aplicao de um campo eltrico mais intenso para que seja possvel arranc-los. Se a intensidade do campo eltrico no for suficientemente grande, a fora eltrica provocar somente a polarizao do material dieltrico. Aumentando a intensidade do campo sobre o isolante, a intensidade da fora que atua sobre seus eltrons tambm aumenta. Sendo assim, podemos concluir que vai chegar um determinado instante em que o valor do campo eltrico ser to grande que a fora eltrica conseguir arrancar os eltrons dos tomos, dessa forma os eltrons que antes estavam presos se tornam eltrons livres e, como conseqncia, o material que antes era isolante passa a ser condutor. Esse fato pode acontecer com qualquer material isolante, depende apenas da intensidade do campo eltrico que aplicado sobre ele. A tabela abaixo apresenta uma comparao da ordem de grandeza da rigidez dieltrica de alguns materiais isolantes: Material Ar Mica Vidros Rigidez dieltrica (kV/cm) 30 600 75 a 300Tabela 2

Esta grandeza est longe de ser constante para cada material, pois depende de muitos fatores, tais como a espessura do isolante, as dimenses e forma dos9

eletrodos utilizados para a aplicao da tenso, a freqncia da tenso aplicada, o nmero de aplicaes de tenso na unidade do tempo (fadiga do material), a temperatura, grau de umidade, etc. Rigidez dieltrica superficial - No caso dos isolantes slidos,pode acontecer que o arco disruptivo, em vez de atravessar a sua massa, salte pela sua superfcie. Ao quociente da tenso pela distncia entre os condutores dado o nome de rigidez dieltrica superficial. Esta depende, evidentemente, da forma do isolante e do estado da sua superfcie. 2.4 Caractersticas especficas dos dieltricos gasosos: Basicamente existem trs tipos de dieltricos (gasoso, slido e lquido). O dieltrico gasoso o que apresenta um mecanismo de ruptura mais fcil de compreender, pois possuem uma estrutura molecular relativamente simples. 2.4.1 Propriedades: Ionizao

Quando se aplica um campo eltrico a um gs, h uma fora tendendo a atrair os ncleos dos tomos para o eletrodo negativo e os eltrons para o eletrodo positivo. Isto acontece tambm com os eltrons e ons positivos livres existentes nos gases. Como a tenso aplicada inicialmente pequena, a corrente inicial ser pequena tambm. Entre os pontos a e b (ver figura 1), no h aumento de corrente, apesar da tenso crescer. Quando o campo aumentado (a partir do ponto b) os eltrons livres adquirem velocidades maiores e ao colidirem com tomos neutros, muitos eltrons desses tomos saem de suas rbitas e so separados dos ncleos, sobrando mais ons positivos e eltrons livres. Esses eltrons produzem novos ons positivos e eltrons livres por sucessivas colises. Esta ao acumulativa e a corrente aumenta rapidamente quando a tenso atinge o ponto c. Apesar dos eltrons possurem uma massa muito menos que a dos ons positivos, gastam uma energia muito maior nas colises, devido sua10

velocidade ser maior. No ponto c os ons positivos atingem velocidade suficiente para produzir novos ons e eltrons nas colises, contribuindo na ionizao e aumento da corrente. Este processo chamado de avalanche de eltrons. Ruptura

A regio d-e da figura 1 a regio chamada de ionizao completa. Entre e e f o sistema eltrico torna-se instvel (a corrente aumenta rapidamente mesmo diminuindo-se a tenso). 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 da ordem de alguns micro amperes e a corrente em h algo em torno de 108 vezes maior que a corrente em a. A tenso mxima depende da presso e do espaamento entre os eletrodos.

Figura 1 - Caractersticas de ionizao e ruptura nos gases.

.Lei de Paschen

A lei de Paschen, descoberta por ele mesmo em 1889, d o potencial como funo da massa de gs entre os eletrodos. Es = f (p,d) onde p a presso11

absoluta e d o espao 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 Dieltricos Gasosos 2.5.1 Argnio (Ar) um gs nobre, mais abundante em nosso planeta, pertence classe dos gases inertes que no participam de reaes qumicas. A maior quantidade de gs Argnio se encontra na mistura gasosa do ar atmosfrico, constitui 0,93% do volume do ar que respiramos. Esse gs monoatmico e caracterizado por sua extrema inatividade qumica. O argnio incolor, inodoro, no inflamvel, no txico, inspido e ligeiramente solvel em gua. Este gs tem uma vasta utilizao no que diz respeito conservao de materiais oxidveis, isto se explica pela propriedade inerte deste gs nobre. A rigidez dieltrica dos gases nobres (Helio, nenio, argnio, xennio, radnio e criptnio) inferior do ar, cerca de1/5. Esses gases no so usados como isolantes ao contrrio, por exemplo, o argnio utilizado em processos industriais de soldagem devido sua fraca tenso disruptiva. Os gases nobres so tambm utilizados para encher bulbos de determinados tipos de lmpadas, em particular de nenio, argnio e outros.

12

Extraordinria importncia tem o Helio como agente de refrigerao, em particular para os dispositivos que utilizam o fenmeno da supercondutividade. Sua temperatura de liquefao de 4,216 K. s vezes utiliza-se o nenio liquido como agente de refrigerao, sua temperatura de liquefao de 27,6 K, um pouco maior que a do hidrognio. Entretanto, o nenio muito caro. Tomando-se como unidade o preo relativo de 0,1 m3 de nitrognio, o hidrognio vale aproximadamente duas vezes mais, o Helio 80 e o nenio 30.000. nota-se que o nitrognio se obtm de modo mais fcil do ar, separando-o do oxignio. Pode ser empregado: Em peas de museus para uma melhor conservao das relquias (devido a pouca reatividade). Em lmpadas incandescentes para evitar a corroso do filamento de tungstnio presente neste tipo de lmpada. considerado protetor para soldas, pois evita oxidao, protegendo-as das substncias ativas do ar. Esta a chamada soldagem especial com atmosfera protetora. Pode ser usado para inflar airbags de automveis. Lasers a base de Argnio so aplicados na medicina em cirurgias dos olhos. Hexafluoreto de enxofre (SF6) O SF6 formado por uma reao qumica entre enxofre fundido e fluoreto. O fluoreto obtido pela electrlise de cido de fluordrico (HF). temperatura ambiente e presso atmosfrica, o hexafluoreto de enxofre um gs no inflamvel, no txico, incolor, inodoro, inspido e quimicamente estvel. Isto significa que temperatura de quarto no reage com qualquer outra substncia. A estabilidade vem do arranjo simtrico dos seis tomos de fluoreto em torno do tomo central de enxofre. esta estabilidade que faz este gs til em equipamentos eltricos. O SF6 um isolador eltrico muito bom e pode efetivamente extinguir arcos eltricos nos aparelhos de alta e media tenso13

2.5.3

enchidos com SF6. O SF6 pode ser achado no mundo inteiro em milhes de aparelhos eltricos; o equipamento eltrico que contm SF6 um artigo de grande exportao. Possui alta resistncia dieltrica e grande estabilidade trmica. Sendo cerca de cinco vezes mais denso que o ar atmosfrico, tende a acumular-se em locais baixos. O SF6 usado como um gs isolante em subestaes, como um isolador e mdio refrescante em transformadores e como um isolador e extintor de arco eltrico em interruptores para aplicaes de alta e mdia tenso. Estes so sistemas fechados que esto extremamente seguros e livres de improvveis fugas. Em sistemas de energia eltrica, exigido nos interruptores de alta e media tenso no poder de corte para no caso de uma falha proteger as pessoas e os equipamentos. As subestaes isoladas com gs encontram-se principalmente em reas urbanas e frequentemente instaladas em edifcios num pequeno local. Estas subestaes reduzem o campo magntico e removem completamente o campo eltrico. Esta uma real vantagem para os instaladores, pessoal de manuteno e as pessoas que vivem na redondeza de subestaes. O SF6 tambm usado de outros modos. Misturado com argnio, pode ser usado em janelas isoladas. O SF6 usado na indstria de metal, por exemplo, quando o magnsio utilizado. Os cirurgies dos olhos usam SF6 como agente refrescante em operaes. O SF6 tambm pode ser usado como um agente que extingue o fogo porque no inflamvel e refrescante. Em aplicaes eltricas, o SF6 s usado hermeticamente em sistemas fechados e seguros que debaixo de circunstncias normais no libertam gs. O hexafluoreto de enxofre particularmente adequado para utilizao como dieltrico em disjuntores de mdia e alta voltagem bem como em cabos de alta voltagem, transformadores, transdutores, aceleradores de partculas, raios x e equipamentos de UHF. Devido sua baixa condutividade trmica e baixa

14

velocidade snica, muito utilizado em pases frios, como agente isolante em janelas de vidro duplo. Vantagens: H duas razes para usar o SF6 em equipamento eltrico: O SF6 um bom isolador porque fortemente dopado em eltrons negativos. Isto significa que as molculas de gs pegam eltrons livres e constroem ons negativos, que no se movem rapidamente. Isto importante quando se criam avalanches de eltrons que podem conduzir a flashovers. O SF6 controla efetivamente o arco na interrupo do circuito porque tem excelentes propriedades refrescantes a temperaturas (1500-5000 K) na qual os arcos extinguem (o gs usa energia quando dissocia e ento produz um efeito refrescante). Os interruptores de mdia e alta tenso com SF6 ocupam um grande volume no mercado. Assim: O SF6 tm um dieltrico de capacidade resistiva muito alta; O SF6 extingue efectivamente arcos eltricos em circuito de mdia e alta tenso; Os aparelhos com SF6 so compactos e quase livres de manuteno; O equipamento com SF6 est extremamente seguro quando operado por usurios. Caractersticas do SF6 Geometria Molecular : octadrica 90 (Apolar)

15

Figura 3 - Geometria Molecular SF6.

Peso molecular: 146,05 Condutividade trmica presso atmosfrica: 1,4W/cmK a 40C Viscosidade (em CP) presso atmosfrica: 0,015 a 25C Capacidade de ruptura: 100A 1 atm. de presso Fator de perdas: tg d < 10-3a 50C tg d < 2 x 10-7a 25C Tenso de ruptura: 125kV a 2 atmosferas de presso com afastamento de 10mm. Transformador a SF6 Os transformadores imersos em hexafluoreto de enxofre (SF6), que, na atualidade, foram desenvolvidos para comercializao por investigadores japoneses, apresentam aspectos construtivos prprios. O ncleo magntico formado pelo empacotamento da chapa magntica, sem pernos de aperto e sustentado por uma estrutura de perfilado de ferro. Os enrolamentos so isolados com materiais sintticos e podem ser do tipo bobina ou do tipo em banda de cobre, conforme a intensidade da corrente eltrica que os atravessa. Estes rgos, que formam a parte activa do transformador, encontra-se encerrados no interior de uma cuba hermtica.16

O material isolante eltrico e condutor de calor utilizado para promover o isolamento eltrico e o arrefecimento do transformador o hexafluoreto de enxofre (SF6). Esse gs tem um valor de rigidez 2,5 vezes superior rigidez do ar presso atmosfrica, e que apresenta uma boa regenerao da rigidez dieltrica, depois de submetido ruptura pelo arco eltrico. Este gs, como condutor trmico, apresenta um elevado calor especifico, o que facilita o transporte do calor dos enrolamentos onde se desenvolve para a superfcie da cuba onde se dissipa. O SF6 no solvel em gua e no liberta elementos txicos ou perigosos quando aquecido, pelo que no apresenta agressividade ambiental. Todo o gs utilizado no transformador est contido na cuba, com um valor de presso pequeno (1 bar a 4 bar). Por isso, a cuba no necessita de respeitar as normas construtivas para recipientes submetidos a elevadas presses, registando-se mesmo casos de utilizao do alumnio na construo dessa cuba. Como o gs tem uma dupla funo de isolante eltrico e de condutor trmico, atravs do valor da respectiva presso e do mtodo de refrigerao consegue-se uma grande variedade de solues construtivas e caractersticas nominais: um aumento da presso do gs pode traduzi-se por uma maior potncia nominal ou por um menor atravancamento do transformador. O arrefecimento do transformador pode ser feito por convexo natural do gs ou por circulao forada de um outro lquido refrigerante, que pode estar ou no estar em contacto directo com o hexafluoreto de enxofre. Devido utilizao do hexafluoreto de enxofre e de lminas de isolantes sintticos no isolamento dos enrolamentos do transformador, que so materiais isolantes com constante dieltrica diferente das habituais, as distncias enter enrolamentos e entre subenrolamentos e as dimenses dos calos de separao dos enrolamentos vm alteradas, o que, sendo uma particularidade construtiva, no chega a influenciar o valor das dimenses 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 so seguros quanto ao contacto acidental porque tm as partes activas protegidas por uma cuba. O material isolante, o SF6, autoregenerador quanto ruptura pelo arco elctrico. Apresentam materiais isolantes quimicamente estveis e sem problemas de envelhecimento. O comportamento destes transformadores quanto ao impacto ambiental bom porque no fim da vida til os seus materiais so reciclveis, no apresentam agressividade ambiental durante o fabrico e durante o

funcionamento, e funcionam bem tanto protegidos do meio ambiente em instalaes interiores como expostos ao tempo em instalaes exteriores. Quanto aplicao destes transformadores imersos em gs verifica-se que apresentam uma boa capacidade de sobrecarga e que no necessitam de fossa na sua instalao, o que reduz as necessidades de espao para construo das subestaes ou postos de transformao. Verifica-se que um transformadores em SF6 ocupa menos 30% de espao e apresenta-se como valor tpico na sua aplicao uma reduo de 15% no custo global de um subestao, apesar deste tipo de transformador ser mais caro que o tradicional transformador imerso em leo. Assim, o preo constitui o seu maior inconveniente.2.5.4

Hidrognio (H2)

Rigidez dieltrica inferior a do ar, aproximadamente a metade, condutividade trmica elevada, portanto excelente agente de refrigerao. Aplicao: Aplicado no isolamento e refrigerao de alternadores de grandes potncias e motores scronos.

18

2.5.5

Ar

O AR atmosfrico (que na realidade uma mistura de gases e vapor de dgua). Como isolante, amplamente usado entre todos os condutores sem isolamento slido ou lquido, como, por exemplo, nas redes eltricas de transmisso e eventualmente de distribuio, onde os condutores so fixados a certa altura atravs de cruzetas, ou de braos, os quais, fixos a postes ou torres, so equipados com isoladores (de porcelana, vidro ou resina com borracha). Entre esses condutores nus, o isolamento somente o ar, de tal modo que o afastamento entre os fios ou cabos , entre outros fatores, conseqncia da rigidez dieltrica do ar. Esse valor varia acentuadamente com as condies de umidade, impurezas e temperatura. Seu valor a seco e limpo, a 20C, de 45kV/mm; decresce, entretanto, rapidamente, a 3kV/mm, sob ao da umidade, de contaminaes provenientes de poluio, da presso atmosfrica e da temperatura, fatores normais no ambiente externo e, conseqentemente, esse valor precisa ser considerado nos projetos. O afastamento entre condutores no , porm, apenas funo das caractersticas eltricas, mas tambm das mecnicas e de agentes, tais como ventos e outros, que vo determinar, em conjunto, a menor distncia entre dois cabos. 2.5.4.1 Efeito corona A seleo dos condutores uma das decises mais importantes a serem tomadas pelo projetista das linhas de transmisso. Nas linhas em mdias e altas tenses, a escolha das seces dos condutores geralmente se baseia em um equacionamento econmico entre perdas por efeito joule e os investimentos necessrios. Nas linhas em tenses extra-elevadas e nas futuras linhas em tenses ultra-elevadas, o controle das manifestaes do efeito corona pode ser o elemento dominante para orientar essa escolha. As mltiplas manifestaes do efeito corona tm implicaes diretas com a economia das empresas concessionrias e com o meio ambiente no qual as19

linhas de transmisso se encontram. Todas so importantes, e por isso mesmo devem merecer dos projetistas a devida ateno. O efeito corona aparece na superfcie dos condutores de uma linha area de transmisso quando o valor do gradiente de potencial a existente excede o valor do gradiente crtico disruptivo do ar. Mesmo em um campo eltrico uniforme, entre dois eletrodos planos paralelos no ar, uma srie de condies controlam essa tenso disruptiva, tais como a presso do ar, a presena do vapor dgua, o tipo de tenso aplicada e a fotoionizaao incidente. No campo no uniforme em torno de um condutor, a divergncia do campo exerce influencia adicional, e qualquer partcula contaminadora, como poeira, por exemplo, transforma-se em fonte pontual de descargas. Descargas eltricas em gases so geralmente iniciadas por um campo eltrico que acelera eltrons livres a existentes. Quando esses eltrons adquirem energia suficiente do campo eltrico, podem produzir novos eltrons por choque com outros tomos. o processo de ionizao por impacto. Durante a sua acelerao no campo eltrico, cada eltron livre colide com tomos de oxignio, nitrognio e outros gases presentes, perdendo, nessa coliso, parte de sua energia cintica. Ocasionalmente um eltron pode atingir um tomo com fora suficiente, de forma a excit-lo. Nessas condies, o tomo atingido passa a um estado de energia mais elevado. O estado orbital de um ou mais eltrons muda e o eltron que colidiu com o tomo perde parte de sua energia, para criar esse estado. Posteriormente, o tomo atingido pode reverter ao seu estado inicial, liberando o excesso de energia em forma de calor, luz, energia acstica e radiaes eletromagnticas. Um eltron pode igualmente colidir com um on positivo, convertendo-o em tomo neutro. Esse processo, denominado recombinao, tambm libera excesso de energia. Toda a energia liberada ou irradiada deve provir do campo eltrico da linha, portanto, do sistema alimentador, para o qual representa perda de energia, por conseguinte, prejuzo. Essas perdas e suas conseqncias econmicas tem sido objeto de pesquisas e estudos h mais de meio sculo, no obstante, s recentemente se alcanaram meios que permitem determinar, com razovel20

segurana, qual o desempenho que se poder esperar para as diversas solues possveis para uma linha de transmisso, no que diz respeito a essas perdas. De um modo geral, elas se relacionam com a geometria dos condutores, tenses de operao, gradientes de potencial nas superfcies dos condutores e, principalmente, com as condies meteorolgicas locais. Constatou-se, por exemplo, que as perdas por corona em linhas em tenses extra-elevadas podem variar de alguns quilowatts por quilometro at algumas centenas de quilowatts por quilometro, sob condies adversas de chuva ou garoa. As perdas mdias, como se verificou, podem constituir apenas pequenas partes das perdas por efeito joule, porm as perdas mximas podem ter influencia significante nas demandas dos sistemas, pois a capacidade geradora para atender a essa demanda adicional dever ser prevista ou a diferena de energia importada. So significativos os valores obtidos em medies realizadas na Rssia em linhas de 500 KV. Mediram-se perdas mdias anuais da ordem de 12 Kw/km de linha trifsica, com tempo bom, perdas mximas 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 superfcie dos condutores. As perdas sob chuva dependem no s do ndice de precipitaes, como tambm do nmero de gotculas dgua que conseguem aderir superfcie dos condutores. Esse nmero maior nos condutores novos do que nos usados, nos quais as gotas dgua aderem mais facilmente geratriz inferior dos condutores. As linhas areas de transmisso de energia eltrica h muito tm sido consideradas como causadoras de impacto visual sobre o meio ambiente em que so construdas. Uma espcie de poluio visual que os conservadores, urbanistas e estetas h muito vem combatendo. O advento da transmisso em tenses extra-elevadas e as perspectivas de transmisso em tenses ultraelevadas enfatizaram dois outros tipos de perturbao do meio, provocados pelo efeito corona, sendo-lhes atribudo tambm carter de poluio: A

radiointerferncia (RI) e o rudo acstico (RA).

21

Descargas individuais de corona provocam pulsos de tenso e corrente de curta durao que se propagam ao longo das linhas, resultando em campos eletromagnticos em suas imediaes. Essas descargas ocorrem durante ambos os semiciclos da tenso aplicada, porm aquelas que ocorrem durante os semiciclos positivos que irradiam rudos capazes de interferir na radiorecepao nas faixas de freqncia das transmisses em amplitude modulada ( AM ), em particular nas faixas das ondas mdias. Eflvios de corona tambm ocorrem em outros componentes das linhas, tais como ferragens e isoladores, porem a intensidade dos ridos gerados bastante inferior dos gerado pelos condutores. Ferragens defeituosas, pinos e contrapinos mal-ajustados ou soltos podem igualmente gerar pulsos eletromagnticos. Estes, no entanto, ocorrem nas faixas das freqncias de "FM" e "TV", provocando interferncia ou rudos nas recepes de "FM" e "TV" ( TVI ). A gerao desses rudos interfere com os direitos individuais dos moradores das vizinhanas das linhas de transmisso, uma vez que os rudos se podem propagar alm das faixas de servido das linhas. Ainda no possvel projetarse economicamente uma linha de transmisso area em tenses acima de 100 KV e que no produza radiointerferncia. No obstante, critrios corretos e ateno aos aspectos relevantes do projeto podem produzir um sistema que resulte pelo menos em nveis aceitveis de perturbao. O estudo do comportamento das linhas no que se refere "RI" bastante complicado em virtude dos inmeros fatores que afetam seu comportamento, muitos dos quais ainda so indefinidos e nem mesmo completamente entendidos, de forma que os efeitos cumulativos so considerados em bases estatsticas. Nos projetos de pesquisa sobre corona em tenses extra e ultra-elevadas verificou-se, outrossim, que uma outra manifestao sua no mais poderia ser descurada nas linhas de 500 KV ou tenses mais elevadas, dado o carter de poluio ambiental que apresenta. a poluio acstica causada pelo rudo caracterstico provocado pelos eflvios do corona. Esse aspecto tambm vem merecendo crescente ateno no dimensionamento das linhas, a fim de que o grau de perturbao seja mantido em nveis aceitveis. Tais estudos mostraram

22

que o rudo auditivo funo dos mximos gradientes de potencial na superfcie dos condutores. Em vista do exposto, pode-se concluir que, para as linhas de transmisso em tenses extra e ultra-elevadas, o dimensionamento econmico das linhas est diretamente relacionado com a escolha do gradiente de potencial mximo admissvel na superfcie dos condutores das linhas de transmisso. Gradientes para uma mesma classe de tenso somente so reduzidos mediante o emprego dos condutores de dimetros maiores, ou maior espaamento entre fases, ou pelo emprego de condutores mltiplos, com nmero crescente de

subcondutores, ou pela forma com que so distribudos sobre o circulo tendo como centro o eixo do feixe. Alternativamente, vem sendo pesquisados outros mtodos para a reduo da radiointerferncia e rudos audveis, como a colocao de espinas ao longo dos condutores ou o seu envolvimento em capas de neoprene. A disposio dos subcondutores em forma de polgono irregular tambm vem sendo investigada como meio de reduzir os gradientes de potencial, e parece ser a forma mais promissora: possvel encontrar uma posio para cada subcondutor na periferia de um circulo, de forma que o gradiente em todos os subcondutores seja mnimo. O emprego dos condutores mltiplos assimtricos tem apresentado problemas de estabilidade mecnica sob ao do vento, e a melhor soluo sob esse aspecto poder conflitar com a melhor soluo sob esse aspecto poder conflitar com a melhor soluo sob o aspecto de distribuio de gradientes de potencial. O Efeito Corona e as descargas eltricas nos gases Em geral o comportamento dos diferentes gases o mesmo. Os gases so constitudos de tomos e molculas e, sob o ponto de vista eltrico e em condies normais, so isolantes, ou seja no conduzem eletricidade. Para que exista uma passagem de corrente eltrica atravs de un gs, necessrio ioniz-lo. Basicamente podemos citar os seguintes mecanismos que tornam um gs condutor:23

1- IONIZAO POR CHOQUE ELETRNICO Ocorre principalmente nos campos eltricos elevados (Altas tenses), nos quais ons ou eltrons possuem energia cintica suficiente para produzir a ionizao. Estas partculas so aceleradas pelo intenso campo eltrico que colidem contra os tomos. So formados assim os Arcos Voltaicos. 2- IONIZAO TRMICA Produz-se pelo aumento de energia cintica quando a sustncia aquecida. 3- FOTOIONIZAO Origina-se quando os tomos ou molculas absorvem quantias de energia eletromagntica suficiente para ioniz-los. A intensidade da ionizao medida pelo nmero de pares de partculas carregadas com sinal contrrio que aparecem na unidade de volume do gs em uma unidade de tempo. DESCRIO DO PROCESSO DE IONIZAO Inicialmente sob tenses baixas, os gases no so condutores porm, sempre existem ons presentes. Aumentando a tenso entre dois eletrodos, o campo eltrico resultante entre os mesmos tambm aumenta de intensidade produzindo a movimentao dos ons entre os eletrodos. A velocidade deste deslocamento depende principalmente da presso do gs e da intensidade do campo eltrico. Desta forma cada vez maior a quantidade de ons que na unidade de tempo conseguem chegar at os eletrodos, ou seja, a corrente eltrica que circula pelo gs vai aumentando sua intensidade. A partir de determinado momento, todos os ons produzidos pelo agente ionizador (o campo eltrico), chegam at os eletrodos e ento, embora a tenso possa ser aumentada, a corrente eltrica que circula pelo gs no aumentar seu valor, isto : temos saturado o gs. Dito valor chamado de intensidade de saturao.24

Quanto menor seja a densidade do gs, menores sero as intensidades de campo eltrico necessrias para atingir tal saturao. Para aumentar a intensidade da corrente eltrica alm do valor de saturao se faz agora necessrio elevar consideravelmente a tenso entre os eletrodos. Feito isto, a intensidade da corrente eltrica novamente vai aumentar. Nestas condies aparece a ionizao por choque eletrnico e, neste momento, a recombinao dos tomos e molculas ionizados que voltam ao seu nvel energtico base, produz a emisso de radiaes eletromagnticas (luz), tornando o gs luminoso. A partir desta situao, um aumento do valor da tenso entre eletrodos produz o chamado efeito de avalanche, ou seja, um eltron qualquer produz um on e um novo eltron, o qual novamente reinicia o processo. Tipos de descargas Em condies normais de presso (1 atmosfera ), podemos distinguir os seguintes tipos de descargas eltricas: 1. DESCARGA SILENCIOSA OU EFLVIOS 2. DESCARGA RADIANTE OU PENACHO 3. DESCARGA POR FASCAS 4. DESCARGA POR ARCO 1. Descarga silenciosa ou eflvios Tal como seu nome indica, ela no produz nenhum tipo de barulho ou luminescncia. A regio ionizada fica carregada eletricamente e o eletrodo repele os ons do mesmo sinal eltrico, produzindo assim o chamado Vento Eltrico. Ocorre nas regies onde o campo eltrico toma valores elevados. A corrente de descarga existe porm sua intensidade muito pequena. No entanto, se a superfcie do eletrodo apresentam pequenos raios de curvatura, o campo eltrico deixa de ser uniforme e a densidade superficial de carga aumenta consideravelmente assim como a intensidade de dito campo eltrico. Nestes lugares a ionizao se25

intensifica,

tornando

o

vento

eltrico

mais

intenso.

Se a ionizao for ainda maior, o gs comea a se iluminar, e nos pontos onde o raio de curvatura muito pequeno aparece uma luminosidade. Este o Efeito Corona. A zona do gs adjacente superfcie iluminada chamada de Camada do Efeito Corona, o restante da regio de descarga denomina-se Regio da Corrente Negra. No caso da corona se manifestar no eletrodo catdico, a corna se chama Corona Catdica ou Corona Negativa; nela os ons positivos so arrancam do ctodo os eltrons que originam a ionizao volumtrica do gs. No caso da corona se produzir no eletrodo andico, se denomina Corona Anodica ou Corona Positiva, e neal os eltrons surgem junto ao nodo pela fotoionizao do gs devido a radiao emitida pela camada do efeito corona. 2. Descarga radiante ou de penacho Se aumentarmos a tenso dos eletrodos, a corona toma a forma de um penacho luminescente, em forma de feixes radiais intermitentes. 3. Descarga por fascas Aumentando ainda mais a tenso entre os eletrodos, se produz uma ionizao sbita e considervel no gs, devido a criao de canais de conduo da descarga. Nestes canais de ionizao, a corrente eltrica encontra uma resistncia muito menor passagem da mesma que nos casos anteriores. Desta forma a intensidade da corrente de descarga nestes canais bem elevada. A repentina conduo de corrente nestes canais produz o afastamento sbito do gs gerando assim uma onda de choque, a qual percebida pelo observador pelo rudo caracterstico que as fascas produzem. O processo tambm gera uma luminosidade aprecivel no canal de descarga, o qual perfurado atravs do gs pelo fluxo de partculas carregadas, porm, a trilha percorrida altamente instvel devido aos mltiplos choques das partculas que constantemente mudam de posio, produzindo assim um canal sinuoso de forma arborescente. A passagem da fasca se produz a um potencial eltrico26

determinado denominado Potencial Disruptivo.

No ar, quando a

intensidade do campo eltrico atinge valores de 30 kilovolt por centmetro, sob presso normal e com eletrodos de 20 mm de dimetro, a fasca de descarga produzida. A presso do gs e a forma dos eletrodos influem notavelmente nos valores do potencial disruptivo, este o denominado Efeito das Pontas, resultando na diminuio dos valores do potencial disruptivo. Para certa distncia entre eletrodos, com o gs a 1 atm., a tenso sob a qual se produzem os efeitos corona e de faisca, so diferentes, sendo o primeiro maior que o segundo. Porm, tenso de ruptura, o potencial disruptivo muito mais sensvel a diminuio da distncia entre os eletrodos que a tenso para o efeito corona. Desta forma possvel encontrar uma distncia crtica tal que para um afastamento entre os eletrodos menor que a distncia crtica, j no mais possvel a existncia do efeito corona e somente se produz a descarga por fascas. 4. Descarga por arco No arco voltaico, a intensidade da corrente eltrica muito elevada, porm, a tenso entre os eletrodos pequena. A temperatura do gs muito alta e os eletrodos se aquecem consideravelmente. No arco, as partculas so aceleradas a grandes velocidades de maneira que atingem os eletrodos com violncia, produzindo deformaes fsicas nos mesmos e gerando novos eltrons por emisso termoinica. O gs pode atingir no canal de descarga temperaturas da ordem dos 5000 graus centgrados.

27

3.CONCLUSO Diante do que foi visto, observa-se que os isolantes empregados para fins eltricos no podem ser escolhidos levando-se em considerao apenas o seu comportamento eltrico, demais fatores como efeitos mecnicos, qumicos e viabilizao econmica, por exemplo, devem ser considerados para satisfazer as condies de utilizao. Tendo isso em mente, os dieltricos gasosos se destacam por possuir no possurem volume e forma definidos, alta capacidade de regenerao e moderada capacidade de regenerao por conveco. Sendo assim os mais prximos dos dieltricos ideais, sendo assim so indicados como isolador em altas e mdias tenses (Por exemplo o SF6 que usado como um gs isolante em subestaes).

28

4.BIBLIOGRAFIA

Disponvel em:http://www.del.ufms.br/Materiais.pdf

Disponvel em:http://www.labspot.ufsc.br/~jackie/cap4_new.pdf

29