FABRÍCIO STRAUBE MIURA e RICARDO COSTA SCHOLZ

Estudos sobre o Breakdown na Borracha Natural

CURITIBA, 2010

FABRÍCIO STRAUBE MIURA e RICARDO COSTA SCHOLZ

Estudos sobre o Breakdown na Borracha Natural

CURITIBA, 2010

Trabalho de Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrotécnica na área de Engenharia e Ciência dos Materiais, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Dr. Edemir Luiz Kowalski

AGRADECIMENTOS

Agradecemos inicialmente a Deus por mais uma oportunidade de aprendizado

alcançado.

Agradecemos ao LACTEC, especialmente ao Laboratório de Alta Tensão pelo espaço e

equipamentos cedidos para realização deste trabalho.

Agradecemos em especial ao nosso Orientador, Professor Dr. Edemir Luiz Kowalski,

pelo seu empenho, amizade, profissionalismo e incansável dedicação para o sucesso deste

trabalho.

Agradecemos em especial ao Mestre José Arinos Teixeira Júnior pela sua extrema

colaboração no empréstimo de equipamentos e no auxílio de várias atividades durante a

realização deste trabalho.

Agradecemos em especial ao Mestre Marcelo Ravaglio pelas discussões, sugestões,

apoio técnico e amizade.

Agradecemos à equipe do Laboratório de Alta Tensão Carlos Eduardo Ribas, Carlos

Nakaguishi, Andrei Curkarevicz, Edson Estevão, Nilson de Oliveira, Victor Simião, José Crepaldi

e Vinicios Bacil pelo apoio e colaboração no desenvolvimento deste trabalho.

Eu Ricardo Costa Scholz, agradeço a meu pai Nelson Scholz Jr., minha mãe Maria de

Lourdes Scholz, aos meus irmãos Lucas e Fernanda, pelo apoio, incentivo e compreensão.

Eu Ricardo Costa Scholz, agradeço a Kauana Fadel por todo o apoio, compreensão e

incentivo nesta jornada.

Eu Fabrício Straube Miura, agradeço a minha mãe Maria Aparecida Straube, a minha

irmã Francine Straube Miura e em especial minha esposa Celina Aparecida Straube Miura por

todo o apoio, compreensão e incentivo nesta minha jornada.

Eu Fabrício Straube Miura, agradeço ao Reginaldo Luis Von Kruger da Votorantim

Cimentos.

I

Sumário

Sumário .......................................................................................................................................... I

Lista de Figuras ............................................................................................................................ III

Lista da Tabela ............................................................................................................................. VI

Lista de Símbolos ........................................................................................................................ VII

Lista das Siglas ............................................................................................................................. IX

Resumo ......................................................................................................................................... X

Abstract ......................................................................................................................................... XI

1-Introdução ................................................................................................................................... 1

1.1-Objetivos do trabalho ........................................................................................................... 1

2-Revisão ....................................................................................................................................... 3

2.1-Borracha Natural .................................................................................................................. 3

2.2-Processos de Condução em Campo Elétrico Alternado ...................................................... 5

2.2.1-Ângulo e Fator de Perdas ............................................................................................. 8

2.2.2-Polarização em dielétricos ............................................................................................ 9

2.2.3-Comportamento dos dielétricos .................................................................................. 11

2.3- Processos de Breakdown (ruptura dielétrica) ................................................................... 15

2.3.1-O Breakdown (ruptura dielétrica) ................................................................................ 15

2.3.2-Breakdown (ruptura dielétrica) em materiais poliméricos .......................................... 15

2.3.3-Modelos determinísticos de Breakdown (ruptura dielétrica) [26]: ................................ 17

2.3.4-A Natureza estocástica do Breakdown (ruptura dielétrica): ........................................ 18

2.4-Processo de Breakdown Térmico [44] ............................................................................... 19

2.5-Processo de Breakdown Elétrico [44] ................................................................................ 19

2.6-Breakdown por descargas parciais .................................................................................... 20

2.6.1-Condições para ocorrência de descargas parciais internas ........................................ 22

2.6.2-Influência do campo elétrico local ............................................................................... 22

2.6.3-Geração de elétrons livres [42] ................................................................................... 24

2.7-Breakdown Eletromecânico .............................................................................................. 25

2.8-Envelhecimento ................................................................................................................. 25

2.8.1-Envelhecimento térmico .............................................................................................. 26

3-Materiais e Métodos ................................................................................................................. 27

3.1-Amostras ........................................................................................................................... 27

II

3.2-Equipamentos Usados ....................................................................................................... 27

3.2.1-Fonte de tensão .......................................................................................................... 27

3.2.2-Transformador de potencial ........................................................................................ 28

3.2.3-Estufa.......................................................................................................................... 28

3.2.4-Cuba de acrílico .......................................................................................................... 29

3.2.5-Ponte Tettex ............................................................................................................... 30

3.2.6-Osciloscópio Tektronix ................................................................................................ 31

3.2.7-Cabos ......................................................................................................................... 31

3.2.8-Paquímetro ................................................................................................................. 32

3.3-Métodos ............................................................................................................................. 32

3.3.1-Envelhecimento das amostras .................................................................................... 32

4-Resultados e Discussões ......................................................................................................... 37

4.1-Medida de capacitância, tangente delta e corrente elétrica: .............................................. 37

4.2-Ensaio de Ruptura Dielétrica ............................................................................................. 42

4.2.1-Tensão de Ruptura Dielétrica em Função da Espessura das amostras e

envelhecimento .................................................................................................................... 42

4.2.2-Comportamento do Ângulo de fase e corrente elétrica Pré-ruptura ............................ 44

4.2.3-Análise da Ruptura das Amostras............................................................................... 49

5-Conclusões ............................................................................................................................... 52

6-Trabalhos Futuros ..................................................................................................................... 54

7-Referências............................................................................................................................... 55

III

Lista de Figuras

Figura 1 - Obtenção do látex ......................................................................................................... 3

Figura 2- Possíveis tipos de combinação de entrecruzamento da borracha com o enxofre. ......... 4

Figura 3- Gráfico da corrente RMS em função da tensão elétrica RMS, aplicada sobre um material isolante, que apresenta processo de envelhecimento...................................................... 6

Figura 4- Gráfico ilustrativo da curva de ionização. A situação ideal para um material isolante seria abaixo ................................................................................................................................... 7

Figura 5 - Representação vetorial das correntes e ângulos. .......................................................... 8

Figura 6 - Curva de variação da corrente com a tensão dos dielétricos sólidos. ......................... 13

Figura 7 - Processos de breakdown com seus respectivos campos elétricos. ............................ 16

Figura 8 - Procedimento de estimativa da vida útil de materiais. ................................................. 17

Figura 9 - Arborescências elétricas .............................................................................................. 21

Figura 10 - Caminhos condutores conhecidos como trilhamento ou arborescência .................... 21

Figura 11 - Eletrodo metálico disponibiliza elétrons no ar na região próxima do eletrodo. .......... 22

Figura 12 - Evolução da rigidez dielétrica no ar em função da pressão ....................................... 23

Figura 13 - Relação entre o campo elétrico local e o campo elétrico médio no interior do material dielétrico para um vazio plano e um esférico. .............................................................................. 24

Figura 14- Transformador BIDDLE usado nos experimentos de breakdown. Este transformador tem forma de onda senoidal perfeita em 60 Hz. .......................................................................... 27

Figura 15- Vista frontal do Transformador de Potencial utilizado no arranjo de ensaio do experimento. ................................................................................................................................ 28

Figura 16- Estufa marca Fanem com circulação mecânica modelo SE 320. Vista da estufa fechada a 90°C e aberta com as amostras em processo de envelhecimento. ............................ 28

Figura 17- Cuba confeccionada em acrílico com espessura de 10 mm. Os eletrodos são confeccionados em aço inox e possuem alívio de campo elétrico, sendo que o eletrodo inferior possui um anel de guarda. As conexões de medidas são feitas através de cabos BNC. ............ 29

Figura 18- Vista diagonal e superior da cuba em acrílico utilizada para os processos de breakdown nas amostras. A cuba possui um conjunto de eletrodos compostos de dois eletrodos circulares de tamanhos especificados nas normas da ASTM para ensaios de rigidez dielétrica. 30

Figura 19- Ponte TETTEX utilizada para medição de capacitância, tangente de perdas e corrente elétrica pré e pós-envelhecimento das amostras. ........................................................................ 30

Figura 20- Osciloscópio TEKTRONIX, modelo TDS 744 utilizado para leitura e análise de dados pré breakdown das amostras. ...................................................................................................... 31

Figura 21- Modelo de cabo coaxial com impedância de 50 ohms usado nos ensaios. ................ 31

IV

Figura 22- Paquímetro Mitutoyo usado para medição das espessuras das amostras a serem ensaiadas. ................................................................................................................................... 32

Figura 23- Amostras sendo envelhecidas termicamente em períodos pré-determinados para futuras análises. ........................................................................................................................... 33

Figura 24 - Esquema utilizado para medição da corrente elétrica, capacitância e tangente de perdas dielétricas em função da tensão CA aplicada por meio da ponte Tettex. ......................... 34

Figura 25 - Capacitor padrão usado para calibração do arranjo de ensaio.................................. 35

Figura 26 - Diagrama do sistema montado e utilizado para as medidas em tensão CA. O shunt é de 500Ω, Dc é o divisor capacitivo, V é o sinal de tensão CA e I é o sinal de corrente CA......... 35

Figura 27- Arranjo de ensaio para estudo de fenômenos pré breakdown.................................... 36

Figura 28- Vista frontal do arranjo de ensaio para coleta de medidas. ........................................ 36

Figura 29 – Resultados obtidos no ensaio de tensão aplicada CA, esquerda em cima gráfico da corrente elétrica, à direita em cima gráfico da capacitância elétrica e no meio em baixo gráfico da tangente de perdas, ambas para amostra de 1,75 mm. .............................................................. 37

Figura 30 – Resultados obtidos no ensaio de tensão aplicada CA, esquerda em cima gráfico da corrente elétrica, à direita em cima gráfico da capacitância elétrica e no meio em baixo gráfico da tangente de perdas, ambas para amostra de 3,10 mm. .............................................................. 38

Figura 31 – Resultados obtidos no ensaio de tensão aplicada CA, esquerda em cima gráfico da corrente elétrica, à direita em cima gráfico da capacitância elétrica e no meio em baixo gráfico da tangente de perdas, ambas para amostra de 3,10 mm. .............................................................. 39

Figura 32 - Comportamento da tensão de ionização das amostras em função do tempo de envelhecimento. ........................................................................................................................... 41

Figura 33 - Tensão de ruptura dielétrica das amostras estudadas em função de suas espessuras e tempo de envelhecimento térmico. ........................................................................................... 43

Figura 34 - Ângulo de fase e a corrente elétrica em função do tempo de ensaio sob uma tensão CA constante para amostra de 1,75 mm. .................................................................................... 44

Figura 35 - Ângulo de fase e a corrente elétrica em função do tempo de ensaio sob uma tensão CA constante para amostra de 3,10 mm. .................................................................................... 45

Figura 36 - Ângulo de fase e a corrente elétrica em função do tempo de ensaio sob uma tensão CA constante para amostra de 3,90 mm. .................................................................................... 45

Figura 37 - Oscilograma para aquisição dos dados em tempo real a forma de onda de tensão e corrente elétrica no processo de pré-ruptura para amostra de 3,10 mm. .................................... 47

Figura 38 - Oscilograma para aquisição dos dados em tempo real a forma de onda de tensão e corrente elétrica no processo de pré-ruptura para todas os envelhecimentos da amostra de 3,10 mm. .............................................................................................................................................. 48

Figura 39 - Microscopia eletrônica de varredura das amostras rompidas nos ensaios de ruptura dielétrica. ..................................................................................................................................... 49

V

Figura 40 - Efeito das descargas corona no contato dos eletrodos com as amostras, processo de degradação superficial causado. À esquerda imagem em tamanho normal e a direita imagem ampliada. ..................................................................................................................................... 50

Figura 41 – A esquerda mostra a imagem feita do MEV e a direita mostra a imagem óptica ambas as imagens da região onde houve a perfuração da amostra. .......................................... 50

VI

Lista da Tabela

Tabela 1 - Tempos de envelhecimento das amostras ................................................................. 32

VII

Lista de Símbolos

pH - o pH ou potencial de hidrogênio iônico é um índice que indica a acidez, neutralidade ou

alcalinidade de um meio qualquer;

CA - corrente elétrica alternada;

CC - corrente elétrica contínua;

RC – circuito elétrico formado por resistor e capacitor;

C0 – capacitância geométrica;

V – Tensão;

q – carga elétrica;

l – distância entre duas cargas elétricas;

μ - momento de dipolo induzido;

- campo elétrico local;

α - polarizabilidade dependente da natureza das ligações químicas moleculares e atômicas;

χ (E) - susceptibilidade elétrica dependente do campo elétrico;

- permissividade elétrica do vácuo;

χ - susceptibilidade elétrica do material;

- permissividade relativa ou constante dielétrica do material;

El - campo elétrico local no dipolo;

T - temperatura em Kelvin;

A – área das placas de um capacitor plano;

d – distância de separação entre as placas de um capacitor;

- vetor campo elétrico dependente do tempo;

Q - carga total do capacitor;

ζ - condutividade elétrica pura que representa o movimento de cargas livres não

envolvida na polarização;

VIII

J (t) - densidade de corrente elétrica total;

R - resistência elétrica da amostra;

δ (t) - função delta de Dirac;

f - freqüência circular dada em Hz;

J - densidade de corrente elétrica dependente da freqüência;

tan δ - perdas dielétricas;

ρ - resistividade elétrica do material;

Va - tensão aplicada;

Icapacitiva - componente capacitiva da corrente elétrica no circuito RC;

Iresistiva - componente resistiva da corrente elétrica no circuito RC;

Z1 e Z2 - Impedâncias do circuito;

Vion - tensão de ionização;

IX

Lista das Siglas

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas;

ASTM - American Society for Testing and Materials;

IEC - International Electrotechnical Commission;

EUA – Estados Unidos da América;

RMS - Valor de tensão dada pela razão entre a tensão pico-a-pico e raiz quadrada de dois,

supondo uma tensão senoidal.

SBR – Borracha de butadieno-estireno;

TP – Transformador de potencial;

EPI – Equipamento de Proteção Individual.

X

Resumo

A borracha natural é amplamente utilizada no setor elétrico principalmente para a

confecção equipamentos como luvas, mangas e mantas isolantes aplicados no serviço com

redes energizadas. Estas ferramentas periodicamente são submetidas a ensaios elétricos de

tensão aplicada a fim de verificar suas propriedades de isolamento elétrico. Os ensaios nestas

ferramentas normalmente são realizados em tensão CA 60 Hz, onde muitos dos equipamentos

acabam por perfurar.

Com o objetivo de se avaliar os processos de ruptura dos materiais compostos de

borracha natural e melhor compreender como se comportam com processos de envelhecimento

desenvolveu-se este trabalho.

São apresentados os resultados obtidos através de medidas elétricas de corrente,

capacitância e perdas dielétricas, bem como o acompanhamento do comportamento do ângulo

de fase e corrente elétrica antes da ruptura, tensão de pré-ruptura e de ruptura das amostras

com e sem envelhecimento térmico. São discutidos os possíveis processos que causam a

ruptura dielétrica das amostras de borracha natural em função das medidas realizadas.

XI

Abstract

Natural rubber is widely used in the energy sector mainly in the manufacturing of tools

such as gloves, sleeves and insulating blankets applied to live working in energized lines. These

tools are periodically subjected to withstand voltage testing to verify its electrical insulation

properties. The tests are usually performed in 60 Hz AC voltage, where some tools fail,

puncturing the insulation.

This report aims to provide a practical framework for evaluating the processes of

puncturing of composite materials of natural rubber and better understand how they behave with

aging.

It is presented the results obtained by electrical measurements of current, capacitance

and dielectric losses, as well as monitoring the behavior of the dielectric loss angle, current and

voltage before the puncture. It is discussed the possible processes that cause dielectric

breakdown or puncture of the natural rubber’s samples as function of the measurements.

1

1-Introdução

A borracha natural, assim como vários polímeros, é altamente indicada para aplicações

em isolamento elétrico. A aplicação da borracha natural no setor elétrico consiste na fabricação

de equipamentos de proteção individual e coletiva empregado por eletricistas que realizam

atividades com a rede energizada [1]. A forma de armazenamento, o tempo de uso e a

exposição ao meio ambiente provocam a degradação da borracha natural, alterando as suas

propriedades isolantes. Sendo assim, tais fatores podem colocar em risco a vida do trabalhador

de linha viva [2].

Atualmente, a avaliação periódica das propriedades de isolamento destas ferramentas é

realizada por meio de ensaios elétricos normalizados pela Associação Brasileira de Normas

Técnicas - ABNT, e normas estrangeiras como American Society for Testing and Materials -

ASTM e International Electrotechnical Commission – IEC, esses ensaios são qualitativos, ou

seja, o material é aprovado ou não, por meio de medida de corrente elétrica de fuga e ensaio de

tensão aplicada podendo ser realizado em tensão contínua ou alternada [3].

Uma das principais características necessárias aos materiais isolantes é a

suportabilidade à tensão elétrica, ou seja, a máxima tensão ou campo elétrico que o material

pode estar sujeito sem sofrer ruptura dielétrica. Muitos estudos têm sido realizados no sentido de

se avaliar os processos de condução elétrica de materiais confeccionados em borracha natural,

porém são escassos os trabalhos que tentam investigar os mecanismos que levam os mesmos à

ruptura dielétrica [4].

1.1- Objetivos do trabalho

Os objetivos do presente trabalho são:

a) Realizar uma ampla revisão bibliográfica sobre os processos de ruptura de materiais

isolantes sólidos breakdown (ruptura dielétrica);

b) Realizar medidas elétricas de corrente, capacitância e perdas dielétricas em amostras

de borracha natural com e sem envelhecimento térmico;

c) Realizar um estudo dos efeitos do envelhecimento térmico em amostras de borracha

natural, por meio do comportamento do ângulo de fase e corrente elétrica antes da

ruptura;

2

d) Avaliar o efeito do envelhecimento térmico em amostras de borracha natural sobre a

tensão de pré-ruptura e ruptura;

e) Avaliar os possíveis processos que causam a ruptura dielétrica das amostras de

borracha natural.

3

2-Revisão

2.1-Borracha Natural

A Borracha Natural é o produto sólido obtido pela coagulação de látices de determinados

vegetais, sendo o principal a Hevea Brasiliensis. Essa matéria-prima vegetal, proveniente da

planta conhecida vulgarmente como seringueira, é nativa da Amazônia. Embora seja grande o

número de espécies que por uma incisão na casca fluem secreção de aspecto semelhante ao

látex, somente algumas produzem quantidade e qualidade suficientes para exploração em bases

econômicas. Para sua extração, são feitos pequenos cortes superficiais no caule da árvore,

através dos quais o látex é captado, como mostrado na Figura 1. De cada árvore pode-se retirar

entre 50 e 100 g de seiva por dia [4].

Figura 1 - Obtenção do látex [5].

A composição do látex ocorre em média com 35% de hidrocarbonetos, destacando-se o

2-metil-butadieno -1,3- (C5H8) comercialmente conhecido como isopreno, o monômero da

borracha, como mostrado na Figura 2. O látex é praticamente neutro, com pH 7,0 a 7, 2, mas

quando exposto ao ar por um período de 12 a 24 horas o pH cai para 5,0 e sofre coagulação

espontânea, formando o poli(1,4 cis isopreno), representado por (C5H8)n, onde n é o grau de

polimerização. O látex natural apresenta massa molecular média de 600.000 a 950.000 g/mol,

além dos hidrocarbonetos e é constituído por outras substâncias tais como proteínas, lipídeos,

aminoácidos e água, entre outros [6].

A borracha natural obtida possui desvantagens como ser perecível e putrefável, por

estar misturada a outras substâncias que não são borracha, e ser pegajosa e sensível à

temperatura. Para obter-se uma borracha com melhores propriedades dentro da aplicação

4

desejada, após a coagulação e secagem seguida do aquecimento, deve-se proceder a mistura,

que consiste na adição de cargas, e aditivos e sua dispersão homogênea na matriz. As principais

cargas e aditivos empregados são o enxofre, óxido de zinco, ácido esteárico, aceleradores

orgânicos, anti-ozonantes e antioxidantes, agentes de fluxo, plastificantes, esponjantes e cargas

minerais entre as quais se destaca a mica e o negro de carbono [4]

O processo de mistura é realizado por meio do misturador de cilindros aberto ou fechado

(Banbury) onde variáveis como pressão, temperatura e tempo de mistura, bem como a ordem de

adição das cargas e aditivos, influenciam sobre as propriedades finais do composto. À mistura

segue-se a conformação, onde por meio de moldes em processos contínuos quando extrusão,

ou intermitente na termoprensagem, dá-se a forma final ao material. Um processo bastante

empregado principalmente na indústria de luvas é a dissolução do composto em solvente, onde

a conformação passa a ser feita pela imersão dos moldes na solução de borracha, ou pela

pintura [6].

O processo final é a vulcanização, que confere ao produto as características projetadas,

podendo fazer parte da conformação como no caso da termoprensagem. O processo de

vulcanização por enxofre entrecruza, de forma intramolecular ou intermolecular, as cadeias de

poliisopreno por meio de pontes de enxofre que podem ser monosulfídicas, bisulfídicas ou

polisulfídicas, podendo resultar em entrecruzamentos cíclicos, conforme mostrado a seguir na

Figura 2 [6].

Figura 2- Possíveis tipos de combinação de entrecruzamento da borracha com o enxofre [4].

5

2.2-Processos de Condução em Campo Elétrico Alternado

A passagem da corrente elétrica por um material muda conforme a tensão que se aplica

ao material. Em materiais isolantes como a borracha natural, a curva da corrente elétrica em

função da tensão pode mudar de inclinação, principalmente em altos campos elétricos. Esta

alteração na inclinação da corrente elétrica CA pode surgir em função de mecanismos, tais como

pequenas descargas parciais internas no material, condução em função de alterações estruturais

do material e alteração na distribuição de cargas espaciais que passam a se deslocar pela ação

do campo elétrico CA e não retornam às suas posições originais e injeção de portadores de

carga elétrica pelos eletrodos [7].

Estudos experimentais têm mostrado que a mudança de inclinação da corrente elétrica

está associada a processos de envelhecimento do material, sendo um importante parâmetro

para se estudar a evolução do material em termos de propriedades elétricas [8, 9]. A corrente

elétrica CA que flui através do material isolante de capacitância geométrica C0, considerando-o

como um circuito RC série submetido a uma tensão V em corrente alternada, com freqüência

ω=2.π.f, pode ser escrita como mostra a equação (1):

(1)

A corrente elétrica capacitiva pode ser escrita como mostra a equação (2):

(2)

sendo εr a permissividade elétrica relativa do material, ε0 a permissividade elétrica do vácuo, A é

a área dos eletrodos e d a distância entre os eletrodos. A corrente resistiva é dada pela equação

(3):

(3)

onde a tanδ representa a perda dielétrica do material. Após a devida manipulação matemática,

chega-se à equação (4):

6

(4)

e substituindo na equação (4) se chega a equação (5):

(5)

O gráfico da corrente elétrica CA em função tensão aplicada CA sobre um material

isolante pode apresentar um comportamento como mostra o gráfico da Figura 3.

Figura 3- Gráfico da corrente RMS em função da tensão elétrica RMS, aplicada sobre um material isolante, que apresenta processo de envelhecimento [10].

No gráfico da Figura 3 é mostrada uma situação onde o possível envelhecimento do

material isolante muda à inclinação da curva da corrente elétrica em função da tensão aplicada

[11]. As impedâncias Z1 e Z2 do circuito CA são dadas pela equação (6):

(6)

A razão entre Z1 e Z2 fornece o aumento percentual da condutância do material, que está

associada ao envelhecimento do mesmo [12]. Da equação (3) pode-se escrever a tanδ conforme

a equação (7):

7

(7)

Mas como: e , assim a equação (7)

torna-se a equação (8):

(8)

Desta forma pode-se obter a curva da tanδ em função da tensão elétrica V. Esta curva é

conhecida como curva de ionização, e pode ser vista na Figura 4. Observando o gráfico percebe-

se que até a Vion, a tanδ permanece quase constante, quando passa a subir de forma brusca. O

ponto A no gráfico da Figura 4 é conhecido como ponto de ionização, que marca o início da

formação de corona e descargas parciais nos vazios ou gases que se encontram no volume do

material.

Após o pico no ponto B, a condutividade cai um pouco, porém, a condução já está

ocorrendo no material. A ionização do ar está relacionada aos seguintes fatores [13]:

a) absorção significante de energia provocando um aumento brusco da potência

dissipada, das perdas dielétricas e da tanδ.

b) Parte do oxigênio presente nos vazios transforma-se em ozônio e formam óxidos que

atuam como agentes de oxidação, acelerando a degradação do material.

Figura 4- Gráfico ilustrativo da curva de ionização. A situação ideal para um material isolante seria abaixo da tensão de ionização [13].

8

Nos dielétricos sujeitos a uma tensão alternada tem-se o efeito da perda por efeito Joule,

mas surge outro fenômeno que origina perdas e que tem o nome de histerese dielétrica. A

energia perdida é também transformada em calor. O nome deste fenômeno é dado pela analogia

existente com a histerese magnética. A explicação física das perdas por histerese dielétrica é

dada por consideração da falta de homogeneidade do dielétrico [14].

2.2.1-Ângulo e Fator de Perdas

Quando um dielétrico está sujeito a um campo elétrico alternado, a corrente que o

atravessa deveria estar avançada de 90º em relação à tensão, mas pelo fato de existir uma

queda ôhmica através do volume do isolante, haverá um ângulo de diferença que será (90º - δ),

sendo δ chamado ângulo de perdas. Este valor pode ir de poucos minutos, se o dielétrico for

bom, até alguns graus, se for de má qualidade [15].

É construído um diagrama vetorial de tensão e corrente conforme Figura 5 de um

material isolante que está aplicada uma tensão alternada. Se o dielétrico não houvesse perdas,

ou seja, fosse um dielétrico ideal, então o vetor da corrente I através do dielétrico adiantaria do

vetor da tensão V exatamente em 90º e a corrente seria puramente reativa, ou seja, capacitiva.

Na realidade o ângulo de defasagem φ entre a tensão e a corrente é um pouco menor que 90º, a

corrente total I que passa pelo dielétrico pode decompor-se em duas componentes: a corrente

resistiva IR e a corrente capacitiva IC.

Deste modo, o valor do ângulo de defasagem δ é demonstrado na equação (9):

(9)

Figura 5 - Representação vetorial das correntes e ângulos.

9

O ângulo δ denomina ângulo de perdas dielétricas. Está claro que a tangente deste

ângulo é igual à razão das correntes resistiva e capacitiva conforme equação

(7).

O ângulo de perdas elétricas é um parâmetro muito importante do material dielétrico.

Quanto maior é este ângulo maior são as perdas dielétricas.

A potência perdida no dielétrico será dada pela equação (10):

(10)

2.2.2-Polarização em dielétricos

Quando se trata de campos eletrostáticos, o meio no qual os mesmos existem deverá ter

resistividade muito alta, ou seja, deverá opor-se tanto quanto possível, à passagem de corrente

elétrica de condução, motivo pelo qual recebe o nome de dielétrico. O material que o constitui é

designado por isolante. O papel dos dielétricos na eletrotécnica é muito importante e tem dois

aspectos [16]:

Realizam o isolamento entre os condutores, entre estes e a massa ou a terra, ou, ainda,

entre eles e qualquer outra massa metálica existente na sua vizinhança;

Modifica em proporções importantes, o valor do campo elétrico existente em

determinado local. O processo principal característico para qualquer dielétrico, que se

produz quando sobre ele atua uma tensão elétrica, é a polarização, ou seja, o

deslocamento limitado de cargas ou a orientação das moléculas dipolares.

Os fenômenos devidos a polarização de um dielétrico podem ser julgados através do

valor da constante dielétrica e pelo ângulo de perdas dielétricas, se a polarização vem

acompanhada de dissipação de energia que provoca o aquecimento do dielétrico. Neste

aquecimento tomam parte as poucas cargas livres que existem no material, as quais determinam

o aparecimento de uma corrente de fuga, que passa através do dielétrico e sua superfície [17].

A maioria dos dielétricos se caracteriza por um deslocamento elétrico das cargas como

uma função linear do campo elétrico que se cria no dielétrico. Todo dielétrico inserido em um

circuito elétrico pode ser considerado como um capacitor [17].

10

Quanto ao estudo do fenômeno da polarização, devem-se distinguir os tipos

fundamentais de polarização [17]:

Ao primeiro tipo de polarização pertencem as polarizações eletrônica e iônica que

ocorrem de um modo praticamente instantâneo sob a ação de um campo elétrico e sem

dissipação de energia, se caracterizando por um deslocamento elástico de íons ou

elétrons ligados ao núcleo de um átomo. A polarização eletrônica diminui com o

aumento da temperatura, devido à dilatação do dielétrico e conseqüente diminuição do

número de partículas por unidade de volume. Já a polarização iônica é intensificada com

o aumento da temperatura, uma vez que se debilitam as forças elásticas interiônicas

quando aumentam as distâncias entre os íons quando o corpo se dilata;

A polarização dipolar difere da eletrônica e da iônica com relação ao movimento térmico

das partículas. As moléculas dipolares, que se encontram em movimento térmico

caótico, se orientam parcialmente pela ação do campo, o qual é a causa da polarização.

A polarização dipolar é possível se as forças moleculares não impedirem os dipolos de

se orientarem de acordo com o campo. Ao aumentar a temperatura se enfraquecem as

forças moleculares e diminui a viscosidade da substância, de forma que se intensifica a

polarização dipolar. No entanto, ao mesmo tempo aumenta a energia dos movimentos

térmicos das moléculas, o que faz que diminua a influência orientadora do campo. De

acordo com isto, a polarização dipolar aumenta a princípio com o aumento da

temperatura, enquanto que o enfraquecimento das forças moleculares influencia mais

que a intensificação do movimento térmico caótico. Depois, quando este último se

intensifica, a polarização dipolar cai à medida que aumenta a temperatura;

A polarização estrutural aparece apenas em corpos amorfos e em sólidos cristalinos

polares como no caso do vidro, onde um corpo amorfo é parcialmente constituído de

partículas de íons. A polarização estrutural vem a ser a orientação de estruturas

complexas de material, perante a ação de um campo externo, aparecendo devido a um

deslocamento de íons e dipolos, na presença de aquecimento devido a perdas Joule.

Quanto a sua dependência com a temperatura têm comportamento semelhante à

polarização dipolar [20].

As particularidades da polarização permitem dividir todos os dielétricos em vários grupos

[18]:

Ao primeiro grupo podem pertencer os dielétricos que possuem somente a polarização

eletrônica, por exemplo, as substâncias sólidas não polares ou debilmente polares em estado

11

cristalino ou amorfo (parafina, enxofre, poliestireno), assim como os líquidos e gases não polares

ou debilmente polares (benzeno, hidrogênio e outros).

Ao segundo grupo pertencem os dielétricos que possuem ao mesmo tempo polarização

eletrônica e dipolar. São estas as substâncias polares (dipolares) orgânicas, semi-líquidas e

sólidas (algumas resinas, celulose, alguns hidrocarbonetos cloretados, etc).

Ao terceiro grupo pertencem os dielétricos inorgânicos sólidos com polarização

eletrônica, iônica e íon-eletrônico dipolar. Este grupo pode ser dividido no subgrupo 1) com

polarização eletrônica e iônica ao qual pertencem principalmente as substâncias cristalinas com

empacotamento denso de íons (quartzo, mica, sal e óxido de alumínio) e o subgrupo 2) com

polarização eletrônica, iônica de dipolar ao qual pertencem os materiais que contem fase vítrea

(porcelana) e os dielétricos cristalinos com empacotamento não denso.

A um quarto grupo pertencem os componentes ferroelétricos, que se caracterizam por

ter polarização espontânea (nos campos elétricos alternados, os materiais com polarização

espontânea se caracterizam por uma considerável dissipação de energia), eletrônica e iônica

combinadas. Seriam estes materiais o sal de Seignette e o de Rochelle, titanato de Bário e

outros. Esta classificação dos dielétricos permite que suas propriedades elétricas sejam até certo

ponto pré-determinadas [20].

2.2.3-Comportamento dos dielétricos

Materiais que apresentam um comportamento dielétrico são definidos segundo Maxwell

como o meio em que podem ocorrer os processos de condução e indução, simultaneamente. Em

um material dielétrico na presença de um campo elétrico aplicado, a distribuição das cargas nas

moléculas, as quais formam inicialmente uma distribuição neutra, passam a sofrer mudanças nas

posições de equilíbrio. A nova situação das moléculas onde suas cargas positivas e negativas,

±q, estão separadas por uma distância d, gera o que chamamos de dipolos. Isto,

consequentemente implicará no aparecimento de um momento de dipolo μ, definido pela

equação (11) [19]:

(11)

12

Os dipolos permanentes apresentam uma distância fixa. Para campos elétricos fracos

(pequenos) o momento de dipolo induzido é proporcional ao campo elétrico, sendo expresso

pela equação (12):

(12)

onde E é o campo elétrico local, e a constante é chamada de polarizabilidade, a qual

depende da natureza das ligações químicas dos átomos nas moléculas.

Quando as cargas num material dielétrico sofrem um deslocamento na presença de um

campo elétrico aplicado dando origem a dipolos, diz-se que este dielétrico está polarizado, cuja

polarização pode ser escrita conforme equação (13):

(13)

onde é a susceptibilidade elétrica e é a permissividade dielétrica estática no vácuo.

Experimentalmente, a polarização dielétrica pode ser determinada através da medida de

densidade de corrente elétrica de polarização (J), que resulta da taxa com que a polarização

varia no tempo, conforme equação (14):

(14)

A polarização total no volume do material é relacionada com a carga induzida na sua

superfície.

Resistência de Isolamento - O dielétrico impede a passagem da corrente elétrica

enquanto o campo elétrico nele estabelecido não ultrapassar um determinado valor que depende

da natureza do dielétrico e das suas condições físicas [20].

Este impedimento, porém, não é total, pois se uma determinada porção do isolante

estiver submetida a uma tensão V, ela será atravessada por uma corrente I, sendo o quociente

entre V e I designado por resistência de isolamento.

A resistência de isolamento não é constante, isto é, os isolantes não obedecem de uma

forma geral, à lei de ohm. No caso do comportamento dos gases, só para valores baixos de

13

tensão estes obedecem à lei de ohm. No caso dos dielétricos sólidos, a curva de variação da

corrente com a tensão já tem um aspecto diferente, sendo de uma forma geral do tipo da

apresentada na Figura 6 [21].

A primeira parte da curva corresponde aproximadamente a uma proporcionalidade entre

a intensidade de corrente e a tensão, a partir de um determinado valor de tensão, o crescimento

de corrente acentua-se e ao atingir-se um valor nominal da tensão Vn para os dielétricos sólidos,

a corrente cresce rapidamente mesmo que se faça descer o valor de tensão V.

Figura 6 - Curva de variação da corrente com a tensão dos dielétricos sólidos [22].

Esta última parte da curva corresponde à perfuração do isolamento ou, pelo menos,

antecede-a de um pequeno intervalo de tempo, pois a libertação de calor engrandecida pelo

aumento da corrente vai rapidamente provocar a perfuração.

Resistência Superficial - No caso dos isolantes sólidos de muito grande resistividade, a

resistência através da sua massa é também elevada, sendo muito pequena a corrente que os

atravessa. Ora acontece que, pela acumulação de poeira ou umidade na superfície das peças

isoladoras, se forma um novo caminho para a passagem da corrente elétrica, o qual se diz ser

superficial [20].

Isto acontece especialmente nas peças isoladoras expostas ao tempo, como por

exemplo, os isoladores de linhas de transmissão aéreas. À resistência do novo circuito é dado o

nome de resistência superficial e, neste caso, a resistência de isolamento é dos dois circuitos em

paralelo, superficial e de volume.

O aumento da temperatura faz atenuar a importância da resistência superficial, pois a de

massa decresce em relação àquela [23].

14

A temperatura afeta sensivelmente o valor da resistividade e de uma forma geral, o

aumento da temperatura provoca uma redução da resistividade dos materiais isolantes [24].

Rigidez Dielétrica - Para poder exprimir numericamente a capacidade de um

determinado material isolante suportar tensões elevadas, define-se uma grandeza a que se dá o

nome de rigidez dielétrica e que é definida como sendo o valor do campo elétrico para o qual se

dá a ruptura do isolante [20].

Esta grandeza está longe de ser constante para cada material, pois depende de muitos

fatores, tais como a espessura do isolante, as dimensões e forma dos eletrodos utilizados para a

aplicação da tensão, a freqüência da tensão aplicada, o número de aplicações de tensão na

unidade do tempo (fadiga do material), a temperatura, grau de umidade, etc.

Como é difícil conhecer o valor do campo no momento da ruptura, visto-o não ser

normalmente uniforme, é costume definir-se a rigidez dielétrica (RD) simplesmente pelo

quociente da tensão aplicada no momento da ruptura pela espessura do isolamento e como a

R.D. varia com a espessura do isolante é costume indicar esta ao referir aquela. Por exemplo,

para a mica a RD varia de 600 a 750 kV/cm, medida para espessura de 1 mm.

Rigidez dielétrica superficial - No caso dos isolantes sólidos, pode acontecer que o arco

disruptivo, em vez de atravessar a sua massa, salte pela sua superfície [20].

Ao quociente da tensão pela distância entre os condutores é dado o nome de rigidez

dielétrica superficial. Esta depende, evidentemente, da forma do isolante e do estado da sua

superfície [20].

Perdas nos dielétricos – Perda no dielétrico é o resultado do efeito de aquecimento do

material dielétrico entre os condutores, a potência da fonte é utilizada no aquecimento do

dielétrico e o calor produzido é dissipado para o meio circundante.

Quando não há diferença de potencial entre dois condutores, os átomos do material dielétrico

entre elas são normais e as órbitas dos elétrons são circulares, mas

quando há uma diferença de potencial entre dois condutores, as órbitas dos elétrons mudam. A

carga excessiva negativo sobre um condutor repele elétrons no dielétrico para o condutor

positivo e, assim, distorce as órbitas dos elétrons [20].

Uma mudança no caminho de elétrons requer mais energia, introduzindo uma perda de

potência. A estrutura atômica da borracha é mais difícil distorcer do que a estrutura de alguns

15

outros materiais dielétricos. Os átomos de materiais, tais como o polietileno, distorcem

facilmente. Portanto, o polietileno é frequentemente utilizado como um dielétrico porque menos

energia é consumida quando suas órbitas de elétrons são distorcidas. A corrente de perdas, se

bem que muito limitada, dá lugar a certo aquecimento. Estas perdas não têm importância a não

ser quando dão lugar a um aquecimento permitindo, por conseqüência, maior corrente e maiores

perdas [20].

2.3- Processos de Breakdown (ruptura dielétrica)

2.3.1-O Breakdown (ruptura dielétrica)

O breakdown elétrico nos sólidos é um fenômeno limitador importante em componentes

do micro circuitos, cabos, capacitores, motores elétricos, transformadores e outros componentes

que necessitam de isolamento elétrico. Uma compreensão dos mecanismos que provocam a

ruptura dielétrica dos materiais isolantes é necessária aos projetistas de equipamentos que

utilizam estes materiais para se obter o isolamento elétrico [25].

A terminologia na descrição de fenômenos do breakdown não é uniforme. Observa-se

ser fundamental a distinção entre os fenômenos de breakdown térmico e elétrico. Assim, o

breakdown térmico e elétrico são mecanismos inerentes aos sistemas de isolamento elétrico.

Materiais sujeitos a variações de temperatura e que apresentam certa condutividade elétrica,

tenderão a falhar pelo breakdown térmico, caso contrário a falha é mais provável pelo breakdown

elétrico [26].

2.3.2-Breakdown (ruptura dielétrica) em materiais poliméricos [27]

O processo de breakdown em materiais poliméricos é sempre uma falha catastrófica no

sentido de que se trata de um processo irreversível e destrutivo, resultando em um caminho

limitado a região entre eletrodos. O termo breakdown é usado para descrever um processo no

qual uma pequena elevação na tensão elétrica pode causar um considerável aumento na

corrente elétrica. Estes processos podem ou não conduzir o material a uma falha catastrófica,

dependendo somente, da limitação da potência de entrada. Nos polímeros em função de

processos de condução limitados por cargas espaciais (SCLC), processos Schottky ou Poole-

Frenkel, podem ser responsáveis ou colaborar com a falha. Os processos de breakdown em

16

sólidos normalmente são finalizados com a elevação térmica no caminho percorrido pela

descarga elétrica sofrendo uma fusão ou amolecimento, com provável carbonização ou

evaporação do dielétrico.

Os mecanismos de breakdown podem ser divididos em três categorias:

a) modelos com baixo nível de campo e degradação, onde o sistema isolante é afetado

pelo campo elétrico em conjunto com outros fatores;

b) modelos determinísticos no qual a ruptura é devida ao campo elétrico exceder o

campo elétrico crítico;

c) modelos estocásticos onde às mudanças físicas e não homogeneidades alteram o

campo elétrico local implicando em certa probabilidade de a ruptura ocorrer no tempo.

Na Figura 7, podem ser vistos os processos de breakdown como função do campo

elétrico e do tempo.

Figura 7 - Processos de breakdown com seus respectivos campos elétricos [28].

No diagrama da Figura 7 é importante observar que existe uma distinção clara entre um

processo de breakdown e um processo de degradação, onde o breakdown ocorre em escalas de

tempo em até 1000 s. Os processos de degradação iniciam em escala de tempo superiores há

horas. O processo de descargas parciais causa a degradação do material implicando em um

processo de ruptura dielétrica.

17

2.3.3-Modelos determinísticos de Breakdown (ruptura dielétrica) [26]:

Os modelos determinísticos de breakdown são definidos de acordo com o processo que

conduz ao seu estagio final. Estes processos podem ser subdivididos em: elétrica, térmica,

eletromecânica e ruptura por descargas parciais.

O breakdown por modelos determinísticos nos gases é iniciado por poucos elétrons

livres sempre presentes em um gás, seguida por uma avalanche elétrica; a tensão atravessa o

espaço ionizado alcançando um máximo valor; e então diminui como uma descarga e finalmente

tornando-se um arco de corrente conforme a lei de Paschen. O breakdown por modelos

determinísticos em óleos ultra puros, os portadores iniciais são os poucos íons e elétrons livres

presentes.

De acordo com o procedimento de estimativa da vida útil de materiais isolantes, como

pode ser visto na Figura 8, é possível predizer a vida útil dos isolantes com uma relação entre a

espessura remanescente da arborescência e a tensão de ruptura conforme, obtendo-se uma

estimativa de crescimento da arborescência.

Figura 8 - Procedimento de estimativa da vida útil de materiais [29].

A estimativa de vida útil restante para materiais isolantes, não é eficiente, pois é de difícil

procedimento. Como a curva da linha de tendência é logarítima, torna-se mais imprevisível o seu

formato. Outra causa é a evolução da arborescência sendo difícil prever o seu aparecimento e o

seu crescimento, pois os meios onde as arborescências se formam não são iguais tendo vários

18

tipos de interferências elétricas, físicas e químicas, como é descrito em estudos da propagação

de arborescências [30].

2.3.4-A Natureza estocástica do Breakdown (ruptura dielétrica):

A simulação de problemas estocásticos e probabilísticos abrange os casos em que por

sua natureza estocástica ou probabilística não podem ser resolvidos através de métodos

matemáticos usuais e a simulação é o melhor ou muitas vezes o único método de resolução [31].

A importância dos processos estocásticos, ou seja, aleatórios reside no estudo de

fenômenos que dependem do tempo de forma extremamente complicada, sem possibilidade de

cálculo ou observação, mas que apresentam características médias que podem ser observadas

e que obedecem a leis simples. Neste caso, a teoria de probabilidade pode ser usada para suprir

a falta de conhecimento do que ocorre na micro escala de modo que, mesmo sem conhecimento

das variáveis na escala microscópica, é possível detectar regularidades no comportamento de

macro escala e descrevê-lo em termos de leis gerais. Assim o desconhecimento de valores

precisos de variáveis em escala microscópica não inviabiliza o estudo de um material [32].

Muitos tratamentos teóricos do breakdown elétrico em sistemas poliméricos isolantes

são baseados em modelos determinísticos descritos na seção anterior. Estes modelos podem

ser aplicados a sistemas “ideais” de isolamento, bem como aplicados a sistemas com defeitos

(como os vazios em polímeros) e sistemas de isolamento que foram envelhecidos ou

degradados. Embora estas aplicações de modelos determinísticos a sistemas de isolamento não

ideais retornar valores de rigidez dielétrica que são inferiores ao "valor" intrínseco obtidos por

outras técnicas, eles geralmente prevêem um valor específico para o breakdown. Esses modelos

sugerem então que o sistema de isolamento chegará ao breakdown se somente se a tensão de

ruptura crítica for ultrapassada. Se este valor crítico não for atingido o sistema isolante ira durar

para sempre.

Embora os valores específicos da tensão de ruptura possam ser obtidos em alguns

sistemas de isolamento observa-se que para materiais a princípio idênticos, sob as mesmas

condições de ensaio, apresentam tensões de breakdown diferentes. A tensão de ruptura

observada pode ser caracterizada por uma distribuição estatística que descreve a probabilidade

de breakdown em função da tensão. Os parâmetros desta distribuição são dependentes das

condições de ensaio e características construtivas da amostra. Para um conjunto de ensaios sob

mesmas condições, onde se aplica uma tensão constante (CA ou CC), e observa-se o tempo

19

desde o início do ensaio até o breakdown, ter-se-á diferentes tempos para cada sistema testado.

Este tempo pode ser usado para se estimar o tempo de falha dos sistemas, baseado em uma

função estatística que retorna a probabilidade da falha ocorrer em função do tempo. Por esta

razão, a apresentação desses dados na maioria das publicações é geralmente na forma gráfica

"probabilidade cumulativa de falha" ou "fração de amostras com falha" como uma função de

"tempo de breakdown 'ou' tensão de ruptura" [33]. Para um melhor entendimento dos processos

estocástico consultar a referência [33].

2.4-Processo de Breakdown Térmico [33]

O breakdown térmico ocorre quando a taxa de calor gerada no material isolante é maior

que a taxa de calor trocada pelo material com o meio. Este processo gera uma elevação de

temperatura em uma pequena região do material, provocando uma elevação na condutividade

elétrica, em função de um maior número de portadores de carga. Também deve ser considerada

a situação onde o aquecimento pode gerar dos movimentos segmentais das cadeias poliméricas,

podendo aumentar a mobilidade iônica intrínseca. Ao se manter a tensão aplicada sobre o

material o processo se torna cíclico, ou seja, a temperatura irá aumentar ainda mais,

aumentando a condutividade, levando o material, na região aquecida à ruptura dielétrica. Neste

processo certas características podem ser observadas na amostra estudada, como por exemplo,

derretimento, bolhas, rachaduras, queima ou decomposição do material em regiões localizadas.

2.5-Processo de Breakdown Elétrico [33]

Com relação à ruptura dielétrica elétrica, os casos mais discutidos são os denominados

Zenner e avalanche. O primeiro caso, ocorre em junções semicondutoras, quando o campo

elétrico é suficientemente intenso para tunelar elétrons da banda de valência para a banda de

condução, sendo normalmente necessários campos da ordem de 1010 V/m no caso de

polímeros, em função dos gaps típicos encontrados nestes materiais, que são da ordem de 7 eV

ou mais. Este valor de campo elétrico torna o processo Zenner improvável de ocorrer em

materiais poliméricos.

No processo de avalanche há a necessidade de existência de portadores de carga

excitados e a presença de campo elétrico de alta intensidade. A colisão destes portadores com a

matriz aumenta a probabilidade de ionização, gerando mais portadores. Assim uma pequena

20

corrente elétrica pode ser multiplicada várias ordens de grandeza, causando um dano

irreversível. Nos polímeros que possuem uma mobilidade de portadores de carga elevada o

processo de avalanche poderá ocorrer. Para tal, altos campos elétricos, da ordem de 109 V/m

são necessários, onde processos de injeção de portadores de carga pelos eletrodos, formação

de heterocargas próximas aos eletrodos poderão ocorrer, alterando os campos elétricos locais e

causando a avalanche. Este processo de ruptura tem sido classificado como intrínseco e ocorre

em intervalos de tempo pequenos.

2.6-Breakdown por descargas parciais

O processo de descarga parcial pode ocorrer no volume do material ou em sua

superfície. No caso do volume do material elas recebem o nome de descarga parcial interna e

ocorre em pequenos vazios, inevitáveis no processo de fabricação dos materiais. Esses micro

vazios são preenchidos por gases e possuem uma baixa permissividade elétrica quando

comparada à sua vizinhança, provocando desta forma uma intensificação do campo elétrico

nesta região. Dependendo da pressão do gás e outros fatores, o campo poderá ser intensificado

ocasionando a ionização do gás, ou seja, causará uma descarga parcial no vazio. Os portadores

de carga poderão ser acelerados pelo campo elétrico colidindo com o lado oposto do vazio,

ocasionando a erosão no ponto de colisão. Dependendo da espessura do material dielétrico,

este processo poderá levar o material ao breakdown, bem como à formação de arborescências

elétricas. No caso das formações de arborescências elétricas, o processo atua mais como um

agente de degradação do que um processo de breakdown [34,35, 36, 37].

Arborescências elétricas são canais vazios resultantes da decomposição do material

dielétrico por descargas parciais e são permanentemente visíveis como mostra a Figura 9

abaixo. Tem sido sugerido que descargas parciais ocorrem devido às concentrações de

solicitações referentes ao campo elétrico na isolação ou de superfícies ou cavidades levando à

formação de arborescência elétrica. As concentrações de solicitação elétrica podem ser

causadas por protuberâncias na interface da isolação, causando a injeção de carga, embora o

mecanismo exato seja desconhecido [35, 37].

21

Figura 9 - Arborescências elétricas [38].

Outro meio que propicia a geração das arborescências elétricas em isolamentos sólidos

são as cavidades no volume do material e nas interfaces com os eletrodos, preenchidos com gás

ou água. Nas cavidades preenchidas com gás ocorre o fenômeno de descarga parcial. Estas

cavidades podem ter sua origem na fabricação das borrachas devido à condensação da água,

após o sistema ser submetido a altas temperaturas. A formação destas cavidades também pode

ser atribuída à recristalização secundária nas regiões amorfas durante os ciclos térmicos e

descolamento das impurezas da isolação [39].

No processo de descarga parcial superficial a descarga ocorre na superfície de um

material dielétrico, normalmente partindo de um eletrodo para a superfície. Quando o campo

elétrico paralelo à superfície excede certo valor crítico, inicia-se o processo de descarga

superficial. Assim como as descargas internas, as descargas superficiais ocasionam alterações

na superfície iniciando caminhos condutores que se propagam ao longo da direção do campo

elétrico. Estes caminhos condutores conhecidos como “trilhamento” como mostra a Figura 10,

também podem levar o isolamento à ruptura total [35, 37].

Figura 10 - Caminhos condutores conhecidos como trilhamento ou arborescência [35, 37].

22

No efeito corona as descargas parciais ocorrem no ar e partindo de pontas agudas

(partes com pequenos raios de curvatura) em eletrodos metálicos. Em eletrodos de alta-tensão

com pontas agudas, criam regiões nas vizinhanças do condutor com campo elétrico elevado, o

qual ultrapassa o valor crítico, dando origem a descargas parciais. Quando a tensão aplicada é

alternada com forma senoidal, a descarga parcial corona pode ser facilmente identificada devido

a sua ocorrência inicial localizar-se no máximo do semi ciclo negativo da tensão aplicada. Isto se

deve ao fato de que um eletrodo metálico disponibiliza elétrons no ar na região próxima do

eletrodo (nuvem eletrônica) como mostra a Figura 11 [35, 37].

Figura 11 - Eletrodo metálico disponibiliza elétrons no ar na região próxima do eletrodo [37].

2.6.1-Condições para ocorrência de descargas parciais internas

A ocorrência das descargas parciais no interior de defeitos em materiais poliméricos

depende a princípio de dois fatores [35, 37]:

a) o campo elétrico local (campo no interior do vazio) deve ultrapassar certo valor crítico;

b) deve haver elétrons livres o suficiente para iniciar o processo de avalanche.

2.6.2-Influência do campo elétrico local

Para que ocorram descargas parciais no interior de defeitos presentes na isolação é

necessário que o campo elétrico local ultrapasse certo valor de campo elétrico crítico, este

processo pode ser vista de forma análoga ao caso de descargas entre eletrodos metálicos, dada

pela curva de Paschen na Figura 12 - [34, 40, 41].

23

Figura 12 - Evolução da rigidez dielétrica no ar em função da pressão [41].

Nesta situação a ocorrência da descarga depende do produto da pressão do gás pela

distância entre os eletrodos. A ocorrência das descargas em vazios também depende da

pressão e da natureza dos gases resultantes na formação do vazio. O campo elétrico local no

interior do vazio pode ser determinado em função do campo elétrico macroscópico médio no

restante do material dielétrico para vazios com geometria simples e considerando que o restante

do material dielétrico seja homogêneo. Para um vazio plano e pouco espesso, com campo

elétrico perpendicular ao plano, o campo elétrico local é dado pela equação:

(15)

e para um vazio esférico o campo elétrico local é dado pela equação:

(16)

como mostra Figura 13 [34, 42].

24

Figura 13 - Relação entre o campo elétrico local e o campo elétrico médio no interior do material dielétrico para um vazio plano e um esférico [35].

(15)

(16)

onde:

é o campo elétrico local;

é o campo elétrico aplicado;

εr é a permissividade elétrica relativa.

Considerando um dielétrico com permissividade relativa igual a 2,5 e um vazio plano

com espessura de 1 mm e pressão do gás no interior de 1 atm e verificando a curva de Paschen,

o campo elétrico local crítico é de 6,8 kV/mm. Desta forma, as descargas parciais neste defeito

devem iniciar para um campo elétrico médio acima de 2,7 kV/mm. Este campo elétrico é inferior

aos campos elétricos normalmente utilizados em sistemas de isolamento poliméricos [35].

2.6.3-Geração de elétrons livres [42]

A ocorrência das descargas parciais também depende da disponibilidade de elétrons

livres na região do vazio onde o campo elétrico local está acima do campo elétrico crítico. Estes

elétrons são necessários para dar início ao processo de avalanche e podem ser gerados quando

ainda não ocorreram descargas no vazio, isto é, no vazio virgem. A primeira descarga dependerá

da geração de elétrons livres através da foto-ionização do gás no interior do vazio. A foto-

25

ionização depende da interação da radiação cósmica ou da radiação natural do meio (radiação

de fundo) com o gás no interior do vazio ou com a própria superfície do vazio. Medidas do tempo

de atraso para a ocorrência da primeira descarga em vazios virgens mostram estar de acordo

com o tempo de atraso (time lag) calculado, levando-se em consideração a probabilidade de

interação dessas radiações com o vazio..

A probabilidade de interação é proporcional ao volume do vazio, à densidade do gás e à

densidade de fluxo de radiação. Outro mecanismo que poderia gerar os elétrons iniciais seria a

emissão por campo pela superfície interna do vazio. Este segundo mecanismo é pouco provável

devido à elevada função trabalho apresentada pelas superfícies lisas dos materiais poliméricos.

Após a ocorrência da primeira descarga, elétrons iniciais adicionais estarão disponíveis

na forma de cargas superficiais depositadas na superfície interna do vazio. A emissão desses

elétrons presos em ”armadilhas” na superfície do vazio deve obedecer a um processo de

emissão térmica. A carga superficial depositada nas superfícies internas do vazio depende da

carga total transferida na descarga anterior e das propriedades da superfície. As propriedades da

superfície interna do vazio se alteram ao longo da vida do material, sendo que, o

bombardeamento iônico, em geral, aumenta a condutividade elétrica da superfície diminuindo o

tempo de permanência dessas cargas nas armadilhas.

2.7-Breakdown Eletromecânico [43]

Este processo ocorre em função da atração eletrostática entre os eletrodos, provocando

uma redução da espessura do dielétrico. Com a manutenção do campo elétrico, o este sofre um

aumento em função da redução da espessura do dielétrico aumentando ainda mais a atração

entre os eletrodos . Como resultado tem-se um aquecimento local e provável

amolecimento do polímero nesta região. A ocorrência deste tipo de breakdown em polímeros é

pouco provável de ocorrer, pois em função do aquecimento outros processos poderão prevalecer

a exemplo do breakdown térmico.

2.8-Envelhecimento

Segundo a IEC, envelhecimento é definido como uma mudança irreversível das

propriedades, comprometendo a utilização do material isolante. Os parâmetros considerados

como fatores de envelhecimento segundo a IEC são a temperatura, esforço elétrico e mecânico

26

e fatores ambientais. Se um sistema isolante está sujeito a qualquer um destes fatores ou ao

sinergismo entre eles, certas mudanças em sua estrutura e suas propriedades irão ocorrer a

certa taxa. Alguns modelos empíricos e outros experimentais tentam explicar estes mecanismos

de envelhecimento e projetar um tempo de vida útil para o material isolante [44].

2.8.1-Envelhecimento térmico

Este tipo de envelhecimento ocorre quando o sistema elétrico está sujeito a elevadas

temperaturas, onde os mecanismos a ele associados são termicamente ativados, tais como

polimerização, despolimerização, quebra de cadeias e ligações, oxidação, etc. A taxa com que

tais reações químicas ocorrem segue a equação de Arrhenius. Neste processo, a taxa de

envelhecimento é considerada igual à taxa com que a reação dominante no processo ocorre,

sendo o tempo para a ruptura (L(T)) do material, inversamente proporcional a esta taxa [45].

Assim, este modelo pode ser expresso pela equação (17):

(17)

onde T é a temperatura absoluta e A e B são constantes determinadas experimentalmente.

27

3-Materiais e Métodos

3.1-Amostras

As amostras para os ensaios foram retiradas de lençóis de borracha natural de tamanho

20 cm x 20 cm, e espessuras de 1,75 mm, 3,10 mm e 3,90 mm. O fornecedor das amostras não

será informado, pois o objetivo deste estudo não é avaliar a qualidade do fornecedor e sim

analisar as medidas elétricas e os processos de breakdown na borracha natural.

3.2-Equipamentos Usados

3.2.1-Fonte de tensão

No experimento de breakdown foi usado um transformador Marca Biddle, 200 kV, 20

kVA, 60 Hz, como pode ser visto na Figura 14.

Figura 14- Transformador BIDDLE usado nos experimentos de breakdown. Este transformador tem forma de onda senoidal perfeita em 60 Hz.

28

3.2.2-Transformador de potencial

A tensão foi medida usando um transformador de potencial (TP) marca TETTEX, tipo

4824, com entradas no terminal de alta tensão entre 20-50 kV e saída no secundário de 115 V,

mostrado na Figura 15. A classe de exatidão do TP é de 0,03% na freqüência de 60 Hz.

Figura 15- Vista frontal do Transformador de Potencial utilizado no arranjo de ensaio do experimento.

3.2.3-Estufa

O envelhecimento térmico das amostras foi feito em estufa marca Fanem que pode ser

vista na Figura 16 com circulação forçada de ar modelo 320 SE à temperatura de 90°C.

Figura 16- Estufa marca Fanem com circulação mecânica modelo SE 320. Vista da estufa fechada a 90°C e aberta com as amostras em processo de envelhecimento.

29

3.2.4-Cuba de acrílico

3.2.4.1-Ensaio de tensão aplicada com ponte Tettex

Para os ensaios de tensão aplicada, para as medidas de tangente de perdas,

capacitância e corrente elétrica utilizou-se uma célula de ensaio composta de cuba em acrílico,

com eletrodos em aço inox, com alívio de campo e sistema de guarda, como mostra a Figura 17.

Uma massa de 1 kg é usada para aplicar uma pressão constante sobre a amostra ensaiada.

Figura 17- Cuba confeccionada em acrílico com espessura de 10 mm. Os eletrodos são confeccionados em aço inox e possuem alívio de campo elétrico, sendo que o eletrodo inferior possui um anel de guarda. As conexões de

medidas são feitas através de cabos BNC.

3.2.4.2-Ensaio de Ruptura Dielétrica

Para o ensaio de ruptura dielétrica em tensão alternada e aquisição de medidas das

devidas grandezas avaliadas neste trabalho usou-se uma cuba em acrílico com um conjunto de

dois eletrodos circulares, sendo o inferior de 75 mm de diâmetro e 15 mm de espessura o

superior de 50 mm de diâmetro e 25 mm de espessura. Neste ensaio a amostra e eletrodos se

encontram imersos em óleo mineral isolante. A Figura 18 mostra a cuba utilizada.

30

Figura 18- Vista diagonal e superior da cuba em acrílico utilizada para os processos de breakdown nas amostras. A cuba possui um conjunto de eletrodos compostos de dois eletrodos circulares de tamanhos especificados nas

normas da ASTM para ensaios de rigidez dielétrica.

3.2.5-Ponte Tettex

Para medidas de capacitância, tangente de perdas e corrente elétrica pré e pós-

envelhecimento foi usado uma ponte marca TETTEX, também utilizada como fonte de tensão até

12 kV, conforme Figura 19.

Figura 19- Ponte TETTEX utilizada para medição de capacitância, tangente de perdas e corrente elétrica pré e pós-envelhecimento das amostras.

31

3.2.6-Osciloscópio Tektronix

Para leitura e análise de dados pré breakdown utilizou-se um osciloscópio do fabricante

TEKTRONIX, modelo TDS 744, com software interno da National Instruments. Usou-se também

o software deste equipamento em uma interface com o computador para aquisição de dados e

gráficos que possibilitaram uma melhor análise. A Figura 20 mostra o equipamento utilizado.

Figura 20- Osciloscópio TEKTRONIX, modelo TDS 744 utilizado para leitura e análise de dados pré breakdown das amostras.

3.2.7-Cabos

Para as conexões entre objetos e medidores utilizou-se cabos de medição modelo

coaxial, com impedância de 50 Ω e comprimentos variados Figura 21.

Figura 21- Modelo de cabo coaxial com impedância de 50 ohms usado nos ensaios.

32

3.2.8-Paquímetro

Para medida das espessuras das amostras a serem ensaiadas utilizou-se um

paquímetro marca Mitutoyo Figura 22.

Figura 22- Paquímetro Mitutoyo usado para medição das espessuras das amostras a serem ensaiadas.

3.3-Métodos

3.3.1-Envelhecimento das amostras

Um conjunto de amostras foi envelhecido termicamente. O envelhecimento térmico das

amostras foi feito em estufa marca Fanem a temperatura de 90°C. A Figura 23 mostra a

disposição das amostras. Os tempos de envelhecimento aplicados às amostras são mostrados a

seguir na Tabela 1:

Tabela 1 - Tempos de envelhecimento das amostras

Espessura Quantidade Tempo Temperatura

1,75 mm 5+1 168 h (7 dias) 90°C

3,10 mm 5+1 504 h (21 dias) 90°C

3,90 mm 5+1 1008 h (42dias) 90°C

33

Figura 23- Amostras sendo envelhecidas termicamente em períodos pré-determinados para futuras análises.

3.3.2-Métodos das medidas

3.3.2.1-Determinação da tensão a ser aplicada no ensaio de ruptura

Sobre uma das amostras envelhecidas a mais, no mesmo arranjo de ensaio de ruptura

dielétrica, foi aplicada uma tensão na forma de rampa com uma taxa de 1 kV/s, até a ruptura. O

valor de tensão obtido foi utilizado para a aplicação da tensão no ensaio de ruptura, porém

sempre com 1 kV a menos.

3.3.2.2-Ensaio de tensão aplicada com medidas da corrente elétrica, capacitância e

tangente de perdas

Com a ponte Tettex, aplicam-se tensões de 1 kV em 1 kV e mede-se a corrente elétrica,

a capacitância e a tangente de perdas dielétrica. O arranjo de ensaio utilizado pode ser visto na

Figura 24. Neste ensaio não foi utilizado óleo. Após este ensaio, as amostra são utilizadas no

ensaio de ruptura dielétrica.

34

Figura 24 - Esquema utilizado para medição da corrente elétrica, capacitância e tangente de perdas dielétricas em função da tensão CA aplicada por meio da ponte Tettex.

3.3.2.3- Ensaio de ruptura dielétrica

Neste ensaio a amostra fica imersa em óleo isolante aplicado em transformadores,

quando se eleva a tensão a uma taxa de 1 kV/s até o valor determinado no ensaio de

determinação da tensão de ruptura das amostras descrito no item 3.3.2.1. Para se monitorar o

comportamento da corrente elétrica e ângulo de fase ao longo do tempo de ensaio, utilizou-se

uma placa da National Instruments para aquisição de dados via software, e um osciloscópio com

trigger pré estabelecido para registro da forma de onda de tensão e corrente elétrica de pré

ruptura. O arranjo todo de ensaio passou por um processo de calibração.

Para se chegar a um método ideal de ensaio, de forma que as análises fossem feitas

com precisão, vários circuitos foram testados, até que se chegasse a um arranjo próximo do

ideal. Após essa definição, o sistema passou por uma calibração para a minimização de erros. O

capacitor padrão, conforme mostrado na Figura 25. Este método consiste em comparar um

sistema puramente capacitivo, ou seja, com defasagem de 90° entre tensão e corrente, com o

sistema a ser usado e definir valores para uma futura correção se necessário. O sistema

deflagrou uma correção a ser feita de 1° na medida do cos δ.

35

Figura 25 - Capacitor padrão usado para calibração do arranjo de ensaio.

O esquema do teste em tensão alternada aplicada e realização das medidas é o da Figura

26.

Figura 26 - Diagrama do sistema montado e utilizado para as medidas em tensão CA. O shunt é de 500Ω, Dc é o divisor capacitivo, V é o sinal de tensão CA e I é o sinal de corrente CA.

O arranjo de ensaio montado é mostrado a seguir nas Figura 27 e Figura 28.

36

Figura 27- Arranjo de ensaio para estudo de fenômenos pré breakdown.

Figura 28- Vista frontal do arranjo de ensaio para coleta de medidas.

37

4-Resultados e Discussões

4.1-Medida de capacitância, tangente delta e corrente elétrica:

Os gráficos da Figura 29 mostram os resultados obtidos no ensaio de tensão aplicada,

medida da corrente elétrica CA, capacitância elétrica e tangente de perdas para a amostra de

1,75 mm.

Os resultados obtidos na Figura 29 mostram uma tendência a uma redução da corrente

elétrica até 21 dias de envelhecimento, seguida de uma tênue elevação. Com relação à tangente

de perdas, observa-se uma tendência a redução com o tempo de envelhecimento. O gráfico da

Figura 29 – Resultados obtidos no ensaio de tensão aplicada CA, esquerda em cima gráfico da corrente elétrica, à direita em cima gráfico da capacitância elétrica e no meio em baixo gráfico da tangente de perdas, ambas para

amostra de 1,75 mm.

38

capacitância mostra uma tendência a sua redução ate 21 dias de envelhecimento seguido de

uma elevação para 42 dias de envelhecimento.

Os gráficos da Figura 30 mostram os resultados obtidos no ensaio de tensão aplicada,

medida da corrente elétrica CA, capacitância elétrica e tangente de perdas para a amostra de

3,10 mm

Nas Figura 30 observa-se uma redução da corrente elétrica até os 7 dias de

envelhecimento térmico, seguido de uma visível elevação para os demais tempos de

envelhecimento, o mesmo ocorrendo com a capacitância. A curva da tangente de perdas

apresenta um comportamento muito parecido, porém, os valores obtidos para as amostras

envelhecidas ficaram abaixo dos valores da amostra sem envelhecimento, mesmo mostrando

uma tendência de elevação ao longo o tempo de envelhecimento.

Figura 30 – Resultados obtidos no ensaio de tensão aplicada CA, esquerda em cima gráfico da corrente elétrica, à direita em cima gráfico da capacitância elétrica e no meio em baixo gráfico da tangente de perdas, ambas para amostra

de 3,10 mm.

39

Os gráficos da Figura 31 mostram os resultados obtidos no ensaio de tensão aplicada,

medida da corrente elétrica CA, capacitância elétrica e tangente de perdas para a amostra de

3,90 mm

Nos gráficos da Figura 31 nota-se uma redução da corrente elétrica até 7 dias de

envelhecimento, seguida de uma elevação para os demais tempos de envelhecimento. Com

relação à capacitância observa-se uma tendência à redução de seu valor para os 7 primeiros

dias de envelhecimento seguido de uma elevação, mesmo comportamento que é observado

para a curva da tangente de perdas.

Figura 31 – Resultados obtidos no ensaio de tensão aplicada CA, esquerda em cima gráfico da corrente elétrica, à direita em cima gráfico da capacitância elétrica e no meio em baixo gráfico da tangente de perdas, ambas para

amostra de 3,10 mm.

40

A redução nos valores da corrente elétrica pode estar associada à redução dos

processos de condução presentes no material. O material em sua formulação possui uma grande

quantidade de antioxidantes, que podem contribuir nos processos de condução. Com o processo

de envelhecimento térmico acelerado, estes agentes são consumidos e passam a ser

incorporados à estrutura do material. Com o passar do tempo de envelhecimento acelerado

estes agentes são totalmente consumidos, e iniciam-se os processos de cisão de cadeias, além

dos processos de termo-oxidação. Estes mecanismos de degradação passam a contribuir para a

elevação da corrente elétrica de condução.

Para as amostras estudadas nas situações com e sem envelhecimento, observa-se um

aumento da corrente elétrica em função do campo elétrico aplicado, onde a corrente elétrica

diminui em função do aumento da espessura da amostra. Este resultado é esperado, pois a

intensidade do campo elétrico reduz em função do aumento da espessura das amostras,

reduzindo, portanto, a densidade de corrente elétrica que flui pela amostra.

A redução da capacitância observada permite supor que houve uma redução na

constante dielétrica da amostra, pois , supondo a capacitância geométrica constante.

A redução da constante dielétrica pode estar associada a uma reorganização molecular do

material, em função das reações químicas que ocorrem devido ao envelhecimento acelerado a

90° C, como por exemplo, a formação de novas estruturas em função do consumo do agente

antioxidante presente no material, bem como migração de agentes e aditivos para a superfície

do material. O aumento observado na capacitância é um indicativo de que o material com o

passar do envelhecimento passa a ter um aumento de grupos polares, impurezas, produtos

resultantes da oxidação dos agentes antioxidantes que elevam o valor da constante dielétrica do

material, bem como novos portadores de carga elétrica antes não presentes no material (devido

à injeção de portadores em CA, ou novos portadores criados pelas reações de dissociação das

cadeias), ou portadores de carga já existentes que passam a se deslocar em função de uma

maior mobilidade [46]. O aumento de grupos polares pode estar ocorrendo em função da

formação de carbonilas, produtos diretos vindos do processo de termo-oxidação [47].

Com relação ao comportamento da tangente de perdas dielétricas, observa-se que esta

se mantém constante até aproximadamente 3 kV quando passa a subir mantendo este tendência

até a tensão final do ensaio. O ponto de mudança da inclinação desta curva é denominado de

tensão de ionização. A tensão de ionização caracteriza segundo a bibliografia [13] o valor crítico

onde se iniciam as descargas internas, que têm por origem gases que se acumulam em

41

pequenos vazios durante o processo de fabricação do material, bem como pode ocorrer na

superfície da amostra, no contato com os eletrodos por meio da ionização do ar. Com relação à

tensão de ionização segundo [34] o campo elétrico local, El, pode ser determinado em função do

campo elétrico macroscópico médio no restante do material dielétrico ou do campo aplicado, Ea,

desde que o vazio possua uma geometria simples, e o material seja considerado homogêneo e

não haja presença de cargas superficiais e espaciais no interior do vazio. Para um vazio

esferoidal , onde r é a permissividade elétrica relativa do material dielétrico.

Considerando o caso de amostra plana de borracha natural (r =2,6), tem-se a equação (18):

(18)

Assim a tensão mínima necessária para que se inicie o processo de ionização dos

vazios considerando que o gás presente seja o ar, onde campo elétrico de ruptura do é = 3

kV/mm é 4,17 kV para as amostras com espessura 1,75 mm, 7,39 kV para as amostras com 3,10

mm e 9,30 kV para as amostras com 3,90 mm de espessura. As tensões de ionização obtidas no

ensaio possuem valores abaixo dos calculados, sendo um indicativo de que a mudança na

inclinação da curva de tangente delta pode ser iniciada por ionização do ar próximo aos

eletrodos. Porém deve-se levar em conta, que as tensões mínimas necessárias para se iniciar o

processo de descarga parcial nos vazios são atingidas durante o ensaio, pois se chega a 12 kV.

O gráfico da Figura 32, mostra o comportamento da tensão de ionização em função do

tempo de envelhecimento.

0 10 20 30 40 50

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

4.6

4.8

5.0

5.2

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

espessura 1,75 mm

espessura 3,10 mm

espessura 3,90 mm

Ten

são

de io

niza

ção

(kV

)

Tempo de envelhecimento (dias)

Figura 32 - Comportamento da tensão de ionização das amostras em função do tempo de envelhecimento.

42

No gráfico Figura 32 pode-se observar uma tendência a elevação da tensão de

ionização para os 7 primeiros dias de envelhecimento, seguido de uma queda. Também é

importante observar que existe uma dependência desta grandeza com relação à espessura da

amostra. A elevação da tensão de ionização pode ter origem em:

a) Redução do número e/ou tamanho dos micro vazios presentes nas amostras;

b) Alteração do tipo de gás presente nos micro vazios, elevando sua constante dielétrica;

c) Redução do campo elétrico local, em função do aumento da constante dielétrica do gás,

ou redução da constante dielétrica do material.

Com relação à redução do número e tamanho de micro vazios poder-se-ia explicá-lo em

função do aumento dos entrecruzamentos das cadeias moleculares devido à presença do

enxofre, num processo denominado de pós-cura, já que as amostras estão sendo envelhecidas a

90° C. O aumento dos entrecruzamentos reduziria o número destes defeitos no material.

Com relação à alteração do tipo de gás nos micro vazios, isto seria explicado em função

das reações químicas que ocorrem no processo de envelhecimento que podem gerar como

subprodutos gases. Este fenômeno poderia elevar a constante dielétrica, reduzindo o campo

local no micro vazio. A redução do campo elétrico local nos micro vazios poderia ser explicada

também pela redução da constante dielétrica do material, como pode ser observada nos gráficos

Figura 29,Figura 30 e Figura 31, onde a capacitância nos 7 primeiros dias de envelhecimento

apresenta uma pequena queda.

Com relação à redução da tensão de ionização, pode-se utilizar a mesma discussão

anterior, porém, em situação inversa, explicando desta forma o comportamento para 21 e 42 dias

de envelhecimento conforme Figura 32.

4.2-Ensaio de Ruptura Dielétrica

4.2.1-Tensão de Ruptura Dielétrica em Função da Espessura das amostras e

envelhecimento

O gráfico da Figura 33 apresenta os resultados obtidos para a tensão de ruptura dielétrica

das amostras estudadas em função de suas espessuras e tempo de envelhecimento térmico.

43

Figura 33 - Tensão de ruptura dielétrica das amostras estudadas em função de suas espessuras e tempo de envelhecimento térmico.

No gráfico da Figura 33, observa-se que a tensão de ruptura dielétrica depende da

espessura da amostra, ou seja, à medida que a espessura das amostras aumenta a tensão de

ruptura também aumenta. Outro fenômeno observado e que à medida que se avança com o

envelhecimento térmico ocorre uma redução da tensão de ruptura dielétrica das amostras.

A redução da tensão de ruptura da amostra em função do tempo de envelhecimento

pode estar associada à redução da constante dielétrica dos micro vazios presentes, bem como à

elevação da constante dielétrica do material. Estes dois fenômenos podem estar atuando de

forma simultânea. Pode-se observar nos gráficos da capacitância discutidos no item 4.1, que

existe uma tendência a sua redução nos primeiros dias de envelhecimento, seguido de uma

elevação. Assim observa-se que a constante dielétrica das amostras tende a cair nos primeiros

dias de envelhecimento, seguida de uma elevação. Com relação ao gás presente nos micro

vazios, em função do envelhecimento térmico, estes podem estar sofrer alterações [48]. Nos

primeiros dias de envelhecimento devido à presença de vários agentes no material os gases, tais

como cetonas, hidrocarbonetos, álcool, gerados pela amostra podem estar sendo absorvidos

pelos vazios, aumentando a constante dielétrica do gás [48]. Com o avanço do envelhecimento,

a quantidade de gases diminui em função de sua migração ao meio, e o gás nos vazios poderá

ser volatilizado, reduzindo a constante dielétrica dos mesmos. Este efeito associado aos demais

44

mecanismos que influenciam sobre a condução do material, como discutido no item 4.1, podem

explicar o fenômeno observado.

Com relação à dependência da tensão de ruptura das amostras em função da

espessura, no caso das amostras mais espessas, o caminho a ser percorrido pelos portadores

de carga que provocam a ruptura é maior, permitindo, portanto uma maior elevação da tensão.

4.2.2-Comportamento do Ângulo de fase e corrente elétrica Pré-ruptura

Os gráficos da Figura 34 a Figura 36, mostram os resultados obtidos para as amostras,

onde se avaliou o ângulo de fase e a corrente elétrica em função do tempo de ensaio sob uma

tensão CA constante para cada amostra, como mostrado no gráfico da Figura 33.

Figura 34 - Ângulo de fase e a corrente elétrica em função do tempo de ensaio sob uma tensão CA constante para amostra de 1,75 mm.

45

Nos gráficos da Figura 34 a Figura 36 observa-se um comportamento muito semelhante

para as três espessuras estudadas onde há uma tendência ao aumento do ângulo de fase até os

sete primeiros dias de envelhecimento e depois uma redução do ângulo em função do tempo de

Figura 35 - Ângulo de fase e a corrente elétrica em função do tempo de ensaio sob uma tensão CA constante para amostra de 3,10 mm.

Figura 36 - Ângulo de fase e a corrente elétrica em função do tempo de ensaio sob uma tensão CA constante para amostra de 3,90 mm.

46

envelhecimento. Outra observação importante é a tendência à redução da taxa de variação do

ângulo de fase com o avanço do envelhecimento.

Com relação ao comportamento do ângulo de fase em função do tempo de ensaio,

verifica-se uma tendência a sua redução. Este processo e um indicativo de que o material com o

passar do ensaio apresenta um comportamento mais resistivo até atingir a ruptura dielétrica, fato

este que pode ser observado no gráfico da corrente elétrica medida. O aumento da componente

resistiva com o tempo de ensaio pode estar associado aos seguintes processos:

a) Ao aumento da tangente de perdas dielétrica, que eleva a temperatura de pequenas

regiões da amostra, promovendo termicamente portadores de carga que passam a

aumentar a componente de condução [13],

b) Descargas elétricas parciais que ocorrem em micro vazios presentes na amostra,

que com o passar do tempo, criam arborescências elétricas que são canais de

condução elétrica, bem como, podem provocar liberação de portadores de carga

elétrica no volume do material contribuindo para o aumento da condução [34].

c) Injeção de portadores de carga pelos eletrodos. Neste caso a quantidade de

portadores de carga injetados em um semi-ciclo não e a mesma retirada no semi-

ciclo oposto, em função dos portadores de carga elétrica terem sido capturados por

armadilhas presentes no material. A cada ciclo este processo se repete, até o

momento onde as armadilhas estão preenchidas e os portadores de carga injetados

passam a contribuir diretamente para a corrente de condução [34].

d) Injeção de portadores de carga de alta energia através de descargas elétricas

parciais (corona), no contato entre os eletrodos e amostra. Neste processo também

ocorre à degradação (erosão) superficial das amostras, criando “arborescências

superficiais”. Desta forma, os portadores injetados passam a contribuir com o

aumento da corrente resistiva. Outro fenômeno que ocorre, e o aquecimento local,

que implicaria na promoção térmica de portadores de carga, que também

contribuiriam para o aumento da componente resistiva [34].

Estes possíveis processos de condução além de explicarem o aumento da componente

resistiva em função do tempo de ensaio, podem estar associados ao processo de ruptura

dielétrica do mesmo.

47

Com relação à tendência de redução da taxa de variação do ângulo de fase com o

avanço do envelhecimento, o resultado mostra que ocorre uma redução das perdas dielétricas,

ou seja, uma menor dissipação de energia a cada ciclo.

No gráfico da Figura 37 e Figura 38 são apresentados os oscilogramas que foram

realizados simultaneamente a aquisição dos dados de ângulo de fase e corrente elétrica, com o

objetivo de se acompanhar em tempo real a forma de onda de tensão e corrente elétrica no

processo de pré-ruptura. Em função da dificuldade de realização deste ensaio, algumas medidas

não foram registradas. Assim serão apresentados os resultados para as amostras de espessura

3,10 mm.

Figura 37 - Oscilograma para aquisição dos dados em tempo real a forma de onda de tensão e corrente elétrica no

processo de pré-ruptura para amostra de 3,10 mm.

48

Observando os resultados obtidos percebe-se que a corrente elétrica antes da ruptura

dielétrica tende a entrar em fase com a tensão, fato este observado pela medida do ângulo de

fase. Outra observação importante, é que antes da ruptura dielétrica, a forma da onda de

corrente elétrica começa a sofrer uma distorção. Este fenômeno foi observado para todas as

medidas realizadas, podendo ser considerado um indicativo de que a ruptura do material está

por ocorrer. No instante da ruptura, observa-se que o evento ocorre em aproximadamente dois

ciclos de onda, onde a tensão elétrica sofre um afundamento no mesmo instante em que a

corrente elétrica é elevada, até a atuação da proteção da fonte de tensão. A análise a ser feita é

que a defasagem entre os sinais de tensão e corrente elétrica apresentada durante todo o ensaio

é muito próxima de 90° pelo material ser mais capacitivo e, ao se aproximar da ruptura os sinais

tendem a entrar em fase pelo aumento da componente resistiva do material. O resultado também

mostra que no processo de ruptura, o comportamento independe do tempo de envelhecimento

das amostras.

O processo de ruptura pode ser explicado por mecanismos determinísticos e

estocásticos como discutido na revisão bibliográfica. Considerando os processos determinísticos

observa-se pelos resultados obtidos, que o mais provável seja o associado ao efeito de

Figura 38 - Oscilograma para aquisição dos dados em tempo real a forma de onda de tensão e corrente elétrica no processo de pré-ruptura para todos os envelhecimentos da amostra de 3,10 mm.

49

descargas elétricas parciais em micro vazios, bem como ao processo de descargas elétricas

parciais superficiais.

4.2.3-Análise da Ruptura das Amostras

Para se avaliar a presença dos micro vazios nas amostras, foram realizadas medidas de

microscopia eletrônica de varredura das amostras rompidas nos ensaios. A Figura 39 mostra o

resultado obtido.

Pode-se observar uma grande concentração de micro vazios de diversos tamanhos onde

os maiores são da ordem de 40 µm e os menores da ordem de 13 µm. A confirmação da

presença de micro vazios sustenta a hipótese de que descargas parciais internas podem estar

ocorrendo nas amostras estudadas e contribuindo para o processo de degradação e ruptura

dielétrica. Considerando os cálculos realizados na seção 4.1-Medida de capacitância, tangente

delta e corrente elétrica:, com relação à tensão de ionização dos vazios, para a condição V = 28

kV e d = 1,75 mm, o campo aplicado é Ea = V/d (amostra plana) = 21,53 kV/mm e o campo local

El = 37,69 kV/mm, já para a condição V = 35 kV e d = 3,10 mm, o campo aplicado é Ea = V/d

(amostra plana) = 26,92 kV/mm e o campo local El = 83,46 kV/mm e para a condição V = 39 kV

e d = 3,90 mm, o campo aplicado é Ea = V/d (amostra plana) = 30 kV/mm e o campo local El =

117 kV/mm. Como o campo elétrico de ruptura do ar é 3 kV/mm, o campo local no teste é

suficiente para ionização do ar dentro do vazio, mostrando a possibilidade da presença de

descargas elétricas parciais nos vazios das amostras.

Figura 39 - Microscopia eletrônica de varredura das amostras rompidas nos ensaios de ruptura dielétrica.

50

Com relação ao efeito das descargas corona no contato dos eletrodos com as amostras,

pode-se observar na Figura 40, o processo de degradação superficial causado.

Pode-se observar nesta figura, que o ponto de perfuração da amostra ocorre na mesma

região onde ocorrem os processos de degradação superficial causados pela descarga corona.

A Figura 41 mostra a imagem feita do MEV e mostra a imagem óptica, da região onde

houve a perfuração da amostra.

Observa-se a deterioração do material na região onde ocorreu a ruptura. Nas imagens

ópticas, pode-se observar o caminho seguido pelo arco que provoca a ruptura. Este caminho

segue a orientação do campo elétrico na região de contato do eletrodo com a amostra. Como

ocorrem as descargas elétricas superficiais, este é um indicativo de que o campo elétrico nesta

região é mais intenso que nas demais regiões da amostra (efeito de borda) causando a

Figura 40 - Efeito das descargas corona no contato dos eletrodos com as amostras, processo de degradação superficial causado. À esquerda imagem em tamanho normal e a direita imagem ampliada.

Figura 41 – A esquerda mostra a imagem feita do MEV e a direita mostra a imagem óptica ambas as imagens da região onde houve a perfuração da amostra.

51

degradação da superfície bem como criando no volume do material um caminho preferencial

para a circulação da corrente elétrica, sendo que este pode estar iniciando na superfície

degradada. Adicionada à presença de micro vazios onde ocorrem descargas parciais, portadores

de carga de alta energia injetados pelas descargas corona, portadores de carga gerados

termicamente e portadores de carga injetados pelos eletrodos culminam com a elevação da

corrente elétrica de condução na pré-ruptura da amostra.

52

5-Conclusões

Com as medidas de corrente elétrica CA, capacitância e tangente de perdas, pode-se

observar que para os primeiros sete dias de envelhecimento há uma tendência à melhora das

propriedades isolantes do material possivelmente em função da atuação dos agentes

antioxidantes. Após o consumo do agente observava-se uma tendência a perdas da propriedade

isolante em função do início dos processos de degradação do material. Também se observou

que a tensão de ionização indicada nas curvas de tangente de perdas, pode ser atribuída ao

processo de ionização do ar próximo aos eletrodos e amostra, porém, em função dos valores de

tensão de ensaio atingidos, possivelmente descargas parciais em micro vazios presentes nas

amostras contribuem para a curva de ionização.

Nos ensaios de ruptura dielétrica pode-se observar a dependência entre a espessura da

amostra e a tensão de ruptura, onde amostras mais espessas rompem com tensões mais

elevadas. Também se notou uma redução na tensão de ruptura em função do avanço do

processo de envelhecimento.

As medidas de ângulo de fase em função do tempo de ensaio mostraram uma tendência

à redução, comprovada nos oscilogramas realizados. Este resultado mostra um possível

aumento da componente de condução durante a realização do ensaio, fato este constatado nas

medidas de corrente elétrica em função do tempo de ensaio.

A presença de micro vazios nas amostras com tamanho entre 13 m e 40 m foi

observada por meio das microscopias eletrônicas de varredura realizada sobre as amostras.

Esta observação foi importante, pois confirma a possibilidade da presença de descargas parciais

internas, comprovadas por meio de cálculos podendo contribuir para o processo de degradação

e condução nas amostras.

Foi observada a presença de descargas elétricas parciais na região de contato entre os

eletrodos e amostra, sendo este fenômeno responsável pela degradação superficial. Também se

observou que a direção da ruptura nas amostras segue a direção do campo elétrico que causa

esta degradação criando no volume do material um caminho preferencial para a circulação da

corrente elétrica. Este fenômeno adicionado a descargas parciais internas, portadores de carga

de alta energia injetados pelas descargas corona, portadores de carga gerados termicamente e

portadores de carga injetados pelos eletrodos culminam com a elevação da componente de

condução na pré-ruptura da amostra.

53

Os resultados mostraram que o envelhecimento térmico tende a reduzir a taxa de

variação do ângulo de fase, porém, na pré-ruptura da amostra não aparenta influenciar.

54

6-Trabalhos Futuros

Estudar geometrias diferentes de eletrodos a fim de reduzir efeitos que causem

dispersões nas linhas de campo elétrico;

Estudar o fenômeno de ruptura dielétrica em amostras com várias espessuras

em tempos maiores de envelhecimento e outras temperaturas;

Estudos da ruptura dielétrica em ensaios de corrente contínua;

Avaliar a ruptura dielétrica por meio de processos estocásticos;

Estudar a ruptura dielétrica em função da temperatura de ensaio;

Estudar o efeito de redução da tensão de ruptura em função do tempo de

envelhecimento.

55

7-Referências

[1] NBR 10622, Luvas Isolantes de Borracha, ABNT, Rio de Janeiro, 1989.

[2] Manual de Instruções Técnicas COPEL, Manutenção de Ferramentas e Equipamentos de

Trabalho, Módulo – Ensaio de tensão aplicada em ferramentas de linha viva, COPEL, 1999.

[3] NBR 10623, Mangas Isolantes de Borracha, ABNT, Rio de Janeiro, 1989.

[4] Kowalski, Edemir Luiz, Estudo da borracha natural por meio de técnicas de

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