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11. MATERIAIS ISOLANTES

11.1. INTRODUO

Isolante o material com baixa condutividade, no qual o fluxo de corrente que o atravessa, resultante da diferena de potencial aplicada (ou a ser isolada), desprezvel. A condutividade dos isolantes abrange a ordem de 10-18 a 10-7 S/m (o cobre por exemplo apresenta uma condutividade de 5,85 x 107 S/m). Incluem-se nesta categoria materiais como as cermicas, os plsticos, os vidros, os lquidos orgnicos, borrachas e madeiras especiais.

11.2. NATUREZA DOS ISOLAMENTOS COMERCIAIS

Os isolamentos de cabos, segundo a natureza, classificam-se em:

Isolamento estratificado: Geralmente protegido com uma chapa de chumbo e tem utilizao normal acima dos 1.000 V. Exemplo: papel impregnado em leo (com ou sem presso), papel com interstcios ocupados com gs sob presso.

Isolamento slido: Empregado em todos os nveis de tenso e compreende os materiais orgnicos naturais e artificiais (polmeros).

Os polmeros subdividem-se em:

Termoplsticos: se aquecida amolece, solidificando-se aps um resfriamento. Apresentam uma temperatura mxima de trabalho de aproximadamente 170 OC.

Termofixas (ou termoestveis): Se aquecida mantm-se slida (no amolece). A temperaturas muito elevadas carboniza-se. Apresentam uma temperatura mxima de trabalho de aproximadamente 250 OC.

Exemplos de isolantes termoplsticos: poliestireno, polietileno (mais usado em cabos de alta tenso), cloreto de polivinila (PVC), borracha etileno-propileno (em cabos de alta e baixa tenso), nilon, etc.

Exemplos de termofixos: borracha butlica, borracha EPR, polietileno reticulado (a melhor regidez dieltrica), neoprene, borracha, etc.

Em aplicaes especiais, utilizam-se como isolamento o amianto, as cermicas, o teflon, o nilon, a ebonite, as fibras orgnicas, etc.

11.3. CUIDADOS ESPECIAIS COM OS MATERIAIS DE ISOLAMENTO

Os fabricantes de isolamentos e capas de proteo para fios e cabos desenvolvem, na sua manufatura, cuidados especiais que visam dotar esses elementos de resistncias aos efeitos abaixo:

Alta temperatura (considerada acima de 100 OC)

Abraso

Ao de solventes

Ao de umidade

Ao de fungos

Inflamabilidade (isolamento antichama)

Ao combinada do meio ambiente

Perdas dieltricas

Efeito corona

Efeito corona: Quando a densidade de fluxo de linhas de campo eltrico, criado no ar, excede um certo valor, uma luz violeta plida surge do intervalo entre metais em presena. Essa descarga conhecida como efeito corona e implica a criao de uma regio de ar ligeiramente ionizada. Quando a diferena de potencial entre os condutores em presena atinge valores superiores aos de produo de corona, forma-se a descarga eltrica abrupta, que consiste no rompimento total e destrutivo do meio isolante (raio ou descarga eltrica). As perdas resultantes da ocorrncia de corona em linhas de transmisso obrigam os projetistas a cuidados especiais no dimensionamento de chaves de alta tenso, espaamento de barramentos e cabos, aumento dos raios de curvatura dos cabos na passagem pelas ferragens de torres, etc.

11.4. RESINAS

As resinas tambm dividem-se em termofixas e termoplsticas. As principais caractersticas so:

Estruturas qumica complexas

Elevado grau de polimerizao

Em camadas mais espessas, a maioria das resinas encontra-se quebradia temperatura ambiente

Em camadas finas so flexveis

Quando aquecidas podem amolecer dentro de certo intervalos de temperatura se tornam plsticas e podem chegar ao estado lquido

As resinas podem ser classificadas em naturais e sintticas. As sintticas esto presentes em nmero cada vez maior, enquanto que as naturais podem ser de origem animal ou vegetal.

Exemplos de resinas naturais:

Goma-laca: So resduos de insetos tropicais sobre galhos de rvores. Caracteriza-se por ter grande aderncia a outros isolamentos, notadamente a mica, o vidro a madeira e certos metais.

Copal: Obtida de certas rvores. So utilizados como aditivos de outras resinas, para torn-las mais rgidas, sobretudo quando estas so de cobertura.

As resinas sintticas ou plsticos so obtidas a partir do radical qumico bsico o etileno C2H4, formando polmeros de cadeias lineares. Possuem derivados com comportamento polar e no polar. Entre os polares se destaca o PVC de amplo uso na rea dos isolamentos de condutores eltricos, no grupo dos no polares alguns exemplos so o polietileno, o polilsobutileno, o polistirol e o politetra fluoretileno e tem uso generalizado em equipamentos e materiais de baixa, mdia e alta tenso.

Utilizao de algumas resinas sintticas:

PVC: Folhas, tubos, isolantes eltricos para fios e cabos, etc. Material polar, termoplstico.

Polietileno: Filmes, tubos, objetos moldados, isolao eltrica. Material no polar, termoplstico.

As resinas condensadas so fundamentalmente o grupo dos fenol-fenaldedos e suas formas derivadas, que so largamente utilizados nas aplicaes eletrotcnica. Algumas delas esto relacionadas a seguir:

Baquelite: termofixo de elevada estabilidade mecnica. dura, pouco elstica e apresenta elevada resistncia contra a ao de gua. bastante usada como matria prima de acessrios e peas isolantes de baixa tenso.

Melanina: O fenol substitudo por cido-rico. Esta suporta bem a ao de descargas eltricas e tem elevado poder de aderncia. usada para massas plsticas, vernizes e colas.

Resina Gliptal: outro produto de largo uso, obtido pela condensao de glicerina com anidrido de cido itlico, um produto derivado da naftalina. Essas resinas so termofixas. Como vantagem dos gliptais sobre a baquelite, se destaca a maior elasticidade, elevada foras de colagem (aderncia) e uma maior resistncia a descargas superficiais.

Resina Epoxe (Araldite): Se caracteriza por uma elevada aderncia a outros materiais slidos, no tem cheiro, permanece inaltervel, at 130 OC, tem pouca higroscopia e suporta bem o ataque de agentes qumicos. O epoxe duro e inflexvel.

11.5. VERNIZES

Os vernizes podem ser classificados em trs grupos:

Vernizes de impregnao: o tipo geralmente encontrado em associao com papis, tecidos, cermicas porosas e materiais semelhantes. Sua funo preencher o espao deixado internamente a um material, com isolante de qualidade e caractersticas adequadas, evitando a fixao de umidade, que seria prejudicial as caratersticas eltricas.

Verniz de recobrimento: Se destinam a formar sobre o material slido da base, uma camada de elevada resistncia mecnica, lisa e a prova de umidade e com aparncia brilhante. Sua aplicao especialmente necessrio em corpos isolantes porosos e fibrosos, bem como na cobertura de metais (fios esmaltados).

Vernizes de colagem: Diversos isolantes quando purificados, perdem a consistncia devido a eliminao de materiais de colagem entre suas diversas pores. Como exemplo do primeiro caso, podemos citar a mica que, ao ser purificada, se desmancha em grande nmero de pequenas lminas, sem possibilidade de se formar um slido de dimenses definidas e fixas. Outro caso, como exemplo da segunda hiptese, o da fibra de vidro. Nota-se que, em ambos os casos, no se trata da necessidade de um verniz que se impregna no slido, pois os slidos em si so bastante compactos. Portanto, nestas condies, o necessrio um verniz que cole entre si as diversas partes do isolamento . Uma outra aplicao desse tipo de verniz tambm a colagem de isolantes sobre metais.

11.6. PLSTICOS

Plsticos ou materiais orgnicos polimerizados se caracterizam por apresentarem caractersticas de macro-molculas. Quando pequenas molculas de compostos orgnicos so ligados, diversos tipos de estruturas podero ser formadas, caracterizando a natureza do material. As estruturas principais so lineares e cruzadas. O conhecimento dos hidrocarbonetos mais simples fundamental para a compreenso dos materiais plsticos. Os compostos insaturados so de fundamental importncia na formao de polmeros. Temos que, no sentido literal polmero quer dizer muitas unidades. De maneira geral pode-se classificar plsticos em dois grupos: Materiais naturais modificados e materiais sintticos.

11.7. DIELTRICOS

Qualquer pedao de isolador ou isolante, que se localiza entre duas partes condutoras, entre as quais existe uma diferena de potencial (como um capacitor) pode ser chamado de dieltrico. Um dieltrico perfeito tem condutividade nula. O perfeito vcuo o nico dieltrico perfeito conhecido. Nas aplicaes comuns, e em mdias tenses, poder-se- considerar o ambiente evacuado e seco como uma aproximao do dieltrico perfeito.

Os fatores que afetam o comportamento do dieltrico provocando o seu envelhecimento so:

Incidncia de energia solar, luminosa ou energia destrutiva, tipo radioativa ou similar

Calor e frequncia

A umidade, a salinidade e os gases venenosos

O tempo prolongado de aplicao de uma diferena de potencial elevada

Impulsos de tenso

Porosidade do dieltrico

As propriedades eltricas, mecnicas e fsicas dos isolantes usados em eletricidade, dependem acentuadamente da temperatura. Como os dieltricos ficam frequentemente sujeitos a acentuadas variaes de temperatura, imprescindvel conhecer os limites trmicos de um material e qual a variao das propriedades citadas em funo da temperatura e da sua capacidade de conduzir calor. As caractersticas trmicas mais importantes so:

Coeficiente de temperatura

Estabilidade trmica

Condutividade trmica

11.8. O DIELTRICO NO CAPACITOR

Para que seja possvel fazer-se a isolao das placas do capacitor torna-se necessrio o uso de um dispositivo que no apenas cubra os espaos entre as placas, mas sim restrinja a conduo de corrente entre as placas metlicas do capacitor. Este dispositivo o dieltrico, que pode variar de capacitor para capacitor, coforme suas necessidades e exigncias de tenso.

Os capacitores com filmes plsticos possuem dieltrico de polister que suporta limites de tenso de 50 a 630V. Este limite significa dizer que o isolamento interno do capacitor pode receber diferenas de potencial de at 630V (conforme modelo), sobre seus terminais de forma que a armazenagem de cargas nas placas se torne eficaz e segura. J os capacitores com dieltricos de polipropileno, possuem diferentes caractersticas de isolao, em relao aos de polister. A seguir esto relacionados os principais dieltricos utilizados em capacitores:

Poliester

Tenso: 50 a 630V

Resistncia de isolao: >= 6,375 G(

Polipropileno

Tenso: 630 a 2500V

Resistncia de isolao: >= 100 G(

11.9. ISOLANTES LQUIDOS E GASOSOS

leo Mineral Isolante

Obteno: Petrleo - Craqueamento.

Finalidade: Isolante eltrico, transmitir o calor.

Utilizao: Transformadores de potncia, cabos de energia, capacitores de potncia, chaves a leo (disjuntores, seccionadoras).

Propriedades necessrias: Alta estabilidade fsico-qumica, baixa viscosidade.

Acompanhamento das caractersticas originais: Anlise fsico-qumica com ensaio de regidez dieltrica, anlise cromatogrfica.

Aspectos desfavorveis: Inflamabilidade, acompanhamento do envelhecimento.

Envelhecimento:

Oxidao (devido presena de oxignio e elevao de temperatura).

Campo eltrico ou descargas internas (decomposio molecular com formao de subprodutos cidos da oxidao com cadeia molecular extensa e da a formao de lamas).

leo Askarel

Frmula: Pentaclorodifenil (C6H2Cl3 - C6H2Cl3).

Finalidade: Isolante eltrico, transmitir calor.

Utilizao: Transformadores de potncia, capacitores de potncia.

Propriedades necessrias: alta estabilidade fsico-qumica, baixa viscosidade.

Aspectos favorveis: Alta estabilidade fsico-qumica, baixa viscosidade sob temperatura normal, no inflamvel, baixo grau de envelhecimento.

Aspectos desfavorveis: Altamente txico (manuseio especializado), alta viscosidade em temperatura muito baixa.

Obs: O Askarel no mais comercializado, porm em instalaes antigas ainda em operao comum encontrarmos transformadores e capacitores em Askarel. O processo de descarte legal destes equipamentos feito atravs de incinerao em fornos dotados de filtros especiais com a finalidade de reter todas as toxinas que seriam lanadas na atmosfera.

Isolante gasoso

Frmula qumica: Hexafluoreto de enxofre (Gs SF6).

Na Europa a tecnologia de interrupo mais utilizada em Mdia (MT) Alta (AT) e Extra alta tenso (EAT).

No Brasil esta tecnologia est em franca expanso.

Utilizao na Eletrotcnica: Disjuntores de potncia em MT, AT, EAT, contatores, seccionadoras.

Outras utilizaes: Ensaios de estanqueidade nas reas petroqumica e nuclear, microscpios eletrnicos, aceleradores de partculas.

Aspectos favorveis: No txico, gs no comburente (no alimenta a chama), altssima rigidez dieltrica, grande capacidade de transporte de energia calorfica produzida pela arco.

11.10. ISOLANTES TRMICOS

Os isolantes trmicos so materiais que possuem condutividade trmica baixa, de cor caracterstica branca, e so utilizados para confinar uma certa rea, geralmente a temperaturas acima da temperatura ambiente, como no interior de fornos para aquecimento em geral, mas tambm abaixo da temperatura ambiente como geladeira e freezer. A cor caracterstica branca deriva-se do fato de que corpos com superfcie branca, tendem a refletir todo o espectro eletromagntico de luz visvel, sofrendo pouco aquecimento devido a incidncia de ondas eletromagnticas. Um superfcie preta por exemplo, absorve todo o espectro visvel, transformando praticamente toda a energia absorvida em calor, aumentado a temperatura do corpo.

Alguns tipos de isolantes trmicos so a l de vidro (fibra de vidro com fios muito finos) utilizadas no interior de chapas ocas nos isolantes de fornos, os plsticos branco (PVC) utilizados em geladeira, supercies espelhadas (garrafa trmica) e material cermico refratrio (tijolo branco) utilizado em fornos e churrasqueira.

QUESTES

1. Como se classificam os isolamentos de cabos segundo a natureza, e como so?

2. Com relao a estabilidade trmica, como so classificados os polmeros, e o que os diferencia? D exemplos.

3. Os isolantes devem ter resistncia a quais efeitos?

4. O que o efeito corona?

5. Quais as principais caractersticas das resinas?

6. Quanto a origem as resinas so classificadas em naturais e sintticas. Foram citadas 2 naturais e 6 sintticas. Quais so, onde so utilizadas e quais suas principais caractersticas?

7. Como so classificados os vernizes, e o que os diferencia?

8. O que so os plsticos?

9. O que um dieltrico e quais fatores podem provocar seu envelhecimento?

10. Quais os isolantes lquidos e gasosos e quais suas principais caractersticas?