PROPRIEDADES DIELÉTRICAS DE COMPOSIÇÕES DE SILICONE PARA USO EM ISOLADORES DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

GRUPO III

LINHAS DE TRANSMISSÃO –

PROPRIEDADES DIELÉTRICAS DE COMPOSIÇÕES DE SILICONE PARA USO EM ISOLADORES DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

Eliane Guerra C. Gonzalez(*) Marcio A. Sens Leila Y. Visconte Regina Célia R. Nunes

CEPEL CEPEL IMA/UFRJ IMA/UFRJ

(*)

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – CEPEL

Caixa Postal 68007– Rio de Janeiro – RJ -– CEP: 21944-970 Tel: (21) 598-6229 – Fax: (21) 5986136 – E-mail: eliane@cepel.br

RESUMO

A borracha de silicone vem sendo largamente empregada em isoladores poliméricos para linhas de transmissão devido a sua excelente característica hidrofóbica. Para prevenir a degradação do material de silicone, proveniente do efeito do arco de banda seca, é adicionado à borracha de silicone alumina triidratada, com o propósito principal de melhorar a resistência ao trilhamento elétrico. O objetivo deste trabalho é estudar as propriedades dielétricas de composições de silicone, por incorporação de quantidades variadas de alumina triidratada. Foram investigadas propriedades como rigidez dielétrica, constante dielétrica, fator de dissipação, resistividade elétrica e resistência ao trilhamento elétrico.

PALAVRAS CHAVE: Isoladores poliméricos, Borracha de silicone, Alumina triidratada, Propriedades dielétricas

1.0 - INTRODUÇÃO

Faz 30 anos que os isoladores compósitos, também conhecidos como isoladores poliméricos, vêm substituindo os seus similares em vidro e porcelana no cenário mundial1 nas linhas de transmissão de energia elétrica. O silicone e o EPDM são os materiais que vêm sendo mais utilizados na confecção dos revestimentos destes isoladores. No entanto, observa-se nos últimos anos uma tendência maior para a utilização do silicone, devido aparentemente ao seu maior desempenho quanto à recuperação da propriedade hidrofóbica2,3.

O polidimetilsiloxano (PDMS) é o polímero básico da borracha de silicone utilizada na fabricação dos isoladores compósitos. Os grupamentos hidrocarbônicos são hidrófobos, sendo os responsáveis pela repelência à água. O material é sensível à umidade, formando gotas em uma área mínima, e desta forma, a superfície é capaz de resistir ao desenvolvimento de correntes de fuga4. No entanto, quando o isolador compósito energizado é submetido a elevada ou prolongada umidade, a repelência à água é temporariamente perdida, formando um filme transitório de água, com conseqüente desenvolvimento das correntes de fuga5-9.

A densidade de corrente de fuga na superfície do isolador não é uniforme e depende da distribuição da poluição e da umidade. Se a corrente for suficientemente concentrada, ela promoverá a evaporação do filme de água devido ao efeito Joule, levando à formação de bandas secas. Essas bandas secas são pontos de elevada resistência elétrica e que por isto concentram praticamente toda a tensão aplicada ao isolador. O elevado nível de campo elétrico nesses pontos favorece a ocorrência de descargas pelo ar, ocorrendo os denominados arcos de banda seca10.

O arco de banda seca é capaz de produzir temperaturas superficiais localizadas11, da ordem de 240 a 400oC, podendo ocasionar o trilhamento elétrico e a erosão do material polimérico12.

alumínio (Al(OH)3), também conhecido como alumina triidratada (ATH), com o propósito principal de melhorar a resistência ao trilhamento elétrico e à erosão 2,4,8,12-17. A alumina triidratada é uma carga mineral semi-reforçadora, quimicamente inerte, que apresenta a capacidade de retardar a chama e suprimir a fumaça para a maioria dos materias poliméricos. Como contém 34,6% de água quimicamente combinada, quando exposta a elevadas temperaturas se decompõe, absorvendo energia da fonte de calor e liberando vapor d'água, proporcionando, no caso dos isoladores de silicone, uma maior estabilidade térmica. A decomposição inicia-se à 230oC, mas a decomposição máxima ocorre entre 300 e 350oC. A reação endotérmica de desidratação é ilustrada abaixo19:

2 Al(OH)3 + 280 cal/g → Al2O3 + 3 H2O Apesar da comprovada importância da alumina triidratada nas composições de silicone, trata-se de uma carga hidrofílica, o que pode elevar o desenvolvimento de correntes de fuga. Como a prioridade nos isoladores é a redução da corrente de fuga, o que é controlado pela fração polimérica da composição15, a quantidade de ATH utilizada precisa ser muito bem dosada.

O comportamento do material polimérico sob condições reais de serviço depende, em grande parte, das propriedades físicas do polímero, as quais são função de sua estrutura molecular e das alterações destas propriedades com o tempo. Portanto, é de grande importância o estudo do fenômeno de envelhecimento de materiais poliméricos.

Para simular as condições reais de utilização do composto elastomérico, com suas variadas cargas, corpos-de-prova foram condicionados sob radiação ultravioleta e umidade elevada.

A radiação ultravioleta proveniente do sol, ou de uma fonte artificial, pode promover a fragilização da maioria dos materiais, principalmente dos poliméricos, levando-os a um processo de degradação progressivo, capaz de reduzir a repelência dos mesmos à umidade, de propagar trincas e fissuras e, conseqüentemente, de acumular contaminantes superficiais e de facilitar o processo de trilhamento elétrico, quando tais materiais estão sob ação simultânea de campos elétricos e de alta umidade.

Na Tabela 1, além da estrutura química do polidimetilsiloxano, são listadas faixas de algumas propriedades dielétricas de compósitos de silicone de alto desempenho.

TABELA 1 - Estrutura do polidimetilsiloxano e propriedades dielétricas de compósitos de silicone

PROPRIEDADE FAIXA TÍPICA

Rigidez dielétrica2 > 20kV/mm Constante dielétrica2,19 2 - 4 Fator de dissipação2,19 0,3 - 3 % Resistividade volumétrica19 1-10 T Ω.m Exemplo Polidimetilsiloxano Estrutura química CH3  − Si − O −  CH3 n 2.0 - EXPERIMENTAL 2.1 Materiais

Para o desenvolvimento deste trabalho foram utilizados os seguintes materiais: goma de silicone Silastic GP437 (Dow Corning); hidróxido de alumínio Hydrogard HY com tratamento supeficial de silano a 0,5% e sem tratamento superficial (Alcoa Alumínio S/A); sílica pirogênica LM-150 (Cabot); peróxido de 2,5 bis-tercio-butil 2,5 dimetil-hexano - Varox (Vanderbilt Co.); fluido de silicone 550 (Dow Corning).

2.2 Preparação dos corpos-de- prova20

As misturas foram preparadas em moinho de rolo Berstorff e vulcanizadas por compressão a 170oC, por cerca de 7 minutos, conforme tempo obtido no reômetro de disco oscilatório, segundo norma ASTM D 2084.

Os corpos-de-prova (CP's) passaram por um processo de pós cura a 185oC, em estufa com circulação de ar, por um período de 7 horas, de forma a eliminar os produtos voláteis provenientes da decomposição do peróxido durante a vulcanização.

2.3 Ensaios elétricos

Os ensaios foram realizados no Laboratório de Propriedades Elétricas e Magnéticas do Cepel, na temperatura de 23 ± 2 oC e umidade relativa de 63 ± 5%.

Para que a composição possa ser classificada no seu último nível de tensão suportado, os seus cinco corpos-de-prova devem suportar três níveis de tensão sem ocorrência de falha, e a corrente no circuito de alta tensão através dos corpos-de-prova não deve exceder à 60 mA.

2.3.2 Determinação da constante dielétrica e fator de dissipação

Este ensaio foi realizado conforme norma ASTM D 150. A espessura de cada corpo-de-prova foi medida com um micrômetro, em cinco pontos diferenciados, para a obtenção da espessura média. Em seguida foram determinados a capacitância e o fator de dissipação de cada amostra, utilizando-se uma célula própria para materiais sólidos e de uma ponte de capacitância com tensão de 1V e freqüência de 1 kHz. Com o valor da capacitância de cada CP e a capacitância à vazio, determinado pela espessura de cada amostra, foi obtido o valor da constante dielétrica. O fator de dissipação de cada CP foi o valor medido na ponte transformado em valor percentual.

2.3.3 Determinação da resistividade volumétrica A resistividade volumétrica foi determinada conforme ASTM D 257, utilizando-se uma célula para medição de resistividade em materiais dielétricos sólidos, e o valor de resistência de cada amostra foi obtido através de um teraohmímetro, com tensão de 500 V. Com o valor de resistência, da espessura de cada CP e com a área dos eletrodos a resistividade volumétrica foi calculada.

2.3.4 Determinação de rigidez dielétrica

O ensaio foi realizado conforme norma ASTM D 149. Os CP's foram colocados dentro de uma cuba entre dois eletrodos de 25 mm de diâmetro, imersas em óleo isolante, para reduzir o escoamento de correntes superficiais. O eletrodo inferior foi aterrado e o superior conectado à uma fonte de alta tensão em 60 Hz. Para se estabelecer a tensão inicial de ensaio submeteu-se um CP a uma aplicação crescente de tensão até a ruptura. Nos demais CP's foi aplicado inicialmente 50% deste valor que foi incrementado de 10% a cada 20 segundos, até a tensão romper volumetricamente o CP, sendo considerado o último degrau de tensão suportado. A rigidez dielétrica foi então obtida pela divisão dessa tensão pela espessura do CP.

2.4 Avaliação do envelhecimento acelerado nas propriedades dielétricas das composições de silicone A retenção das propriedades dielétricas das composições foram verificadas após elas serem submetidas a um ciclo de envelhecimento acelerado pelo período de aproximadamente 3 meses. Este ciclo envolveu, além da radiação ultravioleta emitida por lâmpadas fluorescentes FS-40 313/280 nm (940 h), períodos de umidificação (276 h), chuva (138 h), névoa salina (7kg/m3 – 460h), e aquecimento (~ 40oC/ 483 h).

3.0 - RESULTADOS E DISCUSSÃO

As composições de silicone serão diferenciadas conforme a quantidade de cargas na composição em ATH/Sílica. Exemplo: 100TS/20 significa que para cada 100 partes de goma de silicone utilizou-se 100 partes de ATH e 20 partes de sílica. TS - alumina com tratamento superficial foi utilizada.

Os resultados dos ensaios de trilhamento são mostrados na Figura 1 de acordo com os os níveis de tensão suportados pelos compósitos, seguindo o critério de classificação da norma especificada.

1,75 2,25 2,75 2,75 3 3,5 3,5 0 1 2 3 4 50TS/0 0/0 0/20 100/0 100TS/0 100TS/20 150TS/0 ATH / silica Tensão (kV)

FIGURA 1 - Resistência ao trilhamento das composições de silicone-ATH/sílica (ASTM D 2303).

Observa-se através dos valores de resistência ao trilhamento obtidos, que a composição 50TS/0 mostrou menor resistência do que a 0/0, levando a crer que 50 phr desta alumina está abaixo do valor crítico para que a propriedade possa ser influenciada. Comparando-se as composições 100TS/0 e 100/0 nota-se uma maior resistência para a composição contendo a alumina tratada superficialmente, indicando uma melhor distribuição da carga. As composições 100TS/20 e 150TS/0 foram as que mostraram melhores resultados quanto à resistência ao trilhamento, indicando um efeito de diluição na composição pelo valor de carga total acima de 100 phr(**)(50%). Comparando-se as composições 0/20, 100TS/0 e 100TS/20 pode-se perceber um sinergismo entre as cargas de sílica e alumina.

Nas Figuras 2, 3 e 4 são mostrados os resultados obtidos para os demais ensaios elétricos realizados nas diversas composições. Para um dielétrico é importante que sua constante dielétrica e fator de dissipação tenham valores bem baixos, pois isso assegura o reduzido aquecimento do material quando submetido à um campo elétrico alternado. Já a resistividade e a rigidez dielétrica é importante que apresentem valores elevados.

Destaca-se na Figura 2 o significante efeito da alumina na elevação da constante dielétrica, que chegou a 7, aproximadamente, para 150 phr de ATH, contra 3 da goma pura. Além de que, nesta concentração de carga de alumina, o material resultou em um fator de dissipação muito elevado, ocasionando grandes perdas e aquecimento, quando sob ação de campos elétricos.

3 3 4,8 8,7 7,9 6,4 10,0 6,4 6,5 6,9 5,6 2,1 0,2 0,2 0 2 4 6 8 10 12 0/0 0/20 50TS/0 100/0 100TS/0 100TS/20 150TS/0 ATH / silica (phr)

ε

Constante dielétrica Fator de dissipação (%)

FIGURA 2 - Constante dielétrica (εεεεr) e Fator de dissipação (D) das composições silicone-ATH/sílica.

A polaridade do hidróxido de alumínio tende a aumentar a absorção de água dos compósitos e então diminuir a sua resistividade elétrica, o que pode ser observado claramente na Figura 3, onde a resistividade volumérica diminui drasticamente com a adição de ATH. No entanto, a composição contendo a alumina parcialmente tratada (100TS/0) apresentou uma resistividade volumétrica levemente maior do que a sua similar com ATH sem tratamento(100/0). Nota-se ainda que, com a incorporação de 20 phr de sílica, a resistividade aumenta. 67 28 0,92 2,1 5,1 _0,62 0 10 20 30 40 50 60 70 ρρρρ v ( T ΩΩΩΩ .m ) 0/0 50TS/0 100/0 100TS/0 100TS/20 150TS/0 ATH/silica (phr)

FIGURA 3 - Resistividade volumétrica (pv) das composições de silicone-ATH/sílica

Através da Figura 4 pode-se observar que houve algum ganho na rigidez dielétrica com a adição de alumina na borrracha de silicone, que foi ainda melhorada com a incorporação de sílica, comprovando os resultados de resistência ao trilhamento e indicando uma preferência pela composição 100TS/20, que também teve sua resistividade volumétrica superior.

20,0 22,0 20,5 21,2 22,6 24,3 24,7 0 5 10 15 20 25 30 0/0 0/20 50TS/0 100/0 100TS/0 100TS/20 150TS/0 ATH / sílica (phr) Rigidez dielétrica (kV/mm)

FIGURA 4 - Rigidez dielétrica das composições de silicone ATH/sílica.

Analisando os resultados dielétricos de todas as composições observa-se que as formulações com ATH/sílica: 100TS/20 e 150TS/0, apresentaram resultados semelhantes, sendo que em algumas propriedades dielétricas a 100TS/20 mostrou maior desempenho.

Através das Tabelas 2 e 3 pode ser feita uma avaliação dos danos causados às composições pelo envelhecimento acelerado. A goma pura (0/0) praticamente não teve alteração, tendo até melhorado algumas propriedades, como a resistividade volumétrica (Tabela 2) e rigidez dielétrica (Tabela 3). No caso da composição contendo sílica (0/20), somente a resistividade volumétrica diminuiu um pouco, sua rigidez dielétrica praticamente não variou. No entanto, com a adição da alumina, todas as propriedades dielétricas analisadas foram prejudicadas devido, provavelmente, à absorção de água pela alumina durante o envelhecimento.

Na resistência ao trilhamento foi observado que o percentual de retenção (Tabela 3) foi praticamente o mesmo para as três composições, tendo portanto, a alumina cumprido o seu objetivo: aumentar a resistência ao trilhamento do material de silicone.

TABELA 3 - Retenção da rigidez dielétrica e da resistência ao trilhamento elétrico das composições após envelhecimento acelerado conforme item 2.4

ATH/Silica (phr) Rig. Dielétrica (kV/mm) Trilhamento (kV) 0/0 antes 20,0 2,25 0/0 após 22,0 1,75 Retenção 110 78 0/20 antes 22,0 2,75 0/20 após 20,9 2,25 Retenção 95 82 100TS/20 antes 24,3 3,5 100TS /20 após 20,0 2,75 Retenção 82 78 4.0 - CONCLUSõES

Para as composições estudadas:

• foi observado que 50 phr desta alumina é insuficiente para influenciar na resistência ao trilhamento;

• a quantidade de sílica pirogênica incorporada, por apresentar elevada resistividade elétrica e absorver quantidades insignificativas de água, não prejudicou as propriedades dielétricas estudadas; • a utilização da ATH com tratamento superficial

proporcionou a obtenção de melhor dispersão da carga na matriz polimérica em relação à não tratada;

• ocorreu um sinergismo entre as cargas utilizadas (sílica e ATH), observado nos resultados de resistência ao trilhamento;

• A alumina se mostrou adequada na melhora da resistência ao trilhamento elétrico do material, embora prejudique algumas das propriedades dielétricas;

• As propriedades dielétricas analisadas foram influenciadas pelas condições de envelhecimento acelerado.

5.0 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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AGRADECIMENTOS