ii BARBOSA, FLVIO BITTENCOURT Tcnicasdediagnsticoecorrelaocomfenmenosdedegradaoem varistores de ZnO. [Rio de Janeiro]2007. VIII, 146 p., 29,7 cm, (COPPE/UFRJ, M.Sc.,EngenhariaMetalrgicaede Materiais, 2007). DissertaoUniversidadeFederal do Rio de Janeiro,COPPE. 1. Varistor de ZnO 2. Caracterizao eltrica 3. DegradaoI. COPPE/UFRJ II. Ttulo (srie). iii DEDICATRIA sminhasfilhasLetcia,Luana,MilenaeVanessaeemespecialaminha esposaAnaLciaporseuincentivoemmefazeracreditarqueseriacapaz,porsua compreenso e principalmente amor e carinho durante toda essa jornada. iv AGRADECIMENTOS Agradeo a todos que tiveram participao no desenvolvimento deste trabalho; aoCEPELpelaestruturalaboratorialdisponibilizada;aoFabricanteIndstria Eletromecnica Balestro Ltda. pela doao das amostras de ensaio com destaque ao Eng.AdrianoDellallibera;aoEng.JorgeLuizDeFrancoporsuaajudano desenvolvimentodaidiainicialdestetrabalho;aosEngosEdegardGomesJniore OrsinoBorges,peloapoionoingressoaocurso demestrado;sequipesdeensaios do CEPEL, com destaque para Antonio Eduardo Nascimento, Jos Carlos da Rocha, Jos Antonio Rodrigues, Jonir Rangel, Jorge Ribeiro de Mendona, Michel Simonson, LuisRobertoRodrigueseaoEngoEdsonUeti,querealizaramumserviodegrande valor; aos Engos Marcio Sens e Jos Geraldo Furtado e ao Fsico Alexandre Neves por seusconhecimentostcnicos,interesseegrandeajudaeparaoEng.Fernando Rodrigues da Silva Jnior pelo companheirismo e ajuda durante o perodo do curso de mestrado. AosprofessoresdoProgramadeEngenhariaMetalrgicaedeMateriaiscom destaqueparaTsuneharuOgasawara,ClioAlbanodaCostaeLuizMarceloM. Tavares,pelosensinamentosduranteoscursostoimportantesparao desenvolvimentodessapesquisaeemespecialparaMariaCecliaNbregaminha professoraeorientadorapelosensinamentos,conselhoseprincipalmente compreenso diante das minhas dificuldades. AoscolegasdaCOPPEpelaamizadeetodaaajudadiantedasminhas dificuldades com destaque para Cristiane Evelise, Shirleny, Marlia Beltro e Jferson Capitaneo. A todos os meus familiares e amigos pelo estmulo e ajuda. v ResumodaDissertaoapresentadaCOPPE/UFRJcomopartedosrequisitos necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.) TCNICAS DE DIAGNSTICO E CORRELAO COM FENMENOS DE DEGRADAO EM VARISTORES DE ZnO. Flvio Bittencourt Barbosa Maro/2007 Orientadora: Maria Ceclia de Souza Nbrega Programa: Engenharia Metalurgia e de Materiais Apresentedissertaotevecomoobjetivorelacionarresultadosdeensaios eltricos e dieltricos no destrutivos e destrutivos com a capacidade de absoro de energia e s caractersticas microestruturais dos varistores de xido de zinco (ZnO). A comparaoentreosresultadosanteseapsdegradaodovaristor,mediante ensaiosdepolarizaoedeabsorodeenergia,tantodosensaiosnodestrutivos quantodasobservaesmetalogrficasmostraramqueosaspectosestruturaismais influentestmdimensesatmicas.Defeitosqumico-estruturaispresentesnas camadas intergranulares e nas camadas de depleo em todo o conjunto policristalino docorpocermicodovaristorsoosmaisdeterminantesparaocomportamento varistor. Os resultados das anlises dieltricas mostraram indcios de degradao nos varistoresensaiadospormnolevaramaobservaodemudanasnaescala microestrutural e nem o decrscimo do desempenho puramente eltrico do dispositivo. vi AbstractofDissertationpresentedtoCOPPE/UFRJasapartialfulfillmentofthe requeriments for the degree of Master of Science (M.Sc.) DIAGNOSTIC TECHINIQUES AND CORRELATION WITH PHENOMENONS OF DEGRADATION IN ZnO VARISTORS. Flvio Bittencourt Barbosa March/2007 Advisor: Maria Ceclia de Souza Nbrega Department: Metallurgical and Materials Engineering Thepresentdissertationhadtheobjectivetocorrelateresultsfromnot destructiveanddestructiveelectricanddielectricmeasurementswiththecapacityof absorptionofenergyandmicrostructuralcharacterizationofthezincoxidevaristors (ZnO).Comparisonbetweenresultsbeforeandafterpolarizationandenergy absorption tests, as much as before and after non destructive diagnostic testings, lead theconclusionthatthemoreinfluentialstructuralaspectsforthedegradationon varistorceramicsbodyhaveatomicdimensions.Chemistry-structuraldefectsactually presentintheintergranularanddepletionlayersfromallthepolycrystallineceramic Body of the varistor are the most determinative factor for the electrical degradation of thevaristorbehavior.Theresultsofthedielectricanalysesrevealedindicationsof degradation but it was not observed changes at the microstructural dimensions or any significant decrease on the electric performance for the varistor device. vii I N D I C E DEDICATRIA ...........................................................................................................iii AGRADECIMENTOS..................................................................................................iv 1. INTRODUO.........................................................................................................1 2. REVISO DA LITERATURA....................................................................................5 2.1. Termos aplicveis .............................................................................................. 5 2.1.1. Tenso nominal (Vn).................................................................................... 5 2.1.2. Corrente de fuga (If) .................................................................................... 5 2.1.3. Corrente de referncia (Iref) ........................................................................ 5 2.1.4. Tenso de referncia (Vref)......................................................................... 5 2.1.5. Mxima tenso contnua de operao (Vco) ............................................... 6 2.1.6. Disrupo.................................................................................................... 6 2.1.7. Tenso disruptiva........................................................................................ 6 2.1.8. Tenso residual (Vres) ................................................................................ 6 2.1.9. Corrente de descarga.................................................................................. 6 2.1.10. Corrente de descarga nominal do pra-raios (In) ....................................... 7 2.1.11. Corrente de seguimento ou subseqente.................................................. 7 2.2. Pra-raios .......................................................................................................... 7 2.2.1. Tipos de Pra-raios..................................................................................... 7 2.3. Varistores......................................................................................................... 10 2.4. Varistores a base de ZNO................................................................................ 12 2.4.1. Histrico.................................................................................................... 12 2.4.2. Etapas de fabricao do varistor de ZnO .................................................. 14 2.4.3. Etapas de processamento e preparao dos ps...................................... 16 2.4.4. Microestrutura do varistor de ZnO............................................................. 23 2.4.5. Propriedades bsicas e Caractersticas Eltricas...................................... 31 3. MATERIAIS E MTODOS .....................................................................................51 3.1. MATERIAIS...................................................................................................... 52 3.2. Equipamentos.................................................................................................. 53 3.3. Planejamento do trabalho ................................................................................ 54 3.4. MTODOS....................................................................................................... 55 3.4.1. Ensaio da Curva Caracterstica V x I ......................................................... 58 3.4.2. Ensaio da Curva Caracterstica V x C ....................................................... 59 3.4.3. Ensaio de Tenso Residual....................................................................... 61 3.4.4. Ensaio de Tenso de Referncia .............................................................. 62 3.4.5. Ensaio de Polarizao/Despolarizao ..................................................... 64 viii 3.4.6. Ensaios de Degradao............................................................................ 66 4. RESULTADOS E DISCUSSO .............................................................................73 4.1. Degradao dos varistores por ciclo de descargas atmosfricas. .................... 78 4.1.1. Bloco varistor 05 ....................................................................................... 79 4.1.2. Bloco varistor 06 ....................................................................................... 84 4.1.3. Bloco varistor 16 ....................................................................................... 91 4.1.4. Bloco varistor 22 ....................................................................................... 95 4.2. Degradao dos varistores por impulsos de mltiplas descargas .................... 98 4.2.1. Bloco varistor 10 ....................................................................................... 99 4.2.3. Bloco Varistor 11..................................................................................... 104 4.2.3. Bloco varistor 12 ..................................................................................... 111 4.2.4. Bloco varistor 13 ..................................................................................... 116 4.3. Degradao dos varistores por corrente suportvel de longa durao........... 120 4.3.1. Bloco Varistor 20..................................................................................... 120 4.3.2. Bloco Varistor 29..................................................................................... 125 4.3.3. Bloco Varistor 30..................................................................................... 132 4.3.4. Bloco varistor 08 ..................................................................................... 138 4.4. Anlise por difrao de raio x......................................................................... 140 4.5. Coeficiente de no-linearidade....................................................................... 141 5. CONCLUSES.................................................................................................... 142 6. SUGESTES PARA FUTUROS TRABALHOS................................................... 143 7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................... 144 1 1. INTRODUO O crescimento contnuo dos nveis de tenso e potncia transmitida em meio a umcenrionacionaldeprivatizaodasconcessionriasdedistribuiodeenergia eltrica, culminando na desregulamentao do mercado, apontam para a necessidade de aumento da confiabilidade dos sistemas eltricos, pois a sociedade contempornea depende, em escala progressiva, da energia eltrica e exige, cada vez mais, melhorias epadresdequalidadenofornecimento,oquetornaimperativoqueoprodutoseja entregue nas melhores condies ao consumidor final.ComonoBrasilaincidnciadedescargasatmosfricasmuitogrande,os equipamentosinstaladosnossistemaseltricosdepotnciadasempresasdevem funcionar adequadamente mesmo sob esta condio, isto , proporcionando economia e garantindo um suprimento de energia eltrica contnuo.Os equipamentos esto sujeitos a sobretenses que incidem sobre os sistemas eltricos de potncia, podendo ser de duas formas: externa (descargas atmosfricas) e interna (operaes de manobra e de ocorrncias de curto circuito no sistema) [1].Devidograndedimensodosistemadeenergiaeltricaemnossopas,o efeito das sobretenses sobre os equipamentos instalados depende basicamente das suas caractersticas construtivas. Dessa forma, necessrio que as caractersticas de isolamentodosequipamentoseltricossejamcompatveiscomassobretenses encontradas no sistema e, para isso, uma avaliao da amplitude das sobretenses efetuadanafasedeprojeto.Assobretensesdeorigeminternaapresentamuma amplitudelimitada,emboraofeream,algumasvezes,limitesmuitoaltos.Jas sobretensesoriginadaspordescargasatmosfricasso,noentanto,ilimitadas,no sepodendogarantiranoocorrnciadeumvalorsuperioraummximoestipulado [1]. Nas sobretenses originadas por descargas atmosfricas so levados em conta: O estudo da propagao da descarga no sistema, ou seja, at onde e como os seus efeitos sero notados; Aexperinciaacumuladadaocorrnciadedescargasatmosfricaseos seusparmetrosmaisimportantes,taiscomo:freqnciadeocorrncia, amplitude,tempodefrente,polaridade,nmerodedescargassucessivas, etc. 2 Estatisticamente,humagrandeprobabilidadedessasdescargasincidirem pelas linhas de distribuio e transmisso de energia eltrica, podendo causar danos emdiferenteslocaiseequipamentos.Dessamaneira,afimdediminuirosdanos causadosnosequipamentosinstaladosnosistema,realiza-seoestudode coordenaodeisolamento.Estetipodeestudopermitequeseestabeleamas probabilidadesdeocorrnciadesobretensesnosdiversospontosdosistemaenos diversos equipamentos. [1] Emfunodaprobabilidadedeocorrnciadesobretensesobtidadoestudo de coordenao de isolamento e da taxa de risco admitida na concepo do sistema, emcadapontoouemcadaequipamento,pode-seentoespecificarovalorde sobretenso a ser suportada. Na maior parte das vezes, o valor de sobretenso obtido muito alto, sendo invivel, economicamente, construir equipamentos com este nvel de isolamento [1].Quando isso ocorre, faz-se necessrio reduzir essas sobretenses, sendo essa uma preocupao bastante antiga. Os meios mais usados para isso so: Blindagem do sistema contra descarga atmosfrica; Melhoria das caractersticas do sistema para que na propagao dos surtos de sobretenso, parte de energia seja dissipada ou desviada; Instalaonosistemadeelementosprotetorestaiscomocentelhadoresou pra-raios para dissipar ou desviar a energia do surto [1]. Aproteodesistemaseltricosenvolvetcnicasbastanteespecializadas onde so avaliados eficincia, confiabilidade e custo da soluo encontrada. Dentre os dispositivosatualmenteutilizadosparareduziroefeitoprovenientedassobretenses sobreosequipamentosinstaladosnasredeseltricas,opra-raiostemsemostrado comoomaiseficaz,emvistadesuarelaocusto/beneficio[2].Opra-raiostema importantefunodedetectarelimitaraselevadassobretensestransitriasnos terminaisdosequipamentosporeleprotegidosemnveispreestabelecidos,detal formaqueoisolamentodestesequipamentosnofiquecomasuacaracterstica afetadaapsaocorrnciadeumasobretenso,quepodeocorrernossistemasde transmisso e distribuio.Atopresentemomentonoexistemtcnicasdediagnsticodecampo capazesdeidentificardeformaclaraeobjetivapra-raiosdefeituososeineficientes. Essa dificuldade se deve, em grande parte, s caractersticas construtivas e operativas 3 dos pra-raios, que so equipamentos selados que no permitem a inspeo de seus componentes internos. Na esteira doaumento da confiabilidade no monitoramento e manuteno dos pra-raios esto sendo desenvolvidas ferramentas de apoio deciso na manuteno de pra-raios instalados no sistema, tais como, os equipamentos para monitoramento contnuodopra-raiosatravsdesuacorrentedefugaetemperatura.Quandoos pra-raiosoperam,osinvlucroscermicosoupolimricosqueoscompem absorvemumaquantidadedeenergiaelevadaesuastemperaturasaumentam. Quandoadissipaodecalordessascermicasoupolmerosnosatisfatria,a temperaturaexcedeemcertolimiteeopra-raiostorna-setermicamenteinstvel, podendoocorrerofenmenodaavalanchetrmica.Essadegradaotrmicados blocoscermicosdeextremaimportnciaedependendodasobretenso,pode ocorrer a perfurao ou at mesmo a ruptura dos blocos. Emdcadasanterioresospra-raioseram,nasuatotalidade,dotipode carbetodesilcio(SiC),constitudosbasicamentepelosvaristoresdeSiCemsrie com um conjunto de centelhadores. No entanto, devido impossibilidade de se obter umaumentosubstancialnassuaspropriedadesno-lineares,aevoluotecnolgica destetipodevaristorpraticamenteatingiuoseulimite.Nofinaldadcadade70os primeirospra-raiosdexidodezinco(ZnO)desenvolvidosparaossistemasde potncia foram lanados no mercado [2]. Esses eram formados somente por varistores deZnO,semapresenadecentelhadoresemsrie,eeramproduzidospela combinaodoZnOcomvriosoutrosxidosaditivos,apresentandopropriedades resistivas altamente no-lineares.Desde o desenvolvimento dos primeiros pra-raios para aplicaes no sistema depotncia,diversaspesquisastmsidorealizadaspelosfabricantesnosentidode estudaroefeitodenovosaditivossobreaspropriedadesfsicaseeltricasdos varistores. O objetivo sempre o de procurar melhorar o desempenho dos varistores noquesereferessuaspropriedadesno-lineares,capacidadedeabsorode energia e estabilidade e degradao devido operao contnua nos sistemas, sob condies de regimes permanente e transitrio [2].NodesenvolvimentodestaDissertaodemestradofoirealizadaumareviso dosconceitosacercadosvaristoresdeZnO,dandonfasespropriedadeseltricas dos varistores, com a interpretao dos resultados de ensaios eltricos no destrutivos (ensaio de tenso de referncia, tenso residual, curva caracterstica tenso x corrente 4 (VxI)etensoxcapacitncia(VxC)epolarizao-despolarizao)edestrutivos (degradaodovaristor)eforamtambmrealizadosobservaesmetalogrficas. Inicialmenteforamrealizadasmediesnosvaristorespormeiodeensaiosno destrutivos e observaes metalogrficas. Em seguida, foram realizados os ensaios de degradaonosvaristores.Finalmente,osvaristoresforamsubmetidosnovamente aos ensaios no destrutivos e as observaes metalogrficas. A comparao entre os resultadosanteseapsadegradaodovaristor,tantodosensaiosnodestrutivos quantodasobservaesmetalogrficasmostraramqueessasanlisescarecemde poderderesoluononveldosdefeitosqumicospresentesnascamadas intergranularesemtodooconjuntopolicristalinodocorpocermicodovaristor.Essa abordagemvisacapacitaraproduoecaracterizaraclassedemateriaiscermicos que compem os pra-raios, auxiliando assim na soluo de problemas especficos do setor eltrico.5 2. REVISO DA LITERATURA 2.1. Termos aplicveis Faz-se necessrio conceituar os termos aplicveis ao presente estudo. 2.1.1. Tenso nominal (Vn) Atensonominaldeumpra-raiosovalordefreqnciaindustrialparao qualopra-raiosprojetado,sendoutilizadacomoparmetronaespecificaodas caractersticasdeoperaodospra-raios.Geralmente,atensonominalolimite paraassobretensesdinmicaspermissveisparaosistema,sendopermitido ultrapassarestevalor,somentenascondiesestabelecidasexplicitamentepelo fabricante do pra-raios considerado [3]. 2.1.2. Corrente de fuga (If) Acorrentedefugarepresentaacorrentedefreqnciaindustrialquecircula pelo pra-raios, quando o mesmo submetido a uma tenso em regime permanente defreqnciaindustrial,sejaemoperaonormalnosistemaouemensaiosde tenso aplicada [3]. 2.1.3. Corrente de referncia (Iref) Acorrentedereferncia,aplicadaaopra-raiosdeZnO,consistenovalorde cristadacomponenteresistivadacorrentedefugadefreqnciaindustrial, independentementedapolaridade,utilizadaparadeterminaodatensode referncia do pra-raios. Este valor estabelecido pelo fabricante [3]. 2.1.4. Tenso de referncia (Vref) Atensoderefernciaconsistenovalordecristadatensodefreqncia industrial dividida por raiz de dois, que aplicada aos terminais do pra-raios, fornece a correntedereferncia.Valorestpicosparaaamplitudedacorrentedereferncia esto compreendidos na faixa de 1 mA a 20 mA [3]. 6 2.1.5. Mxima tenso contnua de operao (Vco) Consistenomaiorvalordetenso,queaplicadoaosterminaisdospra-raios de ZnO sem centelhadores, permite que este opere continuamente. Esta tenso est nafaixade50a85%datensodereferncia,dependendodotipoedas caractersticas dos varistores de ZnO [3]. 2.1.6. Disrupo adescargadisruptivadetodososeletrodosdocentelhadorsriedopra-raios. [3]. 2.1.7. Tenso disruptiva Atensodisruptivadeumpra-raiosconsistenovalordecristadatensode ensaio,queaplicadaaosseusterminaiscausaadisrupodocentelhadorsrie.A tensodisruptivaestrelacionadaaosensaiosdefreqnciaindustrial,aoimpulso atmosfricoeaoimpulsodemanobra,sendoaplicadasomenteapra-raiosque apresentem centelhadores em srie [3]. 2.1.8. Tenso residual (Vres) Entende-se por tenso residual o valor de crista da tenso observada entre os terminaisdopra-raiosduranteapassagemdacorrentededescarga.Nocasode pra-raioscomcentelhadores,atensoresidualconsistenatensototalobservada sobre os seus terminais, aps a disrupo dos centelhadores (queda de tenso sobre os varistores acrescida da queda de tenso nos centelhadores). No caso de pra-raios deZnOsemcentelhadores,atensoresidualrefere-sequasequeexclusivamentea queda de tenso sobre os varistores [3]. 2.1.9. Corrente de descarga Consistenacorrentedeimpulsoquefluiatravsdopra-raios,sendo caracterizada pela forma de onda, amplitude e polaridade [3]. 7 2.1.10. Corrente de descarga nominal do pra-raios (In) Valordecristadacorrentededescarga,comforma8/20s,queutilizada para classificar o pra-raios [3]. 2.1.11. Corrente de seguimento ou subseqente Consiste no valor de crista da corrente de freqncia industrial, que flui atravs dopra-raiosapsapassagemdacorrentededescarga,quandoomesmoest submetidoaumatensodefreqnciaindustrial.Aamplitudedestacorrenteest diretamenterelacionadacomatensodefreqnciaindustrialaplicadaecoma impedncia dos varistores, no instante da passagem desta corrente. [3]. 2.2. PRA-RAIOS Opra-raiostemcomofunoprincipallimitarassobretensesnosterminais dosequipamentosporeleprotegidosanveisaceitveis,detalmodoqueaisolao dessesequipamentosnofiquecomassuascaractersticascomprometidas,apsa ocorrncia de uma sobretenso. A operao adequada do pra-raios est intimamente ligada ao compromisso de confiabilidade do sistema [4].Parasegarantiraeficinciaeaconfiabilidadedeumdeterminadoprojetode pra-raios,emrelaoscaractersticasdeproteoeoperaorequeridasaobom desempenho desse equipamento nos sistemas eltricos, so realizados, inicialmente, ensaiosdetipoemprottiposdesseprojetodesenvolvido.Umavezaprovadoo projeto,todasasunidadesdepra-raiosproduzidassosubmetidasaosensaiosde rotina,definidosemnorma.Duranteafasedeaquisiodelotesdefornecimento, algumasunidadesdepra-raiossosubmetidasaensaiosdeaceitaoou recebimento,normalizadosouno.Estesensaiostmporfinalidadeavaliars caractersticas de proteo e de operao do lote de pra-raios novos produzidos, em relao s caractersticas de projeto, obtidas nos ensaios de tipo [4]. 2.2.1. Tipos de Pra-raios Atualmente,existemdisponveisnosmercadosnacionaleinternacional,trstiposde pra-raios. 8 InvlucroPorcelanaCentelhadoresMolaFlangesFlangesVaristoresPra-raiosdecarbetodesilcio(SiC)comcentelhadoressrieeinvlucrode porcelana; Pra-raiosdexidodezinco(ZnO)semcentelhadoressrieecominvlucro de porcelana ou de material polimrico; Pra-raios de xido de zinco com centelhadores srie e invlucro de porcelana. 2.2.1.1. Pra-raios de Carbeto de Silcio (SiC) Opra-raiosdecarbetodesilcio(SiC),Figura1,tambmconhecidocomo pra-raiosconvencional,formadobasicamenteporresistoresno-lineares (varistores), a base de carbeto de silcio, em srie com um conjunto de centelhadores limitadores de corrente, tendo como invlucro um isolador de porcelana [2, 4]. Figura 1 - Pra-raios de SiC [4]. Neste tipo de pra-raios, os centelhadores tm duas funes principais:A primeira a de isolar o pra-raios do sistema sob condies de regime permanente,umavezquesemessescentelhadorestem-se,para condiesnormaisdeoperao,umaaltaamplitudedecorrentede freqncia industrial, provocando um aquecimento excessivo nos varistores de SiC. Essa condio ir provocar a destruio dos varistores em poucos ciclos. Asegundaadeauxiliaraextinodacorrentesubseqentequeflui atravs dos varistores, quando da passagem da corrente pelo zero [2]. 9 2.2.1.2. Pra-raios de xido de Zinco (ZnO) sem centelhadores Ospra-raiosdexidodezincosemcentelhadores,Figura2,foram introduzidos no mercado no final da dcada de 70. O pra-raios de xido de zinco sem centelhadores constitudo basicamente por varistores a base de ZnO, montados em srie.Devidoaltano-linearidadeobservadanacaractersticatensoxcorrente dessevaristor,estetipodepra-raiosdispensaautilizaodecentelhadores.Este fatosimplificaamontagemdestesprojetos,almdeofereceraosistemainmeras vantagensem relaoaosaspectosprotetivoseoperativos.Noentanto,pelo fatode noapresentarcentelhadoressrie,estetipodepra-raiosalmdeatuarpara solicitaes transitrias, se mantm continuamente solicitado pela tenso de operao dosistema.Estacondiopropiciaadegradaooudeterioraodosvaristoresde ZnO ao longo do tempo de energizao [2]. Figura 2 Pra-raios de ZnO sem centelhador [4]. Estetipodepra-raiosvemsendolargamenteutilizadoparaproteodos sistemasdetransmisso.Emalgunspases,comoporexemplooJapoquasea totalidade dos pra-raios instalados nos sistemas de transmisso so a base de ZnO. NoBrasilasempresasconcessionrias,bemcomoasgrandesindstrias,vm adquirindo pra-raios de ZnO em substituio aos pra-raios de SiC. No entanto, nos sistemas de distribuio, face grande quantidade de pra-raios instalados, apesar da maiorpartedasaquisiesseremabasedeZnO,aindaexisteumaquantidade bastante significativa de pra-raios de SiC [2]. 2.2.1.3. Pra-raios de xido de zinco (ZnO) com centelhadores O pra-raios de xido de zinco com centelhadores apresenta aplicao restrita asistemasdedistribuio.Nestetipodeprojeto,almdosvaristoresdeZnO,so introduzidoscentelhadoresemsrie.Estescentelhadorestmcomofunoprincipal VaristoresInvlucroPolimricoCentelhadoresTerminaisTerminaisVaristores10 isolaropra-raiosdosistemasobcondiesderegimepermanente,reduzindoa degradaodosvaristoresdeZnO.Cabedestacarqueestesvaristoresapresentam caractersticassuperioresaosprojetosabasedevaristoresdeSiCecaractersticas inferiores aos projetos a base de varistores de ZnO sem centelhadores. Desta forma, paraestaaplicao,oscentelhadorespodemapresentarprojetosimplificadoem relao aos utilizados em projetos de pra-raios de SiC [4] Alguns fabricantes nacionais e internacionais, apontam este tipo de pra-raios, como o mais adequado, sob o ponto de vista tcnico-econmico, para aplicaes em sistemasdedistribuio.Oargumentoapresentadoporestes fabricantessedeveao fato de quando comparados aos pra-raios de SiC, apresentam maior no-linearidade nacaractersticatensoxcorrente,menoresvaloresdetensoresidualevalores muitobaixosdecorrentesubsequente.Emrelaoaospra-raiosdeZnOsem centelhadores,oargumentorestringe-seaosupostomenorcustodeaquisiodos pra-raiosdeZnOcomcentelhadores.Contudo,faceaosdesenvolvimentos implementados no processo de fabricao de pra-raios de ZnO sem centelhadores, e aconseqentereduonocustodeaquisio,asconcessionriasoptarampelos pra-raios de ZnO sem centelhadores. O uso de pra-raios de ZnO sem centelhadores evidnciaautilizaodeblocosvaristoresdealtaqualidade,vistoqueestetipode bloco no necessita de centelhadores [2]. 2.3. Varistores O nome varistor foi derivado da expresso inglesa variable resistor, sendo um dispositivocermicosemicondutorcaracterizadoporapresentarpropriedades resistivas altamente no-lineares, dependente da tenso eltrica que existe entre seus terminais;sendotambmconhecido comoresistorno-linear,resistordependenteda tensoeltrica(doingls,voltagedependentresistor,VDR),supressordesurtos eltricos, limitador de sobretenses, entre outros sinnimos [5]. Existem atualmente dois tipos de varistores em escala industrial: os varistores dexidodeZinco(ZnO)eosvaristoresdeCarbetodeSilcio(SiC).Essestiposde varistoresapresentamcaractersticasdeno-linearidadeessenciaisparaumbom desempenhodospra-raios,quesodispositivosutilizadosparalimitaraamplitude das sobretenses nos sistemas eltricos e reduzir os efeitos dessas sobretenses nos equipamentosinstalados.Assimvaristoressodispositivoscujafunorestringir 11 surtosdetensoeltricae,aindaquefazendoistorepentinamente,nosejam destrudos [2, 5]. Um varistor em operao normal, num circuito ou rede eltrica, semelhante a umcircuitoaberto.Quandoocorreumasobretenso,queultrapassaatensode rupturadieltrica1(queatensonecessriaparaasuaentradaemconduo),o varistorpassaasecomportarcomoumcondutor,suaresistnciaeltricadecai rapidamente, dando vazo corrente eltrica excessiva, que ento desviada para a terra, impedindo que a tenso nos seus terminais ultrapasse um determinado valor, de forma a no danificar os equipamentos ou circuitos por ele protegidos. Quando, aps o surto,atensoretornaaoseupatamarnormaldeoperao,ovaristorvoltaase comportarcomoumcircuitoaberto.Estaalternnciadecomportamentoeltrico ocorre,emgeral,compequenahisterese,dependendodograudedegradaodo varistor [5]. Na Figura 3, um circuito eltrico simples mostra uma configurao tpica de ligaodeumvaristornosistemaeltrico (geralmenteligadoemparaleloaosistema de alimentao de energia e ao equipamento). VaristorEquipamentoVaristorTerra(a)(b)Fonte deenergiaChegadadatensoSada datenso Figura 3 Configurao tpica da ligao de um varistor. Assim,podemosafirmarqueumvaristorumresistorqueapresentauma elevadaresistnciaeltricaembaixastenseseumabaixaresistnciaeltricaem altas tenses. 1 Tambm conhecida pelos termos tenso de chaveamento ou tenso no-linear. 12 2.4. Varistores a base de ZNO 2.4.1. Histrico Omaisantigodispositivoconstrudoparaproteocontrasobretensesfoio retificadordeselnio2,utilizadosparaproteodossistemasdetelefoniaeoutras aplicaesenvolvendoasupressodesurtosdebaixatenso.Maistarde,este dispositivo foi substitudo pelo diodo Zener3. Com a contnua necessidade de busca de dispositivosqueapresentassemmelhordesempenho,surgiramosvaristores cermicos base de carbeto de silcio (SiC), que ainda hoje so largamente utilizados emredesdealtatenso(empra-raiosdelinhasdetransmissoedistribuiode energia eltrica) [5, 6]. No entanto, devido impossibilidade de se obter um aumento substancial nas propriedades no-lineares dos varistores cermicos base de carbeto desilcio(SiC),aevoluotecnolgicadestetipodevaristorpraticamenteatingiuo seu limite. Com a procura das novas tecnologias foram iniciadas pesquisas no sentido de substituir o varistor de SiC, e atualmente o composto semicondutor base de ZnO est sendo cada vez mais utilizado. Os primeiros relatos dos compostos semicondutores cermicos a base de ZnO, vieramdaantigaUnioSovitica,porm,semnenhumarepercussonomundo industrial.Entretanto,nofinaldadcadade60,comodesenvolvimentotecnolgico que introduziu o que hoje conhecemos com o advento dos Novos Materiais, propiciou osurgimentodeestudosmostrandoqueacermicabasedeZnOpoderiaser utilizadacomovaristor,apresentandomelhordesempenhoqueosresistoresno-lineares baseados no SiC [5, 7, 8]. Inicialmente destinados proteo de circuitos eletrnicos, os varistores a base deZnOforamdesenvolvidosporMatsuoka[9]eseugrupodepesquisa, caracterizadosporbaixosvaloresdetensoedeenergia,apartirde1968,e comercializadojem1970,pelaMatsushitaElectricalCo.Ltda.Naprimeiradcada apssuainveno,vriosaditivosforamutilizadosparaincrementarodesempenho destesdispositivoscomosupressoresdesobretenses,chegando-seaclssica 2Umretificadordeselniocompostodeumafinacamadadeselniodepositadanumsladodeumaplacade alumnio e um metal altamente condutor sobre esta. Os eltrons movimentam-se mais livremente da camada condutiva ao selnio que no sentido oposto, realizando, assim, a retificao. 3 Um diodo Zener um diodo de juno destinado a efetuar uma ruptura no destrutiva de uma resistncia muito alta a outra muito baixa em um nvel predeterminado de tenso. Esta caracterstica permite manter uma tenso de referncia muito estvel atravs do diodo, mesmo com uma ampla faixa de corrente atravs do dispositivo. 13 formulaopropostaporMatsuoka[9],quemostradanaTabela1.Apartirdeste desenvolvimento,diversasempresas,soblicenadaMatsushita,iniciaramestudos visandoodesenvolvimentodevaristoresquepudessemserutilizadosemsistemas eltricos de potncia. Tabela 1 Composio qumica tpica de um varistor de ZnO convencional [4,10]. Componente% molar ZnO96,5 Bi2O30,5 Sb2O31,0 CoO1,0 MnO0,5 Cr2O30,5 Assim, varistores a base de ZnO tm se tornado de particular interesse para a modernaproteocontrasurtoseltricos,pelofatodequesuascaractersticas eltricasno-lineares,asfaixasdetenso(decercade5VatdezenasdekV)e corrente eltrica (de A at kA, em circuitos de corrente contnua ou alternada) sob as quaisodispositivopodeserusado,almdesuacapacidadedeabsorverenergia (desdepoucosjoulesmilharesdejoules)dopulsotransitrio,sobastante superioresquelasdosvaristoresbaseadosnoSiC[5,9,10].Essedispositivo, formadoporvaristorescermicosabasedexidodezinco(ZnO)epequenas quantidadesdeoutrosxidos,apresentouumaltograudeno-linearidadenasua caracterstica tenso x corrente, proporcionando baixos valores de corrente na regio de operao associado a uma boa estabilidade quando continuamente solicitados pela tenso normal de operao [2]. Os varistores a base de ZnO so hoje em dia mundialmente utilizados, com um vastocampodeaplicaoquevaidesdeaproteodecircuitoseletrnicosata aplicao em sistemas de extra alta tenso, como mostrado na Figura 4. 14 Figura 4 Principais tipos de varistores. 2.4.2. Etapas de fabricao do varistor de ZnO OsvaristoresabaseZnOsoindustrialmenteproduzidosporprocessamento cermicoconvencional.Oprincipalcomponenteutilizadoparaaproduode varistoresdeZnOoxidodezincocomaltograudepureza.EmadioaoZnO, pequenasquantidadesdeoutrosxidossointroduzidasnascomposiesdos varistores, tais como os xidos de Bismuto, Silcio, Glio, Ltio, Praseodimium, dentre outros [2]. Varistoresproduzidosemescalaindustrialapresentamumaproporode concentraototaldeaditivosnafaixadeaproximadamente10%daconcentrao total.Vriaspesquisastmsidorealizadasparaavaliarocomportamentodecada agentenoprocesso.Sabe-seatualmentequecadaumdessesxidostemuma propriedadeimportantedentrodoprocessodefabricaodosvaristoresdeZnO.As caractersticasdosvaristoresdependememmuitodoprocessodefabricao.A pureza,concentraodosdopanteseahomogeneidadedamisturasode importncia fundamental para a qualidade do produto final [2]. 15 As caractersticas do varistor so determinadas pela aplicao requerida. O p prensadoemumaformadedimensespredeterminadasparaobterumvalor desejado de tenso nominal. Para obter caractersticas compatveis com os impulsos de corrente e a capacidade de absoro de energia requerida, a rea de eletrodo e a massa do varistor so variadas [6]. Omaterialdeiniciaodoprocessopodediferirdependendodacomposio dosxidosaseremaditivadosnocomposto.Estaaotemporobjetivocobriras tenses requeridas s aplicaes dos varistores [2]. Osproblemassurgidosemqualquerumadasetapaspodemafetaras seguintese,emltimainstncia,afetaraqualidadeeodesempenhodapea cermica final. Assim, as caractersticas das etapas de um processo produtivo devem seranalisadasemrelaoaosconseqentesefeitosaoprocessocomoumtodo.Na Figura 5 apresentada uma representao esquemtica de um processo simplificado de produo de varistores e esse processo de produo industrial do varistor pode ser dividido em oito etapas: a.Disperso, homogeneizao e moagem; b.Spray-Dryer;c.Conformao; d.Sinterizao; e.Isolao; f.Acabamento;g.Ensaios Eltricos e classificao; h.Varistores prontos para montagem. 16 Figura 5 - Representao esquemtica de um processo simplificado de fabricao de Varistores Cermicos [6]. 2.4.3. Etapas de processamento e preparao dos ps Um dos pontos crticos do processo de fabricao dos varistores a obteno de uma mistura adequada de componentes, que consiste em um parmetro importante paraaobtenodeumahomogeneidadeportodoovaristor.Oscomponentes utilizados na produo dos varistores devem ser cuidadosamente selecionados. A sua natureza qumica, pureza, reatividade qumica e repartio granulomtrica devem ser medidas.Paraaproduoemescalaindustrialexigidoqueosxidosatendams especificaesdefabricao.Apurezadosxidosutilizadosimprescindvelparaa produodevaristoresdeboaqualidade.Apresenadepequenasquantidadesde xidodecobre,porexemplo,afetaodesempenhoeltricodosvaristores.Paraa produo em escala industrial utilizam-se normalmente partculas com grau de pureza iguais ou maiores a 99,9% [2]. Um dos processos para produo do xido de zinco utilizado na fabricao dos varistores consiste na obteno destes a partir da oxidao do vapor de zinco metlico puro,e,porisso,oseunveldeimpurezabaixo.Otamanhodaspartculas importanteparaoprocessodeformaodosvaristores.Dentreoutrosaspectos, importantequeaspartculasapresentemtamanhospequenoseuniformes,poisisso 17 possibilita uma melhor mistura e evita sedimentao excessiva de materiais durante as primeirasetapasdoprocesso.Pequenasvariaesnotamanhoinicialdestas partculas alteram as propriedades no-lineares dos varistores. O tamanho do gro do produtosinterizadoaumentacomareduodotamanhodaspartculas.Otamanho mdiodaspartculasdexidodezincoutilizadasgeralmentedaordemde0,3m, enquantoqueosdemaisxidosmetlicosutilizadoscomoaditivosapresentam partculas com tamanho mdio aproximadamente 10 vezes maior. Devido a diferena verificada na densidade e no tamanho das partculas dos diversos aditivos e do ZnO, necessrio que as partculas maiores sejam modas antes de serem utilizadas [2]. ATabela2apresentaasprincipaiscaractersticasdealgunscomponentes empregados na fabricao de varistores. Tabela 2 Caractersticas de alguns xidos empregados utilizados na fabricao de varistores de ZnO [2]. xidoFrmula Peso molecular Densidade (g/cm3) Ponto de Fuso (C) Pureza (%) Tamanho mdio das partculas (m) ZincoZnO81,375,61197599,90,1 - 0,5 BismutoBi2O3465,968,9082599,95 - 10 CobaltoCo2O3165,865,18 895 (decomposto) 99,91 - 5 MangansMnO286,945,03 535 (decomposto) 99,95 - 10 AntimnioSB2O3291,505,2065699,91 5 NquelNiO74,716,67198499,91 5 CromoCr2O3151,995,21226699,91 - 5 Oprocedimentoutilizadonosestgiosdemisturaesecagemdependeda quantidade total de matria prima. Durante esta etapa de mistura, a homogeneidade e aviscosidadedapastadevemsercuidadosamentecontroladas.Parapequenas quantidades, menores do que 1 kg de material seco, a mistura normalmente feita em umaquantidadedelcooletlicoaproximadamenteiguala50%dopesoslidodo material.Paradispersarasaglomeraeseobterumadistribuiouniformede dopantesedoxidodezinco,omaterialmisturadoporumperodode aproximadamente 10 a 15 minutos, utilizando um misturador de alta velocidade, o que 18 proporcionaumaexcelentemisturadoscomponentes.Apsamistura,olcool removidoporumfiltrodevcuoatravsdaevaporaocomagitaodamistura. Algumaquantidadedelcoolrestanteremovidaporsecagememfornoa aproximadamente 110oC. Antes da prensagem o material pulverizado e misturado a seco, com aproximadamente 5% de uma soluo de gua-aglutinante. A concentrao deaglutinante,PVA(lcoolpolivinlico),nasoluoaquosadeveserde aproximadamente 5%, a fim de proporcionar uma rigidez suficiente no varistor de ZnO [2]. Para quantidades maiores, os dopantes e o xido de zinco so misturados em uma quantidade de gua deionizada igual a aproximadamente 60% do peso slido do material.Nessecaso,oaglutinantePVA(lcoolpolivinlico)adicionadodurantea mistura.Depoisquetodososmateriaisforemadicionados,amisturafeitadurante cercademeiaaumahoranummisturadorcomhlices.Apsamistura,agua removidadasubstnciapastosaresultanteporumprocessodeatomizao.Este processoconsisteeminjetaramisturaatravsdeumbocalatomizadoremuma cmaraaquecida,dentrodaqualcirculaarforadopr-aquecidoemdireooposta, que proporciona uma rpida remoo da umidade presente nas partculas atomizadas. Ocompostohomogneoedegranulometriacontroladaobtidadesteprocessode secagemencontra-senestemomentoemumaformadepadequadaparaa prensagem imediata [2]. A umidade remanescente crtica para a etapa de prensagem, sendo desejada uma faixa mxima compreendida na ordem de 0,1 a 0,5% [3]. Amisturaresultantedoprocessoanteriorentoprensadaemsees cilndricasquedependem,dentreoutrascoisas,donveldetensoedafaixada corrente de descarga do varistor produzido. A densidade tpica do elemento prensado daordemde2,8g/cm3.Noentanto,estadensidadedependemuitodaumidade presentenamisturadop.Altosnveisdeumidaderesultamemmaiordensidade, criando problemas na prensagem [2]. Oestgiodesinterizaoaetapadoprocessodefabricaodosvaristores queprovocaasmaioresvariaesnassuaspropriedadeseltricasedieltricas.A sinterizao uma fase do processo na qual o bloco prensado transformado em um elemento de material cermico denso [2]. 19 Oprocessodesinterizaoconsistenoaquecimentodoelementoemetapas, desde a temperatura ambiente at a temperatura de sinterizao desejada, mantendo-se esta temperatura constante por um determinado perodo de tempo e resfriando-se emseguida.Umexemplodoprocessoapresentadoaseguir;inicialmente,a temperaturaaumentadaemdegrausbemdefinidos,narazodeaproximadamente 100oC por hora, at atingir a temperatura de 700oC. De 700oC a 900oC, esta razo reduzidaparaaproximadamente25oCporhora,demodoaevitarpossveis ocorrnciasdetrincasnointeriordoelemento,devidocompressoquecrtica nestafaixa.Acimade900oCarazodeaquecimentovoltaaserde100oCporhora, atqueatemperaturadesinterizaodesejada,compreendidaentre1150oCe 1350oC,sejaalcanada.Atingidaatemperaturadesinterizao,estamantida constantenofornoporumdeterminadoperodo(entre1e2horas),quandoentoo mesmoresfriadoaumarazodeaproximadamente50oCporhora,atquea temperatura ambiente seja atingida [3]. Durante a ltima fase da etapa de sinterizao o componente cermico torna-se slido e os aditivos reagem por dentro da estrutura, sendo esta etapa responsvel pelo estabelecimento das propriedades do varistor [2]. No processo de sinterizao de uma composio padronizada para um varistor multicomponente, o Sb2O3 reage com ZnO e o Bi2O3 a 700oC, formando as fases tipo spinlio e pirocloro, Zn7Sb2O12 e Zn2Bi3Sb3O14. Durante a sinterizao o Zn2Bi3Sb3O14 forma uma fase lquida rica em Bi2O3 e o Zn7Sb2O12 que precipitam nos contornos dos grosondedificultamatransfernciadeons.Comoresultadoocrescimentodos grosduranteasinterizaosuprimido.Nestacondioolquidopreencheos espaoscriadospelopacotede grosdeZnO. Duranteo resfriamento a faselquida mudapara-ouparaumafasericaemBi2O3formandoascamadas intergranulares.Asbordasdegrotipo1seroentoobservadasnosespaosdos pacotes de gros do corpo sinterizado. A camada intergranular rica em Bi2O3 fica mais finamedidaqueseaproximadospontosdecontatodaspartculas,tornando-se assim, os contornos dos gros em tipo 2. Nos pontos de contato, finalmente, pode ser observada a inexistncia da camada intergranular, o que caracteriza os contornos de gros do tipo 3 [3]. O Bi2O3 vaporiza facilmente a 1400oC. At mesmo a 1200oC, uma temperatura desinterizaohabitual,oBi2O3sevaporizadasuperfciedodispositivo.Entoa quantidade de Bi2O3 gradualmente reduzida na massa durante a sinterizao. Alm 20 disso, notada a precipitao de xidos de Bi2O3 (fase lquida) durante o resfriamento. Este fato ocorre em virtude do Bi2O3 (fase lquida) conter vrios ons, tais como o Zn, Co,MneSb.UmagrandequantidadedeZnOpodesedissolvernoBi2O3(fase lquida),quandooSb2O3estpresente.Consequentemente,ocorreprecipitaode ZnOnasbordasdosgrosduranteoresfriamento.Comoefeitodessesdois mecanismos,aquantidadedeBi2O3diminuiduranteoprocessodesinterizao, levandoconsigooprecipitadodeZnOealguns onsdeBi,Co,MneSb,dasbordas dosgros.AabsoropelosgrosdeZnOdoBi2O3(faselquida)nomuitoboa; ento, quando a quantidade de Bi2O3 diminuda, os gros de ZnO no so cercados completamentepeloBi2O3(faselquida).Contudo,avelocidadededifusono contornodogronormalmentemaiorquenoconjunto,algodaordemdeumaou duas ordens de magnitude. Como resultado, ons de Bi, Co, Mn, e Sb so difundidos nos contornos de gros com facilidade [3]. Comasinterizaoocorreumareduonovolumedoelementodecercade 50%(20%dereduonadimenso).Estareduoresultadobasicamenteda densificao. A densidade das amostras sinterizadas tipicamente da ordem de 5,4 a 5,5 g/cm3 e a perda de peso normalmente da ordem de 1 a 3% [6]. Umaumentonotempoenatemperaturadesinterizaoacarretanuma reduo na tenso de referncia por unidade de espessura e na tenso para a regio debaixascorrentes.IstoresultadocrescimentodosgrosdeZnO,daalteraode suaresistividadeedodesaparecimentodacamadaintergranularricaembismuto, causada pela evaporao do Bi2O3 [6]. Naetapadeacabamentosoaplicadososcontatoseltricossobreas superfciescircularesdovaristoreacamadaisolantecilndricalateral.Atcnica geralmenteutilizadaparaaplicaodoscontatossobreasamostrassinterizadas consisteemdepositaraquenteumacamadametlicapeloprocessodejateamento. Antesdametalizao,asamostrassinterizadaspassampelaetapadepolimento,de forma a remover possveis superfcies defeituosas, obtendo-se o paralelismo entre as faceseremovendo-seaoxidaoquepodeocorrernassuperfciesdasamostras durante o estgio de sinterizao [2]. Amaioriadosvaristoresproduzidosemescalaindustrialutilizaoalumnio sobre as superfcies circulares das extremidades para prover a metalizao. Em casos especiais,podeserusadaprataemvezdoalumnio.Noentanto,aprataapresenta 21 dois problemas prticos fundamentais para a sua utilizao em varistores: o primeiro oseumaiorcustoemrelaoaodoalumnioeosegundofatoresultadapratase oxidar com o tempo, podendo comprometer o funcionamento dos varistores [2]. Aetapademetalizaodosvaristorestemafinalidadedeproduziruma densidadedecorrenteuniformeportodaasuperfcie,sendo,portanto,fundamental paraobomdesempenhodosvaristoresduranteaocorrnciadesurtosdecorrente elevados [2]. Acamadaisolanteaplicadanasuperfciecilndricalateraltemporobjetivo evitar ocorrncias de descarga externa superficial ou flashover, durante a passagem de surtos de corrente elevada [2]. Quandoproduzidoemescalaindustrial,apsoprocessodefabricaodos varistoresdeZnO,assuascaractersticasbsicasdeproteoedeoperaoso obtidasatravsdeensaioseltricos,entreosquaispode-secitarosdetensode referncia e de tenso residual a corrente de descarga nominal, a partir dos quais os diversosvaristoresproduzidossoclassificadosdentrodefaixas,deacordocomos critriosestabelecidospelosfabricantes.Algunsfabricantesadotam,emadioaos ensaiosdescritos,osensaiosdeverificaodacorrenteCCparaamximatenso contnuadeoperaoeoensaiodecorrentedeimpulsoretangular(oudescargade linhas de transmisso, dependendo do tipo do varistor) como ensaios para controle da produo [2]. 22 Figura 6 Fluxograma das etapas de processamento de um varistor [2]. Emvirtudedagrandequantidadedeaditivospossveis,vriasformulaes forampropostas,entreelas,umaquebastanteutilizadapelosfabricantesde varistores,adescritaporMatsuoka[9],comojmostradonaTabela1.Ainda segundoMatsuoka[9],osvriostiposdeaditivos,podemseragrupadosemtrs classes de acordo com as funes que possuem, como mostrado na Tabela 3. Tabela 3 Funes dos aditivos sobre as propriedades dos varistores de ZnO. AditivosFunes Bi2O3, Pr2O3, BaO, SrO, ...Formao da estrutura bsica CoO, MnO, Al2O3, ...Propriedades no ohmicas Sb2O3, Cr2O3, B2O3, NiO, CaO, MgO, ...Estabilidade Fonte: [7]. 23 2.4.4. Microestrutura do varistor de ZnO Pode-se definir microestrutura como o nmero e identidade de fases, incluindo porosidade, as quantidades relativas dessas fases em conjunto com as estruturas de defeitos existentes num material [11]. A microestrutura o resultado de fabricao do material considerado, atravs dela as propriedades fsicas e qumicas iro se revelar. OZnOapresentaumaestruturacristalinahexagonaldotipowurtzita, queno possuiumgraudeempacotamentomuitoelevado;compreendendoosonsde oxigenio(O2-)ezinco(Zn2+)tetraedricamentecoordenados,conformemostradona Figura7.Osseustetraedossearranjamnaestruturahexagonaldeixando aproximadamente66%dovolumedoreticuladocristalinovazio(ametadedos interstcios tetradricos e todos os intertcios octadricos esto vazios na estrutura do ZnO) [5]. A Tabela4 resume as principais propriedades do ZnO. Figura 7 Estrutura do ZnO, mostrando os nions (O2-) e os ctions (Zn2+); evidenciando ainda, a coordenao tetradrica entre estes ons e o espao vazio do reticulado cristalino [5]. Devido a grande diferena entre os tamanhos dos ons Zn2+ e O2-, os cristais de ZnOapresentamespaosabertosrelativamentegrandes.Estesespaosvazios desempenhamumpapelimportanteem muitas propriedades fsico-qumicasdoZnO; em especial estes espaos comportam diversos tipos de tomos em soluo slida e ainda propiciam a difuso de espcies pelos interstcios da rede cristalina. 24 Emboraasligaesqumicasentreostomosdezincoedeoxignio apresentem um carter inico predominante (segundo o critrio de Pauling, a ligao Zn-O de 56,6% inica), o seu carter covalente parcial no pode ser negligenciado (45,4%),poissignificativo,efundamentalparaexplicarasemicondutividadeeo comportamento piezoeltrico dos cristais de ZnO [5]. Tabela 4 Principais Caractersticas Fsico-Qumicas e Cristalogrficasdo ZnO [5]. Zinco (Zn): [Ar] 4s2 3d10 Oxignio (O): [He] 2s2 2p4 Peso molecular (ZnO): 81,376 Temperatura de fuso: 197525C Densidade terica (mdia): 5,61 g/cm3 Mdulo de Young: 124 GPa Dureza Vickers: 2,31,0 GPa Intervalo de banda proibida: 3,2 eV ndice de refrao: 2,004 Sistema Cristalino: Hexagonal Grupo espacial: P63mc a = 3,250 Parmetro da rede cristalina c = 5,206 Historicamente,oentendimentodoprocessodeformaodamicroestrutura dos varistores cermicos de ZnO ocorreu de forma gradual. Matsuoka realizou um dos primeirosestudosabordandoamicroestruturadosvaristores,eapartirdeestudos microscpicosverificouqueosvaristorescermicosdeZnOapresentavamuma microestruturanaqualcadagrodeZnOpossuaumtamanhomdiode aproximadamente10meumaresistividadeeltricaGcompreendidaentre1a 10 .cm. Estes gros eram circundados pela camada intergranular de espessura t, de aproximadamente1mecomumaaltaresistividadeeltricaL,formadapela composio dos xidos de zinco e seus aditivos. Com base nestes estudos Matsuoka apresentouummodeloidealizadoparaamicroestruturadovaristor.Estemodelo serviu de base para vrios estudos iniciais relativos s propriedades fsicas, eltricas e dieltricas.EstemodeloconsistedecubosapresentandogrosdeZnOde comprimentodeseparadosunsdosoutrosporumacamadaintergranular apresentandoumaespessurat.Umarepresentaoesquemticaparaa 25 microestrutura e para o modelo idealizados por Matsuoka apresentada nas Figuras 8 e 9, respectivamente [2, 5, 6]. CorrentetdDCamadaIntergranularGrodeZnOEletrodo Figura 8 - Representao esquemtica da microestrutura dos varistores [1]. Figura 9 - Modelo idealizado por Matsuoka [1]. Amaioriadasformulaesdescritasnaliteraturaeutilizadascomercialmente possuicomoaditivoformadordamicroestruturabsicaoBi2O3(varistores convencionais).Esteaditivocaracterizadoporproporcionarsinterizaoempresena de fase lquida, que resulta na formao da camada intergranular [5]. Pode-se dividir os mtodos de preparao dos ps-cermicos precursores em duas classes: 26 1.Omtodocermicoconvencional-misturadexidoereaoem estadoslidoaelevadastemperaturas,quetemcomovantagenso custoeasimplicidade,contudo,oelevadotempodemoagempode introduzirimpurezasresultantesdodesgastedorevestimentoedos corpos moedores dos moinhos.2.Osmtodosqumicosquepromovemumamelhordispersodos aditivos, resultando numa homogeneidade composicional, um alto grau depurezaeumbomcontroledadistribuiodetamanhodosps obtidos. Alm disso, o processo de sinterizao da pea cermica pode serrealizadoemmenorestemperaturasemenorestempos, minimizandoocrescimentodegro,elevandoformaodeuma microestruturapolicristalinarefinada,homogneaedensa,qued origem a varistores com melhores caractersticas eltricas [5]. Emboraosmtodosdesntesequmicatenhamconquistadoespaono processo de fabricao de varistores, a maioria dos fabricantes ainda utiliza o mtodo cermicotradicionalapartirdepscomerciaisnaproduodevaristoresabasede ZnO.Talvez devido aos conhecimentos de processos j adquiridos com essas prticas, ou por apresentarem menores custos. Depois das formulaes iniciais de Matsuoka, a maioria de varistores baseados nosistemaZnO-Bi2O3,soproduzidosporsinterizaoempresenadefaselquida damisturahomogeneizadadospsdeZnO,Bi2O3eoutrosaditivos.Emboraa microestruturadosvaristoresexibaumavariaoconsiderveldeum fabricantepara outro,todosexibemascaractersticasdeumcermicotpicopreparadopela sinterizaodafaselquida,nestecasoconsistindoemgrosgrandesdeZnOcom umasegundafasericaembismutonasjunestriplas.Almdisso,amicroestrutura contm partculas de um ou mais tipos de espinlio. Dependendo da composio, os gmeosdentrodosgrosdeZnOeumpoucodeumafasedopirocloropodem tambmdarforma.Estascaractersticasprincipaissorepresentadasnamicrografia tica da Figura 10 [5, 12]. 27 Figura 10 Micrografia de um varistor de ZnO. As regies brancas so a fase rica em bismuto formada pela solidificao do resto da fase lquida e localizada ao longo das junes de trs e de quatro gros. As partculas espinlio, de pequenos gros aproximadamente eqiaxiais, so localizados no interior de muitos gros de ZnO e em diversos contornos de gro. A grande variedade de tamanhos de gro e as variaes no comprimento dos lados dos gros individuais aparentes neste micrograma so tpicas de muitos varistores [12]. Quatro estgios principais podem se distinguir associados com a fabricao de umvaristorcermico,queaetapaprincipal.Noprimeiroestgiohaformaoda faselquidaduranteoaquecimentodosps.Istoassociadotipicamentecoma formaodoseutticosdebaixopontodefusoentreZnO-Bi2O3,eZnO-Sb2O3.(o euttico no sistema ZnO-Bi2O3 em 735C). Dependendo do tempo, a temperatura e a composioqumica,fasessecundrias,taiscomo,opirocloroeespinlio,podem tambmserformadasnesteestgio,masoprocessoprincipaladissoluodos dopantesnointeriorda faselquida.Adifusodosdopantesnointerior dos grosde ZnO,proporcionandoumadistribuiouniformedodopantepelamicroestruturado material,prosseguindonosegundoestgiodensificaodafaseliquida. Simultaneamente ocorre o crescimento do gro do ZnO. A temperatura e o tempo de sinterizaosoescolhidosparaqueotimizeauniformidadecomposicional,a densificaoeotamanhodegro.Noterceiroestgio,duranteoresfriamentos temperaturas intermedirias, ocorremprocessos que incluem a cristalizao das fases secundrias a partir da fase lquida rica em bismuto e a retrao desta fase lquida a partir dos contornos de gro s junes triplas da estrutura. As barreiras de potenciais 28 soformadasnaregiodecontornosdegroduranteoterceiroestgio,maso desenvolvimentoprincipaldaspropriedadeseltricasocorrenoquartoestgio, resfriamentolentoapartirdastemperaturasintermedirias(450-700C)ousob recozimentosubseqente.Estetratamentodecalorumacaractersticachaveda produo dos varistores, especialmente para aplicaes na alta tenso [5, 12]. As modificaes microestruturais mais pronunciadas ocorrem durante o terceiro estgio,resfriamentoapartirdatemperaturadesinterizao.Essasmodificaes esto diretamente relacionadas com o comportamento do molhamento da fase rica em bismutosobreosgrosdeZnO.Emboraaformadafasericaembismutonatripla junosejatpicadeumvaristorotimizado,suamorfologiadependedecomoo materialdovaristorprocessado.Seomaterialesfriadorapidamenteapartirda temperatura do euttico, a fase rica em bismuto reveste as faces dos gros de ZnO, e noresultaemumcomportamentodovaristoraprecivel.Seomaterialesfriado lentamente, como a prtica industrial, a fase lquida sofre retrao das junes gro-gro e localizada preferencialmente nas junes da triplo-gro. Na retrao a partir da regio entre dois gros, a fase lquida segrega uma camada contendo Bi, e outros onsderaioinicoelevado.Anlisespormicroscopiaeletrnicadetransmisso, espectroscopia eletrnica Auger, espectroscopia inica de varredura, e espectroscopia fotoeletrnica indicam que o bismuto (para varistores convencionais) segregado para oscontornosdegrosapsofimdomolhamento[Apud5].Contudo,aformade segregaoeasespciessobasquaisoBipodeserencontradonoscontornosde gros, dependem da composio qumica e rotas de processamento utilizadas [5, 12]. Desdeoinciodosestudossobrevaristores,intensosesforostmsido feitos nosentidodecorrelacionarocomportamentoeltricodosvaristorescomsuas caractersticasmicroestruturais.Emboramuitosaspectosaindapermaneam obscuros,progressosconsiderveisjforamfeitos.Primeiramente,eomais importante,elesconfirmaram queocomportamentodovaristorestrelacionadocom os contornos de gros individuais e que estes exibem, em sua maioria, um tenso de ruptura por contorno de gro de aproximadamente 3-4 eV. Contudo, sabe-se tambm, que existe considervel variao das caractersticas V x I de um contorno de gro para outro,emtermostensoderuptura,graudeno-linearidadeedatransioentreo comportamento linear (hmico) e no-linear (no-hmico) ser abrupta ou suave, e da capacitnciaassociadaaestasregies.Estesestudosconduziramaconcepode queosvaristoresestolongedeapresentaremcaractersticasuniformes,massim, 29 queelessomelhorcompreendidoscomoumaredederesistores,emsrieeem paralelo;sendoquealgunsautorestmconsideradoquenumvaristorexistem contornosdegrosqueapresentamboascaractersticasvaristoras,eoutrosque simplesmente no as possuem [5, 12]. Tm-seaindaconsideradoqueosdopantesafetamocrescimentodegro duranteasinterizao,ascaractersticasdemolhamentoeretraodafaselquida durante o resftiamento, e os tipos e estados de defeitos qumicos pontuais presentes na regio de contorno de gro, e que controlam, em ltima instncia, o comportamento eltricodovaristor.Sabe-sequeexisteanecessidadededoisgruposbsicosde dopantes,umparacontrolaracondutividade(ouresistividade)dosgrosdeZnOe outro queinfluisobrea distribuiodedensidadesdecargaseltricasnoscontornos de gros. A situao complicada, pois as prprias propriedades eltricas intrnsecas aoZnOpurososensveispresenadedefeitosnativos,especialmentevacncias deoxignioeespciesdezincointersticiais,bemcomo,mnimasconcentraesde outros dopantes [5, 12]. 2.4.4.1. Contornos de gro na microestrutura do varistor A regio dos contornos de gros formada pelas diversas fases ricas em Bi2O3 responsvelpelaspropriedadesnolinearesdosvaristoresepossuiuma caractersticatalqueasuaresistividadeespecficadecrescecomoaumentoda tensoaplicada.Estedecrscimo maisacentuadomedida quea tensoaplicada seaproximadatensodereferncia(Vref)dovaristor.Diversasinvestigaesforam realizadas com relao formao destas fases, que podem se localizar em diferentes regiesda microestrutura,podendo formaruma faseintergranularcontnua,segregar ou absorver nos contornos dos gros ou ainda se concentrar nas junes de mltiplos gros. A Figura 11 representa esquematicamente a localizao da fase rica em Bi2O3, na regio intergranular e na regio entre os gros [2]. 30 Grode ZnOGrode ZnOFaseintergranularrica em Bi2O3 (a) Grode ZnOCamadaintergranularrica em Bi2O3R E G I OFase rica em Bi2O3localizada na junodos gros de ZnO(A)(B)(C)(B)(A)~ 1 mRegio ricaem Bi(20 ~ 100 A)100 ~ 10000 APontos nodaisPontos nodais (b) Figura 11 - Localizao da fase rica em Bi2O3 : (a) - apresentando uma camada intergranular contnua; (b) - apresentando uma camada intergranular formando uma espessura diferenciada e pontos nodais [2]. Sabe-se atualmente que a maioria dos gros de ZnO no apresenta uma fase intergranularcontnuaricaemBi2O3.Destaforma,ascamadasintergranulares formadasapartirdoBi2O3elocalizadasnasfronteirasdosgrosapresentamuma espessura varivel. A partir de estudos realizados por outros pesquisadores, dividiu a estrutura desta fase em trs regies distintas. A primeira uma regio do contorno de groapresentandoumacamadaintergranularricaemBi2O3,comumaespessura aproximadade1m.Aoaproximar-sedospontosdecontato,estacamada intergranularricaemBi2O3torna-semenosespessa,formandoasegundaregiode contornodegro.Estaregioapresentaumaespessuracompreendidaentre100e 1000.Existeumpontodecontatoatravsdoqualnenhumacamadaintergranular ricaemBi2O3bemdefinidapodeserobservada.Estaregiocorrespondeterceira regiodecontornodegro,apresentandoumaespessuramuitofina,de aproximadamente 20 a 100 . Nesta regio da estrutura foram detectados, na regio deinterfacedocontornodegro,quantidadesdebismutoenriquecido,Coeuma quantidade excessiva de ons de oxignio [Apud 2]. Aexplicaoparaavariaoencontradanacamadaintergranularricaem Bi2O3 aolongodafronteiradosgrospodesercausadapelaenergiasuperficial 31 (aparente) dos gros de ZnO e pela distribuio desigual do Bi2O3 no corpo prensado. Em alguns lugares, Bi2O3 fundido pode se introduzir facilmente ao longo das fronteiras dosgros.JemlugaresondeoBi2O3 fundidonopodepenetrar,podeocorrer, duranteasinterizao,odeslocamentodeonsdebismutoparaasfronteirasdos gros [Apud 2]. 2.4.5. Propriedades bsicas e Caractersticas Eltricas AcaractersticaeltricamaisimportantedosvaristoresbasedeZnOsua relaoentre"tensoxcorrente",quedefineaspropriedadesno-linearesdos varistores.Depoisdano-linearidade,acapacidadedeabsorodeenergia,medida em Joules/cm3, a segunda mais importante caracterstica do varistor de ZnO. Outros parmetros usados para caracterizar um varistor so a tenso de ruptura (Er), corrente de fuga(If),degradaodovaristoreresistividade.Umdispositivodesejvelouideal deveteraltovalordoexpoentedano-linearidade,aceitveltensoresidual,baixa correntedefuga,vidalonga,boauniformidadeegrandecapacidadede absoro/dissipao de energia [6]. No varistor, a energia deve ser uniformemente absorvida ao longo do corpo do dispositivo, fazendo com que o aquecimento resultante seja uniformemente distribudo pelo volume do elemento. As propriedades eltricas so principalmente definidas pelas dimenses fsicas do corpo do varistor, que pode ser sinterizado em vrias formas, tais quais: discos, fatias e tubos, conforme pode ser observado na Figura 4. A capacidade de absoro de energia determinada pelo volume do varistor, pela tenso ou campo eltricoaeleaplicado,peladensidadedefluxodecorrenteeduraoepela capacidade de densidade de corrente por direo de fluxo [2]. 2.4.5.1. Caracterstica V (tenso) x I (corrente) do varistor de ZnO A propriedade mais importante dos varistores de ZnO a sua no-linearidade, caracterizadapelacurvaVxI.UmacurvacaractersticaVxItpicamostradana Figura12,quemostraumaamplafaixadecorrentesnormalmenteapresentadaem catlogos de varistor para ilustrar trs regies distintas de operao do varistor [1]. A curva V x I dos varistores de ZnO pode ser dividida em trs importantes regies: 32 Regiodebaixascorrentesdeoperaooupr-ruptura,tambmconhecida comoregiodebaixastensesaplicadas(medidasobaplicaodetenses alternadas e contnuas); Regioaltamenteno-lineardeoperao,tambmconhecidacomoregio altamenteno-lineardetensesintermedirias(medidaporimpulsosde corrente representando surtos atmosfricos e de manobra); Regiosuperiordeoperaoouregioderetorno,tambmconhecidacomo regio de Upturn da tenso (medida por corrente 8/20 s ou 4/10 s). Regio deBaixasCorrentesRegio AltamenteNo-LinearTenso (V)Corrente (A)RegioSuperior Figura 12 - Curva V x I caracterstica tpica de um varistor. 2.4.5.1.1. Regio de baixas correntes de operao A caracterstica V x I hmica (linear) nesta regio conhecida como Regio de Pr-ruptura(ouRegiodeFuga),correspondendoaatuaodovaristornaausncia desobretenses,estandoentosubmetidotensonormaldeoperaodosistema considerado,queequivalenteamximatensocontnuadeoperaodovaristor (Vco).Odispositivoatuaessencialmentecomoumresistoreatravsdelepassa apenasumacorrentedefuga(If) queaumentacomatemperaturae, quantomaior esta corrente, pior o desempenho eltrico do varistor [5]. 33 Inicialmente, para baixas tenses aplicadas at aproximadamente a sua tenso contnua de operao (Vco), a caracterstica V x I dos varistores caracterizada por um comportamentoaproximadamentelinear,tornando-sebastantengremenas proximidades da sua tenso de referncia (Vref). Nesta regio as propriedades eltricas principais so determinadas pela capacitncia, pela temperatura e pelas perdas CA e CC na regio dos contornos de gros [2]. Verifica-se nesta regio que, quando da aplicao de uma tenso alternada de freqnciaindustrial,circulapelosvaristoresumacorrentedefugaqueapresenta componente resistiva e capacitiva, sendo esta ltima predominante para amplitudes de tenso at prximas da tenso de referncia. A componente resistiva a responsvel pelasperdasJouleatravsdosvaristorese,portanto,devesercontrolada,vistoser esteumparmetroimportanteparaaestabilidadetrmicadosvaristores.Deuma formageral,osvaristorescomerciaisapresentamnasproximidadesdatenso contnua de operao, valores baixos para a corrente resistiva, sendo a sua amplitude da ordem de 10 a 40% da amplitude da corrente total [2]. Dentreosaspectosmaisimportantesparaoentendimentodaspropriedadesdos varistores nesta regio, podem ser destacados [2]: Grandedependnciadacorrenteresistivacomatemperatura:acorrente resistivaquandodaaplicaodetensocontnuaoualternadadefreqncia industrialapresentamgrandedependnciacomatemperatura,sendoesta dependncia mais crtica para solicitaes de tenso contnua. A dependncia da corrente em relao temperatura indica que nesta regio, o transporte de corrente no limite dos gros de ZnO se d pelo processo de ativao trmica. Umdosprimeirosestudosconhecidosapresentandoumaanliseda resistividadeeltricadosvaristorescomatemperaturafoiapresentadopor Matsuoka. Neste estudo, foi evidenciada uma reduo na resistividade eltrica naregiodebaixascorrentescomoaumentodatemperatura. Complementarmente,foiverificadoqueovalordocoeficientedeno-linearidade diminui com o aumento da temperatura. Parabaixastensesaplicadas,acorrenteeapotnciaaumentam significativamentecomoaumentodafreqncia.Paratensesprximasda tenso nominal do varistor, observa-se um menor aumento destes parmetros com a freqncia, enquanto que para tenses acima da nominal, observa-se o 34 processo inverso, ou seja, a corrente e a potncia diminuem com o aumento da freqncia. Predominnciadacomponentecapacitivadacorrentedefugaparanveisde tenso at prximos tenso de referncia dos varistores, com uma pequena dependnciadatemperatura,quandodaaplicaodetensoalternadade freqnciaindustrial.Estacomponentecapacitivadacorrentemaiorem relao a componente resistiva para menores intensidades de campo eltrico e para menores temperaturas sobre o varistor. 2.4.5.1.2. Regio altamente no-linear de operao Aregiono-lineardedensidadedecorrenteintermediariacorresponde essnciadaaodovaristor,sendotambmconhecidacomoRegiodeRuptura. Apresenta como caracterstica marcante o fato de que o dispositivo conduz, de modo crescente,grandequantidadedecorrenteeltricaparaumpequenoincrementode tenso. De fato, esta elevada no-linearidadesob uma faixa de corrente to ampla que faz dos varistores a base de ZnO claramente diferentes de qualquer outro tipo de resistor no-linear, tornando-os aptos para uma grande variedade de aplicaes [4]. Estaregiocaracterizadaporserumcomportamentointermediriodeno-linearidade, ou seja, se encontra numa regio entre a tenso de corte e a tenso que acarretenumacorrentedaordemde102a103A/cm2.Estaregiono-linearde correntes intermedirias, a caracterstica mais importante de um varistor de ZnO. A regiodeno-linearidadepodeseestendernumafaixadeseisaseteordensde magnitudedecorrente.AcaractersticaVxInestaregioquaseindependentede temperatura [2]. Apartirdatensoderefernciadovaristorobserva-sesobreumalargafaixa dedensidadedecorrente,asegundaregiodacurvacaractersticaVxI, caracterizadaporumapropriedadedeconduoaltamenteno-linear.Estaregio define o nvel de proteo dos pra-raios, quando correntes de impulso atmosfrico ou demanobrafluempelomesmo.Quantomaiorovalorde,melhoresseroas caractersticas de proteo [2]. 35 Para o correto funcionamento dos varistores de ZnO nesta regio, importante que todos os caminhos de corrente apresentem um mesmo nmero de barreiras, pois casocontrrio,aquedadetensodeumcaminhoparaooutropodeserdiferente, acarretandoemumadistribuionouniformedecorrente.Apresenadequalquer heterogeneidadedomaterialprovocaumadistribuiono-uniformedecorrentee, como conseqncia, um aquecimento localizado que pode conduzir a perfurao ou a trinca do elemento varistor, quando da ocorrncia de surtos [2]. Nestaregio,acaractersticaVxIrepresentadaaproximadamenteda seguinte forma: V = k1 . I1/ (1) onde: V a tenso aplicada sobre o varistor, I a corrente que circula pelo varistor, k1 uma constante caracterstica do varistor e o coeficiente de no-linearidade relacionado tenso ou tambm chamado de coeficiente no-hmico. O coeficiente de no-linearidade o parmetro mais importante do varistor de ZnO,poisoparmetrorelacionadorampadacurvaVxInaregiodeno-linearidade, e definido por:dI/Id(logI)logI2 logI1 = dV/V = d(logV) = logV2 logV1 (2) Quantomaiorovalorde,melhorodispositivo.Ovalorde tendendoa infinitoindicariaovaristorperfeito.importanteobservarqueasfaixasdecorrente devem ser claramente declaradas, considerando-se os respectivos valores de , para que seja definida a qualidade do varistor. Normalmente citado para correntes entre 0,1e100mA.Paraaplicaesnaregiodealtascorrentes,porexemplo,1kA,a escolhadosvaloresde,baseadaemliteraturas,deveserefetuadacomcuidado. Almdestaconsiderao,importanteobservarqueovalordeafetadopela temperatura e pela presso a qual o dispositivo submetido durante a operao. Com 36 oaumentodatemperaturaedapressoovalordediminui,acarretandoa necessidade de controle do ambiente externo durante a operao do dispositivo [2]. Nesta regio, os aspectos de interesse a serem destacados so os seguintes: Atensonovaristorpermanececonstanteparaumagrandevariaona corrente;Umelevadocoeficientedeno-linearidadeverificadonacaractersticaVxI ( normalmente compreendido entre 20 e 50); AcorrentequecirculapelosvaristoresdeZnOtemnestaregiouma caracterstica predominantemente resistiva; Dependncia no significativa da corrente com a temperatura. 2.4.5.1.3. Regio superior de operao Naregiodealtadensidadedecorrente(emgeral,J>103A/cm2),tambm conhecida como Regio de Retorno, a caracterstica V x I novamente linear, similar aqueladaregiodepr-ruptura,mascomatensoaumentandomaisrapidamente comacorrentedoquecomaregiono-linear.Ascaractersticaseltricasdessa regiosocontroladaspelaimpednciadosgrosdeZnOdamicroestruturado varistor [5]. A caracterstica V x I dos varistores na regio superior de operao ou de altas correntesapresentaumaelevaodrsticaupturndatenso.Verifica-sequeat umacertafaixadecorrenteavariaodatensocomavariaodacorrentese apresentadeformaproporcional.Noentanto,estecomportamentodeixadeser observado medida que se aumenta a corrente. Esta variao se deve a uma queda de tenso no desprezvel atravs dos gros de ZnO, devido a circulao de correntes elevadas.Estefenmenonoumapropriedadedomecanismodeconduo,mas simassociadoaquedadetensoatravsdaresistnciaprpriafinitadosgrosde ZnO. Nesta condio, ocorre a predominncia da resistncia dos gros de ZnO sobre acamadaintergranular.Ocomportamentohmicodefinidopelaresistividade intrnseca dos gros de ZnO ( = 1 a 10 .cm) [2]. Ocoeficientedeno-linearidadedestaterceiraregiomenorquando comparadoaodaregioaltamenteno-linear.Estefatosedeveaquedadetenso 37 nos gros de ZnO. No limite da regio de altas correntes, a queda de tenso atravsdacamadaintergranulartorna-sedesprezvel,comovaristorapresentandoum comportamento hmico [2]. Doisfenmenosimportantesmerecematenonaspropriedadesdos varistoresnaregiodemdiasealtascorrentes:adependnciadaamplitudeda tensoresidualcomotempodefrentedoimpulsodecorrenteeapequena dependncia da temperatura [4]. Resumidamente,nestaregiopode-seestabelecerque:acurvaVxIse encontranumaregiodealtaamplitudedecorrente;aresistnciadovaristorest abaixode10,sendosemelhanteaumcurto-circuito;estesvaloresderesistncia soobservadosparacorrentesdaordemde50a50.000A,dependendodas dimenses do varistor [8]. ParacaracterizaradequadamenteumvaristorabasedeZnOdesejvela determinaodacurvaVxIparaastrsregiesanteriormenteconsideradas. Contudo,emvirtudedaamplafaixadecorrenteeltricaenvolvida,nopossvelo usodasmesmastcnicasdemedioparaastrsregies.Usualmenteas caractersticasVxIabaixode100 mA/cm2soobtidasemsistemasdecorrente continua(CC)ouemsistemasdecorrentealternadacomfreqnciade60Hz[4]. Para as correntes acima de 1 A/cm2 a caracterstica V x I so determinada usando-se as forma de onda de impulso de corrente normalizados:Impulso de corrente ngreme: Impulso de corrente, com tempo de frente de1s,medidoapartirdaorigemvirtual,conformedefinidonanorma NBR 6936[13],comlimitesnoajustedoequipamentotaisqueosvalores medidos situam-se entre 0,9 s e 1,1 s. O tempo at o meio valor, medido a partir da origem virtual, no deve ser maior que 20 s [14]; Impulso de corrente de descarga atmosfrica: Impulso de corrente, com forma8/20s,comlimitesnoajustedoequipamentotaisqueosvaloresde tempo,medidosapartirdaorigemvirtual,estejamentre7se9sparao tempo de frente e entre 18 s e 22 s para o tempo at o meio valor [14]; Impulsodecorrentedemanobra:Impulsodecorrentecomumtempode frente compreendido entre 30 s e 100 s e um tempo at o meio valor de aproximadamente duas vezes o tempo de frente [14]; 38 Impulsodecorrenteelevada:Impulsodecorrentecomforma4/10s com limites no ajuste do equipamento tais que os valores medidos, a partir da origemvirtual,estejamentre3,5se4,5sparaotempodefrenteeentre 9 s e 11 s para o tempo virtual at o meio valor [14]. 2.4.5.2. Coeficiente de No-Linearidade Oparmetromaisimportantedeumvaristoroseucoeficientedeno-linearidade(),oqualorecprocodainclinaodacurvaIxV(oudaJxE),na regio no-linear, sendo dado pela Equao (2). Quanto maior o valor de melhor ser o varistor. Contudo, a Figura 13 mostra que tambmdependedafaixadecorrenteeltricaconsiderada.Destemodo, importante sua determinao com referncia explcita a uma faixa de corrente, sobre a qual se visa empregar o varistor. Figura 13 - Dependncia do coeficiente no-linear () em relao densidade de corrente eltrica (J) [5]. Naprticaovalorde estimadoentredoisvaloresdeintensidadede correnteesuasrespectivastenses,ouseja,entredoispontosdacurvaVxIda Figura 12, conforme Equao (2), onde VI e V2 so as tenses eltricas associadas s correntes l1 e I2, respectivamente (I2> l1). Assim, pode ser obtido a partir de medies 39 puramenteeltricas,pelousodaEquao(2).Afaixamaiscomumenteusadana literatura entre 1 e 10 mA; mas deve ser cuidadosamente escolhida, tendo em vista a aplicao qual o varistor se destina [5]. Ocoeficienteno-linearumparmetromuitoimportanteparaaproteode equipamentoscontrasobretenses.AimportnciadosvaristoresabasedeZnO resultadofatodequeelesexcedem,emtermosdovalorde,aoutrostiposde resistores no-lineares. Assim, enquanto um resistor hmico tem = 1 (ou, na prtica aproximadamente igual unidade), um retificador de selnio tem = 5-8, os varistores baseados no SiC tm = 5-10, os varistores base de ZnO apresentam na faixa de 25 a 100; sendo que para a maioria das aplicaes comerciais est na faixa de 25 a 60. Ademais, o valor de afetado pelas condies de temperatura e presso sob as quaisodispositivoestsubmetidoduranteouso.Comoincrementodeambos, pressoetemperatura,ovalordediminui,indicandoanecessidadedeadequado controledascondiesambientaissobasquaisovaristorutilizado.Isto particularmenteimportante,nocasodospra-raios,osquaisesto,emgeral, submetidosacondiesmaisseveras.Nestecaso,a questodaumidade(adsoro deguasobreosdiscosvaristoresquecompemopra-raios,casooinvlucro protetor no seja adequado ou apresente falhas) tambm torna-se decisiva, podendo inclusive levar destruio do pra-raios [5, 15]. Desde o incio das pesquisas de varistores foi notado que o valor de decresce com o aumentodadensidadedecorrente.Istosempredeveserlevadoemconsiderao para aplicaes que envolvam descargas com elevadas densidades de corrente, como no caso dos pra-raios utilizados na proteo contra descargas atmosfricas. Uma vez queaextensode regiono-lineardeterminadapelaimpednciadiferencialentre oscontornosdegroseosgrosdeZnO,umaformadeaumentarestaextenso (diminuindo a amplitude da regio de retorno) , efetivamente, promover a diminuio daresistividadeeltricadosgrosdeZnOmedianteumadopagemseletivacom elementosdoadores,taiscomoAI,GaouIn.Contudo,esteselementostambm provocamcertareduodovalorde;sendo,ento,necessrioumcertograude compromisso entre o valor de e a extenso de ao do varistor [5]. 40 2.4.5.3. Capacidade de Absoro de Energia OsvaristoresdeZnOsosuscetveisaperodosdeconduomaislongose mais freqentes durante as sobretenses. Como esto permanentemente conectados aosistemaeltrico,estosempreconduzindocorrentesquevariamdealgunsmAa centenasdeA,dependendodamagnitudedasobretensotransitria.Acapacidade deabsorodeenergiatemqueseradequadamenteespecificadadeformaaevitar conseqnciassriasaosequipamentosdosistemaeltrico,incluindoosprprios pra-raios de ZnO [13]. Para que os varistores de ZnO apresentem comportamento adequado ao ciclo deservio,necessrioqueoprojetoapresentecapacidadededissiparaenergia absorvidaduranteasolicitaodeumadeterminadasobretenso,estandoomesmo energizado a uma tenso alternada de freqncia industrial, e manter-se termicamente estvelnestacondio.Umvaristorconsideradotermicamenteestvelseaps operaremumasolicitaodesobretenso,responsvelpelasuaelevaode temperatura, o varistor de ZnO apresentar reduo de temperatura ao longo do tempo. Durante a aplicao de um impulso de corrente, alguma energia ser absorvida pelo varistor. A quantidade de energia absorvida varia em funo de: Amplitude da corrente; Tenso relacionada forma de onda do impulso de corrente; Durao do impulso; Tempodesubidadoimpulso;(aenergiadissipadaduranteotempoentre 100% e 50% da onda do impulso de corrente); No-linearidade dos varistores. Para calcular a energia absorvida pelo pra-raios durante um impulso utilizada como referncia uma onda normalizada de corrente. Estas formas de onda, prescritas na norma NBR 6936 seo 5.5, podem ter forma exponencial ou forma retangular [16]. 41 Aenergiaqueinstantaneamenteinjetadaduranteumasimplesdescargano podeexcederumvalornoqualosvaristoresdexidodeZincoestariamsujeitosa estressetermomecnico.Nessecontextopode-sefalardedoisaspectos. Primeiramente,acapacidadedeabsorodeenergiaaumimpulsonico.Aenergia injetadaemalgunspoucosmicrossegundosresultaemaumentodetemperatura associadacomesforosdetensosobreaestruturacermicadomaterial.Istopode levarapequenasfissurasouquebradoresistor.Comonosepodedissipar rapidamenteocaloratravsdomaterialqueoreveste,estresseadicionalpode ocorrer. Na forma exponencial o impulso de corrente cresce at o valor de crista em um tempocurtoedecresceazerocomumaformaexponencialousenoidalfortemente amortecida. Este impulso de corrente definido pelo tempo de frente (T1) e pelo tempo atmeiovalor(T2).Aformaaproximadamenteretangulardefinidapeladuraoda crista (Td) e duraototal (Tf) do impulso. Comofoiutilizadaparaosensaiosvamosexemplificaraformadeonda exponencial 8/20 s, considerada como corrente de impulso atmosfrico, com limites noajustedoequipamentotaisqueosvaloresdetempo,medidosapartirda origem virtual, estejam entre 7 s e 9 s para o tempo de frente e entre 18 s e 22 s para o tempo at o meio valor na Figura 14 [16]. Figura 14 Impulso de corrente exemplificando a forma de onda exponencial. A forma de onda retangular, conhecida como corrente suportvel de impulso de longadurao,definidacomoaduraodecrista(Td)otempodeduraoentre 42 500 s,1000s,2000s,ouentre2000se3200s,definidocomoimpulsode correnteretangularquecrescerapidamenteatumvalormximo,permanece substancialmenteconstanteporumperodoespecificadoedecrescerapidamentea zero. Os parmetros que definem um impulso de corrente retangular so: polaridade, valordecrista,duraovirtualdecristaeduraovirtualtotal,conformedefinidona norma NBR 6939 [16], como mostrado na Figura 15. Figura 15 Impulso de correnteexemplificando a forma de onda retangular. A energia mxima absorvida no representa a qualidade do varistor, mas pode ser uma valiosa indicao quando so comparadas diferentes sries de varistores que apresentam a mesma tenso nominal [4]. Aenergiamximaindicadapelosfabricantesvlidaconsiderando-se impulsoscomduraopadroentre10e1000s.Quandosoaplicadosaos varistoresmaisdeumimpulso,recomendvelsolicitarfatoresdecorreo adequados aos fabricantes [4]. Contudo, cientificamente, a energia absorvida por um varistor, para a aplicao de um impulso, pode ser calculada atravs da seguinte expresso:

=tdt t i t v E0) ( ) ( (3) 43 2.4.5.4. Tenso de ruptura Ummodelosimplespararepresentaraspropriedadeseltricasdos varistores,baseadonoestudodamicroestruturadosvaristoresdeZnOdesenvolvida porMatsuoka[1]mostradonaFigura16[2].Combasenestemodelo,estudosdo mecanismo de conduo e do comportamento dos parmetros eltricos dos varistores de ZnO foram realizados [6].

onde: rg - Resistncia srie representativa dos gros de ZnO; RCI - Resistncia no-linear da camada intergranular; CCI - Capacitncia da camada intergranular. Figura 16 - Circuito eltrico equivalente representando um varistor de ZnO [6]. EstemodeloapresentaumcircuitoRCparalelo,representandoacamada intergranular,responsvelpelano-linearidadedovaristor.Associadoaestecircuito, existeumaresistnciargdepequenovalor,representandoogrodeZnO. Normalmente,rgpodeserdesprezadaeRCI eCCIvariamcomatemperaturae freqncia [2].Ocampoeltricoderuptura(Er)definidopelonmeromdio(n)de barreiras eltricas (Vb) formadas em srie entre os eletrodos do material, ou seja: Er = n. Vb(4) As barreiras eltricas so formadas nos contornos de gros do material como mostraaFigura17.Quandoumdeterminadocampoeltricoaplicadoocorreuma 44 quedadetensonosentidogro-contornodegroecomoonmeromdiode barreiras eltricas inversamente proporcional ao tamanho mdio de gros, a tenso de ruptura tambm pode ser definida como; L. Vb Er =d (5) = 1010 - 1012 .cm = 1 - 10 . cm Eletrodo Onde: L o espaamento entre os eletrodos; d o dimetro mdio dos gros. Figura 17 - Modelo idealizado da microestrutura de um varistor [17]. 2.4.5.5. Corrente de fuga (If) Osaspectosconcernentescorrentedefuga(If)emvaristoresdeZnOsode fundamentalimportnciaparaoprojetoeoperaodessesdispositivos,poisesto diretamente relacionados aos problemas de transferncia de calor que neles ocorrem, contribuindofortemente,emltimainstncia,paraadeterminaodavidatildo varistor [5]. A compreenso do comportamento da corrente de fuga, na regio de pr-corte de um varistor de ZnO (regio de baixas correntes), importante por duas razes [4]: Determina a perda Joule que prevista de ser gerada quando um varistor submetido tenso de operao. 45 Determinaaamplitudedetensodeoperaoqueodispositivopodeser submetido sem gerar uma quantidade excessiva de calor. I(mA)t(ms)ITotalIResistivaICapacitivaCORRENTE DE FUGA DO VARISTOR Figura 18 - Corrente de fuga de varistores [4]. ParaaplicaodovaristoremsistemasCAacorrentedefugatotal,IT,na regiodepr-ruptura,compostadeumacomponenteresistiva,IR,euma componente capacitiva, IC, correspondendo respectivamente, aos aspectos resistivos e capacitivosdaregiodecontornodegro.Acomponenteresistivaapresentamaior importncia,umavezqueresponsvelpelasperdasjoulequeprovocam aquecimentonodispositivo.Quandoovaristorsubmetidoaumasobretensooua umasobretemperatura,IRaumentacomotempo.Estefenmenoaceleradopara tensesdeoperaomaiselevadaseparatemperaturasdeoperaoelevadas.A vida til de um varistor de ZnO principalmente determinada pela amplitude de IR e a suaevoluocomosefeitosprovocadospelosparmetrosesolicitaesimpostas, tais como, composio qumica do varistor, temperatura de operao, tenso aplicada e o tempo de durao da tenso aplicada [4]. Na maioria das formulaes comerciais para varistores de ZnO o valor de IR compatvelcomosmecanismosdedissipaodecalordodispositivo.Quanto composio qumica, em geral, dopantes receptores (aceitadores) reduzem a corrente de fuga, ao passo que dopantes doadores conduzem ao aumento de IT. Os efeitos da 46 temperaturaetensosobreIT,ICeIRsoparecidos,comIRcrescendomais rapidamente. O efeito do tempo sobre estas correntes (numa dada tenso) anlogo aoefeitodatemperatura.Sobelevadastenses(numadadatemperatura),IT,ICeIR aumentam com o tempo de aplicao da tenso; contudo, o incremento sobre IR bem maispronunciado,levandoaoaumentodatemperatura,detalformaque,aps prolongadosperodosdeoperaosobtaiscondiespodeocorrerumeventual descontroletrmico(avalanchetrmica)dodispositivo.AdependnciadeIRcomo tempo assim o parmetro mais significativo na determinao da vida til do varistor [3, 5]. AFigura19(a)e(b)mostraumvaristorapsofenmenodaavalanche trmica. (a) (b) Figura 19 Incremento de tenso sob o varistor, IR aumentando com o tempo de aplicao da tenso; levando ao aumento da temperatura, ocorrendo um descontrole trmico (avalanche trmica) do dispositivo, levando o varistor a ruptura. 47 2.4.5.6. Degradao de varistores de ZnO Adegradaodosvaristores,emgeral,podeserumprocessoqueconduza umaumentodadissipaodeenergiaprovocandoumaelevaoexcessivada temperaturaefugatrmicaespontneacomprometendo,destaforma,avidatildo varistor. A maior parte dos estudos de degradao baseado em testes simulando um envelhecimento acelerado, sob tenses eltricas, em temperaturas variando entre 100 e200C.Destaformapodemseravaliadosoaumentodacorrenteoudissipaode energiaparaumadadatensoemfunodotempoatravsdediferentestcnicas experimentais [5]. OfenmenodadegradaoemvaristoresabasedeZnOtemsido intensivamenteestudado,tantosobaplicaoconstantedetensocontnua(CC)ou tensoalternada(CA)porumdeterminadoperododetempo,quandosobaode uma srie de impulsos de corrente [5].Aps submeter um varistor a uma tenso constante por um longo perodo [12], observa-se um aumento significativo da corrente de fuga,Omecanismodedegradaoumfenmenorelacionadocomaregiode contornosdegrosdeZnOeissopodeserobservadopelacomparaonas caractersticas da curva V x I antes e depois do condicionamento do bloco. Observa-se naFigura19queadegradaooualteraodascaractersticaseltricasocorre principalmente na regio linear de baixa corrente, ficando a regio de alta corrente no afetadapeloestresseaplicadoaobloco.Tambmpodemosnotarquearegiono-linear nesse caso no apresenta modificaes [6].Volts1010101010101010 10 10 10 10 10 10-12-2-10123-10 -8 -6 -4 0 -2 2AmperesAntes de stressAps stress dePolaridadepositivaAps stress dePolaridadenegativa Figura 20 -Exemplo de degradao do varistor, aps longo perodo sob tenso constante [12]. 48 Osmecanismosquetmsidosugeridosparaexplicarofenmenoenvolvem aprisionadoresdeeltrons,formaoeorientaodedipolos,migraoinica,e dessorodeoxignio.Emboratodosestesfenmenospareamocorrer,ahiptese damigraoinicatemmostradoestarsuportadaemmaioresevidncias experimentais [apud 5]. Neste sentido, tem-se que: (1) a degradao um fenmeno decontornodegro;(2)elaconseqnciadamigraodeonsexistentesna camadadedepleo;(3)osonsmigrantesso,predominantemente,espciesde zincointersticiais.Umaforteevidnciademigraoinicafoiprimeiramenteobtidaa partirdemediesdecorrentetermicamenteestimulada,emvaristoressob aplicao de tenses elevadas [Apud 5]. Sob o ponto de vista eltrico, o estudo do fenmeno de degradao nos varistores de ZnO tm sido reportado em diversas literaturas atravs de trs diferentes condies [2]: Degradao devido a impulsos de corrente de elevada amplitude ou decorrentes de longa durao associados a altas energias. Aumentodapotnciadissipadaquandodasolicitaopermanenteportenses alternadasoucontnuasapsaaplicaodeimpulsosdecorrentedeelevada amplitude ou de longa durao. Aumentodapotnciacomotempoquandocontinuamentesolicitadoportenso alternada ou contnua. Noprimeirocaso,adegradaolevaadestruiodosvaristoresepodeocorrer sobduasformasdistintas,pelarupturadosvaristorescausadaporimpulsosde corrente de alta intensidade e curta durao ou pela perfurao causada por impulsos de corrente de menor intensidade, porm de longa durao. A destruio por ruptura atribudaagradientesdetemperaturageradosporimpulsosdecorrentedeelevada amplitude.Estesgradientessoresponsveispelastensestrmicasnovaristor devido expanso trmica diferencial. A destruio dos varistores por perfurao est relacionadacomadistribuionouniformededensidadesdecorrenteaolongoda seo do varistor. Desta forma, quando da circulao de correntes de impulso haver uma determinada rea com uma maior concentrao de corrente, o que provoca uma elevao de temperatura localizada, podendo conduzir a fuso desta rea do varistor. Para avaliar a performance dos varistores de ZnO frente a impulsos de alta corrente e impulsosdecorrentedelongaduraoassociadosaaltasenergias,prescritaem diversas normas a realizao dos ensaios eltricos de corrente de impulso elevada e impulso de corrente retangular ou de descarga de linhas de transmisso [4]. 49 AdegradaodevidoaoaumentodepotnciaCAouCC,provenientede solicitaestransitriasestrelacionadacomobalanoentreaenergiageradapelo varistor devido ao surto e a capacidade do varistor de dissipar esta energia. Este tipo dedegradaoprovocaumareduogradualnamximatemperaturaparaaqualo varistortemcapacidadededissiparasenergiasprovenientesdesurtos,ouseja, diminuigradualmenteacapacidadedeabsorodeenergiadosvaristoresamedida quesosolicitados.Seaenergiaabsorvidapelosvaristoresforsuperiorasua capacidadededissipao,poderocorrerofenmenodeinstabilidadetrmica, tambmchamadadeavalanchetrmica,conformemostradoacima(Figura19).Um aumentodetemperaturanovaristor,devidoaocoeficientedetemperaturanegativo para a regio de baixas correntes, acarretar em uma maior corrente resistiva CA ou CC,queporsuavezproduzirmaioresperdasCAouCC,quetendeaelevara temperatura do varistor. Desta forma, um processo cclico poder ocorrer, at que haja a falha do varistor. O ensaio de ciclo de operao combinado prescrito nas normas para avaliar o desempenho dos varistores frente a este tipo de solicitao [2]. Oterceirotipodedegradaoconsisteemumaumentogradualdacorrente resistivacomotempo,equepodeconduzirainstabilidadetrmica.Aaplicaode tensoCAouCCcontinuamentesobreosvaristoresgeraumacertaquantidadede calor devido a perdas por efeito Joule. Uma vez atingida uma determinada quantidade decalorgeradanovaristor,umprocessoderealimentaopositivapoderocorrer, devidoadependnciadacorrentecomatemperatura,conduzindoovaristora instabilidadetrmica.Estudostmdemonstradoquenestetipodedegradaoo aumentotemporaldacorrenteresistivaproporcionalaraizquadradadotempo.Osestudosanalticoseexperimentaisrealizadossobreesteprocessodedegradao, descrevemacondiocrticadaestabilidadetrmica[Apud2].Combasenestes estudos a vida til dos pra-raios tem sido estimada a partir da relao de Arrenhius. UmensaiobaseadonaleideArrenhius,prescritonasnormasoensaiode envelhecimentoacelerado.Esteensaioconsistenaaplicaodatensocontnuade operao do varistor por um perodo de 1000 horas, a uma temperatura de ensaio de 115 3oC, o que equivale, segundo a teoria de Arrenhius, a uma vida til de 110 anos a uma temperatura de 40oC [6]. Esse efeito de envelhecimento se deve- as barreiras de Schottky diminudas, cuja causa principal a migrao de ons nas barreiras dos gros de ZnO, e de dentro dos grosparaosseuscontornos.Contornosmaisbaixossignificamquemaiseltrons passaro os contornos de gros na mesma tenso aplicada, e isso provoca correntes defugamaiores.Oenvelhecimentodependemuitodatemperatura.Osfabricantes esforam-separaconseguirqueamodificaoestruturalsejasuficientementelenta 50 paraqueamodificaodacaractersticafiquedentrodemargensaceitveis.A correntequefluiatravsdovaristordeZnOnestatensocompostapela componentecapacitivaepelacomponenteresistiva.Quandoacorrenteresistivaflui atravsdovaristor,porumlongoperodo,aestruturafsico-qumicadascamadas intergranularesmudacomotempo,devidoaodeslocament