Materiais e Equipamentos Elétricos

Aula 3

Materiais isolantes e cerâmicos

Materiais isolantes

● O papel dos isolantes (dielétricos) no segmento elétrico é muito importante

● Isolam os condutores (massas, terra e entre si)

● Amplificam o campo elétrico sobre eles● Quando aplicada uma tensão elétrica nos

dielétricos ocorre a polarização das suas cargas ou de seus dipolos.

Materiais isolantes

Materiais isolantes

Polarização eletrônica e iônica

● A polarização elétrica dos materiais tem várias origens● A polarização total do material é a soma de todas as

polarizações presentes● Polarização eletrônica e iônica

● Constituído por átomos ou moléculas que não apresentam momento dipolar

● Os átomos se orientam de acordo com o campo elétrico aplicado sobre eles

● Mas retornam a sua posição inicial● A polarização ocorre praticamente de forma instantânea e

sem dissipar energia

Polarização dipolar

● Polarização dipolar● Constituído por moléculas que apresentam

dipolos● O campo elétrico tenderá a orientar as

moléculas em sua direção e sentido● Níveis mais altos de campos elétricos causam

maior reorientação dos dipolos, realizando mais trabalho sobre as moléculas, causando aquecimento do material

Polarização dipolar

Polarização estrutural

● Polarização estrutural• Constituído pela orientação complexas de

material• O campo elétrico tenderá deslocar íons e

dipolos• Ocorre em materiais amorfos e em sólidos

cristalinos, por exemplo vidro• Ocorrem perdas e aquecimento devido ao

efeito Joule

Permissividade elétrica

● Permissividade elétrica• Característica importante dos dielétricos• É a razão entre as cargas movimentadas

em dois eletrodos com um dielétrico e com vácuo para a mesma tensão

• É a razão das capacitâncias entre dois capacitores idênticos, exceto pelo dielétrico do segundo ser vácuo.

Permissividade elétrica

ϵr=QQ0

=CC0

ϵ=ϵr ϵ0

ϵ0=8,85⋅10−12 F /m

Resistência de isolamento

● O dielétrico impede a passagem de corrente elétrica apenas enquanto o campo elétrico não exceder seu valor de ruptura (rigidez dielétrica)

● Em geral os dielétricos não obedecem a lei de Ohm

● Para valores baixos de tensão os gases obedecem a lei de Ohm

Resistência de isolamento

Resistência superficial

● A corrente que atravessa materiais de alta resistividade elétrica é extremamente pequena

● Mas a poeira, umidade e outros agentes pode criar um caminho para corrente elétrica

● A resistência do novo circuito é chamada de resistência superficial

● A resistência de isolamento é formada pelo paralelo da resistência superficial e do material

Resistência superficial

Rigidez dielétrica

● É definida como o valor do campo elétrico em que ocorre a ruptura do isolante

● Não é constante para cada material● Depende da geometria

● Espessura, dimensões, forma dos eletrodos, frequência da tensão aplicada, temperatura, umidade…

● Costuma-se caracterizar a rigidez dielétrica pela razão entre a tensão que gera a ruptura e a espessura do isolamento

● Mica: RD entre 600 a 750 kV/cm, para expessura de 1 mm

Rigidez dielétrica superficial

● Em isolantes sólidos pode ocorrer ruptura na sua superfície, em vez da massa

● A razão da tensão e distância entre os eletrodos ou condutores

● Depende da forma do isolante e do estado de sua superfície.

Ruptura dos dielétricos

● Quando o campo elétrico em um dielétrico ultrapassa sua rigidez dielétrica ocorre a ruptura do dielétrico

● As consequências da ruptura dependem do material dielétrico

● Se a ruptura ocorrer em um dielétrico fluido a matéria atingida pela descarga se espalha pelo fluido, sendo substituída por outras partículas e haverá partículas carbonizadas no fluido

● Em dielétricos sólidos a descarga destrói o material no ponto de ruptura, podendo reduzir ainda mais sua tensão de ruptura

Efeito corona

● Ocorre quando o gradiente de potencial excede um valor crítico

● Descarga luminosa que resulta da ionização do ar em torno de um condutor

● A condução pode ser contínua (arco elétrico) ou pulsada (faiscamento)

● Geralmente está relacionado a dois eletrodos assimétricos● Eletrodo pontiagudo e eletrodo plano ou de baixa curvatura● Dois eletrodos pontiagudos

Efeito corona

● Estão sujeitos ao efeito corona: fios, cabos, terminais, isoladores e outros equipamentos com formas irregulares

● A geometria e o gradiente podem fazer com que a região ionizada tenda a crescer, causando arcos elétricos ou faiscamento

● A descarga de corona ocorre entre dois eletrodos assimétricos

● Um altamente curvado e uma superfície curvada● Furo de pequeno diâmetro e uma placa planar● Gera um alto gradiente de potencial próximo ao eletrodo

irregular

Efeito corona

● Coronas podem ser positivas ou negativas, conforme a polaridade do potencial elétrico no eletrodo altamente curvado

● A faísca das coronas positivas são diferentes das negativas● Coronas ionizam o ar e produzem ozônio● Coronas negativas gera muito mais ozônio● O átomo de oxigênio O2 é ionizado e junta-se a água,

formando água ozonizada H2O3. O ozônio O3 se desprende do hidrogênio H2

● Sob corrente alternada, o campo magnético causado pelo campo elétrico oscilatório aumenta o campo de ionização, fazendo circuitos CA mais suscetíveis ao efeito corona

Efeito corona

● Aplicações● Fabricação de ozônio● Limpeza de sistemas de condicionamento de ar● Máquinas de fotocópias

● Problemas● Causa perdas de energia nas linhas de

transmissão de energia elétrica● Pode danificar componentes caso ocorra em seu

interior, como transformadores, capacitores, motores, geradores

Efeito corona

Isolantes gasosos

● Ar● Usado pelos condutores sem isolamento

sólido ou líquido, por exemplo, nas redes de transmissão e distribuição

● Ar seco e limpo a 20° C tem rigidez dielétrica 45 kV/mm

● A rigidez cai rapidamente a 3 kV/mm na presença de umidade

Isolantes gasosos

● Hexafluoreto de enxofre SF6● 5 vezes mais denso que o ar● Não tóxico, inodoro e incolor● Não inflamável● Dobro do poder de extinção de arco elétrico

relativo ao ar● Rigidez dielétrica 3 vezes maior que a do ar

Isolantes líquidos

● Óleo mineral● São processados através de uma rigorosa purificação● Muito utilizado em transformadores, chaves elétricas, reatores, disjuntores,

religadores…● Obtém-se o óleo mineral a partir do petróleo e de outros produtos sedimentares● Cheiro desagradável, de coloração preto-azulada ou marrom● Óleo isolante ideal:

● Baixa viscosidade; alto poder dielétrico; alto ponto de fulgor● Isento de ácidos álcalis e enxofre corrosivo● Resiste oxidação e formação de borras● Tem baixo ponto de fluidez e não ataca os materiais usados na construção do

componente (transformadores e artefatos elétricos)● Baixa perda dielétrica e não contém produtos que possam agredir pessoas ou o meio

ambiente● Valores de ruptura dielétrica entre 80 até 140 kV/cm

Isolantes líquidos

● Propriedades físicas do óleo mineral● Baixa viscosidade para que possa circular com facilidade, o que

auxilia na transferência de calor com o ambiente● Alto ponto de fulgor para segurança contra incêndio nos

equipamentos● Alto ponto de anilina, que indica baixa solubilidade dos materiais

em que está em contato● Alta tensão interfacial, indica um baixo número de substâncias

polares no óleo, que prejudicam seu desempenho dielétrico e aceleram seu envelhecimento

● Cor clara quando novo; o escurecimento indica deterioração● Ponto de fluidez compatível com a temperatura ambiente em que

será utilizado

Isolantes líquidos

● Propriedades químicas do óleo mineral● Estabilidade a oxidação. A oxidação se manifesta na forma de

borra e acidez no óleo. Pode-se usar anti-oxidantes para reduzir os efeitos da oxidação

● Acidez e água: devem ser extremamente baixos para evitar a passagem de corrente elétrica, minimizar corrosão e aumentar a vida do sistema

● Compostos de enxofre (sulfatos): devem estar ausentes para evitar que o óleo cause corrosão ao cobre, prata e outros materiais existentes nos equipamentos

● Tendência de desprender ou absorver gases (geralmente hidrogênio) só condições de variação de temperatura, pressão…

Isolantes líquidos

● Propriedades elétricas do óleo mineral● Resistividade elétrica: capacidade de resistir a passagem de

corrente elétrica● Rigidez dielétrica: capacidade de resistir a altas tensões sem

a ocorrência de rupturas dielétricas● Umidade, gases dissolvidos, íons e partículas sólidas presentes no

óleo prejudicam suas propriedades isolantes. O óleo pode ser tratado com aquecimento e filtragem

● Fator de potência: indica as perdas dielétricas no óleo. Melhores óleos causam menores perdas

● O fator de potência mede a contaminação do óleo por água e contaminantes sólidos ou solúveis, que causam a condução de corrente elétrica no óleo

Isolantes líquidos

● Ascarel● Líquido isolante colorado● Nomes comerciais: clophen, pgranol, inerteen, pyrocolor sowol● No Brasil foi proibida em 1981 a instalação de novos aparelhos que

usam Ascarel● Comum encontrar em equipamentos velhos ou abandonados em

subestações● Seu impacto ambiental é alto, causando contaminação do solo e

água, ameaçando lençóis freáticos.● Altos riscos a saúde: cancerígeno, afeta o fígado, baço e rins. Pode

causar danos irreversíveis ao sistema nervoso central● Não apresenta envelhecimento● Ruptura dielétrica de 200 kV/cm.

Vernizes

● Vernizes de impregnação● Vernizes de colagem● Vernizes de recobrimento

Vernizes

● Vernizes de impregnação● É utilizado em associação com papéis,

tecidos, cerâmicas porosas e materiais semelhantes

● Como isolante, preenche o espaço interno em um material, impedindo a fixação de umidade

● Melhora as propriedades elétricas, térmicas e mecânicas

Vernizes

● Vernizes de recobrimento● Têm a função de camada com alta resistência mecânica,

lisa e a prova de umidade● Aplicação necessária em corpos isolantes porosos e

fibrosos, bem como na cobertura de metais (fios esmaltados)

● Eleva a resistência a penetração de umidade● Ainda assim é necessário o uso de um material isolante, pois

uma quebra do verniz coloca o isolamento em perigo, expondo o condutor

● A superfície lisa torna mais difícil a deposição detritos e facilita a limpeza

Vernizes

● Vernizes de colagem● Utilizados para aglutinar materiais isolantes com

baixo coeficiente de atrito ou baixa consistência (ex: mica)

● Este tipo de verniz possui boas características isolantes, sendo utilizado para colar isolantes sobre metais

● Cada verniz apresenta as três propriedades, mas uns possuem uma ou duas delas de forma predominante, caracterizando a aplicação principal de cada um

Isolante sólidos

● Papel● Papel é fabricado a partir da celulose da madeira● Muito utilizado para finalidades elétricas, devido a flexibilidade,

espessuras pequenas, preço razoável e estabilidade térmica até 100° C● Elevada higroscopia: apenas 40% do volume é preenchido por fibras, o

restante é espaço livre. Isso permite seu uso na eletrotécnica, com impregnação de óleos ou resinas

● A elevada higroscopia é consequência da disposição irregular e cruzada das fibras, deixando aberturas no seu interior, que são ocupados por outros materiais na impregnação

● Possui elevada resistência mecânica, a longo das fibras e transversalmente

● Permite tração, compressão e dobras acentuadas sem ocorrer quebras das fibras

Isolante sólidos

● Fibras de poliamida● Usadas frequentemente como reforços mecânicos em cabos de

utilização especial, quando as condições de uso exigem um material resistente ao fogo, de elevada flexibilidade e capaz de suportar elevados esforços de tração

● Fibras sintéticas de massa compacta e não-porosa (ao contrário do papel) tem em geral uma superfície externa lisa com baixo coeficiente de atrito

● É necessária a aplicação de verniz de colagem, adicionando resistência mecânica e assegurando a continuidade de uma camada elétrica isolante

● São fabricadas e consumidas em forma de fitas isolantes que suportam até 2000 kgf/cm2 com espessura em torno de 0,5 a 1,5 cm.

Fibras sintéticas

● Fibras de vidro (material compósito)● Derivada do vidro, a fibra de vidro é obtida com espessura de 5

a 10 μm. A matéria-prima deve ser vidro livre de álcalis, para evitar o aparecimento de fissuras capilares que tendem a reter umidade e prejudicar a resistência superficial

● Após a fabricação deve-se manter a fibra de vidro protegida da ação do ambiente

● Quando associadas a resinas epóxis podem suportar temperaturas acima de 200 a 300° C

● Câmaras de extinção de arco voltaico, em disjuntores de média e alta-tensão com volume de óleo reduzido

● Necessita um tratamento com verniz de colagem, para fornecer produtos elétrica e mecanicamente adequados

Materiais cerâmicos

● Reúne-se sob designação de cerâmicas um grupo de materiais de elevado ponto de fusão, que em geral, são fabricados a frio na forma plástica e que sobrem processos de queima até temperaturas de 2000° C

● As matérias-primas mais importantes são quartzo, feldspato, caolim e argila, havendo uma série de aditivos em baixo quantidade mas de influência sensível no resultado

● Caracterizam-se geralmente pelo preço baixo, por um processo de fabricação relativamente simples, e devido às características elétricas, térmicas e físicas vantajosas que apresentam com bom processo de fabricação

Materiais cerâmicos

Materiais cerâmicos

● Aspecto térmico: quartzo (maior porcentagem permite temperaturas mais altas)

● Aspecto dielétrico: feldspato (maior porcentagem permite melhor comportamento isolante)

● Aspecto mecânico: argila e caolim (maior porcentagem permite maior resistência mecânica)

Materiais cerâmicos

● Aplicações na elétrica:● Isoladores de porcelana. Isoladores de baixa, média e alta-

tensão para redes elétricas, dispositivos de comando, transformadores. Deve apresentar bom comportamento elétrico e mecânico

● Capacitores de cerâmica. Elevada constante dielétrica permite capacitores de menor volume, usados de baixa a alta-tensão. Não necessita de resistência mecânica, apenas do comportamento elétrico desejado em capacitores

● Cerâmica porosa. Próprias para receber fios resistivos destinados a fabricação de resistores de fornos elétricos e de câmaras de extinção de arco.

Materiais cerâmicos

● Vidro● Vidro é a solução moderna para diversos problemas

antigamente resolvidos apenas com porcelana● O vidro pode ser encontrado em duas formas: normal e

temperado● Suporta temperaturas elevadas (até 200 a 250° C), sendo

portanto um isolante de alta estabilidade térmica● Permite tratamento térmico que eleva as suas propriedades

mecânicas. A têmpera do vidro adquire importância particular nas áreas dos isolantes, tipo disco e pedestal, devido a presença de altos esforços mecânicos

● Geralmente possui acentuada estabilidade em contato com umidade

Materiais cerâmicos

Materiais cerâmicos

● Mica● Mineral cristalino, que se apresenta em forma de pequenas lâminas,

devido a baixa força de coesão entre os diversos planos cristalinos● É um silicato de alumínio, sendo dois tipos de mica os com maior

aplicação elétrica: a muscovita K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O e a flogopita K2O.3Al2O3.12MgO.12SiO2.2H2O

● Na purificação elimina-se o material de ligação entre as duas lâminas de mica, fincando o material sem um meio aderente, que é substituído por um verniz de colagem

● Elevada estabilidade térmica e maior temperatura de serviço, atingindo valores de até 1000° C, sendo utilizada em vários casos de aquecimento elétrico

● É usada na forma de grandes lâminas, lamelas e pó, reforçados por material de base e impregnado com vernizes

Materiais cerâmicos

Materiais cerâmicos

● Mica● A cor da mica revela sua qualidade. A

coloração é devida a presença de impurezas de difícil eliminação. Quanto mais incolor a mica, melhor é a sua qualidade. As cores geralmente são o amarelo, o esverdeado e o avermelhado.

Materiais cerâmicos

● Mica● Placas de mica: camadas com espessura superior a 0,05 mm, usados

em equipamentos e componentes elétricos estáticos, como em alguns tipos de capacitores. Estas placas de mica são também usadas para aparelhos térmicos, como aquecedores e ferros elétricos, onde um fio de aquecimento é envolto por placas de mica

● Lâminas de mica: Não apresenta forma própria, necessitando de aglomerante e, eventualmente, de um material de base. As lâminas são coladas entre si, formando fitas, capas, tubos… de acordo com a necessidade. Incluem-se neste caso, canaletas de papel, mica e verniz de colagem, usados para isolar ranhuras de máquinas, ou a isolação entre lâminas de um coletor

● Pó de mica: obtido por moagem de lâminas, pode ser usado como aditivo a outras massas, pós, verniz de colagem, prensado em moldes dando origem a peças de micanite

Materiais cerâmicos

● Amianto ou abesto● É um material mineral fibroso com brilho de seda, flexível

resultante da transformação de silicato de magnésio● O amianto se destaca pela estabilidade térmica e alta

temperatura de serviço, mantendo sua resistência mecânica e flexibilidade sob altas temperaturas

● Utilizado como preenchimento de fusíveis, massa isolante sobre papel e fitas

● Há muitos anos, alguns estados e municípios brasileiros proibiram a industrialização e a comercialização de todos os tipos de amianto

● Em 2017 o STF proibiu o uso do amianto em todo o país