Paulo Alexandre de Lemos Coelho 10503012 2002 / …ee01012/relatorio.pdfNo final da década de oitenta, assiste-se à implementação de uma estratégia de internacionalização. Numa

Realizado por: Paulo Alexandre de Lemos Coelho Nº 10503012

Ano: 2002 / 2003 Email: [email protected]

INDICE

1. Introdução..................................................................................................... 4 2. Agradecimentos ............................................................................................ 5 3. Apresentação do grupo EFACEC................................................................. 6 4. Meios dieléctricos....................................................................................... 19 4.1. Considerações gerais .................................................................................. 19 4.2. Classificação dos meios isolantes............................................................... 21 4.3. Concepção do isolamento........................................................................... 22 4.4. Princípios base para efectuar a coordenação de isolamento....................... 22 4.4.1. Coordenação de isolamento........................................................................ 22 4.4.2. Condições dieléctricas e outros factores que afectem o isolamento........... 23 4.4.3. Níveis de isolamento normalizado ............................................................. 24 4.4.4. Condições gerais de ensaio......................................................................... 25 4.4.4. Distâncias no ar entre partes condutoras sob tensão e estruturas ligadas à

terra............................................................................................................ 25 4.5. Concepção de dieléctricos .......................................................................... 26 4.5.1. Estudo electromagnético ............................................................................ 26 4.5.2. Regras básicas para a concepção de dieléctricos........................................ 26 4.5.3. Critérios de concepção dos dieléctricos ..................................................... 27 4.5.4. Descargas parciais ...................................................................................... 27 4.6. Dieléctricos mais utilizados na Indústria Eléctrica de média tensão.......... 28 5. Análise comparativa dos meios gasosos isolantes gasosos actualmente mais

utilizados (Ar, Ar sintético, Azoto, SF6) ................................................... 30 5.1. Ar ................................................................................................................ 30 5.2. Azoto (N2) .................................................................................................. 31 5.3. Hexafluoreto de Enxofre (SF6) ................................................................... 32 5.3.1. Comportamento dieléctrico do isolamento no SF6 ..................................... 32 5.3.2. Considerações gerais .................................................................................. 33 5.3.3. A molécula de SF6 ...................................................................................... 33 5.3.4. Propriedades dieléctricas do SF6 ................................................................ 34 5.3.5. Corte no SF6 ............................................................................................... 35 5.3.6. Comportamento do SF6 perante o arco eléctrico ........................................ 39 5.3.7. Considerações ambientais do SF6............................................................... 40 5.4. Ar sintético ................................................................................................. 42 5.5. Propriedades eléctricas dos dieléctricos em estudo, comparação entre os

diversos dieléctricos .................................................................................. 43 5.6. Alteração das propriedades dos dieléctricos com a variação da pressão.... 44 6. Proposta de protótipo para ensaio laboratorial de dieléctricos ................... 51 6.1. Forma de onda ............................................................................................ 51 6.1.1. Definição das condições dieléctricas.......................................................... 53 6.1.2. Influência da forma de onda da tensão de choque...................................... 53 6.2. Influência da geometria dos eléctrodos ...................................................... 54 6.3. Influência das condições ambientais .......................................................... 55

Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso 2 / 79

6.4. Distribuição do campo eléctrico................................................................. 56 6.5. Disrupção dieléctrica .................................................................................. 57 6.6. Comportamento do campo eléctrico........................................................... 59 6.7. Protótipo ..................................................................................................... 63 7. Ensaio Laboratorial..................................................................................... 64 7.1. Principio de funcionamento do gerador ..................................................... 65 7.2. Procedimento .............................................................................................. 68 7.3. Característica das formas de onda aplicadas .............................................. 69 7.4. Condições ambientais do ensaio................................................................. 69 7.5. Ensaio utilizando o ar atmosférico como dieléctrico.................................. 70 7.6. Ensaio com a cuba fechada e cheia de ar sintético ..................................... 71 8. Conclusões.................................................................................................. 76 9. Nota final .................................................................................................... 78 10. Bibliografia................................................................................................. 79


1. Introdução

O presente trabalho “Alternativas ao gás SF6 como meio de isolamento na aparelhagem

de Média Tensão”, que se insere na pesquisa da empresa visando o cumprimento do protocolo

de Kyoto, tem como objectivo permitir ao aluno o contacto com a pesquisa e inovação em

termos de tecnologias de isolamento e corte no domínio da aparelhagem de média tensão, após

um conhecimento sólido das tecnologias actuais.

Para tal realizou-se uma análise comparativa das propriedades eléctricas dos meios isolantes

gasosos actualmente mais utilizados (SF6, azoto, ar e ar sintético) e retirou-se algumas

considerações sobre a alteração das suas propriedades com a variação da pressão.

O trabalho foi realizado na empresa EFACEC-AMT, S.A., no departamento de I&D e

recorrendo ao laboratório de média tensão do mesmo.


2. Agradecimentos

Neste espaço gostaria de deixar os meus agradecimentos aos que tornaram possível a sua

realização.

Ao Prf. Dr. António Machado e Moura, Professor Catedrático da Faculdade de Engenharia

da Universidade do Porto pelo seu interesse e disponibilidade em aceder ao meu pedido de

supervisionar o estágio.

Ao Sr. Eng. Rui Cardoso director da EFACEC AMT, S.A. por me ter possibilitado a

realização deste estágio.

Ao Eng. Miguel Carvalho responsável pelo departamento I&D da EFACEC AMT, S.A.,

pelo apoio dado, conhecimentos transmitidos e a disponibilidade com que acolheu as minhas

interpelações.

Ao Sr. Manuel Martins responsável pelo laboratório da EFACEC AMT S.A. pela

colaboração prestada na elaboração dos ensaios.

Tratou-se de uma experiência enriquecedora, que possibilitou: o meu contacto com o

mercado de trabalho, o conhecimento das realidades de uma empresa de referência no mercado

e proporcionou-me um desenvolvimento de competências técnicas e pessoais.


3. Apresentação do grupo EFACEC

Síntese histórica do grupo EFACEC

Com mais de meio século de actividade a EFACEC surgiu da ELECTRO-MODERNA, um

pequeno fabricante de motores e uma das mais antigas empresas no sector do material eléctrico.

A sociedade foi constituída a 12 de Agosto de 1948, tendo na sua génese o Eng.º. António Ricca

Gonçalves, Director da ELECTRO-MODERNA.

O Eng.º. António Ricca preconizava então a criação de uma empresa sólida,

financeiramente e tecnicamente capaz de se impor no mercado nacional e de concorrer em pé de

igualdade, com a concorrência externa. A ELECTRO-MODERNA associa-se então aos ACEC,

Ateliers de Construtions Electrique de Charleroi, à CUF – Companhia União Fabril, e ainda a

um grupo de pequenos accionistas. A então denominada EFME, EFA em 1949, e, finalmente,

EFACEC a partir de 1962, inicia um processo de apetrechamento tecnológico e humano que

culmina na inauguração, em 23 de Junho de 1951, das instalações fabris da Arroteia, Leça do

Balio. Inicialmente dedicada à produção de motores eléctricos, a EFACEC dá, a partir de 1957,

os primeiros passos na afirmação da sua capacidade tecnológica e industrial ao decidir dedicar-

se também à produção de transformadores. Devido ao crescimento das encomendas neste sector,

a empresa consolida-se e ultrapassa as crises económicas conjunturais que, ciclicamente,

abalaram o sensível tecido industrial português.


Em 1959, a EFACEC redefine a sua estrutura societária e estabelece, de novo, um período

de crescimento. Incorpora neste período a SOPREL e a INEL, aumentando a sua capacidade

industrial nas áreas de Aparelhagem Eléctrica de Alta e Média Tensão, e introduzindo nas suas

actividades a produção de elevadores e montacargas. Com estas operações a EFACEC passa a

constituir a maior sociedade portuguesa no campo da electrotecnia.

É ainda nesta altura que a EFACEC inicia o fabrico dos grandes transformadores de potência do

tipo SHELL, entrando deste modo no mais restrito “clube” dos fabricantes mundiais deste

equipamento.

Entre 1966 e 1973, vê crescer 2,5 vezes a área fabril e 6 vezes o volume de encomendas.

Perante este crescimento e expansão, as acções da EFACEC são admitidas, em 1969, no

mercado de valores de Lisboa. Quando, em 1973, comemora 25 anos de existência, a EFACEC

é uma empresa conceituada e solidamente implantada no mercado nacional, protagonizando nos

anos seguintes, novos desenvolvimentos.

Nesse mesmo ano adquire uma posição maioritária na JORRO, empresa produtora de

bombas hidráulicas (incorporada definitivamente em 1979). Procede à ampliação das

instalações fabris de produção de transformadores de medida e de grande potência, e aumenta

consideravelmente as instalações da fábrica de motores da Maia.


Nos anos de 1976 e 1977, dá-se início à actividade na área dos Sistemas de Tracção. A

primeira encomenda surge logo em 1977 e dizia respeito a vários motores de tracção de 500 cv,

destinados a locomotivas Diesel-Eléctricas.

Neste último ano assiste-se à entrega do 1º transformador trifásico de 420 kV, 315 MVA,

com 450 toneladas de peso (a maior unidade trifásica construída em Portugal).

Em 1980, é adquirida a quase totalidade das acções da RABOR, providenciando-se a

constituição de uma unidade de produção de motores eléctricos à escala europeia.

Com a saída em 1987 do sócio maioritário, os ACEC, a EFACEC inicia um novo período

na história da empresa, e os anos oitenta vão representar um momento fundamental na

redefinição das suas grandes opções estratégicas.

O investimento na modernização dos meios de produção, na concepção de produtos e no

desenvolvimento de novas tecnologias permitiram manter a liderança da EFACEC nas várias

actividades em que está envolvida.

No final da década de oitenta, assiste-se à implementação de uma estratégia de

internacionalização. Numa primeira fase, criou-se uma estrutura de agentes, delegações e filiais,

sustentando-se, desse modo, o rápido crescimento das exportações, consubstanciado nos

sectores dos motores eléctricos e transformadores (70% do volume de exportações).

A primeira metade da década de 90 representou para a EFACEC a aposta nos mercados

externos. A compreensão das características da globalização levou a um constante investimento

na internacionalização. Contudo, num mercado global, a internacionalização de uma empresa

não se limita a uma política de desenvolvimento das suas exportações. Cada vez mais há que ser

capaz de se aproximar do cliente com produtos específicos que satisfaçam os requisitos de cada

mercado. Para acomodar os produtos e sistemas às necessidades dos clientes e garantir serviços

pós venda adequados, há que encontrar parceiros locais capazes de, com incorporação local,

aplicar o “know how” da EFACEC (tecnológico, management e qualidade). Especialmente na

área dos sistemas estas alianças são essenciais. Em Junho de 1990, criaram-se as primeiras

empresas afiliadas detidas em 100% pelo grupo EFACEC. As filializações introduziram uma

forte racionalização das funções e dos objectivos que caracterizaram cada uma das actividades.

Acrescentaram também uma agressividade comercial e um maior rigor e disciplina de gestão,

factores decisivos para as empresas que, tal como as empresas do GRUPO EFACEC, têm hoje

uma forte expressão.


Em 1997 a EFACEC entra numa nova fase de internacionalização, da qual uma etapa

fundamental é o início de laboração da LIAOYANG EFACEC Electrical Equipment, Co. Ltd,

joint-venture na China para o fabrico de Transformadores de Potência e de Distribuição. Outras

joint-ventures com empresas locais localizadas noutras zonas do globo são constituídas.

Ainda em 1997, a EFACEC entra definitivamente no mercado das telecomunicações,

através da constituição da ENT – Empresa Nacional de Telecomunicações, maioritariamente

detida pela EFACEC (51%). A velocidade com que se tem assistido à globalização dos

mercados está directamente ligada aos grandes avanços nas comunicações. No passado dizia-se:

“o segredo é a alma do negócio”. Hoje, no mercado global, com os meios de comunicação

disponíveis, os segredos circulam muito rapidamente. Para além da tradicional necessidade de

credibilidade, flexibilidade e capacidade de inovação, a verdadeira alma do negócio

internacional baseia-se na velocidade de resposta adequada. Para dar resposta rápida e adequada

às várias solicitações recebidas dos mais diversos mercados com normas próprias, culturas

diversas, moedas diferentes, as empresas vêem-se obrigadas a dispor não só de recursos

humanos altamente qualificados, abertos e fluentes em línguas estrangeiras, como também de

sofisticados meios técnicos e financeiros.

No final de 1999 foram aprovados os princípios orientadores de uma nova estratégia para o

Grupo EFACEC, a qual visa o reforço e a consolidação da competitividade, através da

reorganização em três áreas de negócio (EAS - Engenharia, Ambiente e Serviços; EN - Energia;

AMT - Aparelhagem de Média Tensão, TLE - Telecomunicações, Logística e Electrónica).

Cada uma das novas áreas de negócio passa a ter uma estrutura orgânica e responsáveis

próprios, sendo orientadas para as necessidades globais dos clientes de forma a optimizar as

sinergias do Grupo, permitindo a passagem para uma lógica de sistemas e soluções integradas e

diferenciadoras, por oposição a uma lógica de produto. Esta estratégia deverá permitir ainda o

reforço da coesão e dos processos internos e o desenvolvimento de uma cultura assente na

satisfação das necessidades do cliente, da melhoria contínua e no envolvimento criativo dos

colaboradores do Grupo EFACEC.

[www.efacec.pt]


Estrutura e rede internacional

Figura 1: Organização da empresa

Figura 2: Rede internacional


Produtos e instalações

Figura 3: Pólo Industrial da Arroteia, Transformadores de Potência, Transformadores de Distribuição, Aparelhagem de Alta Tensão, Subestações Móveis, Aparelhagem de Média Tensão

Nota: Tendo o campo de estágio do presente trabalho sido circunscrito à EFACE – AMT

“Aparelhagem de Média Tensão”, apresento em seguida uma breve descrição da mesma.

A divisão da EFACEC de Aparelhagem de Média Tensão apresenta, desde 1950, uma

grande experiência no fabrico de disjuntores, seccionadores, quadros eléctricos e outros

produtos para redes de média tensão.

As instalações fabris situam-se a cerca de 5 km do centro do Porto, integradas num dos

pólos industriais da EFACEC, a Arroteia. Estão equipadas com os mais modernos meios de

produção e gestão integrada por computador, pelo que são consideradas das mais modernas da

Europa no seu ramo.


Figura 4: Aspecto do interior da empresa

Uma fábrica moderna equipada com linhas de produção flexíveis, uma criteriosa selecção

de matérias-primas, aliada a um Sistema de Garantia de Qualidade NP EN ISO 9001, garantem

que os produtos satisfazem as normas aplicáveis e as especificações técnicas mais exigentes (ver

figura 6).

Estes produtos são o fruto de anos de experiência e o resultado de elevados investimentos

nas mais avançadas tecnologias em meios de engenharia, concepção e ensaios.

Meios Técnicos:

• CAD -Desenho tridimensional assistido por computador

• CIM -Fabrico integrado por computador

• CAE -Análise de campos eléctricos e magnéticos;

• CAE -Análise mecânica de movimentos e estruturas;

• Linha de produção de chaparia de alta precisão e grande capacidade;

• Linha de produção automática de injecção de peças em resina epóxida (método de gelificação rápida);

• Laboratório de ensaios de Média Tensão.

Gama de produtos:

• Disjuntores de vácuo e SF6;

• Quadros de distribuição modular;


• Quadros extraíveis isolados a ar;

• Quadros isolados a SF6

Figura 5: Aspecto de uma das salas de trabalho onde se utiliza o

desenho tridimensional assistido por computador como ferramenta de trabalho.

Aparelhagem

Disjuntor de Vácuo DIVAC

Até 24 kV

Até 3150 A

Até 40 kA

Disjunto de SF6 DIFLU

Até 36 kV

Até 2500 A

Até 25 kA


Interruptores-seccionadores em SF6 IATS

Até 36 kV

Até 630 A

Até 16 kA

Interruptor-seccionador ISP e seccionador SE

Até 36 kV

Até 630 A

Até 16 kA

Quadros blindados para distribuição primária

Quadro blindado extraível NORMACEL, com disjuntor de vácuo

Até 17.5 kV / 24 kV

Até 2500 A / 2000 A

Até 40 kA / 25 kA

NORMACEL Cassette, compartimento com disjuntor de vácuo extraível e seccionador de terra

Até 17.5 kV / 24 kV

Até 2500 A / 2000 A

Até 40 kA / 25 kA


Quadro blindado extraível QBN4, com disjuntor de vácuo

Até 12 kV / 15 kV

Até 2000 A

Até 25 kA

Quadro blindado extraível QBN7, com disjuntor de SF6

Até 36 kV

Até 2000 A

Até 25 kA

Quadros modulares e compactos para a distribuição secundária

Quadro modular NORMAFIX

Até 24 kV / 36 kV

Até 1250 A / 630 A

Até 25 kA / 16 kA

Quadro compacto FLUOFIX GC, com isolamento em SF6

Até 24 kV

Até 630 A

Até 25 kA


Quadro compacto extensível FLUOFIX GC.M, com isolamento em SF6

Até 24 kV

Até 630 A

Até 25 kA

Quadro compacto FLUOFIX GC.T, para exterior e com isolamento em SF6

Até 24 kV

Até 630 A

Até 25 kA

Centros de Transformação

Posto de transformação compacto para exterior com invólucro em aço inox PUC

Até 24 kV

Até 1000 kVA

Posto de transformação compacto para exterior com invólucro em betão PUCBET

Até 24 kV / 36 kV

Até 1600 kVA / 630 kVA

Posto de transformação compacto em bastidor PUB

Até 24 kV

Até 630 kVA


Unidade compacta de transformação para exterior TPS com FLUOFIX GC.T

Tecnologia e qualidade: conceito chave

Para o fabrico dos produtos e a realização das instalações e sistemas, o Grupo EFACEC

dispõe de equipas técnicas qualificadas e emprega as mais modernas tecnologias resultantes, na

sua maioria, de desenvolvimento próprio.

A Qualidade, isto é, a totalidade das características de um produto ou serviço que

determinam a sua aptidão para satisfazer as necessidades explícitas ou implícitas, tem hoje em

dia, uma importância incontestável no mundo dos negócios. Cada vez mais as empresas

reconhecem esta realidade e o que ela representa para a sua competitividade em mercados cada

vez mais exigentes.

A melhoria da qualidade, sob a forma de eliminação das falhas do produto, ou ainda da

eliminação de desperdícios, é também cada vez mais um meio importante de melhorar a

produtividade.

O mercado é algo móvel que exige das empresas uma contínua revisão dos seus produtos,

de modo a ajustá-los a novas exigências e expectativas, para assim satisfazer as necessidades

dos clientes.

Essa contínua revisão e melhoramento dos produtos, só é possível através do planeamento e

implementação da Qualidade dos produtos.

Os meios de produção são objecto de aperfeiçoamento permanente com introdução de

técnicas actualizadas como, por exemplo, a utilização de sistemas CAD/CAM em ambiente

CIM.

Sendo a qualificação dos trabalhadores um factor determinante na qualidade dos produtos, o

Grupo EFACEC, através dos seus Serviços de Formação Profissional, facilita aos seus

trabalhadores, de todos escalões hierárquicos, os meios de actualizarem os seus conhecimentos

realizando os seus conhecimentos realizando acções de formação de diversos tipos.


Tendo como objectivo número um a satisfação dos seus clientes, a EFACEC adoptou uma

estratégia baseada numa política QUALIDADE TOTAL.

Todas as áreas de actividade possuem departamentos de Garantia de Qualidade dispondo de

meios humanos e técnicos (nomeadamente diversos laboratórios) necessários ao controlo de

qualidade em todas as fases de realização das instalações e sistemas e do fabrico dos produtos,

desde a aquisição das matérias-primas até aos ensaios finais, com observância das normas e

procedimentos dos respectivos sistemas de qualidade.

Os diversos Sistemas de Garantia de Qualidade são objecto de auditorias e homologações

por entidades qualificadas, nomeadamente pela Lloyd's Register of Shiping – London – e pela

APCER.

Figura 6: Certificados de qualidade


4. Meios dieléctricos

4.1. Considerações gerais

Designa-se por dieléctrico qualquer substância que não seja condutora, poderemos então

considerar como sinónimos as palavras isolante e dieléctrico. Estes têm como função realizar a

oposição ao campo eléctrico, ou modificar o campo eléctrico. Nos dieléctricos não existem

electrões livres de condução, isto é, todos os electrões estão ligados aos átomos ou ás moléculas

do dieléctrico. Existem dois tipos de moléculas: as moléculas apolares, nas quais a nuvem de

electrões e os núcleos positivos têm o seu centro de massa no mesmo ponto, e moléculas

polares, em que os centros de massa das cargas positivas e negativas não coincidem, o que faz

com que a molécula seja um pequeno dipolo eléctrico. Nos dieléctricos formados por moléculas

polares, quando não existe nenhum campo eléctrico externo, os pequenos dipolos encontram-se

orientados aleatoriamente, pelo que não se observa qualquer efeito de separação de cargas a

nível macroscópico. Quando se introduz um campo eléctrico, os dipolos moleculares orientam-

se no sentido oposto ao campo e o corpo comporta-se como um grande dipolo eléctrico. No caso

de serem materiais constituídos por moléculas apolares, o campo externo polariza as moléculas

no sentido oposto, produzindo também o mesmo efeito de um dipolo macroscópico, mas de

menor intensidade do que no caso de moléculas polares.

Se o campo eléctrico for muito forte, poderá acontecer que a separação entre electrões e

núcleos seja muito grande, podendo mesmo libertar-se alguns electrões, deixando as respectivas

moléculas ionizadas. Este fenómeno constitui uma ruptura do dieléctrico, o que faz com que

apareçam cargas livres transformando o dieléctrico num condutor; todavia, as cargas livres

desaparecem rapidamente devido à acção do campo.

Um exemplo típico de ruptura de um dieléctrico é um raio. As tempestades dão-se quando

existem campos intensos entre as nuvens e os objectos na superfície da Terra. O ar é um

dieléctrico que não permite a passagem de cargas entre as nuvens e os objectos. Quando o

campo fica muito intenso, dá-se uma ruptura de algumas moléculas do ar e uma descarga

eléctrica brusca ocorre. Se o dieléctrico fosse um sólido, a ruptura deixaria fissuras na matéria.

Cada dieléctrico é caracterizado por um valor máximo de campo eléctrico que pode suportar

sem ruptura, a que se denomina rigidez dieléctrica – campo eléctrico máximo que um

dieléctrico pode suportar sem perder as suas qualidades de isolador.


Os dieléctricos empregues na indústria do sector eléctrico deverão possuir propriedades

físicas e químicas desejáveis de maneira a serem compatíveis com outros materiais aplicados no

sistema e aceites quer a nível económico quer a nível ambiental. Desta forma a indústria do

sector eléctrico permite efectuar uma exploração de forma mais eficiente, mais económica, mais

robusta, mais segura assegurando o respeito pelo ambiente.

Os dieléctricos são escolhidos de acordo com as propriedades mais adequadas para a função

que vão desempenhar e para as condições de trabalho e de ambiente em que são inseridos. Dado

que, a sua função principal é realizar o isolamento de partes activas e por conseguinte o

isolamento de sistemas eléctricos de energia, é necessário considerar alguns factores que

influenciam a escolha dos isolantes.

Os mecanismos de ruptura dieléctrica são extremamente complexos, eles dependem da

forma de onda da tensão aplicada (principalmente da velocidade de crescimento e amplitude) e

da natureza dos isolantes (ar, gás, dieléctrico sólido ou líquido).

Na prática, a ruptura dieléctrica distingue-se pelo Arco eléctrico - quando a disrupção tem

lugar num gás que separa dois eléctrodos metálicos.

A figura seguinte mostra o desenvolvimento de um arco eléctrico (ao choque):

Figura 7: Fotografias sucessivas da descarga que se desenvolve num intervalo ponta-plano, submetido a

um a tensão de choque com um valor máximo de 1,8MV.


Portanto, define-se como nível de isolamento de um aparelho eléctrico como sendo a sua

aptidão de suportar a tensão de impulso ao choque correspondente ao nível de tensão nominal

definida para o aparelho. Estes valores são definidos normativamente para cada tipo do produto

pelas normas internacionais CEI. Assim, por exemplo, para um interruptor de tensão nominal de

24 kV, o nível de isolamento para a tensão de choque correspondente será de 125 kV.

4.2. Classificação dos meios isolantes

Os meios isolantes dividem-se em sólidos, líquidos e gasosos.

Estes são em geral constituídos por Resina epóxica, Ar, Óleo, pelo muito utilizado SF6,

(câmaras de corte de disjuntores, postes blindados herméticos, entre outros...) e mais

recentemente por Azoto ou Ar Sintético.

Uma maneira mais adequada de distinguir os diferentes tipos de meios isolantes consiste em

os classificar.

Os isolantes podem ser classificados em:

- Meios isolantes autoregeneráveis;

- Meios isolantes não-autoregeneráveis;

Distinção entre ambos os isolantes em função do seu comportamento no decurso de um

ensaio dieléctrico:

- Um isolamento autoregenerável: isolantes líquidos e gasosos, não vêem as suas

qualidades isolantes perdidas ou modificadas na sequência de uma descarga

disruptiva durante um ensaio dieléctrico.

- Nos isolantes não-autoregeneráveis: isolantes sólidos, uma descarga disruptiva

destroi as suas propriedades isolantes e um grande numero de choques à tensão

nominal pode provocar uma deterioração gradual do seu isolamento, sendo por esta

razão que os isolamentos não-autoregeneráveis são ensaiados por aplicação de um

numero limitado de choques.


Então, os primeiros podem ser novamente colocados sob tensão após a ocorrência de uma

ruptura dieléctrica á qual foram submetidos, sem deterioração. Quanto aos segundos, estes

necessitam de uma intervenção que imobilize por um indeterminado tempo o aparelho em

causa, o qual pode mesmo ser levado definitivamente a fora de uso.

4.3. Concepção do isolamento

Para um inventário prático e completo é necessário encontrar um método de classificações.

As condições dieléctricas são essencialmente definidas por três parâmetros, a saber: a sua

amplitude, a sua forma, e a sua frequência de aparição do espectro. Podemos defini-los segundo

outros critérios, como o tipo de sistema sobre o qual elas aparecerão ou o tipo de acontecimento

que elas provocam, ou ainda o lugar da sua aparição.

Permitem mais facilmente encontrar as equivalências entre as diversas condições

dieléctricas sobre os sistemas físicos independentes.

Geralmente classifica-se as condições segundo a sua forma principal, os seus níveis e as

suas frequências de visibilidade.

Procede-se geralmente ao estudo das condições em três categorias:

- Regime a 50Hz, compreendem regimes permanentes e regimes temporários à

frequência fundamental;

- Sobretensões de manobra;

- Sobretensões ao choque.

4.4. Princípios base para efectuar a coordenação de isolamento

4.4.1. Coordenação de isolamento

A coordenação de isolamento engloba a selecção do valor do dieléctrico dos materiais e a

sua colocação no trabalho, em função das tensões que podem aparecer no sistema, ao qual os

materiais são destinados tendo em conta as características dos dispositivos de protecção


disponíveis. Pretende-se, então reduzir para um nível aceitável do ponto de vista económico e

também de exploração, a probabilidade que as condições dieléctricas resultantes impostas aos

materiais causam danos nos isolamentos dos materiais ou afectem a continuidade de serviço.

4.4.2. Condições dieléctricas e outros factores que afectem o isolamento

As condições dos dieléctricos sobre os isolantes podem ser classificadas da seguinte forma:

- Tensões à frequência industrial, dentro das condições normais

de exploração;

- Sobretensões temporárias:

- Defeitos à terra;

- Variações bruscas de carga;

- Fenómenos de ressonância e ferroressonância;

- Sobretensões de manobra:

- Ligação e religação de uma linha;

- Defeitos e extinção de defeitos;

- Corte de correntes capacitivas ou indutivas;

- Perda de uma carga;

- Cortes de arco;

- Sobretensões de choque;

As sobretensões são classificadas segundo a forma de onda de tensão, forma essa que

determina os efeitos sobre os isolantes.

O comportamento do isolamento depende da distribuição geométrica do campo e do tipo do

dieléctrico.

Para uma dada condição dieléctrica, o comportamento do isolamento interno pode ser

influenciado pelo seu grau de envelhecimento.


A gama de tensões aplicadas aos materiais situam-se entre os valores normalizados de

tensões entre 1KV a 52KV, ou seja, onde se encontram os valores normalizados das tensões na

gama de Média Tensão 12KV;17,5KV;24KV e 36KV.

Consideram-se os seguintes ensaios dieléctricos:

- Ensaios à frequência industrial de curta duração (1min);

- Ensaios à frequência industrial de longa duração;

- Ensaios aos choques de manobra;

- Ensaios aos choques de arco eléctrico;

No comportamento à tensão de serviço, sobretensões temporárias e sobretensões de

manobra verifica-se, no caso geral, por um ensaio à frequência industrial de curta duração.

O comportamento com sobretensões do arco eléctrico verifica-se para um ensaio de choque

do arco eléctrico.

O envelhecimento do isolamento interno afectam o comportamento à tensão de serviço,

assim como as sobretensões necessitam geralmente de ensaios de longa duração à frequência

industrial.

No momento em que, o isolante empregue é um gás, a temperatura e pressão, parâmetros da

modificação da densidade do gás irão alterar as performances do isolamento. Ou seja, as

condições ambiente influenciam o comportamento do gás isolante.

A necessidade de estudos completos de sobretensões do sistema, deste modo a necessidade

da realização de ensaios, exigem a aplicação de um grande número de choques, o que limita na

prática a utilização do método estatístico.

Com a aplicação do método convencional a tensão de ensaio ao choque correspondente

deve ser escolhida de entre os valores normalizados.

4.4.3. Níveis de isolamento normalizado

Em seguida é visualizada a tabela dos níveis de isolamento normalizado:


Un - Tensão nominal (valor eficaz)

Tensão nominal ao choque de arco eléctrico

(valor máximo)

Tensão nominal de curta duração à frequência

industrial (valor eficaz)

12kV 75kV 28kV 17,5kV 95kV 38kV 24kV 125kV 50kV 36kV 170kV 70kV

4.4.4. Condições gerais de ensaio

O propósito dos ensaios indicados é de verificar que cada material respeita as tensões

nominais que determinam o seu nível de isolamento.

Para cada tipo de ensaio e cada tipo de material, a comissão de estudos da CEI trata da

técnica de ensaios em alta tensão, ou a comissão competente de aparelhos para esse material

deve especificar os métodos de detecção e falhas de isolamento e os critérios que permitam

afirmar que ele tem ou não uma falha de isolamento durante os ensaios.

Dentro do possível, os ensaios devem ser realizados de acordo com as normas.

4.4.4. Distâncias no ar entre partes condutoras sob tensão e estruturas ligadas à terra

Os valores das distâncias no ar dadas na tabela seguinte são valores mínimos determinados

pela consideração das propriedades dieléctricas, no entanto, não têm em consideração os

aumentos que poderão ser necessários devido às tolerâncias de construção, efeitos de curto-

circuito, entre outros…

Tensão nominal aos choques de arco

eléctrico(kV) Distância no Ar mínima

Fase-Massa (mm)

75 120 95 160 125 220 170 320


4.5. Concepção de dieléctricos

4.5.1. Estudo electromagnético

O estudo electromagnético tem como objectivo essencial determinar o campo eléctrico e

avaliar o comportamento das linhas equipotenciais nos dieléctricos dos sistemas eléctricos de

energia e seus interfaces.

Deste modo a geometria apresenta um papel preponderante de forma a que o campo

eléctrico não ultrapasse os valores limite aceitáveis para os diferentes tipos de dieléctricos,

sólidos, líquidos e gasosos.

4.5.2. Regras básicas para a concepção de dieléctricos

Reduzir os valores máximos do campo eléctrico em particular nos pontos triplos

- Eléctrodo – isolante sólido – gás;

Optimização das dimensões

- Distâncias entre fases;

- Distâncias entre fase-massa;

Escolher linhas de fuga suficientes;

Assegurar-se que em ambientes muito húmidos/poluídos não se produz envelhecimento

rápido dos materiais isolantes (descargas parciais);

Evitar a retenção de humidade/água, escolhendo a forma adequada da peça isolante;

Evitar que as juntas de vedação estejam submetidas a campos eléctricos elevados;

Verificar que os isolantes não estão em contacto com corpos metálicos com temperaturas de

funcionamento em regime permanente superiores às admissíveis para estes materiais, evitando-

se assim o envelhecimento precoce.


4.5.3. Critérios de concepção dos dieléctricos

Condutores totalmente “inseridos” em dieléctricos

Nesta situação o critério de concepção do dieléctrico é fornecido directamente pelas

características dieléctricas do material isolante. A característica mais importante é a rigidez

dieléctrica, dado que, esta verifica se o campo eléctrico aplicado é inferior ao máximo

admissível para o material em questão.

Condutores isolados ao Ar

Nesta outra situação o critério a adoptar é o respeito pelo nível de tensão de ensaio ao

choque. Em seguida são amostrados os valores referência não limitativos, isto é, poderão ser

consideradas distâncias mais pequenas com a introdução de técnicas de controlo do campo

eléctrico e deflexão do mesmo.

Un – tensão nominal (kV)

Distância mínima fase-massa (mm)

12 120 17.5 160 24 220 36 320

4.5.4. Descargas parciais

Estas descargas geradas pelos campos eléctricos têm um especial interesse nos critérios de

concepção dos dieléctricos dado que avaliam as descargas na medida em que estas prejudicam

ou não a vida dos isolantes:


Isolantes gasosos (efeito coroa)

As descargas parciais nos gases são denominadas vulgarmente, por efeito de coroa,

distinguem-se então duas situações distintas:

Isolamentos a Ar

O efeito de coroa é admissível até algumas centenas de pC;

Isolamentos a SF6

O efeito de coroa deverá ser inferior a 1pC, dado que este efeito é prejudicial na medida em

que provoca a decomposição do SF6;

4.6. Dieléctricos mais utilizados na Indústria Eléctrica de média tensão

É indispensável tomar consciência da natureza multidisciplinar de diversos estudos e

ensaios que conduzem um determinado construtor à adopção definitiva de um dieléctrico. A sua

realização necessita de conhecimentos em electricidade, mas também química e estática. Esses

trabalhos poderão levar vários anos. Numerosas experiências são igualmente necessárias a fim

de avaliar a duração de vida do novo material.

Estima-se que o recente progresso no uso de isolantes na indústria eléctrica, deve-se

essencialmente a três motivos:

– Dimensionar da melhor forma possível o isolamento dos materiais eléctricos; ou seja,

optimizar o isolamento de forma a reduzir os custos inerentes;

– Manter a taxa de defeito dos isolantes abaixo dos valores aceitáveis pelos utilizadores;

– Desenvolver novos isolantes de forma a permitir a construção de novos materiais isolantes

que suportem tensões cada vez mais elevadas, ou o funcionamento em condições

especificas;


Contudo, diversas condições ligadas essencialmente à industrialização, provocam mudanças

importantes. Como consequência, os produtores dos isolantes e os seus utilizadores devem:

– Ter em conta as diversas exigências associadas aos locais onde serão instalados os

materiais;

– Reduzir ou suprimir a poluição resultantes da dispersão de isolantes;

– Regular os processos de fabricação e de emprego dos isolantes de forma a reduzir o

consumo de energia;

– Ter em atenção as condições ambientais permitidas;

Inicialmente o ar à pressão atmosférica foi o dieléctrico utilizado, a sua fácil acessibilidade

e as suas características o proporcionaram.

Mais tarde sempre com a idéia vincada de desenvolver novos isolantes, de forma a permitir

a construção de novos materiais isolantes que suportem tensões cada vez mais elevadas, ou o

funcionamento em condições especificas surgiu o óleo.

O óleo cedeu terreno para o SF6, em particular nos domínios superiores de tensão, de poder

de corte e de corrente. O SF6 é agora o dieléctrico gasoso por excelência.

Novas tecnologias começam a ser equacionadas uma delas o Azoto, outra o Ar sintético.

Presentemente a indústria está a ser obrigada a descobrir novos substitutos dos produtos que

hoje são utilizados nos sistemas eléctricos de energia, de forma a optimizar a indústria do sector

eléctrico ao nível da sua exploração, robustez, economia, e aspecto ambiental.


5. Análise comparativa dos meios gasosos isolantes gasosos actualmente mais utilizados (Ar, Ar sintético, Azoto, SF6)

Todos os gases são normalmente bons isolantes eléctricos, de entre eles mesmos alguns são

correntemente utilizados na electrotecnia.

Meios dieléctricos em estudo:

AR AR tico

5.1. Ar

écnica de corte utilizada foi do corte no ar à pressão atmosférica.

químicas,

con

tempo de ionização é relativamente elevada [5].

Aliada às suas qualidades de isolante, este tem a particularidade de apresentar um custo de

produção nulo.

À pressão atmosférica e à temperatura ambiente o ar assegura o isolamento das linhas

aéreas, barramentos, e sob pressão é utilizado como dieléctrico de corte – disjuntores. Entre

outros aparelhos eléctricos empregues na indústria eléctrica.

Dos parâmetros que influenciam o comportamento dieléctrico do ar, quando utilizado como

meio de corte da tensão eléctrica, destacam-se os seguintes:

Sinté N2

A primeira t

O ar é um isolante gasoso por excelência devido às suas propriedades físicas e

sequentemente é utilizado com grande frequência na electrotecnia. O ar à pressão

atmosférica tem uma rigidez dieléctrica relativamente pequena e nenhum processo físico

particular vem acelerar a recombinação dos iões e dos electrões, de modo que a constante de


Pressão - P;

- T;

de ar;

Actualmente a principal desvantagem deste tipo de aparelho reside nas suas dimensões,

con

do as dimensões

e o

5.2. Azoto (N2)

O azoto é uma tecnologia alternativa que começa a ser bastante utilizada na electrotecnia,

ulti

ais (15ºC e 700mm Hg) é

inco

Temperatura

Poeiras;

Corrente

dicionadas pelas das câmaras de corte e das distâncias de isolamento no ar.

As modernas técnicas de corte no SF6 permitiram reduzir de modo acentua

s custos de aparelhagem de média tensão de modo a quase se poder afirmar que os

disjuntores e contactores de corte no ar estão ultrapassados.

mamente começou a ser utilizado como isolante na Média Tensão.

O azoto N2 é um gás diatómico e em condições atmosféricas norm

lor, inodoro e sem paladar. O azoto é o principal componente do ar atmosférico (78,08% do

volume total).

À pressão atmosférica e a temperaturas inferiores a -196ºC é um líquido incolor,

lige

azoto é insusceptível para a respiração ou combustão, mas tem um papel essencial como

elem

inflamável, inerte e não tóxico.

usar tonturas, podendo servir como

ane

não é corrosivo e pode ser empregue com quase todos os metais geralmente usados

em temperaturas normais [1], [3].

iramente mais claro do que a água.

O

ento de matéria viva (animal e vegetal) e participa no processo natural complexo de

transformação da matéria.

Trata-se de um gás não

Em grandes concentrações, asfixia ou pode mesmo ca

stésico.

O azoto


O azoto é utilizado como meio de refrigeração.

Obtém-se industrialmente por destilação fraccionada do ar liquefeito.

Peso molecular 28,013 g/mol

Propriedades físico-quimicas: [1]

Temperatura de ebulição (1 atm) -195,8 ºC

Temperatura crítica -146,9 ºC

Pressão crítica 33,9 bar

Densidade do gás (15ºC, 1 atm) 4,187 g/l

Densidade do líquido (p.e., 1 atm) l 0,807 g/m

Peso específico (ar=1) 0,967

Solubilidade em água (0 ºC, 1 atm) 2,33 cm3 N2/100 cm3 H2O

Calor latente de vaporização (1 atm) al/g 47,44 c

5.3. Hexafluoreto de Enxofre (SF6)

5.3.1. Comportamento dieléctrico do isolamento no SF6

tria eléctrica,

ssencialmente, a aparelhagem para sistemas de distribuição e transporte de energia, utilizam à

cerc

o gás;

A limpeza dos eléctrodos, o seu estado de superfície, e as suas dimensões;

s;

dos, em

mpulsos de tensão;

As aplicações do SF6 com isolante são cada vez mais numerosas. A indús

e

a de duas dezenas de anos o SF6 como isolante e agente de corte do arco eléctrico .

Este estudo permite determinar a influência, sobre as tensões de disrupção no SF6, de vários

parâmetros tais como:

- A pressão d

-

- As impurezas sólida

- Estuda-se também a influência da forma de tensão aplicada aos eléctro

particular a forma dos i

- Mistura de gases com o SF6.


Os a a de eléctrodos coaxiais, no entanto em certos casos o

studo é feito em células de eléctrodos planos, estes últimos apresentam um campo praticamente

unif

5.3.2. Considerações gerais

es físicas e químicas que o torna um meio isolante

extintor do arco eléctrico por excelência.

Peso molecular 146,05 g/mol

ens ios são efectuados numa célul

e

orme, enquanto em eléctrodos coaxiais apresentam um campo divergente, afim de conhecer

a diferença do comportamento dieléctrico do SF6.

O gás SF6 possui uma série de propriedad

e

Propriedades físico-quimicas [1]:

Temperatura sublimação -63,9 ºC

Pressão vapor (20 ºC) 22,77 ºC

Temperatura critica 45,5 ºC

Pressão crítica 37,1 atm

Densidade do gás (20ºC, 1 atm) 6,16 g/l

Densidade do líquido (p.sat. -50 ºC) 1,91 kg/l

Densidade do líquido (21 ºC) 1,371 g/ml

Peso específico (ar = 1) 5,11

Solubilidade em água (10 ºC, 1 atm) l H2O 0,0076 ml/m

Calor latente de vaporização al/g 38,6 c

5.3.3. A molécula de SF6

ão directa do flúor sobre o enxofre a alta pressão e

mperatura, o SF6 apresenta-se, à temperatura ambiente, como um gás não inflamável, não

tóxi

Gás de síntese, obtido pela reacç

te

co, incolor e inodoro com uma densidade relativamente elevada em relação ao ar. É

extremamente estável inerte até cerca de 500ºC comportando-se como um gás nobre.


A molécula, perfeitamente simétrica, tem no seu centro um átomo de enxofre. Os seis

electrões de valência, que constituem as ligações livres, são constituídos por seis átomos de

flúor para completar a camada electrónica periférica. Estes seis átomos de flúor encontram-se

dispostos em redor do átomo de enxofre nos seis vértices dum octaedro regular. Este edifício,

cujas ligações químicas estão saturadas, revela-se perfeitamente inerte quimicamente e

apresenta uma grande estabilidade concretizada por uma energia de formação elevada (1096

kj/mol.) [2], [5].

5.3.4. Propriedades dieléctricas do SF6

A primeira das qualidades do SF6 para um construtor de aparelhagem eléctrica, manifesta-se

no domínio da rigidez dieléctrica, onde para igual pressão, revela-se superior à maioria dos

meios conhecidos. Esta característica deve-se às dimensões elevadas da sua molécula e aos

múltiplos mecanismos de colisões inelásticas que lhe permitem «travar» eficazmente alguns

electrões livres, sempre presentes, que o campo eléctrico tende a acelerar e que constituem os

iniciadores da descarga.

O SF6 caracteriza-se por possuir excelentes propriedades dieléctricas o que faz com que seja

um excelente extintor do arco pelas seguintes razões:

– a alta energia de dissociação do SF6 conduz ao resfriamento eficaz do arco. Os iões

provenientes da dissociação são muito electronegativos e captam rapidamente os electrões

livres;

– a recombinação muito rápida das moléculas de SF6 dissociadas permite o restabelecimento

de tensões muito severas;

– permite uma rápida dissipação do calor gerado pelo arco, devido ao seu calor específico

elevado;

– permite uma regeneração da rigidez dieléctrica entre contactos muito rápida, devido à sua

recombinação rápida e espontânea.


Apresentando um peso especifico de 6,14g/l ele é cinco vezes mais pesado que o ar (dSF6 ≈

5dar). Esta propriedade aliada à ausência de cheiro e cor, requer algumas medidas de precaução

ao nível de trabalho, de forma a evitar acidentes por vezes fatais devido à asfixia.

O coeficiente de transmissão de calor é aproximadamente vinte e cinco vezes o do ar, e a

tensão do arco é cinco a dez vezes menor que a do ar.

Influência dos factores que provocam o envelhecimento de estruturas isolantes no SF6

ligados essencialmente às descargas parciais no gás:

– presença de imperfeições nas rugosidades da superfície dos condutores e invólucros;

– impurezas sólidas nos gazes (presença de humidade).

Diga-se contudo e para abreviar, que algumas das notáveis propriedades dieléctricas do SF6

existem igualmente dispersas noutros gases com flúor, tais como o freon. Contudo o SF6 afirma-

se como «líder» incontestado no domínio do corte.

5.3.5. Corte no SF6

Propriedades térmicas do SF6.

Considera-se um arco contido num tubo cilíndrico cheio de um gás e percorrido por uma

corrente de intensidade constante.

Por uma lógica intuitiva verifica-se que a temperatura deste arco é máxima na vizinhança do

eixo do tubo, decrescendo à medida que nos afastamos dele [5], [6].

N – Núcleo

P – Patamar térmico

B – Bainha

T – Temperatura

r – Raio

h – altura

a) b)

a) Corrente de fraca intensidade (io)

b) Corrente elevada (i<i0) Figura 8: Curva de repartição da temperatura dum arco eléctrico contido num tubo cilíndrico


Quando a intensidade da corrente aumenta, observa-se, na maioria dos gases, a aparição

duma espécie de patamar térmico e a formação, no centro do tubo, duma zona cilíndrica onde a

temperatura se eleva rapidamente, a que se chama núcleo do arco e rodeado duma zona mais

fria denominada bainha.

Quanto maior for a intensidade, maior é a temperatura máxima do núcleo, mantendo-se

constante a do patamar. A razão da existência da barreira advém do facto de se produzir uma

mudança de estado do gás a esta temperatura, as moléculas dissociam-se em átomos. Como

todas as mudanças de estado, a dissociação exige algum consumo de energia, dita energia de

dissociação (igual à energia de formação). Tudo se passa como na ebulição da água onde a

energia de vaporização assegura um arrefecimento muito importante e que mantém a

temperatura constante e igual a 100º enquanto houver água no recipiente.

Aqui a presença do gás molecular na bainha, situada em redor do núcleo do arco, mantém

fixa a temperatura de ligação (entre o núcleo central e a bainha que o rodeia), assegurando um

arrefecimento do núcleo tanto mais enérgico quanto mais baixa for esta temperatura. Isto traduz-

se por uma espécie de hipercondutividade térmica do gás na vizinhança da temperatura de

dissociação. [3].

λ – Condutividade térmica

T – Temperatura

Figura 9: Condutividade térmica do azoto e do hexafluoreto

No caso do SF6, só o núcleo é electricamente condutor, pois a temperatura de barreira é

inferior à temperatura mínima de ionização apreciável, que se situa a temperaturas superiores a

3000ºK. Ao contrário, no caso do azoto e da maioria dos gases estáveis conhecidos, a

temperatura da barreira de dissociação é bastante superior à da temperatura de ionização.


R – Raio do tubo

Quando o núcleo central desaparece, durante o decrescimento

da corrente, a bainha, muito fria no caso do SF6, deixa de conduzir

a corrente enquanto se mantém condutor no caso do azoto.

Figura 10: Comparação da variação da condutância entre o azoto e o hexafluoreto de enxofre

Quando a corrente diminui, observa-se tanto para o SF6 como para o azoto, uma diminuição

rápida da temperatura do núcleo. Este possui para o efeito uma fraca inércia térmica, o que se

percebe tendo em atenção o seu pequeno raio e a massa volúmica do gás fortemente reduzida.

Quando a corrente se aproxima, no caso do SF6 que possui uma condutância muito mais

baixa, sucede-se o desaparecimento do núcleo.

O mesmo não se sucede tanto para o azoto como para outros gases usuais, cuja bainha se

mantém condutora durante bastante tempo, devido à sua temperatura elevada e à grande inércia

térmica.

Principal propriedade eléctrica do SF6

A importante vantagem de ordem térmica que se referiu anteriormente é completada por uma

outra vantagem notável ligada às características electronegativas do flúor, (Afinidade do

electrão) [2].

As excelentes propriedades isolantes do hexafluoreto de enxofre são atribuídos à forte

afinidade do electrão (electronegatividade) da molécula SF6. Isto é baseado principalmente em

dois mecanismos, a captação da ressonância e na separação da ligação dos electrões, de acordo

com as equações:


SF6 + e- → SF6-

SF6 + e- → SF5- + F

Quando a temperatura aumenta, para temperaturas superiores a 2000 ºK, a molécula de SF6

dissocia-se em átomos de enxofre e de flúor.

N – nº de partículas por cm3

T – Temperatura

Figura 11: Curvas de decomposição do SF6

Na fig. 11 verifica-se que se continuarmos a aumentar a temperatura para valores superiores

a 3000 ºK os átomos de enxofre vão progressivamente ionizar-se (curva de S+).

Note-se contudo, que a maioria dos electrões assim libertados são imediatamente capturados

pelos átomos de flúor para formar os iões negativos de flúor, pesados e por consequência com

pequena mobilidade, os quais participam muito reduzidamente na condutância do plasma.

(Verificar que as curvas S+ e F- têm o mesmo início).

Os números de electrões livres que são os verdadeiros responsáveis pela condutância, não

aumentam senão para temperaturas superiores a 4000 ºK.

Inversamente, quando a corrente diminui e se aproxima do zero e por consequência a

temperatura do arco diminui, verifica-se que o número de electrões livres diminui, e por

consequência a condutância diminui também.

Assim para valores inferiores a 4000 ºK, temperatura para a qual quase todos os electrões

livres são capturados, a resistência do arco sofre um aumento brusco antes mesmo do

desaparecimento do núcleo (2100 ºK).

Resumindo, pode-se dizer que no SF6 antes mesmo que o núcleo central tenha desaparecido

completamente devido ao arrefecimento do arco, a condutância deste já se tornou praticamente


nula, graças à captura dos electrões livres pelos átomos de flúor, os quais se transformam abaixo

de 6000 ºK em verdadeiros «devedores» de electrões. Esta propriedade, associada à existência

da barreira hipercondutora e às notáveis propriedades dieléctricas do SF6, conferem-lhe um

conjunto de qualidades que não existem em nenhum outro meio actualmente conhecido.

5.3.6. Comportamento do SF6 perante o arco eléctrico

As descargas eléctricas tendem a decompor o gás numa intensidade proporcional à energia

das mesmas. Sob a influência do arco o SF6 decompõe os seus elementos atómicos, segundo:

SF6

A regeneração do gás seria

decomposto e metais vaporizados

secundárias são CuF2, WF6, SF4, S2

As características isolantes do

excelentes características extintora

enorme gama de tensões e encontra

Sendo todas as restantes con

aproximadamente 100 vezes meno

arco do SF6 comparado com outros

Projecto / Seminário / Trabalho Final d

∆E

S + F6

total se não houvesse reacções secundárias entre o gás

dos contactos; os produtos mais comuns destas reacções

F2.

SF6 variam em função da pressão (função da densidade). As

s e isolantes do SF6 dão preferência à sua utilização numa

-se actualmente como preferência actual.

dições iguais, o tempo de extinção do arco usando SF6 é

r do que usando ar. O desempenho superior de extinção de

gases é ilustrado na figura seguinte.

e Curso 39 / 79

Figura 12: Curvas de variação da corrente do arco em função da pressão

5.3.7. Considerações ambientais do SF6

O hexafluoreto de enxofre (SF6) é usado na transmissão e distribuição de energia desde

1960. Após os primeiros anos de experiência no equipamento de alta tensão, foram lançados no

mercado mundial em 1980 os primeiros aparelhos de corte para média tensão usando o SF6

como isolante. As excelentes propriedades dieléctricas possibilitaram que o SF6 seja hoje usado

para várias escalas de tensão desde os 12 kV. O mercado dos produtos utilizados na distribuição

de energia encheu-se com este gás e o crescimento do seu uso é acentuado. Em alguns

segmentos, tais como a distribuição secundária, aproximadamente 50% de todas as unidades

principais integradas no anel (RMU) usam SF6. Os problemas ambientais causados pelo

aumento da industrialização e um interesse público crescente em edições ambientais,

conduziram à descoberta que os gases eram a causa da ascensão global da temperatura. Depois

deste estudo foi decidido no protocolo de Kyoto, que os países industriais reduziriam a

quantidade de gases libertados, que contribuem para o efeito da estufa.

Um dos gases que contribui para o efeito de estufa é o SF6.

As quantidades de SF6 instaladas nos aparelhos de corte de média tensão são pouco

significantes. O hexafluoreto de enxofre oferece um grande número de vantagens, contudo tem


uma desvantagem. O SF6, embora não sendo um gás prejudicial à camada de ozono, é

considerado como um gás que provoca o efeito de estufa.

G l o b o t e r r e s t r e

E s t r a t o s f e r a Q

T r o p o s f e r a QQ.

A figura 13: Efeito de estufa

O efeito de estufa é mostrada esquematicamente em figura 13.

Devido às fortes propriedades de absorção dos gases como o CO2, o metano (CH4), o óxido

de nitrogênio (NOX) ou o SF6, a radiação infravermelha (RI) que reflete na superfície da terra é

obstruída na atmosfera. Por esta razão a dissipação de calor da terra é reduzida e causa uma

ascensão da temperatura na troposfera. Além deste efeito e por ser um gás de efeito de estufa o

SF6 caracteriza-se pelo inconveniente de possuir um poder de absorção da radiação

infravermelha muito mais elevado do que todos os outros gases.

Este factor é expresso num potencial de aquecimento global elevado (GWP) de 22,200 por

100 anos.

Este efeito ambiental prejudicial, entretanto é compensado parcialmente pelos seguintes

factores:

– A contribuição dos aparelhos de corte elétrico para as emissões de SF6 são de muito

menor dimensão, contrariamente às aplicações como a isolação térmica das janelas, ou

um gás inerte para finalidades militares ou também como um gás inerte para a engenharia

de processos.

– Apesar de seu elevado factor de GWP, o SF6 no global é responsável por somente 0,1%

aproximadamente do efeito sintético total da estufa devido à sua concentração

extremamente baixa na atmosfera.

Após um longo tempo de falta de interesse por todas as indústrias, que não somente a

elétrica, é lhes pedido para que forneçam soluções para parar o adicional aumento de SF6 na

atmosfera. Os fabricantes de aparelhos de corte isolados a gás têm investigado alternativas ao

SF6 com as finalidades da isolação e de corte [4].


5.4. Ar sintético

O ar é um gás incolor, inodoro e insípido, que se obtém mediante a compressão do gás

atmosférico a partir de uma mistura elaborada dos seus componentes, mediante destilação

criogenia.

O ar sintético utiliza-se como um gás comburente em: absorção atómica de chama, em

cromatografia de gases com detectores de ionização de chama, e em analisadores de

hidrocarbonatos totais e óxidos de nitrogênio [1].

– Tratamentos médicos

– Gás de protecção para utilizações eléctricas.

Composição do ar sintético versus o ar atmosférico (1)

Ar

Atmosférico (% vol.)

Ar Sintético (% vol.)

N2 78,084 79 O2 20,946 21 Ar 0,934 *

CO2 0,033 * Outros gases 0,003 *

(1) a 0 m de altitude isento de humidade

(*) medida de tolerância ± 1% do valor obsoluto

O Ar sintético comprimido difere do ar atmosférico pela percentagem bastante inferior de

H2O. Assim, a água é condutora logo, a sua ausência diminuirá a possibilidade de ionização do

meio, adquirindo melhores qualidades como isolante.


Especificações da pureza do ar sintético [1].

Pureza O2 N2 H2O CO CO2 THC Ar

sintético >99,995% 21% ± 1% balanço <3 vpm <1 vpm <1 vpm <3 vpm

5.5. Propriedades eléctricas dos dieléctricos em estudo, comparação entre os diversos dieléctricos

Permitividade - ε:

Propriedade eléctrica que traduz o estado de polarização de um dieléctrico.

ε = εo × εr

Constante eléctrica - εo:

εo=8,854 × 10-12 F.m-1

Constante dieléctrica ou permitividade relativa do material - εr:

(Característica do dieléctrico)

εr Cond. Amb.

Ar 1,000536 20ºC, 1 atm N2 1,000824 20ºC, 1 atm

SF6 1,002084 20ºC, 1 atm

Rigidez dieléctrica – Emáx. – kV . mm-1:

Propriedade que caracteriza todos os isolantes.


Emáx.(kV/mm) Cond. Amb.

Ar 3,0 20ºC, 1 atm N2 3,17 20ºC, 1 atm

SF6 ≈2,5 a 3 × 3,0 20ºC, 1 atm

O SF6 apresenta uma rigidez dieléctrica superior à do Ar (2,5 a 3), esta propriedade é

essencialmente devida à característica electronegativa da molécula SF6 que capta os electrões

livres e previne o fenómeno de avalanche que origina a disrupção. Esta mesma razão faz

também com que o SF6 seja um agente extintor do arco, cuja sua eficácia pode ser estimada em

cerca de dez vezes mais que a do ar.

5.6. Alteração das propriedades dos dieléctricos com a variação da pressão.

Curvas de Paschen para o Ar , Azoto e o SF6

A lei de Paschen mostra que a tensão de disrupção (Vc) é função do produto entre a pressão

do gás e a distância dos eléctrodos (p.d) [10]. Ou seja:

Em que:

E – valor do campo eléctrico(kV/mm),

P – pressão do gás(bar),

η– coeficiente de ligação,

α – coeficiente de ionização,

γ – coeficiente de ionização secundário,


Nota:

Nos gases electronegativos como o caso do SF6 é necessário utilizar o coeficiente de

ionização α’=α-η.

Figura 14: Curva de Paschen para o Ar, temperatura 20ºC.

Figura 15: Curva de Paschen para o N2, temperatura 20ºC.


Figura 16: Curva de Paschen para o SF6, temperatura 25ºC

Após uma breve leitura dos gráficos, verificamos que o SF6 apresenta um valor de tensão de

disrupção superiores ao do N2 e ao do Ar, para um mesmo valor de (p.d). No entanto, convém

salientar que esta lei não é válida para uso geral, está limitada, isto é, a curva de Paschen é

válida até aproximadamente 1atm x 5mm. Para distâncias maiores (ou pressões maiores, e

distâncias pequenas), ocorrem mudanças no mecanismo de disrupção.

Gráfico do Campo Eléctrico máximo entre o Ar e o SF6, em função do produto da

pressão pela distância dos eléctrodos – Rigidez dieléctrica.

Figura 17: Rigidez dieléctrica ,num campo uniforme, do SF6 e do Ar.


Constata-se que o SF6 apresenta um valor do campo eléctrico superior ao do Ar, o que

comprova como já foi referido anteriormente, que o SF6 apresenta uma rigidez dieléctrica

superior à do Ar. Isto na presença de um campo eléctrico uniforme.

Gráfico da Tensão de Disrupção entre o Ar e o SF6 em função da sua geometria

(raio das esferas)

Figura 18: Tensão disruptiva em função do raio das esferas.

Verifica-se que o SF6 apresenta um valor da tensão de disrupção superior, pelas

razões atrás descritas, ao do Ar e que a geometria em causa (diâmetros de esferas) tem

uma influencia importante para diâmetros pequenos, quando empregue o SF6.

Relativamente ao Ar, a geometria em causa não tem praticamente nenhuma influência,

uma vez que expressa um valor praticamente constante.


Ábaco das características internas dos dieléctricos em estudo

Figura 19: Comportamento dos parâmetros característicos dos dieléctricos em estudo

Este ábaco mostra a variação dos parâmetros intrínsecos dos dieléctricos em função do valor

do campo eléctrico aplicado.

Gráfico da tensão de disrupção do SF6 em função do produto entre a pressão e a distância

entre os eléctrodos, Vc=f(d.p).


Figura 20: Mostra o relacionamento da tensão de corte com a pressão num campo não homogenio em comparação com aquele de uma mistura de azoto.

Este gráfico mostra o comportamento do SF6 e de uma mistura de azoto (tensão máxima

admissível) para as diversas distâncias entre eléctrodos a uma dada pressão (d.p) [1].

O SF6 apresenta um valor da tensão de disrupção superior, pelas razões atrás descritas, ao

do azoto.

Para a mesma distância e pressão o SF6 apresenta uma tensão máxima admissível superior

ao do azoto.

A capacidade de corte no ar é aumentada dramaticamente pela adição de quantidades

pequenas de SF6. Em contraste, o ar tem somente uma influência limitada na capacidade de


corte do hexafluoreto do enxôfre. A adição de 10% do ar por volume reduz a tensão de corte do

SF6 aproximadamente 3%, a adição de 30% de ar para aproximadamente 10%.

O SF6 tem uma condutividade térmica elevada a baixas temperaturas. Na figura 21 a

condutividade térmica em função da temperatura do SF6 e N2.

A existência deste pico de condutividade resulta de uma mudança de estado do gás. A

dissociação requer uma quantidade bem definida de energia, bem como o calor da vaporização.

Isto realça a transferência térmica no arco, ajudando a reduzir a temperatura do arco.

Inversamente num ambiente mais baixo os elementos recombinam-se e liberta-se esta energia,

transportando quantidades de energia através do arco eléctrico.

Figura 21: Condutividade térmica do SF6 e N2 em função da temperatura.

O nitrogênio não é corrosivo e pode ser empregue com quase todos os metais geralmente

usados em temperaturas normais. Alguns exemplos são: aço inoxidável, cobre, bronze, etc.


6. Proposta de protótipo para ensaio laboratorial de dieléctricos

6.1. Forma de onda

Com o propósito de efectuar o estudo do protótipo para ensaios laboratoriais de dieléctricos,

vamos primeiro determinar a forma de onda a aplicar, segundo a norma CEI 60.

A tensão permanente do sistema não é de longe a única condição dieléctrica interna, bem

pelo contrário, numerosos fenómenos eléctricos são causas de condições extremamente variadas

e nessa sequência, analisaremos a natureza, as durações e amplitudes.

Classificação das condições dieléctricas definidas em função da forma global da tensão

aplicada para os modelos de ensaios e condições dieléctricas, respectivamente.

- Tensão á frequência industrial, regime permanente não perturbado;

- Sobretensões temporárias á frequência industrial ou á frequência vizinha;

- Sobretensões de manobra;

- Sobretensões atmosféricas (ao choque);

Em outros termos, podemos classificar em regimes permanentes, quase permanentes e

transitórios, respectivamente.

As sobretensões são representadas em laboratório por choques de tensão em forma bi-

exponencial. A sua forma geral é dada pela seguinte expressão:

)ee(

ee

U)t(u fq

f

cr

q

cr

tt

TTcr τ

−τ

−

τ−

τ−

−

−

=

em que:

Ucr – é amplitude máxima da onda de tensão atingido no empo Tcr.

τq – é a amplitude de tensão de cauda

τf - é a amplitude de tensão de frente


A forma geral de um choque bi-exponencial á representada na figura seguinte:

Figura 22: Forma geral de um choque bi-exponencial.

Caracteriza-se por dois parâmetros:

- Duração da meia amplitude T2;

- Duração convencional de frente T1, definido da forma seguinte;

Seja, T90 o tempo para o qual a onda de choque atinge 90% do seu valor máximo (crista), e

T30 o tempo correspondente a 30% do seu valor máximo. Então,

T1= 1,67 (T90 - T30 )

Esta definição é mais precisa que a do Tcr, porque ele não é sempre fácil de assinalar, e a

origem do choque perturba, frequentemente, as oscilações parasitas perturbando assim a medida

de Tcr. Mais, a crista da onda por vezes apresenta uma forma plana no instante onde atinge o seu

máximo, não podendo assim ser assinalada com precisão.

Diz-se presentemente que as correntes do arco eléctrico apresentam uma grande diversidade

de forma e amplitude. Todavia, representa-se as diversas condições dieléctricas relativas ao arco

eléctrico, por um choque com características especificas 1,2/50µs.


6.1.1. Definição das condições dieléctricas

Distinguem-se dois casos segundo o valor da tensão eléctrica aplicada ao eléctrodo, ou seja

a tensão imposta apresenta um valor positivo ou negativo.

A informação actual disponível sobre os intervalos de ar efectuados salienta que, os casos

de disrupção em que a polaridade é positiva são mais frequentes que os negativos na grande

maioria dos casos práticos, incluindo o presente. Daí que, os casos em que a polaridade é

negativa são incomparavelmente menos numerosos do que os referentes á polaridade positiva.

6.1.2. Influência da forma de onda da tensão de choque

No laboratório, os choques mais frequentemente realizados são em forma bi-

exponenecial.

Decidiu-se convencionalmente representar as sobretensões atmosféricas por o

choque bi-exponencial da forma 1,2/50µs.

T1=1,2µs ± 30% Tempo de frente

T2=50µs ± 20% Tempo de cauda

Figura 23: Forma de onda da tensão de choque aplicada nos ensaios efectuados.


6.2. Influência da geometria dos eléctrodos

A geometria do intervalo pode ser caracterizada por diversos parâmetros, entre os quais

destacam-se:

- Forma geométrica dos eléctrodos;

- Distância entre eléctrodos;

- Figura 24: Repartição do campo eléctrico num intervalo esfera-plano para diferentes valores de reacção

d/D.

Os parâmetros que definem a geometria do intervalo, o mesmo que dizer a forma do

eléctrodo e a distância ao plano têm uma influência determinante sobre os mecanismos da

descarga e portanto sobre as variações dos parâmetros de disrupção.

Dizemos em particular que as características eléctricas da primeira coroa* são largamente

dependentes da radiação do campo eléctrico, e portanto da geometria do intervalo.


*Primeira coroa – é a primeira manifestação luminosa visual perto do eléctrodo pouco antes

do começo do choque. O fenómeno é breve e desenrola-se num tempo da ordem de grandeza da

centena dos nano segundos.

6.3. Influência das condições ambientais

Nos intervalos de ar, as condições ambientais resumem-se geralmente à temperatura,

pressão e o estado higrométrico do ar.

Para ser um estudo exaustivo é preciso citar outros parâmetros tais como a condutividade do

ar, intensidade de irradiações ionisantes, presença de corpos estranhos tais como poeiras, ou

películas de água, composição química, etc., que são factores que permitem caracterizar melhor

o meio isolante.

No entanto, verifica-se que a pressão e a temperatura conjugam os seus efeitos para

modificar a densidade do ar. Com o intento de comparar nas diversas condições ambientais os

resultados obtidos, define-se a densidade relativa do ar, δ. Esta tem como objectivo fazer a

transposição da densidade do ar nas condições ambientais presentes (pressão P e temperatura θ)

nas condições de referência P0=1013mbar e θ0=20ºC (CEI 60 – 1/1989).

Este valor para o factor de correcção é determinado pela NORMA – CEI - 52 1960, e

calculado através da seguinte formula:

T273

P289,0T27320273

1013P

+×=

++

×=δ

em que:

P – pressão atmosférica (mbar),

T - temperatura (ºC),

Por conseguinte, a tensão de disrupção U num intervalo de ar pode ser medida sob a forma

U = U0 δ


em que:

U0 – tensão de disrupção nas condições de referência

6.4. Distribuição do campo eléctrico

O campo eléctrico na superfície de um condutor em equilíbrio é perpendicular à superfície,

logo se conclui que a superfície do condutor é sempre equipotencial. Dentro do condutor o

campo eléctrico é nulo, o que implica um potencial constante dentro deste. De referir ainda, que

num condutor em equilíbrio qualquer excesso de carga distribui-se sempre sobre a superfície,

apesar de a distribuição de carga, por vezes, não ser uniforme.

Considera-se três condutores diferentes com a mesma carga superficial σ. Os condutores

apresentam diferentes formas geométricas, um é plano, o outro convexo e por fim o último

côncavo.

Nos três casos a separação das linhas de campo sobre a superfície deve ser a mesma, e o

campo é igual nos três casos quando a distância d a partir da superfície for igual a zero. À

medida que d aumenta, como as linhas de campo são perpendiculares à superfície do condutor, a

separação das linhas vai ser maior no caso do condutor convexo, e menor no caso do condutor

côncavo, no caso do condutor côncavo, as linhas de campo acabam por se afastar à medida que

d aumenta. Uma vez que o campo eléctrico é inversamente proporcional à distância entre as linhas de campo, o campo produzido pelos três condutores é representado na figura seguinte:

Figura 25: Condutores com a mesma carga superficial e o campo eléctrico por eles produzido em função

da distancia d a partir da superfície


Vemos perfeitamente que o condutor côncavo apresenta um valor do campo eléctrico

superior ao condutor plano e estes dois condutores têm um campo eléctrico maior que o

condutor convexo.

Portanto, a carga superficial não pode ser a mesma nos pontos onde o condutor é côncavo,

convexo ou plano. Esta tem que ser maior nas regiões convexas, menor nas regiões planas e

ainda menor nas regiões côncavas, de forma a obter o mesmo valor para o campo eléctrico.

Nas regiões convexas, quanto menor for o raio da curvatura, maior será a carga superficial,

e nas regiões côncavas quanto maior for o raio de curvatura, maior será a carga superficial.

No caso de um intervalo em que o eléctrodo apresenta uma polaridade positiva o vector

campo eléctrico é orientado do eléctrodo em causa em direcção ao plano, o que se conclui que o

campo é divergente na vizinhança do eléctrodo. No caso do eléctrodo ter polaridade negativa o

campo é convergente na vizinhança do mesmo. A disrupção estabiliza-se mais facilmente no

campo divergente que no campo convergente. Assim se deduz que:

- A tensão de disrupção num grande intervalo de ar é tanto mais “forte” quando o

eléctrodo é cátodo.

- A tensão de disrupção de um grande intervalo de ar é tanto mais “fraca” quando o

eléctrodo é ânodo.

A repartição do campo eléctrico num grande intervalo de ar não é somente determinada pela

a geometria dos eléctrodos em presença. É condicionada largamente pela a existência, em redor,

de estruturas sob tensão ou ligadas à massa.

Esta importante conclusão não simplifica, infelizmente, o problema da disrupção, pois para

intervalos geometricamente idênticos poderão ter propriedades sensivelmente diferentes em

função do local onde eles são inseridos. Contudo, mais nenhuma modificação significativa da

dispersão não é colocada em evidência quando a geometria dos eléctrodos é modificada.

Todas as rugosidades, por um efeito de concentração das linhas de força e de superfícies

equipotenciais, podem consideravelmente aumentar o campo superficial local.

6.5. Disrupção dieléctrica


A disrupção dieléctrica manifesta-se com o aparecimento de um arco eléctrico entre dois

eléctrodos ambos ou não.

Os estudos efectuados permitem agora uma melhor compreensão da influência de

numerosos parâmetros sobre o desenvolvimento da disrupção, entre eles destacam-se:

- Influência da geometria do intervalo compreende o comprimento ou a forma

dos eléctrodos;

- Influência da forma de onda do choque da tensão aplicada;

- Influência do meio ambiente;

Condução nos gases:

- Ionização; processo de ionização;

- Aplicação de um campo eléctrico;

- Relação I = f(E) – Figura 14;

- Rigidez dieléctrica;

- Emissões de iões;

Figura 26: Característica Corrente-Tensão, num gás, em regime de pré-descarga

As altas temperaturas concentradas nas peças dos contactos produzem uma termo-emissão

de electrões a partir do contacto negativo ou positivo iniciando-se assim o processo de ionização


pelo qual se ira formar o arco eléctrico. A corrente do arco eléctrico, é constituída por electrões

que saem do cátodo dirigindo-se para o ânodo. No caso de corrente alternada este processo

muda, evidentemente de sentido a cada meia onda.

A descarga do arco é iniciada quando a tensão sobre a distância entre os contactos e o grau

de ionização da mesma forem suficientemente grandes.

A ionização ou o grau de concentração de iões não é uniforme, as cargas eléctricas tendem a

fluir das regiões de alta para as regiões de baixa concentração de iões. A ionização por choque

ocorre quando as temperaturas do arco e as velocidades moleculares são tão altas, que os

choques entre moléculas e entre átomos ocasionam a sua decomposição em iões e electrões.

Factores importantes que influenciam positivamente a desionização da zona do arco: boa

condutividade térmica, pressão adequada do meio exterior.

6.6. Comportamento do campo eléctrico

Comportamento do campo eléctrico nas diferentes formas geométricas, como se distribuí no

espaço, visualização das linhas de força do campo eléctrico para as diferentes formas

geométricas.

Formas de geometria possíveis de utilizar:

- Varão (R=8mm): (cobre)

- Barra normal (40×5mm): (cobre)

- Barra boleada (40×5mm): (cobre)

Ensaios para uma tensão nominal de 17,5KV, com aplicação de uma onda de choque de

95KV NORMA CEI 60694 para as diferentes formas geométricas:

Linhas equipotenciais da tensão aplicada:


Varão

Barra normal: Barra boleada

Linhas de força equipotenciais do Campo Eléctrico:

Formas geométricas

Varão:


Barra normal: Pormenor da extremidade:

Barra boleada : Pormenor da extremidade:

A tensão da curva inicial usando SF6 em campos não homogéneos é também

con

sideravelmente maior do que se usando o ar. figura 27 e figura 28 mostra a respectiva

dependência da pressão e do raio da curvatura dos eléctrodos no caso do SF6 e do ar num

sistema do eléctrico de ponto por ponto.


Figura 27: Dependência da pressão e raio de curvatura dos eléctrodos

Figura 28: Dependência da pressão e raio de curvatura dos eléctrodos


6.7. Protótipo

Para ensaios laboratoriais de dialéctricos projectou-se uma cuba hermeticamente fechada.

Figura 29: Cuba – alçado lateral

Figura 30: Cuba – alçado principal


Trata-se de uma cuba estanque em chapa de aço pintada, com visor em acrílico. A cuba foi

projectada para suportar o ciclo de vazio e enchimento com gás.

O visor em acrílico permitirá visualizar a disrupção. Para reforçar o apoio ao acrílico foram

dimensionadas duas grelhas: uma interior e outra exterior, permitindo ao acrílico suportar

pressões mais elevadas.

Foi utilizado um isolador exterior para a passagem da tensão de impulso de 50 kV.

Para se efectuar o enchimento e vazio foi projectada uma válvula colocada na tampa

superior.

No interior da cuba foram colocados dois eléctrodos protegidos por dois isoladores, sendo o

eléctrodo principal em barra normal.

O eléctrodo secundário será de posição fixa e o principal de posição variável, permitindo

assim ajustar a distância entre os eléctrodos.

O eléctrodo secundário possui uma ligação exterior por onde possibilitará a sua ligação à

massa.

A forma de onda utilizada será a descrita anteriormente, bi-exponencial da forma 1,2/50µs,

tal como recomendada.

7. Ensaio Laboratorial

O ensaio visa uma análise comparativa de um meio isolante alternativo: Ar sintético versus

Ar atmosférico.

Figura 31: Cuba – medição da distância entre eléctrodos


A realização dos ensaios de ondas de choque de características especificas (designada

1,2/50µs) são assegurados no laboratório de ensaios EFACEC – AMT através de um gerador de

ondas de choque, segundo a Norma CEI 60-1

T1=1,2µs ± 30% [0.84 , 1.56] , tempo de frente

T2=50µs ± 20% [40 , 60] , tempo de cauda

7.1. Principio de funcionamento do gerador

Durante a carga dos condensadores C, o seccionador I está fechado e as meias esferas

descarregadoras não são condutores: os condensadores estão em paralelo e uma fonte de tensão

continua Uc assegura a carga.

Quando os condensadores são carregados abres-se o seccionador I e a disrupção de todos os

descarregadores E é comandada simultaneamente.

No instante t=0 origina-se o choque. Os condensadores C estão em série e constituem nesse

instante uma fonte de tensão nUc para um gerador compreendendo n etapas. A capacidade de

frente Cf é descarregada e a tensão A é nula.

Esquematicamente podemos dizer que nos instantes seguintes à “disrupção” dos

descarregadores os condensadores C descarregam-se com uma constante de tempo CRq,

enquanto que a capacidade de frente carrega-se com uma constante de tempo nRfCf.

Praticamente nRfCf é muito inferior á CRq se bem que a carga de Cf se efectua rapidamente

relativamente á descarga de C.

Ao fim de um certo tempo, para a ocorrência do tempo de crista, a tensão aos terminais de

Cf apanha a tensão aos terminais dos condensadores C e, essas duas capacidades descarregam-se

através das resistências Rq.

Regulando convenientemente o valor das diferentes resistências e diferentes condensadores,

podemos variar as formas de tensão de choque produzida por este gerador e em particular o

ajuste das formas de corrente de arco eléctrico.


Figura 32: Esquema do gerador das ondas de choque

Figura 33: Forma de onda produzida pelo gerador das ondas de choque


A performance de um gerador de choque exprime-se não somente pela tensão máxima de

carga (Uc) dos condensadores C e por o número de etapas n (400KV), mas igualmente através

da energia electrostática armazenada.

)KJ(UCn21E 2

c=

Figura 34: Gerador da onda de choque

Figura 35: Gerador da onda de choque e protótipo


Figura 36: Vista do laboratório de ensaios

7.2. Procedimento

Os ensaios foram realizados na EFACEC – AMT mais precisamente no laboratório de

Média Tensão, coma colaboração de um técnico com a formação adequada.

Ensaios com Ar à pressão atmosférica

Os ensaios consistiram em aplicar uma onda de choque aos eléctrodos, segundo as normas

para duas distâncias diferentes entre o eléctrodo e a massa (Fase-Massa).

Utilizou-se como dieléctrico o ar à pressão atmosférica, ou seja, a cuba encontrava-se

aberta.

Foram feitas várias leituras dos resultados da tensão de disrupção por forma a confirmar os

seus valores.


Determinou-se assim a tensão de disrupção para as duas distâncias.

Ensaios com Ar Sintético

O segundo passo consiste na utilização do ar sintético como dieléctrico. Para isso a cuba foi

fechada e cheia com o referido ar. Inicialmente o enchimento foi realizado à pressão de 0bar

(pressão atmosférica), tendo-se de seguida variado a pressão em pequenos intervalos até ao

valor de 0,5 bar, valor máximo permitido pelo acrílico.

Para cada valor de pressão efectuaram-se várias leituras, com a finalidade de confirmar o

valor da medida da tensão disruptiva.

Determinou-se a tensão de disrupção para cinco valores diferentes de pressão do ar

sintético.

7.3. Característica das formas de onda aplicadas

Tempo de subida

7.4. Condições ambientais do ensaio

Tempo de descida


- Temperatura 23ºC

uta

999mb

7.5. Ensaio utilizando o ar atmosférico como dieléctrico

- Humidade absol 60%

- Pressão

Figura 35: Protótipo aberto

Figura 36: Eléctrodos à distância 39,5mm


Figura 37: Eléctrodos à distância 74,5mm

Distância d (mm) Tensão disruptiva Ud (kv)

39,5 47,9 74,5 65,44

tensão disruptiva é directamente proporcional à distância entre os eléctrodos, ou seja

aum

s para confirmar o valor.

7.6. Ensaio com a cuba fechada e cheia de ar sintético

A

entando a distância entre eléctrodos, a tensão disruptiva aumentará também.

Como dieléctrico utilizou-se o ar atmosférico.

Para cada distância realizaram-se várias medida


Figura 38: Distância entre eléctrodos d= 39,5

Realizou-se este ensaio para uma distância entre eléctrodos d = 39,5mm.

A pressão inicial foi de 0 bar (pressão atmosférica). De seguida realizou-se mais quatro

ensaios às pressões 0,1; 0,2; 0,3; e 0,5.

Figura 39: Protótipo em enchimento


Figura 40: Forma de onda do gerador de choque em que não houve disrupção

Figura 41: Forma de onda do gerador de choque em que houve disrupção à pressão de 0bar.

Obtiveram-se os seguintes valores de tensão de disrupção para os vários valores da pressão.

Pressão (bar) Tensão disruptiva (kV)

0 49,01 0,1 49,52 0,2 51,3 0,3 51,8 0,5 53,58


Tensão disruptiva versus Pressão

48

49

50

51

52

53

54

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Pressão (bar)

Tens

ão d

isru

ptiv

a Ed

(kV)

Distância d=39,5mm

Linear (Distânciad=39,5mm)

Figura 41: Gráfico das tensões disruptivas obtidas a várias pressões

A pressão é directamente proporcional à tensão disruptiva.

Para a pressão a 0 bar a tensão disruptiva no ar sintético aumentou em relação ao ar

atmosférico, o que demonstra a influência da humidade na disrupção.

Para a pressão de 0,5 bar obteve-se uma tensão de disrupção de 53,58 kV. Verificou-se no

entanto, que o visor em acrílico, mesmo tendo o protótipo sido reforçado, não suportou pressões

superiores a 0,5 bar, como tal por interpolação determinou-se o valor da pressão para 125 kV

(24 kV), um valor utilizado para tensões de choque na média tensão.

Os valores obtidos permitem a aproximação linear da distribuição.

Pressão (bar) Tensão disruptiva (kV)

0 49,01 0,1 49,52 0,2 51,3 0,3 51,8 0,5 53,58

8,17* 125

* Valor calculado por interpolação


Tensão disruptiva versus Pressão

020406080

100120140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Pressão (bar)

Tens

ão d

isru

ptiv

a Ed

(kV)

Distância d=39,5mm

Figura 42: Gráfico da tensão disruptiva, vários valores da tensão versus pressão incluindo a pressão a

Ed =125kV.


8. Conclusões

Com o ar sintético há um aumento provocado da tensão disruptiva.

O ar sintético tem melhores qualidades isolantes que o ar atmosférico.Tal facto deve-se à

reduzida percentagem de teor de humidade (H2O), que o ar sintético possui e que o distingue do

ar atmosférico.

A água é condutora, quanto menor for a sua percentagem na constituição de um dieléctrico,

maior é a sua resistividade, por consequência a tensão de disrupção também será maior.

O ar sintético não consegue igualar as características do isolante SF6 . Facilmente se conclui

que para a mesma distância e pressão o SF6 suporta tensões de disrupção superiores.

O SF6 tem propriedades únicas que colocam o SF6 como o meio quase ideal para a

interrupção do arco e rigidez dieléctrica.

O estudo anteriormente efectuado mostra que o SF6 apresenta melhores qualidades isolantes

que o Ar e o Azoto. O SF6 é capaz de suportar tensões mais elevadas sem produzir o arco

eléctrico, permitindo ainda uma rápida regeneração da rigidez dieléctrica entre contactos e o

restabelecimento de tensões severas.

A rigidez dieléctrica é maior para o SF6 do que para todos os outros meios conhecidos à

mesma densidade.

A razão deve-se ao tamanho e às massas físicas relativamente grandes. O peso molecular é

146, o azoto é 28. O tamanho e a massa reduzem a propagação de electrões livres.

O SF6 age como um amortecedor inelástico para o mecanismo da colisão.

Esta comparação é legítima, na medida em que permite um melhor conhecimento do

comportamento dos dieléctricos e contribui de certa forma para a optimização do planeamento

ao nível da construção e exploração da aparelhagem de média tensão

Assim para que se proceda à realização de um projecto para a substituição do SF6 num dado

aparelho de corte e protecção é necessário elaborar um conjunto de estudos, entre eles o melhor

dieléctrico a utilizar, de forma a encontrar uma solução óptima e não inferior à do SF6.

Esta solução consiste em projectar um produto que satisfaça as exigências pedidas (correcto

funcionamento) e em simultâneo seja um produto produzido a um preço rentável.

Com este tipo de procedimento consegue-se obter maiores proveitos económicos.

O afastamento verificado entre o valor do gradiente de disrupção é devido à forma do

campo eléctrico e à diferença das distâncias entre os eléctrodos.


O SF6 é claramente o melhor isolante que o mercado possui e com este conseguiu-se uma

redução muito significativa do espaço necessário para a implantação dos aparelhos de corte e

protecção. Como alternativas a este temos duas soluções: azoto ou ar sintético.

A rigidez dieléctrica de um gás aumenta com a pressão, na realidade ela aumenta com a

densidade, pois tem-se um maior numero de moléculas por unidade de volume, dificultando

assim a ionização.

Qualquer uma destas soluções à pressão de 3 bar (pressão normalmente utilizada para o SF6

na aparelhagem de média tensão), obtém-se uma tensão de disrupção inferior à do SF6.

O ar sintético e o azoto só serão a alternativa pretendida a pressões bastante superiores.


9. Nota final

Embora existam problemas ambientais criados pelo SF6, dado ser um gás que contribui para

o efeito de estufa, num futuro mais próximo vai continuar a ser usado. As suas características de

corte são impares e nenhum dos eléctrodos alternativos as possui.

Para obtermos tensões de disrupção equivalentes ao SF6 terá de se aumentar a pressão dos

dieléctricos alternativos e/ou a distância dos eléctrodos. Assim perdermos algumas das

principais características adquiridas pela média tensão com o uso do SF6, como por exemplo:

fiabilidade, custos, características de corte e redução do espaço.

A sua substituição é muito difícil de concretizar e necessitará de grandes investimentos, na

continuação deste trabalho, procurando novas soluções e com características similares.



10. Bibliografia

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hexafluoride [11] – Encyclopedie des Gaz [12] – Efect of moisture and gaseous additives on dielectric strength of sulphur hexafluoride [13] – Normas CEI [14] – http://www.epa.gov/highgwp1/sf6/ [15] – http://www.spvs.org.br

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Paulo Alexandre de Lemos Coelho 10503012 2002 / …ee01012/relatorio.pdfNo final da década de oitenta, assiste-se à implementação de uma estratégia de internacionalização. Numa