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1
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO E QUALIFICAÇÃO
DE TERMINAÇÕES POLIMÉRICAS DE CABOS
ISOLADOS DE MÉDIA TENSÃO
GIOVANI ALMEIDA DÁVI
CURITIBA
2008
2
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
GIOVANI ALMEIDA DÁVI
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO E QUALIFICAÇÃO DE
TERMINAÇÕES POLIMÉRICAS DE CABOS ISOLADOS DE
MÉDIA TENSÃO
Trabalho de graduação apresentado à disciplina de Projeto de Graduação como requisito parcial à conclusão do curso de Graduação de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Fernando Piazza
CURITIBA
2008
3
TERMO DE APROVAÇÃO
GIOVANI ALMEIDA DÁVI
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO E QUALIFICAÇÃO DE
TERMINAÇÕES POLIMÉRICAS DE CABOS ISOLADOS DE
MÉDIA TENSÃO
Trabalho de graduação apresentado à disciplina de Projeto de Graduação como
requisito parcial à conclusão do curso de Graduação de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Paraná.
________________________________________________________
Fernando Piazza
________________________________________________________
Joaquim Antônio Dalledone Neto
________________________________________________________
Nelson M. da S. Santos
Curitiba, dezembro de 2008
4
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, pelo apoio e consideração em tudo que foi
necessário na minha vida pessoal e profissional.
Agradeço ao professor orientador Fernando Piazza pela paciência e
dedicação na elaboração deste trabalho.
Agradeço ao professor/pesquisador Guilherme Cunha pela ajuda e
colaboração neste trabalho.
Agradeço aos meus amigos e colegas do LACTEC e da UFPR.
5
RESUMO
A qualidade das terminações poliméricas para cabos de média tensão deve
ser avaliada antes de sua colocação em serviço. As técnicas atuais de construção
têm evoluído, mas diferem entre fabricantes e ainda são susceptíveis à falhas.
Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia para avaliação de
desempenho e qualificação de materiais de terminações poliméricas utilizadas em
cabos isolados de média tensão. Tal metodologia está baseada em ensaios
elétricos e físico-químicos realizados nos laboratórios do Instituto de Pesquisa
para o Desenvolvimento (LACTEC), localizado em Curitiba, estado do Paraná,
Brasil. Ainda foi elaborado um plano de método de falhas para determinar a
confiabilidade dos processos de montagem das terminações.
Foram selecionados os ensaios mais significativos para determinar a
qualidade das terminações e foi gerado como resultado uma especificação técnica
de aquisição de terminações poliméricas para cabos de média tensão.
Palavras-chave: Materiais Isolantes. Terminações poliméricas. Cabos de média tensão
6
ABSTRACT
The quality of polymer terminations for medium-voltage cables should be
assessed before they are put into service. The current construction techniques
have evolved, but differ between manufacturers and are still susceptible to failure.
This work was developed a methodology for assessing the performance
and qualifications of polymeric terminations used in cables of medium voltage. This
methodology is based on electrical and physical-chemical tests made in
laboratories of the Institute of Reserch for the Development (LACTEC), located in
Curitiba, Parana state, Brazil. Still, it was elaborated a plan of method of failures to
determine the reliability of the processes of assembly of terminations.
Were selected the most significant tests to determine the quality of
terminations and was created as a result of an specification of acquisition of
polymer terminations for medium-voltage cables.
Key-words: Insulation materials. Polymer terminations. Medium-voltage cables.
7
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS..................................................................................................I
LISTA DE TABELAS.................................................................................................II
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 13
2. REVISÃO DE LITERATURA .......................................................................... 15
2.1. CABOS ISOLADOS DE MÉDIA TENSÃO ................................................... 15
2.2. TERMINAÇÕES POLIMÉRICAS ................................................................. 17
2.2.1. TERMINAÇÕES TERMOCONTRÁTEIS................................................... 19
2.2.2. TERMINAÇÕES CONTRÁTEIS A FRIO ................................................... 20
2.2.3. TERMINAÇÕES PUSH-ON ...................................................................... 21
2.2.4. TERMINAÇÕES MODULARES ................................................................ 21
2.3. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 22
2.4. MATERIAIS POLIMÉRICOS EMPREGADOS NAS TERMINAÇÕES ......... 25
2.4.1. POLIETILENO .......................................................................................... 25
2.4.2. BORRACHA DE SILICONE ...................................................................... 27
2.5. MECANISMOS DE ENVELHECIMENTO E DETERIORAÇÃO ................... 28
2.6. FERRAMENTAS PARA AVALIAÇÃO DE CONFIABILIDADE NOS
PROCESSOS DE MONTAGEM DAS TERMINAÇÕES ........................................ 30
2.6.1. ANÁLISE DE ÁRVORE DE FALHAS (AAF) ............................................. 30
2.6.2. METODOLOGIA ....................................................................................... 31
2.6.3. SIMBOLOGIA ........................................................................................... 32
2.6.4. ANÁLISE DE MODO DE FALHAS E EFEITOS - FMEA .......................... 33
3. EXPERIMENTAL ............................................................................................ 36
3.1. ENSAIOS TÉRMICOS ................................................................................. 37
3.1.1. ENSAIO DE CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC).. 37
3.1.2. ENSAIO DE TERMOGRAVIMETRIA (TGA) ............................................. 39
3.2. ENSAIOS FÍSICO-QUÍMICOS ..................................................................... 40
3.2.1. ENSAIO DE IDENTIFICAÇÃO DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS POR
ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO (FTIR) ............................................ 40
3.2.2. ENSAIO DE NÉVOA SALINA ................................................................... 40
8
3.2.3. ENSAIO DE HIDROFOBICIDADE ............................................................ 42
3.3. ENSAIOS ELÉTRICOS................................................................................ 43
3.3.1. ENSAIO DE CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO ...................... 43
3.4. ENSAIOS MECÂNICOS .............................................................................. 45
3.4.1. ENSAIO DE DUREZA .............................................................................. 45
3.4.2. ENSAIO DE TRAÇÃO E ALONGAMENTO NA RUPTURA ...................... 46
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................... 46
4.1. RESULTADOS DOS ENSAIOS ................................................................... 47
4.1.1. CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC) ...................... 47
4.1.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA) ............................................... 49
4.1.3. IDENTIFICAÇÃO DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS POR
ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO (FTIR) ............................................ 50
4.1.4. ENSAIO DE NÉVOA SALINA ................................................................... 51
4.2. ENSAIO DE HIDROFOBICIDADE ............................................................... 53
4.2.1. ENSAIO DE CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO ...................... 54
4.2.2. ENSAIO DE DUREZA .............................................................................. 56
4.2.3. ENSAIO DE TRAÇÃO E ALONGAMENTO NA RUPTURA ...................... 57
4.3. RESULTADOS DOS MÉTODOS DE FTA E FMEA ..................................... 58
4.3.1. MÉTODO FTA .......................................................................................... 58
4.3.2. MÉTODO FMEA ....................................................................................... 63
4.3.2.1 Processo A: Instalação de terminações termocontráteis ........................ 64
4.3.2.2 Processo B: Instalação das terminações contráteis a frio ...................... 65
4.3.2.3 Processo C: Instalação de terminações push-on .................................... 66
4.3.2.4 Processo D: Instalação de terminações modulares ................................ 67
4.3.2.5 Processo E: Proteção externa ................................................................ 68
5. ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA ......................................................................... 69
6. CONCLUSÕES .............................................................................................. 71
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................III
ANEXO....................................................................................................................IV
9
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM CABO ISOLADO ........ 15
FIGURA 2. LINHAS DE CAMPO ELÉTRICO EM UM CABO ISOLADO. .............. 16
FIGURA 3. ARCO ELÉTRICO FORMADO NA REGIÃO COMPREENDIDA ENTRE
A BLINDAGEM METÁLICA E O CONDUTOR. ..................................................... 17
FIGURA 4. TERMINAÇÃO POLIMÉRICA SINGELA. ........................................... 17
FIGURA 5. TERMINAÇÃO POLIMÉRICA TRIFÁSICA. ........................................ 18
FIGURA 6. MUFLA TERMINAL INTERNA. ........................................................... 18
FIGURA 7. MUFLA TERMINAL EXTERNA. .......................................................... 19
FIGURA 8. (A) TUBO DE ALÍVIO DE CAMPO ELÉTRICO (B) TUBO ISOLANTE
TERMOCONTRÁTIL (C) SAIAS POLIMÉRICAS (D) MUFLA
TERMONCONTRÁTIL COMPLETA. ..................................................................... 20
FIGURA 9. TERMINAÇÃO CONTRÁTIL A FRIO. ................................................. 21
FIGURA 10. TERMINAÇÃO PUSH-ON................................................................. 21
FIGURA 11. (A) TUBO TVR, (B) COBERTURA DE ATERRAMENTO, (C) SAIAS E
TERMINAÇÃO COMPLETA. ................................................................................. 22
FIGURA 12. DISTRIBUIÇÃO DAS LINHAS DE CAMPO ELÉTRICO NA
TERMINAÇÃO DE UM CABO SECCIONADO. ..................................................... 23
FIGURA 13. CONE OU TUBO DE ALÍVIO DE TENSÃO. ..................................... 23
FIGURA 14. DETALHE DA SUPERFÍCIE SEMICONDUTORA DE UMA MUFLA
DE BORRACHA DE SILICONE. ........................................................................... 24
FIGURA 15. DISTRIBUIÇÃO DAS LINHAS DE CAMPO ELÉTRICO NA
TERMINAÇÃO DE UM CABO COM A CONEXÃO DE UMA MUFLA. .................. 24
FIGURA 16. ESTÁGIOS DE POLIMERIZAÇÃO DO ETILENO. ............................ 25
FIGURA 17. ETAPAS DA GERAÇÃO DO POLIDIMETILSILANO. ....................... 28
FIGURA 18. ILUSTRAÇÃO DO MECANISMO DE PROCESSO DE
TRILHAMENTO ELÉTRICO PROPOSTO POR MALIK. ....................................... 30
FIGURA 19. PORTA LÓGICA “OU” (OR).............................................................. 32
FIGURA 20. PORTA LÓGICA “E” (AND). ............................................................. 32
10
FIGURA 21. SIMBOLOGIA ASSOCIADA AOS EVENTOS DA ANÁLISE DE
ÁRVORE DE FALHAS. ......................................................................................... 33
FIGURA 22. TERMOGRAMA TÍPICO DE DSC. ................................................... 38
FIGURA 23. CURVA TERMOGRAVIMÉTRICA OBTIDA DE MATERIAL DE
TERMINAÇÃO PUSH-ON. .................................................................................... 39
FIGURA 24. CIRCUITO DE ENSAIO SIMPLIFICADO E DETALHES DA
MONTAGEM DENTRO DA CÂMARA DE NÉVOA SALINA. ................................. 41
FIGURA 25. ESCALA DE HIDROFOBICIDADE CONFORME PADRÕES STRI. . 43
FIGURA 26. REPRESENTAÇÃO FASORIAL DO CIRCUTIO EM PARALELO .... 44
FIGURA 27. ARRANJO DE TESTE DE CAPACITÂNCIA E FATOR DISSIPAÇÃO.
.............................................................................................................................. 45
FIGURA 28. CURVA CALORIMÉTRICA OBTIDA PARA O MATERIAL DA
TERMINAÇÃO A. .................................................................................................. 48
FIGURA 29. CURVA CALORIMÉTRICA OBTIDA PARA O MATERIAL DA
TERMINAÇÃO B. .................................................................................................. 48
FIGURA 30. CURVA CALORIMÉTRICA OBTIDA PARA O MATERIAL DA
TERMINAÇÃO C. .................................................................................................. 48
FIGURA 31. CURVA CALORIMÉTRICA OBTIDA PARA O MATERIAL DA
TERMINAÇÃO D. .................................................................................................. 49
FIGURA 32. CURVA CALORIMÉTRICA OBTIDA PARA O MATERIAL DA
TERMINAÇÃO E. .................................................................................................. 49
FIGURA 33. RESULTADO DO ENSAIO DE NÉVOA SALINA: TERMINAÇÃO A. 51
FIGURA 34. RESULTADO DO ENSAIO DE NÉVOA SALINA: TERMINAÇÃO B. 52
FIGURA 35. RESULTADO DO ENSAIO DE NÉVOA SALINA: TERMINAÇÃO C. 52
FIGURA 36. RESULTADO DO ENSAIO DE NÉVOA SALINA: TERMINAÇÃO F. 52
FIGURA 37. RESULTADOS DO ENSAIO DE
HIDROFOBICIDADE:TERMINAÇÕES: (A) F, (B) E, (C) D, (D) C, (E) A, (F) B. .... 54
FIGURA 38. RESULTADOS DO ENSAIO DE CAPACITÂNCIA: DESEMPENHO
DAS TERMINAÇÕES (A) SECAS. (B) UMEDECIDAS. ........................................ 55
FIGURA 39. RESULTADOS DO ENSAIO DE FATOR DE DISSIPAÇÃO:
DESEMPENHO DAS TERMINAÇÕES (A) SECAS. (B) UMEDECIDAS. .............. 56
11
FIGURA 40. (A) REMOÇÃO DA CAPA EXTERNA (B) CORTE DA
SEMICONDUTORA PARA INÍCIO DA REMOÇÃO (C) REMOÇÃO DA CAMADA
SEMICONDUTOR A QUENTE (D) CABO ISOLADO APÓS A REMOÇÃO DA
CAMADA SEMICONDUTORA (E) PROCESSO DE RETIRADA DA ISOLAÇÃO
PARA INSERÇÃO DO CONECTOR TERMINAL (F) APLICAÇÃO DO CONECTOR
TERMINAL POR COMPRESSÃO. ........................................................................ 59
FIGURA 41. MÉTODO DE ÁRVORE DE FALHAS PARA ANÁLISE DE
SOBREAQUECIMENTO. ...................................................................................... 60
FIGURA 42. (A) APLICAÇÃO DA CINTA-MOLA (B) APLICAÇÃO DE ESTANHO
NA CORDOALHA DE ATERRAMENTO (C) CORDOALHA DE ATERRAMENTO
SOBRE A CINTA-MOLA. (D) FITA MASTIC SOBRE A CORDOALHA. ................ 61
FIGURA 43. MÉTODO DE FTA PARA ANÁLISE DE DESCARGAS
SUPERFICIAIS E TRILHAMENTO ELÉTRICO. .................................................... 62
FIGURA 44. (A) LIMPEZA DA ISOLAÇÃO (B) FITA SEMICONDUTORA ENTRE A
BLINDAGEM E CAMADA SEMICONDUTORA. .................................................... 62
FIGURA 45. MÉTODO DE FTA PARA ANÁLISE DE DESCARGAS
SUPERFICIAIS. .................................................................................................... 63
FIGURA 46. (A) TUBO TERMOCONTRÁTIL (PRETO, SEMICONDUTOR) (B)
CONTRAÇÃO DO TUBO TERMOCONTRÁTIL COM O SOPRADOR, (C) TUBO
TERMOCONTRÁTIL CONTRAÍDO (D) COLOCAÇÃO DAS SAIAS. .................... 65
FIGURA 47. (A) DETALHES DA INSTALAÇÃO DE TERMINAÇÕES
CONTRÁTEIS A FRIO (B) INSTALAÇÃO FINALIZADA. ...................................... 66
FIGURA 48. (A) COLOCAÇÃO DA MUFLA (B) PUXAMENTO DO CORDÃO. ..... 67
FIGURA 49. (A) COLOCAÇÃO DO TUBO TVR, (B) COLOCAÇÃO DA
COBERTURA DE ATERRAMENTO, (C) MONTAGEM DAS SAIAS E
TERMINAÇÃO FINALIZADA. ................................................................................ 68
FIGURA 50. FITA AUTO-FUSÃO NA REGIÃO PRÓXIMA AO CONECTOR
TERMINAL. ........................................................................................................... 69
12
LISTA DE TABELAS
TABELA 1. PROPRIEDADES DO POLIETILENO. ............................................... 27
TABELA 2. PROPRIEDADES DA BORRACHA DE SILICONE. ........................... 28
TABELA 3. TABELA DE SEVERIDADE. ............................................................... 35
TABELA 4. TABELA DE OCORRÊNCIA. .............................................................. 35
TABELA 5. TABELA DE DETECÇÃO. .................................................................. 36
TABELA 6. IDENTIFICAÇÃO DAS TERMINAÇÕES POLIMÉRICAS SUBMETIDAS
A TESTES. ............................................................................................................ 37
TABELA 7. RESULTADOS DE PERDA DE MASSA OBTIDOS NO ENSAIO DE
TERMOGRAVIMETRIA. ........................................................................................ 50
TABELA 8. IDENTIFICAÇÃO DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS DAS
TERMINAÇÕES. ................................................................................................... 51
TABELA 9. CLASSIFICAÇÃO DAS TERMINAÇÕES EM RELAÇÃO À
HIDROFOBICIDADE. ............................................................................................ 54
TABELA 10. RESULTADOS DO ENSAIO DE DUREZA. ....................................... 57
TABELA 11. RESULTADOS DO ENSAIO DE TRAÇÃO E ALONGAMENTO NA
RUPTURA. ............................................................................................................ 57
TABELA 12. ANÁLISE DE FMEA PARA O PROCESSO A................................... 65
TABELA 13. ANÁLISE DE FMEA PARA O PROCESSO B................................... 66
TABELA 14. ANÁLISE DE FMEA PARA O PROCESSO C. ................................. 67
TABELA 15. ANÁLISE DE FMEA PARA O PROCESSO D. ................................. 68
TABELA 16. ANÁLISE DE FMEA PARA O PROCESSO E....................................69
13
1. INTRODUÇÃO
As técnicas de construção dos acessórios dos sistemas de distribuição de
energia elétrica têm avançado nos últimos anos e vêm utilizando cada vez mais os
materiais poliméricos, principalmente nas etapas de processos de matérias-prima
e produtos acabados. Atualmente os polímeros estão sendo utilizados em um
grande número de aplicações de uso geral e de engenharia. Em muitas destas
aplicações os polímeros estão cada vez mais substituindo outras classes de
materiais que eram tradicionalmente empregadas, como cerâmica e metais. Essa
substituição é normalmente baseada no conjunto de propriedades e
características apresentadas pelos polímeros. Os mecanismos de degradação de
materiais poliméricos são muitos, mas normalmente são divididos em estresses
elétricos, térmicos, mecânicos e ambientais. Eles devem ser considerados em
conjunto, pois os estresses normalmente agem ao mesmo tempo e variam de
acordo com o tipo de polímero e adição de compósitos, tensão aplicada e fatores
ambientais, como chuva, poluição e umidade.
Neste trabalho serão escolhidos, e justificados, a escolha de alguns ensaios
importantes para a geração de uma especificação técnica, para que sejam
estabelecidos critérios de avaliação da qualidade das terminações de uso interno
e externo para cabos de 3,6/6 kV a 27/35 kV. Serão analisadas as terminações
mais eficientes em termos de suportabilidade, dureza, resistência ao
envelhecimento, estabilidade na degradação térmica ou na formação de erosão.
A motivação deste trabalho foi o estudo das terminações poliméricas de
alguns fabricantes encontrados nos sistemas de distribuição de energia elétrica
para melhoramento das especificações técnicas das concessionárias e também
avaliações de ocorrência de falhas de algumas terminações poliméricas devido a
baixa qualidade. Foi solicitado ao LACTEC, por um cliente, a realização da
avaliação de terminações poliméricas visando determinar a causa dos defeitos nos
dispositivos. Estes ensaios foram realizados em conjunto com os pesquisadores
do LACTEC e o autor deste trabalho.
14
O histórico mostrava a ocorrência de trilhamento elétrico e perda de
massa, a ruptura térmica em relativa baixa tensão, formação de arco elétrico no
isolador, falha na isolação em ambientes com névoa salina e poluição e
envelhecimento do isolador polimérico.
Para a realização deste trabalho é apresentada no capítulo 2 uma revisão
bibliográfica que aborda os principais conceitos utilizados neste estudo. As
terminações poliméricas são brevemente descritos e classificados no item 2.2,
destacando as principais características destes dispositivos. Os materiais que
constituem as terminações são apresentados no item 2.5. As ferramentas para
determinar a confiabilidade nos processos de montagem das terminações são
descritas no item 2.7. No Capítulo 3 são abordados alguns dos principais ensaios
elétricos realizados no LACTEC utilizados na identificação de problemas nas
terminações poliméricas de alguns fabricantes. No capítulo 4, são apresentados
os resultados destes ensaios e a discussão sobre eles, procurando verificar o
estado das amostras e suas características e, como conseqüência, determinar as
eventuais causas que as levaram à falha dos dispositivos. Finalmente no capítulo
5, procurou-se estabelecer uma especificação técnica, produto deste trabalho,
justificando os ensaios escolhidos e criando um documento, em ANEXO,
descrevendo os procedimentos e os resultados esperados destes ensaios.
15
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1. CABOS ISOLADOS DE MÉDIA TENSÃO
Os principais componentes de um cabo de potência em média tensão são o
condutor, o material dielétrico isolante ou isolação, a capa ou proteção externa, a
blindagem metálica e as camadas semicondutoras externa e interna, conforme
indicado na Figura 1.
FIGURA 1. REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM CABO ISOLADO FONTE: [1]
A proteção externa tem a finalidade de proteger os demais elementos contra
esforços mecânicos e penetração de umidade. Os materiais poliméricos utilizados
na cobertura dos cabos são o polietileno reticulado (XLPE) e o polietileno de alta
densidade (HDPE). Atualmente podem ser encontrados cabos com cobertura em
16
dupla camada, sendo a camada interna de polietileno de baixa densidade (LDPE)
ou XLPE e externa em HDPE.
No caso de cabos de média tensão, a blindagem metálica serve como um
condutor para transporte das correntes de carga capacitiva e de curto-circuito do
sistema [2].
Efetuando uma análise na secção transversal do cabo, observa-se que o
campo elétrico é radial e uniforme:
FIGURA 2. LINHAS DE CAMPO ELÉTRICO EM UM CABO ISOLADO. FONTE: [3]
As linhas equipotenciais também radiais surgem no meio dielétrico, cuja
densidade é maior nas proximidades do condutor e menor na superfície de
isolamento. Dessa forma, percebe-se claramente que as solicitações de um
isolamento estão nas camadas elementares próximas ao material condutor.
Quando o cabo está em operação, o material dielétrico isolante é responsável
pela isolação elétrica do condutor. O material dielétrico isolante fica sujeito ao
campo elétrico gerado entre o condutor e a blindagem metálica devido à diferença
de potencial gerada entre eles.
As camadas semicondutoras têm a função de homogeneizar o campo elétrico
compreendido entre a blindagem elétrica e o condutor.
Analisando uma das extremidades de um cabo isolado em funcionamento,
sujeito as condições interpéricas do ar e sob uma diferença de potencial aplicada
constata-se que o ar interposto entre a blindagem metálica e o condutor
energizado seco está sujeito à formação de íons carregados (ionização). A
ionização é iniciada pela colisão de elétrons livres, seguida por uma avalanche
17
elétrica. A tensão atravessa o espaço ionizado e diminui com uma descarga e
finalmente torna-se um arco de corrente (flash over) (Figura 3). Este fato é
resultante da quebra da ruptura dielétrica do ar.
O meio ambiente, contendo partículas condutoras em suspensão, ou a
umidade relativa do ar favorecem a ruptura dielétrica do ar.
FIGURA 3. ARCO ELÉTRICO FORMADO NA REGIÃO COMPREENDIDA ENTRE A BLINDAGEM METÁLICA E O CONDUTOR.
2.2. TERMINAÇÕES POLIMÉRICAS
Terminação ou mufla terminal é um dispositivo isolante destinado a
restabelecer as condições de isolação de um condutor quando este é conectado a
um outro condutor, a um equipamento elétrico ou a um barramento.
As muflas podem ser singelas ou trifásicas. A primeira destina-se a cabos
unipolares e a segunda a cabos tripolares. A Figura 4 e Figura 5 mostram uma
mufla singela e trifásica, respectivamente.
FIGURA 4. TERMINAÇÃO POLIMÉRICA SINGELA.
18
FIGURA 5. TERMINAÇÃO POLIMÉRICA TRIFÁSICA.
Conforme o ambiente de uso as muflas podem ser classificadas como
internas ou externas. As muflas terminais internas são ideais para espaços
confinados, em locais onde o conjunto caboo-terminação não fica exposto às
condições intempéricas. A Figura 6 mostra a configuração de uma mufla terminal
interna.
Muflas terminais externas são utilizadas em ambientes sujeitos a exposição
de radiação ultra-violeta, chuva, névoa salina, poeira, etc. A Figura 7 mostra a
configuração de uma mufla terminal externa.
As muflas podem também ser classificadas como termocontráteis,
contráteis a frio, push-on ou modulares.
FIGURA 6. MUFLA TERMINAL INTERNA.
19
FIGURA 7. MUFLA TERMINAL EXTERNA.
2.2.1. TERMINAÇÕES TERMOCONTRÁTEIS
Atualmente, as terminações constituídas de material termocontrátil, têm
sido utilizadas com muito sucesso, em substituição às tradicionais muflas de
porcelana. As muflas termocontráteis apresentam boa estabilidade térmica, com
temperatura de fusão na ordem de 50 a 100ºC. São constituídas na grande
maioria de copolímeros de poliolefinas. Essas terminações apresentam também
aditivos em sua constituição, como antioxidantes, estabilizantes contra raios
ultravioletas, plastificantes, pigmentos, agentes de cura, retardantes de chamas e
catalisadores1 [4]. Um aditivo freqüentemente usado para a resistência ao
trilhamento elétrico e erosão é o hidróxido de alumínio, Al(OH)32. Este aditivo
trabalha na decomposição térmica e é consumido durante o aquecimento
superficial [5].
Uma terminação termocontrátil é constituída de um tubo de alívio de campo,
feita de um material semicondutor com alta rigidez dielétrica, um tubo isolante
termocontrátil e as saias, que possuem a função de aumentar a distância de
escoamento da corrente de fuga.
1 É uma substância que a afeta a velocidade de uma reação, promovendo um caminho molecular
diferente para a reação.
2 Forma mais estável de alumínio nas condições normais. Ele é encontrado na natureza como o
mineral gibbsita (também conhecido como hidrargilita).
20
A Figura 8 mostra os acessórios que compõe uma mufla termocontrátil e
uma mufla termocontrátil completa instalada no cabo.
(a)
(b)
(c)
(d)
FIGURA 8. (a) TUBO DE ALÍVIO DE CAMPO ELÉTRICO (b) TUBO ISOLANTE TERMOCONTRÁTIL (c) SAIAS POLIMÉRICAS (d) MUFLA TERMONCONTRÁTIL COMPLETA.
2.2.2. TERMINAÇÕES CONTRÁTEIS A FRIO
As terminações contráteis a frio são terminações feitas geralmente de
compostos elastosméricos de borracha de silicone. A flexibilidade do silicone
facilita os processos de montagem, podendo ser usadas em diferentes seções
transversais de condutores. A Figura 9 mostra uma terminação contrátil a frio.
21
FIGURA 9. TERMINAÇÃO CONTRÁTIL A FRIO.
2.2.3. TERMINAÇÕES PUSH-ON
As terminações do tipo push-on são constituídas na sua grande maioria de
borracha de silicone e possuem um cordão plástico na parte interna do dispositivo
com a função de contrair a terminação no cabo quando o operador puxar o
cordão. A Figura 10 mostra os detalhes de uma terminação push-on.
FIGURA 10. TERMINAÇÃO PUSH-ON.
2.2.4. TERMINAÇÕES MODULARES
As terminações modulares são constituídas geralmente de borracha de
silicone. Estas terminações são compostas de um tubo de alívio de campo
elétrico, uma cobertura de aterramento e das saias poliméricas. A Figura 11
mostra os componentes de uma mufla modular.
22
(a)
(b)
(C)
FIGURA 11. (A) TUBO TVR, (B) COBERTURA DE ATERRAMENTO, (C) SAIAS E TERMINAÇÃO COMPLETA.
2.3. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Quando um cabo é seccionado, para proceder-se uma emenda ou para a
conexão a um equipamento, as linhas de campo radial convergem com grande
intensidade para a extremidade da blindagem metálica, conforme ilustrado na
Figura 12:
23
FIGURA 12. DISTRIBUIÇÃO DAS LINHAS DE CAMPO ELÉTRICO NA TERMINAÇÃO DE UM CABO SECCIONADO.
Se aumentarmos o diâmetro no ponto P na terminação do cabo, através de
um cone, conforme mostra a Figura 13, reduziremos gradativamente a intensidade
de campo elétrico. Na prática aumenta-se a espessura do material dielétrico
isolante, a partir do corte da blindagem até um determinado ponto da extremidade
do cabo, formamos o que se denomina de cone ou tubo de alívio de tensão.
FIGURA 13. CONE OU TUBO DE ALÍVIO DE TENSÃO.
O tubo de alívio de tensão possui em seu interior um material semicondutor
que possui a mesma função da camada semicondutora do cabo, ou seja,
homogeneizar o campo elétrico entre a blindagem metálica e o condutor. Por essa
razão, a camada semicondutora da mufla deve ser instalada na continuação da
camada semicondutora do cabo.
24
FIGURA 14. DETALHE DA SUPERFÍCIE SEMICONDUTORA DE UMA MUFLA DE BORRACHA DE SILICONE.
Se não houver uma uniformidade das linhas de campo, as linhas de fluxo
elétrico aumentam gradualmente a condutividade da superfície do material
isolante. A condutividade continuando a aumentar pode ultrapassar o valor
máximo de resistência dielétrica do material, ocorrendo a ruptura dielétrica. Sendo
assim, o campo elétrico quebrando a barreira de ruptura existente entre o condutor
e o dielétrico pode produzir íons pela perda ou ganho de elétrons a partir de
átomos ou moléculas neutras e assim tornar o dielétrico um condutor.
A Figura 15 mostra a distribuição das linhas campo elétrico com a conexão
de uma mufla na terminação no cabo. Note que agora as linhas de campo
distribuíam-se uniformemente ao longo do comprimento da superfície condutora,
reduzindo consideravelmente a concentração do fluxo de tensão na blindagem
eletrostática do cabo.
FIGURA 15. DISTRIBUIÇÃO DAS LINHAS DE CAMPO ELÉTRICO NA TERMINAÇÃO DE UM CABO COM A CONEXÃO DE UMA MUFLA.
25
2.4. MATERIAIS POLIMÉRICOS EMPREGADOS NAS TERMINAÇÕES
Os principais materiais utilizados na confecção das terminações poliméricas
são os são os copolímeros de poliolefina, cujo material base é o polietileno e a
borracha de silicone. A seguir serão descritas as características e propriedades
destes polímeros.
2.4.1. POLIETILENO
O polietileno é um polímero termoplástico e pertence à série dos compostos
chamados poliolefinas. Suas propriedades básicas são controladas pela estrutura,
tamanho e uniformidade das moléculas. O polietileno é formado pelo gás etileno
quando este é polimerizado por reação em cadeia, a temperatura e pressão
elevadas e em presença de pequenas quantidades de oxigênio gasoso. Os
estágios de polimerização do etileno se desenvolvem conforme o esquema a
seguir:
FIGURA 16. ESTÁGIOS DE POLIMERIZAÇÃO DO ETILENO.
O polietileno pode ser formado também pela desidratação do etanol ou
hidrogenação do acetileno.
Os produtos em polietileno podem ser parcialmente cristalinos devidos a
sua ramificação extensiva [6]. A parte cristalina é constituída de moléculas
regularmente organizadas dentro de lamelas. A espessura das lamelas é da
26
ordem de 10 nm, tendo de 10 a 20 m de comprimento. As lamelas são
interconectadas por moléculas de interligação, as quais formam pontes
interlamelares que constituem as regiões amorfas [7].
Dependendo do processo de polimerização pode-se obter o polietileno de
baixa densidade (LDPE), o polietileno linear de baixa densidade (LLDPE) e de alta
densidade (HDPE).
O LDPE normalmente é preparado por uma reação típica de processo de
polimerização por radical livre em altas temperaturas e pressão. Utilizando como
iniciadores da reação Azoisobutironitrilo (AIBN), peróxido de benzoila (BP) ou
oxigênio (10-100 ppm). De um modo geral o HDPE tem excelente resistência ao
ataque de produtos químicos e a solventes, boas propriedades elétricas,
especialmente baixa permissividade e alta rigidez dielétrica. No entanto, há
necessidade de aditivação com antioxidantes para evitar a degradação oxidativa
durante o processamento. A resistência ao intemperismo e à radiação ultravioleta
é adquirida pela aditivação com compostos que retardam os processos de
degradação, permitindo a aplicação deste polímero em ambientes externos [8]. O
XLPE é obtido por reação de reticulação do PE, realizada por iniciadores que
promovem ligações químicas entre as macromoléculas do polietileno, formando
uma rede tridimensional termofixa, não podendo ser reprocessado ou dissolvido,
sem que ocorra a degradação do polímero. Com a reticulação o polímero
resultante suporta, sem deformação térmica, temperaturas mais altas, porém,
passa a ter uma grande quantidade de carbonos terciários, menos estáveis
quimicamente e bastante suscetíveis a degradação por radiação [8]. Algumas
propriedades do XLPE em comparação com o LDPE e HDPE são dadas na
Tabela 1 a seguir:
27
TABELA 1. PROPRIEDADES DO POLIETILENO.
Propriedades LDPE HDPE XLPE
Rigidez dielétrica (kV/mm) 75 100 50
Resistividade volumétrica (.cm) 5 x 1017 5 x 1017 1016
Fator de dissipação (1 MHz) 2 x 10-4 10-3 10-3
Densidade (g/cm3) 0,92 0,95 0,92
Condutividade térmica (W/K.m) 0,3 0,4 0,3
Coeficiente de expansão térmica linear (x 106 /K) 320 150 320
Resistência ao dobramento (N/mm2) 15 30 -
Módulo de Elasticidade (kN/mm2) 0,15 0,7 0,1
Cristalinidade (%) 50 90 -
2.4.2. BORRACHA DE SILICONE
A borracha de silicone é classificada como um elastômero orgânico-
inorgânico obtido através da polimerização de siloxanos orgânicos. As borrachas
de silicone foram primeiramente desenvolvidas em 1943 e são empregadas em
dispositivos que necessitem de uma boa estabilidade térmica. A estrutura básica
da borracha de silicone é mostrada na Figura 17.
Os elastômeros de silicone apresentam uma particularidade única com
respeito às outra borrachas, pois na sua cadeia principal não apresentam o
carbono, mais sim o silício ligado ao oxigênio. A energia da ligação do silício com
o oxigênio é muito maior do que as ligações carbono-carbono e carbono–oxigênio,
o que lhe permite propriedades térmicas superiores.
A síntese do poli (dimetil siloxano) se realiza por reação do silício (obtido
por fusão da sílica ou areia como carbono em forno elétrico com cloreto de metila,
que gera o dimetildiclorosilano, que posteriormente se hidrolisa a dimetilsilanol,
instável que se condensa para dar origem ao polidimetilsilano segundo o
esquema mostrado na Figura [9, 10].
28
FIGURA 17. ETAPAS DA GERAÇÃO DO POLIDIMETILSILANO.
FONTE: [9]
Na maioria das borrachas comerciais o valor de x na figura x é de 3000 a
10000. As borrachas de silicone são reticuladas exclusivamente por peróxidos e
necessitam de cargas para melhorar suas características mecânicas, como sílica
amorfa.
As borrachas de silicone são resistentes ao ozônio, radiação ultravioleta,
solventes e óleos. A característica hidrofóbica garante correntes de fuga de pouca
intensidade o que resulta em excelente comportamento em meios poluídos [11].
Algumas propriedades do silicone são dadas na Tabela 2 a seguir:
Tabela 2. Propriedades da Borracha de Silicone.
Propriedades
Dureza (Shore A) 40-80
Resistência à Tração (Kg/cm2) 77-95
Alongamento (%) 275-780
Rigidez dielétrica (KV/mm) 20
Resistividade volumétrica (.cm) 2-10x 1014
Temperatura de trabalho (ºC) -60ºC+250ºC
2.5. MECANISMOS DE ENVELHECIMENTO E DETERIORAÇÃO
Tem sido observado que os materiais poliméricos podem ser afetados pelas
variações climáticas como temperatura e intensidade de radiação solar, umidade,
29
poluição atmosférica, ciclo térmico e índice pluviométrico. Como as terminações
poliméricas em estudo estão sujeitas, além dos efeitos ambientais, a campos
elétricos, aquecimento por efeito Joule e esforços mecânicos, que são fatores que
podem promover a degradação do material, pode-se considerar desta forma que
estes dispositivos estão sob solicitações múltiplas.
É constatado através de dados experimentais que os principais
mecanismos de degradação dos materiais poliméricos são o trilhamento elétrico, a
erosão e a fotodegradação. Um possível processo para a ruptura por trilhamento
elétrico sob condições úmidas pode ser descrito como:
1- Contaminação e umedecimento da superfície do material, formando
uma camada condutora com baixa resistência superficial;
2- Passagem de corrente superficial com alta dissipação de calor,
causando perda não uniforme da solução da camada condutora,
favorecendo a formação das bandas secas;
3- Interrupção do fluxo de corrente superficial devido à presença da banda
seca, causando aumento da tensão elétrica através da banda seca e
iniciando-se as descargas superficiais;
4- Devido às descargas superficiais a superfície do isolante alcança
elevadas temperaturas, causando a formação de resíduos carbonizados
levando a gradual erosão3;
5- Propagação da trilha de resíduo de carbono;
6- Ruptura completa da superfície do material isolante de maneira que o
isolante restante é incapaz de apresentar resistência à tensão elétrica
aplicada [12].
Um esquema ilustrativo destes processos numerados de 1 a 6 pode ser
observado na Figura 18.
A fotodegração é causada pela exposição do material à radiação solar
causada pela atuação de fótons na faixa de energia do ultra-violeta.
3 Perda localizada e gradual de massa que ocorre pela ação de descargas superficiais
30
1
3
5 6
4
2
FIGURA 18. ILUSTRAÇÃO DO MECANISMO DE PROCESSO DE TRILHAMENTO ELÉTRICO PROPOSTO POR MALIK [13].
É extremamente importante que não fiquem vazios ou cavidades no contato
da mufla com o cabo, pois estas cavidades possuem constante dielétrica diferente
da do material que o rodeia. Quando submetemos este material a um campo
elétrico, este se distribui pelo material, submetendo a cavidade ou inclusão a um
gradiente de tensão em excesso ao gradiente máximo suportável pela mesma.
Este fenômeno dará origem a pequenas descargas disruptivas no interior da
cavidade, acarretando um processo temporal de deterioração progressiva do
material e eventualmente a falha do dispositivo.
2.6. FERRAMENTAS PARA AVALIAÇÃO DE CONFIABILIDADE NOS
PROCESSOS DE MONTAGEM DAS TERMINAÇÕES
2.6.1. ANÁLISE DE ÁRVORE DE FALHAS (AAF)
A análise de árvore de falhas (AAF) ou failure tree analysis (FTA) determina
as causas básicas de um evento ou a seqüência que levou ao mesmo e pode ser
31
aplicada a qualquer evento indesejado, especialmente eventos e/ou sistemas
complexos. [14]
O objetivo da análise de falhas é a obtenção através de um diagrama lógico
do conjunto mínimo de causas (falhas) que levaram ao evento em estudo. [14]
2.6.2. METODOLOGIA
Os princípios básicos da metodologia consistem dos seguintes passos:
a) Seleção do Evento Topo ou Evento Falha: é o evento principal da análise.
Todos os processos do diagrama possuem relação direta com este evento;
b) Determinação dos fatores contribuintes: são os fatores relacionados as
sequências de eventos que levam o sistema à falhas ou a acidente. Os fatores
contribuintes podem ser:
- Evento Básico: é um evento que ocorre com bastante frequência e geralmente leva
à ocorrência de falhas;
- Evento Não Desenvolvido: é um evento que caracteriza uma técnica ou sequência
do processo que não foi realizada;
- Evento Normal: é um evento falha que já está presente no processo. Devem sempre
ser tomadas medidas preventivas para este tipo de evento.
c) Diagramação lógica: as sequências de eventos são construídas com o auxílio
de portas lógicas AND (E), OR (OU);
d) Simplificação booleana: consiste na aplicação da lógica booleana de acordo
com a tabela verdade das portas lógicas utilizadas, conforme Figura 19 e Figura
20 a seguir:
32
FIGURA 19. PORTA LÓGICA “OU” (OR).
FONTE: [14]
FIGURA 20. PORTA LÓGICA “E” (AND).
FONTE: [14]
2.6.3. SIMBOLOGIA
Na Figura 21 são apresentados os símbolos mais usados para caracterizar
os diferentes eventos, com seus respectivos significados.
33
Simbologia Função
EVENTO FALHA
Porta lógica:
E (.)
OU (+)
Evento Básico
Evento Não
Desenvolvido
Evento Normal
FIGURA 21. SIMBOLOGIA ASSOCIADA AOS EVENTOS DA ANÁLISE DE ÁRVORE DE FALHAS.
2.6.4. ANÁLISE DE MODO DE FALHAS E EFEITOS - FMEA
A análise de Modos de Falhas e Efeitos (Failure Mode and Effect Analysis –
FMEA) é uma ferramenta usada para aumentar a confiabilidade de um certo
produto durante a fase de projeto ou processo. A ferramenta consiste basicamente
em sistematizar um grupo de atividades para detectar possíveis falhas e avaliar os
efeitos das mesmas para o projeto/processo. A partir dessas possíveis falhas,
identificam-se ações a serem tomadas para eliminar ou reduzir a probabilidade de
que as mesmas ocorram. Essas ações também podem objetivar aumentar a
probabilidade de detecção dessas falhas, para que os produtos que apresentam
inconformidades não cheguem ao cliente.
É extremamente importante se definir o que está sendo analisado (uma
área, atividade, equipamento). Depois verifica-se se o sistema será analisado
inteiro ou partes dele, e quais são os alvos a serem considerados (pessoal,
produto).
34
As unidades de análise do FMEA descritas a seguir são os sistemas,
subsistemas e componentes, assim divididas a fim de sistematizar todo o projeto.
a) Processo: Define o sistema a ser analisado obtendo dados concretos, como
fotografias, desenhos, diagramas ou listas de componentes.
b) Etapa do processo ou Item: Define a etapa do processo ou item que será
analisado isoladamente.
c) Funções do processo: Define as atividades que o item desempenha sob o ponto
de vista operacional; cada função tem uma medida associada.
d) Modo de falha em potencial: É a descrição da maneira pela qual um item falha
em cumprir com a sua função.
e) Efeito de falha em potencial: É a consequência que o modo de falha tem sobre
a operação, função ou estado do item [14].
f) Causa da falha em potencial:
Descreve as possíveis causas que ocasionaram as falhas;
A análise deve manter-se dentro do escopo definido (sistema que está sendo
analisado e interface com outros sistemas);
As causas devem ser identificadas para um modo de falha, e não para um
efeito individual.
g) Severidade (S): É o índice que deve refletir a gravidade do efeito da falha sobre
o cliente, assumindo que o tipo de falha ocorra; [14] Os índices de severidade
devem corresponder, de preferência, aos índices pré-definidos na Tabela 3.
j) Número de prioridade de risco (R): Os riscos em uma análise de FMEA podem
ser quantificados através do conceito do número de prioridade de risco (R), que é
35
obtido pelo resultado da multiplicação dos índices de severidade, ocorrência e
detecção.
TABELA 3. TABELA DE SEVERIDADE.
TABELA 4. TABELA DE OCORRÊNCIA.
Probabilidade Probabilidade de falha Índice
Muito Alto: A falha é quase inevitável
>1 em 2 10
1 em 3 9
Alto: muitas falhas
1 em 8 8
1 em 20 7
Moderado: falhas ocasionais
1 em 80 6
1 em 400 5
1 em 2.000 4
Baixo: poucas falhas
1 em 15.000 3
1 em 150.000 2
Remota: A falha é improvável de ocorrer <1 em 1.500.000 1
Severidade Descrição do efeito de falha Índice
Perigoso sem avisos Ranking de severidade muito alto quando um efeito de modo de
falha em potencial de um sistema de segurança opera sem avisos
(compromete a segurança)
10
Perigoso com aviso Ranking de severidade muito alto quando um efeito de modo de
falha em potencial de um sistema de segurança opera com avisos
(compromete a segurança)
9
Muito Alto Sistema inoperável com falha destrutiva sem comprometer a
segurança
8
Alto Sistema inoperável com danos ao produto 7
Moderado Sistema inoperável com dano mínimo 6
Baixo Sistema inoperável sem dano 5
Muito baixo Sistema operável com degradação significante da performance 4
Mínimo Sistema operável com degradação da performance 3
Quase nulo Sistema operável com interferência mínima 2
Nulo Nenhum efeito 1
36
TABELA 5. TABELA DE DETECÇÃO.
Detecção Probabilidade de detecção pelo projeto de controle Índice
Nula O projeto de controle não pode detectar potencial causa/mecanismo e
subsequente modo de falha
10
Muito Remota Probabilidade muito remota de que o projeto de controle detecte
potencial causa/mecanismo e subsequente modo de falha
9
Remota Probabilidade remota de que o projeto de controle detecte potencial
causa/mecanismo e subsequente modo de falha
8
Muito baixa Probabilidade muito baixa de que o projeto de controle detecte potencial
causa/mecanismo e subsequente modo de falha
7
Baixa Probabilidade baixa de que o projeto de controle detecte potencial
causa/mecanismo e subsequente modo de falha
6
Moderada Probabilidade moderada de que o projeto de controle detecte potencial
causa/mecanismo e subsequente modo de falha
5
Moderada/alta Probabilidade moderada/alta de que o projeto de controle detecte
potencial causa/mecanismo e subsequente modo de falha
4
Alta Probabilidade alta de que o projeto de controle detecte potencial
causa/mecanismo e subsequente modo de falha
3
Muito alta Probabilidade muito alta de que o projeto de controle detecte potencial
causa/mecanismo e subsequente modo de falha
2
Quase certeza O projeto de controle detectará potencial causa/mecanismo e
subsequente modo de falha
1
3. EXPERIMENTAL
Na elaboração deste trabalho, foram selecionados diversos ensaios com o
objetivo de avaliar as terminações poliméricas, levando-se em conta os aspectos
de solicitações de esforços mecânicos, elétricos e de resistência ao intemperismo,
a que são submetidos esses dispositivos.
Os ensaios foram escolhidos baseando-se em normas nacionais e
internacionais levando-se em conta: (a) sua viabilidade técnica e econômica, (b)
37
relevância das informações dos parâmetros medidos, (c) possibilidade de
avaliação de desempenho dos materiais sob condições múltiplas.
Para realização dos ensaios foram utilizadas terminações de distintos
fabricantes, identificados conforme Tabela 6 a seguir:
TABELA 6. IDENTIFICAÇÃO DAS TERMINAÇÕES POLIMÉRICAS SUBMETIDAS A TESTES.
Terminação Tipo
A Termocontrátil
B Termocontrátil
C Contrátil a frio
D Contrátil a frio
E Push-on
F Modular
3.1. ENSAIOS TÉRMICOS
A estrutura cristalina e/ou a composição dos materiais podem mudar
durante o aquecimento ou resfriamento, pela análise térmica é possível observar
estas variações. Nos polímeros podem ser observadas propriedades como
transição vítrea, temperatura de fusão e cristalização, perda de massa, reações
químicas, e outras.
3.1.1. ENSAIO DE CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC)
A calorimetria diferencial de varredura, conforme norma ASTM D 3418 [15],
é um método direto e quantitativo de medida da transferência de calor e das
mudanças de entalpia (dh/dt) envolvidas nas transições sofridas pelo material.
Nesta técnica mede-se a diferença de temperatura entre a amostra e a referência
38
(material inerte), que é proporcional a diferença de fluxo de calor entre os dois.
Envolvendo processos exotérmicos e endotérmicos o ensaio nos fornece
informações sobre a temperatura de transição vítrea (Tg), que é a temperatura de
na qual o polímero passa de um estado rígido para um estado flexível,
temperatura de cristalização (Tk), ponto de fusão, pureza, temperatura de
oxidação e temperatura na qual ocorre a degradação do material (Td).
FIGURA 22. TERMOGRAMA TÍPICO DE DSC.
O ensaio de calorimetria diferencial de varredura foi realizado em amostras
de materiais retirados das terminações com o objetivo de obter as principais
transições que estes materiais sofrem. Estes resultados são importantes na
caracterização e para posterior avaliação do desempenho de materiais.
O equipamento utilizado no ensaio foi um calorímetro NETZSCH DSC,
modelo 204 F1. O ensaio foi realizado na faixa de temperatura de -150 oC a 20 ºC
para as borrachas de silicone e na faixa de -100 ºC a 200 ºC para os materiais
termocontrácteis. A taxa de aquecimento utilizada foi de 10ºC/ min.
39
3.1.2. ENSAIO DE TERMOGRAVIMETRIA (TGA)
A análise termogravimétrica, conforme a norma ASTM E 1640 [16], é uma
técnica que caracteriza o perfil de degradação dos polímeros, em função da
temperatura. Consiste em um processo contínuo resultante de uma transformação
física ou química que resulta em perda de massa. A aplicação típica desta técnica
está na avaliação da estabilidade térmica e temperatura de decomposição, se
estendendo para cura e condensação, composição, porcentagem de cargas em
polímeros, entre outras informações. Os dados são obtidos através de um
termograma que registra a variação de massa da amostra analisada em função da
temperatura, podendo esta análise ser efetuada para diferentes atmosferas
(inerte, oxidante ou redutora). A Figura 23 mostra um exemplo de uma análise
termogravimétrica obtida do material de uma terminação push-on.
FIGURA 23. CURVA TERMOGRAVIMÉTRICA OBTIDA DE MATERIAL DE TERMINAÇÃO PUSH-ON.
O equipamento utilizado no ensaio foi um analisador termogravimétrico
NETZSCH, modelo TG 209.
O ensaio foi realizado com o seguinte procedimento: as amostras foram
aquecidas a uma taxa de 20 ºC/min para que todo material orgânico possa ser
queimado, restando apenas cinzas.
40
As condições de ensaio utilizadas foram: faixa de temperatura em
atmosfera inerte (N2) = 20 ºC a 550 ºC e faixa de temperatura em atmosfera
oxidante (O2) = 550 ºC a 850 ºC.
3.2. ENSAIOS FÍSICO-QUÍMICOS
3.2.1. ENSAIO DE IDENTIFICAÇÃO DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS POR
ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO (FTIR)
Diferentes tipos de polímeros são utilizados na confecção das terminações.
Sendo assim, a identificação do tipo do polímero é uma importante ferramenta
para avaliação de suas características elétricas, mecânicas e de resistência ao
envelhecimento. Para identificação dos compostos orgânicos dos materiais das
terminações foi realizado ensaio de FTIR, normalizada pela ASTM E 1252 [17].
Para a realização do ensaio foi utilizado o seguinte equipamento:
Espectrofotômetro de infravermelho marca Bomem, modelo MB100.
Para o ensaio as amostras foram misturadas em brometo de potássio (KBr)
e submetidas à pressão de 8 toneladas, durante 10 minutos, em acessório
especial. Com este procedimento foram obtidas pastilhas, as quais foram
submetidas à análise no espectrofotômetro de infravermelho.
3.2.2. ENSAIO DE NÉVOA SALINA
O ensaio de névoa salina é um ensaio baseado na norma NBR 9314 [18] e
seu objetivo é medir a variação da corrente de fuga de terminações externas
operando em ambientes com névoa salina ou com materiais orgânicos
depositados na superfície. O cloreto de sódio ou os materiais orgânicos
41
depositados sobre as terminações aumentam a condutividade dos materiais
diminuindo a ação isolante do dispositivo.
Terminações de distintos fabricantes foram montadas em cabos isolados,
com bitola de 400 mm2 e 3 m de comprimento. Os testes foram realizados no
interior de uma câmara de acrílico com volume de aproximadamente 10 m3. A
névoa salina foi produzida no interior da câmara pela nebulização de uma solução
de cloreto de sódio em água destilada (10 g/L), utilizando-se dois bicos
nebulizadores acionados por ar comprimido. A condutividade medida da solução
foi de 1600 mS/m. A névoa foi produzida com uma vazão de 0,2 L/h/m3, a qual foi
controlada pela dosagem da solução salina por meio de uma bomba peristáltica.
Um transformador de distribuição de 25 kV/440-220 V, 10 kVA, ligado de maneira
reversa, foi utilizado como fonte de tensão.
O ensaio consistiu na aplicação simultânea de tensão elétrica (16 kV fase-
terra) e névoa salina por um período de 168 h. Por intermédio de um circuito de
proteção ligado em série com o aterramento, foram efetuados registros de
corrente de fuga durante as últimas horas de ensaio. Terminadas as 168 h as
terminações foram inspecionadas visualmente.
A Figura 24 apresenta o circuito simplificado do ensaio e os detalhes da
montagem.
FIGURA 24. CIRCUITO DE ENSAIO SIMPLIFICADO E DETALHES DA MONTAGEM DENTRO DA CÂMARA DE NÉVOA SALINA.
42
3.2.3. ENSAIO DE HIDROFOBICIDADE
A hidrofobicidade é uma propriedade dos materiais poliméricos e se refere à
sua capacidade em repelir água evitando que, em presença de umidade, ocorra
formação de zonas molhadas na sua superfície. Esta propriedade, presente em
todos os materiais poliméricos quando novos (quando recém-instalados na rede),
proporciona a supressão da corrente de fuga superficial e aumento da
suportabilidade a descargas disruptivas, melhorando como consequência o
desempenho dos materiais sob condições de poluição e umidade. Assim, a
hidrofobicidade, quando presente, pode ser vista como uma propriedade que
reforça a capacidade isolante de um material [19].
Sob a ação de intemperismo (radiação UV, calor e umidade), poluição e
descargas elétricas superficiais, os materiais poliméricos podem perder a
hidrofobicidade que possuíam inicialmente. O EPDM é um exemplo de material
polimérico que perde definitivamente a hidrofobicidade pouco tempo depois de ser
exposto ao ambiente externo. O silicone, ao contrário, é um exemplo de material
que permanece hidrofóbico por longos períodos de tempo, mesmo em condições
de intemperismo severo e na presença de poluição ambiental [19,20].
A avaliação da hidrofobicidade foi efetuada pelo método descrito no guia
STRI [5] e na Norma IEC TS 62073 [21], os quais prescrevem uma maneira de
classificar a superfície de isoladores dentro de uma escala de classes de
hidrofobicidade. Esta escala se inicia com a classe HC1 (completamente
hidrofóbico) e termina com a classe HC7 (completamente hidrofílico).
O procedimento consistiu em borrifar água sobre o isolador, com o auxílio
de um pulverizador manual e, em seguida, fotografar sua superfície.
Posteriormente, as fotos obtidas foram comparadas com fotos padrões presentes
no guia 1, 92/1 do STRI as quais definem uma escala de hidrofobicidade. Os
padrões do STRI estão apresentados na Figura 25.
43
FIGURA 25. ESCALA DE HIDROFOBICIDADE CONFORME PADRÕES STRI.
FONTE: STRI
3.3. ENSAIOS ELÉTRICOS
3.3.1. ENSAIO DE CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO
O fator de dissipação fornece indicações de perdas no dielétrico. Certos
processos de degradação, como a deterioração térmica e a absorção de umidade
aumentam essas perdas.
Para representar as perdas dielétricas inerentes a uma estrutura isolante
quando submetida a um campo elétrico alternado pode-se representar um isolante
por um capacitor em paralelo com um resistor.
44
FIGURA 26. REPRESENTAÇÃO FASORIAL DO CIRCUTIO EM PARALELO. FONTE: [22]
Onde Ic é a corrente de carga e Ir é a corrente residual. A partir deste
diagrama fasorial obtemos a relação:
ppp
p
c
r
CRCU
RU
I
Itg
1 [1]
onde tg representa o fator de dissipação, representando a energia dissipada por
ciclo de tensão senoidal em função da energia armazenada.
Entre as razões para determinar o fator de dissipação estão: pesquisa
básica no desenvolvimento de materiais isolantes, utilização em laboratório, para
controle de qualidade durante a produção de cabos, transformadores e outros
equipamentos, para manutenção preventiva e para testes em campo.
O equipamento utilizado no teste foi uma Ponte TETTEX, Test Set, tipo
5284. A representação esquemática do arranjo de teste utilizado está apresentada
na Figura 27. O procedimento adotado neste novo teste consistiu na aplicação de
tensão (fase-terra) em degraus de 4 kV, iniciando em 4 kV e terminando em 36 kV.
Para cada patamar de tensão foram registrados os valores de capacitância (em
pF) e fator de dissipação (em %). Ainda, estas medidas foram realizadas com as
terminações secas e com as terminações umedecidas. O umedecimento das
terminações foi realizado com borrifador.
45
FIGURA 27. ARRANJO DE TESTE DE CAPACITÂNCIA E FATOR DISSIPAÇÃO.
Vale ressaltar que as medidas de capacitância e fator de dissipação dizem
respeito ao conjunto cabo-terminação. Para fins de comparação de desempenho
de terminações estas foram montadas em cabos de mesmo comprimento e
mesma bitola.
3.4. ENSAIOS MECÂNICOS
As variáveis externas que afetam o comportamento mecânico dos
polímeros são: temperatura; tempo ou velocidade de deformação (ou velocidade
de aplicação de tensão); nível da solicitação mecânica; tipo de solicitação;
natureza da atmosfera vizinha, abrangendo umidade e outros agentes
quimicamente agressivos ao polímero avaliado.
Os ensaios mecânicos têm o objetivo de avaliar as propriedades mecânicas
do material polimérico novo e também observar as variações causadas pela
solicitação a que são submetidos, exigida pela aplicação em serviço.
3.4.1. ENSAIO DE DUREZA
O ensaio de dureza tem como objetivo a determinação da resistência dos
materiais poliméricos contra a penetração de umidade. É baseado na penetração de
46
um indentador com formato específico durante um período de tempo e carga pré-
definidos, conforme a norma ASTM D 2240 [23].
As medidas foram realizadas a temperatura ambiente, com auxílio do
durômetro Bareiss, modelo HPE – D e A, utilizando carga de 5 kgf para dureza
shore D e 1 kgf para dureza shore A. A leitura do medidor do durômetro é realizada
5 segundos após a estabilização do indicador do aparelho.
3.4.2. ENSAIO DE TRAÇÃO E ALONGAMENTO NA RUPTURA
Este ensaio baseado na norma ASTM D 638 [24] é importante para a
caracterização do material, pois os polímeros utilizados na confecção de cabos e
acessórios devem possuir determinadas características mecânicas iniciais, para
que possam atender a solicitações de serviço e manuseio.
Materiais muito rígidos podem sofrer trincas durante a instalação ou por
esforços da própria rede comprometendo o desempenho dos mesmos. Materiais
com pouca resistência mecânica podem sofrer deformação, a qual também pode
comprometer seu desempenho.
Por meio deste ensaio foram obtidos os valores de tensão máxima e
alongamento na ruptura. Cinco corpos-de-prova na forma de gravatas foram
retirados das amostras dos materiais poliméricos obtidos das terminações. Os
corpos-de-prova foram submetidos ao ensaio de à tração à ruptura, em
equipamento Instron 4467, com célula de carga 100 kN, velocidade do travessão
de 50 mm/min, L0 de 10 mm. Todos os testes foram realizados na temperatura
ambiente.
Os corpos-de-prova foram submetidos a envelhecimento térmico em estufa
durante 7 dias, na temperatura de 130 ºC.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
47
Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos nos ensaios
térmicos, físico-químicos, elétricos e mecânicos. Serão apresentados ainda, os
resultados obtidos dos métodos de FTA e FMEA.
4.1. RESULTADOS DOS ENSAIOS
4.1.1. CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC)
Os resultados, obtidos através do calorímetro NETZSCH DSC - 204 F1
estão apresentados na Figura 32 a Figura 29. Pode ser observado que os
materiais das terminações D e E apresentam comportamento térmico muito
parecido, com transição vítrea entre -107 ºC e -109 ºC e temperatura de fusão em
- 38 ºC (Figura 31 e Figura 32).
As propriedades físicas, mecânicas e termodinâmicas dos polímeros
dependem do grau de cristalinidade. A cristalinidade aumenta a rigidez e a
densidade dos materiais, mas diminui a flexibilidade e a resistência ao impacto. A
cristalinidade para estes materiais só ocorre em baixa temperatura, sendo o
mesmo amorfo na temperatura ambiente.
O polímero usado na terminação C (Figura 30) apresenta comportamento
diferente em relação aos materiais das terminações D e E. Este possui transição
vítrea em -117 ºC, sendo possível observar a cristalização do material em -96ºC. A
temperatura de fusão ocorre em temperatura mais baixa que a dos anteriores: - 44
ºC.
Da Figura 28 e Figura 29 podem ser vistos que os materiais termocontráteis
(terminações A e B) apresentaram comportamento térmico bastante diferenciado
dos anteriores. Estes possuem cristalinidade, a qual deve sofrer um aumento após
a aplicação de temperatura. Ainda, a temperatura de fusão destes materiais variou
de 55 ºC a 103 º.
48
FIGURA 28. CURVA CALORIMÉTRICA OBTIDA PARA O MATERIAL DA TERMINAÇÃO A.
FIGURA 29. CURVA CALORIMÉTRICA OBTIDA PARA O MATERIAL DA TERMINAÇÃO B.
FIGURA 30. CURVA CALORIMÉTRICA OBTIDA PARA O MATERIAL DA TERMINAÇÃO C.
49
FIGURA 31. CURVA CALORIMÉTRICA OBTIDA PARA O MATERIAL DA TERMINAÇÃO D.
FIGURA 32. CURVA CALORIMÉTRICA OBTIDA PARA O MATERIAL DA TERMINAÇÃO E.
4.1.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA)
Os resultados dos ensaios de termogravimetria dos materiais das
terminações estão apresentados na
Tabela 7.
A perda de massa até 400 ºC pode corresponder a saída de plastificantes,
óleos e/ou cadeias pequenas do polímero; a perda de massa entre 400 ºC e 800
50
ºC corresponde a pirólise do material polimérico. O resíduo final, descrito como
teor de cinzas, corresponde a quantidade de material inorgânico presente na
formulação. No caso dos materiais formulados com silicone parte deste resíduo é
formado pela oxidação do silício presente na cadeia. Nota-se que as perdas de
massa para as terminações a frio (C, D e E) são bastante similares, indicando
formulações parecidas. As amostras dos materiais termocontráteis (A e B)
apresentam resultados bem diferentes, tanto com relação à quantidade de carga
(teor de cinzas) quanto em relação à quantidade de plastificante.
TABELA 7. RESULTADOS DE PERDA DE MASSA OBTIDOS NO ENSAIO DE TERMOGRAVIMETRIA.
Amostra Perda de massa até
400 ºC (%)
Perda de massa entre
400 e 800 ºC (%)
Teor de
cinzas (%)
A 15,08 62,88 22,04
B 19,83 48,59 31,58
C 1,91 32,82 64,6
D 3,03 29,11 67,98
E 3,4 33,95 62,10
4.1.3. IDENTIFICAÇÃO DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS POR
ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO (FTIR)
Os resultados obtidos estão apresentados na Tabela 8. Nota-se que os
compostos orgânicos que constituem as terminações são mesmo o polietileno e a
borracha de silicone como pressuposto inicialmente, porém, existem aditivos
misturados, como antioxidantes e catalisadores.
51
TABELA 8. IDENTIFICAÇÃO DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS DAS TERMINAÇÕES.
Fabricante Composto orgânico
A Polietileno/Poliolefinas
B Polietileno/Poliolefinas
C Borracha de silicone
D Borracha de silicone
E Borracha de silicone
4.1.4. ENSAIO DE NÉVOA SALINA
Na Figura 33 são apresentadas as fotos da terminação A após o teste. Foi
observada, nas proximidades da saia superior, a ocorrência de erosão profunda
do revestimento polimérico. Nenhuma alteração significativa nos valores de
corrente de fuga foi observada.
FIGURA 33. RESULTADO DO ENSAIO DE NÉVOA SALINA: TERMINAÇÃO A.
A Figura 34 mostra a terminação B após o teste. Não foi observada
alteração da superfície do material, trilhamento elétrico ou erosão. Ainda,
nenhuma alteração significativa nos valores de corrente de fuga foi observada.
52
FIGURA 34. RESULTADO DO ENSAIO DE NÉVOA SALINA: TERMINAÇÃO B.
A Figura 35 mostra a terminação C após o teste. Não foi observada
alteração da superfície do material, trilhamento elétrico ou erosão.
FIGURA 35. RESULTADO DO ENSAIO DE NÉVOA SALINA: TERMINAÇÃO C.
A Figura 36 mostra a terminação F após o teste. Não foi observada
alteração da superfície do material, trilhamento elétrico ou erosão.
FIGURA 36. RESULTADO DO ENSAIO DE NÉVOA SALINA: TERMINAÇÃO F.
Vale ressaltar que as condições impostas neste estudo são bastante
similares às condições impostas no ensaio normalizado (tensão aplicada = 15 kV,
condutividade = 1600 mS/m 200 mS/m e vazão = 0,4 L/h/m3 0,1 L/h/m3).
53
Todavia, o procedimento de teste é bastante divergente com relação ao prescrito
na norma NBR 9314 [18].
Através dos experimentos conclui-se que as terminações da B, C e F
apresentaram bom desempenho frente a concentração de névoa salina, não
implicante em trilhamento elétrico e erosão. Em relação a terminação A observou-
se trilhamento elétrico e erosão grave, o que quer dizer que esta terminação não é
resistente à condições intempéricas acentuadas.
Os valores de corrente de fuga não foram alterados significativamente nas
terminações colocadas sob teste.
4.2. ENSAIO DE HIDROFOBICIDADE
Os resultados da avaliação da hidrofobicidade das terminações estão
apresentados na Figura 37. Pela comparação com o padrão do STRI podem-se
classificar as terminações avaliadas de acordo com a Tabela 9. É possível
observar que a terminação A foi a que apresentou pior desempenho, mostrando-
se hidrofílica. Todas as demais terminações estão adequadas ao uso, com
destaque para as terminações B, C e F.
54
FIGURA 37. RESULTADOS DO ENSAIO DE HIDROFOBICIDADE: TERMINAÇÕES: (a) F, (b) E, (c) D, (d) C, (e) A, (f) B.
TABELA 9. CLASSIFICAÇÃO DAS TERMINAÇÕES EM RELAÇÃO À HIDROFOBICIDADE.
Fabricante Índice de
Hidrofobicidade
A HC6
B HC1
C HC1
D HC2
E HC2
F HC1
4.2.1. ENSAIO DE CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO
São apresentados os resultados obtidos para cada um dos conjuntos cabo-
terminação. O conjunto B apresentou variação pouco significativa da capacitância
e do fator de dissipação nas condições seco e úmido.
O conjunto A apresentou variação bastante significativa da capacitância e
do fator de dissipação depois de umedecido, isto é, o fator de dissipação chegou a
triplicar de valor, tendo uma variação de 0,46 para 1,61 em 10 kV. Além disto, esta
terminação apresentou o maior valor de fator de dissipação, sendo de até 10
vezes o valor da terminação com menor fator de dissipação.
O conjunto C apresentou uma variação significativa da capacitância e do
fator de dissipação depois de umedecido (o fator de dissipação dobrou de valor).
Apesar deste aumento, este o conjunto é o que apresentou o menor fator de
dissipação entre todos os conjuntos e, mesmo umedecido, este parâmetro é ainda
cerca de 10 vezes menor do que o observado para o conjunto A.
55
Os conjuntos D e E apresentaram variação pouco significativa da
capacitância e do fator de dissipação depois de umedecidos.
A Figura 38 e Figura 39 apresentam os resultados das terminações no
estado seco e úmido.
(a)
(b)
FIGURA 38. RESULTADOS DO ENSAIO DE CAPACITÂNCIA: DESEMPENHO DAS TERMINAÇÕES (a) SECAS. (b) UMEDECIDAS.
56
(a)
(b)
FIGURA 39. RESULTADOS DO ENSAIO DE FATOR DE DISSIPAÇÃO: DESEMPENHO DAS TERMINAÇÕES (A) SECAS. (B) UMEDECIDAS.
4.2.2. ENSAIO DE DUREZA
Os resultados das medidas de dureza estão apresentados na Tabela 10.
Nota-se que não foi possível usar a mesma escala de dureza para todas as
terminações avaliadas devido às diferentes características existentes entre as
formulações termocontráteis e as contráteis a frio. O método A descrito na tabela é
utilizado para materiais moles e o método B para materiais rígidos.
Os resultados mostram que não houve variação significa da dureza nas
amostras testadas
57
TABELA 10. RESULTADOS DO ENSAIO DE DUREZA.
Dureza
Terminação Dureza Shore A Dureza Shore D
A - 41,6 0,9
B - 31,7 0,9
C 41,6 0,8 -
D 38,4 0,7 -
E 43,5 1,0 -
4.2.3. ENSAIO DE TRAÇÃO E ALONGAMENTO NA RUPTURA
Os materiais das terminações D e E apresentaram variação muito pequena
nas propriedades mecânicas mostrando ótima estabilidade à degradação térmica.
Apesar da pequena variação da resistência à tração o material da terminação C
apresentou perda percentual de 18,3% no alongamento a ruptura.
Os materiais das terminações A e B foram os que apresentaram maior
perda percentual das propriedades mecânicas. O material que apresentou perdas
percentuais das propriedades mecânicas superiores a 20% foi o da terminação A.
A Tabela 11 nos dá os valores médios de elongação e tensão máxima e a
variação percentual antes e após o envelhecimento térmico dos cinco corpos-de-
prova testados para cada amostra de terminação.
TABELA 11. RESULTADOS DO ENSAIO DE TRAÇÃO E ALONGAMENTO NA RUPTURA.
Tração e Alongamento na Ruptura
Antes do
envelhecimento
Após o
envelhecimento
Variação Percentual
Elongação
(%)
Tensão
máxima
Elongação
(%)
Tensão
máxima
Elongação
(%)
Tensão
máxima
58
(Mpa) (Mpa) (Mpa)
A 592,6 12,4 439,4 9,8 -25,9 -21,0
B 469,3 18,1 411,0 15,0 -12,4 -17,1
C 516,8 6,7 422,2 6,1 -18,3 -9,0
D 645,8 6,9 595,8 6,7 -7,7 -2,9
E 578,6 7,1 568,6 6,4 -1,7 -9,9
4.3. RESULTADOS DOS MÉTODOS DE FTA E FMEA
Os métodos de FTA e FMEA foram aplicados para avaliar a confiabilidade
nos processos de montagem das terminações.
4.3.1. MÉTODO FTA
O método de árvore de falhas (FTA) foi aplicado para a análise da
preparação do cabo, na conexão do conector terminal e na preparação para saída
de aterramento, onde estas etapas são comuns a todos os conjuntos cabo-
terminação analisados.
Aplicou-se o método de FTA nestas etapas por este ser um método que
identifica eventos de alto nível causados por eventos de baixo nível, por analisar
falhas múltiplas, ter menos restrições e mais fácil de seguir e identificar influências
externas.
Através do estudo de caso verificou-se que algumas falhas na preparação
do cabo e na inserção do conector terminal podem gerar sobreaquecimento. O
sobreaquecimento implica em degradação e ruptura do isolamento.
A Figura 40 a seguir mostra os detalhes da preparação do cabo e da
inserção do conector terminal. Em seguida é apresentado os resultados da análise
de árvores de falhas para estas etapas de instalação.
59
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
FIGURA 40. (a) REMOÇÃO DA CAPA EXTERNA (b) CORTE DA SEMICONDUTORA PARA INÍCIO DA REMOÇÃO (c) REMOÇÃO DA CAMADA SEMICONDUTORA A QUENTE (d) CABO ISOLADO APÓS A REMOÇÃO DA CAMADA SEMICONDUTORA (e) PROCESSO DE RETIRADA DA ISOLAÇÃO PARA INSERÇÃO DO CONECTOR TERMINAL (f) APLICAÇÃO DO CONECTOR TERMINAL POR COMPRESSÃO.
60
FIGURA 41. MÉTODO DE ÁRVORE DE FALHAS PARA ANÁLISE DE SOBREAQUECIMENTO.
O estudo de caso mostrou também que a preparação para a saída de
aterramento pode apresentar falhas se não seguir alguns critérios específicos,
podendo gerar descargas superficiais entre a cordoalha de aterramento e a cinta-
mola e trilhamento elétrico devido à concentração de tensão elétrica nas bandas
secas formadas pela perda não uniforme da solução da camada condutora.
A Figura 42 a seguir mostra os detalhes da preparação para a saída de
aterramento. Em seguida são apresentados os resultados da análise de árvore de
falhas.
61
(a)
(b)
(c)
(d)
FIGURA 42. (a) APLICAÇÃO DA CINTA-MOLA (b) APLICAÇÃO DE ESTANHO NA CORDOALHA DE ATERRAMENTO (c) CORDOALHA DE ATERRAMENTO SOBRE A CINTA-MOLA. (d) FITA MASTIC SOBRE A CORDOALHA.
62
FIGURA 43. MÉTODO DE FTA PARA ANÁLISE DE DESCARGAS SUPERFICIAIS E
TRILHAMENTO ELÉTRICO.
O último caso analisa o fenômeno das descargas superficiais que podem
ocorrer no conjunto se não houver critérios específicos na instalação. As
descargas superficiais podem levar a perda das propriedades isolantes e a uma
gradual erosão. Para evitar o fenômeno das descargas superficiais é necessário
aplicar uma fita semicondutora entre a camada semicondutora e a isolação do
cabo. Este critério reduz consideravelmente a concentração de campo elétrico na
região compreendida entre a blindagem e a camada semicondutora.
Após a remoção da camada semicondutora a isolação do cabo deve ser
limpa com um pano embebido com solvente. Se este procedimento não for feito
corretamente a isolação pode ser contaminada pelos resíduos contidos na
camada semicondutora e provocar descargas na superfície da isolação do cabo.
A Figura 44 a seguir mostra os detalhes da limpeza da isolação antes da
conexão da mufla e da aplicação da fita semicondutora. A análise de árvore de
falhas é mostrada na sequência.
(a)
(b)
FIGURA 44. (a) LIMPEZA DA ISOLAÇÃO (b) FITA SEMICONDUTORA ENTRE A BLINDAGEM E CAMADA SEMICONDUTORA.
63
FIGURA 45. MÉTODO DE FTA PARA ANÁLISE DE DESCARGAS SUPERFICIAIS.
4.3.2. MÉTODO FMEA
As etapas do processo de instalação das terminações que envolvem a
instalação do isolador polimérico e a proteção externa contra a penetração de
umidade são diferentes dentre as terminações analisadas. Com isso o método de
FMEA foi aplicado com o objetivo de avaliar e detectar as possíveis falhas que
possam ocorrer nas terminações nestas etapas.
64
Aplicou-se o método de FMEA nestas etapas da instalação por este
identificar os modos e efeitos das falhas potenciais de cada processo
isoladamente, por ter uma abrangência maior ao analisar uma falha e por
identificar características críticas do processo além de atribuir índices de
severidade, ocorrência e detecção para determinar a gravidade das falhas
analisadas.
A seguir são apresentados os métodos de FMEA para cada processo de
instalação das terminações poliméricas em análise.
4.3.2.1 Processo A: Instalação de terminações termocontráteis
Nas terminações termocontráteis primeiramente instala-se o tubo
termocontrátil (preto, semicondutor), para controle do campo elétrico. Em seguida
é efetuada a contração utilizando um soprador térmico. Depois é instalado o tubo
termocontrátil vermelho. Este também é contraído com o soprador, conforme
mostra a Figura 46 (b). A montagem das saias é o último passo. Para isso deve
ser observada com cuidado a aderência das saias com o tubo termocontrátil para
evitar que vazios no contato gerem descargas parciais. A Figura 46 demonstra os
detalhes de instalação das terminações termocontráteis e a Tabela 12 mostra a
análise FMEA.
(a)
(b)
65
(c)
(d)
FIGURA 46. (a) TUBO TERMOCONTRÁTIL (PRETO, SEMICONDUTOR) (b) CONTRAÇÃO DO TUBO TERMOCONTRÁTIL COM O SOPRADOR, (c) TUBO TERMOCONTRÁTIL CONTRAÍDO (d) COLOCAÇÃO DAS SAIAS.
TABELA 12. ANÁLISE DE FMEA PARA O PROCESSO A.
4.3.2.2 Processo B: Instalação das terminações contráteis a frio
As terminações contráteis a frio são simplesmente encaixadas nos cabos.
Para isto os fabricantes fornecem tubos com graxa de silicone. A Figura 47 mostra
os detalhes de uma terminação contrátil a frio sendo colocada no cabo. A análise
de FMEA é mostrada na Tabela 13.
.
66
(A)
(b)
FIGURA 47. (a) DETALHES DA INSTALAÇÃO DE TERMINAÇÕES CONTRÁTEIS A FRIO (b) INSTALAÇÃO FINALIZADA.
TABELA 13. ANÁLISE DE FMEA PARA O PROCESSO B.
4.3.2.3 Processo C: Instalação de terminações push-on
As terminações do tipo push-on como dito anteriormente possuem um
cordão plástico localizado na parte interna da terminação que tem por objetivo
contrair o tubo de alívio de campo elétrico no cabo. A Figura 48 demonstra os
detalhes da colocação da mufla no cabo e do puxamento do cordão. A análise de
FMEA é mostrada na Tabela 14.
67
(a) (b)
FIGURA 48. (a) COLOCAÇÃO DA MUFLA (b) PUXAMENTO DO
CORDÃO.
TABELA 14. ANÁLISE DE FMEA PARA O PROCESSO C.
4.3.2.4 Processo D: Instalação de terminações modulares
Nestas terminações devem-se instalar primeiramente o tubo de alívio de
campo elétrico. Para isto o fabricante fornece um tubo com graxa de glicol. Depois
disto instala-se a cobertura de aterramento. A montagem das saias é o último
passo e segue o mesmo procedimento que a colocação da cobertura de
aterramento. A Figura 49 mostra os detalhes da instalação. A análise de FMEA é
mostrada na Tabela 15.
68
(a)
(b)
(C)
FIGURA 49. (A) COLOCAÇÃO DO TUBO TVR, (B) COLOCAÇÃO DA COBERTURA DE ATERRAMENTO, (C) MONTAGEM DAS SAIAS E TERMINAÇÃO FINALIZADA.
TABELA 15. ANÁLISE DE FMEA PARA O PROCESSO D.
4.3.2.5 Processo E: Proteção externa
69
O processo de proteção externa tem como objetivo evitar a penetração de
umidade no conjunto cabo-terminação. A penetração de umidade pode ocasionar
concentração de campo elétrico entre o corpo da terminação e o conector terminal
comprometendo o desempenho do dispositivo. Este processo é comum a todas as
terminações e envolve a aplicação de fita auto-fusão no contato entre a
terminação e conector terminal, conforme mostra a Figura 50. A análise de FMEA
é mostrada na Tabela 16.
FIGURA 50. FITA AUTO-FUSÃO NA REGIÃO PRÓXIMA AO CONECTOR TERMINAL.
TABELA 16. ANÁLISE DE FMEA PARA O PROCESSO E.
5. ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA
A especificação técnica, em ANEXO, foi criada, como trabalho de
engenharia, buscando complementar métodos de avaliação de terminações
poliméricas já existentes. Os ensaios podem ser realizados para avaliar as
70
terminações poliméricas ainda em fábrica, que podem ser exigidos pelos clientes.
Muitos destes ensaios podem ser utilizados em campo para a avaliação da
operação e da degradação das terminações polimérica.
71
6. CONCLUSÕES
Este trabalho teve como objetivo criar uma especificação de terminações
poliméricas de cabos de média tensão utilizados nos sistemas de distribuição de
energia elétrica baseado na revisão bibliográfica e no estudo de caso.
Foram apresentados os principais conceitos que envolvem as terminações
dentre elas os materiais poliméricos utilizados na fabricação, as propriedades dos
materiais dielétricos, os conceitos e princípios de funcionamento do conjunto cabo-
terminação, as técnicas de avaliação dos processos de instalação das muflas para
detecção de possíveis falhas e os ensaios que obtiveram resultados relevantes
quanto ao desempenho das terminações. Foi visto que as terminações B, C, D, E
e F apresentaram bom desempenho nos testes realizados, apresentando pouca
variação dos parâmetros avaliados. Porém, a terminação A reprovou nos ensaios
de névoa salina, capacitância e fator de dissipação e hidrofobicidade.
O ensaio de calorimetria diferencial de varredura mostrou que as
terminações termocontráteis (A e B) possuem comportamento diferente em
relação às terminações a frio (C, D, E e F). As terminações termocontráteis
possuem estrutura cristalina a temperatura ambiente, o que quer dizer que são
menos flexíveis e resistentes ao impacto.
A análise termogravimétrica também mostrou diferenças. As terminações
termocontráteis apresentaram maior perda de massa (saída de plastificantes, óleo
e/ou cadeias pequenas do polímero) e maior quantidade de material inorgânico na
composição.
Outro ensaio que apresentou discrepâncias foi o ensaio de tração e
alongamento na ruptura. As terminações termocontráteis obtiveram maior perda
percentual das propriedades mecânicas. A terminação A apresentou perdas
percentuais de 20%.
O estudo de caso mostrou que as etapas de instalação das muflas devem
seguir alguns critérios específicos para que não ocorram falhas quando estiverem
em funcionamento. Um simples erro na instalação pelo operador pode
comprometer o desempenho das terminações. Os métodos de FMEA e FTA foram
72
capazes de prever as falhas nas etapas dos processos que envolvem a instalação
das terminações, dentre elas a preparação do cabo, a conexão do conector
terminal, a preparação para a saída de aterramento, a conexão do isolador
polimérico e a proteção contra a penetração de umidade. Esses resultados podem
ser utilizados pelas equipes de manutenção e operação de concessionárias de
energia elétrica como auxílio nos processos de instalações de terminações
poliméricas em cabos de média tensão.
O estudo de caso mostrou também que algumas terminações possuem
algumas vantagens em relação às outras. As terminações contráteis a frio são
exemplos, onde podem ser retiradas dos cabos e reaproveitadas quando isso for
necessário, o que não acontece com as outras terminações analisadas, pois
nestas, uma vez feita a instalação não podem ser reutilizadas.
Na especificação foram abordados ensaios conclusivos que permitam a
avaliação de terminações poliméricas de cabos de média tensão. Foram reunidos
os seguintes ensaios elétricos, baseados nas normas e bibliografia:
Ensaio de Névoa Salina;
Ensaio de Hidrofobicidade;
Ensaio de Capacitância e Fator de Dissipação;
Ensaio de identificação dos compostos orgânicos por espectroscopia no
infravermelho (FTIR);
Ensaio de Dureza;
Ensaio de Tração e Alongamento na Ruptura.
Os ensaios térmicos se mostraram conclusivos na análise dos materiais que
constituem as terminações, por isso foram também inclusos os seguintes ensaios:
Ensaio de calorimetria diferencial de varredura (DSC);
Ensaio de termogravimetria (TGA);
Dessa maneira procurou-se estabelecer diferentes procedimentos de
análise e aceitação para a compra de terminações poliméricas utilizadas em cabos
de média tensão. Equipes de concessionárias de energia elétrica podem utilizar
este trabalho como prática ao planejamento e normalização de terminações
poliméricas.
73
Considera-se como um trabalho futuro uma análise de custos ou uma
especificação de custos onde deverá ser feita uma comparação entre terminações
de distintos fabricantes para analisar a quantidade de material que é necessária
para instalar os dispositivos no cabo, a mão de obra e a qualidade dos mesmos,
relacionando esses fatores aos custos finais.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 NAHUILI BRESSAN, B. Desenvolvimento de sistema e metodologia para avaliar a influência da temperatura em medidas de tensão de retorno em cabos isolados em XLPE. Dissertação (mestrado) – PIPE, UFPR, Curitiba, 2006. 2 TEIXEIRA JR., M. D. R. Cabos de Energia. São Paulo: ArtLiber Editora, 2004.
3 FILHO, J. M. Manual de Equipamentos Elétricos. Vol.1, 2ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 1994.
4 BROWN, M. “Compounding of Ethylene-Propylene Polymers for Electrical Applicantions”, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol 10, No 1. 1994. pp. 16-22.
5 TYCO ELECTRONICS. Energy Division. Outdoor Polymer Insulating Material
Considerations.
6 GUY, A.G. Ciência dos materiais. Universidade da Flórida. Flórida, 1976. Tradução de José Roberto G. da Silva.
7 HALL, C. Polymer materials – An introduction for technologists and
scientists. London, 1989.
8 MODERN PLASTICS MAGAZINE. Plastics Handbook. New York: MacGraw-Hill, Inc., 1994, 237 p.
9 ROYO, J. Manual de Tecnologia del Caucho. 2ª Ed., Barcelona: Reclamo Técnico, S.A . 1989, 446p.
10 BUDENBERG, E. R. Especialização em compostos de silicone e fluorelastômeros. Apostila para consulta de curso.
11 NEO ELECTRICAL EQUIPMENT PROPERTIES AND ADVANTAGES OF ELBI SILICONE RUBBER INSULATION. Capturado em fev. 2002. Online. Disponível na internet http://www.neo.co.yu/silicone_rubber.html
2
12 YOSHIMURA, N.; NISHIDA, M; NOTO, F., Influence of the electrolyte on tracking breakdown of organic insulating materials. IEEE Electrical Insulation Magazine, [s.l.], v.16, n.6, p. 510 – 520, dec. 1981.
13 MALIK, N. H.; AL-ARAINY, A. A.; QURESHI, M. I. Electrical Insulation in Power Sistems. Marcel Dekker, Inc. New York, 1998.
14 LAFRAIA, J. R. B. Manual de Confiabilidade, Mantenabilidade e Disponibilidade. Rio de Janeiro: Qualitymark: Petrobrás, 2001.
15 AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D 3418: Standard test method for transition temperatures of polymers by differential scanning calorimetry. 2003.
16 AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E 1640: Standard test method for assignment of the glass transition temperature by dynamic mechanical analysis. 2004.
17 AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E 1252: Standard practice for general techniques for obtaining infrared spectra for qualitative analysis. 1998.
18 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Emendas e terminais para cabos de potência com isolação para tensões de 3,6/6 kV a 27/35 kV. NBR 9314, 2006.
19 HACKAM, R. Outdoor HV Composite Insulators. IEEE TDEI, v. 6, p. 557-585, 1999. 20 HILBORG, H.; GEDDE, U. W. Hydrophobicity Recovery of Polydimethilsiloxane After Exposure to Corona Discharges. Polymer, v. 39, p. 1991-1998, 1998.
21 INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. IEC TS 62073: Guidance on the Measurement of Wettability of Insulator Surfaces. First edition 2003 – 06.
22 TEIXEIRA JÙNIOR, J. A. Determinação do fator de dissipação: Perdas dielétricas. Curitiba: COPEL/LACTEC. Apostila didática.
23 AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D 2240:
Standard Test Method for Rubber Property Durometer Hardness. 1986.
3
24 AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D 638:
Standard Test Method fo Tensile Properties of Plastics. 2002.
4
ANEXO
ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA
APRESENTAÇÃO
Este documento tem por objetivo estabelecer as condições mínimas
exigíveis, para o fornecimento de terminações poliméricas para cabos isolados de
média tensão.
NORMAS E DOCUMENTOS COMPLEMENTARES
Para fins de projeto, seleção de matéria-prima, normas de fabricação,
acabamento, critérios de qualidade e métodos de ensaio, para os dispositivos
fornecidos, esta especificação adota as normas abaixo relacionadas, bem como
as normas nelas citadas onde deverão satisfazer as condições exigidas nesta
Especificação e, nos pontos omissos, as últimas revisões aprovadas das normas
ABNT, IEC, e ASTM.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 9314:
Emendas e terminais para cabos de potência com isolação para tensões de
3,6/6 kV a 27/35 kV . Rio de Janeiro, 2006. 13p;
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. IEC 61442. Test
methods for accessories for power cables with rated voltages from 6 kV (Um =
7,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV). Geneva, 2005. Second edition;
5
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D 3418:
Standard test method for transition temperatures of polymers by differential
scanning calorimetry. 2003;
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E 1640:
Standard test method for assignment of the glass transition temperature by
dynamic mechanical analysis. 2004;
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E 1252:
Standard practice for general techniques for obtaining infrared spectra for
qualitative analysis. 1998;
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D 2240:
Standard Test Method for Rubber Property Durometer Hardness. 1986.
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. IEC TS 62073:
Guidance on the Measurement of Wettability of Insulator Surfaces. First edition
2003 – 06.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D 638:
Standard Test Method fo Tensile Properties of Plastics. 2002.
ENSAIOS
Os métodos de ensaios dos dispositivos deverão estar de acordo com as
normas indicadas em suas últimas revisões aprovadas. As características dos
equipamentos, aparelhos e instrumentos, durante os ensaios, não deverão ser
afetadas com as variações de freqüência, corrente ou tensão dos circuitos que os
alimentam. Todas as correções necessárias deverão ser feitas para satisfazer às
condições padronizadas.
Caso qualquer dos dispositivos falhe ou não satisfaça aos ensaios, o
mesmo será rejeitado, devendo o fornecedor corrigir os defeitos ou falhas
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encontradas e submeter novamente esta unidade a todos os ensaios
especificados.
1. Ensaio de Calorimetria diferencial de varredura (DSC)
Procedimento
O procedimento deste ensaio é dado pela norma ASTM D 3418.
Resultados
A temperatura de transição vítrea (Tg), deve ser menor que temperatura
máxima de operação do dispositivo.
2. Ensaio de termogravimetria (TGA)
Procedimento
O procedimento deste ensaio é dado pela norma ASTM E 1640-94.
Resultados
Os compósitos que constituem as terminações poliméricas são
determinados no ensaio de termogravimetria para garantir o controle da expansão
térmica associada as demais solicitações térmicas, elétricas e mecânicas.
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3. Identificação dos compostos orgânicos por espectroscopia
no infravermelho (FTIR)
Procedimento
O procedimento deste ensaio é dado pela norma ASTM E 1252.
Resultados
O polímero presente na terminação, identificado pelo ensaio, deve ser
adequada a tecnologia empregada pelo fabricante. Não deve estar presente na
composição das terminações materiais contaminantes, como hidrocarbonetos
alifáticos, componente típico de óleos lubrificantes. As amostras devem retiradas
em diferentes pontos da amostra.
4. Ensaio de Névoa Salina
Procedimento
O procedimento deste ensaio é dado pela norma ABNT NBR 9314.
Resultados
Considera-se que o acessório é aprovado no ensaio de névoa salina se nas
aplicações de tensão, não ocorrer descargas completa ao longo do comprimento
do terminal, em mais de uma aplicação, e não houver perfuração do dielétrico. As
ocorrências e os valores das descargas externas devem estar registrados no
relatório de ensaio, assim como a condição dos terminais, particularmente
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qualquer trilhamento ou erosão após o término do ensaio. Fotografias coloridas
devem ser utilizadas para mostrar claramente as condições e sinais de descargas
na superfície do isolador.
5. Ensaio de Hidrofobicidade
Procedimento
O procedimento deste ensaio é descrito pela norma IEC TS 62073 ou
através do uso da escala de hidrofobicidade do padrão STRI.
Resultados
Devem ser comparadas fotografias coloridas tiradas da superfície das
terminações secas e molhadas através da escala de hidrofobicidade fornecida no
padrão STRI ou através do comparativo de molhabilidade do método C descrito na
norma IEC TS 62073.
6. Ensaio de Capacitância e Fator de Dissipação
Procedimento
Aplica-se tensão (fase-terra) no conjunto cabo-terminação em degraus de 4
kV, iniciando em 4 kV e terminando em 36 kV. Para cada patamar de tensão
registra-se os valores de capacitância (em pF) e fator de dissipação (em %). Estas
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medidas são realizadas com as terminações secas e umedecidas. O
umedecimento das terminações deve ser realizado com um borrifador.
Para efetuar as medições as terminações devem ser montadas em cabos
de mesmo comprimento e mesma bitola.
Resultados
Comparam-se as variações da capacitância e do fator de dissipação nas
terminações secas e umidecidas. As terminações que apresentarem pouca
variação dos parâmetros analisados estarão aprovadas no ensaio.
7. Ensaio de Dureza
Procedimento
O procedimento deste ensaio é dado pela norma ASTM D 2240.
Resultados
Os resultados do ensaio de dureza obtidos devem ser comparados com a
especificação de dureza dos materiais que constituem as terminações em análise.
8. Ensaio de Tração e Alongamento na Ruptura
Procedimento
O procedimento deste ensaio é dado pela norma ASTM D 638.
Resultados
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Os resultados do ensaio de tração e alongamento na ruptura obtidos devem
ser comparados com a especificação da variação percentual da elongação e
tensão máxima dos materiais que constituem as terminações em análise.
