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Avaliação e Redução das Degradações emContatos Elétricos

M. J. Pereira, FURNAS e E. S. Costa, CEPEL

M.J. Pereira trabalha em FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A (e-mail: [email protected])

E.S. Costa trabalha no Centro de Pesquisas de Energia

Elétrica (e-mail: [email protected])

RESUMO

Este documento apresenta o estudo e desenvolvimento de umametodologia aplicada na avaliação e identificação das degra-dações de contatos elétricos de disjuntores, tipo PK, de fabri-cação Alsthom aplicados nas tensões de 345 kV a 800 kV.Foram realizados ensaios elétricos e mecânicos os quais de-monstraram serem amplamente aplicáveis, fornecendo resul-tados potencialmente utilizáveis para a redução das degrada-ções, eliminação da importação e tempo de espera de reposi-ção desses contatos.

PALAVRAS-CHAVE

Contatos elétricos, disjuntores, ensaios.

I. INTRODUÇÃO

A necessidade de substituição de contatos elétricos

desgastados em disjuntores tem onerado as concessionári-

as em seus custos de manutenção. Muitos dos disjuntoresjá não são produzidos pelos fabricantes, o que dificulta a

aquisição dos contatos de reposição. Paralelamente, a pos-sibilidade de extensão de vida útil dos contatos corresponde

diretamente ao prolongamento da vida útil dos disjuntores,podendo-se estender os períodos de revisão geral e sua

substituição.O objetivo desse relatório é apresentar os resultados

e conclusões obtidos através dos ensaios laboratoriais em

protótipos de contatos elétricos de disjuntores a ar com-primido, tipo PK, de fabricação Delle Alsthom, aplicados

nas tensões de 345kV a 800kV.Estes ensaios foram realizados dentro do escopo do

projeto de pesquisa 1110 – Avaliação e Redução das De-gradações em Contatos Elétricos de Disjuntores, onde fo-

ram pesquisados o tempo de vida útil e os mecanismos dedegradação de contatos elétricos, aplicados a disjuntores

de alta tensão. Como resultado, foi levantado um conjuntode critérios para fabricação / recuperação dos contatos que

buscam não só melhorar a qualidade e o desempenho em

serviço destes componentes, mas também a extensão desua vida útil.

II. HISTÓRICO

Este projeto de pesquisa, foi dividido em duas fases,

na primeira fase foram ensaiados dois contatos móveis edois conjuntos de molas corrugadas, fabricados pela OMG,

dentro da especificação solicitada.Em função dos resultados desta primeira fase foi des-

cartada a fabricação das molas corrugadas e decidiu-se pelapossibilidade de recuperação dos contatos fixos e móveis.

Houve a redefinição do projeto e o seu enquadramento

no âmbito de projetos P & D, quando foram estabelecidosos seguintes marcos previstos para serem cumpridos em

duas etapas:

A. 1ª etapa• Elaboração de procedimentos operacional e de seguran-

ça para o projeto;• Projeto e construção de dispositivo para os ensaios de

operações mecânicas;• Recuperação de 8 contatos com diferentes característi-

cas construtivas, executada pela OMG;

• Ensaios de operações mecânicas em vazio dos protóti-pos, à temperatura ambiente, com medições periódicas

de resistência elétrica de contato; Ensaios de elevaçãode temperatura;

• Seleção dos contatos a serem submetidos aos ensaios deinterrupção; Ensaios de interrupção de corrente de curto

circuito com medições de resistência elétrica de contato;• Ensaios de operações mecânicas em vazio, à temperatu-

ra ambiente, com medições periódicas de resistência elé-trica de contato; Ensaios de elevação de temperatura;

• Ensaios de condutividade;

• Análise metalográfica; Análise por dispersão de energiade raio-x; Ensaio de dureza e Medição da camada de

prata (revestimento).

B. 2ª etapa• Análise e seleção dos contatos com melhor desempenho

para confecção de protótipos com características construti-vas padrão do processo de recuperação e de fabricação;

• Comprovação do desempenho dos novos contatos recu-

perados e fabricados (protótipos padrão) através da re-petição da mesma seqüência de ensaios, medições e aná-

lises da primeira etapa.

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III. DESCRIÇÃO DOS ENSAIOSREALIZADOS

A. Ensaios de operações mecânicas em vazio, àtemperatura ambiente

Estes ensaios foram definidos com a finalidade de ve-rificar a degradação dos contatos recuperados / fabricados

frente a um grande número de operações sucessivas e ba-seado no fato de que se espera, para contatos de disjuntores

a ar comprimido, uma vida útil média de, pelo menos, 2000operações.

Foi realizado um total de 2000 operações mecâ-

nicas (ciclos fecha-abre) com intervalo de 1min entrecada ciclo, sendo 1000 antes e 1000 após os ensaios

de interrupção de corrente, em cada um dos contatosselecionados. Estas operações em vazio foram reali-

zadas com um dispositivo construído especialmentepara este ensaio.

Todos os contatos submetidos a estes ensaios tive-ram suas quatro faces identificadas e fotografadas a cada

200 operações.Através de análise visual, efetuada a cada 100 opera-

ções, foram verificados os seguintes aspectos: a partir de

que número de operações começa a haver degradação maissevera do contato, como se comporta quanto à aderência

da camada de prata e qual é estado geral do contato. Estasobservações, sempre que pertinentes, foram registradas em

tabelas de acompanhamento do processo.

B. Ensaios de resistência elétrica de contatoDurante os ensaios de operações mecânicas em va-

zio, a cada 100 ciclos, foram realizadas as medições de

resistência elétrica em 4 faces de cada contato.Durante os ensaios de interrupção de corrente de

curto circuito, também foram efetuadas medições de re-sistência elétrica, de acordo com a figura 1, a cada 2

interrupções.

D. Ensaios de interrupção com corrente de curto-circuito de 24 kA em 12 kV

Os ensaios de interrupção de corrente foram reali-

zados com a finalidade de verificar o desgaste dos con-tatos frente às solicitações térmicas e dinâmicas presen-

tes na abertura de uma corrente de curto-circuito. Deveser ressaltado que o ensaio realizado não se configura

como um ensaio de interrupção nos valores nominais dacâmara do disjuntor (105 kV – 24 kA). No entanto, como

o tempo de arco do disjuntor sob investigação se situaentre 4 e 10ms, para condições de abertura simétrica, e

entre 10 e 14ms, em condições de abertura assimétrica,

as aplicações foram representativas das solicitações tér-micas e dinâmicas reais impostas à câmara na abertura

de uma falta na rede.O circuito de ensaio utilizado é típico para ensaios

sintéticos, compreendendo somente a fonte de potên-cia. A tensão de 12 kV utilizada no ensaio, deveu-se ao

fato da limitação da potência de curto-circuito que olaboratório de Alta e Média Potência do CEPEL pode

solicitar do sistema para ensaios monofásicos. Essa li-

mitação de potência, frente a um dispositivo de capaci-dade de interrupção elevada, caso da câmara sob en-

saio, faz com que a corrente interrompida sofra defor-mação, levando a uma redução da amplitude da corren-

te e uma correspondente redução da energia de arco.Nos ensaios realizados essa redução ficou em torno de

5% e foi considerada aceitável.Durante os ensaios foram registrados os sinais de

corrente e tensão nos terminais do disjuntor e, a partirdesses, foi calculada a energia desenvolvida durante a in-

terrupção. O tempo de arco é medido a partir do instante

de início da “rampa de energia”. A energia calculada, quecompreende à integral do produto da tensão e corrente

durante o período de arco, foi utilizada como parâmetroauxiliar na avaliação da degradação dos contatos durante

as interrupções.Foram realizadas 10 operações de abertura sob con-

dições de corrente simétrica (componente contínua dacorrente de curto-circuito menor que 20%) e 10 opera-

ções de abertura sob condições de corrente assimétrica(componente contínua da corrente de curto-circuito igual

a 50%). As condições de corrente simétrica ou

assimétrica foram obtidas por meio da atuação de chavede fechamento síncrono. A figura 3, mostra o circuito

de ensaio utilizado.

C. Ensaios de elevação de temperaturaOs ensaios de elevação de temperatura foram baseados

nas prescrições das normas IEC 56-87 (1) e IEC 694-90

(2), tendo sido realizados antes e após os 1000 e 2000 ciclosde operações mecânicas de fechamento e abertura a vazio.

O ensaio consistiu na circulação da corrente nominal dodisjuntor (2000A) durante o tempo necessário para ser atingi-

da a temperatura de estabilização em todos os pontos do con-junto de medição. Por limitações operacionais o ensaio foi

realizado com os conjuntos de contatos fora da câmara.A figura 2, mostra os pontos de medição adotados.

FIGURA 2. Detalhe dos pontos de medição de temperaturaantes do encaixe dos contatos

FIGURA 1. Medição de resistência elétrica vista dos terminaisdo disjuntor

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E. Ensaios de condutividade elétricaFoi efetuada a medição da condutividade IACS no

cobre dos contatos, sem a camada de prata. A condutividade

elétrica do contato é função da condutibilidade elétrica domaterial. A condutibilidade é uma propriedade inerente do

material, servindo, portanto, para revalidar os resultadosda análise química.

F. Análise metalográficaOs contatos sob análise foram cortados transversal-

mente e embutidos com resina epox isolando para análise a

superfície do cobre, do revestimento de prata e da interfaceentre ambos. As amostras foram desbastadas por meio de

lixas com granulação de 200mm, 400mm e 600mm e poli-

das com pastas de diamante com granulometria de 6-12mme 0-2mm, até a eliminação dos riscos superficiais. Em se-

guida, as amostras foram atacadas com 7,5ml de soluçãode dicromato de potássio (4g de k2Cr2O7 + 16ml de

H2SO4 + 4ml de NaCl saturada + 200ml de H2O), de for-ma a revelar a estrutura metalográfica (microestutura) do

material base da amostra (cobre), bem como a qualidadeda interface material base/revestimento.

Esta análise possibilitou uma visualização geral da es-trutura metalográfica dos contatos elétricos confirmando-

se, dentre outros, as diferentes durezas medidas dos mate-

riais. A figura 4 mostra dois exemplos de microestruturados contatos ensaiados.

G. Análise por dispersão de energia de raio-xOs contatos foram observados em um equipamento

analisador por dispersão de energia (EDAX) que, acopladoa um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), per-

mitiu a identificação, de maneira semi-quantitativa, dos ele-mentos químicos presentes nos materiais utilizados em sua

confecção, assim como os seus percentuais.

H. Ensaio de durezaEm cada um dos contatos elétricos foram executadas

cinco medições de dureza Vickers, conforme a norma

ASTM E-384-84.

I. Medição da camada de prata (revestimento)Em cada um dos contatos, foram realizadas dez leitu-

ras de espessura da camada de prata, na primeira etapa. Jána segunda etapa, foram realizadas vinte leituras de espes-

sura da camada de prata (dez nos picos e dez nos vales).A figura 5 mostra a título de exemplo fotos da cama-

da de prata em dois dos contatos ensaiados na primeira esegunda etapas, respectivamente.

LEGENDA:ABC barramento de 138 kV;T2 transformador de curto-circuito;B2 disjuntor mestre;M2 chave de fechamento síncrono;XL reatores limitadores de corrente;R resistor para controle de fator de potência;TRT parâmetros para controle da tensão de restabelecimentotransitória;DT divisor de tensão no patrimonial 06-1764 com certificadocalibração no UNIAT 1272/97-R, válido até setembro 03;Rsh derivador de corrente no patrimonial 06-1778 com certificado decalibração no UNIAT 1280/97-R, válido até setembro 03;SAD sistema de aquisição de dados no patrimonial 06-6071 com certificadode calibração no UNIAT I-197/00, válido até setembro 03 e acoplado aosistema de fibras ópticas (módulos 17A, 25A e 25B) com certificado decalibração no UNIAT I-070/01, válido até abril 03;OT objeto sob teste (câmara de interrupção do disjuntor PK).

FIGURA 3. Circuito de ensaio utilizado durante os ensaios deinterrupção

FIGURA 4. Estrutura metalográfica das amostras 1B e 15

IV.RESULTADOS OBTIDOS

A. 1ª etapaNa etapa 1 foram realizados os ensaios acima descritos

num lote de 10 contato, sendo 9 deles recapacitados comdiferentes características construtivas e 1 contato original.

Foram identificados os contatos que apresentaram me-lhor desempenho durante as primeiras 1000 operações me-cânicas em vazio para serem submetidos às 20 interrupçõesem curto circuito e mais 1000 operações mecânicas.

Em função dos resultados das medições de resistên-cia de contato, elevação de temperatura e do acompanha-mento visual dos contatos foram determinados os de me-lhor desempenho ao final de todos os ensaios.

A partir das características construtivas destes conta-tos selecionados, levantadas pelos ensaios metalográficos,foram confeccionados novos contatos para serem ensaia-dos na etapa 2, seguinte.

Observou-se que os resultados mais elevados tanto deresistência de contato quanto de elevação de temperatura,estiveram relacionados com a existência e com o tipo derecartilhado, bem como, com a camada de prata no que tan-ge a espessura e uniformidade. Os contatos com recartilhadomais acentuado apresentaram melhor desempenho.

Nas figuras 6 e 7 são mostradas as curvas caracterís-ticas de resistência de contato e elevação de temperaturados contatos ensaiados nesta etapa.

FIGURA 5. Camada de prata das amostras 1B e 15

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B. 2ª etapaA partir dos resultados da 1a etapa foram

recapacitados, pela OMG, mais 160 dedos de corrente docontato fixo, 8 tubos de contatos móveis e confeccionados

2 tubos de contatos móveis novos. Foram realizados nes-tes 10 conjuntos de contatos os mesmos ensaios, na se-

qüência apresentada na etapa anterior.Foram selecionados, para os ensaios elétricos, os con-

tatos mais desgastados, como forma de se obter uma ga-rantia de que as características definidas na etapa 1

correspondiam ao desempenho desejado dos contatos.

Em função dos resultados das medições de resistên-cia de contato, elevação de temperatura e do acompanha-

mento visual dos contatos pode-se confirmar os bom de-sempenho dos mesmos, inclusive apresentando resultados

ligeiramente superiores ao dos originais, o que indica parauma extensão da sua vida útil.

A análise metalográfica confirmou a faixa de valoresaceitáveis para as características construtivas que garan-

tem um bom desempenho dos contatos.Nas figuras 8 e 9 são apresentadas as curvas caracte-

rísticas de elevação de temperatura e de resistência de con-

tato correspondentes a todos os contatos ensaiados, nestaetapa, antes / após os ensaios de interrupção e 2000 opera-

ções mecânicas. Note-se que o contato 1B corresponde aocontato original.

FIGURA 7. Resistência elétrica dos contatos a 1a etapa após20 interrupções 12kV/25kA e 2000 operações mecânicas

FIGURA 6. Elevação de temperatura contatos da 1a etapaapós 20 interrupções 12 kV/ 25kA e 2000 operações mecânicas

FIGURA 8. Elevação de temperatura contatos da 2 a etapaapós 20 interrupções 12 kV/ 25kA e 2000 operações mecânicas

FIGURA 9. Resistência elétrica dos contatos da 2 a etapa após20 interrupções 12 kV/ 25kA e 2000 operações mecânicas.

V. CONCLUSÕES

Ficou comprovado que o desempenho, entre os con-juntos de contatos se deve principalmente à diferença en-

tre as características dos seus projetos, tais como: maiordureza e espessura da camada de prata, tipo de recartilhado

e acabamento da superfície de contato próxima à pastilhade extinção de arco (ponta de tungstênio) e que é possível

a extensão da vida útil dos disjuntores descontinuados desua linha de fabricação com a recapacitação dos contatos.

O tipo do recartilhado se mostrou como de fundamen-tal importância pois o mesmo promove uma melhor quali-

dade de contato, tanto quebrando a camada superficial de

oxidação quanto aumentando a área efetiva de contato.Através dos ensaios de interrupção foi verificado, logo

na primeira etapa, a deficiência de fabricação dos dedos, oque resultou em uma montagem inadequada e,

consequentemente, pior desempenho durante estes ensai-os, levando a desgastes muito acentuados, além da queima

indevida dos contatos de corrente. Esta montagem foicorrigida na segunda etapa, que apresentou resultados com-

patíveis com os dos contatos importados.A dureza da prata utilizada no revestimento da área

de contato deve manter uma relação de dura e normal en-

tre os contatos, ou seja, a peça mais dispendiosa e comple-

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xa deve ser revestida com prata dura ficando o outro con-

tato revestido com prata normal.

Os contatos com melhores desempenhos apresenta-ram espessura da camada de prata acima de 60 ± 10

micrômetros, uniformemente distribuída.A metodologia dos ensaios desenvolvida neste projeto

mostrou-se adequada e eficaz para os resultados obtidos.A interação com a indústria nacional leva a uma

melhoria da qualidade e da confiabilidade na recapacitaçãode contatos elétricos e a conseqüente redução dos custos

dos contatos de reposição. Pela padronização de suas es-

pecificações e dos métodos de fabricação / recuperação épossível alcançar uma melhor oferta de serviços gerandouma economia de até 50% dos custos de importação.

Para a garantia de desempenho dos contatos de repo-sição foi determinada uma metodologia de aferição da qua-lidade da recuperação através da compactação da camadade prata que serve para o aumento da dureza, bem comopara a verificação da sua aderência e dos ensaiosmetalográficos para verificação da espessura e dureza dacamada de prata depositada. A compactação do contatodeve ser acompanhada pela inspeção, como forma de severificar a qualidade do processo de recuperação.

A especificação para a recapacitação dos contatosmóveis utilizados nos disjuntores a ar comprimido, tipoPK, aplicado nas tensões de 345kV a 800kV deve incluiros seguintes itens:• Retirada da camada de prata e depósito de nova camada

de prata 99,9, com tolerância aceitável de 1,5%.• A dureza da camada de prata deve-se situar entre 115 e

150 Vickers.• Espessura mínima aceitável da camada de prata com 50µm,

medidos tanto no pico quanto no vale do recartilhado.Assim a camada de prata deve-se situar em 60 ± 10µm deforma a garantir a uniformidade da mesma.

• Recartilhamento após a deposição da camada de pratacom passe de 0,5, ângulo da hélice de 45o., profundida-de de passe de 0,25 ± 0,05 mm.

• Diâmetro externo do tubo de contato após a deposição deprata e a sua compactação de no mínimo 74,50mm e nomáximo 75,20mm, devendo o tubo estar concêntrico.

• Após a finalização do processo de recapacitação dos con-tatos móveis, conforme descrito acima, o contato nãodeve apresentar deformações, a prata não deve apresen-tar sinais de descolamento, e o recartilhado embora pos-sa não ser sensível ao toque ainda deve se apresentarbem visível.

A especificação para a recapacitação dos dedos de

corrente dos contatos fixos, utilizados nos disjuntores a arcomprimido, tipo PK, aplicados nas tensões de 345kV a

800kV deve incluir os seguintes itens:Dedo em cobre eletrolítico 99,9 (ASTM B187-83), com

depósito de prata 99,9 com tolerância aceitável de 1,5%.

Camada de prata com espessura de 50 ± 5µm e dure-za da prata situando-se entre 70 e 90 Vickers.

Os dedos devem ser montados na sua base de molas,

por meio de 2 rebites garantindo-se o perfeito alinhamento

longitudinal entre o dedo e o conjunto de molas.Para se garantir a qualidade de fabricação dos conta-

tos (tubos móveis e dedos de corrente) deve-se efetuarensaios metalográficos (dureza, espessura da camada de

prata e análise química) em amostra retirada de cada lote erealizar ensaios mecânicos num conjunto de contatos acom-

panhando-se a evolução da resistência elétrica que deve sesituar abaixo dos 11µÙ dentro de um esquema de medição

conforme mostrado na figura abaixo.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

RELATÓRIOS TÉCNICOS:

[1] H.C. Furtado, M.V. Gusmão, M. Barreto Relatório Técnico DPP/TEQ 525/97, 1997, Rio de Janeiro.

[2] H.C. Furtado, J.S. Buarque, E.T. Serra Relatório de ensaio ACME269/2002 , 2002, Rio de Janeiro.

[3] H.C. Furtado, J.S. Buarque, E.T. Serra Relatório de ensaio ACME1219/2002, 2002, Rio de Janeiro.

[4] E.S. Costa, M.J. Pereira, Relatório Técnico no DPP/TEQ 1207/02,2002, Rio de Janeiro.

NORMAS:

[5] High Voltage Alternating-current Circuit-Breakers, InternationalStandard IEC 56/1987.

[6] Common Specifications for High-Voltage Switchgear andControlgear Standards.International Standard IEC 694/1996

[7] Micro Hardness of Materials, American Society for Testing andMaterials ASTM E-384-84.

[8] Standard Specifications for Copper Bus Bar, Rod and Shapes,American Society for Testing and Materials ASTM B-187-83

FIGURA 10. Detalhe da medição da resistência elétrica do contato.

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RESUMO

O objetivo deste artigo é apresentar os resultados obtidos emum programa de estudos, com 2 anos de duração, realizado pelaLight e pelo Cepel com o intuito de avaliar o desempenho dosmateriais utilizados em redes de distribuição compactas, insta-ladas em áreas de alta poluição salina, de modo que as conclu-sões relatadas possam orientar a utilização destas redes nestesambientes agressivos e nortear as Concessionárias e fornece-dores de materiais poliméricos para os ajustes que se façamnecessários nas especificações técnicas destes materiais.

PALAVRAS-CHAVE

Redes aéreas compactas, ambiente agressivo e compatibilida-de dielétrica.

I. INTRODUÇÃO

O uso de materiais poliméricos em áreas sujeitas àpoluição, principalmente marítima, tem limitado o em-

prego das redes compactas que já comprovaram seu bomdesempenho ao longo destes últimos anos em várias

Empresas do Brasil e do exterior. A única restrição asua utilização continua sendo as regiões de ambientes

agressivos, o que ainda se constitui num grande desafiopara todos, Concessionárias, Centros de Pesquisa e for-

necedores de materiais na busca de soluções para o

equacionamento destes problemas.Atualmente na Light, por imposição de suas normas

de projeto, existe uma limitação para emprego destas re-des a 300 metros da orla marítima.

Dentre os diversos eventos relatados pelas turmas demanutenção, os abaixo relacionados se sobressaem pela

sua freqüência:• Degradação de materiais: cabos, espaçadores, amarra-

ções e isoladores;

• Sinais visíveis e audíveis de corona;• Rompimento de espaçadores e cabos.

Este estudo, iniciado em 2000 e com duração de 2 anos,implicou na construção pela Light de uma rede piloto com

materiais de diversos fabricantes instalada próximo ao mar.Simultaneamente, os materiais empregados na mon-

tagem das redes piloto foram submetidos a vários ensaios,selecionados dentre os apresentados nas proposições da

ABRADEE [1 a 4}, em amostras quando novas e em amos-tras retiradas periodicamente das redes piloto. Foram rea-

lizados, também, ensaios de compatibilidade dielétrica em

modelos de rede compacta montadas de modo a abrangertodos os fabricantes que forneceram materiais para a mon-

tagem das redes piloto.A abrangência do estudo realizado permite apre-

sentar um panorama amplo da situação dos materiaisatualmente fabricados para redes compactas de distri-

buição e nortear o emprego destas redes, não somentena Light, como em todas as Concessionárias do Brasil

sujeitas aos problemas de agressividade ambiental.

II. PLANEJAMENTO DO TRABALHO

A. Implantação da rede pilotoFoi selecionado um trecho da orla marítima com as

seguintes características.• local: Recreio dos Bandeirantes;

• tipo de poluição: marítima (salina);• tensão: 13,8 kV;

• extensão: 1513m;Um desenho resumido do trajeto percorrido pela rede

piloto pode ser visto na figura 1.

Avaliação de Redes Aéreas Compactas emAmbientes Agressivos

D. R. de Mello e R. W. Garcia, CEPEL e C. E. M. Malheiros e R. L. Silva, LIGHT

Darcy R. de Mello, engenheiro eletricista, MSc., trabalha no CEPEL- Centrode Pesquisas de Energia Elétrica (e-mail: [email protected]).

Ricardo W. S. Garcia, engenheiro eletricista, MSc., trabalha no CEPEL-Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (e-mail: [email protected]).

E. M. Malheiros, engenheiro eletricista, trabalha na Light (e-mail:[email protected]).

R. L. Silva, engenheiro eletricista, trabalha na Light (e-mail:[email protected]).

FIGURA 1 - Trajeto resumido da rede piloto instalada pela Light.

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B. Seleção de componentesDentre os diversos componentes poliméricos de uma

rede compacta, foi definido com a Light que os abaixo re-lacionados serão objeto de estudo:

• isoladores bastão para 15 kV;• isoladores pilar para 15 kV;

• espaçadores para 15;• cabos para 15 kV.

C. Seleção de fabricantesA seleção dos fabricantes que foram convidados a partici-

par dos estudos foi feita levando-se em consideração aquelesque têm uma linha de produção de materiais do tipo e modelos

escolhidos, e que têm fornecido ou têm condições de forneceresses materiais para a Light até a data de início do estudo.

Por atenderem a esses requisitos, a quantidade de fa-bricantes convidados pela Light foi:

• isoladores: 7;• espaçadores: 4;

• cabos: 5.

III. METODOLOGIA DE TRABALHO

A. Avaliação do material instalado na rede pilotoA suportabilidade ao ambiente agressivo dos diversos

materiais instalados na rede piloto, seja no trecho crítico a50 m do mar seja nos trechos mais afastados foi avaliada

segundo os seguintes critérios:• inspeção visual no local;

• inspeção local com detetor ultra-sônico;• avaliação laboratorial após retirada do material da rede.

B. Avaliação do material em laboratórioA relação dos ensaios nos componentes poliméricos

para redes compactas de 15 kV, realizados em laboratório,pode ser vista na tabela 1.

A metodologia de cada ensaio é definida na norma ouespecificação correspondentes, indicadas na tabela 1.

IV. RESULTADOS OBTIDOS

A. Inspeções visuais e com ultra-som no campoOs resultados das inspeções visuais e com ultra-som

realizadas no campo podem ser vistas na tabela 2.

Devido a chuva e ao grande número de intervençõesda turma de manutenção da Light, a rede foi desativada e

desmontada antes que houvesse tempo hábil para realizara inspeção dos 12 meses no local, mas o material retirado

foi enviado ao Cepel para avaliação.

B. Avaliação laboratorial do material retirado darede após 4 meses de instalação

• foi constado dano nos espaçadores 1 e 2 retirados pelaLight, como pode ser visto na figura 2;

• foi constatado dano na parte interna dos isoladores de

pino 2, 3, 4 e 5, como pode ser visto na figura 3;• todas as amostras de isolador de pino foram aprova-

das no ensaio de radiointerferência e somente a amos-tra do isolador 3 foi reprovada no ensaio de freqüên-

cia industrial;• a medição do nível de poluição nos isoladores indicou

valores entre 0,64 mg/cm² e 0,89 mg/cm².

TABELA 1

RELAÇÃO DOS ENSAIOS NOS COMPONENTES PARA REDES COMPACTAS DE 15 KV REALIZADOS NO CEPEL

Componente Ensaios Normas

Isoladores, cabos e espaçadores Inspeção Visual CODI/ABRADEE [1 a 4]

Compatibilidade dielétrica

Trilhamento Elétrico NBR 10296 [5]

Isoladores Radiointerferência IEC 60437 [6]

Determinação da tensão disruptiva em

freqüência industrial, a seco IEC 61109 [7]

Perfuração sob impulso IEC 61211 [8]

TABELA 2

RESULTADO DAS INSPEÇÕES REALIZADAS NO CAMPO

Local Inspeção Pontos com indicação de dano

Após 1 mês Após 4 meses Após 8 meses

Trecho crítico Visual Nenhum ponto Alguns pontos Diversos pontos

Ultra-som Alguns pontos Todos os pontos Todos os pontos

Trecho não crítico Visual Nenhum ponto Nenhum ponto Nenhum ponto

Ultra-som Nenhum ponto Alguns pontos Alguns pontos

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C. Avaliação laboratorial do material retirado darede após 8 meses de instalação

• foi constado dano nos espaçadores 1 e 2 retirados pelaLight, como pode ser visto na figura 4;

• foi constatado dano na parte interna dos isoladores depino 2, 3, 4 e 5, como pode ser visto na figura 5;

• as amostras dos isoladores de pino 4, 5 e 6 foram apro-vadas no ensaio de radiointerferência e reprovadas no

ensaio de freqüência industrial;• as amostras dos isoladores de pino 2 e 3 foram reprova-

das no ensaio de radiointerferência e no ensaio de fre-

qüência industrial;• todas as amostras de isolador bastão foram aprovadas nos

ensaios de radiointerferência e freqüência industrial.

D. Avaliação laboratorial do material retirado darede após 12 meses de instalação

• foi constado danos nos espaçadores de todos os fabri-cantes, semelhantes aos observados na figura 4;

• foi constatado acentuação no dano na parte interna dos iso-ladores de pino 2, 3, 4 e 5, como pode ser visto na Figura 6;

• todas as amostras dos isoladores de pino foram aprova-das no ensaio de radiointerferência mas somente o isola-dor 6 foi aprovado no ensaio de freqüência industrial;

• foram constatados danos em diversos cabos como podese visto na figura 7.

FIGURA 6 - Danos nos isoladores de pino após 12 meses no campo.

FIGURA 5 - Danos internos nos isoladores de pino após 8meses no campo.

FIGURA 2 - Danos no espaçador 2 após 4 meses no campo.

FIGURA 3 - Danos nos isoladores de pino após 4 meses no campo

FIGURA 4 - Danos nos espaçadores após 8 meses no campo.

.

FIGURA 7 - Danos nos cabos após 12 meses no campo.

A Light informou que o isolador pino 1 não foi entre-gue em tempo hábil de ser instalado na rede experimental.

E. Resultado dos ensaios realizados no CEPEL nasamostras de cabos novos

• no ensaio de trilhamento elétrico, todas as amostras decabos apresentaram bom desempenho, não apresentan-do falhas para níveis de tensão até 4kV, com nível detensão inicial de 2,25kV;

• todos os cabos apresentaram pontos luminosos duran-te o ensaio de compatibilidade dielétrica indicando fa-lhas na cobertura dos mesmos, como pode ser visto nafigura 8, mas que, às vezes, não foram suficientes paradeteriorar a cobertura;

• os cabos 1 e 2 não apresentaram deterioração visível aotérmino do ensaio de compatibilidade dielétrica;

• ocorreu deterioração na cobertura dos cabos 3, 4 e 5 no ensaiode compatibilidade dielétrica, como pode ser visto na figura 9.

FIGURA 8 - Pontos luminosos indicando falha na coberturado cabo durante ensaio de compatibilidade dielétrica.

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FIGURA 9 - Danos nas coberturas dos cabos após ensaio decompatibilidade dielétrica.

F. Resultado dos ensaios realizados no CEPEL nosespaçadores novos

• os espaçadores não foram submetidas ao ensaio detrilhamento elétrico devido às particularidades de dimen-

sões e geometria das amostras que dificultaram a obten-ção de corpos-de-prova;

• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 1, os

espaçadores 3 e 4 não sofreram dano, o espaçador 2 so-freu dano decorrente da corrente de fuga e o espaçador

1 derreteu (ver figuras 10 e 11);• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 2, os

espaçadores 3 e 4 não sofreram dano, o espaçador 2 so-freu dano decorrente de corrente de fuga e o espaçador

1 derreteu;• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 3,

todos os espaçadores sofreram danos (alguns danos ob-

servados são mostrados na figura 12);• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 4, o

espaçador 3 derreteu e todos os demais espaçadores so-freram dano (alguns danos observados são mostrados na

figura 13);• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 5,

foram observados danos nos espaçadores 3 e 4 (ver fi-gura 14).

FIGURA 12 - Danos no espaçador 4 após ensaio de compati-bilidade dielétrica com cabo 3.

G. Resultado dos ensaios realizados no CEPEL nosisoladores bastão novos

• no ensaio de trilhamento elétrico, os isoladores bastão 2 e

bastão 3 não suportaram pelo menos três níveis de tensão

por hora, com tensão inicial de 1,25kV, durante os ensaios;• nenhuma amostra de isolador bastão apresentou sinais

visíveis de deterioração após os ensaios de compatibili-dade dielétrica realizados com qualquer um dos tipos de

cabos avaliados;• no ensaio de compatibilidade dielétrica com os cabos 1,

2, 4 e 5, todos os isoladores bastão foram aprovadas nosensaios de radiointerferência e freqüência industrial;

FIGURA 11 - Danos no espaçador 2 após ensaio de compatibi-lidade dielétrica com cabo 1.

(a) - Espaçador 2 (b) - Espaçador 4FIGURA 13 - Danos nos espaçador es após ensaio decompatibilidade dielétrica com cabo 4.

(a) - Espaçador 4 (b) - Espaçador 3FIGURA 14 - Danos nos espaçador es após ensaio decompatibilidade dielétrica com cabo 5.

(a) - cabo 3 (a) - cabo 4

(a) - cabo 5

FIGURA 10 - Espaçador 1 derretido durante ensaio decompatibilidade dielétrica com cabo do fabricante 1.

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FIGURA 15 - Amostras de isoladores de pino com queima dematerial durante ensaio de trilhamento.v

FIGURA 17. Dano na interface isolador-cabo em amostra doisolador de pino 2 após ensaio de compatibilidade dielétricacom cabo 3.

• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 3,

todas as amostras de isolador bastão foram aprovadas

no ensaio de radiointerferência mas a amostra do isola-dor bastão 1 e a amostra do isolador bastão 3 foram repro-

vadas no ensaio de freqüência industrial.

H. Resultado dos ensaios realizados no CEPEL nosisoladores de pino novos

• no ensaio de trilhamento elétrico, os isoladores pino de1 e 2 atenderam aos requisitos da NBR 10256 [5] e os

isoladores de pino 3, 4, 5 e 6, apesar de atenderem aos

requisitos da norma, incendiaram ou apresentaram per-da de material durante a ocorrência de trilhamento ou

falha, como pode ser visto na figura 15;• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 1, os

isoladores de pino 1, 2, 3, 4 e 5 apresentaram sinais visí-veis de deterioração como pode ser visto em alguns exem-

plos de deterioração mostrados na figura 16;• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 2,

nenhum dos isoladores ensaiados apresentou sinais visí-veis de deterioração;

• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 3, so-

mente as amostras do isolador de pino 2 apresentaram sinaisvisíveis de deterioração, como pode ser visto na figura 17;

• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 4, osisoladores de pino 1, 2, 3, 4 e 5 apresentaram sinais visí-

veis de deterioração como pode ser visto em alguns exem-plos de deterioração mostrados na figura 18;

• no ensaio de compatibilidade dielétrica com o cabo 5, osisoladores de pino 1, 2, 3, 4 e 5 apresentaram sinais visí-

veis de deterioração como pode ser visto em alguns exem-plos de deterioração mostrados na figura 19;

• os resultados obtidos nos ensaios dielétricos de

radiointerferência e freqüência industrial realizados nos iso-ladores, ao término do ensaio de compatibilidade dielétrica

com os cabos 1 a 5, podem ser vistos na tabela III.

(a) - Isolador de pino 1 (b) - Isoladores de pino 2 a 5FIGURA 16. Exemplo de dano observado nos isoladores depino após ensaio de compatibilidade dielétrica com cabo 1.

(a) - isolador de pino 1 (b) - isolador de pino 2FIGURA 18. Danos nos isoladores de pino ao fim do ensaio decompatibilidade dielétrica com cabo 4.

(a) - isolador de pino 1 (b) - isolador de pino 4FIGURA 19. Danos nos isoladores de pino ao fim do ensaio decompatibilidade dielétrica com cabo 5.

I. Resultado do ensaio de perfuração sob impulsonos isoladores novos

• todos os isoladores bastão foram aprovados;

• os isoladores de pino 2, 3 e 6 foram aprovados;• os isoladores de pino 4 e 5 tiveram uma amostra perfu-

rada cada. Por norma, teria de ser feito o reteste, masnão havia quantidade de amostras suficiente;

• não havia quantidade de amostras suficientes para fazer

o ensaio no isolador de pino 6.

V. CONCLUSÕES

Nenhuma das amostras de isoladores atendeu ao cri-

tério de aprovação do ensaio de trilhamento solicitado peloCODI/ABRADEE, talvez esse seja o motivo do grande

número de danos observados nos isoladores.Entre os isoladores de pino, o pino 6 foi o único

que pode ser considerado como aprovado nos ensaios

de compatibilidade dielétrica e nos ensaios de campo.Os motivos para tal resultado podem ser um valor de

trilhamento bem próximo ao valor solicitado peloCODI/ABRADEE e o uso de pino de material

polimérico no lugar de pino metálico como elementode sustentação mecânica.

Os isoladores bastão, apesar de reprovados no ensaiode trilhamento, não apresentaram danos nem no ensaio

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saio de campo e nem no ensaio de compatibilidade dielétrica

(talvez por não haver contato direto entre o polímero do

cabo e o polímero do revestimento do isolador).Todos os cabos foram aprovados no ensaio de

trilhamento, mas todos apresentaram sinais de dano noensaio de compatibilidade dielétrica, nos locais onde hou-

ve gotejamento da água da chuva ou nas interfaces com osisoladores pino. Quanto ao ensaio de campo, o resultado

da inspeção de 12 meses mostrou uma degradação seme-lhante a observada no ensaio de compatibilidade dielétrica.

O ensaio de radiointerferência não deve ser utilizado

como critério de avaliação do ensaio de compatibilidadedielétrica pois o valor da tensão de ensaio não é suficiente-

mente elevado para que os danos superficiais alterem oresultado do ensaio.

O ensaio de freqüência industrial deve ser utilizadona avaliação dos isoladores submetidos ao ensaio de com-

patibilidade dielétrica, pois ele consegue mostrar a degra-dação que o isolador sofreu durante o ensaio.

O ensaio de compatibilidade dielétrica apresentou re-sultados coerentes com os obtidos com os isoladores ins-

talados no campo, indicando que se constituiu num crité-

rio adequado para avaliar materiais para rede de distribui-ção com cabo coberto e que o modo como os componen-

tes da rede interagem entre si ( por exemplo os conjuntoscabo - espaçador e isolador de pino - cabo) é muito impor-

tante para a confiabilidade do sistema.O ensaio de perfuração sob impulso deve ser exigido

para garantir que os isoladores fornecidos tenham a mes-ma confiabilidade dos isoladores de porcelana que estão

substituindo, pois as solicitações representadas por esteensaio continuam presentes tanto em rede comum como

em rede protegida.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Isoladores tipo pino polimérico para rede compacta de 13,8 kV e34,5 kV, especificação CODI-3.2.18.27.1.

[2] Espaçadores e amarrações para rede compacta de 13,8 kV e 34,5kV,. especificação CODI-3.2.18.24.1.

[3] Cabos cobertos para rede compacta de 13,8 kV e 34,5 kV, especifi-cação CODI-3.2.18.23.1.

[4] Isoladores compostos poliméricos tipo bastão para rede compactade 13,8 kV e 34,5 kV, especificação CODI-3.2.18.28.1.

[5] Material Isolante Elétrico - Avaliação de sua Resistência aoTrilhamento Elétrico e Erosão sob Severas Condições Ambientais,norma NBR 10296.

[6] Radio interference test on high-voltage insulators, IEC Standard60437, 1997.

[7] Composite insulators for systems with nominal voltage greater than1000 V, IEC Standard 61109, 1992.

[8] Insulator of ceramic material or glass for nominal voltage above1000 V - Puncture Test, .IEC Standard 61211, 1994.

[9] Técnicas de Ensaio de Alta Tensão - Procedimentos, norma NBR6936, 1992.

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RESUMO

Este artigo descreve uma pesquisa multidisciplinar sobre cabossubmarinos de distribuição de energia. O estudo envolve as-pectos geológico-geotécnicos, incluindo o desenvolvimento deferramentas de investigação geotécnica para a obtenção deparâmetros de projeto. Em outra etapa, condicionanteshidrodinâmicas são analisadas numericamente, para a verifica-ção da estabilidade do material do fundo do mar, nas vizinhan-ças de cabos submarinos. Apresenta-se o desenvolvimento deuma metodologia de avaliação do estado de conservação de ca-bos submarinos existentes, através da caracterização físico-químicas dos materiais utilizados, buscando-se identificar pos-síveis parâmetros indicadores do estado de degradação. Sãoestudadas propriedades elétricas e dielétricas, bem como a ve-rificação da suportabilidade elétrica de cabos retirados de linhaem uso. A pesquisa contempla um estudo de caso – o sistemade cabos submarinos Angra dos Reis – Ilha Grande, da CERJ.

PALAVRAS-CHAVE

cabos submarinos – degradação – geologia – geotecnia –hidrodinâmica.

I. INTRODUÇÃO

A rápida e crescente ocupação dos espaços territoriaisremotos vêm exigindo a ampliação das linhas elétricas exis-

tentes e a construção de novas conexões submarinas esubmersas, para distribuição de energia em ilhas e regiões

limítrofes a mares, rios e lagos. Assim, torna-se necessário

evoluir e buscar inovações nas técnicas de estudo, projetoe construção desses sistemas. Da mesma forma, é preciso

aperfeiçoar os métodos de avaliação das condições de de-gradação das linhas submarinas e submersas já existentes,

buscando a qualidade e a redução dos custos e das dificul-dades com sua manutenção.

Apesar do uso de cabos submarinos ser uma práti-ca relativamente corrente, dificuldades associadas ao

projeto, execução e operação desses sistemas não dei-

xam de se fazer presentes. Um dos grandes desafios é a

garantia da integridade estrutural dos cabos, que podeser prejudicada pelo fato do ambiente marinho se cons-

tituir em um meio instável e agressivo. Em trechos me-nos profundos, o impacto de embarcações também pode

acarretar danos aos cabos.

A presente pesquisa, ainda em curso, possui os se-guintes objetivos:

• Desenvolver um sistema de proteção a cabos submari-nos, considerando a geotecnia do leito, as ações de cor-

rentes e marés, a degradação e risco de acidentes comembarcações e outras causas eventualmente identifica-

das;• Identificar possíveis parâmetros físico-químicos indi-

cadores do estado de degradação de um cabo e deter-minação das propriedades dielétricas de cabos retira-

dos de linha já em uso;

• Recomendar técnicas de lançamento de cabos subma-rinos, incluindo o sistema de caracterização e análise

in situ de resistência de materiais do leito, com baseno estudo de uma área modelo com informações geo-

lógicas, geotécnicas e hidráulicas, que fornecerão da-dos para a avaliação dos esforços atuantes nos cabos

e do comportamento dos substratos;• Determinar as condições de fluxo hidrodinâmico e de

sedimentos na região de instalação de cabos submersos;

• Desenvolver metodologia para permitir a avaliação doestado de conservação de cabos submarinos existentes

em redes de distribuição de energia elétrica, através dacaracterização física e química dos materiais utilizados;

• Elaborar a modelagem matemática de um sistema de dis-tribuição submarino, que permita avaliar tensões atuan-

tes e comportamento solo-cabo.

A metodologia proposta para o projeto contempla oestudo das características físicas do ambiente onde estão

instalados os cabos submarinos, de modo a se avaliar a

intensidade com que este meio atua no sistema elétrico dedistribuição. Foi prevista a seleção de uma área modelo,

com vistas à validação das metodologias em estudo.Para tanto, foi escolhido o sistema pioneiro de ca-

bos submarinos Angra dos Reis – Ilha Grande, da CERJ,que consiste em uma linha de distribuição de energia en-

tre o continente e uma ilha oceânica, em funcionamentojá há mais de duas décadas.

Avaliação de Sistemas Submarinos deDistribuição de Energia

R. B. Boszczowski, LACTEC, F. Piazza, LACTEC, M. Munaro, LACTEC, R. Mayerle, University of Kiel eA. C. M. Kormann, UFPR E. B. Silva, INTEE e J. E. P. Barbosa, INTEE

R. B. Boszczowski trabalha no Instituto de Tecnologia para o Desenvol-vimento (e-mail: [email protected]).

F. Piazza trabalha no Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento.(e-mail: [email protected]).

M. Munaro trabalha no Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento(e-mail: [email protected]).

R. Mayerle trabalha na University of Kiel (e-mail:[email protected]).

A. C. M. Kormann trabalha na Universidade Federal do Paraná (e-mail:[email protected]).

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II. OBRAS NO MAR E CABOS SUBMERSOS:

Aspectos geológicos e geotécnicosDurante muito tempo, os cabos submarinos foram sim-

plesmente lançados no leito oceânico, sem uma adequada

consideração dos aspectos geológico-geotécnicos envolvi-dos. Para o projeto de assentamento de linhas submarinas

de transmissão de energia elétrica, de acordo com o U.S.

Army Corps of Engineers, faz-se necessária a completa ca-

racterização do leito marinho. Embora uma parte essencialdo processo de planejamento de linhas submarinas seja o

entendimento da geologia do leito marinho e seus proble-

mas geotécnicos associados [1], no Brasil ainda não existemregulamentações específicas sobre o assunto.

Boa parte dos danos causados a tubulações e cabossubmarinos é devida à erosão ao seu redor, que é provocada

pela interação entre o leito marinho e as correntes fluidas(ou ação de ondas). Uma vez que a erosão ocorre, o cabo

é submetido a derivas e deformações, que podem conduzira uma ruptura estrutural. Como resultado da ação erosiva,

o cabo pode ficar suspenso em apoios distanciados. As de-formações e oscilações produzidas pelas correntes podem

conduzir a uma ruptura do cabo.

Na seleção do traçado de instalação de cabos, deve-se procurar identificar riscos associados a deslizamentos

de taludes submarinos, vulcões submarinos, afloramentosrochosos, fundos móveis, bancos sedimentares submersos,

falhas e fraturas geológicas. Essas feições trazem sériosriscos de fadiga e de deslocamentos indesejáveis em estru-

turas submarinas de um modo geral, tais como oleodutos,gasodutos e cabos de distribuição e transmissão de energia

elétrica, acarretando variações não previstas nas tensões,

empuxos em leitos lamosos e abrasão em solos granulares.A figura 1 traz uma representação esquemática da área

em estudo.As referências [2] e [3] descrevem o traçado da tex-

tura de fundo da Baía de Ilha Grande e a distribuiçãopercentual de biodetritos carbonáticos. Pode-se identifi-

car na Baía da Ilha Grande diferentes fáciesgranulométricas, tais como areias grossas e médias na face

leste da baía e na plataforma interna até a isóbata de 50m; areias muito finas a finas na face oeste da baía e am-

plamente distribuídas na plataforma interna próxima, e

lamas em regiões de mais baixa energia, no canal centrale em enseadas abrigadas, como a Baía de Angra dos Reis.

No interior da baía de Ilha Grande, a oeste do canal cen-tral, a fração grossa em sua maior parte é constituída de

partículas sub-angulares de quartzo, associada a micas eminerais pesados [4]. Há ainda fragmentos de bioclastos

retrabalhados em ambiente de mais alta energia, concen-trados a uma profundidade de 20 m. Carapaças de

foraminíferos de origem recente são comuns nesta área,assim como sedimentos bioclásticos com teores de car-

bonato de cálcio que predominam entre 10 a 25 % [5].

A região nordeste da área central da baía apresenta pe-

quena concentração de carbonato de cálcio, com teores infe-

riores a 10 %. No restante da área, os teores de CaCO3 situ-

am-se entre 10 e 25 %, e somente nas proximidades da Pontada Espia as porcentagens de CaCO

3 ultrapassam 90 %.

FIGURA 1 - Magnetização como uma função do campo aplicado.

A área do sistema de cabos submarinos Angra dos

Reis – Ilha Grande foi pesquisada com técnicas debatimetria, sonografia e magnetometria, para localização

dos cabos e identificação da natureza dos solos ao longodos mesmos. A figura 2 ilustra uma das imagens

sonográficas obtidas.

FIGURA 2 - Exemplo de imagem sonográfica do leito marinho.

A presente pesquisa contemplou o desenvolvimentode equipamentos para a investigação geotécnica de linhas

de cabos submarinos. Para tanto, foi selecionado umpenetrômetro dinâmico – o Dynamic Cone Penetrometer

(DCP) –, o qual foi adaptado para uso submerso.Foram efetuados testes iniciais em laboratório, simu-

lando as condições que poderiam ocorrer em campo. Para

tanto, foram coletadas 3 amostras da área onde estão as-sentados os cabos submarinos do sistema Angra dos Reis

– Ilha Grande. Os ensaios foram realizados em um tamborde 50 cm de diâmetro e 90 cm de altura, preenchido com

material em diferentes condições de compacidade. Em umasegunda etapa, o ensaio foi realizado no mar, na região da

Ilha dos Currais (litoral do Paraná), tendo-se coletado tam-bém amostras do solo deste local.

A figura 3 ilustra o equipamento desenvolvido, oqual é acionado manualmente por mergulhadores. O nú-

mero de golpes de um peso, necessários para cravar 55

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cm do conjunto de hastes é registrado. Essa resistência

à penetração medida em campo pode ser correlacionada

com parâmetros geotécnicos, úteis ao projeto geológi-co-geotécnico de um sistema de cabos submersos.

são de cisalhamento no fundo resultou em torno de 1,2 N/m²,

para um período de maré de quadratura e vento de sudoeste

de 14 m/s. Considerando-se um solo argiloso solto e condi-ção solta em termos de compactação, a tensão de

cisalhamento requerida para o transporte do sedimento éestimada em cerca de 1,5 N/m². Pode-se concluir que ape-

nas sob condições bastante extremas de ventos por curtosperíodos de tempo espera-se que o material do leito seja

movimentado. Estima-se que a profundidade da erosão sobcabo submarino seja consideravelmente pequena.

A fim de melhorar a estimativa das velocidades e ten-

sões de fundo na área, medições abrangentes de níveis deágua, de velocidades de correntes e das distribuições de

salinidade e de temperatura devem ser realizadas. Umaninhamento de modelos numéricos na região dos cabos com

malha bastante refinada deve melhorar as estimativas de cor-rentes e tensões de fundo. Além disso, os estudos evidenci-

am que amostras de sedimento de fundo são necessárias paraobter informações detalhadas sobre as características dos

materiais e tensão de cisalhamento requerida para o trans-porte. O modelo numérico tridimensional pode ser também

utilizado na definição do método de proteção dos cabos,

bem como na otimização da região de lançamento destes.

IV. CARACTERIZAÇÃO DOSMATERIAIS DO CABO

Os cabos submarinos do sistema de Angra dos Reis –

Ilha Grande são de fabricação Pirelli, unipolares, com con-dutores de cobre na bitola de 2/0 AWG, com 4 lances

totalizando o comprimento de 20,4 km. A isolação é em

EPR, para utilização na tensão de 34,5 kV entre fases,porém operando em 13,8 kV.

Os cabos têm seu sistema isolante constituído por ma-teriais poliméricos que estão sujeitos a solicitações múlti-

plas, tais como variações de temperatura, variações do cam-po elétrico, solicitações mecânicas e influência do meio am-

biente. O sinergismo desses fatores degrada os materiaispoliméricos e pode acarretar ao sistema isolante a perda dos

requisitos mínimos para continuidade de operação [6,7,8].A metodologia experimental contemplou a execução dos

seguintes ensaios: a) Inspeção visual; b) Identificação do

polímero por espectroscopia de infravermelho (FTIR); c) Aná-lise termogravimétrica (TGA) do polímero; d) Análise dinâ-

mico mecânica (DMA) do polímero; e) Caracterização da ar-madura metálica; f) Resistividade volumétrica das camadas

semicondutoras; g) Resistência elétrica de isolamento à tem-peratura de 90o C; h) Fator de dissipação no dielétrico; I) Ten-

são elétrica de impulso; J) Tensão elétrica de screening.Nos ensaios de termogravimetria e análise dinâmico

mecânico na semicondutora e no isolamento pôde-se notarque a composição das formulações das borrachas utiliza-

das nos cabos estudados são diferentes.

As variações de estabilidade térmica entre os isola

FIGURA 3 - Penetrômetro dinâmico adaptado para uso submerso.

III. MODELAGEM HIDRODINÂMICA

Neste item, são resumidos os resultados obtidos em um

estudo de verificação da estabilidade do material do fundo do

mar, nas vizinhanças de cabos submarinos. A aplicação do mo-delo contemplou a região entre a costa do estado do Rio de Ja-

neiro e a Ilha Grande. As condições de fluxo são determinadasprincipalmente pelas marés, vento e diferenças de densidades.

A pesquisa envolveu o desenvolvimento, validação eaplicação de modelos numéricos para a simulação do cam-

po de velocidades e das tensões de cisalhamento nas pro-ximidades do cabo. Foram desenvolvidos modelos numé-

ricos transientes hidrodinâmicos bidimensional etridimensional. Comparações entre velocidades e níveis de

água medidos e modelados mostraram a capacidade do

modelo em capturar as condições de fluxo na área, em boaconcordância com os valores observados.

A verificação da estabilidade do material do fundo nasproximidades do cabo submarino foi realizada para diversas

condições em termos de marés, ventos e densidades. Os re-sultados indicaram que os ventos de sudoeste tem um efeito

bastante importante no campo de velocidades na região doscabos submarinos. De acordo com os resultados, é esperado

que o material do fundo seja bastante estável. A máxima ten-

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mentos dos cabos, observadas no ensaio de TGA, podem

ocorrer devido aos seguintes fatores: degradação do

polímero, diferenças na composição química e consumode aditivos de estabilização.

As diferenças no comportamento viscoelástico encon-tradas nos materiais estudados, detectadas pelo ensaio de

DMA, são conseqüências das diferenças de composição quí-mica dos elastômeros, das variáveis de processo de fabrica-

ção e/ou efeitos da degradação do polímero.Os valores de fator de dissipação do sistema iso-

lante apresentam valores próximos aos citados na lite-

ratura para o EPM (0,0079 a 1kHz) e EPDM (0,004 a60Hz) [9]. Os baixos incrementos no fator de dissipa-

ção ao se aplicar diferentes gradientes máximos no con-dutor são indicativos da inexistência de vazios ou im-

perfeições nos trechos analisados.A suportabilidade do sistema isolante às solicitações

de tensão elétrica aplicada é indicativa de que o sistemaisolante do cabo submarino em estudo esta em boas condi-

ções. Adicionalmente ao observado nos ensaios, salienta-se que o sistema isolante foi concebido para utilização em

34,5 kV e esta sendo utilizado em 15,0 kV.

A armadura metálica apresentou consumo do gal-vanizado que protege o aço da corrosão e, em algumas

partes, já apresenta corrosão no aço, fato este que me-rece atenção por ser esta parte justamente a que dá sus-

tentação e proteção mecânica ao cabo. O acompanha-mento da evolução desta corrosão seria importante para

garantir o bom desempenho do cabo.

V. CONCLUSÕES

Embora a presente pesquisa ainda esteja em andamen-

to, a abordagem multidisciplinar desenvolvida já permiteque algumas conclusões sejam delineadas, contemplando-

se aspectos geotécnicos, hidrodinâmicos e dos materiaisde cabos submarinos de transmissão de energia.

A revisão dos fatores geológicos e geotécnicosintervenientes no projeto de um sistema de cabos submersos

evidencia a importância de um adequado estudo do leitomarinho. O trabalho aqui desenvolvido indica que, no caso

de investigações para cabos submarinos, ainda há espaço

para um simples penetrômetro, especialmente durante a faseexploratória de uma investigação. A possibilidade do apro-

veitamento de correlações existentes para o DCP podepermitir que parâmetros geotécnicos úteis sejam obtidos

de uma forma prática, com vistas ao projeto do traçado desistemas de cabos submarinos.

A pesquisa mostrou resultados do desenvolvimento eda aplicação de modelos numéricos hidrodinâmicos 2DH e

3D, para estimativas das condições de estabilidade do ma-terial do fundo do mar na região de cabos submarinos.

Análises de sensibilidade abrangentes foram realizadas para

identificar as mais importantes forças atuantes e definir

condições adversas, relativamente à estabilidade do fundo

do mar na área estudada (sistema Angra dos Reis – Ilha

Grande). Comparações das tensões de cisalhamento atu-antes e resistentes, para várias condições, mostraram que

o leito do fundo junto à região dos cabos submarinos deveser bastante estável, mesmo para circunstâncias extremas.

No caso em questão, estima-se que a profundidade da ero-são sob os cabos submarinos seja consideravelmente pe-

quena e inferior ao diâmetro dos cabos.Na metodologia de caracterização de materiais e equi-

pamentos utilizadas neste trabalho, algumas técnicas apre-

sentam maior potencial para acompanhamento do estadode conservação de cabos submarinos. Dentre elas estão a

técnica de análise dinâmico mecânica; os ensaios de perdasdielétricas e estabilidade térmica medida por

termogravimetria. Tais técnicas podem fornecer parâmetrosindicadores da evolução da degradação de cabos com con-

figuração semelhante à analisada.

VI. AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de registrar que o presente tra-

balho foi desenvolvido em conjunto com a Companhia deEletricidade do Rio de Janeiro – CERJ, agradecendo ao

apoio recebido.

VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] P.G. Allan, “Geotechnical aspects of submarine cables”. In: IBCConference on Subsea Geotechnics, Proceedings, Aberdeen, No-vembro, 1998.

[2] M.M. Mahiques, “Considerações sobre os sedimentos de superfí-cie de fundo da baía da Ilha Grande Estado do Rio de Janeiro”,Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo, São Paulo,1987, 139 p.

[3] G.T.M. Dias, M.A.A. Pereira e I.M. Dias “Mapa geológico –geomorfológico da Baía da Ilha Grande e Zona Costeira adjacente,esc. 1:80000”, Relatório Interno LAGEMAR, Universidade Fede-ral Fluminense, 1990, não publicado.

[4] W. C. Belo, “Estudos integrados do fundo marinho da baía da IlhaGrande, RJ”, Dissertação de Mestrado, Universidade FederalFluminense, Niterói, 2001, 100 p.

[5] I. C. S. Corrêa, C. A. M. Marchiori, A. R. D. Elias, M. D. Avila.“Sedimentologia da parte central da baía da Ilha Grande estado doRio de Janeiro – Brasil”, CECO/IG/UFRGS, Notas Técnicas, 1997,10: 61-71.

[6] G. C. Montanari, L. Simoni, “Aging Phenomenology andModeling”. IEEE Trans. Elect. Insul., vol. 28, n. 5, Oct. 1993, p.775-776.

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[9] R. Bartnikas, K. D. Srivastava, “Power Communication Cablews:Theory and Applications”, IEEE Press, 1999.

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RESUMO

O presente trabalho vem sendo desenvolvido em parceria coma Companhia Paranaense de Energia - COPEL, tem um perío-do de duração de três anos e, tem como principal objetivo odesenvolvimento de uma ferramenta que permita, em um fu-turo próximo, otimizar procedimentos e minimizar custos demanutenção, advindos de processos de degradação de materi-ais que compõem redes de distribuição. Foram escolhidos, atéo momento, quatro ambientes distintos quanto sua localiza-ção, grau de poluição, velocidade e direção de ventos. As me-dições desses parâmetros são realizadas por meio de estaçõesautomáticas de monitoramento da qualidade do ar e de algunsparâmetros meteorológicos. Em Curitiba estão sendo investi-gados três locais: a) Bairro de Santa Cândida, mais à norte(considerado menos poluído); b) Cidade Industrial de Curitibapor estar no corredor de predominância de ventos (leste) e es-tar na interface entre o centro da cidade; e, c) Município deAraucária, região mais industrializada do Estado do Paraná.No Litoral do Estado foi selecionado o Balneário de Grajaú,Município de Pontal do Paraná. Nas estações de Araucária edo Balneário Shangrilá foram instaladas duas redes experi-mentais de distribuição contendo, em Araucária somente ma-teriais poliméricos e no litoral, ambos, metálicos e poliméricos.A estação do litoral é constituída de três seções que estão ins-taladas à 100 m, 400 m e 800 m de distância da orla marítima.Esse procedimento tem como objetivo verificar a área de mai-or influência da salinidade. O período estudado até o momen-to, setembro de 2001 à setembro de 2002, mostrou que a qua-lidade do ar de Curitiba pode ser considerada boa, tanto doponto de vista de qualidade de vida quanto de agressividade àmateriais. O parâmetro que, em alguns poucos casos, tem fu-gido dos padrões de qualidade é o ozônio.O dióxido de enxo-fre, compostos de nitrogênio, e outros, conforme ResoluçãoCONMA 03/90, têm se mantido dentro dos limites previstos.No litoral os materiais poliméricos, à 100 m da orla, não su-portaram a salinidade além de seis meses. Apresentaramtrilhamento, deposição de sal e em alguns caso erosão do ma-terial. Estão sob investigação e continuarão até o final do pro-jeto (dois anos mais) os materiais, metálicos e poliméricos,colocados nas redes à 400 m e 800 m da orla. Continuarão,também os estudos em Curitiba e terão início na próxima fase(2002/2003) os ensaios de envelhecimento acelerado e a cons-trução do modelo denominado "Função doseresposta" que re-sultará na ferramenta de manutenção preditiva prevista. Como resultado dessa pesquisa vislumbra-se uma economia líqui-da para a COPEL, da ordem de 30% em materiais.

PALAVRAS-CHAVE

poluição ambiental; corrosão atmosférica; degradação de ma-teriais; modelo econômico

I. INTRODUÇÃOExperiências passadas têm mostrado que a degrada-

ção de diversos materiais, expostos ao ambiente poluído, éproblema de grande importância para a humanidade e tem

sido levada em consideração em estudos de avaliação deimpactos ambientais (MARINI-BERTTOLO, 1986).

A corrosão atmosférica é, talvez, a mais velha e co-nhecida forma de corrosão. Entretanto, os mecanismos que

governam as reações e os fatores que influenciam seus pro-cessos foram seriamente estudados, somente após 1920

(DUTRA & VIANNA, 1982). Altas concentrações, por

exemplo, de dióxido de enxofre (SO2) no ar, aceleram acorrosão de aço e zinco (COX & LYON, 1994). A corro-

são atmosférica é, basicamente, controlada pela deposiçãode poluentes sobre o material exposto. O processo de de-

posição é determinado pela concentração do poluente e avelocidade de deposição. Ambos os parâmetros são influ-

enciados pelas condições atmosféricas, tais como, veloci-dade e direção dos ventos, perfil de temperatura, umidade

relativa, radiação solar e altura da camada de inversão.A umidade sobre superfícies, causada pela alta umi-

dade relativa do ar ou ainda pela formação de neblina, pro-

move a corrosão de superfícies metálicas e aumenta o flu-xo de deposição de gases solúveis, tais como, o dióxido de

enxofre (SO2) e/ou ácido nítrico (HNO3). A presença desais higroscópicos, tais como o cloreto de sódio (NaCl),

tende a abaixar a umidade relativa crítica na superfície dometal e os processos de corrosão, nesse caso, irão depen-

der das características da superfície metálica (tipo de me-tal), bem como das condições ambientais como o balanço

de radiação sobre a superfície da velocidade dos ventos.

Nos casos de abaixamento da umidade relativa crítica, acorrosão de metais passa a ser governado pelos processos

de oxidação (DUTRA & VIANNA, 1982).Materiais poliméricos têm sido exaustivamente utiliza-

dos como sistemas de transmissão e distribuição de energiaelétrica, tanto em cabos áereos como em subterrâneos. Aampla utilização de polímeros para essas funções está rela-cionado às suas excelentes propriedades como isolantes elé-tricos e as propriedades físicas e químicas que conferem es-tabilidade e resistência a solvência. Entretanto, atualmente ébastante aceita a teoria de que tais materiais experimentam

Avaliação dos Impactos da Poluição AtmosféricaCorrelacionada à Manutenção de Estruturas

Utilizadas no Setor ElétricoS. M. Alberti, LACTEC, G.P. Souza, LACTEC, M. Munaro, LACTEC,

E. D. Kenny, LACTEC, E. Esmanhoto, LACTEC; L.E. Linero, COPEL, L. C. Harttman, COPEL,J. V. Novaes Junior - LACTEC, G. M. Luz - LACTEC

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o envelhecimento quando sujeitos a situações de "stress"

que podem levar a quebras da cadeia polimérica (DISSADO

& FOTHERGILL, 1992). A ação combinada de campo elé-

trico e umidade tem sido vista como um fenômeno catalisador

do processo eletroquímico que leva à degradação

morfológica de polímeros, produzindo a degradação estru-

tural e o crescimento de "water trees". Esse fenômeno tem

originado intensas pesquisas nas últimas duas décadas

(STEENNIS & KRUEGER, 1990; ROSS, 1998).

A corrosão eletroquímica tem sido mencionada como

um significante processo de mudanças morfológicas no

XLPE (polietileno de cadeia cruzada) (ROSS, 1998). Re-

centemente tem sido sugerido que mecanismos de enve-

lhecimento de polietilenos, sujeito a constantes "stress" elé-

tricos alternados (ac), em um meio de alta umidade, envol-

vem a difusão de espécies iônicas com o aparecimento de

cargas localizadas (DAS-GUPTA et all, 1990; DAS-

GUPTA & SCARPA, 1996; FOTHERGILL & DISSADO,

1998). É importante mencionar que, para cabos protegi-

dos e acessórios usados em linhas de distribuição aéreas e,

para isoladores poliméricos usados em linhas de distribui-

ção, a radiação ultra violeta deve ser levada em considera-

ção como um fator adicional de "stress".

Tem sido registrado que isoladores poliméricos em

linhas de transmissão e distribuição oferecem significantes

vantagens sobre os de porcelana (MACKEVICH & SHAH,

1997; MACKEVICH & SIMMONS, 1997). Silicone e

EPDM têm sido os polímeros mais utilizados para esse

propósito. Continuam, entretanto, as dúvidas dos usuários

com respeito à performance desses materiais. Para elucidar

essas dúvidas, muitas pesquisas têm sido desenvolvidas com

relação à sua resistência à intemperismos, hidrofobicidade,

resistência à erosão e ao trilhamento, formulação, proces-

sos de fabricação e testes de qualidade (MACKEVICH &

SIMMONS, 1997). Estudos de resistência às condições

ambientais específicas têm sido considerados de grande

importância para correlacionar corretamente, envelhecimen-

to e estudos de degradação de materiais poliméricos. A

degradação de materiais, sejam eles metálicos, poliméricos

ou cerâmicos, devido à deposição ácida e à poluição do ar,

atualmente tem sido tratada do ponto de vista econômico

e sua importância tem sido medida em dólares (LIPFERT

& DAUM, 1992). Para se poder estimar custos associados

às questões de degradação de materiais, provenientes da

poluição ambiental, é necessário que se tenham informa-

ções da distribuição espacial de vários tipos de material,

bem como de seus diversos usos. É necessário também,

para um método mais real de avaliação do processo de

degradação, a utilização da chamada função "dose-respos-

ta" para cada tipo de material exposto e do poluente, da-

dos das variáveis ambientais independentes usadas na fun-

ção e, dados das conseqüências econômicas proveniente

de danos aos materiais. Esta função "dose-resposta" des-

creve as relações físco-químicas entre a degradação do

material e o poluente ao qual este material esta exposto.

Estudos e medidas de corrosão atmosférica têm sido de-

senvolvidas em laboratório e em campo (ASKEY et all.

1993, COX & LYON, 1994). No primeiro caso, têm-se

um menor tempo de desenvolvimento, devido à possibili-

dade de aceleração dos processos de corrosão. Além dis-

so, as condições de testes como a umidade relativa, tem-

peratura, radiação e concentração de poluentes podem ser

eficientemente, controlados. Adicionalmente, efeitos multi-

parâmetros podem ser eliminados e efeitos sinergéticos

entre dois ou mais componentes podem ser investigados.

Experimentos de campo têm sido desenvolvidos em

vários países do mundo, com um largo espectro de medi-

das ambientais e de corrosão. Os diferentes programas usa-

dos diferem nos seus arranjos experimentais, tamanho e

orientação do material exposto, proteção ou não contra as

intempéries (principalmente chuvas), perda de peso por

corrosão, análises dos produtos de corrosão e diferentes

parâmetros ambientais.

Desta múltipla interação entre as condições atmos-

féricas, concentração de poluentes, processos de deposi-

ção e tipos de materiais expostos, surge um modelo ca-

paz de formular uma função dose-resposta adequada e

real. Esforços têm sido feitos no sentido de determinar

esta função dose-resposta com base em ensaios de labo-

ratório e medidas de campo. Estudos econômicos, fun-

damentados nos resultados do modelo da função dose-

resposta, têm sido desenvolvidos a partir da década de

70 (HEINZ, 1992). Nestes estudos, são mapeados a cor-

rosão atmosférica de torres de linhas de distribuição, bem

como, os resultados, em termos econômicos, oriundos

da poluição atmosférica.

Na Europa e nos Estados Unidos, já existem traba-

lhos que utilizam a função dose-resposta para avaliar cus-

tos adicionais causados pela corrosão atmosférica. Entre-

tanto, estes modelos não contemplam diferentes níveis de

poluição, e tão pouco, contemplam os climas tropicais e

subtropicais. Medidas de poluição atmosférica e de

parâmetros meteorológicos estão em andamento em algu-

mas regiões do Estado do Paraná (ALBERTI &

ESMANHOTO, 1999). Vários estudos de corrosão de es-

truturas têm sido desenvolvidos para Usinas Geradoras de

Energia (GARCIA, KENNY, ESMANHOTO, et al., 1995;

GARCIA, PORTELLA, TERNES NETO et al., 1995;

GARCIA, PORTELLA, MISURELLI, 1995). O grande nú-

mero de torres de transmissão e de linhas de distribuição

existentes mostra a necessidade de um modelo que possa,

com eficácia, demonstrar o comportamento de determina-

dos materiais frente ao meio ambiente ao qual estará ex-

posto. O desafio do trabalho aqui proposto é adaptar estes

modelos de função dose-resposta para a realidade brasilei-

ra, em especial em algumas regiões do Estado do Paraná e,

demostrar, do ponto de vista econômico, as vantagens do

uso desse modelo.

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II. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Na caracterização da qualidade do ar foi utilizada aconfiguração que apresenta a figura 1, onde podem ser ob-servadas as Estações de Santa Cândida, Cidade Industriale Araucária.

A tabela 1 apresenta, conforme Resolução CONAMA

03/90, os resultados para o período de 2001 à 2002, emtermos de médias e máximos observados para as três esta-

ções que fornecem os dados ao projeto.No que se refere a qualidade da água de chuva, foram

também investigadas as regiões de Araucária e outra pró-xima à Sta. Cândida (Centro Politécnico da UFPR), com

um total de 153 amostra em 12 meses.A tabela 2 apresenta os resultados mais significativos

do período investigado (fev/00 à jan/01).

FIGURA 1 - Configuração da Rede de Estações de Monitora-mento da Qualidade do Ar. Curitiba, PR.

TABELA 2VALORES MÍNIMOS E MÁXIMOS PARA O PERÍODO DE 200 À 2001 - ESTAÇÕES DE CURITIBA E ARAUCÁRIA.

200/2001 CURITIBA / Sta Cândida e CIC ARAUCÁRIA

Parâmetro Mínimo Máximo Mínimo Máximo

pH 5,4 6,6 5,7 6,5

SO42- (mg/L) <0,05 7,1 1,8 17

Cl- (mg/L) <0,05 5,8 0,21 2,7

TABELA 1VALORES MÉDIOS E MÁXIMOS MENSAIS - ESTAÇÃO DE ARAUCÁRIA

2001 SO2 SO2 NO NO NO2 NO2 NOx NOx O3 O3

- ppb ppb ppb ppb ppb ppb ppb ppb ppb ppb

Mes Med Max Med Max Med Max Med Max Med Max

1 2,8 39,4 2,7 20 7,5 36 10,2 43,1 14,4 84

2 4,4 35,7 3,1 28 8 53 11,1 57,6 12,6 120

3 2,9 60,6 3,3 35 8,5 32 11,7 63,2 11,7 77

4 2,7 32,1 4,7 60 9,2 42 13,9 102 9,5 76

5 2,1 31,2 7,7 156 11,3 83 18,9 239 4,7 57

6 2,4 30,2 10,4 136 13,6 80 24 214 9 44

7 4 90,8 10,3 139 14,1 80 24,3 219 12,2 94

8 4,9 74,7 10,7 132 18,4 105 29,1 219 24 93

9 8,2 73 3,4 25 10,5 52 13,9 77 27,9 78

10 9,1 130 2,7 41 9,5 40 12,2 75 33,1 124

11 14,2 102 2,7 20 8,6 29 11,3 39,5 31,5 149

12 4,9 55 2,7 29 8,8 51 11,5 79,8 26 101

2002 SO2 SO2 NO NO NO2 NO2 NOx NOx O3 O3

- ppb ppb ppb ppb ppb ppb ppb ppb ppb ppb

Mes Med Max Med Max Med Max Med Max Med Max

1 3,1 49,2 2 16 6,7 38 8,9 54 22,6 129

2 4,8 49,7 3,4 30 9,5 42 13,1 69 21,6 86,6

3 4,7 51 2,5 12,8 9,5 34 10,7 37 19,3 68,1

4 3,1 38,2 -99 -99 -99 -99 -99 -99 18 96,5

5 2,1 36,7 4,7 73,5 18,6 147 13,7 73 13,2 48,1

6 1,5 42,5 7,1 64,6 26,7 150 33,8 215 14,9 71,4

7 2 21,5 5,3 60 15,4 71 20,8 128 13,9 55,6

8 2,1 45,2 6,7 71,3 15,6 76 22,6 144 19,6 83

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Out/01 Nov/01 Dez/01 Jan/02 Fev/02 Mar/02 Abr/02 Mai/02 Jun/02 Jul/02 Ago/02

0

100

200

300

400

500

600

700

Cl (

mg/

m2 /d

ia)

Meses

100M 400M 800M

LITORAL

Out/01 Nov/01 Dez/01 Jan/02 Fev/02 Mar/02 Abr/02 Mai/02 Jun/02 Jul/02 Ago/020,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

SO

3 (m

g/10

0cm

2 dia)

Meses

100M 400M 800M

Litoral

FIGURA 3 - Valores Médios para as Concentrações deCloretos e Sulfatos às Três Distâncias

TABELA 3AGRESSIVIDADE ATMOSFÉRICA ISSO 9223:1992

MATERIAL 100 m 400 m 800 m

Aço-carbono C5 C4 C4

Zinco/ Cobre C5 C4 C3

Alumínio C5 C5 C4

Onde: C3 - corrosividade média;C4 - corrosividade alta;C5 - corrosividade muito alta

Para os estudos de Materiais Poliméricos, foram ins-talados 4 trechos similares de rede de distribuição de ener-gia elétrica protegida, com aplicação de materiais disponí-veis no mercado em condições ambientais diferenciadas,que estão sendo avaliada por métodos padronizados demonitoração ambiental. Os locais escolhidos para este pro-jeto foram o litoral do Estado do Paraná a 100m, 400m e800m da orla marítima e uma em região industrial

Em função dos resultados de poluentes e daagressividade do meios estudados os materiais poliméricoapresentaram baixo desempenho na orla marítima, mais es-pecificamente à 100 m da orla marítima. As Figuras 4 (a),(b), e (c) mostram alguns dos resultados, após 6 (seis) mesesde exposição desse materiais.

(a) Ponto de Amarração do Cabo ao Espaçador com AnelApresentando Acúmulo de Sal e Inicio de Trilhamento.

Dessa forma, quando classificada a corrosividade do

ambiente, ou seja a agressividade atmosférica sobre metaise ligas metálicas baseada nos dados atmosféricos, confor-

me norma ISSO 9223:1992, as categorias de corrosividadesão apresentadas em função do teor de poluentes e do tempo

de superfície úmida. Nesse caso, as regiões podem ser clas-

sificadas com relação à corrosividade como:a) Estação Santa Cândida: C2 - corrosividade baixa;

b) Estação CIC: C2 - corrosividade baixa;c) Estação Araucária: C3 - corrosividade média.

Quanto às Estações do Litoral do Paraná - Balneário

Shangrilá, em Pontal do Paraná, nas faixas de 100m, 400m e800m de distância da orla marítima forma obtidos os se-

guintes resultados de valores médios para as concentrações

de cloretos e sulfatos às três distâncias e que estão represen-tadas na Figura 3 (a) para cloretos e 3(b) para sulfatos.

Com base nos resultados obtidos durante um ano deamostragem classifica-se a estação do Litoral como ambi-

ente urbano-marinho de elevada agressividade. As catego-rias de agressividade atmosférica sobre metais à diferentes

distâncias da orla marítima, baseadas na análise de poluentese de tempo de superfície úmida conforme norma ISSO

9223, são apresentadas na tabela 3, a seguir.

Esses valores de qualidade de ar e de concentração de

íons sulfato e cloreto na água de chuva caracterizam o ambien-

te como pouco agressivo aos materiais metálicos e poliméricossob teste nessa região. Essa afirmação está em acordo com os

estudos realizados pelos métodos ABNT NBR 6211, paracloretos e, ABNT NBR 6921, para sulfatos, medidos no perío-

do de 2001 à 2002 nas mesmas regiões. A Figura 2 apresentaos resultados para esses íons em Curitiba e Araucária.

Out/01 Nov/01D/01;JeF/02Mar/02 Abr/02 Mai/02 Jun/02 Jul/02 Ago/020

5

10

15

20

25

30

Cl (

mg

/m2.d

ia)

Meses

SantaCândida CIC Araucária

Resultado referente aos meses de dezembro/01, janeiro e fevereiro/02

CURITIBA

Out/01 Nov/01DezeJan/01Fev/02 Mar/02 Abr/02 Mai/02 Jun/02 Jul/02 Ago/020,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

SO

3 (

mg

/10

0cm

2d

ia)

meses

SantaCândida CIC Araucária

Resultado referente aos meses de dez/01 e jan/02

CURITIBA

FIGURA 2 - Valores para a) Cloretos (ABNT NBR 6211) e b )sulfatos (ABNT NBR 6921).

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d)Foram instalados os painéis contendo materiais metáli-

cos para estudo de intemperismo natural;

e)Foram instaladas 2 (duas) linhas experimentais de distri-buição para estudos dos materiais sob multi-stress;

f) Segundo o monitoramento da qualidade do ar em Curitiba,via estação automática e coleta manual de cloretos e sul-

fatos, a agressividade das regiões, para o caso de materi-ais metálicos, são classificadas de forma similar:

a) Estação Santa Cândida: corrosividade baixa;b) Estação Cidade Industrial - CIC: corrosividade baixa;

c) Estação Araucária: corrosividade média;

A estação do litoral classifica o ambiente conforme a

distância da orla marítima e apresenta os mesmos resulta-dos tanto para materiais metálicos quanto para a rede pro-

tegida, isso é:a)A 100 m da orla: altamente corrosiva para aço-carbono,

liga de zinco e cobre e alumínio; é classificada tambémcomo fortemente corrosiva para o tipo de cabo protegi-

do instalado, que apresentou problemas de trilhamento,erosão e forte deposição de sal;

b)A 400 m da orla: apresenta corrosividade alta para aço-

carbono e ligas de zinco-cobre, porém altamente cor-rosiva para alumínio; para os cabos protegidos não fo-

ram observadas alterações no período de 6 (seis) meses;c)A 800 m da orla: apresenta-se como alta para aço-car-

bono e alumínio e média para o cobre; para os cabosprotegidos não foram observadas alterações no período

de 6 (seis) meses.

Outra conclusão importante e ainda nova no Brasil éa impossibilidade do uso de cabos protegidos em ambien-

tes marinhos muito próximos da orla marítima.

Em função do péssimo desempenho dos cabos prote-gidos e levando em consideração a questão segurança, a

COPEL decidiu desativar a linha experimental à 100 m daorla marítima, para o período que imediatamente antecede

à época de veraneio.A base de dados está ainda em formação, porém, com

os resultados obtidos nessa primeira fase, já é possível darinício à elaboração do modelo Dose-Resposta, proposto

para a segunda fase do trabalho.

IV. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Companhia Paranaense de

Energia - COPEL DIS; ao Instituto de Tecnologia para oDesenvolvimento - LACTEC; à Agência Nacional de Ener-

gia Elétrica - ANEEL, pelo apoio recebido, confiança de-positada, liberação de recursos financeiros e disponibiliza-

ção da infra-estrutura, para a realização e finalização desteprojeto de pesquisa; e a todos aqueles profissionais que,

de forma direta e indireta, colaboraram para a conclusão

deste trabalho.

(b) Laço de Amarração Apresentando Trilhamento Elétrico nasRegiões de Contato com o Cabo.

(c) Espaçador Apresentando Ponto de Trilhamento Elétrico naSuperfície.FIGURA 4 - Resultados após 6 meses de exposição

Para as concentrações de poluentes e/ou salinidadeobservada neste estudo a 100 m da orla marítima, os quais

foram considerados elevados, a rede protegida com a con-figuração atual é totalmente desaconselhada, para substi-

tuição da rede convencional. No entanto alguns estudospodem ser realizados propondo um remodelamento de al-

guns itens da rede que podem adaptar este sistema a parasituações com grandes concentrações de poluentes.

III. CONCLUSÃO

Considerando-se os objetivos da primeira fase do tra-

balho, que encontra-se aqui transcrita:"Primeira Fase: Implantação da rede de monitoramento

automática da qualidade do ar em Curitiba (região urbana- Bairro de Santa Cândida), região metropolitana (região

industrial - Cidade Industrial de Curitiba e Araucária) e,em uma região do litoral paranaenses (Grajaú - Pontal do

Paraná - PR), juntamente com os painéis de exposições

dos corpos de prova dos materiais que compõem as linhasde distribuição convencionais e à cabos protegidos. Os

Parâmetros medidos serão, SO2, NO, NO2, NOx, O3,THC, MPTS e parâmetros meteorológicos, direção e ve-

locidade de vento, radiação global e UV, temperatura,umidade, pressão e de amostras de chuva. Serão também

utilizados, para efeito de comparação, os sistemasgravimétricos tradicionais de medições para sulfatos (SO4)

e Cloretos, que foram empregados no passado para avalia-ção do potencial corrosivo de algumas regiões do Estado

o Paraná, inclusive as aqui mencionadas. " é possível con-

cluir que foram cumpridas todas as etapas prevista, Istoé:a)As estações de monitoramento da qualidade do ar foram

implantadas;b)Os parâmetros de poluição e meteorológicos encontram-

se contemplados nos estudos;c)foi realizado monitoramento da qualidade da água de

chuva por um período de um ano, resultando em disser-tação de mestrado;

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V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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RESUMO

Isoladores poliméricos de 15 kV, de vários tipos, foram sub-metidos ao envelhecimento acelerado em névoa salina por 1000horas. O efeito do envelhecimento sobre as propriedades su-perficiais dos isoladores foi avaliado através da caracteriza-ção dos materiais antes e depois do envelhecimento. Foramfeitas inspeções visuais, medidas de ângulo de contato,microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia deinfravermelho. Os resultados mostraram que, neste ensaio deduração relativamente curta, não ocorrem erosão outrilhamento visíveis. Contudo, à nível microscópico ocorre umprocesso de erosão (microerosão), que pode comprometer odesempenho do material.

PALAVRAS-CHAVES

Erosão; envelhecimento; hidrofobicidade; isolador;microscopia eletrônica.

I. INTRODUÇÃO

O ensaio em névoa salina tem sido utilizado para se

testar a performance de isoladores [1], bem como a

performance de materiais utilizados na confecção de isola-dores [2,3]. O presente trabalho tem como objetivo, inves-

tigar os efeitos do envelhecimento em névoa salina por 1000horas, sobre algumas propriedades superficiais de isolado-

res confeccionados com diferentes materiais poliméricos.A influência do envelhecimento sobre a hidrofobicidade do

material, tem sido bem documentado na literatura [2,4-6].Medidas de correntes de fuga em isoladores sob névoa sa-

lina também sido publicadas [3,8,9]. Espectroscopia de

infravermelho também tem sido utilizada na caracteriza-ção do envelhecimento de isoladores [4,10].

II EXPERIMENTAL

A. AmostrasTodos os isoladores estudados são destinados ao uso

em tensão nominal de 15 KV. Na tabela 1, são mostradas as

características dos isoladores. S1 e S2 são isoladores tiposuspensão confeccionados em silicone, de fabricantes dife-

rentes. PE1 e PE2 são isoladores tipo pino, confeccionados

em polietileno. Ambos possuem o mesmo formato, mas oPE1 utiliza um pino metálico convencional, ao passo que o

PE2 utiliza um pino polimérico, confeccionado com resinaNorylâ, e porisso apresenta maior distância de escoamento.

EPC e EPCH são isoladores tipo pilar, confeccionados inte-gralmente em resina epóxi cicloalifática. Ambos possuem o

mesmo formato, mas o EPC utiliza uma resina epóxi

cicloalifática comum, enquanto que o EPCH utiliza uma re-sina cicloalifática modificada, que apresenta maior

hidrofobicidade.

TABELA 1Descrição dos isoladores estudados

Isolador Material do Tipo Distância de

revestimento escoamento, mm

S1 Silicone Bastão 410

S2 Silicone Bastão 485

E EPDM Bastão 470

PE1 Polietileno Pino metálico 360

PE2 Polietileno Pino polimérico 450

EPC Epóxi cicloalifático Pilar 400

EPCH Epóxi cicloalifático hidrofóbico Pilar 400

B. Envelhecimento em névoa salinaUma câmara de acrílico com volume de 10 m3, foi

utilizada no envelhecimento dos isoladores. Quatro bicos

pulverizadores localizados no teto da câmara produziam

névoa à taxa de 0,5 l/(h.m3), com salinidade de 10 g/l.Os isoladores foram pendurados no interior da câma-

ra através de fios de nylon. Isoladores de pino e pilar fo-ram pendurados na posição vertical, enquanto que isola-

dores de suspensão foram pendurados na posição horizon-tal. Todos os isoladores foram submetidos à tensão eficaz

de 13 kV, durante todo o ensaio.Os isoladores foram envelhecidos pelo período de

1000 horas, com exceção dos isoladores EPC e EPCH,que permaneceram energizados por apenas 570 e 780 ho-

ras, respectivamente.

C. Medidas de ângulo de contatoO ângulo de contato de uma gota de água em repouso

sobre a superfície de um isolador, definido de acordo com

a Figura 1, foi utilizado como uma medida da hidrofobici-dade do material. γ

GS, γ

GL e γ

LS são as tensões superficiais

nas interfaces gássólido, gás-líquido e líquido-sólido, res-pectivamente [7].

Gotas de água com volume aproximado de 10 mL eram

cuidadosamente depositadas na região da haste dos isolado-res, com o auxílio de uma seringa hipodérmica. Em seguida,

utilizando-se uma câmara digital (Olympus, mod. UZ2100)com zoom de 10X equipada com uma lente macro, eram

Caracterização de Isoladores PoliméricosEnvelhecidos Artificialmente

P.C.Inone, F.Piazza e J.Tomioka, Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC)J.M.M.Sales, Companhia Energética do ceará (COELCE)

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tiradas fotografias de perfil das gotas. Os ângulos de con-

tato eram calculados a partir das imagens digitais das go-

tas, com o auxílio de um software de geometria (Geometer´sSketchpad).

FIGURA 1 - Ângulo de contato de uma gota d’agua sobre umasuperfície hidrofóbica.

D. Microscopia eletrônica de varreduraAmostras da superfície de isoladores novos e envelheci-

dos foram recortadas, coladas em porta-amostras e revesti-

dos com uma fina camada de ouro. As amostras foram entãoexaminadas no microscópio eletrônico de varredura (Philips,

mod. XL30), a fim de detectar mudanças na morfologia su-perficial dos isoladores, devido ao envelhecimento.

E. Espectroscopia de infravermelhoOs espectros de infravermelho foram obtidos utilizan-

do-se a técnica de ATR (Attenuated Total Refletion), atra-

vés da qual se pode analisar diretamente a superfície do

material. Amostras na forma de lâminas com 5 cm de com-primento, por 1 cm de largura, por 2 a 5 mm de espessura

aproximadamente, foram retiradas da região superficial dosisoladores, para serem analisadas. Foram retiradas amostras

na região das saias ou da haste, dependendo do tipo do iso-lador. O equipamento utilizado é um espectrofotômetro de

infravermelho com transformada de Fourier, marca BOMEM,modelo DA8. Os espectros foram obtidos na região entre

650 e 5000 cm-1, com uma resolução de 2 cm-1, fazendo-se20 varreduras para cada amostra.

II. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A. Medidas de ângulo de contatoÉ conhecido o fato de que radiação UV e descargas

corona levam à perda da hidrofobicidade de isoladores

poliméricos. Para alguns isoladores, esta perda é temporária,pois o material tem a capacidade de recuperar total ou parci-

almente sua hidrofobicidade. Esta propriedade, de recuperara hidro-fobicidade, é de grande importância para o desempe-

nho do isolador em regiões de alta agressividade ambiental.

A tabela 2, apresenta os resultados das medidas de ân-gulo de contato em isoladores novos e em isoladores enve-

lhecidos. Todas as medidas em isoladores envelhecidos, fo-ram feitas após períodos superiores a 1 mês, depois de en-

cerrado o ensaio de envelhecimento, a fim de permitirrecuperação completa da hidrofobicidade. Desta forma, os

ângulos de contato obtidos refletem a capacidade do mate-rial de recuperar sua hidrofobicidade, isto é, uma diminui-

ção no ângulo de contato do material envelhecido com rela-

ção ao material novo, significa que o material não recupe-

rou, ou recuperou parcialmente sua hidrofobicidade, ao pas-

so que se o ângulo for igual ao do material novo, significaque o material recuperou totalmente sua hidrofobicidade.

A não recuperação ou a recuperação parcial da hidrofobi-cidade, será denominada daqui em diante apenas como

perda de hidrofobicidade.Como pode ser observado, no envelhecimento em

névoa salina os isoladores de silicone recuperaram pratica-mente toda hidrofobicidade, mas os de EPDM, epóxi e

polietileno, tiveram perda considerável de hidrofobicidade.

Com o objetivo de relacionar os ângulos de contatocom a molhabilidade dos isoladores na prática, efetuou-se

testes de imersão dos isoladores em água. O isolador deepóxi comum molhava-se completamente quando imerso

em água, ao passo que o isolador de epóxi hidrofóbicoapresentava regiões que se molhavam e regiões que repeli-

am água. O mesmo não era observado nos isoladores depolietileno que, embora apresentando baixos ângulos de

contato, não produziam filme contínuo algum quando erammergulhados em água.

O pino de Noryl apresentou baixo ângulo de contato

mesmo quando novo, sendo completamente umectável apóso envelhecimento.

TABELA 2RESULTADOS DE MEDIDAS DE ÂNGULO DE CONTATO

Isolador Amostra nova Amostra envelhecida

S1 106 ± 3° 102 ± 12°

S2 105 ± 6° 105 ± 5°

E 102 ± 4° 70 ± 6°

PE1 83 ± 9° 74 ± 2°

PE2 78 ± 2°

EPC 100 ± 5° 66 ± 10°

EPCH 96 ± 4° 76 ± 25°

Noryl (pino) 49 ± 4° ≈ 0°

B. Microscopia eletrônica de varreduraApós inspeção visual a olho nu da superfície dos isola-

dores, não foi constatada a ocorrência de erosão ou trilhamentoem nenhuma das amostras. Entretanto, foram observadas for-

mas mais brandas de degradação, como perda de brilho,descoloramento e formação de manchas escuras. Posterior-

mente, com a utilização de microscopia eletrônica de varre-

dura (MEV) observou-se a ocorrência de erosão a nível mi-croscópico de acordo com a descrição a seguir.

A figura 2 mostra fotomicrografias obtidas a partir deMEV, da superfície de isoladores novos (fotos à esquerda)

e envelhecidos em névoa salina (fotos à direita). As fotos(a) e (b) mostram que o envelhecimento do isolador de

silicone S1 provoca microerosão superficial através da for-mação de buracos espalhados uniformemente por toda a

superfície do material. Os buracos parecem ser causadospela extração de partículas de carga mineral da superfície

do material. O mesmo processo de microerosão ocorre com

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o EPDM, como mostram as fotos (c) e (d).

No caso do silicone S2, fotos (e) e (f), e do polietileno,

fotos (g) e (h), o envelhecimento provoca desgaste super-ficial do material, aumentando sua rugosidade, mas não há

formação de buracos.As fotos (i) e (j) mostram as superfícies do isolador de

epóxi EPC. Após envelhecimento em névoa salina podemser observadas partículas de carga mineral aflorando na su-

perfície da amostra. O mesmo padrão foi observado no iso-lador de epóxi EPCH. Portanto, o envelhecimento dos iso-

ladores de epóxi provoca preferencialmente a remoção de

resina da superfície, deixando expostas partículas de cargamineral. Isto poderia ser a causa da perda de hidrofobicidade

do material, uma vez que a carga mineral é hidrofílica.

ções C-H e Si-CH3, respectivamente, que envolvem os gru-

pos laterais CH3, enquanto que a banda em 1020 cm-1 re-

sulta de vibrações de grupos Si-O-Si, pertencentes à ca-

deia principal. As bandas compreendidas entre 3700 e

3200 cm-1, resultam de grupos OH pertencentes à alumina

trihidratada (ATH), uma carga mineral presente na for-

mulação da borracha. A tabela 3 mostra que, com o enve-

lhecimento, a redução nas absorbâncias das ligações C-H

e Si-CH3 é proporcionalmente maior que a redução na

absorbância da ligação Si-O-Si, indicando haver ruptura

preferencial de ligações Si-CH3 referentes a grupos late-

rais CH3, com relação a ligações Si-O-Si presentes na ca-

deia principal [4]. No caso do silicone envelhecido, nota-

se uma redução na intensidade das bandas do OH, quan-

do comparado ao silicone novo, devido à remoção de

partículas de carga na superfície. A tabela 3 apresenta uma

relação entre intensidade da banda do OH a 3436 cm-1 e

intensidade da banda do Si-O-Si, mostrando que a con-

centração de alumina trihidratada na superfície diminui

com o envelhecimento, de acordo com o que foi observa-

do através de MEV.

Na figura 4 são mostrados os espectros obtidos do

isolador de EPDM. Em 2920 cm-1 existe uma banda devi-

do a ligações C-H pertencentes à cadeia principal, e em

1460 cm-1 existe uma banda devido à ligações C-H perten-

centes a grupos laterais CH3. A banda em 1735 cm-1 resul-

ta de grupos carbonilas gerados pela degradação oxidativa

do polímero, e as bandas entre 3700 e 3200 cm-1 resultam

de grupos OH pertencentes à alumina trihidratada, que é

utilizada como carga. A tabela 4 apresenta o resultado de

cálculos para o índice de oxidação do polímero (Oi), defi-

nido como a razão entre absorbâncias de grupos carbonila

e grupos CH3 [10]. Observa-se que a amostra nova, que já

apresenta um pequeno grau de oxidação, sofre um proces-

so de oxidação moderado, ao ser envelhecida em névoa

salina. Na terceira coluna da tabela IV, são apresentadas as

razões entre as absorbâncias de grupos laterais CH3 e liga-

ções C-H na cadeia principal. É observado que esta razão

varia pouco ou nada com o envelhecimento, indicando que

ruptura de ligações ocorre igualmente em grupos laterais e

na cadeia principal.

A figura 5 mostra os espectros obtidos para os iso-

ladores de polietileno. Para o polietileno novo, foi pos-

sível observar uma pequena banda a 1738 cm-1, corres-

pondente a grupos carbonila, gerados pela degradação

oxidativa do polímero durante o processo de moldagem

por injeção. Não foram observadas para os polietilenos

envelhecidos, bandas de carbonila provenientes de de-

gradação oxidativa.

A figura 6 mostra o espectro de infravermelho ob-

tido para os isoladores de epóxi. No espectro de isola-

dores envelhecidos, aparecem duas fortes bandas em

1160 e 1010 cm-1, atribuídas à sílica pulverizada, que é

utilizada como carga na formulação do epóxi. Como foi

FIGURA 2 - Fotomicrografias da superfície de isoladoresobtidas por MEV. Fotos à esquerda são de isoladores novos;fotos à direita são de isoladores envelhecidos. (a) e (b) siliconeS1; (c) e (d) EPDM; (e) e (f) silicone S2; (g) e (h) polietilenoPE2; (i) e (j) epóxi EPC. Ampliações originais de 2000X.

C. Espectroscopia de infravermelhoA figura 3 apresenta os espectros obtidos do silicone

S1. As bandas em 2960 e 1270 cm-1, resultam de vibra-

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(a)

(a)

FIGURA 6 - Espectro de infravermelho dos isoladores deepóxi, novos e envelhecidos por 1000 horas em névoa salina.(a) EPC; (b) EPCH.

visto através de microscopia, figura 2 (i) e (j), a degra-dação do epóxi provoca o afloramente de partículas decarga na superfície do isolador, fazendo com que se-jam detectadas no espectro de infravermelho. A tabela5 apresenta a relação entre a absorbância da banda a1010 cm-1, pertencente à sílica pulverizada e aabsorbância da banda a 2913 cm-1 correspondente a li-gação C-H presente no polímero. Nota-se que há au-mento nesta relação, mostrando que a concentração departículas de carga aumentou na superfície do isola-dor, relativamente ao polímero.

FIGURA 3 - Espectro de infravermelho do isolador de siliconeS1, novo e envelhecido por 1000 horas em névoa salina.

FIGURA 4 - Espectro de infravermelho do isolador de EPDM,novo e envelhecido por 1000 horas em névoa salina

FIGURA 5 - Espectro de infravermelho do isoladores depolietileno, novos e envelhecidos por 1000 horas em névoasalina.

TABELA 3

Absorbâncias Relativas de Grupos Presentes em Espectros deInfravermelho de Isoladores de Silicone

Isolador Absorbância relativa

S1 novo 0,40 1,04 0,40

S1 envelhecido 0,29 0,84 0,14

TABELA 4

Absorbâncias Relativas de Grupos Presentes em Espectros deInfravermelho de Isoladores de Epdm.

OI = ÍNDICE DE OXIDAÇÃO DO POLÍMERO.

ISOLADOR ABSORBÂNCIA RELATIVA

E novo 0,08 0,33

E envelhecida 0,30 0,33

TABELA 5

ABSORBÂNCIAS RELATIVAS DE GRUPOS PRESENTES EMESPECTROS DE INFRAVERMELHO DE ISOLADORES DEEPÒXI

Isolador

EPC EPCH

Novo 0,08 0,27

Envelhecido 0,54 0,45

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VI. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS

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[10] P. D. Blackmore et al., "Condition Assessment of EPDM CompositeInsulators using FTIR Spectroscopy", IEEE Transactions onDielectrics and Electrical Insulation, vol.5, pp.132-141, Feb 1998.

IV. CONCLUSÕES

• Envelhecimento em névoa salina por 1000 horas nãoprovocou erosão ou trilhamento aparentes nas amos-tras de isoladores;

• A observação ao MEV mostrou a ocorrência de erosãoa nível microscópico em todas as amostras;

• Em isoladores de silicone, houve recuperação pratica-mente total da hidrofobicidade;

• O isolador de EPDM sofreu perda considerável de hidrofo-bicidade, a julgar pela redução no ângulo de contato após oenvelhecimento, tornando sua superfície umectável;

• Os isoladores de polietileno, embora apresentando bai-xos ângulos de contato, não se tornaram umectáveis;

• A microerosão nos isoladores de epóxi provocou oafloramento de partículas de carga na superfície, tor-nando-os hidrofílicos. O epóxi cicloalifático hidrofóbicoapresentou recuperação maior da hidrofobicidade em

relação ao epóxi cicloalifático comum.

V. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à COELCE e ao LACTECpelo apoio financeiro e infra-estrutura durante a reali-

zação deste trabalho.

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Considerações sobre Análise e Modelagem deBarragens de Enrocamento com Face de Concreto

H.L.L. Hovere, UFSC, D. Pacheco, Leme Engenharia Ltda, P. R. Senem, Leme Engenharia Ltda., D.D.Loriggio, UFSC, A. Watzko, Leme Engenharia Ltda e J. S. B. Stramandinoli, UFSC

RESUMO

As barragens de enrocamento com face de concreto têm sido muitoutilizadas no Brasil e no mundo. Os critérios de projeto usadosainda são empíricos, baseados na experiência do comportamentogeotécnico. A utilização da análise numérica ainda tem uma im-portância relativamente pequena no projeto como um todo.

Este trabalho apresenta uma revisão dos modelos numéricos usa-dos atualmente no projeto dessas barragens, bem como modelosmais sofisticados que têm ficados restritos à área de pesquisa. Sãoapresentados modelos elásticolineares, modelos elásticos não line-ares, modelos com fases de construção, modelos para a simulaçãodo primeiro enchimento e modelos elasto-plásticos.

Os resultados das análises são muito sensíveis aos parâmetrosdos materiais utilizados nos modelos, portanto apresenta-setambém neste trabalho uma análise sobre a avaliação dos di-versos parâmetros dos materiais. A fase construtiva da barra-gem, devidamente instrumentada, tem sido valiosa na deter-minação dos parâmetros dos materiais.

Este trabalho pretende também apresentar uma análise crítica dosmodelos atuais, bem como propor melhorias para a área de proje-to. Espera-se contribuir para uma maior participação das análisesnuméricas em projeto, que pode resultar em uma otimização emvárias áreas, tal como no zoneamento do corpo da barragem.

PALAVRAS-CHAVE

Análise Numérica, Barragem, Enrocamento, Laje de concreto.

I. INTRODUÇÃO

Em face da praticidade, flexibilidade e competitividade

econômica, as barragens de enrocamento com face de con-creto têm sido muito utilizadas no Brasil e no mundo. Ape-

sar do enrocamento já ter sido utilizado em barragens desde

1880, estudos com embasamento científico são recentes eainda incapazes de definir critérios de zoneamento edimensionamento destas obras. As barragens deenroncamento com face de concreto são ainda hoje projetadas

empiricamente. A utilização da análise numérica ainda não éuma ferramenta usual para o desenvolvimento e dimensio-namento deste tipo e barragem.

Os modelos atualmente usados pelas empresas projetis-tas para este tipo de estruturas fazem, basicamente, uma aná-lise elástico-linear e alguns modelos levam em conta as fasesconstrutivas. Estes modelos são usualmente utilizados noacompanhamento das deformações, sendo o ajuste dosparâmetros baseado na instrumentação. Raramente os mode-los numéricos têm a função de desenvolvimento do projeto.

Um cuidado especial deve ser dado à determinação deparâmetros dos materiais usados nos modelos, devido à ex-trema sensibilidade das análises a esses parâmetros. Esta é aquestão mais delicada do processo de aceitação da análisenumérica para este tipo de estrutura. A instrumentação dasbarragens tem sido valiosa na determinação dos parâmetrosdos materiais e na calibração dos modelos durante as análisesde acompanhamento. Há a necessidade do desenvolvimentode ensaios capazes de determinar de maneira representativaos parâmetros dos materiais de enrocamento para que se pos-sa valer da análise numérica para projeto.

Já existem vários modelos propostos que utilizam aná-lises não lineares, mas que ficam restritos ao meio acadê-mico e de pesquisa. A necessidade de um maior número deparâmetros para essas análises, associada ainda às dificul-dades de sua obtenção, tem sido um dos motivos para anão utilização prática desses modelos.

A laje de concreto de montante tem sido objeto de estu-do, uma vez que os critérios de dimensionamento dessas pe-ças devem ser atualizados. Nesse caso a análise conjunta dalaje com o enrocamento é importante para a obtenção dosesforços solicitantes na laje.

Estudos na área da modelagem da barragem são impor-tantes para contribuir com uma maior participação das análisesnuméricas em projeto, que pode resultar em otimização emvárias áreas, tal como no zoneamento do corpo da barragem.

II. COMPORTAMENTO DAS BARRAGENS

No período construtivo as deformações no centro dabarragem são principalmente verticais devido ao estado decompressão confinada. Próximo dos taludes de montantee de jusante as deformações iniciais são principalmente ver-ticais, porém, com o peso próprio do aterro, o incrementodo movimento lateral torna-se significante.

Durante o período construtivo ocorrem deformações deassentamento e recalques significativos. Os deslocamentoshorizontais se caracterizam por apresentarem uma deforma-ção dos espaldares para o centro da estrutura na metade su-perior da barragem, provocando um estreitamento,

Os autores agradecem à Tractebel Energia pelo apoio e o financiamento dapesquisa “Análise do Comportamento das Lajes de Concreto Armado nasBarragens de Enrocamento com Face de Concreto” cujos resultados sãoapresentados parcialmente neste artigo.

H.L.L. Rovere , Ph.D., professora adjunto do Departamento de EngenhariaCivil da UFSC (e-mail: [email protected]).

D. Pacheco, engenheira da Leme Engenharia Ltda (e-mail:[email protected]).

P. R. Senem, mestre, engenheiro civil da Leme Engenharia Ltda (e-mail:[email protected]).

D.D. Loriggio, doutor, professor titular do Departamento de Engenharia Civilda UFSC (e-mail: [email protected]).

A.Watzko, engenheiro da Leme Engenharia Ltda (e-mail:[email protected]).

J.S.B. Stramandinoli, mestre em Engenharia Civil e aluna do doutorado noPPGEC/UFSC (e-mail: [email protected]).

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TABELA 1

DESLOCAMENTOS OBSERVADOS (PENMAN, 1982)

FIGURA 1- Deformação perpendicular à laje.

observados em diversas barragens mostram que estas setornam mais rígidas. As tensões no interior da barragem semodificam, e em muitas zonas ocorre um alívio de tensões,sujeito a recarga em níveis mais elevados do N.A do reser-vatório. No caso de barragens de enrocamento com facede concreto há uma recompressão de enrocamentos após afase de construção, devido à sobrecarga resultante do en-chimento do reservatório.

Na figura 1 apresenta-se um exemplo dos deslocamen-tos, em centímetros, perpendiculares à face da laje de concretode montante durante o período de enchimento de uma barra-gem de enrocamento com face de concreto de 126 m de altura.

A capacidade de estabelecer deslocamentosadmissíveis ainda é limitada, e não há dados suficientes parase afirmar que uma determinada barragem será segura seos deslocamentos verticais e horizontais se limitarem a umaporcentagem de sua altura, largura, espessura ou qualqueroutra dimensão de referência.

A tabela 1 mostra dados de deslocamentos horizon-tais observados em barragens. É interessante mencionarque a Barragem de Muirhead rompeu.

enquanto que a metade inferior se movimenta em sentidooposto, provocando uma abertura da base. Já durante operíodo de enchimento o carregamento hidráulico sobre otalude de montante influencia no deslocamento da barra-gem, principalmente no talude de montante, onde o senti-do do deslocamento na parte inferior deste talude é modi-ficado. Isto pode ser verificado com dados deinstrumentação de barragens.

Muito próximo aos taludes de montante e jusante omaterial está sujeito às maiores mudanças, principalmenteem relação à tensão e à direção da tensão principal, devidoà ausência de confinamento.

O máximo deslocamento vertical ocorre próximo ameia altura da barragem, devido a uma combinação favo-rável entre a camada subjacente e a pressão devida ao ater-ro sobrejacente. As camadas inferiores, embora sujeitas aelevadas pressões verticais, são de menor espessura erecalcam menos. Já no trecho superior as pressões são pe-quenas, apesar da grande espessura acumulada, e osrecalques são também menores.

Durante o período de enchimento, os movimentos

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Uma maior atenção é dispensada para os problemas

relacionados à face de concreto cujo comportamento de-

pende fortemente das características de deformabilidade

do aterro de enrocamento, principalmente no talude de

montante. Com isto procura-se de diversas maneiras de-

terminar parâmetros de deformabilidade que possam, de

alguma forma, traduzir tendências de aparecimento de de-

formações importantes em regiões críticas do aterro.

Estatísticas mais recentes de acidentes em barragens

de enrocamento indicam que o deslizamento de superfícies

cinematicamente viáveis não ultrapassa 3% do número total

de acidentes. São os mecanismos relacionados com a

deformabilidade dos materiais que têm conduzido a maiores

problemas, nomeadamente devido à interação entre o nú-

cleo de argila e os maciços estabilizadores, bem como a pas-

sagem de água pelas cortinas do paramento de montante.

Barragens de enrocamento com face de concreto

(BEFC) são ainda projetadas empiricamente, usando con-

ceitos "guiados por experiência prática e não teórica" [24].

O uso de modelos numéricos está na maioria dos casos

limitado para análise elástica, para predizer deslocamentos

da barragem quando no primeiro enchimento e para

monitorar seu comportamento ao longo de sua vida.

III. MODELOS DE PROJETOS ATUAIS

A. Modelos Elásticos LinearesOs modelos elástico-lineares, por sua simplicidade,

ainda são os mais utilizados pelos projetistas. Costuma-se

admitir também que o material é isotrópico e neste caso as

leis constitutivas ficam definidas por apenas dois parâmetros

elásticos: o módulo de Young E e o coeficiente de Poisson.

O módulo de Young pode ser obtido a partir de um ensaio

de compressão uniaxial em laboratório.

A referência [21] foi um dos primeiros a relatar como

desvantagem da utilização de modelos elástico-lineares na

análise de barragens de enrocamento o aparecimento (que

na realidade não ocorre) de elevadas concentrações de ten-

sões, em virtude das quais surgem zonas de tração no ma-

ciço. Estas já não se verificam quando se usam modelos de

elasticidade variável [20].

A referência [20] concluiu que a determinação ex-

perimental dos valores dos parâmetros das equações

constitutivas é um dos fatores que mais influencia a

qualidade das previsões e que os cálculos elásticos li-

neares têm freqüentemente conduzido a melhores re-

sultados do que os baseados em equações constitutivas

mais complexas.

Os modelos elásticos lineares para análise durante a

fase de enchimento, não capturam os principais mecanis-

mos de deformação de aterros de enrocamento, tais como:

não linearidade, rotação de eixos principais de tensão, des-

carregamento, dependência do nível de tensões.

B. Modelos Elásticos Não-LinearesOs modelos de elasticidade variável têm sido muito

utilizados para descrever o comportamento dos solos.

Na interpretação matemática dos resultados dos en-

saios laboratoriais, recorre-se a leis constitutivas do tipo

elasticidade variável. Estas leis, que permitem a simulação

do comportamento do material com um elevado grau de

aproximação, têm sido também as mais utilizadas em aná-

lises de barragens de enrocamento.

Estes modelos são mais precisos do que os modelos

elástico-lineares, além de mais fáceis de serem implemen-

tados computacionalmente do que os modelos

elastoplásticos.

Dentre estes modelos destaca-se o modelo hiperbólico

que tem a capacidade de incorporar trajetórias de descarre-

gamento (fundamental na análise de enchimento) e modela

o comportamento não linear da curva tensão deformação.

Este modelo é do tipo incremental, isotrópico e elás-

tico com dois módulos elásticos, módulo de Young e

módulo de variação volumétrica que variam com o nível

de tensão cisalhante e de tensão confinante.

C. Modelos com Fases de Construção e EnchimentoNa referência [6] foi demonstrada a necessidade da

utilização do cálculo incremental na aplicação de cargas de

modo a simular a seqüência da construção do aterro por

camadas. Eles compararam duas análises: uma com aplica-

ção de cargas de uma só vez e outra com uma análise

incremental constituídas por dez camadas. No cálculo

incremental obtiveram-se os maiores assentamentos a meia

altura da barragem, sendo nulos no coroamento e na base.

Esta distribuição é bastante aproximada a dos valores reais

medidos nas barragens de aterro. No entanto, no cálculo

realizado considerando todas as camadas de uma só vez,

obtiveram-se assentamentos máximos no coroamento da

barragem e nulos na base, enquanto que os deslocamentos

horizontais eram bastante aproximados nas duas hipóteses

de cálculo.

Eles também verificaram que na análise de uma barra-

gem homogênea, os valores dos assentamentos eram mui-

to aproximados do real quando se admite um número de

camadas entre sete ou catorze. Este fator simplifica consi-

deravelmente a modelagem, não sendo necessária

implementar todas as camadas construtivas, diminuindo

assim o tempo de resolução e a capacidade necessária de

memória do computador.

A medição de deslocamentos em um aterro é rea-

lizada instalando-se os medidores dentro do maciço à

medida que se constrói o aterro. Para simular esta si-

tuação é necessário um procedimento de cálculo

incremental, [6], no qual seguidamente são adiciona-

das novas camadas. Os deslocamentos são medidos a

partir do momento em que a camada onde o medidor

está instalado for construída.

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Para evitar que deslocamentos de pontos sejam so-

mados repetidamente, deve-se adotar a seguinte rotina:

• cada camada nova deve ser processada como se somen-te ela tivesse peso próprio e o restante do aterro tivesse

peso especifico igual a zero;• no final, quando todos os deslocamentos das diversas

fases são somados, um ponto no meio da barragem terárecalcado somente devido a ação do peso próprio da

camadas que foram construídas.

Como já foi dito anteriormente, não se utiliza no mo-

delo para simulação da construção por etapas o mesmonúmero de camadas construtivas. Isto porém gera alguns

problemas, pois se for adicionada ao modelo uma camadaespessa, com rigidez igual a do resto da barragem, esta

camada passará a funcionar como uma "viga", com distri-buição de tensões peculiar e longe da realidade.

A forma que se utiliza para simular a construção dascamadas de compactação é: a cada etapa adiciona-se uma

camada, de baixo para cima. Considera-se na etapa (i) quea camada (i) tem peso próprio e as camadas inferiores não

tem peso, conforme ilustra a figura 2. No final somam-se

os deslocamentos nodais de todas as etapas.

FIGURA 2 - Análise Incremental Considerando Camadasconstrutivas: Etapa (i)

Na referência [13] recomenda-se, ainda, que se divi-da por 4 o módulo de elasticidade da camada (i), na etapa

(i), para simular o fato que esta camada é menos rígida queas demais, por ainda não estar bem compactada. Neste tra-

balho não adotou-se este procedimento.

D. Simulação do Primeiro EnchimentoApós a construção, existem três fases de interesse para

o cálculo em MEF:

• primeiro enchimento;• operação em fluxo continuo;

• rebaixamento rápido.

Uma das fases mais críticas é a situação de primei-ro enchimento pois verifica-se um apreciável acréscimo

das cargas aplicadas às estruturas num período relativa-

mente curto. No caso de barragens com face de concre-to a montante, a carga hidrostática da água age direta-

mente na face de montante, condição mais simples deser modelada, comparada a de uma barragem de

enrocamento com núcleo de argila.Se a fundação for compressível, poderá ser incorpo-

rada sob uma das três formas:

• fundação impermeável (figura 3);

• fundação permeável inicialmente seca, com uma cortinaimpermeável (figura 4);

• fundação permeável inicialmente saturada e com cortinaimpermeável (figura 5).

FIGURA 3 - Fundação Impermeável, [3]

FIGURA 4 - Fundação Permeável Inicialmente Seca, [3]

FIGURA 5 - Fundação Permeável Inicialmente Saturada, [3]

E. Modelos Elasto-PlásticosNas etapas iniciais dos cálculos numéricos de barra-

gens de enrocamento tem-se recomendado e utilizado mo-

delos elástico-lineares, enquanto que no caso de estudosparamétricos tem-se utilizado os modelos elasto-plásticos.

Já o modelo hiperbólico [4], tem sido o mais utilizado nasanálises de determinação dos deslocamentos e tensões de

barragens de enrocamento. Uma das vantagens dos mode-los elasto-plásticos em relação ao modelo hiperbólico é a

possibilidade de se conhecer a cada instante de aplicaçãode cargas o valor das deformações plásticas, não apenas

quando as cargas são aliviadas. Além disso, ele necessitade apenas dois parâmetros enquanto que o modelo

hiperbólico necessita de sete ou mais.

F. Outros Modelos (Modelo Barragem + Laje)O comportamento na interface entre a laje de concre-

to de montante e o enrocamento é bastante complexo. No

método dos elementos finitos convencional, a compatibili-dade das deformações impostas ao longo da interface ten-

de a majorar os efeitos da transferência de cargas. Diferen-tes autores têm desenvolvido elementos especiais, chama-

dos de interface ou de junta para levar em conta a ocorrên-

cia de movimentos relativos entre esses dois materiais.Como exemplo, pode-se citar a análise das movimenta-

ções diferenciais entre a face e o maciço realizada para a barra-gem de Xingó, onde o modelo constitutivo utilizado para a

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descrição do comportamento mecânico do enrocamento e do

contato foi hiperbólico não linear e, para o concreto, o modelo

constitutivo adotado foi o elástico-linear.

IV. PARÂMETROS DOS MATERIAIS

No cálculo de barragens, a caracterização dos materi-

ais é um dos grandes problemas, pois o solo ou oenrocamento, além de heterogêneos, têm comportamento

reológico muito diferente do aço, por exemplo, surgindoainda a dificuldade de aproximar o seu comportamento por

uma lei constitutiva adequada.

Na referência [13] apresentou-se as seguintes observações:A obtenção de parâmetros dos materiais deve ser

pesquisada a partir de:1. dados observados de obras semelhantes,

2. ensaios de laboratório,3. retroanálises de protótipos instrumentados incluindo

aterros experimentais;4. retroanálises baseadas nos primeiros estágios da cons-

trução da obra, quando análises são feitas concomitantescom a construção.

As opções 3 e 4 devem resultar nos parâmetros maisrealistas. A opção 1 pode ficar prejudicada porque rara-

mente duas barragens são iguais, ou executadas com osmesmos materiais, e por isso recorre-se a opção 2, ou seja,

obter dados de ensaios em laboratório.Um dos requisitos é que os ensaios reproduzam a tra-

jetória de tensões de campo, ainda que de forma aproxi-mada. O uso do ensaio edométrico para a obtenção dos

parâmetros de rigidez para as etapas de construção é ade-

quado, porque a tensão radial que se desenvolve é seme-lhante à trajetória de campo.

Resultados de ensaios e de instrumentação de aterrosmostram que o enrocamento apresenta uma curva tensão

deformação não linear e dependente do nível de tensão.Dados de literatura mostram que a compressibilidade de

um enrocamento é fortemente relacionada com suas ca-racterísticas físicas tais como coeficiente de uniformidade,

forma dos grãos, porosidade bem como a resistência indi-vidual do bloco de rocha.

A compressibilidade de um material essencialmente

granular é extremamente dependente das dimensões daspartículas. Como é pratica comum remover as partículas

maiores em ensaios de laboratório devido às limitações deequipamentos, torna-se necessário corrigir os parâmetros

obtidos em laboratório para levar em consideração as di-mensões reais do enrocamento. Para isso utiliza-se um fa-

tor de correção que depende da relação entre o diâmetromáximo ensaiado e o de campo [25].

O fator que parece mais se refletir na qualidade dasanálises efetuadas é o método de determinação dos

parâmetros das leis constitutivas.

Na referência [9] é acentuada a importância das traje-

tórias de tensão e conseqüentemente da modalidade de en-saio na determinação das características mecânicas dos so-los. Observou-se, em [14], que nos aterros de enrocamentosé muito variado o tipo de trajetórias de tensão embora, emtermos médios, se caracterizem para a fase de construção,por um apreciável acréscimo de tensão média com ligeirosdesvios da relação entre as tensões principais (comporta-mento aproximado dos ensaios de compressãounidimensional). Concluiu-se ainda [14], usando um modeloelástico linear (módulo de compressibilidade equivalente), quese obtêm razoáveis previsões para as deformações a partirdos parâmetros obtidos de ensaios de compressãounidimensional ou mesmo quando os enrocamentos são en-saiados em compressão triaxial com relações 3/ 1 próximasdo coeficiente de impulso em repouso (variando de 0,25 a 1),ou ainda quando submetidos a estados ativos ou passivosdesde que não se atinja situações próximas de ruptura.

Foi reforçado em [22] também a importância da mo-dalidade de ensaio na determinação dos parâmetros de aná-lise tensão-deformação de barragens de aterro.

Em qualquer previsão de deslocamentos verticais embarragens e suas fundações, é necessário considerarmódulos de deformabilidade variáveis com o estado de ten-sões. Análises que consideram um único módulo dedeformabilidade estão fadadas a erros grosseiros.

Foi apresentado em [17] uma metodologia para de-terminar indiretamente parâmetros da curva tensão defor-mação baseada nas características físicas e mecânicas demateriais de enrocamento, usando-se a experiência paraestabelecimento de faixas de variação.

Define-se módulo como sendo a relação entre tensãoe a deformação resultante. O módulo é relacionado com osistema mecânico, isto é, com a maneira em que as tensõesestão sendo aplicadas e com o grau de liberdade das defor-mações resultantes [9].

O módulo de Young é determinado através do carre-gamento uniaxial com deformações laterais livres e é dadopela razão entre a tensão vertical e deformação vertical.Por sua vez o módulo cisalhante G é determinado a partirde sistemas onde apenas deformações e tensões cisalhantesestão atuando.

Em estado de compressão isotrópica a relação tensãodeformação é descrita pelo módulo de deformaçãovolumétrica B. Em caso de confinamento lateral obtém-seo módulo unidimensional Mv. Este último é o único quepode ser obtido em instrumentação de recalques emenrocamento, em alguns pontos estratégicos onde as de-formações laterais são nulas.

Na referência [14] sugere-se dividir a seção transver-sal da barragem em fatias e usar um módulo de deforma-ção unidimensional correspondente à altura de cada fatia.Com isto pode-se traçar uma curva módulo unidimensionalversus altura de cada fatia. Esta metodologia fornece valo-res razoáveis somente para a fase de construção em locais

próximos ao eixo de simetria.

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Na figura 7 apresenta-se o gráfico comparativo das

diversas análises. Observa-se que, considerando-se apenas

1 camada construtiva, obtém-se o deslocamento verticalmáximo (em módulo) no topo da barragem e à medida que

se aumenta o número de camadas diminui o valor do des-locamento máximo e sua ocorrência desloca-se para o cen-

tro da barragem. A diferença relativa entre o deslocamen-to máximo obtido entre a análise com 1 e com 10 camadas

é de 74,1% e entre a análise com 5 e 10 camadas é deapenas 15,1%. Nota-se também do gráfico que as curvas

das análises com 5 e 10 camadas se aproximam, mostran-

do que há uma tendência de convergência. Estes resulta-dos estão de acordo com os obtidos por [2] e também por

CLOUGH & WOODWARD apud [2], além de estar deacordo com as observações feitas em [6].

Efeito do número de camadas

0.000

3.048

6.096

9.144

12.192

15.240

18.288

21.336

24.384

27.432

30.480

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

Deslocamento vertical (em módulo) no centro da barragem (m)

Altu

ra e

m r

elaç

ãoà

base

da

barr

agem

(m

)10 camadas

5 camadas

2 camadas

1 camada

FIGURA 7 - Efeito do no de camadas no deslocamento verticalda barragem (linha central ).

VI. EXEMPLO - ESTUDO DABARRAGEM DE ITÁ

A. Análises Considerando as Camadas ConstrutivasPrimeiramente foi feita uma análise elástico-linear de

um modelo simplificado da barragem de Itá, considerandoapenas uma camada construtiva.

Entretanto, baseando-se nos resultados obtidos noitem anterior, foi feita uma segunda análise, similar à pri-

meira, porém considerando o caso de carregamento de

alteamento dividido em 10 camadas construtivas.As análises foram feitas no programa GEFDYN, sen-

do que para o caso de carregamento dividido em camadasconstrutivas, o programa possibilita o cálculo incremental

com um determinado número de camadas (neste caso 10)automaticamente. Outros programas para realizar estes cál-

culos por etapas necessitam que o usuário faça um proce-dimento de cálculo incremental.

Ao comparar as duas análises (uma com aplicação decargas de uma só vez e outra com uma análise incremental

constituídas por dez camadas) obteve-se uma diferença sig-

nificativa nos resultados, conforme o esperado.As figuras 8 e 9 ilustram os deslocamentos horizon-

tais e verticais (curvas de isovalores), respectivamente,obtidos da análise considerando uma etapa construtiva.

Durante o período de enchimento, os movimentos

observados em diversas barragens mostram que estas se

tornam mais rígidas, fazendo com que os módulos obtidosdurante o período de construção não representem o com-

portamento do material durante esta fase da obra. Baseadona deflexão da membrana a montante [23] notou que o

módulo obtido durante o período de enchimento, era daordem de 3 a 4 vezes o módulo de construção. Ele deno-

mina este módulo de módulo de elasticidade transversal. Areferência [26] cita que tal comportamento ocorre devido

a tensões de pré-compressão induzidas pela compactação.

O módulo de enchimento é dado por:

f

hdW

∆=ΕΕ

γ (1)

onde γW

é o peso específico da água.De acordo com [12] o fato do aumento das deforma-

ções do período de enchimento ocorrer quando são atingi-dos os últimos metros do nível do reservatório, pode estar

ligado às variações do estado de tensão que ocorre duran-te a mudança do carregamento gravitacional para o carre-

gamento hidráulico (rotação dos eixos principais).

V. ANÁLISE DO EFEITO DO NÚMERO DECAMADAS CONSTRUTIVAS

Para investigar o efeito do número de etapas ou cama-das no caso de carregamento de alteamento, adotou-se um

modelo simplificado de barragem de enrocamento confor-me utilizado [2], ilustrado na figura 6. A barragem tem 160

m de base e 30,48 m de altura e foi analisada pelo programa

SAP2000. Devido à simetria em relação ao eixo vertical cen-tral da barragem, modelou-se apenas a metade da esquerda,

colocando-se apoios pertinentes. Foram utilizados elementosde estado plano de deformação, isoparamétricos, quadriláte-

ros de 4 nós e triangulares de 3 nós. Considerou-se a barra-gem construída com material homogêneo com as seguintes

propriedades: módulo de elasticidade E = 70 MPa, coeficien-te de Poisson ν = 0,3 e peso específico w = 25 kN/m3. Foram

efetuadas análises elástico-linear de elementos finitos utili-zando-se o programa SAP 2000 (1997), considerando-se:

a) 1 camada; b) 2 camadas; c) 5 camadas e d) 10 camadas

construtivas, utilizando-se o procedimento descrito no item3.3. A comparação das diversas análises é feita em termos

de deslocamentos verticais (em módulo) ao longo da altura,na linha central da barragem.

FIGURA 6 - Malha utilizada no estudo do no de camadas-SAP2000.

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Com relação aos deslocamentos verticais, observa-se

das figuras 9 e 11 que para 1 camada construtiva o deslo-

camento máximo (em módulo) é obtido no topo da barra-

gem (≈4,90m) e vai diminuindo ao longo da altura até a

base da barragem, enquanto que para 10 camadas constru-

tivas o deslocamento máximo (em módulo) ocorre no cen-

tro da barragem, a meia-altura (≈2,20m). Estes resultados

estão de acordo com os obtidos nas análises do item ante-

rior (ver figura 7) e com os obtidos por outros autores.

Também houve diferenças nas análises com relação

aos deslocamentos horizontais, tanto no que se refere à

distribuição como aos valores máximos. Observa-se da fi-

gura 10 que no topo da barragem os deslocamentos são

positivos, indicando uma tendência de deslocamento de

montante para jusante, enquanto na parte inferior à mon-

tante os deslocamentos são negativos, indicando a tendên-

cia de movimento oposto. Estes resultados estão de acor-

do com observações experimentais, discutidas anteriormen-

te no item 2.

Pode-se concluir portanto que é primordial em análi-

se de barragens de enrocamento considerar as camadas

construtivas no carregamento de alteamento.

B. Análises Considerando o Carregamento deEnchimento

As análises realizadas para o caso de enchimento fo-

ram feitas através do programa SAP2000, considerando-

se dois modelos diferentes:

• Carga de enchimento aplicada diretamente sobre o ma-

ciço (sem inclusão da laje);

• Carga de enchimento aplicada sobre a laje de concreto.

No primeiro caso foi considerada a carga de enchi-

mento como aplicada diretamente sobre o enrocamento,

sem o intermédio da laje. Neste modelo os módulos de

elasticidade dos materiais do maciço têm seus valores do-

brados e os coeficientes de Poisson diminuídos em 1/3, de

acordo com [3] e [17]. Para análise do carregamento de

enchimento foi utilizada uma malha composta de elemen-

tos retangulares de 4 nós e elementos triangulares de 3 nós

que são perfeitamente compatíveis. A Malha está mostra-

da na Figura 12.

FIGURA 9 - Resultados da análise considerando 1 etapaconstrutiva (Deslocamento vertical).

As figuras 10 e 11 ilustram os deslocamentos hori-

zontais e verticais (curvas de isovalores), respectivamen-te, obtidos da análise considerando 10 etapas construtivas.

FIGURA 8 - Resultados da análise considerando 1 etapaconstrutiva (Deslocamento horizontal).

FIGURA 11 - Resultados da análise considerando 10 etapasconstrutivas (Deslocamento vertical).

FIGURA 10 - Resultados da análise considerando 10 etapasconstrutivas (Deslocamento horizontal).

FIGURA 12 - Deformada da barragem(sem laje) quandosujeita ao enchimento.

Deslocamento vertical máximo (m) = -0,583Deslocamento horizontal máximo (m) = 0,509

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VII. ANÁLISE CRÍTICA DOS MODELOS DEANÁLISE DAS BARRAGENS

Em função da revisão bibliográfica, pode-se perceberque a utilização de critérios empíricos ainda prevalece no

projeto das barragens BEFC. Esses critérios são baseadosna experiência prática, com uma visão profunda do com-

portamento geotécnico do enrocamento. Recentemente, aanálise através de métodos numéricos vem ganhando im-

portância e fornecendo resultados que melhoraram signifi-cativamente os conhecimentos sobre o comportamento

dessas estruturas.

O enrocamento é considerado como o responsável pelaestabilidade global da barragem, mesmo que haja passagem

de uma certa vazão de água através dele, enquanto que alaje é considerada apenas como um elemento de vedação.

Entretanto, se a laje vai ser estudada não mais comoum elemento de vedação e sim como um elemento estrutu-

ral, é necessário que se tenha um conhecimento adequadodos deslocamentos sofridos pela barragem, aos quais a laje

vai ter que se adaptar e também dos esforços aos quais elavai estar submetida. Esses deslocamentos e esforços de-

vem ser conhecidos antes da execução da laje e, portanto,

devem ser estimados através de uma análise numérica.Os modelos numéricos utilizados nas análises das bar-

ragens pelas empresas projetistas ainda são, na grandemaioria dos casos, modelos elásticos ou modelos simplifi-

cados de elasticidade variável. Em alguns casos está sendoincluído o efeito da construção por fases.

Os modelos mais importantes foram elaborados de-pois da construção das barragens, de modo a utilizar valo-

res dos materiais obtidos através de ensaios, e principal-

mente os valores obtidos através de instrumentação parafazer a calibração desses modelos. Devido à grande sensi-

bilidade dos resultados em função dos parâmetros dosmateriais, os modelos mais sofisticados tem ficado restri-

tos à área de pesquisa.Em geral os modelos utilizados atualmente não levam

em consideração o comportamento conjunto da laje de con-creto. Acredita-se que a laje é muito flexível para influen-

ciar os deslocamentos da barragem. Mesmo que a afirma-ção anterior seja verdadeira, o estudo do comportamento

conjunto é essencial para a determinação dos esforços

solicitantes da laje, principalmente os esforços normais (tra-ção e compressão). Nesse sentido é de grande importância

a representação adequada do contato entre a laje e oenrocamento.

No segundo caso a carga foi considerada aplicada na

laje, sendo essa discretizada através de elementos de barra.

TABELA 2 Deslocamentos do enrocamento com inclusão da laje e seminclusão da mesma

Carga de Enchimento Sem Laje Com Laje

Desl. Horizontal(m) 0,583 0,466

Desl. Vertical (m) 0,509 0,505

Comparando-se os resultados da tabela 2, observa-se que os valores obtidos considerando-se a laje resulta-

ram em deslocamentos menores com a análise sem a laje.Isto provavelmente ocorre pela característica de maior

rigidez do material concreto comparado com oenrocamento, e esta pequena diferença obtida nos valo-

res deve-se à espessura da laje ser significativamente me-

nor que as demais zonas.As figuras 13 e 14 mostram, respectivamente, os dia-

gramas de momentos fletores e esforços normais na lajequando sujeita à carga de enchimento.

FIGURA 13 - Diagrama de momentos fletores na lajeconsiderando a carga de enchimento.

FIGURA 14 - Diagrama de esforços normais na laje conside-rando a carga de enchimento.

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VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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RESUMO

O silício é o material normalmente empregado na construçãode células fotovoltaicas, que convertem a luz solar em energiaelétrica. Para que o silício seja usado com este fim, ele devepossuir impurezas com limites baixíssimos, da ordem de ppba(parte por bilhão atômico).

Após dezenas de tentativas, constatou-se que somente os mé-todos químicos podem levar a uma pureza tão grande. O pro-cesso de purificação do silício inclui as etapas: redução doquartzo em silício metalúrgico; a cloração do silício; a purifi-cação dos clorosilanos gerados e a produção do silíciohiperpuro pela redução dos clorosilanos. O presente trabalhoprevê o desenvolvimento das primeiras etapas de cloração dosilício metalúrgico e purificação dos clorosilanos com alto ren-dimento, pureza e um custo competitivo, pela aplicação detécnicas ambientalmente seguras.

PALAVRAS-CHAVES

Clorosilanos, energia solar, conversão fotovoltaica, silício,cloração.

INTRODUÇÃO

Nos ritmos atuais de consumo, as reservas de petró-

leo e gás natural poderão se esgotar num tempo variávelnas próximas décadas. Toda esta conjuntura aponta para

que, dentro em breve, a humanidade irá ter uma séria criseenergética nas mãos (DEE, 1998).

A energia solar é uma fonte de energia com potencialsuficiente para suprir as necessidades da humanidade, so-

bretudo por ser uma fonte de energia limpa e gratuita que a

natureza oferece, constituindo-se na forma mais promisso-ra das energias não convencionais.

Com o desenvolvimento do programa espacial, as cé-lulas fotovoltaicas construídas à base de silício tiveram um

rápido desenvolvimento. Devido a segurança e longa vidaútil, tornaram-se a principal escolha na alimentação dos

satélites. No início dos anos 70, com a crise do petróleo,fez com que o mundo começasse a investir mais em ener-

gia renovável, em particular a fotovoltaica.

Células fotovoltaicas são dispositivos que convertema radiação solar em energia elétrica. A energia elétrica pro-

duzida, na forma de corrente contínua, pode ser converti-da em corrente alternada ou ser armazenada em baterias

para uso futuro. Não contêm partes móveis, sãoambientalmente corretas e apresentam desempenho supe-

rior a 20 anos, podendo serem usadas em qualquer parte

do mundo, mesmo com baixa ensolação (DEE, 1998).

FIGURA1 - Esquema de uma célula fotovoltaica

O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomosse caracterizam por possuirem quatro elétrons de ligação

que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina.Ao adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação,

como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em ex-cesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "so-

brando", fracamente ligado a seu átomo de origem. Istofaz com que, com pouca energia térmica, este elétron se

livre, indo para a banda de condução. Diz-se assim, que ofósforo é um dopante doador de elétrons e denomina-se

dopante n ou impureza n.

Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenastrês elétrons de ligação, como é o caso do boro, haverá uma

falta de um elétron para satisfazer as ligações com os áto-mos de silício da rede. Esta falta de elétron é denominada

buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca energia térmica,um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição,

fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se portanto,que o boro é um aceitador de elétrons ou um dopante p.

Se, partindo de um silício puro, forem introduzidosátomos de boro em uma metade e de fósforo na outra, será

formado o que se chama junção pn. O que ocorre nesta

junção é que elétrons livres do lado n passam ao lado ponde encontram os buracos que os capturam; isto faz com

que haja um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-onegativamente carregado e uma redução de elétrons do lado

n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisio-nadas dão origem a um campo elétrico permanente que

dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o lado

Desenvolvimento de Insumos para Utilizaçãona Fabricação de Células Solares

F.A.Madeira (1); C.G. Fonseca (2); D.S.Franco(3); S.Araújo(4); T.B.Almeida(5); J.R.T.Branco (6);A.S.A.C.Diniz(7) - Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais / Setor de Materiais Ópticos e Eletrônicos

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Se uma junção pn for exposta a fótons com energia

maior que o gap, ocorrerá a geração de pares elétron-lacu-na; se isto acontecer na região onde o campo elétrico é

diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando as-

sim, uma corrente através da junção; este deslocamento decargas dá origem a uma diferença de potencial ao qual cha-

mamos de Efeito Fotovoltaico. Se as duas extremidadesdo "pedaço" de silício forem conectadas por um fio, have-

rá uma circulação de elétrons. Esta é a base do funciona-mento das células fotovoltaicas.

O material mais amplamente usado para realizara con-versão é o silício nas formas amorfa, poli e monocristalina.

A produção do silício para essa finalidade envolve a rea-ção entre o silício grau metalúrgico e o cloreto de hidrogê-

nio anidro leva à formação dos clorosilanos, na primeira

etapa. Desde 1999, o CETEC, através de recursos daCEMIG/ANEEL, vem desenvolvendo um projeto de pes-

quisa para a produção de células fotovoltaicas de baixocusto pela rota clorosilanos (MADEIRA, 2002).

Foram investigadas as condições operacionais (va-zão, pressão, temperatura, composição química,

granulometria, etc.) para a obtenção de clorosilanos comalto rendimento. Estes foram separados e purificados,

com ênfase para o triclorosilano (SiHCl3) e tetracloreto

de silício, por destilação fracionada. Técnicas auxiliaresde purificação foram investigadas, tais como a

ultrafiltração, a fotocloração e quelação, entre outras.Estes materiais foram caracterizados quimicamente e

posteriormente reduzidos a silício hiper puro.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

As células fotovoltaicas já são utilizadas desde a

metade do século passado para algumas aplicações es-pecíficas, tais como suprimento de energia para satéli-

tes e alguns equipamentos eletrônicos. Nas últimas dé-

cadas sua utilização para fins gerais tem aumentado con-

sideravelmente. Os painéis montados com células sola-

res têm grandes aplicações em regiões remotas, onde

não há linhas de transmissão de energia elétrica conven-

cional, ou para sistemas portáteis. A disseminação do

uso dessa tecnologia para uma quantidade maior de usuá-

rios esbarra no custo elevado dos painéis e ainda na pou-

ca eficiência de conversão de energia. No mundo intei-

ro, vários grupos de pesquisa têm se dedicado ao de-

senvolvimento de tecnologias capazes de baratear o custo

das células solares e melhorar a eficiência das mesmas.

A eficiência, que nos primórdios da tecnologia era de

4% da radiação solar incidente, alcança hoje até 22 ou

24% em células produzidas nos laboratórios, enquanto

que os painéis solares produzidos industrialmente pos-

suem eficiências de 12 a 17,5% (Green, 1998). Afim de

baixar estes custos, as lâminas monocristalinas de silí-

cio vêm paulatinamente sendo substituídas por lâminas

policristalinas produzidas por solidificação ou por de-

posição química de vapor (CVD) de filmes delgados de

silício sobre substratos diversos. Em 1998 30% dos pa-

inéis solares já eram fabricados com células policristalinas

(Green, 1999).

Historicamente, os americanos, optaram pelo proces-

so iodosilanos, e os alemães, por outro lado, pelo proces-

so clorosilanos (processo Siemens) como intermediário para

a purificação do silício. O processo clorosilanos prevale-

ceu como o processo mais viável técnica e economicamen-

te, sendo o predominante atualmente (MADEIRA, 2001).

Depois, outros países industrializados como Japão, a

extinta URSS, França, etc., optaram pela tecnologia

"clorosilanos" ou derivações dessa, utilizando-se de inter-

câmbios técnico-financeiros com países detentores dessa

tecnologia e/ou de seus próprios centros de pesquisas (MA-

DEIRA, 2001).

METODOLOGIA

A fim de se obter o silício hiper puro necessário

para confecção de células fotovoltaicas, faz-se neces-

sária a purificação do silício grau metalúrgico. Isso se

dá através da cloração do silício obtendo, utilizando

controle de fluxo e temperatura, os clorosilanos que

são, posteriormente, purificados e então reduzidos ob-

tendo novamente o silício.

Síntese do Cloreto de HidrogênioO cloreto de hidrogênio pode ser obtido pelo aqueci-

mento do ácido clorídrico concentrado, sob agitação, e se-

car este ácido adicionando lentamente ácido sulfúrico. A

temperatura máxima permitida para o aquecimento (set-

point) é de 100ºC. A fim de controlar a temperatura foi uti-

lizado termopar tipo J e controlador proporcional + integral

+ derivativo - PID. Este método foi escolhido entre os mé-

todos encontrados na literatura por ser economicamenteviável, apresentar bons rendimentos e possuir baixa

periculosidade e gerar cloreto de hidrogênio com baixaumidade e alta pureza.

Síntese dos ClorosilanosA síntese dos clorosilanos, com ênfase no triclorosilano

é realizada através da reação entre o silício e o cloreto dehidrogênio a 350ºC. Para controlar a temperatura da rea-

ção também foi utilizado um sensor termopar tipo J comcontrolador proporcional+integral+derivativo - PID.Com

isso obtem-se uma mistura de clorosilanos com a seguintecomposição: 70% triclorosilano (SiHCl

3); 5% diclorosilano

(SiH2Cl

2); 5% clorosilano (SiH

3Cl) e 20% tetracloreto de

silício (SiCl4).

p; este processo alcança um equilíbrio quando o campo

elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons li-

vres remanescentes no lado n.

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Algumas características físico-químicas dos insumos

utilizados no presente trabalho são importantes para a com-

preensão do processo, a saber:

TABELA 1Propriedades Físico-químicas dos clorosilanos

Insumos p.e.(ºC) p.f. (ºC) d (g/cm3)

SiH3Cl -30.4 -118.0 1.145

SiH2Cl

28.3 -122.0 1.42

SiHCl3

31.8 -128.2 1.3313

SiCl4

56.8 -38.8 1.48

Fonte: Encyclopedia of Chemical Technology, 1981

Obtenção do TriclorosilanoO triclorosilano, como outros clorosilanos, é produ-

zido pela reação direta do cloreto de hidrogênio gasoso

com silício metálico em um reator aquecido. Este processo

produz o triclorosilano e o tetracloreto de silício. Otetracloreto de silício produzido, entretanto, pode ser

minimizado pelo controle das propriedades e temperaturada reação (OTHMER, 1981).

Obtenção do Tetracloreto de SilícioA produção de tetracloreto de silício, SiCl

4, tem

lugar num reator aquecido a 400ºC. Para o controle de

temperatura desta reação também utilizou-se termoparestipo K e um controlador PID com quatro entradas. O

reator é preenchido com silício metalúrgico com

granulometria média de 15mm, para que se formem ca-nais entre os interstícios do empacotamento para a pas-

sagem dos gases. Este reator conta com um sistema deaquecimento resistivo, que faz com que a temperatura

da carga presente no reator atinja a temperatura mínimaonde a reação tem início, bem como mantém a tempera-

tura após o início da reação.O gás reagente é o cloro gasoso. O fluxo desse gás é

controlado ainda na saída do cilindro por uma válvula re-guladora de pressão, donde ele segue por tubulação até o

medidor de fluxo.

Purificação dos ClorosilanosDevido ao seu baixo ponto de ebulição (32ºC), o

triclorosilano é purificado por destilação fracionada

(VERLAGS, 1985).Para remover impurezas como os cloretos de cálcio,

alumínio, titânio, cobre, magnésio, ferro, boro e fósforo, otriclorosilano pode ser tratado com agentes complexantes

como o ácido tioglicólico, β-naftilamina e sais de ácido

etilenodiaminotetraacético. Um produto extremamentepuro é obtido pela extração com CH

3CN. Outros métodos

de purificação incluem a adsorção de impurezas em colu-nas de sílica ativada, carbono ativado, troca iônica, espon-

ja de titânio ou por tratamento com acetais ou saishidratados que causam a hidrólise parcial das impurezas

(VERLAGS, 1985).

RESULTADOS

Controle de Processo:Cloração do Silício

Para o controle de temperatura desta unidade foram

utilizados:• 1 controlador do tipo PID com 4 entradas para

termopares tipo K.• 1 Reator de Cloração composto de 2 partes indepen-

dentes, temperatura de 400ºC:

Purificação de ClorosilanosNesta unidade foram montados equipamentos de aque-

cimento, por destilação fracionada, composto por duas

unidades de destilação fracionada.• Manta de Aquecimento - Alimentação 220V - 2Ø -

Potência:750W• Reator de Cloração - Alimentação 220V - 3Ø

Análise Química do Silício Metalúrgico

TABELA 2Análise de impurezas metálicas no silício e no quartzo porplasma

Si 3/8"ppm Si ¼" ppm Quartzo ¼"ppm Quartzo ½"ppm

Al 8,00 9,00 0,57 0,45

Ar 0,20 0,20 0,20 0,20

B 0,05 0,09 0,02 0,02

Ca 24,00 0,12 0,27 0,33

Fe 71,00 0,57 0,38 0,36

Mg 0,02 1,40 0,03 0,06

Na 0,48 0,62 0,49 0,28

P 0,48 0,58 0,10 0,10

Ti 1,40 2,00 0,02 0,02

Síntese do Cloreto de Hidrogênio:Um método para a dosagem da vazão do cloreto de

hidrogênio de considerável precisão, barato e que se adap-te ao processo de cloração do silício metálico em uma es-cala de produção laboratorial, teve que ser desenvolvido,para que esta atividade, quando viesse a ser realizada, man-tivesse o foco na cloração do silício em si, e não se desvi-asse para problemas paralelos que provavelmente ocorre-riam no desenvolvimento do método de mensura da vazão.

Optou-se por realizar a produção controlada docloreto, pois suas principais vantagens são o baixíssimocusto, a sua precisão mesmo se tratando de uma baixa va-zão, a facilidade de adequá-lo a um sistema de reação quí-mica laboratorial e a sua menor periculosidade, já que nãoexiste nenhuma alta pressão e grandes volumes como a deum cilindro de gás.

Síntese do TriclorosilanoO triclorosilano foi obtido pela reação entre cloreto

de hidrogênio e silício grau metalúrgico em um reator aque-

cido a 350ºC. O triclorosilano é obtido na forma gasosa é

resfriado e recolhido na forma líquida.

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PurificaçãoNo sistema de purificação a mistura condensada e re-

tirada do balão de condensação é transferida para o balãode destilação. Normalmente a mistura condensada estará

acondicionada em garrafas e guardadas em freezer aguar-dando que o processo de destilação tenha lugar.

A coluna de fracionamento tem a função de condensaros vapores menos voláteis pelo resfriamento com o ar at-

mosférico, fazendo-os retornar ao balão.O condensado recolhido no balão é vertido para uma

garrafa com tampa de rosca e paredes grossas, ou outro

recipiente limpo e resistente. O material deve ser guardadoem freezer com temperatura abaixo dos 10oC negativos.

DISCUSSÃO E CONCLUSÃO

O maior interesse neste projeto é não apenas obter o

silício com alto grau de pureza como também obtê-lo combaixo custo. O silício hiper puro é comercializado a

U$120,00/Kg enquanto que o silício obtido no processoobtido nesta unidade alcança um valor de U$83,00/Kg, o

que o torna competitivo, permitindo que o processo de-

senvolvido ganhe mercado. Além disso, vários processosestão sendo feitos para se trabalhar com tecnologia de van-

guarda tais como os filmes finos, o que será refletido emum custo ainda menor no produto final.

Um resultado importante foi a determinação do mé-todo de obtenção do cloreto de hidrogênio tendo em vista

que este gás não é produzido no Brasil e seu alto valoragregado. Através de sua síntese, pode-se dar início à rea-

ção de cloração.

A reação de cloração aparentemente foi realizadacom sucesso, obtendo produto em uma quantidade aci-

ma da esperada.Em um cálculo inicial, foi considerado que, em uma

solução tendo 33% em volume de cloreto de hidrogênio,ainda haveria, ao final da reação uma faixa de 18 a 13% de

cloreto dissolvido na solução. Contudo, ao final da reaçãofoi obtido uma quantidade muito maior de produto que a

prevista nos cálculos iniciais, o que pode indicar que a re-ação, tal como foi realizada, obteve uma extração muito

maior de cloreto de hidrogênio que a considerada anteri-

ormente, o que foi determinado por titulação da soluçãoácida restante.

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Diagnóstico de Previsão da Degradação deEstruturas de Concreto Devido a ReaçãoÁlcali-Agregado na UHE Mascarenhas

P. H. Pedrozo, LACTEC; J. A. Sava, ESCELSA; A. C. Cruzeiro, ESCELSA; L. A. Lacerda, LACTEC; V.Paulon, Unicanp/LACTEC;A. F. Sabbag, UFPR/LACTEC; R. Carrazedo, UFPR/LACTEC

A. Preparação dos Corpos de ProvaCom a chegada dos corpos de prova extraídos da bar-

ragem deu-se início à preparação destes para realizaçãodos ensaios de laboratório.

• Agregados graúdos com bordas de reação;• Poros do concreto preenchidos total ou parcialmente

esbranquiçado com composição do gel;• Microfissuração da argamassa com preenchimento de

material branco.

II. ENSAIOS DE LABORATÓRIO

Através da visita realizada pela coordenadora do pro-

jeto, Patrícia H. Pedrozo, e pelos consultores do assuntosobre Reação Álcali-Agregado, Professor Vladimir Paulon

e João Francisco Silveira, à barragem em estudo, defini-ram-se 04 pontos para inserção dos equipamentos

(extensômetros múltiplos), os quais foram locados na ga-leria de inspeção da barragem e foram identificados com a

inicial "E". Os mesmos furos executados para instalar os

instrumentos de monitoramento da expansão volumétricado concreto foram utilizados para a retirada de testemu-

nhos de concreto para realização dos ensaios de laborató-rio a fim de fornecer os dados necessários para a modela-

gem matemática e comparação com as leituras realizadasna UHE Mascarenhas. Além destes 04 furos realizados na

galeria de inspeção da barragem, também foram realizadosoutros 05 furos com uma pequena extratora de concreto,

com profundidades entre 1,0 e 1,5 m, na galeria de drena-gem, identificados com a inicial "F", conforme figura 1.

FIGURA 1 - Extração de corpos de prova.

RESUMO

Este trabalho apresenta os resultados referente ao primeiro ciclo2001/2002 do projeto Diagnóstico de Previsão da Degradaçãode Estruturas de Concreto Devido a Reação Álcali-Agregado re-alizado pelo Instituo de Tecnologia para o Desenvolvimento -LACTEC apresentado a Espírito Santo Centrais Elétricas S. A. -ESCELSA. Foram realizados ensaios de laboratório com corposde prova extraídos da barragem de UHE Mascarenhas, Rio Doce,para verificação da existência de Reação Álcali-Agregado. Foidesenvolvida uma metodologia para medir as expansões dos cp´ssimulando-se a pior situação no concreto, ou seja, os cp´s foramimersos em solução de NaOH, água deionizada e estufa, todos a80ºC. Além deste ensaio também foram realizados ensaios decompressão simples e módulo de elasticidade para verificaçãodas condições físicas do concreto.

PALAVRAS-CHAVE

Barragem, Ensaio de laboratório, Modelagem, Reação álcali-agregado.

I. INTRODUÇÃO

Este artigo apresenta uma metodologia para avaliação

da existência de reação álcali-agregado em uma barragemde concreto. Será desenvolvido modelo matemático de ex-

pansão do concreto, para previsão do comportamento defissuras devido à reação álcali-agregado, em função da

instrumentação e validação deste modelo com dados de la-

boratório. Este trabalho contemplará somente os resultadosobtidos em laboratório, visto que os dados para obtenção

do modelo matemático encontram-se em fase de obtenção.A reação álcali-agregado se manifesta em estruturas

de concreto quando os álcalis presentes nas soluções deporos da pasta do concreto reagem com alguns compo-

nentes mineralógicos dos agregados, formando compos-tos expansivos que causam fissuração e, conseqüentemen-

te, influenciam a durabilidade das estruturas.As barragens de concreto estão mais suscetíveis à re-

ação álcali-agregado por serem constituídas por uma grande

massa de concreto submetida constantemente à ação daágua, que é o principal catalisador desta reação.

Segundo SILVEIRA (1996) as principais evidênciasque apontam para a existência de RAA em estruturas de

concreto são:• Fissuras orientadas em forma de mapa;

• Eflorescência e exsudação de gel;• Descoloração do concreto;

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H2O

NaOH

Primeiramente os corpos de prova foram separados e

identificados conforme o furo de sondagem e a profundi-

dade da amostra. A figura 2 mostra as caixas com os cor-pos de prova e a marcação nos mesmos.

FIGURA 2 - Corpos de prova extraídos e marcação dos mesmos.

Depois de identificados os corpos de prova foram ser-

rados com disco de diamante com 11 e 15 cm de compri-mento, e retificados para tornar as superfícies serradas pla-

nas e paralelas.

B. Ensaio de Reatividade através do Método deImersão em Solução de Hidróxido De Sódio(NaOH), Água Deionizada e Estufa todos a 80ºC.

Este ensaio teve como objetivo verificar a

potencialidade reativa do concreto, através dos corposde prova retirados da barragem, com relação à reação

álcali-agregado, levando em consideração a situação pés-

sima de agressividade de exposição destes corpos deprova, ou seja, os cp´s foram imersos em solução de

hidróxido de sódio (NaOH na concentração de 1N) eágua deionizada, em recipientes apropriados dentro de

uma "banheira" com água a 80 ºC (fig. 3), e em estufatambém a 80ºC.

FIGURA 3 - Corpos de prova imersos em solução de NaOH,água e estufa a temperatura de 80ºC

Foram utilizados para este ensaio 29 corpos de prova

retirados da galeria de inspeção e 15 cp´s retirados da ga-leria de drenagem da barragem.

Realizou-se as medidas iniciais dos corpos de pro-

va através de micrômetro com leitura digital de 3 ca-sas decimais (fig. 4), em suporte especial para apoio

dos cp´s afim de mantê-los sempre na mesma posiçãode leitura (fig. 5).

As medições foram realizadas periodicamente comleituras diárias no primeiro mês e semanais a partir do se-

gundo mês. Os valores obtidos no ensaio através domicrômetro digital foram transportados para uma planilha

especial, para obtenção dos resultados e gráficos das ex-pansões (fig. 6). A nomenclatura dada aos cp´s, como, por

exemplo, E2 2-3 c2, significa que este é um cp do furo 02

(E2 - retirados da galeria de inspeção), esta compreendidoentre 2 e 3 metros de profundidade (2-3) e é o segundo cp

desta profundidade (c2). A nomenclatura dada aos cp´scomo F 01 a F 05, identifica os cp´s que foram retirados da

galeria de drenagem.

FIGURA 6. Gráfico mostrando as expansões.

Neste exemplo mostrado acima, referente aos cp´s dofuro 4 da galeria de inspeção (E4), verificam-se as expan-

sões do cp E4 0-1 c2 em solução de hidróxido de sódio(curva em vermelho), do cp E4 1-2 c2 em água deionizada

(curva em amarelo) e do cp E4 2-3 c2 em estufa (curva emvioleta). As retas em azul significam os limites de

expansibilidade entre 0,1 e 0,2%.Observa-se que a expansão devido a solução de NaOH

a 80ºC, encontra-se em um estágio discutível de expansãodeletéria, entre 0,1 e 0,2% . Já as expansões devido a água

FIGURA 4 - Micrômetro adaptado com leitura digital.

FIGURA 5 - Leitura inicial do cp em suporte especial.

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Para realização deste ensaio, tomou-se o cuidado delixar os cp´s antes da colagem dos strain gages, em lixadeiraespecial, para que a superfície do cp para colagem encon-trasse plana e lisa. Depois de lixadas e limpas, aplicou-seadesivo estrutural, fluido à base de resina epóxi para corri-gir as imperfeições na superfície e servir de base paracolagem dos strain gages. Após, lixou-se novamente a su-perfície para a colagem definitiva dos gages, sendo 02 emcada cp. As extremidades dos gages foram soldados emum cabo especial para ligação à ponte de leitura. Utilizou-se prensa de 10 tf para realização do ensaio (fig 7).

FIGURA 7. Ensaio de Módulo de Elasticidade.

Os resultados variaram conforme o local e a profundida-de de cada furo, sendo a média dos valores igual a 25,0 GPa.

III. PETROGRAFIA E MICROSCOPIAELETRÔNICA

Com a realização de petrografia de amostras dos cor-pos de prova trazidos da barragem, pode-se notar a pre-sença na bordas do agregado com material esbranquiçadoe com presença de gel, conforme indicado na figura 8.

FIGURA 8 - Bordas no agregado em petrografia

Outra técnica utilizada para verificação de reação álca-li-agregado foi a microscopia eletrônica de varredura porelétrons secundários, onde pode-se identificar microfissurasno gel gretado e morfologia típica de reação álcali-agrega-do, conforme figura 9.

deionizada e estufa, ambos a 80ºC, apresentaram valores

de expansão abaixo de 0,1%, sendo consideradas expan-

sões não deletérias.Será apresentado na tabela 1 o resultado obtido com

todos os cp´s submetidos a este ensaio de reatividade.

TABELA 1Resultados dos ensaios de reatividade

Local de Ensaio Nº de cp´s Cp´s c/ expansão Cp´s c/ expansão

abaixo de 0,1% entre 0,1 e 0,2%

Solução NaOH (80 ºC) 16 8 (50%) 8 (50%)

Água Deioniza-da (80 ºC) 15 13 (87%) 2 (13%)

Estufa (80 ºC) 13 13 (100%)

Nota-se que não ocorreram expansões superiores a 2%, consideradasdeletérias, em nenhum dos cp´s.

C. Ensaio de Compressão SimplesFoi realizado ensaio de compressão simples, segundo

a norma NBR 5739/94, com 18 corpos de prova proveni-

entes da instalação dos extensômetros na barragem. Os cp´s,

suas identificações e resultados encontram na tabela 2. Anomenclatura dada aos cp´s, como, por exemplo, E2 2-3

c2, significa que este é um cp do furo 02 (E2), esta com-preendido entre 2 e 3 metros de profundidade (2-3) e é o

segundo cp desta profundidade (c2).

TABELA 2Resultados do ensaio de compressão simples

CP´S Registro Tensão Máxima (MPa)

CP1 E1 1-2 c2 27,9

CP2 E1 7-8 25,2

CP3 E2 0-2 c1 29,4

CP4 E2 2-3 c2 23,7

CP5 E3 0-1 29,2

CP6 E3 2-3 c1 27,0

CP7 E4 0-1 21,7

CP8 E4 1-2 c1 31,7

CP9 E4 3-4 c1 21,2

CP10 E4 3-4 c2 20,7

CP11 E4 3-4 c3 36,9

CP12 E4 4-5 c2 25,5

CP13 E4 4-5 c3 22,2

CP14 E4 5-6 c? 27,4

CP15 E4 5-6 c2 27,0

CP16 E4 6-7 c1 22,8

CP17 E4 6-7 c3 24,7

CP18 E4 9-10 c1 27,2

Nota-se que os resultados variaram conforme o local e a profundidadede cada furo, sendo a média dos valores igual a 26,2 MPa.

D. Ensaio de Módulo de ElasticidadeFoi realizado ensaio para determinação de Módulo de

Deformação Estática (Módulo Secante - Plano III - NBR

8522/84), com 08 corpos de prova provenientes da insta-lação dos extensômetros na barragem sendo ensaiados 02

cp´s de cada furo da galeria de inspeção.

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IV. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Como se pode verificar através das análises por

petrografia e microscopia, o concreto apresenta materiaisque identificam a ocorrência anterior de Reação Álcali-

Ágregado.Já os ensaios de reatividade com os corpos de prova

extraídos da barragem, os quais foram levados a pior umasituação de agressividade, demonstraram que uma prová-

vel expansão no concreto não ocorrerá devido a RAA, seo concreto da barragem for submetido às situações simila-

res as dos ensaios de reatividade.

Os ensaios de compressão e módulo de elasticidadecom corpos de prova extraídos demonstraram valores acei-

táveis para concretos utilizados em barragens de mesmaidade e características.

Para uma melhor avaliação da evolução da RAA de-verão ser analisadas as leituras dos extensômetros instala-

dos no corpo da barragem, juntamente com a modelagemmatemática, concluindo-se até que ponto a reação poten-

cial remanescente poderá causar problemas estruturais ou

confirmará os resultados preliminares obtidos com os en-saios de laboratório.

V. AGRADECIMENTOS

Agradecemos de todo coração a atenção de Ângela,

da Escelsa, que prontamente nos ajudou em todas as pro-vidências necessárias para o andamento deste estudo.

Aos Técnicos Joãozinho e Amaurizão pela paciênciana instalação dos instrumentos e nos problemas "de última

hora" sempre presentes neste caso. Pela paciência em ins-talar os instrumentos mesmo longe de suas famílias e com

uma enchente eminente.Ao Prof. Chamecki pelo incentivo, apoio e amizade

durante os melhores e piores momentos.

Ao Ruy por sua constante presença, apoio e incentivomesmo após seu "desligamento".

Ao apoio da Escelsa, do Lactec e da Aneel que per-mitiram o desenvolvimento deste trabalho.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] PEDROZO, P. H.; SABBAG, A. F.; LACERDA, L. A.;CARRAZEDO, R.; "Diagnóstico de Previsão da Degradação deEstruturas de Concreto Devido a Reação Álcali-Agregado",LACTEC, Curitiba, PR, Relatório Técnico. RT LAME 4.025.2003-R0, jun. 2003.

[2] PAULON, V. A.; CAVALCANTI, A. J. Alkali-aggregate reactionat Moxotó Dam. In: 7th INTERNATIONAL CONFERENCE ONALKALI-AGGREGATE REACTION, 1986, Otawa/Canada.Proceedings... 1986, p.1-5.

[3] SIMPÓSIO SOBRE REATIVIDADE ÁLCALI-AGREGADO EMESTRUTURAS DE CONCRETO, 1.997, Goiânia. Anais... Goiânia:CBGB/FURNAS/IBRACON, 1997.

[4] HASPARYK, N. P. Investigação dos mecanismos da reação álcali-agregado - efeito da cinza de casca de arroz e da sílica ativa. Goiânia,1999. 257p. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal deGoiás, Escola de Engenharia Civil.

[5] PAPPALARDO JUNIOR, A. Uma metodologia para a modelagemmatemática de barragens de concreto afetadas pela reação álcali-agregado. São Paulo, 1998. 180p. Tese (Doutorado) - Universidadede São Paulo.

[6] PAULON, V. A. Reações álcali-agregado em concreto. São Paulo,1981. 114p. Dissertação (Mestrado) - Universidade de São Paulo,Escola Politécnica.

[7] SILVEIRA, J. F. A. Parecer técnico sobre as estruturas de concretoda Usina Hidroelétrica de Furnas - Relatório FR-01/96-RO, Goiânia:FURNAS Centrais Elétricas S. A., 1996.

Figura 9 - Poros no agregado em função da reação álcali-agregado

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RESUMO

Este trabalho tem como objetivo desenvolver o estudo sobre acomposição do elastômero empregado em ferramentas de li-nha viva. As aplicações práticas demonstram que muitas fer-ramentas apresentam degradação precoce durante o seu uso.Para analisar este problema, são apresentados resultados dedeformulação das amostras retiradas de ferramentas de linhaviva enviadas pela COPEL. É também proposto, um conjuntode formulações de elastômeros para fabricação de ferramen-tas de linha viva.

PALAVRAS-CHAVE

Elastômeros, Medidas Dielétricas e Elétricas, Alta tensão,Polímeros, Látex Natural.

I. INTRODUÇÃO

Para minimizar o tempo e a freqüência de interrupçãode fornecimento de energia elétrica, as concessionárias de

energia elétrica adotam procedimentos de operação de cer-

tos serviços de manutenção com as linhas energizadas, ou“linhas vivas”. As atividades de manutenções em linhas

energizadas são realizadas com ferramentas isoladas ele-tricamente (luvas, mangas, mantas, bastões, e entre outros

acessórios) que impede a circulação de correntes elétricasque possam causar qualquer dano físico ou representar ris-

co de vida aos profissionais. Para garantir o desempenho eeficiência das ferramentas para operação em linhas vivas, é

necessário realizar avaliações periódicas, que são comple-xas e muitas vezes apresentam muitas dificuldades na sua

realização. Entretanto, é uma atividade crítica devido à

falta de reprodutibilidade dos resultados dos ensaios. Paragarantir o nível mínimo de segurança aos usuários é neces-

sário realizar estudos sobre comportamento e proprieda-des dos materiais empregados nas ferramentas de linha viva.

Este projeto tem no escopo de seus objetivos o desenvol-vimento de duas linhas de atividade de pesquisa: estudo

sobre técnicas e procedimentos de qualificação de ferra-mentas de linha viva em campo e estudo sobre comporta-

mento e propriedades de materiais isolantes empregados

na fabricação de ferramentas de linha viva. Para produzirqualquer ferramenta para linha viva é necessário inicial-

mente obter conhecimentos sobre propriedades dos mate-riais, quanto à formulação e o seu processo de degradação

e/ou envelhecimento. E também deve ser analisada a com-patibilidade química dos materiais empregados na

manufatura das ferramentas de linha viva. Muitos produ-

tos químicos podem alterar as propriedades das ferramen-

tas e desta forma, colocar em risco de acidentes os usuá-rios. Partindo do desenvolvimento de um material é funda-

mental identificar quais ensaios devem ser realizados antesda produção de uma ferramenta para utilização em opera-

ção de linha viva. As principais propriedades dielétricas e

elétricas podem ser estudadas através das técnicas deespectroscopia dielétrica, corrente termicamente estimula-

da (TSC), rigidez dielétrica, medidas de perfis de cargaespacial acumulada em meios isolantes, entre outros pro-

cedimentos experimentais. As medidas não elétricas taiscomo calorimetria diferencia de varredura (DSC), análise

termogravimétrica (TGA), análise dinâmica térmico me-cânica (DMTA) e extração via SOXLET para separação

de aditivos, são técnicas experimentais que podem auxiliarna compreensão da origem da formulação (composição quí-

mica) do material isolante elastomêricos e seus mecanis-

mos de envelhecimento. O comportamento das ferramen-tas em si deverá ser avaliado com técnicas de aplicação de

alta tensão, as quais deverão permitir analisar asuportabilidade do material e o controle das correntes de

fuga envolvidas e deverá fornecer elementos para umamelhor compreensão do problema a nível nacional e para

uma melhor normalização dos controles de materiais con-siderados “de segurança”.

II. FONTE E PRODUÇÃO DEELASTÔMEROS NATURAIS E SINTÉTICOS

Muitas ferramentas de linha viva são fabricadas atra-vés de materiais elastomêricos naturais ou sintéticos. Na

natureza existem plantas que produzem elastômeros emgrande quantidade denominados como poliisoprenóides e

apresentam uma grande dispersão na distribuição do com-primento da cadeia molecular. Estas plantas possuem teci-

dos de secreção ou excreção que contém vasos lactíferosou laticíferos que produzem substância química complexa

formada por lipídios, proteínas, poliisoprenóides,

isoprenóides e entre substâncias orgânicas diluídas emáguas, e esta composição é conhecida como látex. Estes

vasos são característicos de alguns vegetais como: Hevea

brasiliensis (seringueira). Quando o vegetal é lesado o látex

é expelido e, em contato com o ar, solidifica-se fechando alesão como forma de regeneração e proteção de tecidos

[1]. A principal fonte de borracha natural é atualmente aHevea brasiliensis e são produzidas mundialmente cerca

Elastômeros Empregados emFerramentas de Linha Viva

E. L.Kowlaski, S. M. de Oliveira, J. M. Moraes e Silva, C. Y. Nakaguishi, J. Tomioka, LACTEC

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de 7 milhões de toneladas e a borracha sintética em torno

de 10 milhões de toneladas por ano [2, 3]. Os EUA e

alguns países com clima semi-árido estão apresentando pro-

postas para substituir Hevea brasiliensis por Parthenium

argentatum (guayulle) devido ao potencial mercadológico

[4]. Já a planta balata tem sua utilização como fonte de

látex, bastante restrita perante a seringueira. Os primeiros

cabos isolados foram fabricados utilizando gutta-percha

devido às suas excelentes propriedades elétricas como iso-

lante [5]. Em países de clima temperado e frio, principal-

mente na URSS, são obtidos látex para produção de bor-

racha natural extraído da planta Taraxacum officinale ou

simplesmente conhecido como dente-de-leão [6]. Existem

outras fontes naturais de látex que apresentam boas quan-

tidades de produção para fins industriais. Os

poliisoprenóides além de alta dispersão molecular são en-

contrados em duas configurações: cis e trans. O elastômero

poliisopreno cis e trans apresentam propriedades físico-

químicas totalmente diferentes. Na Figura 1 são ilustradas

duas configurações moleculares e respectivas plantas para

extração de látex para produção de borracha natural.

FIGURA 1 - Configuração molecular de elastômero obtida de

diferentes plantas. (a) configuração CIS e (b) configuração trans.

Já os elastômeros sintéticos são produzidos através

de produtos derivados de petróleo ou de gás natural. Por-

tanto, existe um grande problema para o futuro. A fonte de

petróleo e de gás à medida que são explorados pelo ho-

mem a cada vem se tornando escassos e pode comprome-

ter a produção mundial de muitos materiais sintéticos apli-

cados em diversos segmentos industriais. Neste aspecto,

fontes naturais de elastômeros apresentam grandes vanta-

gens perante aos sintéticos devido ao fato de ser de origem

vegetal. Independente da fonte de matéria-prima, o

elastômero é processado adicionando vários tipos de pro-

dutos para atender as especificações para determinadas

aplicações. Normalmente são adicionados na formulação:

carga mineral, aceleradores, antioxidantes, antiozonantes,

entre outros produtos para estabilizar o material. E na Fi-

gura 2 é ilustrado o processo genérico de produção de

elastômeros. A goma de borracha natural é obtida através

do processo de coagulação do látex extraído de vegetais.

E a sintética é obtida através do processo de reação quími-

ca de derivados de petróleo ou gás natural chamada de

polimerização. A goma bruta não apresenta propriedades

desejadas, devido a este fato, na formulação são compos-

tas de aditivos químicos para atender uma determinadaaplicação. A composição da goma e aditivos é misturada

em um sistema a base de cilindros concêntricos(mastigação), várias vezes até atingir a homogeneidade,

obtendo assim o composto ainda não vulcanizado. O com-posto é colocado num molde com configuração geométri-

ca desejada e em seguida é realizado um tratamento térmi-co de vulcanização para obtenção do elastômero.

III. DEFORMULAÇÃO DE ELASTÔMEROS

O processo de deformulação é uma técnica para iden-

tificar a composição química e a respectiva quantificaçãodo material elastomêrico em estudo. Este método é uma

técnica destrutiva ilustrada na Figura 3 e de formaesquemática está apresentado para análise de materiais iso-

lantes empregadas no setor elétrico. Para obter informa-ções sobre a composição do material utilizam-se inúmeras

técnicas experimentais de análise química para identificar acomposição da formulação do elastômero.

FIGURA 2 - Processo de produção de elastômeros

A composição química do elastômero é complexa, pois

envolve a adição de diversas substâncias químicas, taiscomo:

• Carga Mineral: para melhorar as propriedades mecâni-cas e elétricas;

• Aditivos: para melhorar a ação externa no material atra-vés do uso de antioxidantes, antiozonantes, negro de

fumo, entre outras substâncias;• Plastificantes: para melhorar a processabilidade do

elastômero;

Estrutura Polimérica Planta

Seringueira brasileira

Guayule

(a) cis - poliisopreno Dente-de-leão

Balata

Gutta-percha

(b) trans - poliisopreno

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• Vulcanizantes: para realizar quebra de ligações químicas

entre átomos do elastômero e em seguida criar pontos

de ligação entrecruzada (vulcanização).

Algumas destas substâncias citadas podem ser redu-

zidas ao longo do processamento e do uso da ferramenta e

desta forma, não serem detectadas com facilidade. A amos-

tra de elastômero é retirada de alguma ferramenta de linha

viva e é submetida ao espectrômetro de infravermelho

(FTIR) ou pela ressonância magnética nuclear (RMN) para

identificação do polímero (elastômero). A termogravimetria

(TGA) indica o processo de pirólise da composição do

elastômero e pode ser identificada a quantidade de carga

mineral, elastômero, plastificantes, cinzas e entre outras

substâncias. A calorimetria diferencial de varredura (DSC)

indicará a temperatura de fusão e oxidação do elastômero

e com a análise dinâmica termo-mecânica (DMTA) obtêm-

se as propriedades de mecânicas da amostra do elastômero.

A calcinação é uma técnica de queima do elastômero em

temperatura adequada para obter somente o componente

inorgânico para ser analisado pelas técnicas: de difração

de raios-x (RDX), espectroscopia de elétrons (XPS) e

espectroscopia de fluorescência (EDS) para determinação

do elemento ou substância química. A substância residual

obtida por extrator SOXHLET é analisada utilizando o

FTIR ou através da RMN. Com os dados de todas as me-

didas obtidas com as técnicas citadas, a próxima etapa da

deformulação consiste no procedimento de análises quali-

tativas (identificação) e cálculos quantitativos das substân-

cias para obtenção da provável formulação (composição

química) do elastômero.

IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Foram selecionadas amostras de ferramentas de linhaviva, sendo uma amostra nacional identificada por A e comer-ciais importadas de três fabricantes, identificados na tabelacomo B, C e D, para serem deformuladas com o objetivo deinvestigar os componentes das formulações convencionalmenteutilizados pelos fabricantes deste tipo de materiais. Os com-ponentes das amostras foram identificados e quantificadosatravés de técnicas analíticas de precisão. Nesse estudo foiutilizado um equipamento de Termogravimetria TGA de fa-bricação NETZSCH modelo 209. Neste ensaio a amostra éaquecida e pesada simultaneamente desde temperatura ambi-ente até 900°C sob atmosfera de oxigênio. A análisetermogravimétrica parte de uma quantidade de 100% da amos-tra que ao ser aquecida vai perdendo seus componentes. Asperdas são mostradas no termograma através da inclinaçãoda curva até a formação de um patamar. A diferença entredois patamares corresponde à quantidade de um grupo decomponentes naquela faixa de temperatura. A estrutura cris-talina de uma determinada substancia é característica e atra-vés de comparação com banco de dados ICDD (InternationalCentre for Diffraction Data) é possível identificar de cargas mi-nerais não orgânicas presentes na amostra. Utilizou-se umDifratômetro de Raios-X de marca PHILIPS, modelo X’Pertcom radiação de cobre Kα). A análise dos resultados obtidosatravés das técnicas mencionadas acima em conjunto com da-dos nos ensaios de caracterização e identificação dos materiaisutilizados na fabricação dos produtos acima apresentados.

TABELA 1Resumo da geral da deformulação

Descrição Elastômero Plastificantes e Aditivos Cargas MineraisLuva Classe 4, 86,00 3,00 11,00Fabricante ALuva Classe 2, 86,00 3,00 11,00Fabricante AManga Classe 2, 86,00 3,00 11,00Fabricante ALuva Classe 2, 77,00 13,00 10,00Fabricante BLuva Classe 0, 89,00 7,00 4,00Fabricante CLuva Classe 4, 90,00 7,00 3,00Fabricante CManta, 51,00 21,00 28,00Fabricante D

FIGURA 3 - Diagrama simplificado com as principais técnicasde deformulaçãoFIGURA 3 - Diagrama simplificado com as principais técnicasde deformulação

FIGURA 4 - Curva termogravimétrica da amostra da luva classe 4do fabricante A

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FIGURA 5 - Curva termogravimétrica da amostra da luvaclasse 2 do fabricante A

FIGURA 6 - Curva Termogravimétrica da Amostra de MangaClasse 2 do Fabricante A

FIGURA 7 - Espectroscopia de Raios – X (RDX) da AmostraLuva Classe 4 do Fabricante A - I

FIGURA 8 - Espectroscopia de Raios – X (RDX) da AmostraLuva Classe 4 do Fabricante A - II

FIGURA 9 - Espectroscopia de Raios – X (RDX) da AmostraLuva Classe 4 do Fabricante A - III

FIGURA 10 - Curva Termogravimétrica da Amostra de LuvaClasse 2 do Fabricante B

FIGURA 11 - Espectroscopia de Raios – X (RDX) da AmostraLuva Classe 4 do Fabricante B – I

FIGURA 12 - Espectroscopia de Raios – X (RDX) da AmostraLuva Classe 4 do Fabricante B – I

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FIGURA 13 - Curva Termogravimétrica da Amostra de LuvaClasse 0 do Fabricante C.

FIGURA 14 - Espectroscopia de Raios – X (RDX) da AmostraLuva Classe 0 do Fabricante C - I

FIGURA 15 - Espectroscopia de Raios – X (RDX) da AmostraLuva Classe 0 do Fabricante C - II

FIGURA 16 - Curva Termogravimétrica da Amostra de LuvaClasse 4 do Fabricante C.

FIGURA 17 - Espectroscopia de Raios – X (RDX) da AmostraLuva Classe 4 do Fabricante C

FIGURA 18 - Curva Termogravimétrica da Amostra de Mantado Fabricante D.

FIGURA 19 - Espectroscopia de Raios – X (RDX) da AmostraManta do Fabricante D –I

FIGURA 20 - Espectroscopia de Raios – X (RDX) da AmostraManta do Fabricante D –II

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V. PROPOSTA PARA DESENVOLVIMENTODA FORMULAÇÃO

Nesta fase do projeto é proposto um conjunto de for-mulações de acordo com as deformulações realizadas atra-vés das amostras de ferramentas de linha viva. Entretanto,como o elastômeros e os plastificantes presentes nas amos-tras analisadas ainda não foram adequadamente identifica-das, optou-se adotar dois tipos de elastômeros: a borrachanatural (NR) e borracha de etileno-propileno (EPDM). Ini-cialmente pretende-se desenvolver utilizando a mesma for-mulação na confecção de luvas, mangas e mantas, com umadeterminada concentração de EPDM. Com base nessas ob-servações dos resultados obtidos da deformulação e cuida-dos com o processo de degradação e/ou envelhecimentodevido às ações de radiações UV e compatibilidade comprováveis contatos com solventes químicos na operação emlinha viva, uma nova proposta de formulação procura a com-binação adequada entre a borracha natural e borracha deetileno-propileno, compatibilizada com as cargas e aditivos,agentes de processo, plastificantes, entre outros aditivos.Serão comparadas uma formulação básica principal da mis-tura NR+EPDM e duas referências básicas dos materiais iso-ladamente e avaliadas as diferentes misturas das formula-ções propostas (NR, mistura de NR com EPDM e somenteEPDM), através da elaboração de corpos-de-prova para en-saios de caracterização e avaliação dos materiais para usoem acessórios utilizados em linha viva. A partir das formula-ções básicas idealizadas e apresentadas nas tabelas seguin-tes, será iniciado o estudo das variáveis de processo queinterferem no desempenho do produto final até a adequaçãodas características físico-químicas, elétricas e mecânicas, de-sempenho frente a agentes de intempéries levando-se em con-sideração o aspecto econômico visando à confecção dos aces-sórios. A partir das formulações básicas idealizadas e apre-sentadas nas tabelas seguintes, será iniciado o estudo dasvariáveis de processo que interferem no desempenho do pro-duto final até a adequação das características físico-quími-cas, elétricas e mecânicas, desempenho frente a agentes deintempéries levando-se em consideração o aspecto econô-mico visando à confecção dos acessórios. Nas tabela 2 atabela 4 estão ilustradas as formulações desenvolvidas noLACTEC baseado nas deformulações realizadas nesta fasedo projeto. O elastômero representa nesta tabela como 100unidades de massa ou correspondente na forma precentualem Per Hundred Rubber (PHR) na sua composição.

TABELA 2Fórmula i - borracha epdm

Materiais PHREPDM 100,00Plastificante 5,00Negro de carbono 15,00ZnO 5,00Estearina 1,00Antioxidante 2,00Agente de processo 1,00Agente de cura 1 0,50Agente de cura 2 1,00Agente de cura 3 0,50Agente de cura 4 1,00

TABELA 3Fórmula ii - borracha naturalMateriais PHRBorracha Natural 100,00Plastificante 5,00Carga mineral 15,00ZnO 5,00Antioxidante 2,00Estearina 1,00Agente de cura 5 1,00Agente de cura 4 1,00Agente de cura 2 1,00Agente de cura 1 0,50

TABELA 4Fórmula iii - borracha natural/epdmMateriais PHREPDM 60,00Borracha Natural 40,00Plastificane 5,00Negro de carbono 15,00Carga mineral 40,00Óleo parafínico 10,00Estearina 1,00ZnO 3,00Antioxidante 2,00Agente de cura 1 0,50Agente de cura 4 0,30Agente de cura 2 1,00Agente de cura 3 2,00

VI. CONCLUSÃO

Em composto de materiais elastomêricos empregadosna fabricação de ferramentas para linha viva são adiciona-dos diversos tipos de produtos químicos, tais como: cargasminerais, antioxidantes, antiozonantes, plastificantes e entreoutras substâncias. O objetivo da adição destes produtos é atentativa para melhoria das propriedades mecânicas e elétri-cas. Pois, a goma elastomérica na forma primária, muitasvezes não atende as propriedades desejadas para uma deter-minada aplicação. Em amostras de elastômeros analisadosforam encontrados diversos tipos de cargas minerais, taiscomo: dolomita (CaCO

3 e MgCO

3), talco, ZnO, entre ou-

tras substâncias. As cargas minerais encontradas na compo-sição elastomêrica podem apresentar comportamento elétri-co totalmente diferente. Portanto é importante realizar me-didas elétricas e dielétricas preliminares de amostras em la-boratório. E também é necessário analisar melhor a compo-sição comercial é necessário envelhecer artificialmente asamostras das formulações propostas. Tendo como objetivo,estimar em laboratório a durabilidade da matéria-prima em-pregada na fabricação de ferramentas de linha viva.

VII. REFERÊNCIAS

[1] Kang H., Kang M. Y. Han K. H., “Identification of Natural Rubberand Characterization of Rubber Biosynthetic Activity in Fig Tree”,Plant Physiology, Vol. 123, pp. 1133 – 1142, 2000.

[2] http://www.rubber.com.[3] http://www.rubberstudy.com.[4] Natural Rubber (Guayule) Research in the United States, A

Combined 1980 to 1981 Report on Implementation of the NativeLatex Commercialization and Economic Development Act of 1978,Joint Commission of Guayule, US Department of Agriculture,August, pp. 2 – 3, 1982.

[5] The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition, 2001.[6] C. M. Blow, C. Helpburn, “Rubber Tecnology and Manufacture”,

Second Edition, Butterworths, England, 1985.

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RESUMO

Neste trabalho foi avaliado o grau de agressividade da at-mosfera (determinação de íons cloretos e sulfatos), avaliadaas condições atmosféricas (umidade relativa ambiente, taxade precipitações, intensidade e direção dos ventos, taxa deradiação), e forma expostos corpos-de-prova de diferentesmetais protegidos por esquemas de pintura, corpos-de-pro-va de concreto armado e postes, para avaliar através de umperíodo anual completo (ciclo climatológico), para determi-nar as causas dos problemas de degradação precoce detecta-dos e propor soluções que permitam que os materiais envol-vidos apresentem uma durabilidade adequada. Foram estu-dadas algumas alternativas como o uso de inibidores de cor-rosão que podem ser adicionados na argamassa de concretono momento da fabricação.

PALAVRAS-CHAVE

Concreto, concreto armado, corrosão, inibidores de corrosão,tintas anti-corrosivas.

I. INTRODUÇÃO

As perdas ocasionadas pelo processo de degradaçãodos metais são, em geral, muito elevadas e tem motivado

um amplo desenvolvimento da pesquisa neste campo. Es-tas perdas se produzem não somente pela necessidade de

substituir as estruturas corroídas mas também por outrosefeitos derivados, tais como interrupção no funcionamen-

to de estabelecimentos industriais, contaminação de pro-dutos, danos a equipamentos próximos daquele no qual

ocorre a falha, problemas de segurança (incêndios, explo-sões, liberação de produtos tóxicos, colapso das constru-

ções), etc. Estes problemas podem ocorrer simultaneamente

quando as falhas ocorrem nos sistemas de geração, trans-missão ou distribuição de energia elétrica. A corrosão pode

ser definida como o ataque não intencional que sofre ummaterial por causa de uma reação com o meio que está ao

seu redor. Desta forma, são susceptíveis de "se corroer"

materiais tão diferentes como metais, madeiras, cerâmicas,plásticos, etc. No entanto, as causas que originam a deteri-

oração são diferentes, dependendo do material que se tra-te. Deve ser mencionado que todos estes processos são de

natureza espontânea, ou seja, fixado o material e o meioambiente, o processo ocorrerá. A chave que permitirá ao

homem estender a vida útil dos materiais analisados estáfundamentada na compreensão do fenômeno da corrosão,

sua velocidade e mecanismos envolvidos.Os materiais objeto do estudo deste trabalho são me-

tálicos e artefatos de concreto armado. Para a proteção

dos metais é tradicional o uso de tintas e no caso do con-creto, onde suas excelentes propriedades mecânicas reú-

nem a forte resistência à compressão do concreto com aforte resistência à tração do aço, o recobrimento de con-

creto constitui não somente uma barreira física que separao aço do meio externo mas, também, fornece um meio al-

calino no qual o aço está protegido contra a corrosão.No entanto, existem sérios problemas com a durabi-

lidade de objetos metálicos pintados assim como de pos-

tes e artefatos de concreto quando submetidos a ambien-tes extremamente agressivos, como no caso da orla marí-

tima de Aracaju. Na sua região litorânea, até cerca de100 m da linha intermediaria de arrebentação das marés,

os transformadores protegidos por pinturas anti-corrosi-vas instalados têm problemas de corrosão com apareci-

mento de perfurações nas suas carcaças após curto tem-po, 6 meses a 1 ano, e para os artefatos de concreto ar-

mado, em períodos de 3 a 5 anos, tais problemas sãofreqüentemente observados. No caso dos transformado-

res se deveria esperar uma vida útil de pelo menos 10

anos e para os postes de 25 a 30 anos.O objetivo deste trabalho é mostrar os resultados da

avaliação do grau de agressividade da atmosfera pela de-terminação de íons cloretos e sulfatos, da umidade relativa

ambiente, taxa de precipitações pluviométricas, intensida-de e direção dos ventos, taxa de radiação, sobre a exposi-

ção de corpos-de-prova de diferentes metais protegidospor esquemas de pintura, corpos-de-prova de concreto

Estudo da Degradação de MateriaisUtilizados na Rede de Distribuição deEnergia Instalada na Orla de Aracaju

C. M. Garcia, LACTEC, K. R. Rattmann Freire, LACTEC, K. F. Portella, LACTEC, J. F. de Paula,ENERGIPE, A. Joukoski, LACTEC, O. Baron, LACTEC, G. R. Vergés, LACTEC.

Este trabalho foi financiado pela Empresa de Energia de Sergipe –ENERGIPE.

C. M. Garcia (e-mail [email protected]), K. R. Rattmann Freire (e-mail [email protected]), A. Joukoski ([email protected]), O. Baron (e-mail [email protected]), G. R.Vergés (e-mail [email protected]), K. F. Portella ([email protected]) trabalham no Instituto de Tecnologia para oDesenvolvimento – LACTEC.

J. F. de Paula trabalha na Empresa de Energia de Sergipe – ENERGIPE(e-mail [email protected]).

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armado e postes durante, pelo menos, 1 ano, ou seja, 1ci-

clo climatológico completo (sazonalidade). Também, são

propostas soluções que permitam que os materiais envol-vidos apresentem durabilidade adequada. Para tanto, fo-

ram estudadas, também, algumas alternativas como o usode inibidores de corrosão que podem ser adicionados na

argamassa de concreto no momento da fabricação, cimen-tos especiais e adições em concreto, além das sugestões

para aprimoramento do processo de fabricação adotadopelos fabricantes locais [1-5, 7].

II. PARTE EXPERIMENTAL

O trabalho experimental foi desenvolvido em labo-ratório e em campo, com os dois tipos diferentes de ma-

teriais: tintas e concreto, estes divididos entre corpos-de-prova (CPs) e artefatos de concreto. Eles serão ana-

lisados separadamente já que envolvem materiais da li-nha como transformadores (pintura) e postes e cruzetas

(artefatos de concreto).Os CPs foram expostos em duas estações de corro-

são, a estação da praia da Caueira e a estação localizada

dentro das instalações da UPGN - Petrobrás. A diferençaentre as duas estações de corrosão, além da localização

geográfica, está no distanciamento da zona de arrebenta-ção das marés, sendo que a primeira está a cerca de 20 m e

a segunda a aproximadamente 200 m.

A. Corpos-de-prova pintadosComo substratos metálicos foram utilizadas chapas

laminadas (dimensões: 200 x 100 mm) dos seguintes mate-

riais: aço carbono 1010; aço galvanizado com revestimentode zinco puro (espessura média de 24 ± 4,0 µm); aço com

revestimento "galvalume", de zinco e alumínio (espessuramédia de 34 ± 3,5 µm) e alumínio (99,9 % de pureza).

Foram preparados 18 CPs de cada esquema e instala-

dos 10 deles em campo, retirando em intervalos pré-progra-

mados. Nos restantes CPs foram realizados testes de labo-ratório: câmara de nevoa salina, câmara de Weather-O-Me-

ter, ensaios de imersão e medidas eletroquímicas (medidasde resistência de polarização, espectroscopia de impedância

eletroquímica, potencial de corrosão vs. tempo). Os CPsinstalados no campo foram também avaliados por perda de

brilho, cor, potencial de corrosão, resistência de polarizaçãoe espectroscopia de impedância eletroquímica.

Em junho de 2002 foram selecionados 2 sistemas de

pintura para substrato de aço carbono para aplicar em 2transformadores utilizados na rede de distribuição. Tanto

o preparo de superfície quanto a pintura foram realizadosnas dependências da ENERGIPE por pessoal próprio. O

preparo de superfície foi até metal quase-branco comgranalha de aço e a pintura realizada com pistola conven-

cional. Nas Tabelas 1 e 2 são apresentados os diferentesesquemas de tintas utilizados sobre os diferentes substratos.

Foram confeccionados 18 CPs de cada esquema, 10 dosquais foram instalados nas estações de corrosão atmosféri-

ca e os restantes permaneceram no laboratório para ensai-

os de imersão e de intemperismo artificial.

B. Corpos-de-prova de concretoPara simular estruturas de concreto armado reais fo-

ram confeccionados CPs em molde de aço inoxidável emforma de prisma de dimensão 100 mm (altura), 91 mm (lar-

gura) e 49 mm (espessura), baseado na norma NBR 5738.Em cada CP foram colocadas 3 barras de aço de constru-

ção, protegidas nos extremos de forma a deixar expostauma área de 3 cm de largura, no interior do concreto [1].

Na Tabela 3 é apresentada a composição dos CPs e na Ta-

bela 4, os aditivos inibidores de corrosão usados na massada Tabela 3.

TABELA 1Sistemas de pintura utilizados para corpos-de-prova de aço galvanizado, aço revestido com galvalume e alumínio.

FUNDO INTERMEDIÁRIO ACABAMENTO

Sistema 1 Wash Primer (Poliv. Butiral) Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Poliuretano acrílico

SUMACLAD 261 2 demãos SUMATANE HS

Esp.: 8-12 µ m Espessura: 100 µ m Espessura: 60 µ m

Diluente: 908 (20%) Dil.: 920 (20%)

Sistema 2 Wash Primer (Poliv. Butiral) Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Poliuretano alifático

SUMACLAD 261 2 demãos SUMATANE 342

Esp.: 8-12 µ m Espessura: 100 µ m Espessura: 30 µ m

Diluente: 908 (20%) Di.: 917 (20%)

Sistema 3 Wash Primer (PolivinilButiral) Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Alquídico

SUMACLAD 261 2 demãos ADMIRAL ESMALTE

Esp.: 8-12 µ m Espessura: 100 µ m Espessura: 30 µ m

Diluente: 908 (20%) Dil.: 938/ 905 10%

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TABELA 2Sistemas de pintura utilizados para corpos-de-prova com substrato de aço carbono.

FUNDO INTERMEDIÁRIO ACABAMENTO

Sistema 1 Epoxi Rica em Zinco Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Poliuretano acrílico

SUMAZINC 278 1 demão dil. 40%, 1 demão dil. 20% SUMATANE HS

Esp.: 80 µ m Esp.: 80 -100 µ m Espessura: 60 µ m

Dil.: 908 (20%) Diluente: 908 Diluente: 920 (20%)

Sistema 2 Epoxi Rica em Zinco Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Poliuretano alifático

SUMAZINC 278 1 demão dil. 40%, 1 demão dil. 20% SUMATANE 342

Esp.: 80 µ m Espessura: 80 -100 µ m Espessura: 30 µ m

Dil.: 908 (20%) Diluente: 908 Diluente: 917 (20%)

Sistema 3 Epoxi Rica em Zinco Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Alquídico

SUMAZINC 278 1 demão dil. 40% 1 demão dil. 20% ADMIRAL ESMALTE

Esp.: 80 µ m Esp.: 80 -100 µ m Espessura: 30 µ m

Dil.: 908 (20%) Dil.: 908 Dil.: 938/ 905 10%

Sistema 4 Epoxi Óxido de Ferro Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Poliuretano acrílico

SUMADUR 125 2 demãos SUMATANE HS

Esp.: 120 µ m Espessura: 80 -100 m Espessura: 60 µ m

Dil.: 966 (20%) Diluente: 908 (20%) Diluente: 920 (20%)

Sistema 5 Epoxi Óxido de Ferro Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Poliuretano alifático

SUMADUR 125 2 demãos SUMATANE 342

Esp.: 120 µ m Espessura: 80 -100 µ m Espessura: 30 m

Dil.: 966 (20%) Diluente: 908 (20%) Dil.: 917 (20%)

Sistema 6 Epoxi Óxido de Ferro Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Alquídico

SUMADUR 125 2 demãos ADMIRAL ESMALTE

Esp.: 120 µ m Espessura: 80 -100 µ m Espessura: 30 µ m

Dil.: 966 (20%) Diluente: 908 (20%) Dil.: 938/905 10%

Sistema 7 Epoxi Al Ox.Fe Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Poliuretano acrílico

MACROPOXY HS 2 demãos SUMATANE HS

Esp.: 125 µ m Espessura: 80 -100 µ m Espessura: 60 µ m

Dil.: 951 (15%) Diluente: 908 (20%) Diluente: 920 (20%)

Sistema 8 Epoxi Al Ox.Fe Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Poliuretano alifático

MACROPOXY HS 2 demãos SUMATANE 342

Esp.: 125 µ m Espessura: 80 -100 µ m Espessura: 30 µ m

Dil. : 951 (15%) Diluente: 908 (20%) Dil.: 917 (20%)

Sistema 9 Epoxi Al Ox.Fe Epoximastic de Al SUMASTIC 228 Alquídico

MACROPOXY HS 2 demãos ADMIRAL ESMALTE

Esp.: 125 µ m Espessura: 80 -100 µ m Espessura: 30 µ m

Dil.: 951 (15%) Diluente: 908 (20%) Dil.: 938/ 905 10%

TABELA 3Composição dos corpos-de-prova.

Tipo Materiais

Aglomerante hidráulico cimento CPII-Z 32

Agregado miúdo Areia média natural lavada (dim. máx.característica Dmáx = 2,4 mm)

Agregado graúdo Pedra brita n.º 1 (Dmáx = 19 mm);

Água tratada Rede de abastecimento local

Aço Gerdau CA-50

Aditivos inibidores de corrosão Tabela 2

TABELA 4Relação corpos-de-prova, com indicação de inibidores decorrosão utilizados. C: Comercial, l: Produzido em laborató-rio.

Código Composição

01 C Compostos orgânicos e inorgânicos

02 L 3 % Nitrito de cálcio NaNO2 laboratório

03 C Orgânico base de amina

04 C Base de NaNO2 sem acelerador

05 C Base de NaNO2 com acelerador de cura

06 C NaNO2 comercial

07 C Compostos orgânicos (asteramina)

08 Sem aditivos, para referência

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Também, foram confeccionados CPs similares aos da

Figura 1 e nas proporções apresentadas na tabela 5.

Uma parte destes CPs foi envelhecida em laboratório

com uma solução salina aquosa de cloreto de sódio 3,4% e

em função do tempo de exposição, e outra parte submetida

a envelhecimento natural, por exposição destes nas estações

de corrosão instaladas na praia da Caueira e na UPGN,

Petrobrás, em Sergipe. O período de envelhecimento, míni-

mo, compreendeu de janeiro de 2001 a janeiro de 2003.

C. Artefatos de concreto

Postes de concreto armado foram confeccionados com

os traços apresentados na tabela 6 e foram expostos, após o

período mínimo de cura de 28 dias, na estação de corrosão

da praia da Caueira, conforme mostrado na Figura 2.

O Poste codificado P232 é um poste comprado em uma

das fábricas da região para servir de referência, tanto em

material quanto no processo de fabricação que é similar ao

dos outros. Por isso, nenhum dado adicional da proporção

foi levantado. O poste P222 possui a mesma classe de ci-

mento, mesmo fabricante e consumo de cimento do P232,

mas com adição de sílica ativa a 8% em peso, em substitui-

ção ao agregado miúdo. O poste P225 foi fabricado com

cimento especial CPV ARI RS, dado o bom desempenho

prévio em CPs fabricados com traço similar e envelhecidos

artificialmente, em função do tempo de exposição, à solu-

ção salina aquosa de NaCl a 3,4%, já comentada.

Cruzetas de concreto armado, também, foram fabricadas

com os mesmos traços dos postes mas, apesar de terem sido

envelhecidas no mesmo local e período de exposição, não

foram testadas em virtude da dificuldade de acesso, instala-

das nos topos dos postes e de estarem energizadas.

D. Medidas do potencial de corrosão da amaduraMedidas do potencial de corrosão da armadura dos

diversos CPs e postes, instalados na estação de corrosão

da praia da Caueira, foram feitas ao longo do tempo de

exposição, tanto em intemperismo natural quanto artificial

de acordo com a norma ASTM [8] e eletrodo de

calomelano.

(a)

FIGURA 1 - Corpos-de-prova (a) antes da concretagemmostrando a área exposta, (b) forma final.

(b)

TABELA 5Composição dos cps para a fabricação de postes e cruzetas.

CF347 SF350 RS344

Classe de cimento CPII-F 32 CPII-F 32 CPV-ARI RS

Adição -- 8% sa* --

Quantidades em kg/m3

Cimento 347 350 344

* Sílica ativa -- 28 --

Agregado miúdo 656 643 654

Ag. graúdo (19 mm) 1218 1157 1211

Água 200 174 186

Superplastificante -- 5,25 --

Relação a/c 0.58 0.46 0.54

Slump (mm) 50 50 35

Peso unitário 2421 2357 2395

Teor de ar (%) 0 -- 0,8

TABELA 6Composição dos artefatos de concreto, postes e cruzetas.

P232 P222 P225

Classe de cimento CPII-F 32 CPII-F 32 CPV-ARI RS

Adição -- 8% sa* --

Quantidades em kg/m3

Cimento ~350 350 350

* Sílica ativa -- 28 --

Agregado miúdo n.a. 642.7 681.8

Ag. graúdo (9,5 mm) n.a. 520.7 500.6

Ag. graúdo (19 mm) n.a. 636.3 611.8

Água n.a. 173.9 185.5

Superplastificante n.a. 5.25 -

Relação a/c n.a. 0.46 0.54

Slump (mm) n.a. 642.7 681.8

Peso unitário n.a. 520.7 500.6

n.a.: não avaliado.

FIGURA 2 - Estação de corrosão da praia da Caueira.

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III. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Medidas da taxa de salinidade e de sulfatação:

• Para a estação Caueira: (1.090 ± 400) mg de Cl-/m2.dia,

como valor médio anual e (1,56 ± 1,15) mg/100 cm2.dia

de SO4

2-; e

• Para a estação Petrobrás: (370 ± 150) mg de Cl-/

m2.dia, como valor médio anual e (0,77 ± 0,42) mg/

100 cm2.dia de SO4

2-.

Os resultados da taxa de salinidade e de sulfatação

para a estação de corrosão da praia da Caueira é, sem dú-

vida, bastante superior aos valores médios encontrados e

publicados no Brasil, podendo ser considerado um ambi-

ente marinho-industrial em boa parte do período medido.

Já os resultados da estação de corrosão da UPGN estão

dentro dos valores médios encontrados na literatura para a

região nordeste [8].

Os CPs produzidos com as três classes e consu-

mos de cimento estudados pela técnica do potencial de

corrosão e em função do envelhecimento acelerado em

solução salina e do envelhecimento natural, apresenta-

dos por Portella e Garcia (2000) [6], influenciaram na

fabricação dos postes e cruzetas submetidos ao enve-

lhecimento natural. Deste estudo preliminar, verificou-

se, resumidamente:

• As composições com menor consumo de cimento por

metro cúbico de concreto, para as três classes de cimen-

to estudadas, foram as que apresentaram pior desempe-

nho nas medidas do potencial de corrosão da armadura

em, praticamente, todas as espessuras de recobrimento.

A exceção foi para a classe CPV-ARI RS, que apresen-

tou bons resultados para ambos os consumos.

• Dentre as classes estudadas, o pior desempenho na me-

dida do potencial de corrosão foi verificado para o ci-

mento CPII-Z 32, seguido do CPII-F 32 e, por último,

com melhor desempenho, a classe CPV-ARI RS.

• O efeito da adição de 8% de sílica ativa em substituição

parcial da areia, no traço com cimento CPII-F 32, foi

benéfico, reduzindo a expansão deletéria gerada pela in-

compatibilidade entre o cimento e os agregados, e me-

lhorando o seu desempenho sob envelhecimento em am-

biente salino.

A. Corpos-de-prova pintados

Os CPs pintados e expostos nas duas estações de cor-

rosão não apresentaram, visualmente, nenhum tipo de de-

gradação, mostrando a eficiência dos esquemas escolhi-

dos. No entanto, os transformadores pintados apresenta-

ram pontos com corrosão vermelha, principalmente na base

e nas tubulações do radiador, figura 3.

FIGURA 3 - Transformador pintado e instalado na orla deAracaju com pontos de corrosão vermelha.

Os CPs pintados, expostos nas estações de corrosãoda Caueira e da Petrobrás não apresentaram nenhum tipo

de empolamento ou enferrujamento visível, após o perío-do de 12 meses de exposição, demonstrando a eficiência

dos sistemas de pintura utilizados. Quanto à retenção debrilho e perda de cor dos acabamentos expostos, os me-

lhores resultados correspondem ao poliuretano acrílico,como pode ser observado nas tabelas 7 e 8.

TABELA 7Medidas de brilho após exposição nas estações de corrosão.

Acabamento Retenção de brilho (%)*

Estação Caueira Estação UPGN

Poliuretano acrílico 89 88

Poliuretano alifático 9 25

Esmalte alquídico 10 26

* valor médio

TABELA 8Medidas de cor após exposição nas estações de corrosão.

Acabamento Diferença de cor ( E)*

Estação Caueira Estação UPGN

Poliuretano acrílico 2,7 0,4

Poliuretano alifático 5,5 1,2

Esmalte alquídico 2,7 1,5

* valor médio

Os CPs pintados, expostos em câmara Weather-O-Meter pelo período de 2000 horas, foram avaliados

quanto à retenção de brilho e perda de cor dos acaba-mentos. Os resultados, descritos nas tabelas 7 e 8,

mostram que as diferenças de desempenho entre os aca-

bamentos são muito pequenas. Isto, possivelmente, in-dica que, em campo, tem-se outras variáveis que ace-

leram o processo de degradação de determinados re-vestimentos, que nem sempre poderão ser reproduzidas

em laboratório. O sinergismo entre os vários fatoresambientais agindo sobre os materiais pode acelerar ou

até mesmo alterar os mecanismos de envelhecimentodos mesmos.

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TABELA 9Medidas de brilho após exposição em câmara weather-o-meter.

Acabamento Retenção de brilho (%)*

Poliuretano acrílico 89

Poliuretano alifático 88

Esmalte alquídico 87

* valor médio

TABELA 10Medidas de cor após exposição em câmara weather-o-meter.

Acabamento Diferença de cor ( E)*

Poliuretano acrílico 0,5

Poliuretano alifático 0,4

Esmalte alquídico 1,4

* valor médio

Os CPs pintados, expostos em câmara de névoa sali-na contínua, pelo período de 3500 horas, foram avaliados

quanto ao grau de empolamento e grau de enferrujamentono corte em X. Dos CPs com substrato de aço carbono, o

melhor desempenho foi do sistema 1, com fundo epóxi ricoem zinco e acabamento poliuretano acrílico, não apresen-

tando bolhas e somente alguns pontos de corrosão verme-

lha. Dos CPs com outros substratos (aço galvanizado, alu-mínio e galvalume), o desempenho foi superior ao obser-

vado para o aço carbono, não apresentando bolhas e nemcorrosão vermelha. Os CPs com substrato de aço galvani-

zado apresentaram afloramento de corrosão branca no cor-te, sendo que os de substrato de galvalume e alumínio apre-

sentaram-se praticamente sem desenvolvimento de corro-são branca ou ferrosa. Todos os sistemas com acabamento

alquídico apresentaram bolhas pequenas na superfície, tanto

na região do corte quanto em outras regiões, e perda decor e brilho visíveis. Os sistemas de acabamento poliuretano

alifático apresentaram manchamento no revestimento eperda de brilho. Já os sistemas a base de poliuretano acríli-

co comprovaram sua maior eficiência também sob condi-ção corrosiva, sem apresentar bolhas, manchas e com mai-

or retenção de brilho e cor comparativamente aos outrosacabamentos. Na Figura 4 são mostrados registros foto-

gráficos para os sistemas de pintura com acabamento depoliuretano acrílico.

Os CPs expostos, também, foram submetidos à medi-

das de espectroscopia de impedância eletroquímica, comresultados apresentado no relatório técnico [5].

Os transformadores pintados apresentaram pontosde corrosão vermelha com poucos meses de exposição

à orla de Aracaju, principalmente na base e nas tubula-ções do radiador, como mostra a Figura 4. Uma das pro-

váveis causas é defeito na aplicação da tinta em algunspontos críticos do transformador, principalmente quan-

do comparados ao desempenho dos CPs pintados comos mesmos sistemas.

Sistema 1 - Aço Sistema 4 - Aço Sistema 7 - Aço

Sist. - Aço galvanizado Sist. - Ga-valume Sist. - Alumínio

Figura 4 - Corpos-de-prova pintados.

B. Corpos-de-prova de concretoOs CPs com inibidores de corrosão foram expostos

ao intemperismo natural nas duas estações de corrosão.Os resultados da medida do potencial de corrosão de acor-

do com a norma ASTM [12] são apresentados nas Figuras5(a) e 5(b). Em ambos os casos se observam a tendência

do potencial a evoluir no sentido da região onde a probabi-

lidade de corrosão é maior, sendo mais intenso quanto maisagressivo é o meio, neste caso, a praia da Caueira. Medi-

das de espectroscopia de impedância eletroquímica tam-bém foram realizadas tanto nos CPs que eram retirados

periodicamente como naqueles que ficaram no laboratórioe foram submetidos a imersão contínua e cíclica. Estes re-

sultados são observados no relatório [7].

0 50 100 150 200 250-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

Tem

po d

e cu

ra

Corrosão ativa

50 % Possibilidade de Corrosão Ativa

Sem corrosão

ECorr

/ mV

t / dias

Inibidor 1 Inibidor 2 Inibidor 3 Inibidor 4 Inibidor 5 Inibidor 6 Inibidor 7 Sem inibidor

Estação de corrosão praia da Caueira

(a)

0 50 100 150 200 250-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

Tem

po d

e cu

ra

Corrosão ativa

50 % Possibilidade de Corrosão Ativa

Sem corrosão

ECorr

/ mV

t / dias

Inibidor 1 Inibidor 2 Inibidor 3 Inibidor 4 Inibidor 5 Inibidor 6 Inibidor 7 Sem inibidor

Estação de corrosão Petrobrás

(b)

FIGURA 5 - Potenciais de corrosão dos CPs expostos aintemperismo natural, vs. eletrodo de calomelanos saturadoem KCl, (a) praia da Caueira, (b) Petrobrás.

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C. Artefatos de concretoOs resultados de potencial de corrosão da armadura dos

postes, expostos por cerca de 450 dias ao envelhecimento emcampo, estão apresentados na Figura 6. Tais resultados

correspondem a um valor médio obtido de 30 medidas conse-cutivas realizadas na região da primeira gaveta localizada aci-

ma da linha de engaste, nas mesas inferior e superior de cadaposte. Observa-se que os potenciais medidos encontram-se

gradativamente tendendo para a região de probabilidade in-certa de corrosão, sendo que o mais alterado se refere à com-

posição com o CPII-F 32. Inclusive, o aspecto superficial deste

poste é de início de corrosão da armadura, como pode servisto na mesma Figura, em destaque, pela alteração da cor

superficial à barra (sentido longitudinal) e da corrosão de par-te da armadura transversal em um dos estribos da primeira

gaveta acima da região de engaste.

0 100 200 300 400 500-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

ECorr

/ mV

t / dias

poste P225 - CPV ARI RS poste P222 - CPII F 32 com 8% de sílica ativa poste P232 - CPII F 32 - concreto-referência

90% de probabilidade de corrosão

incerta atividade de corrosão

90% de probabilidade de não haver corrosão

(a)

(b)

FIGURA 6 - (a) Potencial de corrosão dos postes expostos aointemperismo natural na estação de corrosão da praia daCaueira; (b) corrosão da ferragem transversal e alteração decor do concreto sobre a região da armadura longitudinal.

Comparando-se os resultados com as respectivas com-posições, podem-se destacar vantagens para a composição

com sílica ativa, como a de melhor desempenho, seguida

da composição com classe de cimento CPV-ARI RS e, fi-nalmente, a de pior desempenho, já comentado, para a com-

posição com CPII-F 32. Os CPs, de mesma composiçãodos postes, foram submetidos, após os testes de potencial

de corrosão da armadura e de espectroscopia de impedância

eletroquímica (teste realizado somente nos CPs envelheci-

dos no laboratório) sob envelhecimento natural e artificial,à análise micrográfica da superfície de fratura, em micros-

cópio eletrônico de varredura e à análise elementar pormicrossonda analítica de raios X, conforme apresentado

no relatório técnico [5].

IV. CONCLUSÕES

Tintas: todos os esquemas ensaiados nos CPs apre-

sentaram bom desempenho durante os 12 meses de testes.

No entanto, nos transformadores instalados em campo, osdois esquemas de pintura ensaiados, resultaram com defei-

tos após 6 meses. Isto significa que os problemas são ori-ginados na aplicação das tintas e são de simples resolução.

Quanto à escolha do melhor esquema de tintas, deve-seestender o estudo por um período maior.

CPs de concreto com inibidores de corrosão: todosos materiais ensaiados como inibidores não melhoram sig-

nificativamente o desempenho do concreto armado. Noentanto, pode-se citar que algum deles pode, nos estágios

iniciais, apresentar alguma vantagem com respeito aos CPs,

sem inibidor, mas em prazos longos o resultado pareceriaindicar que não melhora significativamente o desempenho

do concreto armado quanto à corrosão das armaduras.Artefatos de concreto armado: destacam-se aqueles

artefatos confeccionados com sílica ativa.

V. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq e a Eng. Cíntia Ri-

beiro pelo apoio no desenvolvimento do projeto.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

PERIÓDICOS:

[1] I. L. Kondratova, P. Montes, T. W. Bremner (2003, Maio). "Naturalmarine exposure results for reinforced concrete slabs with corrosioninhibitors", Cement and Concrete Composites, 25 (2003) 483 - 490.

[2] D. V. Val, M. G. Stewart. "Life-cycle cost analysis of reinforcedconcrete structures in marine environments", Structural Safety, 25(2003) in press (on line).

[3] V. T. Ngala, C. L. Page, M. M. Page. "Corrosion inhibitor systemsfor remedial treatment of reinforced concrete. Part 1: calcium nitrite",Corrosion Science, 44(09) (2002) 2073 - 2087.

[4] C. Andrade, C. Alonso, J. Sarría. "Corrosion rate evolution inconcrete structures exposed to the atmosphere", Cement andConcrete Composites, 24 (2002) 55 - 64.

Relatórios Técnicos:

[5] C. M. Garcia, K. J. Portella. "Estudo da degradação de materiais utili-zados na rede de distribuição de energia instalada na orla de Aracaju",primeiro relatório de projeto, LACTEC - ENERGIPE, (2002).

[6] K. F. Portella, C. M. Garcia. "Avaliação da degradação, corrosão e siste-mas de impermeabilização de estruturas de concreto armado". LACTEC/AMAT. PROJETO ANEEL/ENERGIPE, 110 (2000).

Artigos em Anais de Conferências (Publicados):

[7] K. F. Portella, A. Joukoski, C. M. Garcia, O. Baron, J. F. de Paula.Corrosion of concrete reinforcement: influence of cement type andcement content", Proc. 2002 International Corrosion Congress, Gra-nada Espanha, setembro (2002).

NORMAS:

[8] Standard Test Method for Half Cell Potential of UncoatedReinforcing Steel in Concrete, ASTM Standard C 876 91, 1991.

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RESUMO

Neste artigo é descrito a implementação e os principais resul-tados de laboratório para realização de ensaio de compatibili-dade em instalações de distribuição elétrica segundo NormaCODI 3.2.18.24.0. O sistema montado permite a utilizaçãoda instrumentação como ferramenta de investigação e avalia-ção de desempenho de equipamentos e acessórios sob con-dições ambientais simuladas e demais solicitações inerentes asistemas elétricos. Destaca-se que os resultados de envelheci-mento acelerado, para dois trechos de rede compacta, em la-boratório por 500 horas, reproduziu o ocorrido em ambientemarítimo de forte agressividade em 9 meses, ambos avaliadospor inspeção visual e hidrofobicidade da superfície de algunsacessórios. Com os resultados alcançados neste projeto e ex-periência adquirida em vários outros estudos já realizados,verifica-se que o estado de degradação da rede é fortementeafetado pelo design dos acessórios utilizados na rede.

PALAVRAS-CHAVE

Ensaio de Compatibilidade, Envelhecimento Acelerado, RedeCompacta, Multiestressamento.

I. INTRODUÇÃO

As redes aéreas compactas surgiram na década de 50, nos

Estados Unidos, quando Bill Hendrix desenvolveu um sistemaque utilizava cabos cobertos, denominado cabo-espaçador

(spacer cable). Este sistema foi desenvolvido para que a redeaérea tivesse uma compactação próxima a encontrada nas re-

des subterrâneas, possibilitando a utilização de até quatro cir-

cuitos na mesma "posteação" e aumentando a confiabilidade esegurança do sistema de distribuição aéreo [1,2].

Basicamente, uma rede aérea compacta é compostapor três condutores cobertos com camada de material

polimérico apoiados em espaçadores ou em separadores,também em material polimérico, sustentados por um cabo

mensageiro de aço. Os materiais poliméricos utilizados nacobertura dos cabos são o polietileno reticulado (XLPE) e

o polietileno de alta densidade (HDPE), podendo atual-mente ser encontrado em cabo com cobertura em dupla

camada [camada interna em polietileno de baixa densidade

(LDPE) ou XLPE e externa em HDPE].Além dos espaçadores e separadores, geralmente em

HDPE, outros elementos envolvidos na configuração deuma rede aérea compacta são os isoladores e acessórios de

amarração (anéis, laços e fios), os quais podem ser emHDPE, EPDM e borracha de silicone [8].

Por não possuírem blindagem metálica e apresenta-rem campo elétrico não-nulo em sua superfície, os cabos

utilizados nas redes compactas não podem ser considerados

isolados, apenas protegidos ou cobertos. A forma construti-va destes cabos permite que os mesmos fiquem mais próxi-

mos uns dos outros, bem como de galhos de árvores, semrisco de curto-circuito propiciando a diminuição das inter-

rupções do fornecimento de energia elétrica, com conseqüen-te melhora de sua qualidade. Além da diminuição do túnel

de poda, obtém-se uma melhoria na estética visual e dimi-nuição do número de podas [3]. Em resumo, este tipo de

rede apresenta a versatilidade e economia própria de umsistema aéreo convencional, com a vantagem de

compactação e confiabilidade próprias de um sistema utili-

zando cabos isolados.Redes aéreas compactas têm sido extensivamente uti-

lizadas no Brasil como uma solução eficaz para distribui-ção de energia elétrica, a custos economicamente compa-

tíveis com a realidade nacional [4,5,6]. A utilização da redeprotegida traz inúmeros benefícios ecológicos, diminuição

da poluição visual e melhoria da confiabilidade com rela-ção ao fornecimento de energia [7,8].

M. Munaro trabalha no Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento– LACTEC (e-mail: [email protected]).

F. Piazza trabalha no Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento –LACTEC (e-mail: [email protected]).

G. P. de Souza trabalha no Instituto de Tecnologia para o Desenvolvi-mento – LACTEC (e-mail: [email protected]).

R. J. Ferracin trabalha no Instituto de Tecnologia para o Desenvolvi-mento – LACTEC (e-mail: [email protected]).

J. Tomioka trabalha no Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento– LACTEC (e-mail: [email protected]).

A. R. Filho trabalha na Universidade Federal de São Carlos – UFUSCar(e-mail: [email protected]).

L.E. Linero trabalha na Companhia Paranaense de Energia – COPEL(e-mail: [email protected]).

Fatores de Influência na Compatibilidade deCabos Protegidos, Isoladores e AcessóriosUtilizados em Redes Aéreas Compactas de

Distribuição de Energia Elétrica, sobCondições de Multi-estressamento

M. Munaro, LACTEC, F. Piazza, LACTEC R. G., P. de Souza, LACTEC J. Ferracin, LACTEC, J. Tomioka,LACTEC, A. Ruvolo, LACTEC e L. E. Linero, COPEL.

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������

A rede protegida tem seu sistema isolante constitu-

ído por materiais poliméricos com formulações, quanti-

dade, cargas, aditivos e processamentos diferentes, que

podem alterar as características físico-químicas dos ma-

teriais. A geometria dos espaçadores, isoladores e aces-

sórios de fixação afetam a distribuição de campo elétri-

co e o aprisionamento de contaminantes e poluentes. O

sistema aéreo de distribuição esta sujeito ainda, a solici-

tações múltiplas como variações de temperatura, varia-

ções do campo elétrico, solicitações mecânicas e influ-

ência do meio podendo portanto apresentar diferentes

comportamentos frente às diversas solicitações [9,10].

O sinergismo destes fatores degrada os materiais

poliméricos e podem causar para o sistema isolante a

perda dos requisitos mínimos de suportabilidade para

continuidade de operação [11].

Entretanto, pouco se conhece sobre os mecanismos

de envelhecimento dominante nos materiais poliméricos

utilizados em redes compactas, sob condição de multi-

estressamento. Os principais mecanismos de envelheci-

mento por estresse elétrico que ocorrem em cabos co-

bertos empregados em redes aéreas compactas são o

trilhamento elétrico (tracking) e a erosão (erosion).

Trilhamento elétrico é um mecanismo de envelhecimen-

to superficial do dielétrico que produz trilhas elétricas

como resultado da ação de descargas elétricas próximas

ou na superfície do material isolante; erosão é a perda

localizada e gradual de massa que ocorre pela ação de

descargas superficiais [12,13].

Sabe-se que a estrutura molecular da superfície de

um só-lido difere do resto do material e a superfície pode

ainda ser oxidada ou alterada quimicamente pelo ar ou

gases industriais, especialmente na presença de luz so-

lar ou em operações a altas temperaturas [14,15]. Mui-

tos fatores afetam as propriedades da superfície do iso-

lante, podendo ser citados: aspectos topográficos

(rugosidade, presença de trincas); natureza molecular

(cristalino, amorfo); presença de impurezas na superfí-

cie (presença de fibras) em contornos de grão ou em

regiões amorfas entre cristalitos nos polímeros. A ma-

neira pela qual os contaminantes depositamse na super-

fície do isolante é especialmente importante no seu de-

sempenho em serviço. Esta situação é difícil de des-

crever de maneira quantitativa, devido à quantidade de

parâmetros envolvidos. A presença, natureza e carac-

terísticas de espalhamento do líquido contaminante na

superfície são especialmente importantes.

O alto valor de resistividade superficial dos

polímeros isolantes usualmente empregados em redes

compactas limita a circulação de correntes superficiais

responsáveis pelo fenômeno de trilhamento. Entretan-

to, fatores ambientais tais como (i) contaminação su-

perficial, (ii) poluentes industriais, (iii) sal e outros de-

pósitos, na presença de umidade, podem reduzir drasti-

camente a resistência superficial da isolação, criando

assim condições para fluir correntes entre pontos de di-

ferentes potenciais. Correntes superficiais circulando

continuamente através do filme condutor, podem cau-

sar evaporação não-uniforme, formando as chamadas

bandas secas. Consequentemente, o campo elétrico tor-

na-se não-homogêneo, podendo provocar a ocorrência

de descargas superficiais que carbonizam o material e

iniciam a formação de trilhas elétricas. Com a carboni-

zação, aumenta-se a não-homogeneidade do potencial

superficial, contribuindo assim para a aceleração do fe-

nômeno de trilhamento elétrico. Quando este fenôme-

no ocorre sobre uma área limitada do polímero, pode

suceder a erosão. Além do estresse elétrico, outros fa-

tores podem ter influência no envelhecimento superfici-

al de polímeros isolantes, tais como o estresse mecâni-

co, estresse térmico e ambiental, notadamente a inci-

dência de radiação ultravioleta (UV).

Os fenômenos de trilhamento e erosão ocorrem nos

pontos de contato do cabo com objetos aterrados, tais

como galhos de árvores, e nos pontos de amarração do

cabo nos isoladores. Além disso, o uso de diferentes

materiais nos cabos, isoladores e acessórios em diver-

sos arranjos em uma mesma rede compacta pode acar-

retar a ocorrência de pontos de concentração de campo

elétrico e de acumulação de carga espacial na interface

(efeito Maxwell - Wagner) [16,17].

Este trabalho tem por objetivo: (1) Analisar o de-

sempenho de diferentes configurações cabo protegido /

isolador / acessórios, usualmente utilizadas na área de

concessão da COPEL, sob condições de multiestressa-

mento; (2) Desenvolver técnicas de medidas elétricas,

dielétricas e físico-químicas para estudos de compatibi-

lidade de cabos protegidos, isoladores e acessórios uti-

lizando diferentes polímeros como isolantes sujeitos à

condição de multiestressamento. (3); Avaliar as propri-

edades elétricas, dielétricas e físico-químicas de políme-

ros utilizados como isolante em cabos protegidos, iso-

ladores e acessórios em redes aéreas compactas de dis-

tribuição de energia elétrica; (4) Identificar os mecanis-

mos de envelhecimento nas diversas situações experi-

mentais analisadas, notadamente os processos ocorren-

do nas interfaces polímero / polímero, polímero / cerâ-

mica e polímero / metal; (5) Identificar os mecanismos

de ruptura dielétrica em interfaces polímero / polímero,

polímero / cerâmica e polímero / metal; (6) Desenvolver

modelos teóricos de acumulação de carga espacial nas

interfaces polímero / polímero e analisar suas conseqü-

ências para a determinação da vida útil remanescente de

cabos, isoladores e acessórios para rede aérea compac-

ta e (7) Formar e atualizar recursos humanos e banco de

dados dos resultados.

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II. ENVELHECIMENTO DE SISTEMASISOLANTES POLIMÉRICOS

Apesar das vantagens apresentadas pela rede aérea com-pacta, esta apresenta alguns problemas de origem intrínseca

e extrínseca aos materiais empregados. Os principais pro-

blemas intrínsecos aos materiais envolvem: suscetibilidade

ao trilhamento elétrico e a erosão; sensibilidade à radiação

ultravioleta; presença de materiais com constantes dielétricas

distintas, levando a concentração de campo elétrico em lo-cais específicos; e susceptibilidade a esforços termomecâni-

cos, os quais podem gerar o aparecimento de fissuras [18,

19]. Entre os problemas extrínsecos aos materiais estão pro-jeto inadequado de acessórios, causando concentração in-

desejável de campo elétrico e/ou fixação inadequada favo-recendo o escorregamento do cabo; projeto de instalação

inadequado, propiciando a proximidade das partes vivas coma amarração e possíveis contatos do cabo com galhos de

árvores; utilização de materiais incompatíveis com as solici-tações encontradas em campo; e susceptibilidade a

sobretensões devido a proximidade entre fases e terra [20].Todos estes problemas contribuem para o início e/ou acele-

ração dos mecanismos de envelhecimento que ocorrem nos

materiais de proteção empregados nas redes aéreas com-pactas [21,22,23]. Os principais mecanismos são o

trilhamento elétrico e erosão, oxidação e fotodegradação.

A. Falhas superficiaisNas redes aéreas compactas, o principal fator de enve-

lhecimento dos materiais poliméricos são as reações de oxi-dação. Uma variedade de fatores pode promover estas rea-

ções, como radiação, calor, forças mecânicas, ou poluentescomo o ozônio, que pode freqüentemente ser gerado por

descargas elétricas parciais em uma atmosfera contendo oxi-

gênio [24,25]. Tem-se observado que os materiaispoliméricos podem ser afetados pelas variações climáticas

como temperatura e intensidade de radiação solar, umidade,poluição atmosférica e oxigênio contido no ar [26].

Como os materiais poliméricos em estudo estão su-jeitos, além dos efeitos ambientais, a campo elétrico, aque-

cimento por efeito Joule e esforço mecânico, que são tam-bém fatores que podem promover a degradação dos

polímeros, pode-se considerar desta forma que estes equi-

pamento estão sob solicitações múltiplas. Na reação de degradação, ligações químicas dos

polímeros quebram formando radicais livres por aqueci-mento, radiação ionizante, esforço mecânico entre outros.

O radical livre reage com oxigênio transformado-o em ra-dical peróxi, que por sua vez abstrai hidrogênio de outra

cadeia polimérica, gerando um radical livre na mesma. Ogrupamento hidroperóxido é pouco estável e se decompõe

em dois novos radicais, um hidroxílico e outrohidrocarboxílico, que atacam duas novas posições no

polímero aumentando a taxa de degradação do material

[27], como mostra a Figura 1.

R1 – R

2 → R

1 + R

2(a)

R + O

2 → RO

2(b)

RO2 +

RH → ROOH

+ R (c)

ROOH → RO

+ HO (d)

FIGURA 1 - Representação das reações químicas de degrada-ção de polímeros: (a) formação dos radicais livres, (b) reaçãodo radical livre com O

2, (c) formação do hidroperóxido (d)

decomposição do hidroperóxido.

Nos cabos têm-se duas frentes de degradação, uma

a partir da superfície externa causada pelos efeitos am-bientais e outra a partir da superfície próxima ao condu-

tor por degradação térmica causada pelo efeito Joule.

Esta temperatura depende da demanda de energia elé-trica da rede. Para aumentar a resistência à degradação

dos materiais poliméricos, estes podem ser aditivadoscontra os efeitos da radiação solar bem como contra a

degradação térmica [24].

III. METODOLOGIA

Foram realizadas as seguintes determinações e mon-tagens experimentais: (a) Foram realizados ensaios em mon-

tagem para avaliar compatibilidade de materiais; (b) Fo-

ram realizadas inspeções visuais em cabos e acessórios re-tirados da rede da COPEL e de montagem experimental;

(c) Foram realizados em laboratório determinações depermissividade relativas e resistência superficial de cabos

e acessórios, com a finalidade de validar os mecanismos dedistribuição de campo e trilhamento elétrico descritos na

revisão bibliográfica; (d) Foram realizadas determinaçõesde alterações da hidrofobicidade com a aplicação de solici-

tações em laboratório e (e) Foram realizadas determina-

ções de imagens térmicas de cabos e acessórios, submeti-das às solicitações de laboratório.

A. Montagem ensaio de compatibilidadeDiferentes configurações cabo/acessórios (espaçado-

res e anéis/laços de amarração), de rede protegida, foram

instalados e avaliados em montagem, conforme CODI3.2.18.24.0 [28], e solicitados por condições específicas

de carregamento e alta agressividade salina. Esta monta-gem para ensaio, conforme mostrado na figura 2 permite a

variação de temperatura, tensão elétrica aplicada e asper-

são salina sobres as amostras.Os cabos e acessórios podem ser solicitados por apli-

cação de tensão elétrica trifásica de até 40kV por 3 transfor-madores monofásicos, potência térmica de 4000VA, relação

350/600:1, tensão primária de 69000/ 3, tipo 00J68-69 efabricação HITACHI-LINE. A regulação da tensão é realiza-

da através de variador de tensão trifásico motorizado, 50/60Hz,100A, 0-220VCA, tipo T - 34100 de fabricação AUJE.

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Na figura 6 pode ser observado trilhamento elétrico e

erosão para o mesmo conjunto cabo espaçador e laço de

amarração após 500horas em arranjo submetido a 22kV en-tre fases, aspersão 1mm/minuto de água com condutividade

de 1300µS/cm de 5 minutos a cada 15 minutos e temperatu-ra induzida por corrente na superfície do cabo de 60oC.

FIGURA 5 - Imagem do cabo e da amarração mostrandotrilhamento elétrico na superfície do cabo da rede instaladapróximo da arrebentação do mar.

FIGURA 6 - Imagem do cabo e da amarração mostrandotrilhamento elétrico na superfície do cabo obtida pelo ensaio decompatibilidade em laboratório.

Na figura 7 pode ser observado trilhamento elétri-

co e erosão em cabo protegido de 35mm2 de fabricaçãoapós o período de um ano e meio de instalação em rede

da COPEL de 15kV instalada próximo a orla marítima.Na Figura 8 pode ser observado trilhamento elétrico e

erosão para o mesmo conjunto cabo espaçador e anel deamarração após 500horas em arranjo submetido a 22kV

entre fases; aspersão de 1mm/minuto de água, comcondutividade de 1300µS/cm, de 5 minutos a cada 15

minutos e temperatura induzida por corrente na superfí-cie do cabo de 60oC.

FIGURA 7 - Imagem do cabo na região em contato com oespaçador fixado com anel de amarração onde é observado umtrilhamento elétrico e acúmulo de depósitos na superfície docabo, da rede instalada próximo da arrebentação do mar.

FIGURA 8 - Imagem do cabo na região em contato com oespaçador fixado com anel de amarração onde é observado umtrilhamento elétrico na superfície do cabo testado no ensaio decompatibilidade em laboratório.

A figura 9 apresenta trilhamento e erosão que foramobservados, tanto no ensaio de compatibilidade como na

rede instalada na orla marítima, estas degradações foramnotadas onde os cabos fazem contato com o berço do

espaçador e nas regiões de contato com as amarrações asquais permitem o acúmulo de contaminantes.

A solicitação por temperatura na superfície do cabo foi

produzida pela indução de corrente através de conjunto

transformador de corrente de fabricação LACTEC e re-gulador de tensão de núcleo variável, 440/0-440VCA,

150A, motorizado de fabricação AUJE. A solicitação deaspersão de solução salina foi realizada através da

pressurização desta solução através de conjunto bomba -motor de fabricação WEG, modelo 56, trifásico, 220/380V,

3,4 / 1 A, 3450 rpm.A montagem permite variar as grandezas solicitantes atra-

vés da intervenção no regulador de tensão elétrica para ajus-

tes na tensão entre fases, regulador de tensão da fonte de cor-rente, e precipitação e condutividade da solução salina. A

figura 3 e a figura 4 mostram detalhes destas montagens.

FIGURA 2 - Vista Lateral e de topo da configuração desolicitação elétrica e precipitação salina

IV. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A. Inspeção visualNa Figura 5 pode ser observado trilhamento elétrico

e erosão em cabo protegido de 35mm2 após o período deum ano e meio de instalação em rede da COPEL de 15kV

instalada próximo a orla marítima.

FIGURA 4 - Vista da montagem.

FIGURA 3 - Vista dos controladores dos processo.

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FIGURA 9 - Imagem do cabo na região em que o cabo estavaapiado no berço do espaçador onde observa-se acumulo de sale trilhamento formado.

A figura 10 apresenta regiões com trilhamento, ob-servados no corpo dos espaçadores, em várias regiões onde

não há contato direto com o cabo ou acessórios. Estas de-gradações podem ter sido causadas por imperfeições e/ou

pela geometria destes acessórios que permitem acumulode contaminantes, criando caminhos condutivos que favo-

recem o trilhamento elétrico.

FIGURA 10 - Imagem do espaçador onde são observadostrilhamento em ma região cujo o desenho da peça permite oacúmulo de poluentes e região onde a peça apresenta irregula-ridades na superfície permitindo o maior temo permanecia doscontaminantes

Pelo observado pode-se inferir que o ensaio de com-

patibilidade montado pelo LACTEC pode reproduzir al-guns resultados obtidos em campo. Embora as redes pro-

tegidas não sejam projetadas para às solicitações a quefoi submetida, os resultados do ensaio de compatibilida-

de pode auxiliar na melhoria do desempenho dosespaçadores para uso em ambiente de baixa e média

agressividade. Salienta-se que o procedimento de impri-mir solicitações extremas pode ser utilizado para se obter

resultados mais rapidamente.

B. Montagem do ensaio de compatibilidadeNo sistema desenvolvido e instalado é possível mani-

pular individualmente os níveis de solicitações (elétrica,

chuva, salinidade, etc.) sobre um trecho de rede o qualutiliza diversos equipamentos e acessórios disponíveis no

mercado e observar em curto espaço de tempo a compati-bilidade entre as diversas concepções de engenharia e ma-

teriais de fabricação sob solicitações específicas. Os resul-tados obtidos foram validados com a comparação com al-

guns resultados observados em redes compactas de distri-

buição avaliada em outros projetos executados pelo grupode Pesquisadores do LACTEC.

Este se trata do principal resultado físico deste proje-to, já que este sistema permite que seja feita uma avaliação

da compatibilidade de materiais em resultado mais curto.O ensaio utilizou somente uma configuração de parâmetros

devido ao fato que houve atraso nas obras civis de cons-

trução do laboratório. Contudo, pelos resultados obtidos,

foi possível demonstrar que os fenômenos observados em

campo são possíveis de reprodução em laboratório e destemodo, em projetos futuros, espera-se estudar e avaliar

melhor o efeito de cada um das variáveis sobre a rede com-pacta instalada em laboratório e extrapolar estes resulta-

dos para redes compactas instaladas em campo.

V. CONCLUSÕES

Do observado até o momento pode-se afirmar que:

a)Para evitar o aprisionamento de contaminantes, sugere-se,

geometria que não promova a formação de vórtices, ou seja,devem ser evitados os cantos vivos de forma a promover

fluxos que não ocasionem aprisionamento de partículas;b)As rebarbas observadas nos espaçadores dos três fabri-

cantes propiciaram o aprisionamento de depósitos e,portanto, devem ser evitados;

c)Dispositivos de amarração tais como laços e alças pré-formadas podem ser otimizados de forma a não permitir

o aprisionamento de partículas.

A concepção do laboratório de compatibilidade permite

testar condições específicas de configuração de rede e combi-nações das variáveis estressamento, onde a intensidade de cada

solicitação pode ser ajustada (intensificando ou reduzindo)identificando possíveis aspectos mais susceptíveis do projeto

e dos materiais de construção (características elétricas, físico-químicas, mecânicas, "design", entre outros).

A figura 11 ilustra as possibilidades de combinaçõesdas condições de multiestressamento a que pode-se sub-

meter uma determinada configuração de rede. É importan-

te salientar que várias combinações de solicitações em di-ferentes intensidades podem apresentar características se-

melhantes de desempenho para um mesmo projeto de rede.A aparente dificuldade devido ao grande número de

variáveis do teste de compatibilidade que podem ser com-binadas, demonstra que para determinados ambientes, pode-

se submeter diferentes arranjos de montagem de rede acondições específicas intrínsecas da região e determinar os

limites de suportabilidade de outras varáveis deestressamento. Outra aplicação deste laboratório é o teste

comparativo de desempenho de novos projetos de equipa-

mentos e acessórios sob condições pré-determinadas.

Red

uçã

o

Implantado Possibilidade de implementação

Ace

lera

ção

Asp

ersã

o

Out

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Pol

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Rad

iaçã

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Tér

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a

Sa

linid

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nsid

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Tipo de Solicitação

Elé

tric

a

Normal

FIGURA 11 - Ilustração de possibilidades de combinações devaiáveis de multiestressamento no ensaio de compatibilidadeelétrica.

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A comparação da temperatura que é atingida nestes

testes com a distribuição de calor gerada no ensaio de com-

patibilidade sob condições de operação da rede, combina-das a características ambientais que podem ser reproduzidas

em laboratório, no ensaio de compatibilidade elétrica, in-dica o nível de solicitação a que estas redes são submetidas

em operação com relação aos limites de suportabilidadedeterminados nos ensaios referidos.

Esta metodologia torna disponível a execução de tes-tes para novos acessórios e equipamentos e vem auxiliar

na avaliação da expectativa de vida útil e em soluções de

engenharia para atenuação de situações de estresse destasinstalações.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] DOI, H.; MIYUACHI, H.; MATSUMOTO, M. T. Cabos Cobertoscom XLPE para Linhas Aéreas de Distribuição. Mundo Elétrico, p.90-93, fev. 1987.

[2] NISHIMURA, F.; CICARELLI, L.D.; MARTINS, J.P. Rede AéreaIsolada e Protegida de Média Tensão. Eletricidade Moderna, n. 241,p. 68-73, abr. 1994.

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[4] Piazza, F.; Silva, G.C.; Leguenza, E.L.; Gulmine, J.V.; Munaro, M.;Braga, D.; Bornacim, A.; Mello, J.S.; Neri, P.J.; Tomioka, J.; Scarpa,P.C.N. and Das-Gupta, D.K., “Avaliação de Cabos Isolados emPolietileno Utilizados em Redes Subterrâneas Utilizando Ensaiosde Tensão de Retorno”, XIV Seminário Nacional de Distribuiçãode Energia Elétrica – SENDI 2000, Foz do Iguaçu-PR, Brasil, no-vembro 19-23, 2000.

[5] Silva, G.C., “Comportamento Elétrico e Dielétrico de Cabos dePotência Extrudados Utilizados em Redes de Distribuição de Ener-gia Elétrica”, Dissertação de Mestrado, UFPR – Universidade Fe-deral do Paraná / Setor de Tecnologia / PIPE – ProgramaInterdisciplinar de Pós-graduação em Engenharia / Área Engenha-ria e Ciência dos Materiais, 2000.

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Page 65: Materia Is

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E.. D . Kenny – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento –LACTEC; e-mail: [email protected];

O. M. Cruz – Companhia Energética do Maranhão – CEMAR; e-mail:[email protected]

O Impacto da Poluição Atmosféricasobre a Rede Aérea de Distribuição de

Energia da Ilha de São LuísE. D. Kenny, LACTEC, O. M. Cruz , CEMAR, J.M.da Silva, LACTEC, J.Lázaris, LACTEC, J.V.Novaes Jr.,

LACTEC, Y.C.Sica, LACTEC, M. Ravaglio, LACTEC, P.R.Mendes, CEMAR. J.C.Mendes, CEMAR

I. INTRODUÇÃO

É de conhecimento geral que todos os materiais se

degradam pela influência das condições atmosféricas. Es-

tas influências são principalmente o oxigênio, a umidade e

os contaminantes atmosféricos. Outra importante fonte de

degradação é a radiação global do sol. Todos estes

parâmetros constituem o que se denomina macroclima de

uma determinada região. Em contrapartida, o microclima

é o clima específico que se forma ao redor do objeto, o

qual é de importância fundamental para a compreensão dos

mecanismos de degradação atmosférica dos materiais, se-

jam eles metálicos, poliméricos ou cerâmicos. Entre os

parâmetros que definem o microclima podemos considerar

a formação de orvalho, ou em geral o tempo de

umedecimento da superfície, bem como o aquecimento dos

objetos pela radiação global, especialmente a radiação

infravermelha, e o acúmulo de íons de natureza ácida so-

bre a película aquosa depositada sobre o objeto. Em se

tratando de corrosão atmosférica metálica, é importante

ressaltar que o seu mecanismo é essencialmente

eletroquímico, e portanto, considera-se praticamente des-

prezível este fenômeno quando o material encontra-se em

RESUMO

O presente trabalho está sendo desenvolvido em parceria com aCompanhia Energética do Maranhão – CEMAR, por um perío-do de dois anos e tem como principal objetivo mapear a Ilha deSão Luís quanto ao grau de corrosividade atmosférica e suainfluência sobre os alimentadores de 13.8 kV e 69 kV, e comisto promover uma redução nos desligamentos intempestivosocorridos principalmente durante o período em que é reduzidoo índide pluviométrico. Para isto estão sendo monitorados al-guns parâmetros na atmosfera, tais como cloretos, sulfatos epartículas sedimentáveis, os quais são correlacionados comparâmetros meteorológicos que tem influência direta sobre oprocesso da degradação de materiais, como temperatura, umi-dade relativa, precipitação, ventos, insolação, evaporação e ra-diação solar. Foram selecionados cinco ambientes distintos paraimplantação de Estações para o estudo da Corrosão Atmosféri-ca, são eles: Subestação Renascença (nas proximidades de man-gue) ; Subestação Itaqui (nas proximidades da Companhia Valedo Rio Doce); UEMA (campus da Universidade Estadual doMaranhão, em frente ao Núcleo de Meteorologia); Praia do Meio(orla marítima com rebentação de ondas e forte influência dasmarés e dos ventos); e Panaquatira (orla marítima com mar cal-mo e forte influência dos ventos). As Estações de Corrosão At-mosférica são compostas de estação para monitoramento depoluentes e estação de Intemperismo Natural onde foram ex-postos corpos de prova de materiais metálicos padrões utiliza-dos no sistema aéreo de distribuição de energia com o objetivode avaliar o desempenho anticorrosivo desses materiais: açobaixo carbono, aço inoxidável, alumínio, cobre, aço revestidocom zinco, alumínio e ligas de zinco-alumínio pelos processosde aspersão térmica e imersão a quente. Também foram insta-ladas três unidades piloto para monitoramento de isoladores a

diferentes distâncias da orla marítima- 0 , 100 e 200 metros -,com o objetivo de poluir naturalmente o isolador durante o pe-ríodo de seca mais crítico, de agosto a dezembro, para então seravaliado o seu desempenho em laboratório, uma vez que umdos maiores problemas enfrentados na região é com os siste-mas de isolamento durante este período de poucas chuvas, agra-vado por ser área tropical costeira, o que implica na permanên-cia prolongada dos cristais de sal na superfície dos condutores,ferragens, postes e equipamentos. Os isoladores instalados paraacompanhamento em cada unidade foram de pino polimérico ede porcelana de 15 kV, dois de pino de porcelana de 27 kV, umde pino multicorpo de porcelana de 34,5 kV e duas cadeias deisoladores, sendo uma de vidro e uma de polimérico de 69 kV ,conforme disponibilidade das amostras em almoxarifado. Asamostras foram instaladas em final de julho e retiradas em iní-cio de dezembro. Está previsto a realização de ensaios de fre-qüência industrial e impulso atmosférico em laboratório, a fimde comparar a suportabilidade dos isoladores poluídos em rela-ção ao isolador novo, sem poluição. Serão realizados ensaiosdielétricos com os isoladores poluídos, ligeiramente umedeci-dos, bem umedecidos e razoavelmente molhados, submetidos àcondição de chuva leve e sob condição de chuva pesada, a fimde verificar a redução da suportabilidade dos isoladores em fun-ção do grau de poluição natural a que foram submetidos. Destemodo pretende-se reduzir a ocorrência de falhas e interrupçõesno sistema de distribuição de energia elétrica. Com o resultadodessa pesquisa vislumbra-se uma economia para a CEMAR daordem de no mínimo 20% em materiais.

PALAVRAS-CHAVE

Corrosão atmosférica; degradação de materiais; poluição am-biental.

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II- RESULTADOS E DISCUSSÃO

Dados Meteorológicos

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out N ov D ez

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

In

so

laç

ão

(H

ora

s e

cim

os

)

Ev

ap

ora

çã

o (

mm

)

M eses

M édia dos ú ltim os 30 anos - São Luiz

FIGURA 1 - Curvas de evaporação e precipitação representan-do valores médios mensais obtidos nos últimos 30 anos na Ilhade São Luís

Jan Fev Mar Abr Mai Jun20222426283032343638

1004

1005

1006

1007

1008

Pre

ssão

(m

bar)

100150200250300350400450500

Pre

cipi

taçã

o (m

m)

84

86

88

90

U

R (

%)

São Luiz 2002

Tem

pera

tura

(ºC

)

Meses

Mínima Máxima Média

FIGURA 2 - Gráficos apresentando dados meteorológicosobtidos durante os meses de janeiro a junho de 2002 na Ilha deSão Luís

Com base nos gráficos analisados pode-se estabe-lecer que:

• De acordo com a classificação climática de Köppen, con-siderando a temperatura e a pluviosidade médias anuais,

podemos classificar a Ilha de São Luís entre o clima Am–Equatorial e Aw-Tropical, marcado pelas temperaturas

médias entre 27e 29º C e uma pluviosidade em torno de1700 a 1900 mm/ano, caracterizando-se por apresentar

duas estações bem definidas: período de seca (de agostoa dezembro) e período de chuvas (dezembro a julho).

• De acordo com a norma ISO 9223, o tempo de superfícieúmida calculado em função do intervalo de tempo em quea umidade relativa é maior que 80% e a temperatura estáacima de 0ºC classifica a atmosfera da Ilha de São Luís na

uma atmosfera seca à temperatura ambiente. Sendo assim,

as precipitacões aquosas como chuva, neve, neblina e a

condensação da umidade devido a mudanças de tempera-

tura (orvalho) são fatores determinantes no processo da

corrosão atmosférica. È importante lembrar que a pre-

sença de sais higroscópicos, tais como o cloreto de sódio

(NaCl), tende a abaixar a umidade relativa crítica na su-

perfície do metal e os processos de corrosão, nesse caso,

irão depender das características da superfície metálica

(tipo de metal), bem como da concentração de gases cor-

rosivos e partículas em suspensão na atmosfera e sua ve-

locidade de deposição. Apesar de ser a corrosão atmos-

férica, talvez a mais velha e conhecida forma de corro-

são, e de ser um tema de fundamental importância para o

setor elétrico, como em tantos outros setores, ainda há

numerosas dúvidas sobre os mecanismos que governam

as reações, e as variáveis que influenciam a cinética com

que se desenvolve os seus processos. Um dos motivos

desta lacuna é que este fenômeno começou a ser seria-

mente investigado somente após 1920 e ainda hoje per-

siste a dificuldade com estudos e ensaios em laboratório

por meio de técnicas da ciência dos materiais e da

eletroquímica, pois um dos maiores problemas com que

se deparam os pesquisadores é a simulação precisa em

laboratório das condições meteorológicas e atmosféricas

que encontra-se na prática.

Atualmente, o principal motivo que move a pesquisa

dos fenômenos é de ordem econômica, e neste caso, as

perdas diretas e indiretas causadas pela corrosão atmosfé-

rica são enormes. São da ordem de US$ 10 bilhões/ano no

Brasil, sendo que vinte por cento deste montante poderia

ser economizado se fosse utilizada a tecnologia de trata-

mento de superfície adequada.

Além do aspecto econômico, representado pela ne-

cessidade de redução das perdas de materiais que se pro-

duzem por desgaste progressivo , outro fator relevante

é o aspecto da preservação das reservas mundiais de mi-

nérios, as quais são limitadas e, cujo consumo abusivo

corresponde a um desperdício de reservas energéticas.

É com esse enfoque que este estudo de pesquisa

e desenvolvimento se propõe a desenvolver

metodologias para classificação da corrosividade do

ambiente ao qual estão expostas algumas linhas de dis-

tribuição da Ilha de São Luís, para com esses dados

podermos atuar sobre o melhor desempenho de mate-

riais estruturais, componentes metálicos e principalmen-

te isoladores, os quais vem apresentando sérios pro-

blemas de manutenção à concessionária, e por conse-

qüência aos usuários, devido ao grande número de des-

ligamentos intempestivos.

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categoria de corrosividade “t4”, isto é, atmosfera de altacorrosividade. A condição apresentada de elevada umida-de relativa aliada a altas temperaturas favorece os proces-sos de deterioração dos materiais na atmosfera, principal-mente no caso da corrosão atmosférica de metais. Esteíndice de deterioração da atmosfera (I), obtido através dedados meteorológicos, pode ser calculado pela seguinteexpressão de Brooks: I=(HR-65)P/100 onde HR é a umi-dade relativa média anual e P é a pressão de saturação dovapor de água na atmosfera correspondente a temperatu-ra média anual. Portanto, o grau de deterioração da at-mosfera da Ilha de São Luís é igual a 4,7 o que a classificacomo atmosfera corrosiva com índice de deterioraçãomoderado com tendência a alto

Estações de PoluentesA média encontrada até agora para cloretos, sulfatos

e partículas sedimentáveis em cada estação são apresenta-

das nas tabelas 1, 2 e 3 respectivamente.

TABELA 1Médias mensais do teor de cloretos na atmosfera de SãoLuís – Ano 2002

PeríodoECA 1 ECA 2 ECA 3 ECA 4 ECA 5

Mar/Mai 15,82 8,24 N N NMai/Jun 24,10 17,22 137,73 105,02 6,90Jun/Jul 21,52 17,83 78,91 84,29 7,17Jul/Ago 71,74 29,89 213,23 257,07 11,95Agosto 110,33 40,35 332,20 426,60 7,69Setembro 248,62 98,34 664,87 776,34 14,84Outubro 179,48 69,35 498,54 601,47 11,27Média 95,94 40,17 320,91 375,13 9,97

Cl- (mg / m2 . dia)

N – Coletores não instalados no período.

TABELA 2Médias mensais da taxa de sulfatação total na atmosferade São Luís – Ano 2002

PeríodoECA 1 ECA 2 ECA 3 ECA 4 ECA 5

Mar/Mai 0,023 0,073 N N NMai/Jun* 0,398* 0,4* 0,346* 0,454* 0,266*Jun/Jul 0,079 0,057 0,048 0,026 0,018Jul/Ago 0,066 0,031 0,101 0,136 0,007Agosto 0,075 0,022 0,176 0,184 0,007Setembro 0,099 0,031 0,167 0,177 0,012Outubro 0,088 0,034 0,208 0,272 0,025Média 0,072 0,041 0,140 0,159 0,014

SO3 (mg / 100 cm2 . dia)

* Dados desconsiderados no cálculo da média devido a problemasoperacionais

N – Coletores não instalados no período

TABELA 3Teor de partículas sedimentáveis na Ilha de São Luís – Ano 2002

Período PARTÍCULAS SEDIMENTÁVEIS(g/m2 , 30 dias)

ECA 1 ECA 2

Mai/Jun 4,950 1,170

Jun/Jul 5,076 2,564

Jul/Ago 3,917 3,597

Agosto 5,099 4,402

Setembro 5,198 5,010

Outubro 5,602 5,024

As figuras 3, 4 e 5 apresentam os valores médios men-

sais da taxa de sulfatação, teor de cloretos e teor de partículas

sedimentáveis, respectivamente, encontrados no ano de 2002para as 5 ECA’s , por meio de diagrama de barras.

Mar/Mai Mai/Jun Jun/Jul Jul/Ago Ago/Set Setembro Outubro0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Teor de Cloretos

Período

Cl- (

mg

/m2.d

ia)

SEItaqui SERenascença UEMA PraiadoMeio Panaquatira

FIGURA 3 - Gráficos apresentando dados de cloretos obtidosdurante os meses de Março a Outubro de 2002 na Ilha de São Luís

Mar/Mai Jun/Jul Jul/Ago Ago/Set Setembro Outubro0,00

0,020,04

0,060,080,10

0,12

0,140,160,18

0,200,220,24

0,26

0,280,300,32

0,34

Taxa de Sulfatação

Período

SO

3

(m

g /

10

0 c

m2 .

dia

)

SEItaqui SERenascença UEMA PraiadoMeio Panaquatira

FIGURA 4 - Gráficos apresentando dados da Taxa deSulfatação obtidas durante os meses de Março a Outubro de2002 na Ilha de São Luís

Mai/Jun Jun/Jul Jul/Ago Ago/Set Setembro Outubro0

1

2

3

4

5

6

7

Partículas Sedimentáveis

PA

RT

ÍCU

LAS

SE

DIM

EN

VE

IS

(g/m

2 . 30

dia

s)

Período

SEItaqui SERenascença

FIGURA 5 - Gráficos apresentando dados do Teor de partículassedimentáveis obtidos durante os meses de Março a Outubro de2002 na Ilha de São Luís

A tabela 4 apresenta a classificação da agressividadedo ambiente de cada ECA com base nos resultados de

poluentes obtidos neste ano de amostragem,

TABELA 4Classificação da agressividade do ambiente

Local ECA 1 ECA 2 ECA 3 ECA 4 ECA 5

Tipo de Ambiente Corrosivo Marinho Marinho Marinho Marinho Rural

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Porém, quando classificada a corrosividade do ambi-

ente, ou seja, a agressividade atmosférica sobre metais e

ligas metálicas baseada nos dados atmosféricos, conformenorma ISO 9223:1992, as categorias de corrosividade são

apresentadas em função do teor de poluentes e do tempode superfície úmida. A Tabela 5 apresenta a classificação

da atmosfera de cada ECA em categorias de corrosividadecom base nos resultados de poluentes.

TABELA 5Classificação de contaminação por poluentes – ISO 9223

LOCAL ECA 1 ECA 2 ECA 3 ECA 4 ECA 5

CATEGORIA DE CORROSIVIDADE DA

ATMOSFÉRA A0 B2 A0 B1 A1 B3 A1 B3 A0 B1

A Tabela 6 apresenta a classificação da agressividadeatmosférica sobre os metais padrões, para cada ECA, em

categorias de corrosividade com base nos resultados depoluentes e de tempo de superfície úmida.

TABELA 6Categorias de corrosividade estimada na atmosfera – ISO 9223

METAL PADRÃO ECA 1 ECA 2 ECA 3 ECA 4 ECA 5

Aço Carbono C4 C3 C5 C5 C3

Zinco e Cobre C4 C3 C5 C5 C3

Alumínio C4 C3 C5 C5 C3

Onde: C3 – corrosividade média; C4 – corrosividade alta; C5 –corrosividade muito alta

Estações de Intemperismo NaturalApós cinco meses, foi realizada inspeção visual dos

corpos de prova expostos nas Estações de IntemperismoNatural de Renascença e Itaqui.

Foram retirados os corpos de prova R4, A2 e C1 deItaqui e o R3 de Renascença, e trazidos para laboratório

para determinação da taxa de corrosão por meio de ensaiode perda de massa, conforme ABNT NBR 8278, cujos re-

sultados são apresentados na Tabela 7.

TABELA 7Taxa de corrosão dos corpos de prova retirados após 5meses de exposição nas Estações de Intemperismo Natural

Instalação Retirada (g/m2.ano) (um/ano)

C1 17/05/02 15/10/02 68,33 7,621

A2 17/05/02 15/10/02 13,14 4,691

R3 17/05/02 15/10/02 280,32 35,624

R4 16/05/02 15/10/02 177,83 22,569

151

151

151

152

DataCP

Tempo de Exposição (dias)

Taxa de corrosão

As elevadas taxas de corrosão apresentadas pelo co-

bre e pelo alumínio na Estação de Itaqui atribui-se ao fe-nômeno da corrosão galvânica em função da deposição de

finas partículas do minério de ferro sobre a superfície me-tálica. Serão também realizadas medidas de profundidade

de ataque por microscopia óptica para melhor avaliação

do fenômeno. Em contrapartida, surpreendeu a baixa taxa

de corrosão do aço na Estação de Renascença.A Tabela 8 apresenta as categorias de corrosividade

das Estações de Intemperismo Natural de Itaqui e Renas-cença segundo o critério de classificação baseado na taxa

de corrosão de corpos-de-prova padrão (chapa plana),obtida para o primeiro ano de exposição, conforme tabela

6 da ISO 9223.

TABELA 8Categorias de corrosividade baseada na taxa de corrosãode metais padrão conforme ISO 9223

Aço carbono Alumínio Cobre

Renascença C2 - C3

Itaqui C3 C5 C5

Onde: C2 – corrosividade baixa; C3– corrosividade média; C5 –corrosividade muito alta

Em paralelo à instalação das ECA’s também foi reali-zada inspeção nas redes de distribuição de Araçagi, Praia

do Meio, Avenida Litorânea, Praia de São Marcos e arre-

dores, onde foram visualizados alguns problemas de cor-rosão intensa.

Um levantamento do ano de 2001 apontou 229 inter-rupções durante o período de seca, tendo como causa o

“salitre”. Em face deste elevado grau de salinidade aCEMAR executa a lavagem dos isoladores e buchas de

transformadores de distribuição instalados próximos da orlamarítima, durante este período. (Em 2001 trabalharam cinco

equipes de lavagem com ciclo de cinco dias por setor ,das

7 as 19 horas, no período de agosto a dezembro).Várias tentativas já foram realizadas pela CEMAR

para amenizar o problema e reduzir a freqüência de lava-gem dos isoladores. Entre elas a utilização de isoladores

de classe 34,5 kV em sistema com tensão de operação de13,8 kV, o emprego de isoladores poliméricos e isolado-

res híbridos. Neste sentido, propôs-se a instalação de uni-dades de monitoramento do grau de poluição de isolado-

res a fim de verificar o comprometimento da isolaçãodesses equipamentos caso o procedimento padrão de la-

vagem não seja aplicado.

INSTALAÇÃO DE UNIDADES PILOTO DEMONITORAMENTO DE ISOLADORES

Foram instaladas três unidades de monitoramento em

região considerada de alta agressividade, sendo um deles àbeira mar e os outros dois a cada 100 metros, avançando

em direção ao interior da ilha.Cada unidade é constituída por um poste de concreto

e de duas cruzetas de concreto, na quais foram instaladosum isolador de pino polimérico (classe 15 kV), um isola-

dor de pino multicorpo de porcelana (classe 34,5 kV), um

isolador de pino de porcelana (classe 15 kV), dois isolado-

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res de pino de porcelana (classe 27 kV), uma cadeia de

isoladores de vidro (classe 69 kV) e um isolador polimérico

(classe 69 kV). A Figura 6 mostra a unidade de monito-ramento instalada na Praia do Meio próxima a orla maríti-

ma, e outras duas semelhantes foram instaladas a 100 metrosda orla e a 200 metros da orla.

FIGURA 6 - Unidade de monitoramento instalada próxima à praia

Os isoladores instalados eram novos, tendo sido lim-pos antes de sua instalação nas unidades de monitora-

mento. Ficaram instalados, não energizados, até iníciode dezembro, antes da temporada de chuvas, quando

então foram retirados, devidamente armazenados e en-caminhados para o LACTEC para ensaios de alta ten-

são. Uma unidade nova de cada isolador também será

ensaiada para comparação de desempenho com as uni-dades poluídas.

Em laboratório serão realizados ensaios em freqüên-cia industrial e impulso atmosférico, a fim de comparar a

suportabilidade dos isoladores poluídos em relação ao iso-lador novo, sem poluição. Deverão ser realizados ensaios

dielétricos com os isoladores poluídos, ligeiramente ume-decidos, bem umedecidos, razoavelmente molhados, sub-

metidos à condição de chuva leve e sob condição de chuvapesada, de acordo com as normas vigentes da ABNT NBR

5032 e NBR 5049.

Deste modo, pretende-se verificar a redução dasuportabilidade dos isoladores em função do grau de po-

luição natural a que foram submetidos, e propor umcronograma de manutenção adequado.

III. CONCLUSÃO

Considerando-se os objetivos da primeira fase dotrabalho:

• “Implantar uma rede de monitoramento de poluentes

na Ilha de São Luís a fim de classificar a agressividadedo ambiente e proceder ao mapeamento da ilha quanto

a corrosividade sobre diferentes materiais utilizados nasredes de distribuição aéreas e nos alimentadores de 13,8

kV e 69 kV. Esta rede tem como finalidade medir oíndice de poluição e agressividade do meio sobre os

materiais através de parâmetros como: taxa desulfatação – SO

3, teor de cloretos – Cl- e teor de partí-

culas sedimentáveis aliados aos parâmetros meteoroló-gicos como temperatura, umidade, precipitação, eva-poração, insolação, pressão, radiação global, direção evelocidade de ventos que exercem influência direta so-bre o processo da degradação de materiais.

• Inspeção e acompanhamento do desempenho anticorrosivodos materiais utilizados nas redes de distribuição aéreaslocalizadas em ambientes mais críticos, ou seja, próximasda orla marítima, com levantamento criterioso do númerode defeitos que causaram desligamentos em conseqüênciada poluição.

• Instalar unidades piloto de monitoramento de isoladoresde 15kV a 72,5kV em regiões consideradas de elevadaagressividade atmosférica, para acompanhamento do graude poluição atingido a fim de verificar o comprometi-mento da isolação desses equipamentos por meio de en-saios de alta tensão em laboratório.

É possível concluir que foram cumpridas todas as eta-pas previstas, isto é:a)as estações de corrosão atmosférica foram implantadas;b)os métodos de ensaio foram otimizados e os parâmetros

de poluição estão sendo monitorados mensalmente;c)foram instalados os painéis contendo materiais metáli-

cos padrões para o estudo de intemperismo natural;d)foram instaladas três unidades de monitoramento de iso-

ladores em região de elevada agressividade, os quais apóso envelhecimento serão avaliados em laboratório e, senecessário, serão instaladas novas amostras para acom-panhamento na segunda etapa do projeto.

Com os resultados encontrados até agora, temos ape-nas a região de UEMA classificada como ambiente ruralde baixa agressividade, enquanto todas as outras classifi-cam-se como ambiente marinho, sendo a região dePanaquatira como a mais agressiva, classificada na catego-ria de atmosfera apresentando corrosividade muito alta,seguida da Praia do Meio. A região de Itaqui classificadana categoria de corrosividade alta e Renascença na cate-goria de corrosividade média.

A elevada corrosividade apresentada por estes ambi-entes está diretamente relacionada apenas com o elevadoteor de cloretos e elevado tempo de superfície úmida, poisaté agora a taxa de sulfatação encontrada é muito baixa,contrariando o que se esperava na região de Itaqui e Re-nascença. Também observa-se um grande aumento do teorde poluentes ao longo dos meses, o que por enquanto atri-bui-se ao período de seca.

Apesar das classificações de corrosividade atmos-férica e interpretações estarem baseando-se na médiados dados coletados até agora (de abril a novembro) éimportante lembrar que perante a corrosão atmosféricaestamos diante de dois fenômenos bastante distintos:

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um que ocorre no período de dezembro a julho e outro

que ocorre de agosto a dezembro, em função das esta-

ções de seca e de chuva. Portanto, alguns dos comentá-rios que estão sendo realizados agora poderão ser alte-

rados no final do próximo ano quando então teremosdados levantados durante todo o ano e portanto, um

acompanhamento das variações sazonais para um me-lhor entendimento de como acontecem e evoluem os pro-

cessos corrosivos.Mesmo assim, ainda que poucos dados tenham sido

levantados, cumprimos com os objetivos de implanta-

ção das estações, desenvolvimento de métodos de en-saio, e agora continuaremos trabalhando no segundo ano

com a coleta de dados já otimizada e com a formaçãodo banco de dados para procedermos a uma análise crí-

tica desses dados que possibilite a interpretação e omodelamento matemático dos resultados.

IV. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Companhia Energética do

Maranhão-CEMAR; ao Instituto de Tecnologia para o

Desenvolvimento-LACTEC; ao Núcleo Estadual deMeteorologia e Recursos Hídricos da Universidade Es-

tadual do Maranhão – NEMRH , que disponibilizou osdados meteorológicos da região, à Agência Nacional de

Energia Elétrica – ANEEL, e a todos aqueles profissio-nais que, de forma direta e/ou indireta, colaboraram para

a execução deste trabalho.

V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ALMEIDA, L. A.; PANOSSIAN, Z. Corrosão atmosférica 17anos. São Paulo: IPT, 1999. 130 p., (Instituto de PesquisasTecnológicas).

[2] ARROYAVE, C.; MORCILLO, M. The effect of nitrogen oxides inatmospheric corrosion of metals. Corrosion Science, V. 37, n. 2 2,p. 293-305, 1995.

[3] CHUNG, K. W.; KIM, K. B. A study of the effect of concentrationbuild-up of electrolyte on the atmospheric corrosion of carbon steelduring dryng. Corrosion Science, V. 42, p. 517-531, 2000.

[4] CLINE, P.; LANNES, W.; RICHARDS, G. Use of pollutionsmonitors with a neural network to predict insulator flashover.Electric Power Systems Research, V. 42, p. 27-33, 1997.

[5] CORVO, F.; BETANCOURT, N.; MENDOZA, A. The influenceof airborne salinity on the atmospheric corrosion of steel. CorrosionScience, V. 37, n. 12 12, p. 1889-1901, 1995.

[6] CORVO, F.; HACES, C.; BETANCOURT, N.; MALDONADO,L.; VÉLEVA, L.; ECHEVERRIA, M.; RINCÓN, O. T.; RINCÓN,A. Atmospheric corrosivity in the caribbean area. CorrosionScience, V. 39, n. 5 5, p. 823-833, 1997.

[7] CORVO, F.; MENDOZA, A. R.; AUTIE, M.; BETANCOURT, N.Role of water adsorption and salt content in atmospheric corrosionproducts of steel. Corrosion Science, V. 39, n. 4 4, p. 815-820,1997.

[8] DEFLORIAN, F.; ROSSI, S. Premature corrosion failure ofstructural highway components made from weathering steel.Engineeting Failure Analysis, V. 9, p. 541-551, 2002.

[9] DILLMANN, P.; BALASUBRAMANIAM, R.; BERANGER, G.Characterization of protective rust on ancient indian iron usingmicroprobe analyses. Corrosion Science, V. 44, p. 2231-2242, 2002.

[10] DUTRA, A. C., VIANNA, R.; Atmospheric Corrosion Testing inBrazil, In: ALILOR, W. H., (ed): Atmospheric Corrosion, NewYork, London, 1982.

[11] EL-MAHDY, G. A.; NISHIKATA, A.; TSURU, T. Electrochemicalcorrosion monitoring of galvanized steel under cyclic wet-dryconditions. Corrosion Science, V. 42, p. 183-194, 2000.

[12] ESMANHOTO, J. M.; KENNY, E. D.; Tratamento estatístico dodesempenho de materiais metálicos no Estado do Paraná. Congres-so Brasileiro de Corrosão, 17º, V.1, p.297, 1993.

[13] FELIÚ, S.; MORCILLO, M. Corrosión y protección de losmetales en la atmósfera. Madrid: Ed Ediciones Bellaterra S. A.,1982. 246 p., (Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas).

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RESUMO

A distribuição de energia elétrica depende de estruturas desuporte, tais como postes, os quais podem utilizar a madeiracomo material básico para a sua produção. É fortemente reco-mendado que tais produtos possuam durabilidade suficiente,de modo que as qualidades e características originais sejammantidas em serviço. Deve-se verificar quais os possíveis ata-ques pelos agentes deterioradores e os prováveis comprome-timentos provocados por estes, em função da classe de riscode deterioração do elemento. Neste contexto, o presente tra-balho objetiva a proposição de ações e procedimentos visan-do aumentar a durabilidade de postes de eucalipto a sereminstalados em redes de distribuição de energia elétrica (RDE).A adoção destas ações na fase de produção de postes novospoderá facilitar a universalização do atendimento com ener-gia elétrica para a área rural, sem comprometer a qualidade ea confiabilidade do fornecimento, e sem aumentar os custosde operação e manutenção dos sistemas elétricos rurais.

PALAVRAS-CHAVE

Postes, madeira, deterioração, durabilidade, preservação.

I. INTRODUÇÃO

A produção mundial de madeira para fins estruturais

encontra-se por volta de 109 toneladas ao ano, o que tornaeste material muito importante no contexto mundial. O Bra-

sil apresenta uma grande disponibilidade de madeira pro-venientes de reservas tropicais e de reflorestamentos, que

necessitam de exploração adequada [1].Entre as aplicações estruturais de significativa impor-

tância no país, está a produção de postes de madeira paraeletrificação e telefonia, os quais possuem vantagens téc-

nicas e econômicas em relação aos postes produzidos com

outros materiais como o aço e o concreto, pois além deserem considerados um recurso natural renovável, apre-

sentam menor peso específico, facilitando o transporte emanuseio. Também consomem menor energia durante a sua

transformação e apresentam menor custo, motivos pelos

quais são aplicados em grande escala em diversos países.Pesquisas indicam que 99% dos postes instalados anu-

almente nos EUA apresentam como material constituinte amadeira, sendo que 94% dos postes em serviço existentes

neste país são constituídos de madeira [2].No Brasil várias concessionárias de energia elétrica

continuam utilizando quantidades significativas de postesde madeira, principalmente em áreas rurais. No estado de

São Paulo, a companhia ELEKTRO possui aproximada-

mente 600.000 unidades de postes de madeira preservadana sua rede de distribuição [3]. No Rio Grande do Sul, a

Companhia Rio Grande Energia – RGE, possui em tornode 500.000 postes de madeira instalados. Estes postes são

preparados em usinas, onde recebem tratamento preserva-tivo com a finalidade de prolongar sua vida útil, porém, ao

longo do tempo, essa proteção vai perdendo a sua eficiên-cia tornando-os suscetíveis à ação de agentes externos.

A ação desses agentes faz com que os postes percama sua resistência mecânica, sendo que uma das principais

causas de substituição é o ataque por fungos apodrecedores

na zona de afloramento do poste, região mais crítica, devi-do às condições favoráveis de desenvolvimento desse tipo

de organismo. Além da diminuição da confiabilidade dosistema de distribuição elétrica e de prejuízos materiais aos

consumidores e à sociedade, ocorrências de colapso empostes de eletrificação podem provocar vítimas fatais, mo-

tivo pelo qual se torna imprescindível o desenvolvimentode ações que permitam controlar a qualidade dos postes

em todas as etapas de sua produção.

Desse modo, a implementação de ações que visemgarantir a qualidade de postes novos, poderá resultar em

aumento na confiabilidade do uso da madeira em redes deeletrificação, facilitando a universalização do atendimento

com energia elétrica para a área rural, minimizando os in-vestimentos na implantação das redes de distribuição, sem

comprometer a qualidade e a confiabilidade do fornecimen-to, e sem aumentar os custos de operação e manutenção

dos sistemas elétricos rurais.Neste contexto, o presente trabalho objetiva a propo-

sição de ações e procedimentos visando aumentar a dura-

bilidade de postes de madeira eucalipto a serem instaladosem redes de distribuição de energia elétrica (RDE). Além

disso, pretende-se enquadrar os postes utilizados em RDEnum sistema de classes de risco para madeiras brasileiras.

Este trabalho obteve apoio técnico e suporte financeiro do LACTEC,RGE e ANEEL.

A. Sales trabalha na Universidade Federal de São Carlos – UFSCar (e-mail: [email protected])

K.F. Portella trabalha no Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento– LACTEC (e-mail: [email protected]).

E.J. Grigol e P. Rech trabalham na Rio Grande Energia - RGE (e-mail:[email protected]).

Procedimentos para o Aumento daDurabilidade de Postes de Madeira

Utilizados em Redes de DistribuiçãoA. Sales, UFSCar; K. F. Portella, LACTEC ; E. J. Grigol e P. Rech, RGE

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II. APLICAÇÃO DAS CLASSES DE RISCOPARA POSTES DE MADEIRA UTILIZADOSEM REDES DE DISTRIBUIÇÃO

A partir de pesquisas recentes [4,5] elaborou-se umsistema de classes de risco relatando-se exemplos detipologias de elementos estruturais de madeira que podempertencer à esta classificação. Os postes de madeira utiliza-dos em redes de distribuição podem ser enquadrados naclasse de risco 4, a qual engloba as estruturas de madeiraem contato direto com o solo e/ou sob intempéries descrita.

Segundo este sistema de classes de risco, na classe 4considera-se que o contato direto com o solo expõe estematerial às variações de umidade e aos resíduos orgânicospresentes na superfície de apoio. Por sua vez, ointemperismo permite que a estrutura sofra mudanças cons-tantes de temperatura, esteja em contato direto com os rai-os ultravioletas, e se exponha às variações de umidade.

III. FATORES QUE AFETAM A DURABILIDADE DA MADEIRA

Com base em pesquisas recentes [5], elaborou-se umdiagrama causa-efeito englobando as causas que afetam adurabilidade da madeira, Figura 1.

IV.RESULTADOS E DISCUSSÕES

O enquadramento sugerido no presente trabalho suge-re a necessidade de tratamento das peças em processo compressão no sentido de se obter níveis de retenção conformerecomendado pela NBR 8456 [6], com pelo menos 9,6 qui-los de ingrediente ativo por metro cúbico de madeira trata-da, considerando a utilização de preservativos hidrossolúveis.

No presente ciclo desta pesquisa, foi dada ênfase noestudo das variáveis relacionadas à qualidade de postesnovos. Esta fase é de importância fundamental na garantiada durabilidade esperada para um poste de madeira deeucalipto preservado, estimada em pelo menos 15 anos,assegurada pela maioria das usinas de tratamento.

Esta garantia da durabilidade para o poste preservadonão está somente relacionada ao processo de preservação na

usina, mas deve prioritariamente atender a alguns parâmetrossem os quais o valor agregado ao poste pelo tratamento pre-servativo, pouco resultará na garantia da vida útil esperadapara este elemento, com prejuízos materiais tanto para a con-cessionária de energia como para o consumidor final.

Os parâmetros a serem considerados na proposiçãode ações e procedimentos, estão a seguir descritos paracada uma das fases de produção do poste novo.

A. Proposição de Ações e Procedimentos antes doTratamento

Nesta fase, as ações a serem realizadas permitem ava-liar a qualidade da matéria-prima retirada da floresta. Osprincipais parâmetros a serem verificados referem-se a:• Espécie e procedência;• Idade de abate e efetivo cumprimento do período de

sazonamento, sendo que o teor de umidade antes do tra-tamento não poderá ultrapassar 25% ou 30% , para pre-servação com produtos oleossolúveis ou hidrossolúveis,respectivamente;

• Dimensões e classificação do poste em função da aplica-ção requerida, NBR 8457 [7];

• Existência de fendas, rachas e nós, na base, corpo e topodo poste, com dimensões superiores aos limites reco-mendados pela NBR 8456 [6];

• Utilização de dispositivos para minimizar o aparecimen-to de fendas nos topos e bases do poste.

B. Proposição de Ações e Procedimentos depois doTratamento.

Nesta fase, as ações a serem realizadas permitem ava-liar a qualidade do processo de preservação na usina detratamento. Os principais parâmetros a serem verificadosreferem-se a:• Níveis de retenção do produto preservativo;• Penetração do produto preservativo;• Resistência nominal e classificação conforme os valores

obtidos em ensaios de flexão representativos dos lotes,NBR 6231 [8];

• Condições gerais da preservação.

p rese nç a

u m id ad e

D eta lh es d ep ro je to

R e e n tr â n c ia s e c or tes

a u sên cia

E sc oa m en to d e ág u a

e ficiê n cia

In ter fa c es

solo

V e n tilaç ã o

e ficiê n cia

S o lo

con ta to

a u sên cia

p eriod ic id ad e

p ro x im id a d e

C o n d içõ es d eE xp o s iç ão

U m id a d e

p erm an ê n c ia

p eriod ic id ad e

In te m pe rism

T e m p e r atu ra

in te n sidad e

va r iabilida d e

a d e q uação

P r eserv aç ão

e ficiê n cia

P re se rv a tivos

tox id e z

S istem a sP re se rv a tivos

e ficiê n cia

a d e q uação

FIGURA 1 - Diagrama causa-efeito englobando as causas que afetam a durabilidade da madeira [5].

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C. Proposição de Ações e Procedimentos paraArmazenamento dos Postes Tratados

Nesta fase, as ações a serem realizadas permitem rati-ficar e verificar a qualidade do poste que estará armazena-

do no estaleiro da usina ou da concessionária, aguardando

a instalação na rede. Os principais parâmetros a serem ve-rificados referem-se a:

• Cuidados no manuseio: carga e descarga;• Separação por tipo e comprimento;

• Placa de identificação com dados que permita arastreabilidade do lote recebido, nas inspeções de manu-

tenção da rede. Desta forma, um diagnóstico de deterio-ração precoce em um determinado poste poderá servir

como indicador para a verificação preventiva de postes

identificados como sendo do mesmo lote, permitindo aformação de um banco de dados da concessionária.

Por meio de inspeções realizadas em estaleiros de

postes tratados, foi possível identificar diversas situa-ções, nas quais apesar do tratamento preservativo ter

sido executado a contento, algumas peças necessitari-am ser rejeitadas em função dos valores medidos para

os parâmetros estabelecidos. Entre os defeitos de mai-or ocorrência, destacam-se a profundidade e magnitu-

de de fendas com dimensões superiores aos limites es-

tabelecidos pela NBR 8456 [6], Tabela 2. Estas fendaspodem expor o interior dos postes aos agentes agres-

sivos, de modo que o efeito do preservativo no alburno,pouco contribuirá para a garantia da vida útil do poste

em padrões aceitáveis.No corpo do poste as fendas não podem ter profundi-

dade superior a dois centímetros, sendo que no topo doposte não pode se admitir a presença de fenda diametral.

Salienta-se também, que a rejeição de peças nes-ta fase de armazenamento constitui-se em significati-

vo prejuízo, considerando o valor agregado pelo tra-

tamento preservativo.

TABELA 1

dimensões máximas para fendas em postes de eucaliptopreservado, nbr 8456 [6]

Comprimentos máximos

L(m) Topo Corpo

Base

G2(cm) f

2(cm) G(cm) f(cm) G

1(cm) f

1(cm)

<10 30 1 100 1 30 1

>10 30 1 200 0,5 75 1

onde: L - comprimento do poste de eucalipto tratado;f

2 , f e f

1 - valores máximos em centímetros para a

abertura das fendas no topo, corpo e base dos postes,respectivamente;

G2 , G e G

1 - valores máximos em centímetros para o

comprimento das fendas no topo, corpo e base dos postes,respectivamente.

V. CONCLUSÕES

Com base na classificação de risco para madeiras, de

maneira geral os postes de madeira utilizados em redes dedistribuição de energia elétrica podem ser enquadrados na

classe de risco 4.A durabilidade do poste de madeira pode ser garanti-

da por meio de ações que permitam aferir os parâmetrosdescritos, não só no processo de tratamento na usina de

preservação, mas também antes e após esta etapa, de modoa permitir a rastreabilidade da qualidade da matéria-prima

do seu plantio até a sua instalação na rede.

Todavia, a implantação e verificação destes parâmetrosde controle envolvem diversos setores das empresas conces-

sionárias, sendo também importante a participação dos pro-dutores e preservadores de postes, no sentido de se buscar a

qualidade desde o plantio, passando pelo abate, sazonamento,tratamento e armazenamento do poste, sem a qual se torna

difícil a garantia da vida útil do poste de madeira, mesmo queeste apresente níveis de retenção e penetração de preservati-

vo compatíveis com as exigências da normalização.

VI. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem as contribuições de O.

Baron e F. R. Bento recebidas durante a elaboraçãodeste documento.

VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] MACEDO, A. N. (2000) Fadiga em emendas dentadas em madei-ra laminada colada. São Carlos, 2000. Tese (doutorado) – Escolade Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 195p.

[2] KLIEJUNAS, J. T. et al. (2001). Pest risk assessment of theimportation into the United States of unproc-essed Eucalyptus logsand chips from South America. Gen. Tech. Rep. FPL-GTR-124.Madison, WI: U.S. Department of Agriculture, Forest ProductsLaboratory. 134 p.

[3] BUENO, O. C. (2001). Controle biorracional de cupins em postesde madeira. In: CITENEL-CONGRESSO DE INOVAÇÃOTECNOLÓGICA EM ENGENHARIA ELÉTRICA, 1. Brasília.Anais, Cd-rom, arquivo digital.

[4] DÉON, G. (1989). Manual de preservação das madeiras em cli-ma tropical. França - Centre Technique Forestier Tropical:Department du CIRAD, 1989. 116p.

[5] CAMPOS, J. A.O.(2002) Método para avaliação da durabilidadee da reabilitação da madeira de estruturas em serviço. São Carlos.99p. Dissertação de Mestrado – Escola de Engenharia de São Carlos,USP.

[6] ABNT (1984). NBR 8456/84 – Postes de Eucalipto Preservadopara Redes de Distribuição de Energia Elétrica. Rio de Janeiro.

[7] ABNT (1984). NBR 8457/84 – Postes de Eucalipto Preservadopara Redes de Distribuição de Energia Elétrica - Dimensões. Riode Janeiro.

[8] ABNT (1980). NBR 6231/80 – Postes de Madeira – Resistência àFlexão. Rio de Janeiro.

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RESUMO

Seis traços de concretos foram estipulados com rejeitos deporcelana, variando-se os agregados graúdos e miúdos artifi-ciais de 0% a 100%. Todos foram comparados a um traçobásico de concreto convencional. O consumo de cimento CPII-F 32 e a relação água/cimento foram considerados, para pos-tes e cruzetas, como sendo 350 kg/m3 e 0,50,0 respectiva-mente. O material foi avaliado por técnicas analíticas, taiscomo: DRX, DTA, MEV, resistência mecânica, etc. Dos re-sultados, pode-se destacar: i) o material é facilmente britado;ii) é potencialmente reativo e os mecanismos de reação deve-rão ser melhores entendidos; iii) é facilmente trabalhável atécerca de 80% de rejeitos. Acima, é recomendado paracontrapisos ou para CCR (com estudo prévio de dosagem);iv) os melhores traços foram obtidos entre 20% e 50%; e v)há necessidade de estudos em resistência mecânica à traçãona flexão. Constatou-se que a disposição pretendida é viáveleconomicamente e é ambientalmente correta.

PALAVRAS-CHAVE

reciclagem secundária; rejeitos de porcelana; concreto; dosa-gem; reações expansivas

I. INTRODUÇÃO

Entulhos da construção civil e de outras indústrias

tecnológicas que geram resíduos sólidos, principalmen-te inertes, ainda têm o mesmo destino final que o do

lixo doméstico, ou seja, os aterros sanitários. Milharesde toneladas anuais destes materiais têm sido geradas.

Dados estatísticos apresentados por John, V. M. [1] mos-tram que a geração diária de resíduos sólidos domésti-

cos no Brasil atinge números da ordem de 0,7 kg/habi-

tante e que destes, entre 41% e 70%, são resíduos deconstrução e demolição (RCD).

Os recursos naturais extraídos do planeta são consu-midos entre 14% e 50% pela construção civil e, segundo

John, V. M. [1] no Brasil, é estimado um consumo anualde 210 milhões de toneladas de agregados.

Não se tem uma estatística oficial geral do consumoanual de porcelanas elétricas produzidas e consumidas. No

Paraná há cerca de 160.000 km de linhas de redes de distri-

buição. Fazendo-se uma projeção de 60 isoladores de 1,2kg/unidade (médio) e por km de linha, tem-se um passivo

em torno de 11.000 toneladas, considerando a vida útil des-tes componentes. Apesar de ser inerte, este passivo torna-se

um problema significativo para o impacto ambiental.Fazendo-se uma extrapolação para o Brasil, poderia

se estimar um consumo mínimo 15 vezes maior. Deste nú-mero, pode-se considerar cerca de 10% a mais de resíduos

gerados na própria fábrica, devido aos defeitos de queima

entre outros problemas de fabricação, ou seja, o passivoestaria na ordem de 190.000 toneladas. O teor é pequeno

se comparado à demanda de recursos naturais, mas soman-do-se a outros resíduos de construção e demolição, have-

rá, anualmente, significativa diminuição dos rejeitos ematerros sanitários e produtos ambientalmente corretos.

As porcelanas elétricas são fabricadas a partir de com-posições triaxiais de sílica, argila e feldspato e contêm como

características principais as relacionadas na Tabela I, listadasem conjunto com os valores mínimos e máximos obtidos

para alguns dos materiais utilizados como agregados para

concreto [2,3,4]. Uma característica essencial da porcela-na elétrica para alta tensão é a ausência de poros abertos e,

a quantidade de poros fechados tão baixa quanto possível,sendo que estes deveriam estar preferencialmente ausen-

tes[2]. Os valores medidos de porosidade pelo método deabsorção de água não deveriam ser maiores do que 0,1%

em porcelanas elétricas usadas em alta tensão. Para baixatensão, o índice de poros (poros abertos ou comunicantes)

deveria ser inferior a 2% [2]. A NBR 5032 [4] recomendaque os corpos-de-prova de porcelana não apresentem pe-

netração de fucsina, que é um indicativo de trincas e poros

abertos ou comunicantes.

TABELA 1propriedades das porcelanas para fins elétricos (isoladores)e de alguns materiais usados como agregados para concreto[2, 3, 4].

Características Porcelana Basalto Granito

Massa específica, kg/m3 2,3 a 2,5 2,6 a 3,0 2,6 a 3,0

Absorção de água, % 0 a 3, >0,1 - -

Resistência à compressão, MPa 240 a 820 201 a 377 114 a 257

Porosidade, % 0 a 2 - 0,4 a 3,8

Expansão térmica, 10-6 oC-1 3,5 a 9,1 3,6 a 9,7 1,8 a 11,9

Reciclagem secundária de rejeitos deporcelanas elétricas em estruturas de concreto

K. F Portella, LACTEC, A. Joukoski, LACTEC, O. Baron, LACTEC e A. Sales, UFSCar

K. F. Portella – Intituto de Tecnologia para o Desenvolvimento –LACTEC; - e-mail: [email protected];

A. Joukoski – Intituto de Tecnologia para o Desenvolvimento –LACTEC; - e-mail: [email protected]

O. Baron – Intituto de Tecnologia para o Desenvolvimento – LACTEC; -e-mail: [email protected];

A. Sales – Universidade Federal de São Carlos – UFSCar; e-mail:[email protected].

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O vidrado superficial das saias da porcelana pode serpotencialmente reativo com os cimentos comumente utiliza-dos, produzindo reações expansivas, trincas e diminuição daresistência mecânica final. O material de base do vidrado podeconter ferro, cromo e manganês ou zircônio, cobalto e níquel,para as cores marrom e cinza, respectivamente, bem comooutros constituintes como o quartzo, feldspato e caulim. Alémda composição química, outro problema relacionado aovidrado é que a região polida prejudica a aderência com apasta de cimento, sendo local preferencial de fratura [5].

Agentes cimentantes à base de enxofre, utilizados parafixação das ferragens às saias de isoladores, são compo-nentes indesejados pela tendência em reagir com os álcalisdo cimento e pela dificuldade em separá-los da matéria-prima, elevando-se o custo final da imobilização. Estas re-ações normalmente resultam em expansões e trincas dasestruturas de concreto [3].

II. EXPERIMENTAL

Para o desenvolvimento do presente projeto, foramadquiridos os seguintes materiais:• CPII-F 32 - cimento Portland composto com adição de

fíler carbonáceo, com resistência característica de 32 MPa(mín.) aos 28 dias;

• Agregado graúdo – brita 1;• Agregado miúdo - areia natural lavada; e• Rejeitos de porcelana.

Os agregados artificiais foram obtidos pelo processode britagem dos rejeitos dos isoladores de porcelana embritador do tipo mandíbula, marca MetalúrgicaTamandaré, modelo Brit 3. A dimensão máxima obtidado agregado foi de 19 mm. O estudo granulométrico foibaseado na NBR 7217 [5].

As análises físico-químicas e mecânicas do cimentoforam realizadas conforme as normas brasileiras e outrasreferências da literatura. Os objetivos básicos foram iden-tificar e determinar quantitativamente os principais com-postos químicos presentes e, pelas caracterizações físicase mecânicas, verificar se o produto se encontra dentro doespecificado pelo fabricante.

Os ensaios de caracterização dos agregados foramfeitos segundo normas ABNT correlacionadas, tendo comoobjetivo principal verificar a qualidade das matérias-pri-mas e subsidiar os cálculos para o desenvolvimento dostraços dos concretos trabalhados.

Os ensaios realizados para caracterização da areia na-tural e brita 1 têm como objetivos, qualificar os materiais, oteor de impurezas e subsidiar os estudos de dosagens.

Microscopia eletrônica de varredura, MEV, commicrossonda analítica de raios X, EDS. As superfícies de fratu-ra e/ou polidas dos CPs de concreto foram metalizadas e anali-sadas quanto à micrografia e composição química elementar. Oequipamento para a análise é da marca Philips, modelo XL30,equipado com microssonda analítica de raios X, EDS.

Dosagens. Foram efetuados seis estudos de dosagens,

sendo: um considerado padrão, com brita 1 e agregado

miúdo (areia natural); e seis contendo misturas com osagregados artificiais (isoladores britados), graúdos

(granulometrias entre 19 e 4,8) mm, e miúdos (< 4,8 mm).Como parâmetro principal na estipulação dos traços,

foi adotado o fator a/c como sendo fixo e igual a 0,5. Ou-tros parâmetros fixados foram o teor de agregado miúdo

(40,4%) e a relação cimento/agregado total de 1:5. Paracada dosagem, com o concreto fresco foram realizadas de-

terminações do abatimento do tronco de cone (slump).

A moldagem dos CPs para os diversos ensaios, se-guiu a NBR 5738 [6].

Resistência à compressão axial simples. Foram moldadosCPs para a medida da resistência à compressão axial simples,

nas dimensões e procedimentos recomendados pela norma NBR5739/94 [7], sendo 2 CPs por idade, aos 3, 7, 14, 28 e 77 dias.

Até a data da ruptura os CPs foram mantidos em câmara úmidaa (23 ± 2) ºC, e umidade relativa mínima de 95%.

Reatividade potencial do concreto. A reatividade poten-cial foi analisada segundo método adaptado e implantado no

LACTEC/LAME, número 1.02.01.11, tendo como base as

seguintes normas complementares: NBRI [8], NBR NM-ISO3310-1/97 [9], NBR 9773/87 [10], ASTM C -1260/94 [11] e

NBR 7215/96 [12] onde CPs prismáticos foram submetidosao envelhecimento acelerado, principalmente pelo fato de ha-

ver presença de resíduos de enxofre nos rejeitos, entre outrosmateriais reativos (vidrado superficial à porcelana).

Propriedades físicas do concreto. A massa específica,o teor de absorção de água por imersão, e o índice de vazi-

os foram medidos segundo recomendações das normasNBR9778/87 [13].

III. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Na caracterização físico-química do cimento foi cons-

tatada a presença de Na2O equivalente igual a 0,81. Este

teor está acima do recomendado na literatura [14] e pode-

rá ser um fator decisivo em reações do tipo álcali –agrega-do. A composição química restante está dentro do especi-

ficado para o tipo de cimento.A análise granulométrica dos agregados, expressas em

termos das porcentagens passantes acumuladas em cada

peneira encontram-se dentro do recomendado pela normaNBR 7211/83 [15], exceto os teores de matéria orgânica e

material pulverulento da areia. A análise físico-química dasamostras teve como resultados os seguintes teores médios:

• Materiais pulverulentos (NBR 7219/87 [16]) – 0,5% e3,2%. O primeiro valor encontra-se dentro do recomen-

dado pela norma NBR 7211/83 [17], para a brita. A amos-tra de areia apresentou teor acima do estabelecido na

norma, que é de 3,0%;• Torrões de argila e materiais friáveis (NBR 7218/87 [18])

– 0,1%. O valor limite máximo recomendado é de 3,0%,

segundo a NBR 7211/83 [15];

Page 76: Materia Is

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FIGURA 2 - Agregados de porcelana britados em britador tipomandíbula.

• Índice de matéria orgânica (NBR 7220/87 [19]). O valor

determinado foi maior do que o valor limite máximo es-

tipulado na NBR 7211/83 [15] que é de 300 ppm (partespor milhão);

• Massa específica (SSS) e absorção de água (NBR NM30/01 [20]) – a massa específica resultante foi de 2,61 g/

cm3 para ambos os agregados e a absorção de 0,4% e0,8% para a brita e areia, respectivamente. Todos os

parâmetros são importantes para o cálculo final da dosa-gem e definição do traço característico.

0,01 0,1 1 10 1000

20

40

60

80

100

Po

rcen

tag

em p

assa

nte

acu

mu

lad

a (%

)

Diâmetro das peneiras (mm)

Areia padrão mínimo padrão máximo

0,01 0,1 1 10 1000

20

40

60

80

100

Po

rcen

tag

em p

assa

nte

acu

mu

lad

a (%

)

Diâmetro das peneiras (mm)

brita 1 padrão mínimo padrão máximo

FIGURA 1 - Curvas granulométricas dos agregados.

Os agregados artificiais, após britagem, estão mos-

trados na Figura 2. Inicialmente, foi feita a retirada manualdas ferragens.

Pela NBR 10.004/87 [21] tais resíduos estão classifi-

cados como “resíduo sólido, classe III, inertes”.

Os resultados da caracterização física dos rejeitos de

porcelana usados como agregados artificiais estão reuni-

dos na tabela II.

TABELA 2Resultados de análises físico-químicas realizadas nosagregados artificiais.

Porosidade aparente (%) Absorção de água (%) Massa específica (g/cm³)

0,69 ± 0,30 0,30 ± 0,13 2,29 ± 0,06

Os resultados estão de acordo com os valores encontra-dos na literatura [2]. Os índices de absorção de água medidos

mostram que há mistura de porcelanas ou que estas não estãoem conformidade com a norma [2, 4], uma vez que, seria

esperado um teor de absorção d’água inferior a 0,1% se osmateriais fossem utilizados para linhas de alta tensão.

O ensaio, sob envelhecimento acelerado, para areatividade potencial com o cimento Portland CPII-F 32,

resultou em valores acima dos recomendados pela norma

ASTM C-1260/94 [22]. Mesmo aos 28 dias, as expansõesobservadas mostraram ser potencialmente deletérias, como

pode ser verificado no gráfico da Figura 3, onde os limitesem expansibilidade aos 16 (indicado, também, com seta) e

28 dias estão indicados pelas linhas a 0,10% e 0,20%, res-pectivamente.

A proporção ideal dos componentes naturais (brita eareia) e artificiais (agregados provenientes da moagem dos

isoladores de porcelana), britados em granulometrias simi-

lares, foi obtida variando-se a concentração dos mesmosem quantidades que vão desde 0% a 100%, tanto na fração

de agregados graúdos quanto miúdos. Os valores corres-pondentes estão mostrados na Tabela III e os detalhes de

cada dosagem, descritos nas observações gerais, logo apósa mesma. Este estudo fundamentou-se na questão do cus-

to e do benefício da reciclagem secundária dos rejeitos deporcelanas elétricas, na trabalhabilidade, aplicação e resis-

tência mecânica do material obtido.A durabilidade será objeto de estudo na segunda fase

deste projeto.

0 5 10 15 20 25 300,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

Valor limite inferior

Exp

ansi

bili

dad

e, %

Tempo, dias

FIGURA 3 - Reatividade potencial dos agregados artificiaiscom o cimento Portland CPII-F 32.

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Observa-se que, em relação ao concreto-referência, a

resistência nas primeiras idades é menor, mas ao longo do

tempo esta passa a se igualar.Pela metodologia estudada pode-se considerar que os

melhores traços, para as aplicações desejadas, são aquelescom teores de agregado reciclado compreendidos entre

20% e 80%, sendo o limite máximo estipulado pelo slump.

IV. CONCLUSÃO

Constatou-se no trabalho que a disposição dos rejeitos

de porcelana em estruturas de concreto é viável economi-camente e é ambientalmente correta, já que não há perigos

de contaminações futuras, já que são praticamente inertes.Alguns dos principais aspectos, foram considerados.

Dentre estes, destacam-se:1.os rejeitos de porcelana, como recebidos e britados, são

potencialmente reativos e seus mecanismos de reaçãodeverão ser melhores entendidos. Parte da reatividade

potencial pode ser proveniente do agente cimentante àbase de enxofre;

2.o concreto é facilmente trabalhável até as adições de

agregados artificiais próximas de 80% (limite inferior noabatimento de tronco de cone de 15 mm);

3.teores entre 20% e 50% de agregados artificiais graúdose miúdos foram considerados os mais indicados, utili-

zando o cimento CPII-F 32 e com a relação a/c de 0,50.Foram obtidas resistências à compressão entre 26,5 e 30

MPa, aos 28 dias;4.verificou-se a necessidade de estudos mais aprofundados

em resistência mecânica à tração na flexão (planos de

fratura na superfície vidrada da porcelana).

V. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Companhia Paranaense deEnergia – COPEL DIS; ao Instituto de Tecnologia para o

Desenvolvimento – LACTEC; à Agência Nacional de Ener-gia Elétrica – ANEEL, pelo apoio recebido, confiança de-

positada, liberação de recursos financeiros edisponibilização da infra-estrutura, para a realização e

finalização deste projeto de pesquisa; e a todos aqueles

profissionais que, de forma direta e indireta, colaborarampara a conclusão deste trabalho.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] , V. M. John Reciclagem de resíduos na construção civil: contribui-ção à metodologia de pesquisa e desenvolvimento. Tese de livredocência. Universidade de São Paulo, São Paulo/SP, 2000.

[2] J.S.T.Looms. “Insulators for High Voltages”, London, 1988.

[3] M. NEVILLE, Propriedades do concreto. Tradução S. E. Giammusso.2ª. edição, Editora PINI Ltda., São Paulo, 1997. 828 p.

FIGURA 4 -Resistência à compressão dos traços de concretoem função da idade dos CPs.

TABELA 3Resumo das dosagens realizadas.

Dosagem 1038 1039 1040 1041 1042 1044

a/c 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Dmáx, mm 19 19 19 19 19 19

Teor agreg. miúdo, % 40,4 40,4 40,4 40,4 40,4 40,4

Consumos, kg/m3

cimento 364 356 350 342 336 351

areia nat. 736 542 354 175 - 710

areia artif. - 182 354 520 679 -

brita nat. 1085 798 522 257 - -

brita artif. - 267 522 767 1002 1046

água 183 178 176 171 169 176

Abatimento, mm 65 30 17 7 1 30

Massa unitária, kg/m3

teórica 2373 2326 2290 2246 2213 2268

real 2366 2309 2272 2219 2180 2276

Ar incorp. teór., % 0,3 0,7 0,8 1,2 1,5 -

Temp. concreto, oC 14,3 15,8 16,7 17,3 17,5 17,5

Observações gerais:• Traço E-1038: traço padrão para referência e compara-

ção de resultados, utilizando apenas agregados naturais

(areia média e brita 1);

• Traço E-1039: dosagem utilizando 25% de agregadosartificiais (parcelas graúda e miúda de rejeitos de porce-

lana) e 75% de agregados naturais, mantendo-se as pro-porções entre as partes graúda e miúda de ambos os agre-

gados;• Traço E-1040: dosagem utilizando 50% de agregados

artificiais e 50% de agregados naturais;• Traço E-1041: dosagem utilizando 75% de agregados arti-

ficiais e 25% de agregados naturais traço E-1042: dosagemutilizando apenas agregados artificiais, nas mesmas propor-

ções do traço contendo somente agregados naturais; e

• Traço E-1044: traço apresentando a parcela miúda com-posta totalmente por agregados naturais (areia média) e

a parcela graúda composta integralmente por agregadosartificiais (parcela graúda de rejeitos de porcelana).

Na figura 4 é mostrado gráfico ilustrando os resulta-

dos obtidos para a resistência à compressão, em relação aoteor de agregados reciclados utilizado e para distintas ida-

des de ruptura.

0 10 20 30 40 50 60 70 800

9

18

27

36

45

Res

istê

ncia

à c

ompr

essã

o m

édia

, MP

a

Idade, dias

0% 100 25% 50% 75% 100% BA+AN F2 Limite mín. 28 dd

Page 78: Materia Is

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[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, “Co-letânea de Normas de Isoladores”. Comitê Brasileiro de Eletricida-de, ABNT. Rio de Janeiro, 1989.

[5] ABNT, NBR 7217. Determinação da composição granulométricados agregados, 1982. 3 p.

[6] NBR 5738/94 – “Moldagem e cura de corpos de prova, cilíndricosou prismáticos – Procedimento”, 1994.

[7] NBR 5739/94 – “Concreto - Ensaio de compressão de corpos deprova cilíndricos de concreto - Método de ensaio”, 1994.

[8] NBRI - Oberhtoster, R.: E. and Davis, G.: Accelerated Method ofTesting the Potencial Alkali Reactivity of Siliceous Aggregates -National Building researsh Institute Council for Scientific and In-dustrial Research - Vol. 16, PP 181, 189 - 1986.

[9] NBR NM-ISO 3310-1/97, Peneiras de Ensaio - Requisitos técni-cos e verificação - Parte 1 : Peneiras de ensaio com tela de tecidometálico.

[10] NBR 9773/87. “Agregado – Reatividade potencial de álcalis emcombinações cimento-agregado. Rio de Janeiro, 1987.

[11] ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS – American Societyfor Testing and Materials. ASTM C-1260/94. Standard test methodfor potencial alkali reactivity of aggregates (mortarbar method).Philadelphia, 1997. section 4 Construction), v.04.02 (Concrete andAggregates).

[12] ABNT, NBR 7215. Ensaio de cimento Portland, 1996. 20 p.

[13] NBR 9778. Argamassa e concreto endurecidos – Determinação daabsorção de água por imersão – índice de vazios e massa específi-ca. ABNT, 1987. 5 pg.

[14] H. F. W. TAYLOR, Cement chemistry. Academic Press, New York,1990.

[15] NBR 7211/83. “Agregado para concreto – Especificação”, 1983. 9p.

[16] NBR 7219/87 – “Determinação do teor de materiais pulverulentosnos agregados - Método de ensaio”, 1987.

[17] NBR 7211/83. “Agregado para concreto – Especificação”, 1983. 9p.

[18] NBR 7218/87 – “Determinação do teor de argila em torrões nosagregados - Método de ensaio”, 1987.

[19] NBR 7220/87 – “Avaliação das impurezas orgânicas húmicas dasareias para concreto - Método de ensaio”, 1987.

[20] NBR NM 30/01 – “Agregado miúdo – Determinação da absorçãode água”, 2001.

[21] ABNT, NBR 10.004. Resíduos sólidos, 1987. 48 p.

[22] ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS – American Societyfor Testing and Materials. ASTM C-1260/94. Standard test methodfor potencial alkali reactivity of aggregates (mortar-bar method).Philadelphia, 1994.

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RESUMO

Com o intuito de avaliar o desempenho dos materiais e equi-pamentos que compõem a rede protegida 13,8kV em solicita-ções climáticas do Centro-oeste do pais foi idealizada a cons-trução de uma rede piloto montada com equipamentos (cabose acessórios), de diferentes fabricantes, para servir como campode prova para avaliar as condições reais de envelhecimento edegradação dos equipamentos envolvidos. Diversos ensaioselétricos, mecânicos e físico-químicos, foram selecionadospara avaliação em laboratório. Neste trabalho são apresenta-dos resultados referentes à inspeção visual de espaçadores eisoladores e análise térmica dos equipamentos utilizados narede protegida. Vazios e inomogeneidades e excesso de cargaforam observados em espaçadores e isoladores. Valores detemperatura de oxidação e de variação do alongamento a rup-tura após envelhecimento, que não atendem as especificaçõesem norma, foram encontrados para os materiais avaliados .

PALAVRAS-CHAVE

Rede protegida, espaçadores, isoladores, degradação, estresseambiental

I. INTRODUÇÃO

Na aplicação de novos materiais e tecnologias paradistribuição de energia, devido ao alto custo de investi-mento inerente a esta atividade, deve ser observada a adap-tação ao micro clima local e quais as variações de projetosde materiais com melhor potencial de retorno e qualidadeno fornecimento de energia.

Redes protegidas de distribuição tem sido utilizadas comsucesso em diversas regiões do Brasil. Entre as vantagensalcançadas com a utilização de redes protegidas podem-secitar: compactação próxima a encontrada em redes subterrâ-neas, diminuição do túnel de poda de árvores e aumento daconfiabilidade e segurança do sistema de distribuição [1, 2].

Basicamente, uma rede protegida é composta por trêscondutores cobertos com camada de material polimérico,apoiados em espaçadores ou em separadores, também emmaterial polimérico, sustentados por um cabo mensageiro deaço. Os materiais poliméricos utilizados na cobertura dos ca-bos são o polietileno reticulado (XLPE) e o polietileno de altadensidade (HDPE), podendo atualmente serem encontradoscabos com cobertura em dupla camada [camada interna empolietileno de baixa densidade (LDPE) ou XLPE e externaem HDPE]. Além dos espaçadores e separadores, geralmenteem HDPE, outros elementos envolvidos na configuração de

uma rede aérea compacta são os isoladores e acessórios deamarração (anéis, laços e fios), os quais podem ser em HDPE,EPDM e borracha de silicone [3].

Os equipamentos (cabos e acessórios) empregados narede protegida, quando em operação, estão sujeitos a múlti-plos estresses, a saber: elétrico (campo elétrico, frequência),térmico (gradiente de temperatura, temperatura de operação),mecânico (vibração, tração, torção) e ambiental (radiação so-lar, umidade, contaminantes). Estes estresses, agindo de for-ma independente (estresse simples) e/ou sinérgica (estressecombinado), são responsáveis pelo envelhecimento e degra-dação do sistema isolante, o qual é constituído por materiaispoliméricos. O envelhecimento e a conseqüente degradaçãopode levar a perda dos requisitos elétricos e mecânicos míni-mos para continuidade de operação do sistema [4, 5].

Fatores relacionados ao micro-clima local de cada re-gião, tais como temperatura, intensidade de radiação UV eumidade, afetam o desempenho dos sistemas isolantes [6, 7,8]. Apesar de tal conhecimento, muito pouco trabalho de cam-po tem sido realizado com relação a equipamentos de redesprotegidas, em regiões de micro-clima diferentes, para verifi-cação do seu desempenho em condições reais de operação.

II. MATERIAS

Os cabos e acessórios em estudo são mostrados e iden-

tificados de acordo com a tabela 1.

TABELA 1Identificação do Polímero Base Utilizados na Confecçãodos Equipamentos Utilizados na Construção da Rede.

Amostra Material polimérico

Cabo do fabricante A Polietileno de alta densidade entrecruzado

Cabo do fabricante B Dupla camada em HDPE e em XLPE

Cabo do fabricante C Mistura LDPE e LLDPE entrecruzados

Espaçador do fabricante A HDPE

Espaçador do fabricante D HDPE

Espaçador do fabricante E HDPE

Isolador de pino do fabricante E cinza claro HDPE

Isolador de pino do fabricante E cinza escuro HDPE

Isolador de pino do fabricante F HDPE

Anel de amarração do fabricante A Silicone

Anel de amarração do fabricante D EPDM

Laço de amarração do fabricante E HDPE

Isolador de ancoragem do fabricante F EPDM

Isolador de ancoragem do fabricante G Silicone

Braço anti-balanço do fabricante F HDPE

Braço anti-balanço do fabricante EPoliamida

Rede Protegida Piloto de Cuiabá - Avaliação deEquipamentos e Materiais

F. Piazza, LACTEC; G. P. Souza, LACTEC; M. Munaro, LACTEC; G. C. Silva, LACTEC; J. Tomioka,LACTEC; M. de Souza Ochiuto, REDE - CEMAT

Este trabalho teve o apoio do LACTEC e da CEMAT.

Os autores são pesquisadores do LACTEC e da REDE - CEMAT.Contato pelo e-mail: [email protected] ou [email protected].

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III. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Por apresentar características singulares, isto é, tem-

peratura e umidade elevadas em relação a outras regiões

do país, a cidade de Cuiabá, situada na região Centro-Oes-

te do país, foi escolhida como campo de prova. Para tanto,

foi idealizada a construção de uma rede piloto montada

com equipamentos de diferentes fabricantes, a qual servirá

como laboratório para avaliar as condições reais de enve-

lhecimento e degradação dos cabos e acessórios utilizados

na rede protegida. As avaliações dos equipamentos da rede

piloto serão realizadas em cinco fases distintas num perío-

do de seis anos, com retiradas de amostras para ensaios de

avaliação em laboratório a cada 1,5 ano.

Para avaliar a influência dos diferentes estresses da

região de Cuiabá nos equipamentos (cabos e acessórios)

da rede protegida piloto, faz-se necessário conhecer as

características inicias deste materiais. Para isso utilizou-se

técnicas experimentais baseadas em procedimentos

normalizados, levando em conta sua viabilidade técnica e

econômica e também a relevância das informações dos

parâmetros medidos.

Neste artigo são apresentados os resultados anterio-

res a instalação, com destaque aos ensaios de inspeção vi-

sual, trilhamento elétrico nos cabos, temperatura de fusão

e oxidação, teor de cinzas e tração a ruptura antes e depois

de envelhecimento tanto em estufa como em WOM.

A determinação da resistência ao trilhamento elétrico

nos cabos foram realizada de acordo com a NBR 11873 [9].

A determinação da temperatura de fusão e oxidação

foi realizada através da técnica de calorimetria diferencial

de varredura - DSC. Estes resultados são importantes na

caracterização inicial dos materiais poliméricos, obtendo

pelas temperaturas de fusão e oxidação, informações pre-

liminares do tipo de polímero empregado e da quantidade

da aditivação presente no material, respectivamente. As

amostras foram retiradas da superfície dos equipamentos

com uma espessura média de 0,4mm e cortadas com

vazador de 4mm de diâmetro. O ensaio foi realizado em

equipamento Netzsch DSC 200, na faixa de temperatura

de 30 a 300ºC, com taxa de aquecimento de 10ºC/min, em

atmosfera de oxigênio (oxidante) em cadinho de alumínio

aberto, atendendo a norma ASTM E 2009 [10].

O ensaio de tração a ruptura é bastante interessante

na caracterização inicial do material, pois os polímeros uti-

lizados na confecção de cabos e acessórios devem possuir

determinadas características mecânicas iniciais para que

possam atender a solicitações de serviço e manuseio.

Neste ensaio, 5 corpos-de-prova na forma de grava-

tas retirados das amostras dos materiais poliméricos obti-

dos dos equipamentos foram submetidos ao ensaio de tra-

ção à ruptura, em equipamento Instron 4467, com célula

de carga 100 kN, velocidade do travessão de 250 mm/min

e L0 de 10 mm, a temperatura ambiente.

IV. RESULTADOS

As figuras 1, 2 e 3 apresentam resultados da inspeção

visual realizada em espaçadores e isoladores. A figura 1

apresenta imagens de um isolador de ancoragem, nas quais

pode-se observar vazios no interior da peça e no bastão

central. Na figura 2 vazios no interior do espaçador tam-

bém são visíveis. A figura 3 mostra inomogeneidades pre-

sentes em um espaçador. A existência de vazios e

inomogeneidades no sistema isolante de isoladores e

espaçadores pode provocar o aparecimento de descargas

parciais internas e superficiais, as quais são função da dis-

tribuição do campo elétrico em regiões com diferentes

permissividades. Além disto, o acabamento superficial da

peça, seja de um isolador ou espaçador, pode afetar sua

suportabilidade a sobretensões e surtos [11].

Segundo a Norma NBR 11873 as amostras de cabo

não envelhecidas deveriam suportar a tensão de trilhamento

de 2,75 kV. O cabo protegido do fabricante B foi classifica-

do como sendo de classe 2,5kV, classe inferior portanto ao

especificado pela NBR 11873 [9]. Os cabos dos fabricantes

C e A foram classificados como 2,75kV, atendendo portan-

to ao solicitado por norma. Alterações nas suportabilidades

serão verificadas no decorrer das demais fases.

Os resultados de temperatura de fusão e oxidação dos

materiais estão apresentados na tabela 2.

TABELA 2RESULDADOS DE TEMPERARURA DE FUSÃO ETEMPERATURA DE OXIDAÇÃO

Amostra Temperatura Temperaturade fusão (ºC) de oxidação (ºC)

Cabo do fabricante A 131,3 265,6

Cabo do fabricante B 109,3 e 128,3 256,0

Cabo do fabricante C 107,6 e 121,8 266,9

Espaçador do fabricante A 129,3 285,0

Espaçador do fabricante D 134,2 230,8

Espaçador do fabricante E 134,1 230,5

Isolador de pino do fabricante E cinza claro 132,4 232,0

Isolador de pino do fabricante E cinza escuro 129,5 274,0

Isolador de pino do fabricante F 133,3 225,5

Laço de amarração do fabricante E 135,8 214,8

Pelo Projeto de norma NBR 11873 [12] e CODI [13]

para cabos cobertos, os valores de temperatura de fusão e

temperatura de oxidação não devem ser inferiores a 105ºC

e 245ºC respectivamente. Dessa forma os três cabos avali-

ados atendem esta especificação. Como a temperatura de

oxidação está diretamente ligada a qualidade do sistema

de aditivação no material (antioxidantes e estabilizadores

de radiação ultravioeleta), observa-se que os espaçadores

dos fabricantes D e E, os isoladores dos fabricantes E cin-

za claro e Fe o laço de amarração do fabricante E, possu-

em valores de temperatura de oxidação inferiores a 245ºC,

o que pode ser um indício de pouca aditivação [14].

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FIGURA 1 - Vista do isolador de ancoragem onde são observadosvazios internos.

FIGURA 2 - Vista de parte de um espaçador apresentandovazios no interior da peça.

FIGURA 3 - Vista de parte do espaçador apresentandoinomogeneidades no material da peça.

Os resultados dos ensaios de tração a ruptura antes

do envelhecimento estão mostrados na tabela 3. Pelas es-

pecificações das normas CODI's [13, 15, 16] os valores

mínimos de tensão máxima e alongamento na ruptura, res-

pectivamente, para o XLPE são 12,5 MPa e 200% e para

HDPE 21,5 e 300%.

Os fabricantes dos cabos avaliados informaram que o

material da cobertura dos cabos é XLPE e desta forma, os

valores obtidos para o ensaio de tração a ruptura estão

dentro das especificações para material novo.

Os materiais dos isoladores e espaçadores, todos em

HDPE, encontram-se dentro das especificações com exce-

ção do espaçador e o isolador cinza claro do fabricante E

que possuem alongamento menor que 300%.

A variação máxima aceita após envelhecimento tér-

mico em estufa é de 25%[13, 15, 16]. Dessa forma a

cobertura de material polimérico dos cabos atendem a

especificação, mesmo o cabo do fabricante A, cuja va-

riação de elongação na ruptura está muito próximo do

limite, como mostra a tabela 4.

TABELA 3Resultado do ensaio de tração a ruptura

Amostra Tensão Máxima(MPa) Elongação a ruptura(%)

Cabo do fabricante A 26,58 ± 1,07 437 ± 71

Cabo do fabricante B 13,41 ± 0,81 314 ± 21

Cabo do fabricante C 19,00 ± 0,85 312 ± 22

Espaçador do fabricante A 41,38 ± 1,12 759 ± 20

Espaçador do fabricante D 27,42 ± 0,35 660 ± 50

Espaçador do fabricante E 32,47 ± 1,89 155 ± 18

Isolador de pino do fabricante E cinza claro 30,95 ± 0,6 243 ± 40

Isolador de pino do fabricante E cinza escuro 40,76 ± 1,4 740 ± 7

Isolador de pino do fabricante F 29,44 ± 0,17 558 ± 2

TABELA 4Resultado do ensaio de tração a ruptura após o envelhecimentoem estufa por 168h e variação em relação ao material novoAmostra Tensão Variação da Elongação Variação da

Máxima Tensão a ruptura Elongação a (MPa) Máxima (%) (%) ruptura (%)

Cabo do fabricante A 24,50 ± 1,18 7,8 545 ± 58 24,7Cabo do fabricante B 13,81 ± 1,50 3,0 298 ± 36 5,1Cabo do fabricante C 18,97 ± 3,34 0,2 300 ± 39 3,8Espaçador do fabricante A 41,38 ± 5,34 0 1097 ± 164 44,5Espaçador do fabricante D 30,23 ± 0,46 10,24 159 ± 11 75,9Espaçador do fabricante E 34,02 ± 0,43 4,7 30 ± 2 80,6Isolador de pino do fabricante E cinza claro 32,65 ± 0,62 5,2 29 ± 3 88,0Isolador de pino do fabricante E cinza escuro 42,12 ± 6,69 3,3 965 ± 87 30,4

Isolador de pino do fabricante F 31,60 ± 0,63 7,3 147 ± 2 73,6

Para os espaçadores e isoladores, as variações foram

maiores que 25% para o alongamento a ruptura. O ensaiode alongamento a ruptura é muito representativo das vari-

ações morfológicas do material, tais como: reestruturação

cristalina; entrecruzamento e/ou quebra de cadeia causa-dos pelo envelhecimento térmico.

Como não é possível a obtenção de corpos-de-pro-va para realização do ensaio tração à ruptura, direta-

mente dos isoladores e espaçadores, torna-se necessá-rio a transformação destes materiais em placas através

de aquecimento e pressão.O acompanhamento em campo destes materiais é mui-

to importante, pois pode trazer informações sobre o quan-

to estes resultados poderão comprometer o desempenhodestes equipamentos.

A variação máxima especificada em norma CODI [13]para 2000h de envelhecimento em WOM, também é 25%.

Pelos resultados da tabela 5 nota-se que os cabos dos fa-bricantes A e B estão fora de especificação com relação

a variação do alongamento a ruptura.

TABELA 5Resultado do ensaio de tração a ruptura apósenvelhecimento em câmara de WOM por 2000h e variaçãoem relação ao material não envelhecido.Amostra Tensão Variação da Elongação Variação da

Máxima Tensão a ruptura Elongação a (MPa) Máxima (%) (%) ruptura (%)

Cabo do fabricante A 27,36 ± 0,58 2,9 125 ± 3 71,4Cabo do fabricante B 13,57 ± 0,22 1,2 220 ± 5 29,9Cabo do fabricante C 19,14 ± 0,53 0,7 302 ± 16 2,2Espaçador do fabricante A 31,02 ± 2,27 25,0 657 ± 12 13,4Espaçador do fabricante D 28,52 ± 0,17 2,9 630 ± 140 2,9Espaçador do fabricante E 32,42 ± 0,37 0,2 124 ± 32 20,0Isolador de pino do fabricante E cinza claro 31,53 ± 0,84 1,8 36 ± 4 85,2Isolador de pino do fabricante E cinza escuro 29,00 ± 1,79 28,8 602 ± 47 18,6Isolador de pino do fabricante F 32,35 ± 0,61 9,9 389 ± 38 30,2

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Ainda, os isoladores de pino do fabricante E cinza

claro e do fabricante F não atendem a especificação quan-

to a variação ao alongamento a ruptura. O isolador de pinocinza escuro do fabricante E não a especificação quanto a

variação de tensão máxima.

V. CONCLUSÃO

Durante a inspeção visual foram observados vazios einomogeneidades em espaçadores e isoladores, o que pode

vir a comprometer o desempenho da rede protegida.

Um dos cabos apresenta resistência ao trilhamentomenor que o especificado para cabo sem uso. Porém,

com o envelhecimento em campo, esta suportabilidadepode se manter, o que permite que este cabo continue

a ser utilizado. Alguns equipamentos (isoladores, espaçadores e la-

ços de amarração) apresentam valores de temperatura deoxidação inferior ao mínimo recomendado, o que pode su-

gerir que estejam com baixa aditivação.Os materiais poliméricos utilizados na confecção dos

cabos apresentam baixos valores de grau de reticulação.

Foram observados valores de variação de tração aruptura antes e depois do envelhecimento em estufa e em

WOM, superiores aos especificados em norma. Estes re-sultados foram obtidos principalmente para o material de

equipamentos cujos corpos de prova sofreramreprocessamento conforme descrito anteriormente. O

acompanhamento em campo pode trazer informações so-bre o quanto estes resultados poderão comprometer o de-

sempenho destes equipamentos.

A continuidade do trabalho permitirá, entre outras, adefinição de quais as características que os equipamentos

deverão possuir para apresentar um bom desempenho frenteàs condições encontradas em Cuiabá.

VI. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem as contribuições do Técnico

Dorneles Braga e da estagiária Elaine de Andrade durantea realização dos ensaios realizados.

VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] DOI, H.; MIYUACHI, H.; MATSUMOTO, M. T. Cabos Cobertoscom XLPE para Linhas Aéreas de Distribuição. Mundo Elétrico, p.90-93, fev. 1987.E. H. Miller, “A note on reflector arrays,” IEEETrans. Antennas Propagat., a ser publicado.

[2] NISHIMURA, F.; CICARELLI, L. D.; MARTINS, J. P. Rede Aé-rea Isolada e Protegida de Média Tensão. Eletricidade Moderna,n. 241, p. 68-73, abr. 1994.

[3] SILVA, G. C. Comportamento Elétrico e Dielétrico de Cabos dePotência Extrudados Utilizados em Redes de Distribuição deEnergia Elétrica. Curitiba, 2000. 122 p. Dissertação (Mestradoem Engenharia e Ciência dos Materiais), UFPR.

[4] MONTANARI, G. C.; SIMONI, L. Aging Phenomenology andModeling. IEEE Trans. Elect. Insul., vol. 28, n. 5, p. 775-776,Oct. 1993.

[5] DENSLEY, R. J.; BARTNIKAS, R.; BERNSTEIN, B. MultipleStress Aging of Solid Dielectric Extruded Dry-cured Insulationsystems for Power Transmission Cables. IEEE Trans. Power Del.,vol. 9, n. 1, p. 559-571, Jan. 1994

[6] SAMPER, J. Importance of weathering fathors other than UVradiation and temperature in outdoor exposure. PolymerDegradation and Stability, vol. 76, p. 455-465, 2002

[7] SATOTO, R.; SUBOWO, W. S.; YUSIASHI, R. Weathering of high-density polyethylene in different latitudes. Polymer Degradationand Stability, vol. 56, p. 275-279, 1997.

[8] TIDJANI, A. Comparison of formation of oxidation products duringphoto-oxidation of linear low density polyethylene under differentnatural and accelerated weathering conditions. PolymerDegradation and Stability, vol. 68, p. 465-469, 2000

[9] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NOR-MA BRASILEIRA REGISTRADA Cabos cobertos com materi-ais poliméricos para redes aéreas compactas de distribuição deenergia em tensões de 13,8kV a 34,5 KV Projeto de norma NBR11873, Rio de Janeiro outubro 2001.

[10] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS.Standard Test Methods for Oxidation Onset Temperature ofHydrocarbons by Differential Scanning Calorimetry, ASTM E2009-99, USA, 1999.

[11] PEEK, F. W. Dielectric Phenomena in High-Voltage Engineering.Mc Graw-Hill Book Company, London.

[12] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Ca-bos cobertos com materiais poliméricos para redes aéreas com-pactas de distribuição de energia com tensões de 13,8 e 34,5kV. Projeto de Norma NBR 11873, Rio de Janeiro, Outubro 2001

[13] COMITÊ DE DISTRIBUIÇÃO. Especificação de Cabos Cober-tos para Rede Compacta em Espaçadores – 15 kV. DocumentoTécnico CODI-3.2.18.23.1, Rio de Janeiro, 1999.

[14] MUNARO, M.; SOUZA, G. P. Comportamento da degradação dopolietileno avaliado por estabilidade térmica. 6o Congresso Brasi-leiro de Polímeros e IX International Macromolecular Colloquium,p. 717-720, 2001

[15] COMITÊ DE DISTRIBUIÇÃO Especificação de espaçador,separador e amarração para rede compacta de 13,8kV e 34,5 kV.Documento técnico: CODI-3.2.124.1, Rio de Janeiro 2000.

[16] COMITÊ DE DISTRIBUIÇÃO Especificação de isoladores tipopino polimérico para rede compacta de 13,8kV e 34,5 kV. Do-cumento técnico: CODI-3.2.18.27.1, Rio de Janeiro 2000.

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RESUMO

Este trabalho tem como objetivo apresentar os resultados ob-tidos no primeiro ano do projeto em andamento desde abrilde 2003, com ênfase aos Relatórios Técnicos 1 e 2, quaissejam: Estado da Arte em Isoladores Poliméricos e Estadoatual de Aplicação e Desempenho em Campo destes Isola-dores Poliméricos. Uma introdução ao Relatório Técnico 3é colocada.

PALAVRAS-CHAVES

Degradação de Materiais Poliméricos; Envelhecimento Natu-ral; Envelhecimento Acelerado; Isoladores Poliméricos;Sensores.

I. INTRODUÇÃO

Com o crescente aumento de utilização de isoladores

poliméricos em linhas de 69 e 138 kV em concessionáriasde energia elétrica faz-se necessário uma melhor avaliação

de suas características de desempenho e de seus modos de

degradação. Nesse sentido o projeto de pesquisa busca al-cançar alguns resultados de fundamental importância, para

a concessionária e usuários, como os seguintes:• Minimização de risco de indesejáveis desligamentos

intempestivos por falha em isoladores poliméricos;• Metodologia para avaliar a degradação de isoladores

poliméricos;• Técnicas para detecção de falhas em isoladores

poliméricos;• Prototipagem de sensor de falha do isolador polimérico.

Assim, os seguintes objetivos foram traçados para oProjeto:

• Avaliar o desempenho de isoladores poliméricos, de acor-do com Normas IEC e outras;

• Desenvolver métodos que avaliem a degradação de iso-ladores poliméricos;

• Definir requisitos de desempenho para o isoladorpolimérico;

• Desenvolver técnicas que permitam detectar os isolado-

res poliméricos que falhariam, antes desta ocorrência emlinha de transmissão;

• Desenvolver o protótipo do sensor de falhas por degra-dação de isoladores (alteração de cor, de temperatura,

ou de sinais elétricos, corrente de fuga, entre outros),para antecipação destas falhas nos produtos em campo;

• Consolidar a especificação técnica do sensor de falhadesenvolvido.

II. RESULTADOS

A . Levantamento bibliográfico do estado da ArteO Relatório Técnico 1 [1] teve como objetivo apre-

sentar resultados parciais do levantamento do estado daarte que está sendo conduzido, através de pesquisas bibli-

ográficas sobre isoladores poliméricos e sensores de de-

gradação, para aplicação em linhas de transmissão e distri-buição de energia elétrica. Pequena parte desta pesquisa

bibliográfica faz-se presente a seguir:Na avaliação de níveis de correntes de fuga em isola-

dores estudou-se [2] as correntes de fuga de EPDM eSilicone, durante uma moderada tempestade de sais, em

janeiro de 1993. Os isoladores do mesmo fabricante, de“design” idêntico, comportaram-se muito diferentemente.

O EPDM mostrou uma corrente de fuga bem maior e in-tensidade de arcos na superfície, enquanto o silicone man-

teve uma baixa corrente de fuga. Mudanças químicas fo-

ram investigadas por MEV, FTIR-ATR, (para avaliar vari-ações em seis anos de campo), Espectroscopia por Raios

X, e outras. Os resultados mostram forte relação entre con-dições superficiais e correntes de fuga [2].

Em avaliação laboratorial a referência [3] descreveresultados de medições por calorimetria de varredura dife-

rencial (DSC) e por corrente termicamente estimulada(TSC) em amostras poliméricas usadas como isoladores

em media tensão, em distribuição de energia. Houve tenta-

tiva de correlacionar parâmetros de carga armazenada comfenômenos de quebra observados em ensaios de resistên-

cia à voltagem em trilhamento (VTR). Medidas de DSCforam usadas para verificar se os picos de TSC aumentam

num processo de relaxação associado com modificaçõesmorfológicas ou estruturais. Uma correlação é mostrada

entre condutividade e resistência à tensão elétrica detrilhamento [3].

A influência do material e tensão elétrica no desempe-nho de isoladores poliméricos foi estudada nos campos da

costa oeste da Suécia. O comportamento e estabilidade sob

condições de poluição salina foram estudados para EPDM esilicone. Para isoladores de mesmo “design” foi comparada

a corrente de fuga para ambos, AC e DC, isoladoresenergizados, e também para os de silicone expostos a dife-

rentes tensões elétricas. O isolador de EPDM perdeu suahidrofobicidade e apresentou alta corrente de fuga; entre os

quatro EPDM submetidos ao ensaio, dois falharam durantea tempestade de sais. O de silicone, com a

Sensor para verificação de degradação emisoladores poliméricos de linhas de transmissão

F.E. Nallim, J.M.G. Angelini, J.A.D. Rossi, J.A. Petrachim - CPqD, N.C. Góis, J.A.S. Brito - COELBA

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mesma distância de escoamento ou fuga que os de-

mais de EPDM, mostrou muito menor corrente de fuga.

Mas os de silicone com menor distância de escoamentoapresentaram picos de pulsos de corrente iguais aos de

EPDM com maior distância de escoamento [4].Uma investigação, sobre a perda temporária da

hidrofobicidade de alguns isoladores poliméricos e reves-timentos, foi realizada por grupo australiano. Tipos de des-

carga elétrica podem causar uma substancial perda destahidrofobicidade para EPDM, PTFE e silicone; também foi

observado um grande ganho desta propriedade. O tempo

do processo de recobrimento foi determinado para váriosisoladores comerciais; também foram discutidos aspectos

de degradação, mecanismos de reparos e alguns aspectospráticos [5].

Em [6] foi desenvolvido um programa para processarmedições experimentais conectadas com o fenômeno de

quebra e pré-quebra em isoladores poliméricos, o que éimportante para a aplicação em campos eletromagnéticos

fortes. Descargas parciais é o mais importante fator contri-buindo para a danificação do isolador, segundo este grupo

grego. Detectaram e mediram em laboratório as descargas

parciais nas quais a tensão de alto impulso é aplicada; ofenômeno tem natureza estatística, sendo, portanto, neces-

sárias muitas medições. Um programa de computador foiusado para processar os inúmeros dados obtidos

(processador de medições de descargas parciais - pdmp);pode criar uma série de curvas e tabelas que podem ajudar

a guardar e estocar as informações [6].A referência [7] apresenta os resultados de avalia-

ção laboratorial de isoladores poliméricos de linha deTransmissão, classe 138 kV, submetidos a ensaios de en-

velhecimento acelerado. Coloca que “a deterioração

causada pelo envelhecimento é a principal causa das fa-lhas nos isoladores poliméricos representando 64%”. São

mostrados resultados de ensaio de envelhecimento ace-lerado em amostras de diversos fornecedores de EPDM,

silicone e vidro com RTV e também em amostras dematerial. Os ensaios foram realizados no CEPEL. Suge-

re ainda uma complementação da avaliação com levan-tamento do estado de isoladores retirados de campo. São

utilizadas as normas IEC 1109 e IEC 507 na composi-

ção dos ensaios realizados de envelhecimento acelera-do, ensaios mecânicos e elétricos.

O silicone e o EPDM são hoje os materiais mais utili-zados na confecção de isoladores poliméricos. O objetivo

de 8 [8] é estudar as propriedades dielétricas de composi-ções de silicone, por incorporação de quantidades varia-

das de alumina tri-hidratada, e avaliar propriedades comorigidez dielétrica, constante dielétrica, resistividade elétri-

ca e resistência ao trilhamento elétrico. As propriedadessão avaliadas após ensaios de envelhecimento acelerado.

Ainda na linha de investigação de isoladores

poliméricos classe 138 kV tipo “line post” [9], foram

conduzidos no EPRI HVTRC ensaios de envelhecimen-

to acelerado com o objetivo de reproduzir as condições

da costa da Flórida, região de concessão da FlóridaPower and Light Co.

Foram comparados isoladores novos e isoladores comenvelhecimento acelerado em laboratório.

Como base para os ensaios de envelhecimento, foramcoletados e analisados dados das regiões em que linhas estão

instaladas, divididos em condições ambientais do verão einverno. Com isso foi desenvolvido uma câmara de ensai-

os com condições representando as situações mais severas

de instalação. São apresentados os resultados desse enve-lhecimento e das condições dos isoladores após os testes.

Na mesma linha de trabalho, o artigo [10] de pesqui-sadores da Universidade do Arizona também trata de re-

produzir em laboratório para testes de envelhecimento con-dições ambientais medidas em campo. Dessa maneira, são

simuladas, em câmaras climáticas as condições coletadasno inverno e verão em Boston - USA. A validação dos

experimentos é feita com comparação de dados de campo.A corrente de fuga é um parâmetro importante a ser

avaliado na determinação da vida útil de isoladores

poliméricos.Um artigo [11] da Chalmers University da Suécia tra-

ta de corrente de fuga em isoladores e materiais nãocerâmicos com medições no campo e em laboratório. De-

senvolve um sistema de medição de corrente de fuga emcampo e em laboratório como correlacionar desempenho

do material com a corrente de fuga.Foram desenvolvidos diversos estudos baseados no

desempenho em campo de isoladores poliméricos e os co-mentários a seguir relatam alguns desses estudos. Versan-

do sobre efeitos da contaminação biológica na performance

do isolador [12] a referência trata de isoladores poliméricosexpostos às condições tropicais com e sem poluição, no

Sri Lanka e Tanzânia. Foram observadas contaminaçõescom algas, mas ensaios de laboratório não indicaram forte

efeito dessa contaminação no desempenho dos isoladoresde silicone. São apresentadas também alternativas de con-

trole das algas.Os resultados de uma experiência de campo conduzida

na Suécia são reproduzidos [13] mostrando os resultados

das investigações do uso de isoladores poliméricos em li-nhas de alta tensão. A avaliação é realizada em condições

naturais e artificiais, são avaliados novos métodos de en-saio e os efeitos de envelhecimento e hidrofobicidade. É

analisado ainda o fenômeno do “flashover” em superfícieshidrofóbicas. Ainda sobre experiência de campo em enve-

lhecimento de isoladores de EPDM e silicone, um trabalhodesenvolvido pela Universidade de Chalmers [14] mostra

os resultados de um experimento de longa duração sob con-dições de contaminação natural, em instalações de campo.

Como objetivo principal o artigo estuda a inter-relação entre

as condições de superfície do isolador polimérico e o seu

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desempenho elétrico, sendo avaliados em detalhes as con-

dições de superfície, hidrofobicidade e estatística de cor-

rente de fuga em 9 isoladores. Os resultados mostram for-te relação entre as condições de superfície, especialmente

a hidrofobicidade e corrente de fuga e tensão suportável.Um experimento relacionado com exposição de iso-

ladores poliméricos à poluição industrial é mostrado em[15]. São analisadas as variações de hidrofobicidade e

performance elétrica de isoladores de silicone expostos ápoluição industrial em campo por dois anos. Ao mesmo

tempo são avaliados isoladores tratados com o tipo de

poluição industrial característica para avaliar o efeito dessacontaminação nas suas características. Os resultados

mostraram mudanças significativas das características dehidrofobicidade e desempenho elétrico nos isoladores re-

tirados de campo e são analisadas também as variaçõesde características dos isoladores tratados com os materi-

ais poluentes.

B . Avaliação do levantamento bibliográficoO estado da arte da utilização de isoladores

poliméricos a nível mundial foi parcialmente levantado e

sua continuidade é importante.O desempenho do produto é função de adequação de

formulação de material mais “design”, além de condiçõesde processamento, sendo fundamental a boa aditivação da

formulação do polímero e a distância de escoamento ade-quadamente estudadas; outro fator importante é a junção

entre as diferentes partes do isolador polimérico compósito.As propriedades de superfícies, como resistividade

superficial e volumétrica, e a corrente de fuga são aspectoselétricos importantes para serem monitorados.

Não há, até a percepção do momento, estudos de fa-

tores individualmente afetando o desempenho dos produ-tos, o que é importante; há pouco sobre propriedades quí-

micas relacionadas ao desempenho de produtos e sobre aspropriedades térmicas, correlacionadas às variações nas

propriedades elétricas e mecânicas.Não há, até a percepção do momento, citação de

formas de avaliar como um isolador polimérico está emcampo e quando ele irá falhar. As caracterizações das con-

dições ambientais de aplicação dos produtos são impor-

tantes aspectos a serem realizadas. As condições dearmazenamento, manuseio e transporte, bem como do

ambiente operacional de aplicação são importantes nodesempenho final do produto.

C . Desempenho em ambiente operacionalO estado atual de desempenho dos isoladores

poliméricos em ambiente operacional, em linhas de 69 kV

e 138 kV, na área de concessão da COELBA, é fundamen-tal de ser compreendido e contextualizado, o que se pre-

tendeu com o estudo contido no Relatório Técnico 2 [16]

. Os subsídios obtidos nortearam quanto às necessidades

de coletas de mais amostras em campo, bem como para a

obtenção de amostras de isoladores novos e mantas

elastoméricas.As informações foram coletadas em duas etapas. Na

primeira as informações foram obtidas a partir de uma reu-nião realizada em Campinas, entre pesquisadores da equi-

pe do CPqD e o gerente do projeto por parte da COELBA.Nessa reunião foram levantados o histórico da utilização

de isoladores poliméricos na COELBA, as causas que le-varam à sua introdução na empresa, o percentual de apli-

cação, classes de tensão, modelos e fabricantes mais utili-

zados, índice de defeitos, defeitos mais frequentes, possí-veis causas de ocorrência de falhas nos isoladores, e outras

informações.Numa segunda etapa, foram obtidas informações a

partir de observações e coleta de amostras realizadasnuma visita à COELBA, por parte da equipe do CPqD,

em junho de 2002. Nessa visita foram analisadas a for-ma de recebimento e estocagem do material, acompa-

nhamento das instalação e substituição de peças em cam-po pelo pessoal de trabalho em linha viva, coleta de

amostras em regiões determinadas, além de complemento

de informações a respeito do histórico de desempenhodos isoladores em campo.

Os isoladores poliméricos retirados de campo por de-feitos observados puderam dar uma idéia dos tipos possí-

veis de falhas encontradas e mostrar caminhos para se pre-ver a falha, antecipadamente, entender os processos de

degradação, melhorar os processos de inspeção, etc.Neste momento ainda não se tem uma estatística do

percentual de isoladores poliméricos retirados de campopor ocorrência de defeitos e nem mesmo informações con-

clusivas dos modos de falha desses isoladores, o que vai

ser obtido a partir dos estudos desenvolvidos. No entanto,o histórico dos isoladores já retirados e a experiência acu-

mulada da COELBA na observação desses defeitos po-dem indicar caminhos preliminares para se chegar aos re-

sultados propostos.Nesse sentido, é muito rica a quantidade de informa-

ções já acumulada no decorrer dos anos a respeito de iso-ladores já retirados de campo e com modos de degradação

observáveis. Vão ser enumerados alguns deles e foram

quando possível identificados com fotos ilustrativas, norelatório, dos tipos de defeitos encontrados. Essas fotos

são do arquivo da COELBA da experiência acumulada nosúltimos anos.

Em alguns casos é detectado que os isoladores estãocom problemas por defeitos ocorridos na linha, quando

então podem ser observados mais facilmente os tipos dedanos ocorridos na isolação. Mas, mesmo nesses casos,

muitas vezes só se observa o defeito após a ocorrência dafalha, ou seja, a deterioração do isolador não foi detectada

a tempo. Esse tipo de degradação do isolador, normalmen-

te, seria observável caso o isolador fosse inspecionado de

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perto já que o grau de destruição da peça é muito

aparente. Um caso relatado que demonstra esse tipo de

falha ocorreu em uma linha em uma região de alto grau depoluição química, com a ocorrência de destruição das sais

de isoladores EPDM, com somente 3 anos de instalaçãoem campo. O isolador degradado foi localizado pela ocor-

rência sistemática de falhas na linha e pela observação dafumaça que saia da torre/isolador (fumaça de enxofre, S,

com água, propiciando o ataque do ácido sulfúrico, maisagressivamente, na parte de baixo do isolador, corroendo

toda a saia do isolador onde a fumaça atingia).

Casos como esse, com degradação da saia de maneiradrástica, seriam mais facilmente observáveis com subida

na torre ou binóculos, embora muitas vezes a ocorrênciaesteja localizada numa face do isolador não facilmente

observável para o inspetor. Um isolador com processo de“esfarelamento” do material das saias provavelmente cau-

sado por altíssimas correntes de fuga foi encontrado.Outro ponto importante observado são os defeitos que

ocorrem nas interfaces bastão de fibra de vidro/saiaspoliméricas e bastão mais saias/metal. As interfaces são

importantes pois são variados os processos de fabricação

e portanto os tipos de junção fibra/polímero e metal/fibra,com a aplicação de colas, prensagem, extrusão e injeção.

Foram observados casos de saias soltas em relação ao bas-tão de vidro, o que pode facilitar a ocorrência de descar-

gas e correntes de fuga pela parte interna do bastão aoinvés do caminho projetado pelas saias. O mesmo pode

ocorrer se houver penetração de umidade na junção metal/fibra ou fibra/saias. Um exemplo drástico de ocorrência de

falha na junção metal/fibra e o bastão se soltou deixandoas fibras expostas em forma de “vassoura”, provavelmente

em função de uma descarga ocorrida no isolador, propici-

ando a falha em um isolador já previamente degradado.Nas junções metal/fibra podem ocorrer processos

de isoladores colados e outros com processos deprensagem e materiais diferentes suportam diferentes

temperaturas, diferentes contrações, etc. dando margemà ocorrência de falhas.

Foi observado isolador com queima aparente da partemetálica, perda da galvanização e degradação da saia e

bastão de fibra, provavelmente, pela ocorrência de arco de

potência. Um isolador em que tenha ocorrido um arco depotência, pela energia e calor envolvidos, possivelmente,

já vai estar degradado e deveria ser preventivamente reti-rado de campo, evitando futuros desligamentos

intempestivos da linha. A grande questão associada é comose identificar a ocorrência em determinado isolador. De

qualquer maneira, ensaios e medições laboratoriais provo-cando arcos de potência em amostras novas para se avaliar

o grau de danos e maneiras de identificação de ocorrênciaantecipada passam a ser um tema de grande interesse a ser

pesquisado no decorrer dos trabalhos.

Ou seja, é de grande importância ter uma maneira du-

rante uma inspeção, de visualizar ou ter indicação que aque-

le isolador já foi atingido por descarga com formação de

arco de potência.Ocorrências de descargas em isoladores que deixam

marcas visíveis também puderam ser observadas e podemser devido a falhas em junções, quando se observa que as

marcas nas saias aparecem no meio do produto e desapa-recem em seguida ou por todo o isolador quando aparen-

temente descargas parciais degradaram a superfície do mes-mo, propiciando a formação do arco em determinado mo-

mento. De qualquer maneira, ensaios em laboratório po-

dem esclarecer esse tipo de comportamento e propiciarmétodos de antecipar a observação de falhas que irão pro-

piciar ocorrências mais graves.Os casos relatados anteriormente dão conta de de-

gradação de grande monta e que mostram uma situação defalha ou pré-falha bem caracterizada para o isolador; no

entanto, ocorrem muitos outros processos de degradação,que podem levar a falhas do isolador, mas que não são tão

facilmente observáveis a olho nu ou à distância. Esses ca-sos são fundamentais de serem analisados para que se co-

nheça os processos que levam à degradação dos elementos

do isolador, em que situações isso ocorre e quais os indi-cadores que poderiam ser levantados para se prever o fim

de vida do isolador.Nesse sentido, foram observados alguns processos de

contaminação dos isoladores em campo e que somados aoscasos relatados na literatura fornecem subsídios para ava-

liação da sua degradação. Os isoladores poliméricos naCOELBA estão instalados em diversas situações e locais

que podem levar a processos diferentes decontaminação.Basicamente, essas situações podem ser re-

sumidas em áreas sujeitas a altos índices de salinidade, nas

proximidades da orla marítima, áreas com poluição indus-trial, como no pólo petroquímico de Camaçarí, em regiões

do interior da Bahia (sertão) com baixa densidade de des-cargas atmosféricas e na região oeste do Estado, com mai-

ores níveis de descargas atmosféricas e de umidade.A poluição salina e a industrial acabam acarretando

degradação da superfície do isolador, com erosão,“tracking”, ou trilhamento, e posterior aumento da corren-

te de fuga, principalmente quando associado com aumento

da umidade da superfície. No caso de poluição salina, chu-vas abundantes podem favorecer a inibição dessa contami-

nação pela “lavagem “ do isolador. Já em regiões com altaumidade, mesmo sem poluição, pode haver o aparecimen-

to de limos e fungos, casos já relatados na literatura e tam-bém observados em campo.

Um isolador foi retirado de uma região próxima à orlamarítima com aparência de contaminação na superfície e

com marcas supostamente de correntes de fuga na superfí-cie. Outro isolador foi retirado de região com poluição in-

dustrial, mas com formação também de limo na superfície.

Esse isolador apresenta ainda manchas vermelhas de tinta

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de respingos da pintura da torre, ou seja, um tipo de conta-

minação promovida pelo próprio processo de manutenção

das estruturas metálicas.Na região do Recôncavo Baiano, pela alta umidade,

foi observada a formação de fungos com manchas pretasaparentes na superfície do isolador, que podem vir a au-

mentar os níveis de descargas parciais quando associadas àumidade.

Outro fenômeno observado, principalmente em isola-dores com formulação EPDM, é a produção do

esbranquiçamento ou “gizamento” do isolador.

Como conclusão do relatório 2 tem-se que:• estado atual de desempenho dos isoladores poliméricos

em ambiente operacional foi compreendido econtextualizado;

• As caracterizações de condições ambientais de aplica-ção dos produtos serão mais exploradas;

• As condições de armazenamento, manuseio e transportenecessitam de elaboração e revisão de procedimentos;

• As necessidades quanto à coleta de mais amostras emcampo estão sendo negociadas com a COELBA, para

efetivação posteriormente [16];

• As amostras de isoladores novos e de mantaselastoméricas, em processo de obtenção, juntamente com

os isoladores preliminarmente coletados, e as revisõesbibliográficas realizadas [1] e em andamento, foram sub-

sídios à continuidade deste trabalho para obtenção derequisitos de desempenho de isoladores poliméricos, nos

diversos ambientes operacionais da área de concessãoda COELBA.

D . Ensaios sendo realizadosO Relatório Técnico 3 [17] teve como objetivo apre-

sentar os resultados dos ensaios realizados nos isoladorespoliméricos de EPDM, novos e retirados de campo, para

aplicação em linhas de transmissão e distribuição de ener-gia elétrica. Também foram apresentados os resultados de

ensaios realizados em mantas elastoméricas de EPDM eSilicone, preparadas da mesma forma que as formulações

utilizadas nos isoladores.Os ensaios realizados e em andamento são:

• Envelhecimento Térmico;

• Envelhecimento em Névoa Salina;• Envelhecimento em água;

• Envelhecimento em Intemperismo artificial (QUV);• Ensaios elétricos de alta tensão nos Isoladores;

• Medições de Correntes de Fuga nos Isoladores;• Medições de Rugosidade Superficial nas Mantas

Elastoméricas e Isoladores;• Medições de Resistividade Superficial e Volumétrica nas

Mantas Elastoméricas e Isoladores;• Ensaios de Tração nos Isoladores;

• Espectrofotometria Infravermelho com Transformada de

Fourier (FTIR);

• Microscopia eletrônica de varredura (MEV) com micro-

análise dos Isoladores e Mantas;

• Medições de Dureza Shore nas Mantas Elastoméricas;• Medições de Densidade nas Mantas e Isoladores;

• Ensaios por TGA nos Isoladores;• Análise Térmica Dinâmico Mecânica (DMTA) nos Iso-

ladores e Mantas;• Calorimetria Diferencial de Varredura, dinâmico (DSC)

nos Isoladores e Mantas;• Calorimetria Diferencial de Varredura, isotérmico (DSC

para OIT);

• Ensaios curto-circuito nos isoladores a serem realizados.

Os resultados dos ensaios farão parte de novo traba-lho a ser publicado, bem como os resultados dos desenvol-

vimentos dos sensores de degradação, previstos os térmi-nos para abril de 2004.

Como ilustração estão apresentados alguns resulta-dos obtidos por DMTA.

III. PRÓXIMAS ETAPAS

O transcorrer do desenvolvimento do projeto está em

fase com o cronograma inicialmente planejado sendo quena fase atual estão sendo desenvolvidos os ensaios previs-

tos e os primeiros protótipos do sensor de degradação. Háexpectativa de desenvolvimento, com sucesso, de três for-

mas de avaliação de degradação do isolador polimérico.

IV. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Relatório Técnico 1 - Estado da arte em isoladores poliméricos, CPqDCoelba, 2002.

[2] Sorqvist, T.; Karlsson, U.; Vlastos, A.E.; Surface ageing and its impacton the performance of polymeric insulators; Conference Title: NinthInternational Symposium on High Voltage Engineering, Part vol.3,p.3234/1-4, vol.3, 1995.

[3] Andrade, A.M.; Faria, R.M.; Fonseca, F.J.; Dirani, E.A.T.; Pinheiro,W.; Oliveira, J.J.S.; Conference Title: 8th International Symposiumon Electrets. ISE 8,Proceedings (Cat. No.94CH3443-9),p.911-15,1994.

[4] Vlastos, A.E.; Influence of material and electric stress on theperformance of polymeric insulators; Conference Title: Proceedingsof the 4th International Conference on Properties and Applicationsof Dielectric Materials (Cat. No.94CH3311-8); Part vol.2, p.542-5vol.2, 1994.

[5] Bhana, D.K.; Swift, D. A.; An investigation into the temporary lossof hydrophobicity of some polymeric insulators and coatings; Partvol.1 p.294-7, vol.1; 1994.

[6] Moronis, A.X.; Bourkas, P.D.; Dervos, C.T.; Kagarakis, C.A.; Aprogram to process the experimental measurements connected withthe research of breakdown and prebreakdown phenomena in solidpolymeric insulators; Journal: International Journal of Power andEnergy Systems vol.14,no.3 p.77-83, 1994.

[7] Garcia, W. S. e outros ,” Avaliação de isoladores poliméricos subme-tidos a ensaio de envelhecimento acelerado”, Grupo III, GLT , XIVSNPTEE, 1997

[8] Gonzalez, E.G.C.; Sens, M.A.; Visconte, L.Y.; Nunes, R.C.R. “ Pro-priedades dielétricas de composições de silicone para uso em isola-dores de Linhas de Transmissão”, Grupo III Linhas de Transmis-são, GLT 009, XVI SNPTEE, 2001.

[9] Schneider, H. M.; Guidi, W. W.; Burnham, J. T.;Gorur, R. S.;Hall,J.F. “ Accelerated aging and “flashover” tests on 138 kV nonceramicline post insulators” ; IEEE Trans. On Power Delivery, vol. 8, nº 1,January 1993.

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[10] Sundararajan, R.; Pelletier, C.; Chapman, R.; Pollock, T.; Nowlin,R.; Baker, T.; “Multistress aging of polymeric insulators”; AnnualReport Conf. On Electrical Insulation and Dielectric Phenomena”;vol 1, pp 369-372, 2000.

[11]Fernando, M.A.R.M.; Gubanski, S. M. “Leakage currents on non-ceramic insulators and materials” IEEE TRANS. On Dielectricsand Elect. Insulation, vol 6, n5, 1999, pp 660-667.

[12]Gubanski, S. M.; Fernando M. A. R. M.; Pietr, S. J.; Matula, J.;Kyaruzi, A. “ Effects of biological contamination on insulatorperformance.” Proceedings of 6th Int. Conf. on Prop. AndApplications of Dielectric Materials, 2000.

[13] Gubanski, S.; Hartings, R., “ Swedish research on the applicationof composite insulators in outdoor insulation” ; IEEE ElectricalInsulation Magazine, vol 11, nº 5, 1995, pp 24-31.

[14] Sorqvist, T.; Vlastos, A., E.; Performance and ageing of polymericinsulators; IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 12, nº4, 1997, pp1657-1665.

[15] Awad, M.; Said, H.; Arafa, B. A.; Rizk, M.S.; Nosseir, R.;The effectof environmental conditions on the degradation of polymericinsulators”; Intern. Conf. On Large High Voltage Electric Systems,CIGRE´98 Session Papers, Part vol 5 p 6, 1998.

[16] Relatório Técnico 2 - Estado Atual do Desempenho dos IsoladoresPoliméricos em Ambiente Operacional, CPqD Coelba, 2002.

[17] Relatório Técnico 3 - Ensaios em Isoladores Poliméricos e MantasElastoméricas CPqD Coelba, 2003.

Amostra 1

7

7,2

7,4

7,6

7,8

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temperatura

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log E' tan

Amostra 5

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temperatura

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Amostra 3

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Amostra 7

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log E' tan

FIGURA 1 - Termograma de DMTA de amostras de isoladores:Arranjo básico do sistema elétrico (0) novo; (1) de campo(Linha Millenium Guarajuba, interior ao bairro); (3) apósciclo térmico; (4) novo; (5) após névoa salina; (7) após água

FIGURA 2 - Isolador com saias danificadas

FIGURA 3 - Isolador com saias deterioradas.