Condutores Elétricos e Gradiente de Tensão

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Condutores Elétricos e Gradiente de Tensão
Filipe M. Brassac
Resumo- O presente documento apresenta uma breve explanação sobre o efeito pelicular de uma maneira intuitiva, utilizando de conceitos comuns, porém sem apresentar comprovação matemática da teoria apresentada. Apresentar-se-á ainda
informações sobre a necessidade de corretas terminações em
cabos de média e alta tensões.
Palavras-chave—Condutores elétricos; Efeito Pelicular;
Skin effect; Muflas terminais; Isolantes.
no tempo e, portanto não há interação entre eles.
A Figura 1 ilustra o comportamento e a interação entre os
campos elétrico e magnético, bem como o sentido da corrente J num dado momento, em um certo condutor cilíndrico.
Quanto maior a freqüência da onda, maior será a concentração da corrente na superfície. Além disto, a resistência
elétrica do condutor, suas dimensões e forma geométrica
também influenciam na distribuição da mesma.
B. Isolantes
I. INTRODUÇÃO
Um tópico pouco discutido nas cadeiras de Engenharia
Elétrica é o Efeito Pelicular. Este trabalho irá explicar este
efeito, também conhecido como Efeito Kelvin ou Skin Effect,
em um condutor cilíndrico. Como este documento objetiva a
compreensão acadêmica, o autor optou por omitir a comprovação matemática, que pode ser encontrada no trabalho indicado nas referências bibliográficas. Será tratada a necessidade de corretas terminações em cabos de média e alta tensões,
para evitar-se danos à isolação. Além disto, será discutido
brevemente sobre problemas de qualidade no material utilizado para isolação em cabos, como bolhas ou elementos
estranhos.
Conforme já foi exposto, o isolamento separa o condutor
(alta tensão) da blindagem (zero-volt). Teremos portanto um
gradiente de tensão com valor máximo na superfície do condutor e mínimo no exterior do isolante.
II. DISCUSSÃO SOBRE CONDUTORES ELÉTRICOS
A. Efeito Pelicular
Quando aplicamos uma corrente constante a um condutor
elétrico, esta irá se distribuir uniformemente por todo o diâmetro do mesmo. Agora, se a fonte fornecer uma tensão senoidal, de uma dada freqüência f, teremos uma maior densidade de corrente na região superficial do condutor. Este fenômeno é o Efeito Pelicular.
Isto ocorre pois a corrente circulando no condutor, com
um sentido J, gera um campo
magnético B por indução.
Este, por sua vez, cria um
campo elétrico E. Dada a orientação do campo elétrico,
ele irá reduzir a intensidade
da corrente no centro do
condutor e aumentar na superfície, causando o Skin
Effect.
Em corrente contínua este
fenômeno não ocorre, já que
não já variação dos campos
Figura 1
Figura 2. Distribuição das linhas de campo
O isolante deve ser escolhido de maneira a suportar o máximo gradiente de tensão ao qual ele estará submetido (em
kV/mm), porém alguns problemas de qualidade na produção
do material podem surgir.
Uma bolha no isolamento pode apresentar um enorme risco, pois sua rigidez dielétrica é inferior à do isolante. Como
explanado anteriormente, o gradiente de tensão depende do
raio, e a bolha estará exposta ao mesmo gradiente de tensão
que o isolamento – e ela não poderá suporta-lo.
Ocorrerá uma chamada descarga parcial, que levará à formação de O3 dentro da bolha, pois ela é formada por gases
atmosféricos.
Em um segundo momento, com o calor e somado aos gases presentes, surgirá ácido nítrico (HNO3): a isolação irá se
deteriorar até chegar à ruptura.
C. Terminações
Para explicar a necessidade da utilização de terminações, é
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importante primeiro ilustrar como é formado um cabo de média ou alta tensão.
ção está exemplificada na figura 5.
No interior ele possui os condutores, envoltos por uma
camada semicondutora que torna as linhas equipotenciais
circulares. Após isto, temos a isolação e finalmente a blindagem eletrostática. Esta montagem está exemplificada na Figu-
Figura 5. Deflexão das linhas de campo com termocontráteis
III. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ra 3.
Figura 3. Cabo de média e alta tensões
Desta forma, temos que a isolação separa a tensão do
cabo do zero-volt
Quando um cabo é secionado para uma emenda ou junção,
com o corte da blindagem do mesmo, ocorre que as linhas de
campo convergem para a extremidade da blindagem. É necessário então, reduzir o gradiente de tensão, pois de outra
forma teremos vários milhares de volts separados por alguns
milímetros de ar. O ar normalmente está contaminado por
resíduos que farão que um arco de fogo se forme, danificando a isolação.
Uma maneira de se fazer isto, é utilizando um cone de deflexão: ele consiste basicamente no aumento da espessura da
isolação, à partir da blindagem eletrostática até determinado
ponto da extremidade do cabo.
Figura 4. Exemplo de cone de Deflexão
Outra opção disponível é a utilização de materiais termocontráteis, para distribuir melhor o campo elétrico. O resultado obtido é semelhante ao das muflas terminais e sua aplica-
[1] R. Robert, "On the Skin Effect" Revista Brasileira de Ensino de
Física, vol. 22, pp. 285-289, Junho. 2000.
[2] J. Mamede Filho, Manual de Equipamentos Elétricos, vol. I. Rio
de Janeiro: LTC Livros Técnicos e Científicos S.A, 1994, cap. 3
[3] E. M. Rezende, Materiais Usados em Eletrotécnica, vol. único,
Rio de Janeiro: Livraria Interciência Ltda., 1977, cap. 14.
[4] BOYLESTAD R. L., Introdução à Análise de Circuitos, Prentice-Hall do Brasil Ltda, Rio de Janeiro (1998), p.389.