a arborescência em sólidos dielétricos analisada como um

A ARBORESCÊNCIA EM SÓLIDOS DIELÉTRICOS
ANALISADA COMO UM TÍPICO CASO DE DIFUSÃO.
José Wilson C. Carvalho *
* Depto. de Pesquisa e Desenvolvimento da Dow Brasil S.A.-Rua Alexandre Dumas, 1671- São Paulo, 04717-903, S.P.
[email protected]
The treeing in dielectrics solids analyzed as a typical diffusion case.
The treeing in dielectric solid materials, especially in power cables insulation, is appointed as the responsible
phenomenon for the main electrical fails source. The diffusion is the main responsible process for the growth and
development of defects in dielectric materials used as insulation materials in power cables.
This paper presents the diffusion process as the root cause of the development and growth of the treeing in power
cables. As the main aspect of the treeing development is the presence of the electrical field and the water, all means of
avoiding water in the insulation must be done during the cable making. The use of retardant agent of treeing in the
insulation products is being pointed as the better way to enlarge the power cable life.
Introdução
Polímeros têm sido utilizados de maneira intensiva
desde a descoberta do baquelite em 1908 por Leo H.
Baekeland(1). Os polietilenos apresentam-se como um
dos polímeros mais utilizados na produção de cabos de
energia. Deve-se notar que o desenvolvimento do
polietileno de baixa densidade (PEBD), deveu-se a sua
utilização direcionada para a fabricação de cabos para
radares, tornando-se desta forma o primeiro polímero a
ser utilizado como material isolante em aplicações
elétricas(2). Na década de 60 o polietileno foi utilizado
como isolante em cabos de energia em instalações
subterrâneas, sendo 75°C sua temperatura máxima de
utilização, dado ao seu caráter termoplástico. Ainda na
década de 60, surge o polietileno de baixa densidade
reticulado
(XLPE)
utilizado
como
isolante,
apresentando como vantagem uma maior temperatura
de operação, 90°C, permitindo desta forma um melhor
desempenho dos cabos de energia.
Na década de 70 é descoberto o fenômeno da
arborescência, surgindo novos materiais como o
polietileno de alto peso molecular, agora com a adição
de agente específico retardante à arborescência
(PEAPM RA). Na década de 90 é observado o
aprimoramento dos compostos de polietileno utilizados
como semicondutores na produção de cabos de energia,
associado ao problema de minimizar o fenômeno da
arborescência. Esta década marcou o início da
utilização do XLPE contendo agente retardante a
arborêscencia como material isolante (XLPE RA),
representando um grande avanço no processo do
aumento da vida útil dos cabos de energia. É da época
de 90 também o desenvolvimento de capas utilizando
polietileno de baixa densidade linear (PEBDL) que
mostrou significativa melhoria no aumento da vida útil dos
cabos pela redução da permeabilidade da umidade nos
cabos de energia. Recentemente podemos citar o
desenvolvimento
dos
compostos
semicondutores
superlisos, como responsáveis pela minimização da
nucleação das arborescências(2).
Envelhecimento
O envelhecimento de um dielétrico é a variação do
comportamento de suas propriedades ao longo do tempo,
através da mudança irreversível no desempenho dos
sistemas de isolação, e por um índice de falha que
aumenta com o tempo. Entre os fatores principais
reconhecidos como causadores do envelhecimento e
deterioração de um dielétrico podemos citar as solicitações
de natureza, térmica, elétrica e condições ambientais como
umidade, e a presença de contaminantes ou vazios no
material isolante. Os processos de envelhecimento de
fundamental importância no desempenho de materiais são:
o envelhecimento físico e o químico.
O envelhecimento físico é usualmente descrito em termos
de aumento no volume livre. O volume livre é a diferença
entre o volume ocupado pelo polímero líquido ou amorfo
a uma determinada temperatura, e o volume que o mesmo
ocuparia no zero absoluto. O volume livre aumenta
proporcionalmente com a temperatura, em função do
aumento da amplitude das oscilações não harmônicas dos
átomos e moléculas do sistema, com a formação de
microvazios.
A ruptura dielétrica pode ser influenciada pelo movimento
de portadores de carga nos vazios do material, oriundos do
volume livre. Essas microcavidades podem ser geradas em
1352
situações nas quais os isolantes são expostos a uma
elevação de temperatura com a consequente fusão de
pequenas e imperfeitas lamelas cristalinas seguidas de
resfriamento posterior, possibilitando o aparecimento
de processos de recristalização e a redução nas
dimensões das lamelas. No caso do polietileno,
temperaturas da ordem de 90°C podem acelerar a
produção destas microcavidades. O envelhecimento
químico usualmente é o resultado da formação de
radicais livres. Tais radicais são quimicamente reativos
e levam à propagação da quebra das cadeias, bem
como da reticulação. O início do processo de
envelhecimento químico pode ter origem térmica,
oxidativa, pela absorção de radiação ultravioleta ou
ionizante, bem como de natureza mecânica.
Reações de origem térmica são originadas pela
dissipação do calor através da passagem da corrente
elétrica pelo condutor, pelo efeito Joule. A oxidação
pode ocorrer pela reação de subprodutos do processo
de polimerização, como catalisadores e íons metálicos.
Reações de foto-oxidação ocorrem em maior
intensidade pela ação da radiação ultravioleta sobre as
cadeias poliméricas expostas à luz solar, bem como
pela ação de radiações ionizantes como os raios x e γ,
que induzem a rápida degradação nos polímeros. O
envelhecimento gerado por origem mecânica tem como
causa o processamento, pela contínua quebra de
cadeias do polímero. Este mecanismo representa um
importante fator no qual a geração de volumes livres e
quebra de cadeia podem ser interligados para contribuir
com a degradação polimérica. A hidrólise, na qual
ocorre a geração de íons hidrogênio ou hidroxilas,
produzidos pela dissociação da água, também se
apresenta como outro tipo de causa do envelhecimento
químico.
Apesar das degradações física e química ocorrerem na
ausência de campo elétrico, estas podem ser aceleradas
sob seu efeito. As formas mais severas de degradação
são de origem elétrica, dentre as quais destacam-se as
descargas parciais e as arborescências. A degradação
associada ao processo de envelhecimento é
denominada de baixo nível, pois as tensões elétricas
necessárias para que se desenvolvam são várias ordens
de magnitude inferiores à tensão de ruptura do
material.
Arborescência
Dentre os mecanismos de envelhecimento sob ação do
campo elétrico, destaca-se a arborescência como um
dos principais causadores de defeitos em materiais
poliméricos utilizados como isolantes. O termo é
aplicado ao problema causado em um dielétrico
submetido a uma solicitação elétrica. O aspecto
resultante assemelha-se a forma de uma árvore, daí a
associação do nome arborescência.
Este defeito reduz consideravelmente a rigidez ou
suportabilidade do material conduzindo à ruptura
dielétrica. O fenômeno ocorre em todos os polímeros
sendo sua visualização muitas vezes mascarada pela
presença de cargas nos compostos isolantes que
impedem a sua visualização, como no caso das
borrachas, como as de etileno propileno (EPR)
utilizadas como isolantes. Em dielétricos sólidos a
arborescência é reconhecida como sendo o principal
mecanismo de falha elétrica(2). Na figura 1 é mostrado o
aspecto de uma arborescência observada no isolamento de
um cabo de energia.
Figura 1 – Arborescência em dielétrico polimérico.(2)
O grau de suportabilidade do dielétrico à ruptura pode ser
fortemente afetado pela presença de arborescências que
são classificadas em dois tipos: Arborescência Elétrica e
Arborescência de Água.
A arborescência elétrica tem sua origem em um ponto de
solicitação elétrica elevada e divergente, e progride no
dielétrico seco através do crescimento motivado por
descargas parciais. Este fenômeno foi descoberto em 1912
por E. H. Rayner, que relatou em sua investigação sobre a
ruptura dielétrica na presença de descargas parciais. A
propagação da arborescência elétrica se faz geralmente no
sentido do campo. Os tempos de propagação são curtos,
variando de alguns segundos a dezenas de minutos. O
desenvolvimento da arborescência elétrica é, via de regra,
acompanhada de descargas parciais mensuráveis. Sua
presença é caracterizada pela geração de gás e fenômenos
de luminiscência.
A arborescência de água, por sua vez cresce no dielétrico
sob a ação de um campo elétrico na presença de umidade,
entretanto, sem apresentar descargas detectáveis. Pode ter
origem nos vazios e imperfeições do polímero onde o
campo elétrico não é homogêneo. A arborescência de água
tem esta denominação em função da presença ativa da
água no processo de degradação. Sua descoberta foi
reportada em 1969 por Miyashita(3) que observou o
fenômeno em enrolamento de motores submersos.
Publicações posteriores reportaram a ocorrência do
fenômeno em cabos isolados em PEBD bem como no
XLPE. Distintas das arborescências elétricas que
apresentam canais, as arborescências de água são difusas,
e tendem a desaparecer quando o material é submetido à
secagem, porém ressurgem na presença de umidade. Isso
sugere que são formadas por pequenos canais ao longo dos
quais a água penetra sob a influência do campo elétrico. O
material exposto a uma solicitação elétrica e água, tende a
sofrer degradação, fadiga ou fissuras, podendo desta forma
dar origem a uma arborescência de água. A nucleação
pode ser causada por um vazio, a presença de
contaminantes, ou no caso mais comum, pela presença de
protuberâncias na interface da isolação com a
semicondutora interna nos cabos de energia.
Considerando que as arborescências constituem um meio
dielétrico de maior permissividade que o material base,
Anais do 8o Congresso Brasileiro de Polímeros
1353
seu aparecimento muda a distribuição local do campo
elétrico, e este campo no ponto do defeito pode ser
aumentado conduzindo à ruptura dielétrica. O risco
depende do teor de água e das dimensões das
arborescências de água. Quanto maior o teor de água
maior a permissividade, portanto maior o risco. O
fenômeno é considerado por Miyashita(3) e Xu(4), como
um dos principais problemas dos cabos isolados.
Ainda não foi encontrado um consenso a respeito da
morfologia das arborescências de água, mas, dois
modelos podem ser apresentados. O primeiro considera
que as mesmas são formadas por canais contínuos,
enquanto o outro modelo é visto como constituído por
uma alta densidade de microvazios não conectados
conforme proposição apresentada por Moreau (5), ou no
caso de Nicholls(6) que apresenta a ocorrência
simultânea dos dois modelos.
As arborescências de água podem apresentar-se como
sendo do tipo Gravata Borboleta ou do tipo Leque. As
primeiras ocorrem no interior do dielétrico enquanto
que o tipo Leque aparece na interface, semicondutora
interna e isolação. Apesar do intenso estudo sobre o
fenômeno, não existe uma explicação consistente sobre
a formação e desenvolvimento da arborescência(4-15).
Acredita-se que vários processos aconteçam em
paralelo: difusão da água, supersaturação, oxidação,
migração de íons sob a ação de campo elétrico e forças
eletromecânicas(4).
Parece haver um consenso entre a maioria dos
pesquisadores de que a arborescência de água não
obedece a um único mecanismo, mas a uma complexa
combinação entre deles, e os vários processos que a
envolvem ocorram antes e durante seu crescimento(3).
O domínio relativo de um processo sobre o outro
depende da morfologia do material(7). Shaw(8) defende
que os mecanismos de controle podem ser de caráter
químico, elétrico ou mecânico.
Estudos comprovaram que as arborescências de água
propagam-se em maior intensidade no polietileno
quando comparado ao polietileno reticulado(9). O
conteúdo de sais dissolvidos na água também pode ter
efeito sobre o crescimento das arborescências de água,
pois a presença de íons na água tende a aumentá-las.
Quanto ao aspecto elétrico, o mecanismo de
dieletroforese(10) é considerado como um fator muito
importante na geração e crescimento da arborescência.
Neste mecanismo um pequeno corpo de maior
permissividade que o meio a sua volta, como uma
gotícula de água num dielétrico, apresenta um dipolo
induzido e é atraída no sentido da maior intensidade do
campo. No aspecto eletromecânico a eletroosmose é
também um mecanismo a ser considerado, pois os íons
solvatados são deslocados para o interior ou exterior de
um dielétrico sob a ação de um campo alternado.
Espécies de cargas opostas formam um par iônico em
algum ponto do material. O par iônico requer menos
água de solvatação que os íons liberando moléculas de
água que difundem e podem causar deformações
estruturais locais.
Sob o aspecto térmico, a aplicação de um campo
intenso sobre o material dielétrico gera calor pelo
efeito Joule, que pode agir sobre a água presente nos
vazios do polímero e que ao vaporizar-se forma
microfissuras devido à alta pressão do vapor gerado. O
crescimento da arborescência de água é fortemente
influenciado pelas propriedades mecânicas e pela estrutura
morfológica dos materiais isolantes. Estas propriedades
são fatores decisivos na resposta do polímero à penetração
da água e, por consequência, à propagação das
arborescências. Como as arborescências influenciam na
extensão e grau do dano mecânico são também fatores
determinantes da rigidez dielétrica da isolação.
Dentre os modelos que procuram explicar o aparecimento
e o crescimento das arborescências, destaca-se o modelo
KEMA(14) que atribui o fenômeno a três causas que podem
atuar de modo isolado ou simultâneo, a saber: a oxidação;
a quebra de cadeias e a difusão de íons.
Os polímeros assim como todos os compostos orgânicos
são vulneráveis a oxidação. A degradação motivada pela
oxidação é provocada pela ação do oxigênio presente na
atmosfera bem como outras fontes oxidantes. A reação
pode originar-se por processo físico, como a radiação
ultravioleta ou ionizante, calor, ultra-som, tratamento
mecânico ou por fatores químicos. A reação de oxidação é
normalmente iniciada por hidroperóxidos incorporados
durante a síntese ou processamento do material. O
fenômeno da degradação do polímero ocorre mais
rapidamente quanto maior a temperatura, sendo o calor o
agente de deterioração do material tanto na presença como
na ausência do oxigênio. Mesmo o polietileno que é
praticamente inerte a temperaturas moderadas na ausência
de luz, reage de forma relativamente rápida na presença de
oxigênio.
A hipótese de que a oxidação é agente causador da
arborescência de água é defendida por vários autores
inclusive por Henkel(12) que sugere que a formação de
hidroperóxidos conduz a uma decomposição do polímero
que é acelerada na presença de íons metálicos. Desta
forma foi constatado um elevado índice de oxidação em
regiões de arborescência em cabos isolados de 5 kV com
seis a oito anos em serviço.
Quanto à quebra de cadeias, muitas teorias têm em comum
de que o fenômeno gera uma estrutura mais aberta. Tais
teorias tem sido confirmadas por técnicas como a
microscopia ótica de transmissão de elétrons e por
infravermelho. A presença de grupos carboxílicos como
produtos de oxidação denotam a ocorrência de quebra de
cadeias.
O modelo KEMA sugere uma hipótese para o crescimento
das arborescências que incorpora efeitos eletrofísico e
eletroquímico. Determina que a difusão de água ou de íons
nas arborescências, sob o efeito de um campo elétrico,
aumenta a permissividade local bem como a
condutividade iônica. Quando o campo é aumentado, o
efeito eletrofísico também o é, tornando-se predominante.
As reações eletroquímicas, por sua vez tendem a ocorrer
na interface das arborescências com o isolante. O campo
elétrico pode induzir a formação de radicais e carga
espacial nas cadeias poliméricas. A presença de água, que
usualmente contém espécies reativas e catalíticas, conduz
à formação de grupos hidrofílicos, tais como carboxilados
que podem provocar quebra de cadeias. Danos mecânicos
como a quebra de cadeias, podem provocar o aumento das
dimensões dos canais assim como a permeabilidade. O
Anais do 8o Congresso Brasileiro de Polímeros
1354
modelo além de destacar a oxidação, a quebra de
cadeias e a difusão de íons como processos geradores
de arborescência de água, procura interrelacioná-los. A
difusão de íons e de água, na presença de um campo
elétrico, pode ser altamente influenciada pela oxidação
e pela quebra de cadeias. No sentido inverso se a
difusão é aumentada, a oxidação pode acontecer mais
rapidamente colaborando com a formação da
arborescência. Em estudo com polietileno foi mostrado
que a rigidez dielétrica do XLPE é reduzida com o
aumento do envelhecimento e que a concentração de
íons tem influência direta no crescimento das
arborescências.(16).
Ruptura Dielétrica
A condutividade residual em materiais isolantes tem
como causa mais frequente a presença impurezas, as
quais propiciam a geração de portadores de carga em
forma de íons ou elétrons. Em campos elétricos
elevados, os portadores podem ser injetados para
dentro do material isolante pelos elétrons, como sugere
o mecanismo de injeção de Schttky ou ainda gerados
por diversos mecanismos internos como o efeito PooleFrenkel produzindo um aumento de corrente muito
mais rápido que o previsto na Lei de Ohm, conduzindo
a uma dissipação de calor com possível falha do
material isolante, fenômeno este conhecido como
ruptura do dielétrico.
Nos sólidos, a ruptura dielétrica é irreversível e causa a
destruição do material. É normalmente provocada pela
ação simultânea de um conjunto de fatores integrados,
porém via de regra, o último estágio da falha elétrica
de um isolamento polimérico é de natureza térmica. O
termo é usado para descrever processos nos quais um
considerável aumento da corrente resulta de uma
pequena variação da tensão elétrica.
Difusão
Difusão é o processo de transporte de uma substância
em um determinado meio, provocado pela migração
termicamente ativada que podem incluir átomos, íons,
moléculas, segmentos de cadeias poliméricas e
macromoléculas. Os aspectos, macro e microscópico
são afetados pela estrutura molecular da matriz
polimérica.
As equações fundamentais de difusão foram
apresentadas por Fick em 1855, que percebeu a
analogia existente entre transferência de massa e
transferência de calor. Em 1936, Eyring propôs uma
teoria de difusão em sólidos envolvendo um estado
ativado de transição. A teoria de Eyring conhecida
como Teoria das Velocidades Absolutas, assume que a
migração de uma partícula consiste de uma série de
movimentos ou saltos de uma posição, caracterizada
por uma energia livre mínima, para outra. Barrer, em
1937, propôs a Teoria do Volume Livre, baseada no
aparecimento de microvazios capazes de acomodar
uma partícula que se difunde, desde que o sistema
possua um volume livre que, por sua vez, seja
continuamente redistribuído em função do movimento
térmico das partículas(14). Na teoria de Barrer a
molécula difundida move-se para sucessivas posições
de equilíbrio quando absorve uma quantidade suficiente de
energia, ou seja, as moléculas difundidas devem adquirir
energia para transpor sucessivamente as barreiras de
potencial existentes entre as suas posições (14).
A teoria matemática da difusão em uma substância
isotrópica está baseada na hipótese de que a taxa de
transferência de uma substância que difunde através de
uma área de uma determinada seção, é proporcional ao
gradiente de concentração medido, na normal à referida
seção, a saber(14):
→
F = − D(
∂C
∂C ˆ ∂C ˆ
î+
j+
k)
∂x
∂y
∂z
(1.1)
Onde:
r
F é o vetor que mede a taxa de transferência da
substância por unidade de área da seção;
C é a concentração da substância que se difunde;
D é o coeficiente de difusão.
Considerando o princípio da conservação da massa, é
possível escrever:
∂Fx ∂Fy ∂Fz ∂C
+
+
+
=0
∂x
∂y
∂z
∂t
(1.2)
a partir das equações 1.1 e 1.2 obtém-se:
∂C ∂
∂C
∂
∂C
∂
∂C
= (D ) + (D ) + (D )
∂t ∂x ∂x ∂y
∂z
∂y ∂z
(1.3)
As equações (1.1) e (1.3) são usualmente denominadas
Primeira e Segunda Leis de Difusão de Fick.
Frequentemente a difusão ocorre efetivamente em apenas
uma direção.
Neste caso a equação (1.3) se reduz a:
∂C ∂
∂C
= (D
)
∂t ∂x
∂x
(1.4)
A solução desta equação para condições de contorno
apropriadas, com coeficiente de difusão constante, permite
obter a quantidade Qt de uma substância que se difunde
através do filme, no intervalo de tempo t, através de:
Qt Dt 1 2
=
− −
lC l 2 6 π 2
(−1) n
exp(− Dn 2π 2 t / l 2 ) (1.5)
∑
2
n =1 n
∞
Onde:
l é a espessura do filme,
C é a concentração da substância que se difunde,
D é o coeficiente de difusão, e
n um número inteiro.
Se o intervalo de tempo t for muito grande, os termos
exponenciais da equação (1.5) tornam-se desprezíveis,
assim a equação (1.5) se reduz a:
Qt =
DC
l2
(t −
)
l
6D
(1.6)
A temperatura no processo de difusão assume um papel
importante, seu efeito foi mostrado primeiro por Barrer em
Anais do 8o Congresso Brasileiro de Polímeros
1355
1937(14). O coeficiente de difusão depende da
temperatura segundo uma função de Arrhenius:
D = D0 exp(− E D / RT )
(1.7)
Onde,
Do é um fator pré-exponencial,
ED a energia de ativação para o processo de difusão,
R a constante dos gases,
T a temperatura expressa em Kelvin.
A energia de ativação é a medida da energia
despendida contra as forças de interação do polímero
na formação de canais através dos quais a difusão
acontece.
Grau de Cristalinidade e Difusão
Os íons movem-se mais facilmente na fase amorfa que
na cristalina devido ao efeito do volume livre(15).
Algumas experiências mostram que a difusão ocorre
preferencialmente nas regiões dos contornos entre as
fases amorfa e cristalina. As lamelas, cristalitos,
esferuritas, e demais estruturas ordenadas presentes na
fase cristalina dos polímeros são impermeáveis aos
componentes da difusão e normalmente, a redução da
difusão é relacionada com o aumento do grau de
cristalinidade do polímero(16).
Os defeitos cristalinos, no entanto, podem constituir
um elemento importante de difusão, e segundo Vieth(17)
o mecanismo de difusão nesses defeitos é análogo ao
observado na difusão de gases em poros muito
pequenos, sendo que a difusão através desses defeitos é
mais fácil que na fase amorfa quando relacionado ao
número de defeitos cristalinos nesta fase, como
mostrado na figura 2.
arborescências. O modelo que mostra que um campo
elétrico modifica a migração de íons em um dielétrico e o
mecanismo que descreve a penetração de íons em
polímeros, foi relatado por vários pesquisadores, enquanto
Pöhler(18) determinou a difusão de íons através da camada
semicondutora interna em cabos isolados com polietileno
como um dos agentes formadores das arborescências.
No caso dos cabos isolados por polietileno ocorre o
crescimento da arborescência na presença em alta
concentração de íons na semicondutora interna. Trabalhos
experimentais de Pélissou(13) demonstraram que a
concentração de íons provenientes de uma solução de
cloreto de sódio promove o crescimento das
arborescências de maneira muito rápida, procedimento
este que é utilizado atualmente no método de crescimento
acelerado das arborescências em testes de laboratório onde
se deseja determinar a resistência dos materiais ao
crescimento das arborescências, conforme ASTM D 6097.
A análise das equação 1.5 nos permite observar que a
difusão é dependente de propriedades como o tempo, a
temperatura, e a concentração de íons presentes. Da
mesma forma podemos analisar a correlação destes
parâmetros no desenvolvimento das arborescências,
mostrando sua inter-relação ao processo de difusão. Desta
forma o tempo, a temperatura e a concentração de íons são
parâmetros diretamente relacionados ao crescimento das
arborescências. Na figura 3 é mostrado o efeito do tempo
no crescimento das arborescências, enquanto na figura 4
mostra o efeito da temperatura no crescimento das
arborescências. Notar que o XLPE contendo retardante a
arborescência é apresentado nos gráficos com a notação
XLPE RA
Tamanho da Arborescência (mm)
Defeito na Lamela
Fase
Amorfa
Lamela
O Papel da Difusão de Íons nas Arborescências de
Água
O papel da difusão de íons no mecanismo de
crescimento das arborescências foi estudado por vários
pesquisadores(18-19). Os trabalhos apresentados tratam
do fenômeno da arborescência de uma forma geral e
dedicam-se parcialmente ao estudo da difusão,
incluindo a difusão de íons como um dos fatores que
afetam a penetração de água no polietileno.
Resultados apresentados por Shaw(8) sugeriram um
mecanismo com avaliação microscópica das
arborescências, tendo em conta a penetração de íons
solvatados sob a influência de um campo elétrico.
Consideravam a difusão de íons como um dos
mecanismos de formação e propagação de
XLPE
XLPE RA
0
30
60
90
120
180
dias
30 dias; 5 kV, 1.0 M NaCl, temp Ambiente, ASTM D-6097
Figura 3 – Efeito do tempo no crescimento da arborescência(20).
0.9
0.8
Tamanhoda Arborescência (mm)
Figura 2 – Caminho preferencial da difusão através de defeitos
cristalinos.(17)
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.7
0.6
XLPE RA 40C
XLPE RA 65C
XLPE 40 C
XLPE 65 C
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
dias
0
30
60
90
120
Figura 4 – Efeito da temperatura no crescimento da arborescência(20).
Anais do 8o Congresso Brasileiro de Polímeros
1356
Tamanho da Arborescência (mm)
Na figura 5 é apresentada a influência da concentração
de íons presentes no crescimento das arborescências.
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.01 M NaCl
1.0 M NaCl
XLPE
XLPE RA
30 dias; 5 kV, 1.0 M NaCl, temp Ambiente, ASTM D-6097
utilizando como auxiliar ao processo de reticulação, o
vapor d’água e nitrogênio bem como a presença de
material contendo o agente retardante à arborescência,
como ilustrado na figura 7.
De forma marcante pode ser observado na figura 8 que a
presença do agente retardante nos materiais para
isolamento para cabos de energia, promove uma redução
considerável no tamanho das arborescências. Observa-se
que os materiais com retardante de arborescência
apresentam valores cerca de quatro vezes menores que o
tamanho das arborescências colaborando de forma
definitiva para o aumento da vida útil dos cabos de
energia.
XLPE-Padrão
1.209+0.047 mm
Figura 5 – Efeito da concentração de íons no crescimento da
arborescência(20).
XLPE RA
0.254 + 0.055 mm
Como fator complementar que colabora no
desenvolvimento e crescimento da arborescência
podemos citar a intensidade do campo elétrico, como
mostrado na figura 6.
TamanhodaArborescência (mm)
ASTM D6097-00 at 1.0 M NaCl
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Figura 8 – Efeito do agente retardante no crescimento das
Arborescências(2).
1 kV
5 kV
XLPE
RA-XLPE
30 dias; 5 kV, 1.0 M NaCl, temp Ambiente, ASTM D-6097
Figura 6 –
Efeito da intensidade do campo elétrico no
crescimento da arborescência(20).
Podemos ainda associar a dependência do
desenvolvimento da arborescência em relação aos tipos
de processos de produção dos cabos de energia como
apresentado na figura 7.
XLPE – Cura com Vapor
XLPE – Cura com N2
XLPE RA – Cura com N2
Figura 7 – Tamanho das arborescências em função do processo de
fabricação(2).
A presença de arborescências de maior tamanho pode
ser notada em materiais produzidos por processos de
reticulação via úmida, como no processo de cura a
vapor mostrado na figura 7, onde a presença da água
devido a esta característica do processo durante a
fabricação do cabo promove o desenvolvimento
prematuro do fenômeno devido à retenção de água
durante o processo. Este fato pode ser facilmente
observado nos resultados dos testes de crescimento
acelerado realizados em laboratório, comparando-se
cabos produzidos por processos de reticulação contínua
Conclusão
Pelos aspectos apresentados podemos colocar que o
fenômeno da arborescência tem uma ligação íntima com o
processo de difusão e desta forma todos os parâmetros que
afetam o processo de difusão também de maneira direta
afetarão o crescimento da arborescência. Desta forma a
temperatura, a presença de contaminantes como íons e
resíduos de catalisadores, a própria estrutura do polímero
base tem enorme significado no processo, mas de maneira
marcante a presença da água tem um caráter fundamental
no desenvolvimento da arborescência. Visto que a
arborescência é um processo de ocorrência comum a todos
a todos os polímeros, que o elétrico é uma presença
constante nos cabos energizados, associado à presença da
água normalmente encontrada nos materiais de
isolamento, em função dos ambientes de instalação dos
cabos elétricos, geralmente subterrâneos, nos resta como
única medida para a restrição do crescimento das
arborescências, a utilização de materiais isolantes que
contenham o agente retardante à arborescência que
representa o fator preponderante no aumento da vida útil
dos cabos de energia. A utilização de materiais para
isolamento de cabos de energia contendo agente retardante
de arborescência permite aumentar a vida dos cabos de
energia de uma vida média útil atual de 20 a 25 anos para
40 anos(2) fazendo com que a utilização racional de
materiais atualmente disponíveis possam melhorar o
desempenho e a segurança da distribuição da energia
elétrica.
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