Estudo do nitrogênio

O nitrogênio, também conhecido como azoto, tem uma rigidez elétrica

vizinha a do ar nas mesmas condições de pressão e temperatura, e um pouco

infeiror quando sob pressoes elevada. A grande vantagem em relação ao ar é

sua inércia quimica, ou seja, é um gás quimicamente neutro: portanto, não

oferece o incoveniente do ar, que contem oxigenio, agente oxidante dos

materias que estão em contato com ele. É incolor, inodoro insípido e forma

cerca de quatro quintos da atmosfera terrestre.

È utilizado, sob pressão, para encher transforamdores e protegê-los da

umidade e da oxidação, quando ainda não colocados em operação, em cabos

de alta tensão, condesadores e pára-raios.

O gás carbônico, ou dióxido de carbono, tem também uma rigidez

dielétrica proxima da do ar, em todas as pressões. Apresenta uma vantagem

sobre o a: é incomburente, ou seja, naõ alimenta a combustão. Devido a esse

aspecto encontra largo emprego em dispositivos de combate a incêndio nas

instalações elétricas. Entretanto, produz ozônio como o ar, quando sob efeito

dos eflúvios.

Estudo do hidrogênio

A rigidez dielétrica do hidrogênio é ainferior à do ar, aproximandamente

60%. Não desenvolve nenhuma ação quimica indesejavel. É um gás bastante

leve, tendo uma capacidade calorifica especifica a uma condutividade térmica

elevada. Apresenta-se, portanto, como um excelente agente de refrigeração,

despertando grande interesse em diversas aplicações eletrotécnicas.

A tabela 12.1 lista os mais importantes parametros físicos do hidrogênio,

ar, nitrogênio e dióxido de carbono, todos considerados em condições iguais de

temperatura e pressão ( todos os parâmetros do ar foram tomdados como

iguais à unidade).

O hidrogênio é aplicado na refrigeração de alternadores térmicos e de

motores síncronos de grande potência, em substituição do ar. Apresenta uma

fraca resistencia a rotaçãodo rotor, devido à sua baixa densidade, o que

determina a redução de perdas rotacionais e de ventilação. Essas perdas são

proporcionais à densidade do gás, que é muito pequena (0,07g/cm3).

A ação do hidrogênio como agent de refrigeração é fortalecida pelo seu

alto coeficiente de transferencia de calor de um corpo sólido para o gás e sua

alta condutividade térmica. Ver tabela 12.

Desde que o hidrogênio não exerce o efeito de oxidante do oxigênio da

atmosfera, o isolamento da máquinaé menos sucetivel de envelhecimento

térmico e de incendiar-se ( ausência mais uma vez de oxigênio, elemenyo

comburente). As escovas do computador trabalham em condições confiáveis ,

quando imersas em atmosfera de hidrogênio. Entretanto, o uso de hidrogênio

como elementeo de arrefecimento exige uma selagem de grande eficiência

para conservar o ar fora do interior da máquina onde flui o hidrogênio. Sabe-se

do perigo decorrente da mistura: em determinadas proporções, o ar e o

hidrogênio produzem misturas detonantes altamente perigosas. Um excesso de

pressão é mantido no interior da máquina com o objetivo de evitar a entrada do

ar externo.

Estudo do SF6 e suas aplicações.

A história começas em 1900, quando pela primeira vez sintetizado,

ficando, entretanto, sem grande interesse industrial, até que, no inicio da

decada de 1940, foi sugerida a sua utilização como gás isolante van de graaff,

durante a segunda guerra mundial. A partir dai rapidamente cresce o interesse

em utiliza-lo em aparelhos elétricos, graças a sua alta rigidez dielétrica,

particumente em dijuntores.

A figura 15465 mostra a estrutura da molecula do SF6

As principais caracteristicas do SF6 são as seguintes:

1) É um gás muito pesado, cerca de cinco vezes mais pesado que o ar;

2) Não é toxico, é inodoro e incolor;

3) Não é inflamavel e apresenta uma boa estabilidade quimica;

4) Tem um extraordinario poder extintor de arco, estimado em duas vezes

superior ao ar;

5) Sua rigidez dielétrica é exelente, nas condições normais de pressão

atmosferica; é 2,3 vezes maior que o ar, ou seja, cerca de 74 kV/cm;

6) Não se liquefaz na temperatura ordinaria, a não ser que seja submetido

a pressões bastantes elevadas, de ordem de 20 a 22 atmosferas;

7) Apresenta fraca condutibilidade sonica;

8) A sua condutibildade térmica é elevada, o que facilita os problemas de

dissipação do calor ( nas condições normais, seu coeficiente de

condutividade é 1,6 maior do que o ar; na pressão de 5 kg/cm2, esse

coeficiente é 25 vezes maior que o ar nas condições normais);

9) Aparelhos elétricos isolados com SF6 são mais leves e mais

competitivos do que aqueles isolados com dielétricos liquidos;

Por outro lado, o SF6 apresenta algumas desvantagens.

10) Não obstante a sua rigidez elétrica ser maior doq ue a do ar e a do

nitrogênio, em condições normais de pressão, para igualar-se com um

isolante liquido (oleo), o gás deve ser usado debaixo de pressões

elevadas;

11) O reauisito anterior implica a utilização de tanques selados, capaze3s

de mater as pressões que serão desenvolvidas pela variação de

temperatura, quando de seu uso comercial.

12) Embora seja um gás caracterizado por sua alta estabilidade quimica, a

presença de enxofre em sua mólecula, debaixo de certas condições,

produz uma corrosividade que é de significativa importancia;

13) Mesmo sendo não-toxico, o SF6, quando decomposto por calor ou pelo

arco elétrico, desenvolve misturas gasosas que contêm ingredientes

tóxicos, as quais são incolores e inodoras, dificultando a sua detecção.

Os principais campos de aplicação do SF6 como dielétricos são:

Dijuntores de alta tensão;

Subestações blindadas;

Transformadores;

Isolamentos de cabos de alta tensão;

Outras aplicações.

Os dijuntores podem ter um câmara ou duas câmaras de extinção em

série. A extinção do arco se faz por sopragem autopneumatica, por simples

pressão ou dupla pressão. Na figura abaixo é mostrado um dijuntor a gás SF6,

de fabricação francesa, tensão de 245 kV, com três pólos e duas câmaras de

extinção em série em cada cabeça.

As dimensões das subestações ao longo do tempo ( imtempérie), ditas

convencionais, são determinadas pela capacidade de isolação do ar,

capacidade que varia dentro de largos limites. Um subestação de 500kV ao

tempo envove uma área de quase dois hectares. As subestações abrigadas

permitem a redução do volume ocupado; entretanto, os custos creceram de

forma intensa, e suas dimesões ainda são consideráveis. Existem ainda os

fatores ambientais, tais como a umidade do ar, a poluição ambiental, etc.

Vale acrescentar que o aumento continuo da demanda de energia

elétrica em centros consumidores urbanos conduz a pesadas densidades de

cargas, principalmente nas grandes metrópoles. Os sistemas de sistribuição,

para atenderem a tais necessidades, são projetadas em alta e extra-altas

tensões, decorrendo dai a necessidade de se constuirem subestações de

grande potencia nas áreas urbanas, onde os projetistas encontram sérias

dificuldades de natureza estetica, ambiental e economica ( elevados custos de

terrenos nas áreas urbanas). A solução óbvia é usar subestações abrigadas e

compactas. Mesmo assim, as dimensões são grandes e as áreas demandadas

são caras. A solução somente seria possivel com a utilização de um outro meio

isolante, superior ao ar, que possibilitasse reduzir apreciavelmente as

distancias entres as partes condutoras e ao potencial da terra. Daí a vantagem

extraordinaria de se empregar o SF6 como meio dielétrico, ou seja, concentrar

sob uma forma homogênia e bastante compacta toda a aparelhagem ( esse

nome generico designa os diferentes aparelhos, tais como dijuntores,

seccionadores, seccionarodes de terra, redutores de medida, os barramentos e

todas as conecções, etc.) que compõem um subestação de alta tensão.

Todos os elementos sob tensão, seus suportes isolantes e dielétricos

( inclusive o gás SF6 ) são encerrados dentro de tubos metálicos aterrados e

pressurizados com gás SF6 com 4 a 5x105 Pa, constituindo uma blindagem total

da aparelhagem. A conjução desses dois materias, o material da blindagem e o

SF6 confere a essa instalação um conjunto de características particularmente

interessados, não somente para permitir uma operação segura da subestação,

mas ainda para resolver de forma plenamente satisfatorio problemas

relacionados como meio ambiente ( cada vez mais numerosos e agudos), bem

como atender às dificuldades de espaço.

Em resumo, as subestações blindadas isoladas a gás SF6, oferecem

as seguintes vantagens, quando comparadas as subestações

convecionadas:

Espaço reduzido

Alta confiabilidade

Diminuição de mão de obra para instalação e manutenção

Menor custo para Extra Alta Tensão(EAT) e Ultra Alta Tensão (UAT)

Como todas as partes energizadas são encerradas em compartimentos

aterrados, as subestações blindadas são:

Insensiveis à poluição externa

Seguras ao contato manual

Não causam problemas de radio-interferencia

Uma subestação blindada ocua um valor correspondente a cerca de 10

a 15% do volume que seria ocupado por uma subestação convencional ( ao

tempo).

O gás SF6 também encontra emprego nos transformadores como fluido

de refrigeração, graças a sua capacidade de ransferencia de calor, não

inflamabilidade e não-toxidade, o que confere ao produto peso reduzido,

projeto compacto, baixo nivel de ruído. É recomendado para emprego em

áreas de segurança, tais como minas, hospitais, lojas de departamentos, etc.

Ultimanente vem se desenvolvendo tecnologia visando a utilização do

SF6 abos de alta tensão, como o resultado de sua condutividade térmica alta,

que permite amperagens nos condutores.

Finalmente, o SF6 ainda encontra uso na isolação de geradores de alta

tensão, em aceleradores de partículas, tais como o acelerador de Van der

Graaff, betatrons e geradores de nêutrons e em outras pesquisas cientificas.

Estudo do ar

O ar é o mais importante dos dieletricos gasosos por causa de sua

universal prevalencia na vida terrestre. O ar é uma mistura de diversos gases,

na qual predomina o nidrogenio, com 78,1% seguido do oxigeniocom 20,9%

cercae pequenas proporçoes de dióxido de carbono, hidrogênio, outros gases

nobres e vapor d´água.

O ar é um material isolante altamente confiavel ( ele rodeia todos os

aparelhos eletricos e dele depende, em uma grande parte, funcionamente

seguro dos mesmos). Por exemplo os condutores nus e aerios de linha de

transmissão de alta tensão, suspensos nas torres meio de isoladores de

porcelana ou vidros, encontram-se isolados uns dos outrose e em relação à

terra, em toda a extensão de linha, apenas pela camada de ar existente entre

eles.

As correntes de fuda pelo ar são insignificantes, são bem menores do

que através dos liquidos e solidos so b as mesmas condiçoes. O angulo de

perdas é praticamente nulo.

A constante dielétrica do ar é 1,00057, e sua rigidez dielétricas entre os

eletrodos planos, postados entre si de 1 cm, à pressão da atmosfera normal, é

de 32 kV/cm. Nas mesmas condições geometricas e à pressão de 10

atmosferas, a rigidez dielétrica aumenta para 226 kV/cm.

A pressão tem consideravel influencia sobre a rigidez elétrica do ar, bem

como dos outros gases, como anteriormente foi mencionado. Quando

submetido a pressões elevadas, o ar apresenta um execelente comportamento

dielétrico, não obstante a rigidez dielétrica do ar e de outros gases se tornar

mais fraca a baixas pressões (chamadas pressões); tem valores elevados no

alto vacuo, conforme se pode observar na figura 11.5, onde foi desenhado o

comportamento da rigidez dielétrica do ar em função da pressão.

O ar e os gases altamente rarefeitos, que praticamente não podem ser

considerados como substancias propriamentes ditas, possuem notaveis

propriedades dielétricas.Métodos modernos permitem a produção de vacuo

com 10-7 mm Hg. Nesse valor de pressão , malgrado seu infimo valor, obten-se

ainda 3 x 109 moléculas do ar por cm3 a 0° C. Em lugar de 2,7 x 1019, que

existem quando a pressão atmosferica é normal. Nessão condissões, o ar está

tão rarefeito que não pode produzir a ionização. Nessa situação, somente os

elétrons poderam ser extraidos do eletrodo quando o campo atingir os valores

extremamente elevados.

Na figura 11.5 acima, observa-se que a rigidez dieletrica do ar rarefeito é

muito alta e alcança valores inigualáveis, nem mesmo atingidos pelos melhores

isolantes sólidos.

Em contra partida, o ar apresenta o incoveninte de determinar a

formação de ozônio, sob a ação de eflúvios, e esse gés, altamente oxidante,

provoca a destruição lenta dos isolantes. Outrossim o ar umido determina a

corrosão de um grande numero de metais e ligas. Como se sabe a umidade

diminui consideravelmente as qualidades dielétricas dos isolantes em contato

com o ar. Por fim, outra desvantagem: os ar pode formar com outros gases ( o

hidrogênio, por exemplo) misturas detonates perigosas.

Aplicações; na pressão atmosferica normal, os ar é aplicado no

isolamento de inumerosos aparelhos nele imersos, tais como: chaves

seccionadoras, isolamentos dos cabos nus nas linhas de tramissão e

barramentos aerios de subestações. Sob pressão é utilizado em dijuntores

peneumáticos de alta tensão e também quando rarefeito (dijuntores a vácuo).

Efeito corona

Para linhas de extra-alta tensão (acima de 345 kV), o principal limitante é

o efeito corona (ou coroa em Portugal). O campo elétrico na superfície dos

condutores atinge um limiar no qual o dieléctrico do ar rompe-se, criando assim

pequenas descargas em torno do condutor, similar a uma coroa.

Este efeito é muito interessante visualmente, mas provoca perdas

eléctricas no sistema e interferência em rádio e TV em localidades próximas. O

efeito corona/ coroa torna-se mais intenso na ocorrência de chuva, no qual as

gotas nos cabos provocam uma concentração do campo eléctrico, e elevando o

nível de perdas e interferência. Outro factor que favorece a ocorrência desse

efeito são as condições físicas da superfície do cabo. Se este for arranhado,

sujo ou sofre algum processo que torne sua superfície mais rugosa (isso pode

ocorrer especialmente no lançamento dos cabos se a equipe não tomar

cuidado. Por exemplo, deixar acidentalmente o cabo arrastar no solo) pode

facilitar a ocorrência do efeito. Normas específicas, como a NBR 5422 no

Brasil, impõe um limite de interferência provocado pelas linhas de transmissão,

geralmente especificado para clima ameno.

Na ocorrência de sobretensões na linha, o efeito corona é um meio

importante de amortecer tais falhas, agindo como um "escape" desta energia

excedente.

Uma linha de extra-alta tensão projectada de forma optimizada possui os

campos superficiais nos condutores próximos do limite

Problemas causados por descargas de corona

A corona pode gerar ruído audível e de radio freqüência, principalmente

próximo a linhas de transmissão. Elas também representam uma perda de

energia, e sua ação nas partículas da atmosfera, em associação a produção de

ozônio e NOx, também podem ser prejudiciais a saúde humana onde as linhas

de força passa através de áreas habitadas. Por isto, equipamentos de

transmissão de energia são projetados para minimizar a formação de descarga

de corona.

A descarga de corona é geralmente indesejável em:

Linhas de transmissão de energia elétrica, devido a perda de energia no

efeito corona e barulho;

Em dentro de componentes elétricos tais como transformadores,

capacitores, motores elétricos e geradores. Corona progressivamente

danifica o isolamento interno destes mecanismos, levando a falha

prematura dos equipamentos;

Situações nas quais aparecem tensões elevadas e a produção de

ozônio deve ser evitada.

Aplicações da descarga de corona

A descarga de corona tem inúmeras aplicações comerciais e industriais

Remoção de cargas elétricas indesejáveis da superfície de uma

aeronave em vôo e com isto evitando o efeito prejudicial de pulsos

elétricos descontrolados durante a atuação dos sistemas aviônicos;

Fabricação de ozônio;

Limpeza de partículas do ar em sistema de condicionamento de ar;

Tratamento da superfície de filmes poliméricos para aumentar sua

compatibilidade com adesivos ou tintas impressão;

Fotocópia;

Fotografia Kirlian a qual alguns acreditar ser uma visualização da aura;

Propulsão iônica;

Laser Nitrogênio;

Fabricação de eletretos.

Coronas podem ser usadas para gerar superfícies carregadas, as quais são

usadas em copiadoras eletrostáticas (fotocópia). Elas também podem ser

usadas para remover partículas do ar inicialmente carregando-o, e conduzindo

o fluxo carregado através de um filtro de polaridade alternada, depositando-se

as partículas carregadas em placas de polaridade oposta.

Os radicais livres e íons gerados nas reações de corona podem ser usados

para remover do ar certos produtos tóxicos, através de reações químicas, e

serem usados para produzir ozônio.

formação de ozônio

A formação de ozônio baixo na linha de transmissão (CC) é

conseqüência da ionização do átomo de oxigênio nas gotículas da molécula da

água (H2O) que passa a ser H2O3, (água ozonizada); o tri-atomo do oxigênio

(ozônio) se desprende da molécula e passa a ser um átomo singelo conhecido

como corona, (figura de coroa do tri átomo do oxigênio). Nos anos 1970, eram

vendidos ozonizadores residenciais, onde o ozônio era consumido junto com a

água potável para esterilização. Logo, descobriu-se que ozônio baixo

combinado com nitrogênio (nox)é cancerígeno. Nos ozonizadores eram

utilizadas fontes de CA de alta freqüência, os pequenos campos magnéticos

ocasionados pela inversão de pólos na corrente (CA) aumentam o campo de

ionização, fato este serem mais suscetíveis na linha CA.