A ARBORESCÊNCIA EM SÓLIDOS DIELÉTRICOS
ANALISADA COMO UM TÍPICO CASO DE DIFUSÃO.
José Wilson C. Carvalho *
* Depto. de Pesquisa e Desenvolvimento da Dow Brasil S.A.-Rua Alexandre Dumas, 1671- São Paulo, 04717-903, S.P. wilsonjc@dow.com
The treeing in dielectrics solids analyzed as a typical diffusion case.
The treeing in dielectric solid materials, especially in power cables insulation, is appointed as the responsible phenomenon for the main electrical fails source. The diffusion is the main responsible process for the growth and development of defects in dielectric materials used as insulation materials in power cables.
This paper presents the diffusion process as the root cause of the development and growth of the treeing in power cables. As the main aspect of the treeing development is the presence of the electrical field and the water, all means of avoiding water in the insulation must be done during the cable making. The use of retardant agent of treeing in the insulation products is being pointed as the better way to enlarge the power cable life.
Introdução
Polímeros têm sido utilizados de maneira intensiva desde a descoberta do baquelite em 1908 por Leo H. Baekeland(1). Os polietilenos apresentam-se como um
dos polímeros mais utilizados na produção de cabos de energia. Deve-se notar que o desenvolvimento do polietileno de baixa densidade (PEBD), deveu-se a sua utilização direcionada para a fabricação de cabos para radares, tornando-se desta forma o primeiro polímero a ser utilizado como material isolante em aplicações elétricas(2). Na década de 60 o polietileno foi utilizado
como isolante em cabos de energia em instalações subterrâneas, sendo 75°C sua temperatura máxima de utilização, dado ao seu caráter termoplástico. Ainda na década de 60, surge o polietileno de baixa densidade reticulado (XLPE) utilizado como isolante, apresentando como vantagem uma maior temperatura de operação, 90°C, permitindo desta forma um melhor desempenho dos cabos de energia.
Na década de 70 é descoberto o fenômeno da arborescência, surgindo novos materiais como o polietileno de alto peso molecular, agora com a adição de agente específico retardante à arborescência (PEAPM RA). Na década de 90 é observado o aprimoramento dos compostos de polietileno utilizados como semicondutores na produção de cabos de energia, associado ao problema de minimizar o fenômeno da arborescência. Esta década marcou o início da utilização do XLPE contendo agente retardante a arborêscencia como material isolante (XLPE RA), representando um grande avanço no processo do aumento da vida útil dos cabos de energia. É da época de 90 também o desenvolvimento de capas utilizando
polietileno de baixa densidade linear (PEBDL) que mostrou significativa melhoria no aumento da vida útil dos cabos pela redução da permeabilidade da umidade nos cabos de energia. Recentemente podemos citar o desenvolvimento dos compostos semicondutores superlisos, como responsáveis pela minimização da nucleação das arborescências(2).
Envelhecimento
O envelhecimento de um dielétrico é a variação do comportamento de suas propriedades ao longo do tempo, através da mudança irreversível no desempenho dos sistemas de isolação, e por um índice de falha que aumenta com o tempo. Entre os fatores principais reconhecidos como causadores do envelhecimento e deterioração de um dielétrico podemos citar as solicitações de natureza, térmica, elétrica e condições ambientais como umidade, e a presença de contaminantes ou vazios no material isolante. Os processos de envelhecimento de fundamental importância no desempenho de materiais são: o envelhecimento físico e o químico.
O envelhecimento físico é usualmente descrito em termos de aumento no volume livre. O volume livre é a diferença entre o volume ocupado pelo polímero líquido ou amorfo a uma determinada temperatura, e o volume que o mesmo ocuparia no zero absoluto. O volume livre aumenta proporcionalmente com a temperatura, em função do aumento da amplitude das oscilações não harmônicas dos átomos e moléculas do sistema, com a formação de microvazios.
A ruptura dielétrica pode ser influenciada pelo movimento de portadores de carga nos vazios do material, oriundos do volume livre. Essas microcavidades podem ser geradas em
situações nas quais os isolantes são expostos a uma elevação de temperatura com a consequente fusão de pequenas e imperfeitas lamelas cristalinas seguidas de resfriamento posterior, possibilitando o aparecimento de processos de recristalização e a redução nas dimensões das lamelas. No caso do polietileno, temperaturas da ordem de 90°C podem acelerar a produção destas microcavidades. O envelhecimento químico usualmente é o resultado da formação de radicais livres. Tais radicais são quimicamente reativos e levam à propagação da quebra das cadeias, bem como da reticulação. O início do processo de envelhecimento químico pode ter origem térmica, oxidativa, pela absorção de radiação ultravioleta ou ionizante, bem como de natureza mecânica.
Reações de origem térmica são originadas pela dissipação do calor através da passagem da corrente elétrica pelo condutor, pelo efeito Joule. A oxidação pode ocorrer pela reação de subprodutos do processo de polimerização, como catalisadores e íons metálicos. Reações de foto-oxidação ocorrem em maior intensidade pela ação da radiação ultravioleta sobre as cadeias poliméricas expostas à luz solar, bem como pela ação de radiações ionizantes como os raios x e γ, que induzem a rápida degradação nos polímeros. O envelhecimento gerado por origem mecânica tem como causa o processamento, pela contínua quebra de cadeias do polímero. Este mecanismo representa um importante fator no qual a geração de volumes livres e quebra de cadeia podem ser interligados para contribuir com a degradação polimérica. A hidrólise, na qual ocorre a geração de íons hidrogênio ou hidroxilas, produzidos pela dissociação da água, também se apresenta como outro tipo de causa do envelhecimento químico.
Apesar das degradações física e química ocorrerem na ausência de campo elétrico, estas podem ser aceleradas sob seu efeito. As formas mais severas de degradação são de origem elétrica, dentre as quais destacam-se as descargas parciais e as arborescências. A degradação associada ao processo de envelhecimento é denominada de baixo nível, pois as tensões elétricas necessárias para que se desenvolvam são várias ordens de magnitude inferiores à tensão de ruptura do material.
Arborescência
Dentre os mecanismos de envelhecimento sob ação do campo elétrico, destaca-se a arborescência como um dos principais causadores de defeitos em materiais poliméricos utilizados como isolantes. O termo é aplicado ao problema causado em um dielétrico submetido a uma solicitação elétrica. O aspecto resultante assemelha-se a forma de uma árvore, daí a associação do nome arborescência.
Este defeito reduz consideravelmente a rigidez ou suportabilidade do material conduzindo à ruptura dielétrica. O fenômeno ocorre em todos os polímeros sendo sua visualização muitas vezes mascarada pela presença de cargas nos compostos isolantes que impedem a sua visualização, como no caso das borrachas, como as de etileno propileno (EPR)
utilizadas como isolantes. Em dielétricos sólidos a arborescência é reconhecida como sendo o principal mecanismo de falha elétrica(2). Na figura 1 é mostrado o
aspecto de uma arborescência observada no isolamento de um cabo de energia.
Figura 1 – Arborescência em dielétrico polimérico.(2)
O grau de suportabilidade do dielétrico à ruptura pode ser fortemente afetado pela presença de arborescências que são classificadas em dois tipos: Arborescência Elétrica e Arborescência de Água.
A arborescência elétrica tem sua origem em um ponto de solicitação elétrica elevada e divergente, e progride no dielétrico seco através do crescimento motivado por descargas parciais. Este fenômeno foi descoberto em 1912 por E. H. Rayner, que relatou em sua investigação sobre a ruptura dielétrica na presença de descargas parciais. A propagação da arborescência elétrica se faz geralmente no sentido do campo. Os tempos de propagação são curtos, variando de alguns segundos a dezenas de minutos. O desenvolvimento da arborescência elétrica é, via de regra, acompanhada de descargas parciais mensuráveis. Sua presença é caracterizada pela geração de gás e fenômenos de luminiscência.
A arborescência de água, por sua vez cresce no dielétrico sob a ação de um campo elétrico na presença de umidade, entretanto, sem apresentar descargas detectáveis. Pode ter origem nos vazios e imperfeições do polímero onde o campo elétrico não é homogêneo. A arborescência de água tem esta denominação em função da presença ativa da água no processo de degradação. Sua descoberta foi reportada em 1969 por Miyashita(3) que observou o
fenômeno em enrolamento de motores submersos. Publicações posteriores reportaram a ocorrência do fenômeno em cabos isolados em PEBD bem como no XLPE. Distintas das arborescências elétricas que apresentam canais, as arborescências de água são difusas, e tendem a desaparecer quando o material é submetido à secagem, porém ressurgem na presença de umidade. Isso sugere que são formadas por pequenos canais ao longo dos quais a água penetra sob a influência do campo elétrico. O material exposto a uma solicitação elétrica e água, tende a sofrer degradação, fadiga ou fissuras, podendo desta forma dar origem a uma arborescência de água. A nucleação pode ser causada por um vazio, a presença de contaminantes, ou no caso mais comum, pela presença de protuberâncias na interface da isolação com a semicondutora interna nos cabos de energia.
Considerando que as arborescências constituem um meio dielétrico de maior permissividade que o material base,
seu aparecimento muda a distribuição local do campo elétrico, e este campo no ponto do defeito pode ser aumentado conduzindo à ruptura dielétrica. O risco depende do teor de água e das dimensões das arborescências de água. Quanto maior o teor de água maior a permissividade, portanto maior o risco. O fenômeno é considerado por Miyashita(3) e Xu(4), como
um dos principais problemas dos cabos isolados. Ainda não foi encontrado um consenso a respeito da morfologia das arborescências de água, mas, dois modelos podem ser apresentados. O primeiro considera que as mesmas são formadas por canais contínuos, enquanto o outro modelo é visto como constituído por uma alta densidade de microvazios não conectados conforme proposição apresentada por Moreau (5), ou no
caso de Nicholls(6) que apresenta a ocorrência
simultânea dos dois modelos.
As arborescências de água podem apresentar-se como sendo do tipo Gravata Borboleta ou do tipo Leque. As primeiras ocorrem no interior do dielétrico enquanto que o tipo Leque aparece na interface, semicondutora interna e isolação. Apesar do intenso estudo sobre o fenômeno, não existe uma explicação consistente sobre a formação e desenvolvimento da arborescência(4-15).
Acredita-se que vários processos aconteçam em paralelo: difusão da água, supersaturação, oxidação, migração de íons sob a ação de campo elétrico e forças eletromecânicas(4).
Parece haver um consenso entre a maioria dos pesquisadores de que a arborescência de água não obedece a um único mecanismo, mas a uma complexa combinação entre deles, e os vários processos que a envolvem ocorram antes e durante seu crescimento(3).
O domínio relativo de um processo sobre o outro depende da morfologia do material(7). Shaw(8) defende
que os mecanismos de controle podem ser de caráter químico, elétrico ou mecânico.
Estudos comprovaram que as arborescências de água propagam-se em maior intensidade no polietileno quando comparado ao polietileno reticulado(9). O
conteúdo de sais dissolvidos na água também pode ter efeito sobre o crescimento das arborescências de água, pois a presença de íons na água tende a aumentá-las. Quanto ao aspecto elétrico, o mecanismo de dieletroforese(10) é considerado como um fator muito
importante na geração e crescimento da arborescência. Neste mecanismo um pequeno corpo de maior permissividade que o meio a sua volta, como uma gotícula de água num dielétrico, apresenta um dipolo induzido e é atraída no sentido da maior intensidade do campo. No aspecto eletromecânico a eletroosmose é também um mecanismo a ser considerado, pois os íons solvatados são deslocados para o interior ou exterior de um dielétrico sob a ação de um campo alternado. Espécies de cargas opostas formam um par iônico em algum ponto do material. O par iônico requer menos água de solvatação que os íons liberando moléculas de água que difundem e podem causar deformações estruturais locais.
Sob o aspecto térmico, a aplicação de um campo intenso sobre o material dielétrico gera calor pelo efeito Joule, que pode agir sobre a água presente nos
vazios do polímero e que ao vaporizar-se forma microfissuras devido à alta pressão do vapor gerado. O crescimento da arborescência de água é fortemente influenciado pelas propriedades mecânicas e pela estrutura morfológica dos materiais isolantes. Estas propriedades são fatores decisivos na resposta do polímero à penetração da água e, por consequência, à propagação das arborescências. Como as arborescências influenciam na extensão e grau do dano mecânico são também fatores determinantes da rigidez dielétrica da isolação.
Dentre os modelos que procuram explicar o aparecimento e o crescimento das arborescências, destaca-se o modelo KEMA(14) que atribui o fenômeno a três causas que podem
atuar de modo isolado ou simultâneo, a saber: a oxidação; a quebra de cadeias e a difusão de íons.
Os polímeros assim como todos os compostos orgânicos são vulneráveis a oxidação. A degradação motivada pela oxidação é provocada pela ação do oxigênio presente na atmosfera bem como outras fontes oxidantes. A reação pode originar-se por processo físico, como a radiação ultravioleta ou ionizante, calor, ultra-som, tratamento mecânico ou por fatores químicos. A reação de oxidação é normalmente iniciada por hidroperóxidos incorporados durante a síntese ou processamento do material. O fenômeno da degradação do polímero ocorre mais rapidamente quanto maior a temperatura, sendo o calor o agente de deterioração do material tanto na presença como na ausência do oxigênio. Mesmo o polietileno que é praticamente inerte a temperaturas moderadas na ausência de luz, reage de forma relativamente rápida na presença de oxigênio.
A hipótese de que a oxidação é agente causador da arborescência de água é defendida por vários autores inclusive por Henkel(12) que sugere que a formação de
hidroperóxidos conduz a uma decomposição do polímero que é acelerada na presença de íons metálicos. Desta forma foi constatado um elevado índice de oxidação em regiões de arborescência em cabos isolados de 5 kV com seis a oito anos em serviço.
Quanto à quebra de cadeias, muitas teorias têm em comum de que o fenômeno gera uma estrutura mais aberta. Tais teorias tem sido confirmadas por técnicas como a microscopia ótica de transmissão de elétrons e por infravermelho. A presença de grupos carboxílicos como produtos de oxidação denotam a ocorrência de quebra de cadeias.
O modelo KEMA sugere uma hipótese para o crescimento das arborescências que incorpora efeitos eletrofísico e eletroquímico. Determina que a difusão de água ou de íons nas arborescências, sob o efeito de um campo elétrico, aumenta a permissividade local bem como a condutividade iônica. Quando o campo é aumentado, o efeito eletrofísico também o é, tornando-se predominante. As reações eletroquímicas, por sua vez tendem a ocorrer na interface das arborescências com o isolante. O campo elétrico pode induzir a formação de radicais e carga espacial nas cadeias poliméricas. A presença de água, que usualmente contém espécies reativas e catalíticas, conduz à formação de grupos hidrofílicos, tais como carboxilados que podem provocar quebra de cadeias. Danos mecânicos como a quebra de cadeias, podem provocar o aumento das dimensões dos canais assim como a permeabilidade. O
modelo além de destacar a oxidação, a quebra de cadeias e a difusão de íons como processos geradores de arborescência de água, procura interrelacioná-los. A difusão de íons e de água, na presença de um campo elétrico, pode ser altamente influenciada pela oxidação e pela quebra de cadeias. No sentido inverso se a difusão é aumentada, a oxidação pode acontecer mais rapidamente colaborando com a formação da arborescência. Em estudo com polietileno foi mostrado que a rigidez dielétrica do XLPE é reduzida com o aumento do envelhecimento e que a concentração de íons tem influência direta no crescimento das arborescências.(16).
Ruptura Dielétrica
A condutividade residual em materiais isolantes tem como causa mais frequente a presença impurezas, as quais propiciam a geração de portadores de carga em forma de íons ou elétrons. Em campos elétricos elevados, os portadores podem ser injetados para dentro do material isolante pelos elétrons, como sugere o mecanismo de injeção de Schttky ou ainda gerados por diversos mecanismos internos como o efeito Poole-Frenkel produzindo um aumento de corrente muito mais rápido que o previsto na Lei de Ohm, conduzindo a uma dissipação de calor com possível falha do material isolante, fenômeno este conhecido como ruptura do dielétrico.
Nos sólidos, a ruptura dielétrica é irreversível e causa a destruição do material. É normalmente provocada pela ação simultânea de um conjunto de fatores integrados, porém via de regra, o último estágio da falha elétrica de um isolamento polimérico é de natureza térmica. O termo é usado para descrever processos nos quais um considerável aumento da corrente resulta de uma pequena variação da tensão elétrica.
Difusão
Difusão é o processo de transporte de uma substância em um determinado meio, provocado pela migração termicamente ativada que podem incluir átomos, íons, moléculas, segmentos de cadeias poliméricas e macromoléculas. Os aspectos, macro e microscópico são afetados pela estrutura molecular da matriz polimérica.
As equações fundamentais de difusão foram apresentadas por Fick em 1855, que percebeu a analogia existente entre transferência de massa e transferência de calor. Em 1936, Eyring propôs uma teoria de difusão em sólidos envolvendo um estado ativado de transição. A teoria de Eyring conhecida como Teoria das Velocidades Absolutas, assume que a migração de uma partícula consiste de uma série de movimentos ou saltos de uma posição, caracterizada por uma energia livre mínima, para outra. Barrer, em 1937, propôs a Teoria do Volume Livre, baseada no aparecimento de microvazios capazes de acomodar uma partícula que se difunde, desde que o sistema possua um volume livre que, por sua vez, seja continuamente redistribuído em função do movimento térmico das partículas(14). Na teoria de Barrer a
molécula difundida move-se para sucessivas posições
de equilíbrio quando absorve uma quantidade suficiente de energia, ou seja, as moléculas difundidas devem adquirir energia para transpor sucessivamente as barreiras de potencial existentes entre as suas posições (14).
A teoria matemática da difusão em uma substância isotrópica está baseada na hipótese de que a taxa de transferência de uma substância que difunde através de uma área de uma determinada seção, é proporcional ao gradiente de concentração medido, na normal à referida seção, a saber(14):
(1.1) Onde:
é o vetor que mede a taxa de transferência da substância por unidade de área da seção;
C é a concentração da substância que se difunde; D é o coeficiente de difusão.
Considerando o princípio da conservação da massa, é possível escrever:
(1.2) a partir das equações 1.1 e 1.2 obtém-se:
(1.3) As equações (1.1) e (1.3) são usualmente denominadas Primeira e Segunda Leis de Difusão de Fick.
Frequentemente a difusão ocorre efetivamente em apenas uma direção.
Neste caso a equação (1.3) se reduz a:
(1.4) A solução desta equação para condições de contorno apropriadas, com coeficiente de difusão constante, permite obter a quantidade Qt de uma substância que se difunde
através do filme, no intervalo de tempo t, através de:
)
/
exp(
)
1
(
2
6
1
2 2 2 1 2 2 2n
Dn
t
l
l
Dt
lC
Q
n n tπ
π
−
−
−
−
=
∑
∞ = (1.5) Onde: l é a espessura do filme,C é a concentração da substância que se difunde, D é o coeficiente de difusão, e
n um número inteiro.
Se o intervalo de tempo t for muito grande, os termos exponenciais da equação (1.5) tornam-se desprezíveis, assim a equação (1.5) se reduz a:
)
6
(
2D
l
t
l
DC
Q
t=
−
(1.6)
A temperatura no processo de difusão assume um papel importante, seu efeito foi mostrado primeiro por Barrer em
)
ˆ
ˆ
(
k
z
C
j
y
C
î
x
C
D
F
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
−
=
→F
r
0
=
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
t
C
z
Fz
y
Fy
x
Fx
)
(
)
(
)
(
z
C
D
z
y
C
D
y
x
C
D
x
t
C
∂
∂
∂
∂
+
∂
∂
∂
∂
+
∂
∂
∂
∂
=
∂
∂
)
(
x
C
D
x
t
C
∂
∂
∂
∂
=
∂
∂
1937(14). O coeficiente de difusão depende da
temperatura segundo uma função de Arrhenius:
)
/
exp(
0E
RT
D
D
=
−
D(1.7) Onde, Do é um fator pré-exponencial,
ED a energia de ativação para o processo de difusão,
R a constante dos gases,
T a temperatura expressa em Kelvin.
A energia de ativação é a medida da energia despendida contra as forças de interação do polímero na formação de canais através dos quais a difusão acontece.
Grau de Cristalinidade e Difusão
Os íons movem-se mais facilmente na fase amorfa que na cristalina devido ao efeito do volume livre(15).
Algumas experiências mostram que a difusão ocorre preferencialmente nas regiões dos contornos entre as fases amorfa e cristalina. As lamelas, cristalitos, esferuritas, e demais estruturas ordenadas presentes na fase cristalina dos polímeros são impermeáveis aos componentes da difusão e normalmente, a redução da difusão é relacionada com o aumento do grau de cristalinidade do polímero(16).
Os defeitos cristalinos, no entanto, podem constituir um elemento importante de difusão, e segundo Vieth(17)
o mecanismo de difusão nesses defeitos é análogo ao observado na difusão de gases em poros muito pequenos, sendo que a difusão através desses defeitos é mais fácil que na fase amorfa quando relacionado ao número de defeitos cristalinos nesta fase, como mostrado na figura 2.
Figura 2 – Caminho preferencial da difusão através de defeitos
cristalinos.(17)
O Papel da Difusão de Íons nas Arborescências de Água
O papel da difusão de íons no mecanismo de crescimento das arborescências foi estudado por vários pesquisadores(18-19). Os trabalhos apresentados tratam
do fenômeno da arborescência de uma forma geral e dedicam-se parcialmente ao estudo da difusão, incluindo a difusão de íons como um dos fatores que afetam a penetração de água no polietileno.
Resultados apresentados por Shaw(8) sugeriram um
mecanismo com avaliação microscópica das arborescências, tendo em conta a penetração de íons solvatados sob a influência de um campo elétrico. Consideravam a difusão de íons como um dos mecanismos de formação e propagação de
arborescências. O modelo que mostra que um campo elétrico modifica a migração de íons em um dielétrico e o mecanismo que descreve a penetração de íons em polímeros, foi relatado por vários pesquisadores, enquanto Pöhler(18) determinou a difusão de íons através da camada
semicondutora interna em cabos isolados com polietileno como um dos agentes formadores das arborescências. No caso dos cabos isolados por polietileno ocorre o crescimento da arborescência na presença em alta concentração de íons na semicondutora interna. Trabalhos experimentais de Pélissou(13) demonstraram que a
concentração de íons provenientes de uma solução de cloreto de sódio promove o crescimento das arborescências de maneira muito rápida, procedimento este que é utilizado atualmente no método de crescimento acelerado das arborescências em testes de laboratório onde se deseja determinar a resistência dos materiais ao crescimento das arborescências, conforme ASTM D 6097. A análise das equação 1.5 nos permite observar que a difusão é dependente de propriedades como o tempo, a temperatura, e a concentração de íons presentes. Da mesma forma podemos analisar a correlação destes parâmetros no desenvolvimento das arborescências, mostrando sua inter-relação ao processo de difusão. Desta forma o tempo, a temperatura e a concentração de íons são parâmetros diretamente relacionados ao crescimento das arborescências. Na figura 3 é mostrado o efeito do tempo no crescimento das arborescências, enquanto na figura 4 mostra o efeito da temperatura no crescimento das arborescências. Notar que o XLPE contendo retardante a arborescência é apresentado nos gráficos com a notação XLPE RA 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 30 60 90 120 180 XLPE XLPE RA
30 dias; 5 kV, 1.0 M NaCl, temp Ambiente, ASTM D-6097
T a m an h o d a A rb o re sc ên ci a (mm) dias
Figura 3 – Efeito do tempo no crescimento da arborescência(20).
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 30 60 90 120 XLPE RA 40C XLPE RA 65C XLPE 40 C XLPE 65 C dias Ta m a nh o d a A rb or e sc ên ci a ( m m )
Figura 4 – Efeito da temperatura no crescimento da arborescência(20).
Lamela Defeito na Lamela
Fase Amorfa
Na figura 5 é apresentada a influência da concentração de íons presentes no crescimento das arborescências.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 XLPE XLPE RA 0.01 M NaCl 1.0 M NaCl
30 dias; 5 kV, 1.0 M NaCl, temp Ambiente, ASTM D-6097
Ta m anho da A rbo re sc ênc ia ( m m )
Figura 5 – Efeito da concentração de íons no crescimento da arborescência(20).
Como fator complementar que colabora no desenvolvimento e crescimento da arborescência podemos citar a intensidade do campo elétrico, como mostrado na figura 6. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 XLPE RA-XLPE 1 kV 5 kV
30 dias; 5 kV, 1.0 M NaCl, temp Ambiente, ASTM D-6097
Ta m anh o da A rbo re sc ê n ci a ( m m )
Figura 6 – Efeito da intensidade do campo elétrico no crescimento da arborescência(20).
Podemos ainda associar a dependência do desenvolvimento da arborescência em relação aos tipos de processos de produção dos cabos de energia como apresentado na figura 7.
Figura 7 – Tamanho das arborescências em função do processo de
fabricação(2).
A presença de arborescências de maior tamanho pode ser notada em materiais produzidos por processos de reticulação via úmida, como no processo de cura a vapor mostrado na figura 7, onde a presença da água devido a esta característica do processo durante a fabricação do cabo promove o desenvolvimento prematuro do fenômeno devido à retenção de água durante o processo. Este fato pode ser facilmente observado nos resultados dos testes de crescimento acelerado realizados em laboratório, comparando-se cabos produzidos por processos de reticulação contínua
utilizando como auxiliar ao processo de reticulação, o vapor d’água e nitrogênio bem como a presença de material contendo o agente retardante à arborescência, como ilustrado na figura 7.
De forma marcante pode ser observado na figura 8 que a presença do agente retardante nos materiais para isolamento para cabos de energia, promove uma redução considerável no tamanho das arborescências. Observa-se que os materiais com retardante de arborescência apresentam valores cerca de quatro vezes menores que o tamanho das arborescências colaborando de forma definitiva para o aumento da vida útil dos cabos de energia.
Figura 8 – Efeito do agente retardante no crescimento das
Arborescências(2).
Conclusão
Pelos aspectos apresentados podemos colocar que o fenômeno da arborescência tem uma ligação íntima com o processo de difusão e desta forma todos os parâmetros que afetam o processo de difusão também de maneira direta afetarão o crescimento da arborescência. Desta forma a temperatura, a presença de contaminantes como íons e resíduos de catalisadores, a própria estrutura do polímero base tem enorme significado no processo, mas de maneira marcante a presença da água tem um caráter fundamental no desenvolvimento da arborescência. Visto que a arborescência é um processo de ocorrência comum a todos a todos os polímeros, que o elétrico é uma presença constante nos cabos energizados, associado à presença da água normalmente encontrada nos materiais de isolamento, em função dos ambientes de instalação dos cabos elétricos, geralmente subterrâneos, nos resta como única medida para a restrição do crescimento das arborescências, a utilização de materiais isolantes que contenham o agente retardante à arborescência que representa o fator preponderante no aumento da vida útil dos cabos de energia. A utilização de materiais para isolamento de cabos de energia contendo agente retardante de arborescência permite aumentar a vida dos cabos de energia de uma vida média útil atual de 20 a 25 anos para 40 anos(2) fazendo com que a utilização racional de
materiais atualmente disponíveis possam melhorar o desempenho e a segurança da distribuição da energia elétrica.
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