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Aula VII Ruptura de dielétricos
VII.1 – Ruptura de dielétricos gasosos - o ar serve como isolante externo em vários equipamentos e situações; - buchas de transformadores, linhas de transmissão, isoladores de vidro ou porcelana, capacitores; - a rigidez dielétrica do ar é menor do que aquela de outros gases; - também é menor do que aquela de alguns dielétricos líquidos; - com a presença de um campo elétrico, uma pequena quantidade de elétrons, ânions e cátions são produzidos e passam a se movimentar na estrutura do gás, colidindo com outros átomos e ionizando-os; - ou seja, ionizando o gás; - em alguns casos, elétrons acelerados apenas causam um estado de excitação em moléculas do gás. A molécula em tal estado libera energia por meio de um fóton ou radiação. Outras moléculas absorvem o fóton e chegam ao estado ionizado. Tal estado leva a uma descarga elétrica devido à rápida propagação da radiação; - a ruptura do dielétrico de gases e conseqüente descarga dependem da uniformidade do campo elétrico aplicado; - a rigidez dielétrica do ar em função da distância é:
- a descarga não se fortalece em um pequeno entreferro ou gap; - a rigidez dielétrica de um gás depende da pressão a qual o gás está submetido; - existem sistemas de isolação a SF6 sob pressão; - com campos homogêneos, a rigidez dielétrica depende da freqüência;
- superfícies esféricas espaçadas em uma distância superior ao raio da esfera também interferem na rigidez dielétrica;
- o efeito corona é uma descarga parcial que ocorre em presença de umidade e valores altos de campo eletromagnético. Pode evoluir para a ruptura total do dielétrico gasoso; - em altas freqüências, a tensão de ruptura coincide com a tensão que desencadeia o efeito corona;
- a ruptura dielétrica do ar em torno de um dielétrico sólido, por exemplo, isolador de porcelana ou vidro, é chamada de flashover ou descarga de superfície;
VII.2 – Ruptura em líquidos
- dielétricos líquidos puros têm uma rigidez dielétrica maior que os gases; - no entanto, são mais facilmente contaminados por impurezas; - impurezas: umidade, gases dissolvidos e sólidos dissolvidos ou em suspensão; - a ionização é semelhante aquela apresentada pelos gases. No entanto, os elétrons têm uma liberdade menor de movimentação; - o aquecimento por causa da presença de um campo elétrico gera canais gasosos de ionização; - efeito da água no óleo isolante de transformadores;
- a influência da elevação de temperatura é maior em altas freqüências e em líquidos polares;
VII.3 – Ruptura em dielétricos sólidos - depende das características do campo elétrico: AC ou DC, alta ou baixa freqüência; - influência dos defeitos do cristal; - período de energização; - condições de resfriamento.
VII.3.a – Dielétricos homogêneos - pouca influência da energia dissipada; - a ruptura se inicia com um processo eletrônico de liberação de cargas que leva a uma avalanche eletrônica;
- a ionização ocorre por impacto ou colisão de elétrons ionizados com o corpo sólido do dielétrico.
VII.3.b – Dielétricos heterogêneos - os principais exemplos são relacionados aos dielétricos com impurezas gasosas; - a característica do campo influência pouco a rigidez dielétrica;
- acima de uma temperatura crítica, a rigidez dielétrica é altamente influenciada pela temperatura, caracterizando uma ruptura térmica;
- rigidez baixa Æ materiais porosos; - rigidez alta Æ materiais não porosos; - impurezas gasosas são pontos onde ocorrem descargas parciais no interior do dielétrico.
VIII.3.c – Ruptura térmica
- causada pro aquecimento de um dielétrico em presença de um campo elétrico; - depende da freqüência, condições de resfriamento e temperatura ambiente; - acima de uma temperatura crítica, ocorre destruição térmica do material. Assim, em função disso, há uma tensão permissível ou um limite de tensão.
VII.3.d – Ruptura eletroquímica - altas temperaturas; - alta umidade do ar; - corrente contínua ou corrente alternada; - processo eletrolítico com decréscimo irreversível da resistência de isolação; - liberação progressiva de substâncias quimicamente ativas ou formação de compostos semicondutores; - uma progressiva alteração química do material sob efeito de calor e umidade.
VII.4 – Propriedades mecânicas e físico-químicas da isolação Para uma melhor aplicação de materiais dielétricos na isolação, devem ser conhecidas as seguintes propriedades: - resistência à umidade; - propriedades mecânicas; - propriedade térmicas; - resistência térmica; - resistência ao frio; - condução térmica; - propriedades químicas.
VII.4.a – Resistência à umidade - materiais isolantes absorvem umidade em maior ou menor grau (higroscópicos); - podem ser ainda permeáveis; - a água é um dielétrico polar de baixa resistividade; - a ação da umidade aumenta com a temperatura na faixa de 30 a 40 ºC e com umidade relativa do ar acima de 98 %; - afeta a resistência superficial da isolação; - em materiais porosos:
- causa crescimento de fungos em dielétricos orgânicos utilizados em regiões tropicais; - aplicação de vernizes com fungicidas contendo cloro, nitrogênio e mercúrio.
VII.4.b – Propriedades mecânicas - resistência à tração, compressão e à flexão; - a isolação é sujeita a cargas mecânicas; - podem depender da direção (materiais laminados); - resistência à compressão pode ser maior que à tração (vidros e cerâmicas); - a viscosidade é uma propriedade importante para dielétricos líquidos; - a viscosidade é associada à capacidade de transferência de calor pelo líquido (convenção).
VII.4.c – Propriedades térmicas
- resistência térmica: capacidade de resistir a altas temperaturas; - resistência ao frio: as propriedades de isolação melhoram. No entanto, os materiais podem
ser tornar quebradiços, perdendo elasticidade e flexibilidade. - condução térmica: além da influência da temperatura sobre o material isolante, uma outra característica importante do material é o seu comportamento quando submetido a choques térmicos. - expansão térmica:
VII.4.d – Propriedades químicas Os materiais isolantes não devem: - se degradar; - induzir corrosão em partes metálicas; - não reagir com água, gases, ácidos, álcalis e soluções salinas; - ter um grau de estabilidade alto em presença de radiação.
