Parte-4-Isolantes

(1)

Teoria dos Dispositivos

Semicondutores

Prof. Gustavo Oliveira Cavalcanti

[email protected]

(2)

Estudo dos dielétricos

Dielétrico

• É um material no qual é possível armazenar energia pela aplicação de um campo elétrico, sendo esta energia reversível quando o

campo é removido.

• A armazenagem de energia é recuperável por ocasião da remoção do campo.

ocasião da remoção do campo.

(3)

Forma de apresentação do dielétricos

• Estado gasoso

Ar, hidrogênio, nitrogênio, dióxido de carbono,

SF₆(Hexafluoreto de Enxofre ) • Estado líquido

Óleos minerais derivados do petróleo, fluidos

Estudo dos dielétricos

Óleos minerais derivados do petróleo, fluidos

sintéticos (ascarel), fluidos de silicone • Estado sólido

Aplicados no estado líquido ou pastoso

Resinas, (polímeros), betumes, ceras, vernizes, massa compound (adesivo epoxi).

Aplicados no estado sólido

Materiais fibrosos (papel, papelão, seda, algodão), micas, borrachas sintéticas, silicones, porcelana, vidro, fibra de vidro.

(4)

Dielétrico ideal x Real

Condutividade de um dielétrico ideal é

nula

• Resistividade infinita

Todos materiais isolantes apresentam

uma certa condutividade

• Pureza e estrutura do material

(5)

Correntes de fuga

Superficiais

• Função do estado sanitário da superfície do dielétrico superfície do dielétrico

Volumétricas

• Depende da natureza intrínseca (falhas estruturais) do material dielétrico Correntes de Fuga Volumétricas Correntes de Fuga Superficiais A d R ₌ ρ d RA = ρ d A R s s = ρ

(6)

- + - + - + - + - + - + - +

Estudo dos dielétricos

a) b) c) d)

a) Campo elétrico entre duas placas eletrizadas b) Inserção de um dielétrico entre as duas placas

c) Cargas induzidas superficiais, e o campo por elas

originado

(7)

(8)

Eletrônica

• É resultante do deslocamento elástico (deformação) da nuvem eletrônica dos átomos e íons.

• O tempo para estabelecimento desse tipo de polarização é 10-15 _segundos

Polarização

polarização é 10 segundos

• Não depende da temperatura

• É observável em TODOS OS TIPOS DE DIELÉTRICOS e NÃO É ACOMPANHADO DE PERDA DE ENERGIA

(9)

Polarização

Iônica

• É característica dos sólidos de estrutura iônica e se deve ao deslocamento dos íons que estão ligados por forças de atração coulombianas.

• O tempo de estabelecimento da polarização

• O tempo de estabelecimento da polarização iônica é da ordem de 10-13 _segundos

• Ao se elevar a temperatura se intensifica a polarização iônica

Diminuição das forças de atração interiônicas

• NÃO HÁ DISSIPAÇÃO DE ENERGIA

(10)

Direcional ou Dipolar

• A polarização dipolar é própria dos gases e líquidos polares

Ocorre também nas substâncias sólidas orgânicas

polares

• As moléculas dipolares se encontram no movimento térmico caótico e se orientam

Polarização

movimento térmico caótico e se orientam parcialmente pela ação do campo elétrico

• É acompanhada de perdas de energia

• Ao aumentar a temperatura as forças

moleculares se tornam mais fracas e diminui a viscosidade da substância, se intensificando por conseqüência a polarização dipolar, entretanto ao mesmo tempo aumenta a energia do movimento

térmico das moléculas, com que faz diminuir a influência orientadora do campo

(11)

Em alguns líquidos viscosos é tão grande

a resistência ao giro dos dipolos, que em

campos rapidamente variáveis os dipolos

não têm tempo de se orientar na direção

do campo e para certas frequências

elevadas o dielétrico não é afetado pela

Polarização

elevadas o dielétrico não é afetado pela

polarização direcional

(12)

Propriedade higroscópica

Os materiais isolantes são, em maior ou

menor grau

Higroscópicos

• São capazes de absorver a água do meio ambiente

Ar atmosférico => Vapor de água

Umidade Absoluta do Ar

• Massa (m) de vapor de água existente em uma unidade de volume de ar (m3₎

Massa de saturação (m

_sat

)

• Quantidade máxima de vapor de água contida na unidade volumétrica de ar sem que haja precipitação

(13)

Umidade Relativa

• Relação entre a massa de vapor contida em um dado volume pela massa de saturação suportável por este volume

Propriedade higroscópica

%

100 x

m

sat

=

α

(14)

A água é um dielétrico muito polar, com baixa

resistividade (da ordem de 103_-104 _Ω.m)

Sua introdução entre os poros dos dielétricos

sólidos ocasiona um queda brusca de suas propriedades elétricas

A ação da umidade se nota especialmente

Propriedade higroscópica

A ação da umidade se nota especialmente

quando as temperaturas são elevadas (30/40ºC) e os valores de “umidade relativa” são altos

(98/100%)

Estas condições ocorrem nos países tropicais,

com clima úmido

Tais condições influem negativamente na

(15)

Umidade elevada influencia na

resistência superficial dos dielétricos

Proteção

• Recobrir as superfícies com vernizes

Capacidade dos dielétricos serem

Propriedade higroscópica

Capacidade dos dielétricos serem

molhados pela água

(16)

Efeitos da Umidade

• Alterações na propriedades elétricas,

físicas, mecânicas e químicas dos materiais dielétricos.

Espaços capilares no interior dos

Propriedade higroscópica

Espaços capilares no interior dos

materiais

• Penetração da umidade

Materiais porosos (fibrosos)

(17)

Gases dielétricos

Todos os gases são dielétricos

• Propriedades próximas aos dielétricos ideais

Constituem um dos três estados de

agregação da matéria

Nas moléculas dos gases os elétrons são

fortemente presos aos núcleos

Principal propriedade

• Mobilidade de seus átomos e moléculas

Movimento caótico, desordenado

Velocidade é proporcional a temperatura absoluta

(em Kelvin)

m kT

(18)

Gases mais importantes para aplicações

em elétrica

• Ar (mistura de gases e vapor de água)

• Nitrogênio

• Hidrogênio

• Hexafluoreto de enxofre – SF

Gases dielétricos

• Hexafluoreto de enxofre – SF₆

Grandes distâncias entre as moléculas ou

átomos

• Baixa densidade

Permissividade relativa (constante dielétrica) Muito pequena (próxima da unidade)

(19)

Constante dielétrica

HÉLIO 1,000072 OXIGÊNIO 1,00055 NITROGÊNIO 1,0060 NITROGÊNIO 1,0060 AR 1,00058 HIDROGÊNIO 1,00027 ARGÔNIO 1,0056 DIOXIDO DE CARBONO 1,0096 SF₆ 1,002084

(20)

Condutividade dos gases

dielétricos

Intensidade do campo é fraca

• Os gases possuem uma condutividade muito pequena

Antes do campo elétrico já existe uma

quantidade de partículas eletricamente

carregadas (elétrons e íons livres)

A formação de partículas carregadas se

deve à ionização do gás por fontes

externas de energia:

• Raios cósmicos e solares, emissões radiativas da crosta terrestre, raios-x e a ação térmica (aquecimento do gás)

(21)

Disrupção elétrica dos

gases

Rigidez dielétrica

• Valor limite do campo elétrico que o material isolante suporta antes de ser perfurado

• Tensão elétrica que ocorre o fenômeno

Tensão disruptivaTensão disruptiva

Depende de vários fatores

• Natureza do gás

• Distância entre os eletrodos

• Grau de uniformidade do campo elétrico (função da geometria dos eletrodos)

• Natureza do campo elétrico (ac ou dc)

• Pressão e temperatura

(22)

Rigidez dielétrica influenciada pela composição Maioria dos gases (O₂, N₂, CO₂, ...)

• Valor próximo à do ar (31 a 32 kV/cm) – CNTP

Valor menor para gases raros (hélio, argônio,

...) e vapores metálicos

Bastante superiores para gases eletronegativos

Disrupção elétrica dos

gases

Bastante superiores para gases eletronegativos

• Contêm cloro e flúor

NATUREZA DO GÁS FÓRMULA QUÍMICA RIGIDEZ DIELÉTRICA DO GÁS EM RELAÇÃO A DO AR NITROGÊNIO N₂ 1,0 OXIGÊNIO O2 0,9 HIDROGÊNIO H2 0,6 DIOXIDO DE CARBONO CO₂ 0,9 HEXAFLUORETO DE ENXOFRE SF6 2,3 a 2,5 FREON CCl2F2 2,4 a 2,6 TETRACLORETO DE CARBONO CCl₄ 6,3

(23)

Campos de aplicação dos

dielétricos gasosos

Dielétricos no domínio da alta tensão

• Linhas de transmissão e disjuntores

• Subestações blindadas a SF₆

Os isolantes gasosos apresentam duas

grandes vantagens

• Constituem um meio homogêneo, envolvendo

perfeitamente as partes energizadas, qualquer que seja a complexidade e suas formas geométricas e que elas sejam estáticas ou móveis

• Após a disrupção os gases são os dielétricos que recuperam mais rapidamente suas propriedades isolantes

Os sólidos são degradados definitivamente por

(24)

Estudo do Ar

Mais importante dielétrico gasoso

• Presente em toda atmosfera terrestre

Composição básica do ar

Nitrogênio 78,00%

Oxigênio 21,00%

Argônio 0,90%

Principais vantagens

• Grande e fácil disponibilidade

• Confiável (envolve totalmente os equipamentos)

• As correntes de fuga são insignificantes

• RD=32kV/cm, (CNTP)

Argônio 0,90%

(25)

Quando sob pressões elevadas apresenta

excelente comportamento dielétrico

• 10 atm RD = 226kV/cm

• Sua RD se torna fraca a baixas pressões (sub-pressões)

Principais desvantagens

Estudo do Ar

Principais desvantagens

• Formação de ozônio, sob ação de eflúvios

Altamente oxidante provocando destruição dos

isolantes

• Formação de misturas detonantes com outros gases

• Contém umidade

(26)

Outros gases

Nitrogênio

• Rigidez dielétrica vizinha a do ar

• Vantagens

Inércia química (quimicamente neutro) Incolor, inodoro

Grande quantidade (quatro quintos da atmosfera

terrestre) • Utilização

Cabos de alta tensão Condensadores

Pára-raios

Gás carbônico

• Rigidez dielétrica vizinha a do ar

• É incomburente

(27)

Hidrogênio

• Rigidez dielétrica inferior a do ar (60%)

• Quimicamente inerte

• Condutividade térmica elevada (6,69)

Agente de refrigeração

Outros gases

Agente de refrigeração

• Baixa densidade (0,07 em relação ao ar)

Motores síncronos de alta potência (baixas perdas

rotacionais)

• Exige selagem de grande eficiência para evitar contato com ar

(28)

Gases nobres

Hélio, neônio, argônio, xenônio, radônio, e

criptônio

Rigidez dielétrica inferior a do ar

• Cerca de 1/5

Não são usados como isolantes

• Argônio – processos industriais de soldagem

• Argônio – processos industriais de soldagem devido à sua baixa tensão disruptiva

• Encher bulbos de determinados tipos de lâmpadas

Hélio

• Agente de refrigeração para dispositivos que utilizam o fenômeno da supercondutividade

(29)

Gases eletronegativos

São aqueles que contêm átomos de

elementos halogênios

• Flúor, cloro, bromo, iodo e astato

• Confere ao gás uma certa afinidade com elétrons

Inibe o desenvolvimento de descargas

Um dos mais utilizados é o hexafluoreto

(30)

Principais características

do SF

₆

Trata-se de um gás pesado

• Cerca de 5 vezes mais pesado que o ar

Não é tóxico, é inodoro e incolor

Não inflamável e apresenta boa

estabilidade química

Extraordinário poder extintor de arco

• 2 vezes superior ao do ar

Excelente rigidez dielétrica (CNP)

• 2,3 vezes maior do que a do ar (cerca de 74 kV/cm)

(31)

Principais características

do SF

₆

Não se liquefaz à temperatura ambiente

• A não ser que seja submetido a pressões elevadas, da ordem de 20 a 22 atmosferas

Fraca condutibilidade sônica

• Velocidade do som no SF₆ é 1/3 da

• Velocidade do som no SF₆ é 1/3 da velocidade do som no ar

A sua condutividade térmica é elevada

• Cerca de 1,6 maior que a do ar (CN)

• Facilita os problemas de dissipação de calor

Aparelhos isolados a Ar são mais leves e

competitivos do que aqueles isolados

com dielétricos líquidos

(32)

Principais características

do SF

₆

Desvantagens

• Para ter sua rigidez dielétrica comparável a de um isolante líquido, deve ser mantido sob pressões elevadas

• Utilização de tanques selados que suportam

• Utilização de tanques selados que suportam as pressões desenvolvidas

• Presença de enxofre, sob certas condições, produz corrosão

• Quando decomposto pelo arco ou pelo calor, desenvolve misturas gasosas que contêm

ingredientes tóxicos

Inodoros e incolores Difícil detecção

(33)

(34)

(35)

Subestações blindadas isoladas

à gás SF

₆

Subestação totalmente blindada em

compartimentos de aço com gás isolante SF₆

• Pressurização de 4 a 5 atmosferas, por onde correm os barramentos e demais dispositivos elétricos de manobra, seccionadoras e aterramento

Isolamento total das partes energizadasIsolamento total das partes energizadas

• Todas as fases podem estar próximas entre si

• Redução substancial das dimensões da subestação

Seu tamanho corresponde aproximadamente de

10 a 15% do espaço ocupado por uma subestação convencional (ao tempo).

Com a blindagem a segurança é bem maior e

oferece defesa no caso de ambientes poluídos e de alta corrosão.

(36)

Vantagens

• Espaço reduzido

• Alta confiabilidade

• Diminuição da mão de obra para instalação e manutenção

Subestações blindadas isoladas

à gás SF

₆

manutenção

• Menor custo para SE’s de Extra Alta

Tensão (EAT) e Ultra Alta Tensão (UAT)

• Insensível à poluição externa

• Segura ao contato manual

(37)

Subestações blindadas isoladas

(38)

Subestações blindadas isoladas

(39)

Dielétricos líquidos

Conhecimento das propriedades dos

óleos isolantes é de grande importância

para o engenheiro

• Isolação

• Refrigeração

• Extinção de arco

Análise periódica assegura melhor

desempenho dos equipamentos

Tratamento dos óleos contaminados

permite sua reutilização de forma

eficiente, econômica e ecológica

(40)

Os líquidos se comportam de três

maneiras diferentes sob a ação do

campo elétrico

• Líquidos bons condutores

São os que se deixam atravessar facilmente pela

corrente, sem decomposição do material

Mercúrio, metais fundidos

• Eletrólitos

Dielétricos líquidos

• Eletrólitos

São constituídos de sais ou de ácidos, bases e sais

dissolvidos na água ou em um solvente

São decompostos pela passagem da corrente

elétrica e são acompanhados de deslocamento de matéria (íons positivos e negativos)

• Líquidos isolantes

São os que apresentam uma forte resistência à

passagem da corrente elétrica

(41)

Condutividade dos líquidos

dielétricos

É função dos seguintes fatores

• Estado de polarização molecular

• Grau de impureza • Temperatura • Viscosidade • Tensão aplicada • Tensão aplicada

Contaminante importante

• Água absorvida pelo dielétrico diretamente da atmosfera (umidade)

A água pode estar no líquido sob três

estados

• Molecularmente dissolvida (H+ e OH)

• Emulsificada (gotículas em suspensão)

(42)

Rigidez dielétrica dos

líquidos

Tensão atinge o valor disruptivo

• Uma descarga se produz sob forma de arco

• Há uma perfuração do isolante líquido que retoma suas qualidades isolantes após a passagem do arco

Nos fluidos a perfuração dielétrica não

acarreta danos irreversíveis ao material

Nos fluidos a perfuração dielétrica não

acarreta danos irreversíveis ao material

Não há ocorrência de fenômenos

elétricos particulares que precedem a

disrupção

Fatores que influenciam a RD dos líquidos

• Temperatura

• Impurezas

(43)

Óleos minerais

Constituem a mais antiga classe de

isolantes líquidos

Suas moléculas são constituídas

basicamente por carbono e hidrogênio e

apresentam suas ligações de covalência

saturadas

O óleo mineral é obtido pela destilação

fracionada do petróleo natural

Pode ser de origem

• Parafínica

• Naftênica

(44)

Óleos isolantes

Durante a operação o óleo “envelhece”

• Sofre consideráveis mudanças em suas propriedades

Químicas, físicas e elétricas

• Acarreta alteração

Comportamento sob a ação dos campos elétricos Capacidade de transferência de calor

Aumento da viscosidade Sua cor

• Tudo isto devido ao mecanismo de oxidação e absorção de umidade

(45)

A oxidação é decorrente dos seguintes

fatores

• Ação do campo elétrico

• Concentração de oxigênio dissolvido no óleo

• Efeito da luz

Óleos isolantes

• Efeito da luz

• Temperatura e umidade

• Efeito dos materiais usados na construção do equipamento

(46)

Para o prolongamento da vida útil do óleo

• Selagem do equipamento para que não haja contato com oxigênio e umidade do ar

atmosférico Conservador de óleo

Óleos isolantes

Conservador de óleo Sílica gel Nitrogênio

(47)

Aplicações e funções dos óleos

isolantes

Transformadores

Capacitores

Disjuntores

(48)

Análise do óleo

O óleo mineral está sujeito a um

processo de deterioração quando em

operação

Análise do óleo mineral

• Ensaios laboratoriais (normas técnicas nacionais e internacionais)

nacionais e internacionais)

Objetivos

• Análise para aquisição do óleo

• Análise de apoio à manutenção

Cuidados na coleta das amostras

• Os recipientes devem ser rigorosamente limpos, secos e possuir rigorosa vedação

(49)

(50)

Análise cromatográfica

Os hidrocarbonetos que compõem o óleo se

decompõem quando submetidos a esforços térmicos e elétricos

• Análise dos gases dissolvidos no óleo isolante permite diagnosticar a existência de uma falha no estágio

inicial, quando ainda não há danos apreciáveis ao equipamento Análise cromatográfica Análise cromatográfica • *Hidrogênio – H₂ • Oxigênio – O₂ • Nitrogênio – N₂ • *Metano – CH₄ • *Monóxido de Carbono – CO • Dióxido de Carbono – CO₂ • *Etileno – C₂H₄ • Etano – C₂H₆ • *Acetileno – C₂H₂

(51)

Diagrama Gases Nobres

Falha Gases Nobres

Óleo Arco C₂H₂ Corona H₂ e CH₄

Análise cromatográfica

Óleo _Corona _H 2 e CH4 Superaquecimento C₂H₄ Papel Corona H₂ e CO Superaquecimento CO e CO₂ Água Eletrólise H₂

(52)

Tratamento do óleo

O óleo mineral isolante envelhece

• Sofre ao longo do tempo mudanças nas suas características físico-químicas

Contaminação do óleo

O tratamento visa recuperar o óleo

eliminando as impurezas nele contidas

• Varia com a natureza dos contaminantes no óleo

Físico

Físico-químico Químico

(53)

Fluidos de silicone

Os silicones são polímeros compostos de

átomos alternados de silício e oxigênio,

com radicais orgânicos unidos aos átomos

de silício

Apenas tem aplicação em equipamentos

elétricos

(54)

Menor resistência ao fogo que o ascarel e

preço mais elevado

• Introdução como líquido dielétrico apenas após serem detectados os problemas

associados aos PCBs

Os silicones se apresentam nas formas:

Fluidos de silicone

Os silicones se apresentam nas formas:

• Líquidos • Graxas

• Elastômeros • Sólidos

Devido as suas extraordinárias

características apresentam um vasto

campo de aplicações

(55)

Propriedades Químicas

• São quimicamente inertes, resistem a oxidação

Permitem o contato com uma ampla gama de

materiais isolantes sólidos, sem atacá-los • Excelente estabilidade química

Fluidos de silicone

• Excelente estabilidade química

Permitem operação até 150°C por períodos de

tempo bastante longos ou mesmo sob temperaturas mais elevadas

• Quando submetidos a temperaturas

superiores a 360°C entram em combustão

Entretanto tende à auto-extinção

Formação de uma camada de silício sobre a

superfície do líquido, a qual restringe o acesso do oxigênio

(56)

Dielétricos sólidos

Dielétricos sólidos constituem um grupo

de materiais muito numerosos

• Advento os polímeros sintéticos

Podem ser classificados em dois grupos

• Aplicados no estado líquido ou pastoso

Resinas, vernizes, ceras

• Aplicados no estado sólido

Produtos fibrosos, micáceos, cerâmicos

Serão vistos os principais fatores que

influenciam

• Condutividade

(57)

Condutividade dos dielétricos

sólidos

Dielétricos não são isolantes perfeitos

• Pequena condutividade (pode ser desprezada)

Condutividade varia de acordo com o tipo

do dielétrico

Condutividade depende dos seguintes

fatores

• Imperfeições estruturais

• Impurezas contidas no material

• Temperatura

• Natureza da tensão

• Estado da superfície

(58)

Rigidez dielétrica dos

sólidos

Ocorrência da disrupção elétrica

• Perfuração do dielétrico devido à passagem do arco

• Destruição parcial ou total do material

dielétrico que não retoma suas propriedades dielétrico que não retoma suas propriedades isolantes após a retirada do campo elétrico provocador ou mesmo apenas com eliminação do arco

A danificação tem características

(59)

Polímeros

A palavra poli significa “muitas vezes” e

mero “parte”

Polímeros são compostos de monômeros x

que se unem em uma longa cadeia

formando macromoléculas de fórmula x

_n

Os custos dos processos de síntese dos

polímeros se tornaram mais acessíveis

• Suas propriedades podem ser ajustadas para que apresentem desempenho superior aos de origem natural

Oferecem grande interesse como

(60)

Macro moléculas constituídas de

monômeros idênticos

• Homopolímeros

Unidades monoméricas de diferentes

tipos

• Polímeros mistos ou copolímeros

Polímeros

• Polímeros mistos ou copolímeros

É muito vasto o campo de aplicação dos

polímeros, especialmente dos sintéticos

É uma área em que o homem

aparentemente se tornou “mais pródigo”

que a natureza

Existem muito mais tipos de polímeros

(61)

Resinas ou polímeros são compostos

orgânicos de alto peso molecular e que

apresentam as seguintes características

• Estado amorfo

• Insolúveis na água

Polímeros

• Insolúveis na água

• Solúveis em solventes orgânicos

• Quando aquecidos tornam-se flexíveis

(62)

Moléculas poliméricas

São gigantescas em relação às moléculas

dos hidrocarbonetos

• Macromoléculas

Estrutura principal (espinha dorsal –

back bone)

• Constituída de átomos de carbono

Cada uma das ligações covalentes

remanescentes pode ser ocupada por

outro átomo ou radical orgânico

(63)

(64)

Polietileno (PE)

• Polimerização do etileno

• Isolante em cabos elétricos e de comunicação

• Usado para fabricação de artigos domésticos em forma de plásticos

• Um dos polímeros mais utilizados no mundo

Polímeros sintéticos

• Um dos polímeros mais utilizados no mundo

Poliestireno (PS - isopor)

• Polimerização do estireno

• Molécula de estireno na qual 1 átomo de hidrogênio é substituído por 1 cadeia benzênica

• Boas propriedades elétricas

(65)

Polímeros sintéticos

Cloreto de polivinila (PVC)

• Molécula de etileno na qual 1 átomo de hidrogênio é substituído por 1 de cloro

• Isolante em fios e cabos elétricos de baixa tensão

Polimetacrilato de metila (plexiglass)

• Produto semelhante ao vidro (acrílico)

Poliamidas (nylon)

• Polímero elástico com resistência mecânica

Politetrafluoretileno (teflon)

Poliésteres (PET)

(66)

Derivados da celulose (ésteres de

celulose)

Nitro celulosa

Acetato de celulose

Polímeros sintéticos

Acetato de celulose

Tri-acetato de celulose

Fenólicas (baquelite)

Polisteres (gliptal)

Epoxy (araldite)

(67)

Plásticos

Os polímeros são empregados sob a

forma de plásticos

• Levam o nome do polímero que constitui o polímero básico

Utilização

• Motores, máquinas, iluminação, isolamento de

• Motores, máquinas, iluminação, isolamento de condutores, ...

Os plásticos são resinas orgânicas

moldáveis

Dividem-se em dois grandes grupos

• Plásticos termoplásticos

(68)

Principais Propriedades

• Característica de isolamento

• Resistência ao calor

• Resistência mecânica e química

• Resistência às radiações

Plásticos

(69)

Aplicações

Utilizações que levam em conta a

propriedade isolante dos plásticos

• Isolamento de condutores

• Revestimento de rotores

• Caixas de baterias

• Porta contatos, tomadas, bases de

• Porta contatos, tomadas, bases de disjuntores

• Mancais de motores

• Revestimento de capacitores

• Suporte de isoladores cerâmicos

• Eletrodutos e acessórios

• Isolamentos especiais de enrolamentos de transformadores, espaçadores e calços isolantes, ...

(70)

Silicones

(Organopolisiloxanos)

Diferentemente dos polímeros orgânicos,

cadeia principal dos silicones

• Átomos alternados de silício e oxigênio

Silício é um elemento tetravalente (como

o carbono)

• As duas valências restantes são ligadas a radicais orgânicos (metil, benzeno)

Silício é abundante na natureza

Componente de muitos dielétricos

inorgânicos

(71)

Propriedade gerais dos

silicones

A energia do enlace Si-O

• 1,5 vezes maior que a do enlace

–C-C-• Grande resistência ao calor

Estabilidade térmica elevada

Resistência à oxidação

Grande estabilidade térmica

• -50°C a 250ºC

Excelentes propriedades dielétricas

Elevado poder hidrófugo

(72)

Propriedade gerais dos

silicones

Muito boa inércia química

• Resistência aos agentes químicos agressivos

Resistência à ação do oxigênio, ozônio e

ao efeito corona

Ausência de envelhecimento sob a ação

dos agentes climatológicos

Boa condutividade térmica

São repelentes à água

(73)

Diferentes tipos de

silicone

Resinas

• Geralmente líquidas à temperatura ambiente

• Sob forma de películas

Vernizes de cobertura

• Hidrófugos

• Excelentes propriedades elétricas

• Resistentes à umidade

• Envelhecimento quase nulo

Fluidos (óleos)

• Incolores, viscosidade muito variável

• Hidrófugos

• Ponto de inflamação de cerca de 360ºC

Propriedade de altoextinção do fogo

(74)

Diferentes tipos de

silicone

Elastômeros (borracha de silicone)

• Radicais orgânicos metil entrelaçados

• Aspectos e propriedades semelhante aos da borracha

• Excelentes propriedades elétricas

• Resistentes à umidade e aos óleos lubrificantes

Graxas Graxas

• Fluidos de silicone adicionados de massa especial

• Resistência ao calor com pequena variação de consistência

Não tem tendência a fluir nem de endurecer com o calor

• Hidrófugos

• Resistentes à oxidação

• Utilizados para tornar as superfícies dos isoladores resistentes à água em regiões poluídas

(75)

Aplicações importantes

Transformadores secos

Isolamentos de máquinas girantes

Coberturas protetoras em isoladores de

alta tensão

• A poluição nos isoladores

Formação de filme contínuo de água

Absorção da poluição existente na atmosfera que

seca

Formação de caminhos condutivos Arcos superficiais

(76)

Dielétricos Fibrosos

São formados de partículas alongadas

chamadas de “fibras”

Podem ser de origem natural ou sintética

Origem natural

• Madeira, algodão, seda natural, amianto, papel,

• Madeira, algodão, seda natural, amianto, papel, papelão, etc.

Origem sintética

• Tecidos sintéticos, fibra sintéticas, etc.

A celulose é um dos materiais fibrosos de

origem vegetal, denominados “materiais

celulósicos”

(77)

Principais vantagens

• Alta resistência mecânica

• Flexibilidade

• Baixo custo/fácil manufatura

Principais desvantagens

• Elevada higroscopicidade

Dielétricos Fibrosos

• Elevada higroscopicidade

• Baixa rigidez dielétrica

Propriedades podem ser melhoradas com

impregnação com vernizes e massas

compounds

Todos os materiais fibrosos são

impregnados, depois de retirado o ar e

umidade

(78)

Papel dielétrico

Constituído de fibras curtas de celulose

emaranhadas e aglutinadas entre si

Composição básica => Fibra de celulose

Propriedades

• Material leve 0,8 a 1,3 g/cm3

• Estabilidade térmica 900_C

• Constante dielétrica em torno de 6

• Ionização do ar ocluso produz perfuração dielétrica

• Rigidez dielétrica seco

Seco 60/90kV/cm

(79)

• Os papéis são higroscópicos e absorvem facilmente a água contida no ar úmido

Necessitam ser impregnados com óleos ou resinas

• Com o aumento da umidade do papel, as suas características dielétricas e de resistência mecânica diminuem de forma considerável,

Papel dielétrico

mecânica diminuem de forma considerável, exige controle rigoroso do ambiente

• Antes da impregnação o papel tem de se submeter a secagem em estufa

• Elevada resistência mecânica

Importante para ser utilizado como isolante de

(80)

Tipos de papéis

• Papel kraft • Papel de manilha • Papel chifon • Papel japon

Aplicações

Papel dielétrico

Aplicações

• Isolamento de cabos de alta tensão

• Capacitores

• Transformadores

(81)

Micas

Nome genérico dados aos silicatos de

alumínio hidratados de metais alcalinos

Extraordinárias qualidades

• Alta rigidez dielétrica

• Resistência mecânica e ao calor

• Flexibilidade

(82)

Principal característica

• Podem esfoliar-se em lâminas flexíveis,

seguindo planos paralelos entre si, chamados planos de clivagem (espessura de 0,015 a

0,033mm)

Tipos mais usuais de mica

Micas

Tipos mais usuais de mica

• Moscovitas – K2O.3Al₂O₃.6SiO₂.2H₂O

(83)

Moscovitas

• Apresentam melhor transparência

• Melhor resistência elétrica

• Maior perfeição de clivagem

• Estabilidade ao calor até 500/600ºC

Micas

• Estabilidade ao calor até 500/600ºC

Flogopitas

• São mais raras

• Menos regulares

• Maior estabilidade ao calor até 700/1000ºC

(84)

Propriedades das micas

Densidade

• 2,7 a 3,1 g/cm³

Grande dureza e boa resistência à

compressão

Boa condutividade térmica

Excelente estabilidade térmica

• 500 a 1000ºC)

Resistência química elevada

• Ácidos, bases, solventes e ozônio

Rigidez dielétrica

• 600 kV/cm

(85)

Produtos micáceos

Micanite

• Lâminas de mica aglutinadas à quente sob pressão entre si por meio de aglomerante

Micafolium

• Camadas de mica em escamas com um suporte

• Camadas de mica em escamas com um suporte de papel “kraft” e um aglomerante

Micalex

• Pó de mica e aglomerante vítreo

• Material vítreo duro e impermeável aos líquidos e gases

(86)

Micasin

• Escamas de mica, tratadas como “polpa de mica” e que à semelhança de uma “pasta de papel” se transforma em papel de mica

Espessuras de 0,04 a 0,15 mm

Mica sintética

• Obtém-se por síntese a mica

FLUOR-Produtos micáceos

• Obtém-se por síntese a mica FLUOR-FLOGOPITA, cuja estabilidade química, resistência ao calor e as radiações são melhores que as da flogopita natural

Na sua composição os grupos –OH são substituídos

por flúor

• A mica sintética é muito mais cara que a natural.

(87)

Produtos cerâmicos

São normalmente combinações de metais

com elementos não metálicos

Do ponto de vista das ligações químicas,

eles podem ser desde predominantemente

iônicos até predominantemente covalentes

São tipicamente isolantes térmicos e

elétricos

Mais resistentes às altas temperaturas e

a ambientes corrosivos que os metais e

polímeros

São muito duros porém frágeis

Fazem parte desse grupo de materiais os

(88)

Porcelana

Reduzido preço das matérias-primas

• Argila em grande quantidade

Fabricação simples/Podem ser moldados

Boas características elétricas e mecânicas

Obtenção

• Cozimento, em temperaturas elevadas de uma mistura de água com 50% de argila, 25% de quartzo e 25% de feldspato

Argila afeta as propriedades mecânicas

Feldspato afeta propriedades elétricas

Quartzo afeta as propriedades

(89)

Principais Propriedades

• Excelentes características dielétricas

• Grande resistência mecânica à compressão

• Impermeável à água e aos gases

• Inatacável pela ação dos ácidos e bases (exceção ao fluorídico)

Porcelana

(exceção ao fluorídico)

• Suportam temperaturas de serviço elevadas, da ordem de 1000ºC

Peso especifico 2,3 a 2,5 g/cm³ Coef. de dilatação térmica 3 a 4,5x10-6ºC-1

Tensão de compressão 4000 a 5500 kgf/cm² Tensão de tração 350 a 500 kgf/cm² Constante dielétrica 4 a 6

(90)

Aplicações

Isoladores de pino ou pedestal com

tensões inferiores a 35kV

Isoladores de suspensão (disco) para

linhas de transmissão com tensões

superiores a 35kV

Braços isolantes ou peças para contatos

elétricos em chaves aéreas seccionadoras

Buchas de passagem para

(91)

(92)

O vidro é um material termoplástico

• Material básico – Sílica (SiO₂)

À temperatura ambiente têm aparência

de corpos sólidos, mas não podem ser

considerados com tal

Vidro dielétrico

considerados com tal

• Não possuem organização estrutural característica do estado sólido

Excelente isolante elétrico

Alta resistividade e rigidez dielétrica

Boa rigidez mecânica

(93)

Dificuldade de enquadrar adequadamente

os corpos vítreos dentro de um dos três

estados de agregação da matéria

• Quarto estado da matéria

Estado vítreo

Análise da estrutura interna

Vidro dielétrico

Análise da estrutura interna

• Comportamento semelhante a de um líquido super-esfriado

Definição de vidros como líquido viscoso que

apresenta na temperatura ambiente viscosidade de 1040 _{Pa.s (Agua 1 Pa.s)}

O vidro é um sólido não cristalino que

(94)

Transição vítrea

Todo material possui uma temperatura

característica de fusão

• Alumínio 660ºC

• Mercúrio -39ºC

• Acima da temperatura de fusão o material se apresenta no estado líquido, abaixo no estado sólido

(95)

Transição vítrea

Ponto A – líquido estável Ao chegar à temperatura

de fusão ele se contrai (B)

• Menor agitação térmica das moléculas

Mesma massa ocupa menor espaço

espaço

Aumento da densidade

• Moléculas passam a se

ordenar na forma de cristais

Continuação do

resfriamento (C)

• Redução maior na agitação

• Diminuição do volume

• Aumento da viscosidade

Caso resfriamento seja

feito muito rapidamente (B)

• Moléculas não têm tempo de construir cristais

Líquido super-esfriado

Redução de volume devido à diminuição da agitação

(96)

A partir do ponto E, a

viscosidade é tão alta que impossibilita

qualquer movimentação das moléculas

(cristalização)

Material continua com

Transição vítrea

Material continua com

característica de líquido, mas com comportamento de sólido cristalino

Temperatura de

transição vítrea

(97)

Temperatura de transição (Tg) não é um

ponto fixo, mas uma faixa

• Tg pode assumir vários valores, de acordo

com a velocidade de resfriamento do material

• A partir do ponto B (fase de líquido super

Transição vítrea

(fase de líquido super -esfriado)

Início de arranjo dos átomos, sem tempo suficiente

para formar cristais

Caso resfriamento mais lento, arranjo pode atingir

número maior de átomos

Arranjo depende do material e da velocidade de resfriamento

(98)

Principais tipos de vidro

Quartzo puro (sílica vítrea)

Quartzo e óxidos de sódio e cálcio

Quartzo e óxidos de boro, sódio e cálcio (pyrex) Quartzo e óxido de chumbo

Vidros mais comuns SiO₂+Na₂O+CaO

Vidro Pirex SiO₂+óxido de Boro (borosilicato)

(Resistente a variação de temperatura) Chumbosilicato SiO₂+óxido de chumbo (cristal)

Aluminosilicato SiO₂+Al₂O₃+OMg+Oca+óxido de boro Vidros óticos SiO₂+CaO+Na₂O (crown)

(99)

Obtenção do vidro

É obtido pela fusão, após resfriamento,

sem cristalização

• Sílica 65 a 70%

• Um fundente geralmente soda barrilha (8 a 17%) e cal viva (7 a 23%)

• Eventualmente um corante

Métodos de conformação do vidro

• Prensagem

• Insuflação

• Estiramento

(100)

Principais propriedades

Peso específico • 8 a 8,1 g/cm3 Compressão • 600 a 2100 kgf/cm2 Tração • 100 a 300 kgf/cm2 • 100 a 300 kgf/cm2 Rigidez dielétrica • 250 a 500kV/cm Resistividade • 1012 _{a 10}19 _ohm.cm Tgδ • 0,0003 a 0,01 Constante dielétrica • 3,8 a 1,2