Materiais e Equipamentos Elétricos. Aula 3 Materiais isolantes e cerâmicos

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

ϵ _r = Q

Q ₀ = C C ₀ ϵ=ϵ _r ϵ ₀

ϵ ₀ = 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/cm

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 K

O.3Al

O

.6SiO

.2H

O e a flogopita K

O.3Al

O

.12MgO.12SiO

.2H

O

●

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