E2 Descargas Em Gases R

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Laboratrio de Materiais

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Laboratrio de Materiais Eltricos

Introduo ao Estudo de Descargas em

Gases

Autores

Francisco Jos do Nascimento Jnior (PET/UDESC)

Marco Antonio Maschio (PET/UDESC)

Professor Edson Guedes da Costa, D.Sc. (UFPB)

1998

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARABA CENTRO DE CINCIAS E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

LABORATRIO DE ALTA TENSO

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INTRODUO AO ESTUDO DE DESCARGAS EM GASES

1. OBJETIVOS

Observar o comportamento das descargas em gases com impulso de tenso, tenses alternada e contnua.

Verificar a ruptura eltrica no ar com a variao da presso.

Verificar a formao do corona no ar.

2. MATERIAL UTILIZADO

* Kit de alta tenso contendo: * Mesa de controle de tenso; * Transformador (0-220/ 100kV - 5 kVA); * Divisor de tenso capacitivo; * Divisor de tenso resistivo; * Resistores; * Capacitores; * Suportes Isolantes; * Condutores; * Espintermetros. * Diodos; * Cmara de presso;

* Compressor de ar comprimido; * Bomba de vcuo.

3. FUNDAMENTAO TERICA

3.1 INTRODUO

O isolamento gasoso um do mais utilizados entre os meios dieltricos na

isolao de equipamentos e sistemas de alta tenso. Ele pode ser encontrado sozinho, como

por exemplo, no espaamento entre os cabos fase e cabos fase-estrutura, em subestaes ou

linhas de transmisso, em disjuntores (ar comprimido, SF6) ou em conjunto com outros meios

dieltricos. Muitos fatores so determinantes para a sua utilizao em grande escala, entre os

quais pode-se destacar:

* a elevada rapidez na transio de isolantes quase perfeitos para condutores quase perfeitos;

* comportam-se como isolamentos auto-regenerativos; * apresentam uma elevada rigidez dieltrica, quando submetidos a altas

ou baixas presses;

* tm um custo relativamente baixo, em relao aos demais dieltricos, especialmente o ar que existe em abundncia na natureza.

Os principais dieltricos gasosos utilizados na engenharia de alta-tenso so o

ar, N2, SF6, e o freon.

Um gs ideal seria aquele que em condies normais apresentasse somente

molculas neutras, resultando em uma condutividade nula e, quando em estado condutor,

apresentasse uma condutividade infinita. No entanto, na prtica os gases quando em seu

estado normal apresentam uma pequena condutividade (da ordem de microampres ou menor)

devido s influncias externas, mesmo assim comporta-se como um isolante quase que

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3

perfeito, sendo limitado somente pela resistncia do arco eltrico. A transio do estado

isolante para o estado condutor em um dieltrico gasoso denominada de ruptura eltrica.

Desta forma, o termo descarga em gases utilizado para descrever o fluxo de corrente eltrica

atravs de um meio gasoso. As exigncias para que haja passagem de corrente so que

algumas partculas sejam ionizadas e que exista um campo eltrico para dirigi-las, produzindo

assim uma forma de corrente, que pode chegar a valores muito elevados.

A anlise das descargas em gases tambm importante para o entendimento dos

mecanismos de ruptura em materiais lquidos e slidos, como por exemplo, na ruptura por

descargas superficiais e descargas parciais

3.2 PROCESSOS DE IONIZAO EM GASES

3.2.1 IONIZAO, EXCITAO, EMISSO DE ELTRONS E FORMAO DE ONS NEGATIVOS, ALGUNS CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Denomina-se de ionizao o processo de liberao de um eltron de uma molcula

do gs, com a produo simultnea de um on positivo. Os produtos da ionizao so, desta

forma, um eltron e um on positivo. Os tomos e as molculas podem sofrer ionizaes e

desionizaes sucessivas.

Para que ocorra a ionizao de uma molcula neutra necessrio que se realize

um trabalho definido, chamado de energia de ionizao Ei. A energia necessria para remover

um eltron de sua camada orbital para um regio alm da influncia do ncleo, denominada

de primeiro potencial de ionizao, Vi. Vi que numericamente igual a energia de ionizao

expressa em eletron-volts, assim:

E eVii , onde e a carga do eltron

1 16 10 19eV x , joules.

Para dissociar, alm do primeiro eltron, mais um eltron da molcula do gs,

necessrio um trabalho muito maior.

Quando a energia fornecida menor do que a energia de ionizao Ei, no haver

a ionizao do tomo ou molcula do gs. No entanto, dependendo da quantidade de energia

fornecida a um eltron, este poder saltar de seu nvel normal para um nvel de energia mais

elevado. Diz-se neste caso que ocorreu uma excitao do tomo ou molcula. As molculas

do gs permanecem no estado excitado por um perodo geralmente na ordem de 10-8

segundos, aps o qual retornam ao estado normal, liberando a energia despendida na

excitao em forma de fton de energia, h e Ve . . Alguns elementos qumicos, denominados de meta-estveis, podem manter-se no estado excitado por um perodo de tempo

da ordem de 10-2

segundos.

Na Tabela 1, esto ilustrados os principais meios de produo de partculas

eletricamente carregadas nos gases.

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Produto Meio de Produo Processos

Eltrons e ons positivos nos gases coliso de eltrons

coliso de ons positivos

radiao

ionizao trmica

tomos excitados

qumicos e nucleares

Eltrons em superfcies qumicos e nucleares

emisso de campo

impacto de eltrons

bombardeamento de ons positivos

radiao (fotoemisso)

emisso termoinica

ons negativos captura radioativa

captura radioativa

produo de pares inicos

captura associativa

captura dissociativa

captura em superfcie emisso de eltrons Tabela 1- Meios de Produo de partculas eletricamente carregadas

3.3 DESCARGAS EM GASES

3.3.1 MECANISMO DE FORMAO DE AVALANCHES

A formao e o crescimento de avalanches de eltrons, responsveis pelo aumento

da condutividade do gs, ocorrem atravs dos seguintes processos de ionizao:

* no gs, por coliso de eltrons, ons e ftons com as molculas ou tomos do gs; * no eletrodo, por emisso de eltrons que ocorrem na superfcie dos eletrodos.

3.3.1.1 Gerao de avalanches de eltrons - Processo Primrio

Denomina-se por avalanches de eltrons, ao aumento gradual do fluxo de eltrons

no gs. Em um meio com campo uniforme, contendo gs presso atmosfrica, eltrons

podem ser originados no espao

entre os eletrodos, por exemplo, do ctodo(eletrodo negativo), por radiao

ultravioleta; pela ionizao das molculas neutras por ftons de raios csmicos; ou aps uma

descarga pelos ftons originados da mesma.

Aplicando-se um campo eltrico E atravs do gap, os eltrons livres sero

acelerados em direo ao nodo, recebendo uma energia U, de acordo com a relao

U e E xm

. .v2

2

onde e a carga, m a massa e v a velocidade do eltron aps percorrer a distncia x.

Se a energia tornar-se suficientemente grande poder haver a ionizao de uma

molcula, caso haja choque, ou seja, poder ser retirado um eltron da molcula deixando

para trs um on positivo. O novo eltron, juntamente com o primeiro, ser acelerado pelo

campo eltrico, aumentando a sua energia com o tempo, e novas ionizaes ocorrero, at que

uma avalanche de eltrons atinja o nodo.

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5

3.3.1.2 Avalanche com Sucessores - Processo Secundrio

Os processos secundrios surgem ao se aumentar a avalanche primria e tem

como caracterstica comum a produo de eltrons adicionais no ctodo, podendo os eltrons

adicionais iniciar novas avalanches.

Principais processos secundrios:

os ons positivos produzidos nas avalanches primrias no possuem energia cintica suficiente no campo eltrico para ionizar as molculas de gs. No entanto, os ons

apresentam uma energia potencial suficiente para liberar eltrons, aps o choque com o

ctodo. provvel que este processo aumente com o crescimento da energia cintica dos ons.

as molculas excitadas nas avalanches ao retornarem ao estado normal liberam a energia recebida na coliso, emitindo ftons. A radiao emitida pelos ftons poder descer

at o ctodo produzindo a fotoemisso de eltrons, os quais podem comear uma nova

avalanche.

ocasionalmente, algumas molculas eletronicamente excitadas (molculas meta-estveis) podem colidir com molculas neutras, perdendo uma frao de sua energia.

Poder ento ocorrer o fenmeno de difuso de retorno ao ctodo, e com o choque poder

ocorrer uma emisso de eltrons.

3.3.2 MECANISMOS DE DESCARGAS

Os processos de avalanches, descritos anteriormente, so bsicos para o

desenvolvimento de dois mecanismos conhecidos de ruptura. O mecanismo de Townsend, no

qual baseado na gerao de sucessivas avalanches secundrias de eltrons no ctodo para

produzir a ruptura, e o mecanismo de streamer (ou canal), no qual ocorre um rpido

desenvolvimento para a ruptura a partir da primeira avalanche.

3.3.2.1 Mecanismo de Townsend

O estudo dos processos das descargas nos gases mostra que os primeiros eltrons

responsveis pela iniciao do processo de ionizao, originam-se de radiaes csmicas e

radioatividade. Eles tambm podem ser emitidos fotoeletricamente pela irradiao de um dos

eletrodos. Na ausncia de campo eltrico, h um equilbrio no qual a taxa de produo de

eltrons e ons positivos balanceada pela taxa de seu decaimento. A taxa de decaimento

deve-se recombinao das partculas carregadas formando molculas neutras.

Aplicando-se um campo eltrico entre os eletrodos, o equilibrio ser desarranjado,

criando-se uma corrente eltrica. A variao de corrente entre dois eletrodos paralelos, como

funo do campo aplicado, foi primeiramente estudada por Townsend. Townsend descobriu

que a corrente no gap primeiro aumenta proporcionalmente com a tenso aplicada at a tenso

U1, Figura 1. Entre U1 e U2, o aumento de tenso no proporcionava um aumento na corrente,

pois o mecanismo de ionizao continua sendo a irradiao ultravioleta externa. Quando a

tenso ultrapassava a U2, a corrente voltava a crescer. Ao aumento da corrente alm de U2,

Townsend atribuiu ionizao do gs por coliso eletrnica. Com o crescimento do campo,

os eltrons deixam o ctodo, ou os eltrons liberados por irradiao ultravioleta e csmica

so acelerados. No tempo, eles adquirem energia cintica. Quando eles colidem com tomos

ou molculas do gs podem liberar eltrons. Os eltrons livres so novamente acelerados,

assim a corrente cresce. Esta condio define a transio entre a descarga no-sustentada e a

descarga auto-sustentada, sendo definida como a ruptura do gs a uma distncia de ruptura d.

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Figura 1: corrente versus tenso para um gs

3.3.2.2 Mecanismo de Streamer (ou canal)

Embora a teoria de Townsend tenha sido comprovada experimentalmente, ela

falha em alguns casos, tais como em regies de alta presso, em grandes espaamentos entre

eletrodos, em tenses de impulsos rpidos e para configuraes de gaps no-uniformes.

Conclui-se ento que o mecanismo de descarga deveria ser mais complexo do que o suposto

pela teoria de Townsend. Desta forma, desenvolveu-se uma nova teoria, conhecida por teoria

de Streamer ou de formao de um canal de plasma condutor, estudada inicialmente para campos uniformes e, posteriormente, aplicada a campos no-uniformes.

No processo fsico de Streamer, a avalanche representada por cones e a trajetria

dos ftons por linhas onduladas, Figura 2. A cabea da avalanche arredonda deve-se difuso

dos eltrons em todas as direes.

Figura 2: incio de uma avalanche.

Se em uma geometria de dois planos paralelos, um eltron partindo do ctodo

provoca uma avalanche, cuja carga espacial torna-se crtica prxima ao nodo, ento um

acmulo de ons positivos ser formado, aps os eltrons terem sido absorvidos pelo nodo.

Durante a formao da avalanche primria, ocorrem simultaneamente excitao e ionizao

dos tomos de gs e, portanto, ftons sero emitidos dos estados excitados, antes que a

avalanche primria atinja todo o seu tamanho. Os quanta de luz ou ftons produzidos no

sofrem influncia em sua direo de propagao pela ao do campo eltrico, portanto sero

encaminhados em todas as direes, sendo absorvidos a vrias distncias de suas origens.

Muitos processos podem ocorrer quando o fton absorvido e, combinados, podem conduzir

a uma fotoionizao. Os novos fotoeltrons estaro disponveis a diversas distncias da

avalanche, que continua seu percurso em direo ao nodo. Se a avalanche atinge um

tamanho crtico, significa que o campo eltrico criado pelas cargas espaciais da mesma

ordem de grandeza que o campo eltrico original. O tamanho crtico corresponde ao

espaamento entre os eletrodos, para o qual existem 108 portadores de carga. O aumento da

intensidade do campo eltrico poder efetivamente aumentar o potencial de ionizao da

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segunda gerao de avalanches auxiliares, que podem agora partir de alguns dos fotoeltrons

convenientemente localizados.

Similarmente, todas as avalanches auxiliares emitiro ftons, medida que forem

sendo formadas. Os ftons criaro novos fotoeltrons que, juntamente com os fotoeltrons

iniciais, estaro prontos para formarem a terceira gerao de avalanches auxiliares. Como o

campo devido s cargas espaciais distorce consideravelmente o campo principal, os eltrons

no mais seguiro os trajetos originais. Alm disso, muitas avalanches podero ser criadas

quase simultaneamente. Essa a causa da ramificao observada, apesar do campo original

sempre atuar como guia do tronco principal.

Com o acmulo de portadores positivos, devido s avalanches, crescendo em

direo ao ctodo, constitui o crescimento de um canal ionizado do nodo para o ctodo. Os

eltrons nas pontas das avalanches auxiliares so absorvidos pela carga espacial positiva.

Na Figura 3, observa-se que a ponta do Streamer formou dois ramos que crescem

como resultado das avalanches subsequentes. Os eltrons das extremidades logo sero

absorvidos pelo streamer. Em virtude do gradiente de potencial no interior do canal, os

eltrons movem-se pelo canal em direo ao nodo.

Figura 3 : Avalanches auxiliares produzidas pelos fotoeltrons

Na Figura 4, verifica-se a propagao de uma ponta de streamer, enquanto que as

outras pontas param de avanar, devido falta de avalanches para supri-las. Se o processo

descrito continuar, ocorrer um canal de streamer final, com numerosas ramificaes, Figura

5.

Figura 4: Ponto do streamer

Figura 5: Canal de streamer completo e com algumas ramificaes

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3.3.3 TIPOS DE DESCARGAS EM GASES

Os principais tipos de descargas so:

a) Descarga escura (sem emisso de luz): existe devido resistividade do gs, e provoca a distoro da estabilidade das cargas espaciais, ocorrendo na formao amplificada

dos portadores de cargas.

b) Descargas de streamer: nos pontos positivos pode-se observar, pelo osciloscpio, a presena de impulsos de correntes discretos de durao varivel (50-300ms) e

de amplitude diferente. Um aumento na tenso acarreta um aumento da amplitude das

descargas; so descargas streamer. A fora do campo, neste estgio, suficiente para gerar

ftons formando novas avalanches.

c) Descarga leader: outro aumento de tenso, forma-se a imagem imediatamente antes da ruptura; aparecem alguns raios de luz, que podem ser identificados mais ou menos

como a pr-ruptura streamer ou como uma descarga leader. As descargas leader acontecem

quando os eletrodos esto muito distantes entre si e mostra-se como uma ruptura que no se

completou totalmente.

d) Descarga corona: o conjunto de fenmenos associados s ionizaes locais

que antecedem a descarga atravs dos gases em campos muito divergentes. O efeito corona

provocado por campos eltricos de grande intensidade, produzido por altas tenses, os

campos eltricos intensos so capazes de fornecer a energia Wi necessria para ionizar as

partculas do gs. O corona se observa na forma de uma luminescncia azulada, acompanhada

de um som caracterstico (zumbido a rangido), e no ar, com formao de oznio e sua

presena acarreta o aparecimento de perdas.

Uma vez que a tenso de iniciao de corona foi atingida, o campo eltrico torna-

se distorcido, devido presena das cargas espaciais e a dependncia da tenso de ruptura

sobre a configurao do tipo ponta negativa-plano positivo, onde a concentrao de cargas

positivas na regio da ponta negativa, devido ionizao das molculas ou tomos, aumenta

muito o campo eltrico nessa regio e diminui na direo dos eltrons.

Para grandes espaamentos, a ruptura precedida por corona. A tenso de

iniciao do corona, se houver eletrodo esfrico, diretamente proporcional ao dimetro D da

esfera. O valor da tenso de ruptura, quando da aplicao da polaridade positiva aumenta com

o espaamento e tambm com o dimetro da esfera. Para polaridade negativa, a tenso de

ruptura depende somente do espaamento.

As descargas coronas podem ser:

* Corona intermitente: pode ser observado em tenso contnua de polaridade positiva e negativa. Aparece e desaparece, para uma mesma tenso, devido ao aumento do raio do

eletrodo por cargas espaciais ou devido presena do oznio.

* Corona contnuo: s aparece se o gradiente de fora de campo for grande, outra condio instvel e levar diretamente ruptura. No corona contnuo todas as avalanches

formadas terminam na superfcie da ponta e o eletrodo apresenta-se com um revestimento

azulado. O olho humano s pode ver o corona no processo estacionrio, mas essa forma de

descarga existe em funo de uma seqncia irregular das avalanches.

* Corona em linhas areas: o efeito corona, na superfcie do condutor, em linhas aparece nas tenses de servio acima de 80kV, devido ao campo eltrico alcanar grandes magnitudes.

A presena do efeito corona vem acompanhada de perdas e do desenvolvimento de oscilaes

eletromagnticas de alta freqncia, que se transmitem ao longo da linha at certas distncias

e originam perturbaes radiotelefnicas e de televiso, nas suas imediaes.

e) Descargas de choque: a descarga impulsiva ocorre se o tempo de impulso de

tenso, bruscamente ascendente no incio, tenha durao da mesma ordem de tempo

necessrio formao de descarga. Ela se desenvolve em forma de avalanche, num processo

muito rpido, que depende do pico de tenso e da forma de onda.

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3.3.4 TEMPO DE FORMAO DA DESCARGA

Um impulso de tenso ou de corrente se desenvolve em tempos bastante curtos.

Imagine dois eletrodos imersos em um meio dieltrico. Se se aplicar um impulso de tenso

entre os eletrodos, a tenso ir atingir o seu valor mximo , V, se no houver uma ruptura na

frente de onda. Se a tenso de ruptura do dieltrico for V1, sendo V1 menor que V, T1 o tempo

necessrio para o impulso atingir o nvel de tenso V1, era de se esperar que a ruptura

ocorresse no tempo T1, o que na prtica no verdadeiro. Existem um tempo TS necessrio

para que um ou mais eltrons livres iniciais ocorram em posio favorvel e d incio

formao das avalanches. TS definido como o tempo de retardo estatstico. Uma vez

iniciado o processo de descarga, necessrio um tempo adicional TF, antes da ocorrncia da

ruptura completa no gap. O tempo TF, denominado tempo de formao da descarga e

basicamente o tempo necessrio para o desenvolvimento das avalanches, mas tambm para a

elevao da corrente a um valor correspondente ruptura.

O tempo total de ruptura TD, consiste de trs partes:

T T T TD S F 1

A parcela T=TS+TF freqentemente denominada tempo de retardo de descarga.

O tempo de retardo de interesse prtico e terico, uma vez que se a durao do pulso da

tenso aplicada aproxima-se do tempo de retardo, um aumento aprecivel na tenso de ruptura

poder ser observado.

3.4 RUPTURA NOS GASES

3.4.1 INTRODUO

O uso dos gases como dieltrico freqente, assim o seu estudo em campos

uniformes e no-uniformes necessrio. Nas mesmas condies de estado os gases com

diferentes composies qumicas tm distinta rigidez dieltrica. O hidrognio e os gases

inertes (argnio, non, hlio e outros) em composio com o ar tm rigidez dieltrica mais

baixa. Existem gases cuja rigidez notoriamente maior que a do ar. Os gases que possuem

uma massa molecular relativamente alta e grande atrao entre os seus tomos, e em

particular possuam elementos muitos eletronegativos (flor, cloro e outros) apresentam-se

com rigidez dieltrica elevada. Eles so utilizados com xito nos isolamentos de alta tenso,

principalmente sob altas presses. A alta rigidez dos gases eletronegativos se deve

capacidade de suas molculas se associarem facilmente aos eltrons livres e absorverem uma

parte da energia dos eltrons que se chocam com elas. O hexafluoreto de enxofre (SF6) um

gs cinco vezes mais pesado que o ar e possui uma rigidez dieltrica 2,5 vezes maior,

mesma temperatura e presso. O hexafluoreto de enxofre no possui propriedades txicas,

resistente s substncias qumicas e no se decompe ao aquec-lo at 1073K.

Se o campo uniforme, no h manifestaes no isolamento gasoso do efeito

corona, como nos campos no-uniformes. Isso se deve ao fato de que em campos no-

uniformes a descarga no gs ocorre primeiro nos lugares de maior intensidade de campo.

Logo, o processo de ruptura o mesmo, com avalanches e canal. Mas enquanto no campo

uniforme a descarga auto-sustentada surge bruscamente. No campo no-uniforme vem

acompanhada de descargas preliminares.

3.4.2 RUPTURA NOS GASES EM CAMPOS UNIFORMES

Em campos uniformes, as tenses de ruptura, quando se aplica tenses contnuas

ou de impulso, apresentam valores que independem da polaridade aplicada.

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O mecanismo de ruptura nos gases, em campos uniformes, pode ser estudado

teoricamente tanto pelo mecanismo de Townsend, quando pela teoria de Streamer.

O mecanismo proposto por Townsend nem sempre responsvel pela ruptura,

mas conduz a anlises tericas que em muitos casos tm concordado com os dados

experimentais. Dentre as analises feitas, destaca-se a derivao da tenso de ruptura para

campos uniformes como funo da distncia entre os eletrodos e a presso do gs. A partir da

relao de ruptura de Townsend conhecida como lei de Paschen.

Lei de Paschen: a tenso de ruptura em um campo uniforme funo somente do

produto da densidade do gs e do espaamento entre os eletrodos d. Se a densidade do gs permanece a mesma, somente extremas variaes de temperatura podero alterar o valor da

tenso de ruptura.

V f dS ( . ) .

A densidade de um gs diretamente proporcional presso e inversamente

temperatura, logo

V f P d TS ( . / ) .

A expresso indica que as variaes na presso do gs e no espaamento sob

temperatura constante, afetam a tenso de ruptura somente pela variao P.d. Por exemplo se

a presso do gs dobrada e o gap reduzido a metade, ento a tenso de ruptura no se

altera.

A lei de Paschen s vlida para temperaturas abaixo de 1100C. Acima de

1100C comeam a ocorrer fenmenos de emisso termoinica, ionizao trmica, ou mesmo

a distoro dos eletrodos por calor, alterando a configurao da fora de campo.

3.4.3 FENMENOS DE RUPTURA EM CAMPOS NO UNIFORMES

As configuraes com campos uniformes ou homogneos caracterizam-se por

uma intensidade de campo eltrico E constante em todo gap, independente de x. No entanto, a

maioria das configuraes de eletrodos normalmente encontradas na vida prtica produz

campos no uniformes, onde E = f(x).

A caracterstica principal de um campo no uniforme a distribuio desigual da

intensidade de campo no espao entre os eletrodos. Se os eletrodos tm configuraes

similares, por exemplo, eletrodos esfera-esfera, ponta-ponta, etc., a intensidade do campo tem

os seus valores mximos sobre a superfcie dos eletrodos e mnimo no centro do espaamento.

Para configuraes diferentes como, por exemplo a ponto plano, basto-plano, a mxima

intensidade do campo eltrico ocorre sobre a superfcie do eletrodo com menor raio de

curvatura, enquanto que a regio de menor intensidade de campo ocorrer no eletrodo oposto.

A regio entre a mxima intensidade de campo EMAX e o seu valor mdio

EMED=V/d, caracteriza o grau de no uniformidade de um campo, ou seja:

KE

E

MAX

MED

.

Em campos uniformes K=1, enquanto que para campos no uniformes, K aumenta

com o crescimento da distncia entre os eletrodos e com a diminuio do seu raio de

curvatura, para os quais os efeitos das cargas espaciais tornam-se bem acentuados.

Na anlise do efeito da configurao do eletrodo na tenso de ruptura dos gases

com campos no uniformes. A configurao ponta-plano bastante utilizada e possui dois

arranjos possveis:

a) Ponta negativa-plano positivo: devido distribuio do campo, as primeiras descargas aparecem nos picos. Como os eltrons apresentam maior mobilidade que os ons, as

avalanches se decompem rapidamente, formando uma carga espacial positiva perto da ponta

negativa. A carga espacial aumenta a fora do campo perto da ponta e diminui a fora de

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campo na direo do plano, dificultando a formao do canal de plasma. Logo, torna-se

necessrio aumentar mais a tenso para um crescimento do plasma em direo ao nodo.

b) Ponta positiva-plano negativo: os eltrons se propagam com a formao de avalanches, sendo neutralizados na ponta. Os ons lentos, movendo-se na direo do plano,

amplificam o campo no ctodo. Uma fora de campo relativamente alta na direo do ctodo

facilita a formao de um canal, que cresce rapidamente na direo do plano devido s

avalanches seguintes.

Como nas configuraes no uniformes a presena das cargas espaciais torna-

se o fator preponderante na definio da tenso de ruptura desse modo, pode-se concluir que:

um arranjo ponta-plano com a ponta negativa apresenta uma rigidez dieltrica maior do que

um arranjo com a ponta positiva.

3.4.4 FATORES QUE INFLUENCIAM NA RUPTURA DOS GASES

O valor da tenso disruptiva de um gs, depende da composio qumica do gs;

de sua presso e temperatura; do material, da distncia dos eletrodos, da forma e dimenso; ou

seja, da intensidade do campo eltrico no espao gasoso.

a) Distncia entre eletrodos: para haver ruptura nos gases necessrio a formao de avalanches. Quando a distncia entre os eletrodos reduzida a valores menores

que 0,1cm, a ruptura dificultada.

b) Presso: a ruptura eltrica em gases funo de sua densidade. A densidade de um gs est diretamente relacionada presso do meio a qual o gs est submetido. A curva

de Paschen, Figura 6, mostra a variao da rigidez dieltrica de um gs com a presso. A

curva pode ser melhor explicada com a sua diviso em trs regies: baixa, mdia e alta

presso.

Em altas presses, a quantidade de molculas do gs bastante elevada. O

nmero de choques entre as molculas muito grande, o caminho mdio livre pequeno,

assim a energia dos choques pouco ionizante. Desta maneira, para haver a ruptura torna-se

necessrio um aumento na tenso aplicada e assim, os eltrons livres podem adquirir a energia

necessria ionizao no mesmo caminho mdio livre.

Na regio de mdia presso, as molculas apresentam uma distncia mdia

entre si bastante favorvel ionizao. O caminho mdio livre entre as molculas permite que

o nmero de choques ionizantes seja alto, por conseguinte a tenso aplicada para se obter a

ruptura menor. A presso atmosfrica se encontra nesta regio, como tambm o ponto de

mnimo, conhecido por ponto de Stoletov.

Analisando a curva de Paschen na regio de baixa presso, a diminuio da

presso torna o gs cada vez mais rarefeito. Estando o gs rarefeito, o nmero de molculas

presentes pequeno, conseqentemente o nmero de choque tambm o . Com a elevao da

tenso, mesmo sendo pequeno o nmero de choques, a probabilidade deste se tornarem

choques ionizantes cresce, isto , a rigidez dieltrica do gs em baixas presses cresce com a

diminuio da presso.

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Figura 6: Curva de Paschen

c) Temperatura: para grandes aumentos de temperatura, aparecem processos de ionizao trmica e emisso termoinica de eltrons dos eletrodos contribuindo, em qualquer

regio da curva de Paschen, para o decrscimo da rigidez dieltrica;

d) Umidade: o ar, em condies normais contm certa quantidade de gua dissolvida. A rigidez dieltrica do ar fortemente influenciada pela presena da gua na

atmosfera (umidade).

4. ROTEIRO EXPERIMENTAL

4.1 RESUMO

Os dieltricos gasosos so largamente utilizados na engenharia. Por isso, o estudo

do comportamento de descargas em gases importante para se determinar condies para o

uso em condies confiveis.

Neste experimento, ser observado o comportamento das descargas em gases, em

diferentes tipos de tenses (alternada e continua) e em diferentes presses.

Alm disso, tambm ser observado o efeito corona, que uma das causas de

perdas nas linhas de transmisso.

4.2 ROTEIRO

4.2.1 TENSO ALTERNADA

a) Monte o circuito da Figura 7. b) Ajuste a distncia entre os eletrodos do espintermetro, de acordo com os

valores da Tabela 3.

c) Aplique a tenso at que ocorra a ruptura no ar entre os eletrodos do espintermetro.

d) Mude a distncia dos eletrodos do espintermetro e faa novas medies.

4.2.2 TENSO CONTNUA

a) Monte o circuito da Figura 8. b) Ajuste a distncia entre os eletrodos do espintermetro, de acordo com os

valores da Tabela 4.

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c) Aplique a tenso at que ocorra a ruptura no ar entre os eletrodos do espintermetro.

d) Mude a distncia dos eletrodos do espintermetro e faa novas medies.

4.2.3 OBSERVAO DO CORONA

a) Monte o circuito da Figura 8, substituindo o espintermetro por uma configurao ponta-plano.

b) Com o plano positivo e a ponta negativa. c) Observe o comportamento das descargas com o aumento da tenso at que

ocorra a ruptura.

d) Anote os valores na Tabela 5. e) Inverta as polaridades dos eletrodos. f) Observe o comportamento das descargas com o aumento da tenso at que

ocorra a ruptura.

g) Anote os valores na Tabela 6.

4.2.4 Variao da Rigidez Dieltrica do Ar em Diferentes Nveis de Presso

a) Monte o circuito para gerao e medio de tenso alternada. b) Adicione uma cmara de presso ao circuito, contendo um espintermetro com

esferas de 50mm.

c) Reduza a presso interna da cmara de presso. d) Aplique a tenso at que ocorra a ruptura no ar entre os eletrodos do

espintermetro.

e) Aumente a presso interna da cmara e realize novas medies.

Figura 7: Circuito para gerao e medio alternada.

Figura 8: Circuito de gerao e medio de tenso contnua.

RL

Espintermetro

Mesa

de

Controle

SM76

220V- ca

RL

Espintermetro

Mesa

de

Controle

SM76

220V - ca

GM78

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14

5- CONDIES PARA REALIZAO DO EXPERIMENTO

1)Antes da realizao do experimento o aluno dever ter pleno conhecimento relativo aos

objetivos e procedimentos a serem adotados durante o experimento, podendo ser questionado

pelo professor.

Questes Importantes:

1 - Por que aumenta a probabilidade de ruptura entre os condutores fase de uma linha de tenso, quando ocorrem queimadas embaixo ou nas proximidades da faixa de serventia?

3 - Quais os fatores que influenciam a rigidez dieltrica dos gases?

4 - Como ocorrem as avalanches?

5 - Qual a diferena dos termos ruptura e descargas em gases?

6 - Como ocorre o fenmeno CORONA?

7 Qual a diferena entre CORONA positiva e negativa?

Obs. a) Ao aluno que se mostrar despreparado no ser permitido realizar o experimento.

b) Ser atribuda uma nota ao questionamento prvio.

6.0 Relatrio

CADA ALUNO DEVER, NO PRAZO DE 48 HS, ENTREGAR NA SECRETARIA DO GSE, RELATRIO DO EXPERIMENTO, CUJOS TPICOS E NFASES SO DE LIVRE ESCOLHA.

5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

TAREEV, B.M., PASYNKOV, V. V., BOGORODITSKY, N. P., Electrical Engineering Materials, MIR PUBLISHERS MOSCOW. FRANCO, J. L., Descarga em Gases: Mecanismos e Ruptura em Campos Uniformes e No uniformes. UFPB, 1989. NOWACKI, K. & MEIRA, U. R,. Apostila do Curso de Alta Tenso I - Publicao Interna

ao DEE/CCT/UFPB.

NOWACKI, K. & MEIRA, U. R,. Apostila do Curso de Alta Tenso II - Publicao Interna

ao DEE/CCT/UFPB.

KIND D. An Introduction to High-Voltage Experimental Technique.

NASSER, E., Fundamental of Gaseous Ionization and Plasma Electronics, Wiley-

Interscience, 1971

_________________________________________________________________________15


15

VASCONCELOS, J.A .COSTA, E. G., NOWACKI, K., Descargas Iniciais em Gases -

Apostila do Curso de Tcnicas Experimentais em Alta Tenso II, Publicao Interna do

DEE/CCT/UFPB.

PINHEIRO, l., .COSTA, E. G., NOWACKI, K., Medio da Tenso de Ruptura para

Gases e Misturas - Apostila do Curso de Tcnicas Experimentais em Alta Tenso II,

Publicao Interna do DEE/CCT/UFPB.

A ltima reviso deste guia foi realizada pelos alunos do PET/Eltrica da FEJ/UDESC

(Joinville -SC):

* Francisco Jos do Nascimento Jnior e * Marco Antonio Maschio Com Orientao do Professor Edson Guedes da Costa, M.Sc.

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6. ANEXOS

6.1 TABELA 2 - IMPULSO DE TENSO

Distncia entre eletrodos

Leituras 5mm 10mm 15mm 20mm 30mm

1

2

3

4

5

6.2 TABELA 3 - TENSO ALTERNADA



1

2

3

4

5

6.3 TABELA 4 - TENSO CONTNUA



1

2

3

4

5

6.4 TABELA 5 - CORONA (PONTA NEGATIVA)

Leitura Tenso de Iniciao do Corona Tenso de ruptura

1

2

3

6.5 TABELA 6 - CORONA (PONTA POSITIVA)

Leitura Tenso de Iniciao do Corona Tenso de ruptura

1

2

3

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6.6 TABELA 6 - NVEIS DE PRESSO

Leitura Presso (atm) Tenso de Ruptura

1

2

3

4

5

6

7

8

9

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