Relatório

Realizado por: Paulo Alexandre de Lemos Coelho
Nº 10503012
Ano: 2002 / 2003
Email: [email protected]
INDICE
1.
2.
3.
4.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.4.1.
4.4.2.
4.4.3.
4.4.4.
4.4.4.
4.5.
4.5.1.
4.5.2.
4.5.3.
4.5.4.
4.6.
5.
5.1.
5.2.
5.3.
5.3.1.
5.3.2.
5.3.3.
5.3.4.
5.3.5.
5.3.6.
5.3.7.
5.4.
5.5.
5.6.
6.
6.1.
6.1.1.
6.1.2.
6.2.
6.3.
Introdução..................................................................................................... 4
Agradecimentos ............................................................................................ 5
Apresentação do grupo EFACEC................................................................. 6
Meios dieléctricos....................................................................................... 19
Considerações gerais .................................................................................. 19
Classificação dos meios isolantes............................................................... 21
Concepção do isolamento........................................................................... 22
Princípios base para efectuar a coordenação de isolamento....................... 22
Coordenação de isolamento........................................................................ 22
Condições dieléctricas e outros factores que afectem o isolamento........... 23
Níveis de isolamento normalizado ............................................................. 24
Condições gerais de ensaio......................................................................... 25
Distâncias no ar entre partes condutoras sob tensão e estruturas ligadas à
terra............................................................................................................ 25
Concepção de dieléctricos .......................................................................... 26
Estudo electromagnético ............................................................................ 26
Regras básicas para a concepção de dieléctricos........................................ 26
Critérios de concepção dos dieléctricos ..................................................... 27
Descargas parciais ...................................................................................... 27
Dieléctricos mais utilizados na Indústria Eléctrica de média tensão.......... 28
Análise comparativa dos meios gasosos isolantes gasosos actualmente mais
utilizados (Ar, Ar sintético, Azoto, SF6) ................................................... 30
Ar ................................................................................................................ 30
Azoto (N2) .................................................................................................. 31
Hexafluoreto de Enxofre (SF6) ................................................................... 32
Comportamento dieléctrico do isolamento no SF6 ..................................... 32
Considerações gerais .................................................................................. 33
A molécula de SF6 ...................................................................................... 33
Propriedades dieléctricas do SF6 ................................................................ 34
Corte no SF6 ............................................................................................... 35
Comportamento do SF6 perante o arco eléctrico ........................................ 39
Considerações ambientais do SF6 ............................................................... 40
Ar sintético ................................................................................................. 42
Propriedades eléctricas dos dieléctricos em estudo, comparação entre os
diversos dieléctricos .................................................................................. 43
Alteração das propriedades dos dieléctricos com a variação da pressão.... 44
Proposta de protótipo para ensaio laboratorial de dieléctricos ................... 51
Forma de onda ............................................................................................ 51
Definição das condições dieléctricas.......................................................... 53
Influência da forma de onda da tensão de choque...................................... 53
Influência da geometria dos eléctrodos ...................................................... 54
Influência das condições ambientais .......................................................... 55
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
2 / 79
6.4.
6.5.
6.6.
6.7.
7.
7.1.
7.2.
7.3.
7.4.
7.5.
7.6.
8.
9.
10.
Distribuição do campo eléctrico ................................................................. 56
Disrupção dieléctrica .................................................................................. 57
Comportamento do campo eléctrico........................................................... 59
Protótipo ..................................................................................................... 63
Ensaio Laboratorial..................................................................................... 64
Principio de funcionamento do gerador ..................................................... 65
Procedimento .............................................................................................. 68
Característica das formas de onda aplicadas .............................................. 69
Condições ambientais do ensaio................................................................. 69
Ensaio utilizando o ar atmosférico como dieléctrico.................................. 70
Ensaio com a cuba fechada e cheia de ar sintético ..................................... 71
Conclusões.................................................................................................. 76
Nota final .................................................................................................... 78
Bibliografia................................................................................................. 79
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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1. Introdução
O presente trabalho “Alternativas ao gás SF6 como meio de isolamento na aparelhagem
de Média Tensão”, que se insere na pesquisa da empresa visando o cumprimento do protocolo
de Kyoto, tem como objectivo permitir ao aluno o contacto com a pesquisa e inovação em
termos de tecnologias de isolamento e corte no domínio da aparelhagem de média tensão, após
um conhecimento sólido das tecnologias actuais.
Para tal realizou-se uma análise comparativa das propriedades eléctricas dos meios isolantes
gasosos actualmente mais utilizados (SF6, azoto, ar e ar sintético) e retirou-se algumas
considerações sobre a alteração das suas propriedades com a variação da pressão.
O trabalho foi realizado na empresa EFACEC-AMT, S.A., no departamento de I&D e
recorrendo ao laboratório de média tensão do mesmo.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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2. Agradecimentos
Neste espaço gostaria de deixar os meus agradecimentos aos que tornaram possível a sua
realização.
Ao Prf. Dr. António Machado e Moura, Professor Catedrático da Faculdade de Engenharia
da Universidade do Porto pelo seu interesse e disponibilidade em aceder ao meu pedido de
supervisionar o estágio.
Ao Sr. Eng. Rui Cardoso director da EFACEC AMT, S.A. por me ter possibilitado a
realização deste estágio.
Ao Eng. Miguel Carvalho responsável pelo departamento I&D da EFACEC AMT, S.A.,
pelo apoio dado, conhecimentos transmitidos e a disponibilidade com que acolheu as minhas
interpelações.
Ao Sr. Manuel Martins responsável pelo laboratório da EFACEC AMT S.A. pela
colaboração prestada na elaboração dos ensaios.
Tratou-se de uma experiência enriquecedora, que possibilitou: o meu contacto com o
mercado de trabalho, o conhecimento das realidades de uma empresa de referência no mercado
e proporcionou-me um desenvolvimento de competências técnicas e pessoais.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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3. Apresentação do grupo EFACEC
¾ Síntese histórica do grupo EFACEC
Com mais de meio século de actividade a EFACEC surgiu da ELECTRO-MODERNA, um
pequeno fabricante de motores e uma das mais antigas empresas no sector do material eléctrico.
A sociedade foi constituída a 12 de Agosto de 1948, tendo na sua génese o Eng.º. António Ricca
Gonçalves, Director da ELECTRO-MODERNA.
O Eng.º. António Ricca preconizava então a criação de uma empresa sólida,
financeiramente e tecnicamente capaz de se impor no mercado nacional e de concorrer em pé de
igualdade, com a concorrência externa. A ELECTRO-MODERNA associa-se então aos ACEC,
Ateliers de Construtions Electrique de Charleroi, à CUF – Companhia União Fabril, e ainda a
um grupo de pequenos accionistas. A então denominada EFME, EFA em 1949, e, finalmente,
EFACEC a partir de 1962, inicia um processo de apetrechamento tecnológico e humano que
culmina na inauguração, em 23 de Junho de 1951, das instalações fabris da Arroteia, Leça do
Balio. Inicialmente dedicada à produção de motores eléctricos, a EFACEC dá, a partir de 1957,
os primeiros passos na afirmação da sua capacidade tecnológica e industrial ao decidir dedicarse também à produção de transformadores. Devido ao crescimento das encomendas neste sector,
a empresa consolida-se e ultrapassa as crises económicas conjunturais que, ciclicamente,
abalaram o sensível tecido industrial português.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Em 1959, a EFACEC redefine a sua estrutura societária e estabelece, de novo, um período
de crescimento. Incorpora neste período a SOPREL e a INEL, aumentando a sua capacidade
industrial nas áreas de Aparelhagem Eléctrica de Alta e Média Tensão, e introduzindo nas suas
actividades a produção de elevadores e montacargas. Com estas operações a EFACEC passa a
constituir
a
maior
sociedade
portuguesa
no
campo
da
electrotecnia.
É ainda nesta altura que a EFACEC inicia o fabrico dos grandes transformadores de potência do
tipo SHELL, entrando deste modo no mais restrito “clube” dos fabricantes mundiais deste
equipamento.
Entre 1966 e 1973, vê crescer 2,5 vezes a área fabril e 6 vezes o volume de encomendas.
Perante este crescimento e expansão, as acções da EFACEC são admitidas, em 1969, no
mercado de valores de Lisboa. Quando, em 1973, comemora 25 anos de existência, a EFACEC
é uma empresa conceituada e solidamente implantada no mercado nacional, protagonizando nos
anos seguintes, novos desenvolvimentos.
Nesse mesmo ano adquire uma posição maioritária na JORRO, empresa produtora de
bombas hidráulicas (incorporada definitivamente em 1979). Procede à ampliação das
instalações fabris de produção de transformadores de medida e de grande potência, e aumenta
consideravelmente as instalações da fábrica de motores da Maia.
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Nos anos de 1976 e 1977, dá-se início à actividade na área dos Sistemas de Tracção. A
primeira encomenda surge logo em 1977 e dizia respeito a vários motores de tracção de 500 cv,
destinados a locomotivas Diesel-Eléctricas.
Neste último ano assiste-se à entrega do 1º transformador trifásico de 420 kV, 315 MVA,
com 450 toneladas de peso (a maior unidade trifásica construída em Portugal).
Em 1980, é adquirida a quase totalidade das acções da RABOR, providenciando-se a
constituição de uma unidade de produção de motores eléctricos à escala europeia.
Com a saída em 1987 do sócio maioritário, os ACEC, a EFACEC inicia um novo período
na história da empresa, e os anos oitenta vão representar um momento fundamental na
redefinição das suas grandes opções estratégicas.
O investimento na modernização dos meios de produção, na concepção de produtos e no
desenvolvimento de novas tecnologias permitiram manter a liderança da EFACEC nas várias
actividades em que está envolvida.
No final da década de oitenta, assiste-se à implementação de uma estratégia de
internacionalização. Numa primeira fase, criou-se uma estrutura de agentes, delegações e filiais,
sustentando-se, desse modo, o rápido crescimento das exportações, consubstanciado nos
sectores dos motores eléctricos e transformadores (70% do volume de exportações).
A primeira metade da década de 90 representou para a EFACEC a aposta nos mercados
externos. A compreensão das características da globalização levou a um constante investimento
na internacionalização. Contudo, num mercado global, a internacionalização de uma empresa
não se limita a uma política de desenvolvimento das suas exportações. Cada vez mais há que ser
capaz de se aproximar do cliente com produtos específicos que satisfaçam os requisitos de cada
mercado. Para acomodar os produtos e sistemas às necessidades dos clientes e garantir serviços
pós venda adequados, há que encontrar parceiros locais capazes de, com incorporação local,
aplicar o “know how” da EFACEC (tecnológico, management e qualidade). Especialmente na
área dos sistemas estas alianças são essenciais. Em Junho de 1990, criaram-se as primeiras
empresas afiliadas detidas em 100% pelo grupo EFACEC. As filializações introduziram uma
forte racionalização das funções e dos objectivos que caracterizaram cada uma das actividades.
Acrescentaram também uma agressividade comercial e um maior rigor e disciplina de gestão,
factores decisivos para as empresas que, tal como as empresas do GRUPO EFACEC, têm hoje
uma forte expressão.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Em 1997 a EFACEC entra numa nova fase de internacionalização, da qual uma etapa
fundamental é o início de laboração da LIAOYANG EFACEC Electrical Equipment, Co. Ltd,
joint-venture na China para o fabrico de Transformadores de Potência e de Distribuição. Outras
joint-ventures com empresas locais localizadas noutras zonas do globo são constituídas.
Ainda em 1997, a EFACEC entra definitivamente no mercado das telecomunicações,
através da constituição da ENT – Empresa Nacional de Telecomunicações, maioritariamente
detida pela EFACEC (51%). A velocidade com que se tem assistido à globalização dos
mercados está directamente ligada aos grandes avanços nas comunicações. No passado dizia-se:
“o segredo é a alma do negócio”. Hoje, no mercado global, com os meios de comunicação
disponíveis, os segredos circulam muito rapidamente. Para além da tradicional necessidade de
credibilidade, flexibilidade e capacidade de inovação, a verdadeira alma do negócio
internacional baseia-se na velocidade de resposta adequada. Para dar resposta rápida e adequada
às várias solicitações recebidas dos mais diversos mercados com normas próprias, culturas
diversas, moedas diferentes, as empresas vêem-se obrigadas a dispor não só de recursos
humanos altamente qualificados, abertos e fluentes em línguas estrangeiras, como também de
sofisticados meios técnicos e financeiros.
No final de 1999 foram aprovados os princípios orientadores de uma nova estratégia para o
Grupo EFACEC, a qual visa o reforço e a consolidação da competitividade, através da
reorganização em três áreas de negócio (EAS - Engenharia, Ambiente e Serviços; EN - Energia;
AMT - Aparelhagem de Média Tensão, TLE - Telecomunicações, Logística e Electrónica).
Cada uma das novas áreas de negócio passa a ter uma estrutura orgânica e responsáveis
próprios, sendo orientadas para as necessidades globais dos clientes de forma a optimizar as
sinergias do Grupo, permitindo a passagem para uma lógica de sistemas e soluções integradas e
diferenciadoras, por oposição a uma lógica de produto. Esta estratégia deverá permitir ainda o
reforço da coesão e dos processos internos e o desenvolvimento de uma cultura assente na
satisfação das necessidades do cliente, da melhoria contínua e no envolvimento criativo dos
colaboradores do Grupo EFACEC.
[www.efacec.pt]
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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¾ Estrutura e rede internacional
Figura 1: Organização da empresa
Figura 2: Rede internacional
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¾ Produtos e instalações
Figura 3: Pólo Industrial da Arroteia, Transformadores de Potência, Transformadores de Distribuição,
Aparelhagem de Alta Tensão, Subestações Móveis, Aparelhagem de Média Tensão
Nota: Tendo o campo de estágio do presente trabalho sido circunscrito à EFACE – AMT
“Aparelhagem de Média Tensão”, apresento em seguida uma breve descrição da mesma.
A divisão da EFACEC de Aparelhagem de Média Tensão apresenta, desde 1950, uma
grande experiência no fabrico de disjuntores, seccionadores, quadros eléctricos e outros
produtos para redes de média tensão.
As instalações fabris situam-se a cerca de 5 km do centro do Porto, integradas num dos
pólos industriais da EFACEC, a Arroteia. Estão equipadas com os mais modernos meios de
produção e gestão integrada por computador, pelo que são consideradas das mais modernas da
Europa no seu ramo.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Figura 4: Aspecto do interior da empresa
Uma fábrica moderna equipada com linhas de produção flexíveis, uma criteriosa selecção
de matérias-primas, aliada a um Sistema de Garantia de Qualidade NP EN ISO 9001, garantem
que os produtos satisfazem as normas aplicáveis e as especificações técnicas mais exigentes (ver
figura 6).
Estes produtos são o fruto de anos de experiência e o resultado de elevados investimentos
nas mais avançadas tecnologias em meios de engenharia, concepção e ensaios.
Meios Técnicos:
•
CAD -Desenho tridimensional assistido por computador
•
CIM -Fabrico integrado por computador
•
CAE -Análise de campos eléctricos e magnéticos;
•
CAE -Análise mecânica de movimentos e estruturas;
•
Linha de produção de chaparia de alta precisão e grande capacidade;
•
•
Linha de produção automática de injecção de peças em resina epóxida
(método de gelificação rápida);
Laboratório de ensaios de Média Tensão.
Gama de produtos:
•
Disjuntores de vácuo e SF6;
•
Quadros de distribuição modular;
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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•
Quadros extraíveis isolados a ar;
•
Quadros isolados a SF6
Figura 5: Aspecto de uma das salas de trabalho onde se utiliza o
desenho tridimensional assistido por computador como ferramenta de trabalho.
Aparelhagem
Disjuntor de Vácuo DIVAC
Até 24 kV
Até 3150 A
Até 40 kA
Disjunto de SF6 DIFLU
Até 36 kV
Até 2500 A
Até 25 kA
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Interruptores-seccionadores em SF6 IATS
Até 36 kV
Até 630 A
Até 16 kA
Interruptor-seccionador ISP e seccionador SE
Até 36 kV
Até 630 A
Até 16 kA
Quadros blindados para distribuição primária
Quadro blindado extraível NORMACEL, com disjuntor de
vácuo
Até 17.5 kV / 24 kV
Até 2500 A / 2000 A
Até 40 kA / 25 kA
NORMACEL Cassette, compartimento com disjuntor de
vácuo extraível e seccionador de terra
Até 17.5 kV / 24 kV
Até 2500 A / 2000 A
Até 40 kA / 25 kA
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Quadro blindado extraível QBN4, com disjuntor de vácuo
Até 12 kV / 15 kV
Até 2000 A
Até 25 kA
Quadro blindado extraível QBN7, com disjuntor de SF6
Até 36 kV
Até 2000 A
Até 25 kA
Quadros modulares e compactos para a
distribuição secundária
Quadro modular NORMAFIX
Até 24 kV / 36 kV
Até 1250 A / 630 A
Até 25 kA / 16 kA
Quadro compacto FLUOFIX GC, com isolamento em SF6
Até 24 kV
Até 630 A
Até 25 kA
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Quadro compacto extensível FLUOFIX GC.M, com
isolamento em SF6
Até 24 kV
Até 630 A
Até 25 kA
Quadro compacto FLUOFIX GC.T, para exterior e com
isolamento em SF6
Até 24 kV
Até 630 A
Até 25 kA
Centros de Transformação
Posto de transformação compacto para exterior com invólucro
em aço inox PUC
Até 24 kV
Até 1000 kVA
Posto de transformação compacto para exterior com invólucro
em betão PUCBET
Até 24 kV / 36 kV
Até 1600 kVA / 630 kVA
Posto de transformação compacto em bastidor PUB
Até 24 kV
Até 630 kVA
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Unidade compacta de transformação para exterior TPS com
FLUOFIX GC.T
¾ Tecnologia e qualidade: conceito chave
Para o fabrico dos produtos e a realização das instalações e sistemas, o Grupo EFACEC
dispõe de equipas técnicas qualificadas e emprega as mais modernas tecnologias resultantes, na
sua maioria, de desenvolvimento próprio.
A Qualidade, isto é, a totalidade das características de um produto ou serviço que
determinam a sua aptidão para satisfazer as necessidades explícitas ou implícitas, tem hoje em
dia, uma importância incontestável no mundo dos negócios. Cada vez mais as empresas
reconhecem esta realidade e o que ela representa para a sua competitividade em mercados cada
vez mais exigentes.
A melhoria da qualidade, sob a forma de eliminação das falhas do produto, ou ainda da
eliminação de desperdícios, é também cada vez mais um meio importante de melhorar a
produtividade.
O mercado é algo móvel que exige das empresas uma contínua revisão dos seus produtos,
de modo a ajustá-los a novas exigências e expectativas, para assim satisfazer as necessidades
dos clientes.
Essa contínua revisão e melhoramento dos produtos, só é possível através do planeamento e
implementação da Qualidade dos produtos.
Os meios de produção são objecto de aperfeiçoamento permanente com introdução de
técnicas actualizadas como, por exemplo, a utilização de sistemas CAD/CAM em ambiente
CIM.
Sendo a qualificação dos trabalhadores um factor determinante na qualidade dos produtos, o
Grupo EFACEC, através dos seus Serviços de Formação Profissional, facilita aos seus
trabalhadores, de todos escalões hierárquicos, os meios de actualizarem os seus conhecimentos
realizando os seus conhecimentos realizando acções de formação de diversos tipos.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Tendo como objectivo número um a satisfação dos seus clientes, a EFACEC adoptou uma
estratégia baseada numa política QUALIDADE TOTAL.
Todas as áreas de actividade possuem departamentos de Garantia de Qualidade dispondo de
meios humanos e técnicos (nomeadamente diversos laboratórios) necessários ao controlo de
qualidade em todas as fases de realização das instalações e sistemas e do fabrico dos produtos,
desde a aquisição das matérias-primas até aos ensaios finais, com observância das normas e
procedimentos dos respectivos sistemas de qualidade.
Os diversos Sistemas de Garantia de Qualidade são objecto de auditorias e homologações
por entidades qualificadas, nomeadamente pela Lloyd's Register of Shiping – London – e pela
APCER.
Figura 6: Certificados de qualidade
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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4. Meios dieléctricos
4.1. Considerações gerais
Designa-se por dieléctrico qualquer substância que não seja condutora, poderemos então
considerar como sinónimos as palavras isolante e dieléctrico. Estes têm como função realizar a
oposição ao campo eléctrico, ou modificar o campo eléctrico. Nos dieléctricos não existem
electrões livres de condução, isto é, todos os electrões estão ligados aos átomos ou ás moléculas
do dieléctrico. Existem dois tipos de moléculas: as moléculas apolares, nas quais a nuvem de
electrões e os núcleos positivos têm o seu centro de massa no mesmo ponto, e moléculas
polares, em que os centros de massa das cargas positivas e negativas não coincidem, o que faz
com que a molécula seja um pequeno dipolo eléctrico. Nos dieléctricos formados por moléculas
polares, quando não existe nenhum campo eléctrico externo, os pequenos dipolos encontram-se
orientados aleatoriamente, pelo que não se observa qualquer efeito de separação de cargas a
nível macroscópico. Quando se introduz um campo eléctrico, os dipolos moleculares orientamse no sentido oposto ao campo e o corpo comporta-se como um grande dipolo eléctrico. No caso
de serem materiais constituídos por moléculas apolares, o campo externo polariza as moléculas
no sentido oposto, produzindo também o mesmo efeito de um dipolo macroscópico, mas de
menor intensidade do que no caso de moléculas polares.
Se o campo eléctrico for muito forte, poderá acontecer que a separação entre electrões e
núcleos seja muito grande, podendo mesmo libertar-se alguns electrões, deixando as respectivas
moléculas ionizadas. Este fenómeno constitui uma ruptura do dieléctrico, o que faz com que
apareçam cargas livres transformando o dieléctrico num condutor; todavia, as cargas livres
desaparecem rapidamente devido à acção do campo.
Um exemplo típico de ruptura de um dieléctrico é um raio. As tempestades dão-se quando
existem campos intensos entre as nuvens e os objectos na superfície da Terra. O ar é um
dieléctrico que não permite a passagem de cargas entre as nuvens e os objectos. Quando o
campo fica muito intenso, dá-se uma ruptura de algumas moléculas do ar e uma descarga
eléctrica brusca ocorre. Se o dieléctrico fosse um sólido, a ruptura deixaria fissuras na matéria.
Cada dieléctrico é caracterizado por um valor máximo de campo eléctrico que pode suportar
sem ruptura, a que se denomina rigidez dieléctrica – campo eléctrico máximo que um
dieléctrico pode suportar sem perder as suas qualidades de isolador.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Os dieléctricos empregues na indústria do sector eléctrico deverão possuir propriedades
físicas e químicas desejáveis de maneira a serem compatíveis com outros materiais aplicados no
sistema e aceites quer a nível económico quer a nível ambiental. Desta forma a indústria do
sector eléctrico permite efectuar uma exploração de forma mais eficiente, mais económica, mais
robusta, mais segura assegurando o respeito pelo ambiente.
Os dieléctricos são escolhidos de acordo com as propriedades mais adequadas para a função
que vão desempenhar e para as condições de trabalho e de ambiente em que são inseridos. Dado
que, a sua função principal é realizar o isolamento de partes activas e por conseguinte o
isolamento de sistemas eléctricos de energia, é necessário considerar alguns factores que
influenciam a escolha dos isolantes.
Os mecanismos de ruptura dieléctrica são extremamente complexos, eles dependem da
forma de onda da tensão aplicada (principalmente da velocidade de crescimento e amplitude) e
da natureza dos isolantes (ar, gás, dieléctrico sólido ou líquido).
Na prática, a ruptura dieléctrica distingue-se pelo Arco eléctrico - quando a disrupção tem
lugar num gás que separa dois eléctrodos metálicos.
A figura seguinte mostra o desenvolvimento de um arco eléctrico (ao choque):
Figura 7: Fotografias sucessivas da descarga que se desenvolve num intervalo ponta-plano, submetido a
um a tensão de choque com um valor máximo de 1,8MV.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Portanto, define-se como nível de isolamento de um aparelho eléctrico como sendo a sua
aptidão de suportar a tensão de impulso ao choque correspondente ao nível de tensão nominal
definida para o aparelho. Estes valores são definidos normativamente para cada tipo do produto
pelas normas internacionais CEI. Assim, por exemplo, para um interruptor de tensão nominal de
24 kV, o nível de isolamento para a tensão de choque correspondente será de 125 kV.
4.2. Classificação dos meios isolantes
Os meios isolantes dividem-se em sólidos, líquidos e gasosos.
Estes são em geral constituídos por Resina epóxica, Ar, Óleo, pelo muito utilizado SF6,
(câmaras de corte de disjuntores, postes blindados herméticos, entre outros...) e mais
recentemente por Azoto ou Ar Sintético.
Uma maneira mais adequada de distinguir os diferentes tipos de meios isolantes consiste em
os classificar.
Os isolantes podem ser classificados em:
-
Meios isolantes autoregeneráveis;
-
Meios isolantes não-autoregeneráveis;
Distinção entre ambos os isolantes em função do seu comportamento no decurso de um
ensaio dieléctrico:
-
Um isolamento autoregenerável: isolantes líquidos e gasosos, não vêem as suas
qualidades isolantes perdidas ou modificadas na sequência de uma descarga
disruptiva durante um ensaio dieléctrico.
-
Nos isolantes não-autoregeneráveis: isolantes sólidos, uma descarga disruptiva
destroi as suas propriedades isolantes e um grande numero de choques à tensão
nominal pode provocar uma deterioração gradual do seu isolamento, sendo por esta
razão que os isolamentos não-autoregeneráveis são ensaiados por aplicação de um
numero limitado de choques.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Então, os primeiros podem ser novamente colocados sob tensão após a ocorrência de uma
ruptura dieléctrica á qual foram submetidos, sem deterioração. Quanto aos segundos, estes
necessitam de uma intervenção que imobilize por um indeterminado tempo o aparelho em
causa, o qual pode mesmo ser levado definitivamente a fora de uso.
4.3.
Concepção do isolamento
Para um inventário prático e completo é necessário encontrar um método de classificações.
As condições dieléctricas são essencialmente definidas por três parâmetros, a saber: a sua
amplitude, a sua forma, e a sua frequência de aparição do espectro. Podemos defini-los segundo
outros critérios, como o tipo de sistema sobre o qual elas aparecerão ou o tipo de acontecimento
que elas provocam, ou ainda o lugar da sua aparição.
Permitem mais facilmente encontrar as equivalências entre as diversas condições
dieléctricas sobre os sistemas físicos independentes.
Geralmente classifica-se as condições segundo a sua forma principal, os seus níveis e as
suas frequências de visibilidade.
Procede-se geralmente ao estudo das condições em três categorias:
- Regime a 50Hz, compreendem regimes permanentes e regimes temporários à
frequência fundamental;
- Sobretensões de manobra;
- Sobretensões ao choque.
4.4.
Princípios base para efectuar a coordenação de isolamento
4.4.1. Coordenação de isolamento
A coordenação de isolamento engloba a selecção do valor do dieléctrico dos materiais e a
sua colocação no trabalho, em função das tensões que podem aparecer no sistema, ao qual os
materiais são destinados tendo em conta as características dos dispositivos de protecção
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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disponíveis. Pretende-se, então reduzir para um nível aceitável do ponto de vista económico e
também de exploração, a probabilidade que as condições dieléctricas resultantes impostas aos
materiais causam danos nos isolamentos dos materiais ou afectem a continuidade de serviço.
4.4.2. Condições dieléctricas e outros factores que afectem o
isolamento
As condições dos dieléctricos sobre os isolantes podem ser classificadas da seguinte forma:
-
Tensões à frequência industrial, dentro das condições normais
de exploração;
-
Sobretensões temporárias:
- Defeitos à terra;
- Variações bruscas de carga;
- Fenómenos de ressonância e ferroressonância;
-
Sobretensões de manobra:
- Ligação e religação de uma linha;
- Defeitos e extinção de defeitos;
- Corte de correntes capacitivas ou indutivas;
- Perda de uma carga;
- Cortes de arco;
- Sobretensões de choque;
As sobretensões são classificadas segundo a forma de onda de tensão, forma essa que
determina os efeitos sobre os isolantes.
O comportamento do isolamento depende da distribuição geométrica do campo e do tipo do
dieléctrico.
Para uma dada condição dieléctrica, o comportamento do isolamento interno pode ser
influenciado pelo seu grau de envelhecimento.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
23 / 79
A gama de tensões aplicadas aos materiais situam-se entre os valores normalizados de
tensões entre 1KV a 52KV, ou seja, onde se encontram os valores normalizados das tensões na
gama de Média Tensão 12KV;17,5KV;24KV e 36KV.
Consideram-se os seguintes ensaios dieléctricos:
-
Ensaios à frequência industrial de curta duração (1min);
-
Ensaios à frequência industrial de longa duração;
-
Ensaios aos choques de manobra;
-
Ensaios aos choques de arco eléctrico;
No comportamento à tensão de serviço, sobretensões temporárias e sobretensões de
manobra verifica-se, no caso geral, por um ensaio à frequência industrial de curta duração.
O comportamento com sobretensões do arco eléctrico verifica-se para um ensaio de choque
do arco eléctrico.
O envelhecimento do isolamento interno afectam o comportamento à tensão de serviço,
assim como as sobretensões necessitam geralmente de ensaios de longa duração à frequência
industrial.
No momento em que, o isolante empregue é um gás, a temperatura e pressão, parâmetros da
modificação da densidade do gás irão alterar as performances do isolamento. Ou seja, as
condições ambiente influenciam o comportamento do gás isolante.
A necessidade de estudos completos de sobretensões do sistema, deste modo a necessidade
da realização de ensaios, exigem a aplicação de um grande número de choques, o que limita na
prática a utilização do método estatístico.
Com a aplicação do método convencional a tensão de ensaio ao choque correspondente
deve ser escolhida de entre os valores normalizados.
4.4.3. Níveis de isolamento normalizado
Em seguida é visualizada a tabela dos níveis de isolamento normalizado:
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Un - Tensão nominal (valor
eficaz)
Tensão nominal ao choque de
arco eléctrico
(valor máximo)
Tensão nominal de curta
duração à frequência
industrial (valor eficaz)
12kV
17,5kV
24kV
36kV
75kV
95kV
125kV
170kV
28kV
38kV
50kV
70kV
4.4.4.
Condições gerais de ensaio
O propósito dos ensaios indicados é de verificar que cada material respeita as tensões
nominais que determinam o seu nível de isolamento.
Para cada tipo de ensaio e cada tipo de material, a comissão de estudos da CEI trata da
técnica de ensaios em alta tensão, ou a comissão competente de aparelhos para esse material
deve especificar os métodos de detecção e falhas de isolamento e os critérios que permitam
afirmar que ele tem ou não uma falha de isolamento durante os ensaios.
Dentro do possível, os ensaios devem ser realizados de acordo com as normas.
4.4.4.
Distâncias no ar entre partes condutoras sob tensão e
estruturas ligadas à terra
Os valores das distâncias no ar dadas na tabela seguinte são valores mínimos determinados
pela consideração das propriedades dieléctricas, no entanto, não têm em consideração os
aumentos que poderão ser necessários devido às tolerâncias de construção, efeitos de curtocircuito, entre outros…
Tensão nominal aos choques de arco
eléctrico(kV)
Distância no Ar mínima
Fase-Massa (mm)
75
95
125
170
120
160
220
320
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
25 / 79
4.5.
Concepção de dieléctricos
4.5.1. Estudo electromagnético
O estudo electromagnético tem como objectivo essencial determinar o campo eléctrico e
avaliar o comportamento das linhas equipotenciais nos dieléctricos dos sistemas eléctricos de
energia e seus interfaces.
Deste modo a geometria apresenta um papel preponderante de forma a que o campo
eléctrico não ultrapasse os valores limite aceitáveis para os diferentes tipos de dieléctricos,
sólidos, líquidos e gasosos.
4.5.2. Regras básicas para a concepção de dieléctricos
Reduzir os valores máximos do campo eléctrico em particular nos pontos triplos
- Eléctrodo – isolante sólido – gás;
Optimização das dimensões
- Distâncias entre fases;
- Distâncias entre fase-massa;
Escolher linhas de fuga suficientes;
Assegurar-se que em ambientes muito húmidos/poluídos não se produz envelhecimento
rápido dos materiais isolantes (descargas parciais);
Evitar a retenção de humidade/água, escolhendo a forma adequada da peça isolante;
Evitar que as juntas de vedação estejam submetidas a campos eléctricos elevados;
Verificar que os isolantes não estão em contacto com corpos metálicos com temperaturas de
funcionamento em regime permanente superiores às admissíveis para estes materiais, evitandose assim o envelhecimento precoce.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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4.5.3. Critérios de concepção dos dieléctricos
Condutores totalmente “inseridos” em dieléctricos
Nesta situação o critério de concepção do dieléctrico é fornecido directamente pelas
características dieléctricas do material isolante. A característica mais importante é a rigidez
dieléctrica, dado que, esta verifica se o campo eléctrico aplicado é inferior ao máximo
admissível para o material em questão.
Condutores isolados ao Ar
Nesta outra situação o critério a adoptar é o respeito pelo nível de tensão de ensaio ao
choque. Em seguida são amostrados os valores referência não limitativos, isto é, poderão ser
consideradas distâncias mais pequenas com a introdução de técnicas de controlo do campo
eléctrico e deflexão do mesmo.
Un – tensão nominal
(kV)
Distância mínima
fase-massa (mm)
12
17.5
24
36
120
160
220
320
4.5.4. Descargas parciais
Estas descargas geradas pelos campos eléctricos têm um especial interesse nos critérios de
concepção dos dieléctricos dado que avaliam as descargas na medida em que estas prejudicam
ou não a vida dos isolantes:
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Isolantes gasosos (efeito coroa)
As descargas parciais nos gases são denominadas vulgarmente, por efeito de coroa,
distinguem-se então duas situações distintas:
Isolamentos a Ar
O efeito de coroa é admissível até algumas centenas de pC;
Isolamentos a SF6
O efeito de coroa deverá ser inferior a 1pC, dado que este efeito é prejudicial na medida em
que provoca a decomposição do SF6;
4.6.
Dieléctricos mais utilizados na Indústria Eléctrica de média
tensão
É indispensável tomar consciência da natureza multidisciplinar de diversos estudos e
ensaios que conduzem um determinado construtor à adopção definitiva de um dieléctrico. A sua
realização necessita de conhecimentos em electricidade, mas também química e estática. Esses
trabalhos poderão levar vários anos. Numerosas experiências são igualmente necessárias a fim
de avaliar a duração de vida do novo material.
Estima-se que o recente progresso no uso de isolantes na indústria eléctrica, deve-se
essencialmente a três motivos:
– Dimensionar da melhor forma possível o isolamento dos materiais eléctricos; ou seja,
optimizar o isolamento de forma a reduzir os custos inerentes;
– Manter a taxa de defeito dos isolantes abaixo dos valores aceitáveis pelos utilizadores;
– Desenvolver novos isolantes de forma a permitir a construção de novos materiais isolantes
que suportem tensões cada vez mais elevadas, ou o funcionamento em condições
especificas;
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Contudo, diversas condições ligadas essencialmente à industrialização, provocam mudanças
importantes. Como consequência, os produtores dos isolantes e os seus utilizadores devem:
– Ter em conta as diversas exigências associadas aos locais onde serão instalados os
materiais;
– Reduzir ou suprimir a poluição resultantes da dispersão de isolantes;
– Regular os processos de fabricação e de emprego dos isolantes de forma a reduzir o
consumo de energia;
– Ter em atenção as condições ambientais permitidas;
Inicialmente o ar à pressão atmosférica foi o dieléctrico utilizado, a sua fácil acessibilidade
e as suas características o proporcionaram.
Mais tarde sempre com a idéia vincada de desenvolver novos isolantes, de forma a permitir
a construção de novos materiais isolantes que suportem tensões cada vez mais elevadas, ou o
funcionamento em condições especificas surgiu o óleo.
O óleo cedeu terreno para o SF6, em particular nos domínios superiores de tensão, de poder
de corte e de corrente. O SF6 é agora o dieléctrico gasoso por excelência.
Novas tecnologias começam a ser equacionadas uma delas o Azoto, outra o Ar sintético.
Presentemente a indústria está a ser obrigada a descobrir novos substitutos dos produtos que
hoje são utilizados nos sistemas eléctricos de energia, de forma a optimizar a indústria do sector
eléctrico ao nível da sua exploração, robustez, economia, e aspecto ambiental.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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5. Análise comparativa dos meios gasosos isolantes gasosos
actualmente mais utilizados (Ar, Ar sintético, Azoto, SF6)
Todos os gases são normalmente bons isolantes eléctricos, de entre eles mesmos alguns são
correntemente utilizados na electrotecnia.
Meios dieléctricos em estudo:
AR
AR
Sintético
N2
5.1. Ar
A primeira técnica de corte utilizada foi do corte no ar à pressão atmosférica.
O ar é um isolante gasoso por excelência devido às suas propriedades físicas e químicas,
consequentemente é utilizado com grande frequência na electrotecnia. O ar à pressão
atmosférica tem uma rigidez dieléctrica relativamente pequena e nenhum processo físico
particular vem acelerar a recombinação dos iões e dos electrões, de modo que a constante de
tempo de ionização é relativamente elevada [5].
Aliada às suas qualidades de isolante, este tem a particularidade de apresentar um custo de
produção nulo.
À pressão atmosférica e à temperatura ambiente o ar assegura o isolamento das linhas
aéreas, barramentos, e sob pressão é utilizado como dieléctrico de corte – disjuntores. Entre
outros aparelhos eléctricos empregues na indústria eléctrica.
Dos parâmetros que influenciam o comportamento dieléctrico do ar, quando utilizado como
meio de corte da tensão eléctrica, destacam-se os seguintes:
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Pressão - P;
Temperatura - T;
Poeiras;
Corrente de ar;
Actualmente a principal desvantagem deste tipo de aparelho reside nas suas dimensões,
condicionadas pelas das câmaras de corte e das distâncias de isolamento no ar.
As modernas técnicas de corte no SF6 permitiram reduzir de modo acentuado as dimensões
e os custos de aparelhagem de média tensão de modo a quase se poder afirmar que os
disjuntores e contactores de corte no ar estão ultrapassados.
5.2. Azoto (N2)
O azoto é uma tecnologia alternativa que começa a ser bastante utilizada na electrotecnia,
ultimamente começou a ser utilizado como isolante na Média Tensão.
O azoto N2 é um gás diatómico e em condições atmosféricas normais (15ºC e 700mm Hg) é
incolor, inodoro e sem paladar. O azoto é o principal componente do ar atmosférico (78,08% do
volume total).
À pressão atmosférica e a temperaturas inferiores a -196ºC é um líquido incolor,
ligeiramente mais claro do que a água.
O azoto é insusceptível para a respiração ou combustão, mas tem um papel essencial como
elemento de matéria viva (animal e vegetal) e participa no processo natural complexo de
transformação da matéria.
Trata-se de um gás não inflamável, inerte e não tóxico.
Em grandes concentrações, asfixia ou pode mesmo causar tonturas, podendo servir como
anestésico.
O azoto não é corrosivo e pode ser empregue com quase todos os metais geralmente usados
em temperaturas normais [1], [3].
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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O azoto é utilizado como meio de refrigeração.
Obtém-se industrialmente por destilação fraccionada do ar liquefeito.
Propriedades físico-quimicas: [1]
Peso molecular
28,013 g/mol
Temperatura de ebulição (1 atm)
-195,8 ºC
Temperatura crítica
-146,9 ºC
Pressão crítica
33,9 bar
Densidade do gás (15ºC, 1 atm)
4,187 g/l
Densidade do líquido (p.e., 1 atm)
0,807 g/ml
Peso específico (ar=1)
0,967
Solubilidade em água (0 ºC, 1 atm)
2,33 cm3 N2/100 cm3 H2O
Calor latente de vaporização (1 atm)
47,44 cal/g
5.3. Hexafluoreto de Enxofre (SF6)
5.3.1. Comportamento dieléctrico do isolamento no SF6
As aplicações do SF6 com isolante são cada vez mais numerosas. A indústria eléctrica,
essencialmente, a aparelhagem para sistemas de distribuição e transporte de energia, utilizam à
cerca de duas dezenas de anos o SF6 como isolante e agente de corte do arco eléctrico .
Este estudo permite determinar a influência, sobre as tensões de disrupção no SF6, de vários
parâmetros tais como:
-
A pressão do gás;
-
A limpeza dos eléctrodos, o seu estado de superfície, e as suas dimensões;
-
As impurezas sólidas;
-
Estuda-se também a influência da forma de tensão aplicada aos eléctrodos, em
particular a forma dos impulsos de tensão;
-
Mistura de gases com o SF6.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Os ensaios são efectuados numa célula de eléctrodos coaxiais, no entanto em certos casos o
estudo é feito em células de eléctrodos planos, estes últimos apresentam um campo praticamente
uniforme, enquanto em eléctrodos coaxiais apresentam um campo divergente, afim de conhecer
a diferença do comportamento dieléctrico do SF6.
5.3.2. Considerações gerais
O gás SF6 possui uma série de propriedades físicas e químicas que o torna um meio isolante
e extintor do arco eléctrico por excelência.
Propriedades físico-quimicas [1]:
Peso molecular
146,05 g/mol
Temperatura sublimação
-63,9 ºC
Pressão vapor (20 ºC)
22,77 ºC
Temperatura critica
45,5 ºC
Pressão crítica
37,1 atm
Densidade do gás (20ºC, 1 atm)
6,16 g/l
Densidade do líquido (p.sat. -50 ºC)
1,91 kg/l
Densidade do líquido (21 ºC)
1,371 g/ml
Peso específico (ar = 1)
5,11
Solubilidade em água (10 ºC, 1 atm)
0,0076 ml/ml H2O
Calor latente de vaporização
38,6 cal/g
5.3.3. A molécula de SF6
Gás de síntese, obtido pela reacção directa do flúor sobre o enxofre a alta pressão e
temperatura, o SF6 apresenta-se, à temperatura ambiente, como um gás não inflamável, não
tóxico, incolor e inodoro com uma densidade relativamente elevada em relação ao ar. É
extremamente estável inerte até cerca de 500ºC comportando-se como um gás nobre.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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A molécula, perfeitamente simétrica, tem no seu centro um átomo de enxofre. Os seis
electrões de valência, que constituem as ligações livres, são constituídos por seis átomos de
flúor para completar a camada electrónica periférica. Estes seis átomos de flúor encontram-se
dispostos em redor do átomo de enxofre nos seis vértices dum octaedro regular. Este edifício,
cujas ligações químicas estão saturadas, revela-se perfeitamente inerte quimicamente e
apresenta uma grande estabilidade concretizada por uma energia de formação elevada (1096
kj/mol.) [2], [5].
5.3.4. Propriedades dieléctricas do SF6
A primeira das qualidades do SF6 para um construtor de aparelhagem eléctrica, manifesta-se
no domínio da rigidez dieléctrica, onde para igual pressão, revela-se superior à maioria dos
meios conhecidos. Esta característica deve-se às dimensões elevadas da sua molécula e aos
múltiplos mecanismos de colisões inelásticas que lhe permitem «travar» eficazmente alguns
electrões livres, sempre presentes, que o campo eléctrico tende a acelerar e que constituem os
iniciadores da descarga.
O SF6 caracteriza-se por possuir excelentes propriedades dieléctricas o que faz com que seja
um excelente extintor do arco pelas seguintes razões:
– a alta energia de dissociação do SF6 conduz ao resfriamento eficaz do arco. Os iões
provenientes da dissociação são muito electronegativos e captam rapidamente os electrões
livres;
– a recombinação muito rápida das moléculas de SF6 dissociadas permite o restabelecimento
de tensões muito severas;
– permite uma rápida dissipação do calor gerado pelo arco, devido ao seu calor específico
elevado;
– permite uma regeneração da rigidez dieléctrica entre contactos muito rápida, devido à sua
recombinação rápida e espontânea.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Apresentando um peso especifico de 6,14g/l ele é cinco vezes mais pesado que o ar (dSF6 ≈
5dar). Esta propriedade aliada à ausência de cheiro e cor, requer algumas medidas de precaução
ao nível de trabalho, de forma a evitar acidentes por vezes fatais devido à asfixia.
O coeficiente de transmissão de calor é aproximadamente vinte e cinco vezes o do ar, e a
tensão do arco é cinco a dez vezes menor que a do ar.
Influência dos factores que provocam o envelhecimento de estruturas isolantes no SF6
ligados essencialmente às descargas parciais no gás:
– presença de imperfeições nas rugosidades da superfície dos condutores e invólucros;
– impurezas sólidas nos gazes (presença de humidade).
Diga-se contudo e para abreviar, que algumas das notáveis propriedades dieléctricas do SF6
existem igualmente dispersas noutros gases com flúor, tais como o freon. Contudo o SF6 afirmase como «líder» incontestado no domínio do corte.
5.3.5. Corte no SF6
Propriedades térmicas do SF6.
Considera-se um arco contido num tubo cilíndrico cheio de um gás e percorrido por uma
corrente de intensidade constante.
Por uma lógica intuitiva verifica-se que a temperatura deste arco é máxima na vizinhança do
eixo do tubo, decrescendo à medida que nos afastamos dele [5], [6].
N – Núcleo
P – Patamar térmico
B – Bainha
T – Temperatura
r – Raio
h – altura
a)
b)
a) Corrente de fraca intensidade (io)
b) Corrente elevada (i<i0)
Figura 8: Curva de repartição da temperatura dum arco eléctrico contido num tubo cilíndrico
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Quando a intensidade da corrente aumenta, observa-se, na maioria dos gases, a aparição
duma espécie de patamar térmico e a formação, no centro do tubo, duma zona cilíndrica onde a
temperatura se eleva rapidamente, a que se chama núcleo do arco e rodeado duma zona mais
fria denominada bainha.
Quanto maior for a intensidade, maior é a temperatura máxima do núcleo, mantendo-se
constante a do patamar. A razão da existência da barreira advém do facto de se produzir uma
mudança de estado do gás a esta temperatura, as moléculas dissociam-se em átomos. Como
todas as mudanças de estado, a dissociação exige algum consumo de energia, dita energia de
dissociação (igual à energia de formação). Tudo se passa como na ebulição da água onde a
energia de vaporização assegura um arrefecimento muito importante e que mantém a
temperatura constante e igual a 100º enquanto houver água no recipiente.
Aqui a presença do gás molecular na bainha, situada em redor do núcleo do arco, mantém
fixa a temperatura de ligação (entre o núcleo central e a bainha que o rodeia), assegurando um
arrefecimento do núcleo tanto mais enérgico quanto mais baixa for esta temperatura. Isto traduzse por uma espécie de hipercondutividade térmica do gás na vizinhança da temperatura de
dissociação. [3].
λ – Condutividade térmica
T – Temperatura
Figura 9: Condutividade térmica do azoto e do hexafluoreto
No caso do SF6, só o núcleo é electricamente condutor, pois a temperatura de barreira é
inferior à temperatura mínima de ionização apreciável, que se situa a temperaturas superiores a
3000ºK. Ao contrário, no caso do azoto e da maioria dos gases estáveis conhecidos, a
temperatura da barreira de dissociação é bastante superior à da temperatura de ionização.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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R – Raio do tubo
Quando o núcleo central desaparece, durante o decrescimento
da corrente, a bainha, muito fria no caso do SF6, deixa de conduzir
a corrente enquanto se mantém condutor no caso do azoto.
Figura 10: Comparação da variação da condutância entre o azoto e o hexafluoreto de enxofre
Quando a corrente diminui, observa-se tanto para o SF6 como para o azoto, uma diminuição
rápida da temperatura do núcleo. Este possui para o efeito uma fraca inércia térmica, o que se
percebe tendo em atenção o seu pequeno raio e a massa volúmica do gás fortemente reduzida.
Quando a corrente se aproxima, no caso do SF6 que possui uma condutância muito mais
baixa, sucede-se o desaparecimento do núcleo.
O mesmo não se sucede tanto para o azoto como para outros gases usuais, cuja bainha se
mantém condutora durante bastante tempo, devido à sua temperatura elevada e à grande inércia
térmica.
Principal propriedade eléctrica do SF6
A importante vantagem de ordem térmica que se referiu anteriormente é completada por uma
outra vantagem notável ligada às características electronegativas do flúor, (Afinidade do
electrão) [2].
As excelentes propriedades isolantes do hexafluoreto de enxofre são atribuídos à forte
afinidade do electrão (electronegatividade) da molécula SF6. Isto é baseado principalmente em
dois mecanismos, a captação da ressonância e na separação da ligação dos electrões, de acordo
com as equações:
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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SF6 + e- → SF6SF6 + e- → SF5- + F
Quando a temperatura aumenta, para temperaturas superiores a 2000 ºK, a molécula de SF6
dissocia-se em átomos de enxofre e de flúor.
N – nº de partículas por cm3
T – Temperatura
Figura 11: Curvas de decomposição do SF6
Na fig. 11 verifica-se que se continuarmos a aumentar a temperatura para valores superiores
a 3000 ºK os átomos de enxofre vão progressivamente ionizar-se (curva de S+).
Note-se contudo, que a maioria dos electrões assim libertados são imediatamente capturados
pelos átomos de flúor para formar os iões negativos de flúor, pesados e por consequência com
pequena mobilidade, os quais participam muito reduzidamente na condutância do plasma.
(Verificar que as curvas S+ e F- têm o mesmo início).
Os números de electrões livres que são os verdadeiros responsáveis pela condutância, não
aumentam senão para temperaturas superiores a 4000 ºK.
Inversamente, quando a corrente diminui e se aproxima do zero e por consequência a
temperatura do arco diminui, verifica-se que o número de electrões livres diminui, e por
consequência a condutância diminui também.
Assim para valores inferiores a 4000 ºK, temperatura para a qual quase todos os electrões
livres são capturados, a resistência do arco sofre um aumento brusco antes mesmo do
desaparecimento do núcleo (2100 ºK).
Resumindo, pode-se dizer que no SF6 antes mesmo que o núcleo central tenha desaparecido
completamente devido ao arrefecimento do arco, a condutância deste já se tornou praticamente
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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nula, graças à captura dos electrões livres pelos átomos de flúor, os quais se transformam abaixo
de 6000 ºK em verdadeiros «devedores» de electrões. Esta propriedade, associada à existência
da barreira hipercondutora e às notáveis propriedades dieléctricas do SF6, conferem-lhe um
conjunto de qualidades que não existem em nenhum outro meio actualmente conhecido.
5.3.6. Comportamento do SF6 perante o arco eléctrico
As descargas eléctricas tendem a decompor o gás numa intensidade proporcional à energia
das mesmas. Sob a influência do arco o SF6 decompõe os seus elementos atómicos, segundo:
∆E
SF6
S + F6
A regeneração do gás seria total se não houvesse reacções secundárias entre o gás
decomposto e metais vaporizados dos contactos; os produtos mais comuns destas reacções
secundárias são CuF2, WF6, SF4, S2F2.
As características isolantes do SF6 variam em função da pressão (função da densidade). As
excelentes características extintoras e isolantes do SF6 dão preferência à sua utilização numa
enorme gama de tensões e encontra-se actualmente como preferência actual.
Sendo todas as restantes condições iguais, o tempo de extinção do arco usando SF6 é
aproximadamente 100 vezes menor do que usando ar. O desempenho superior de extinção de
arco do SF6 comparado com outros gases é ilustrado na figura seguinte.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Figura 12: Curvas de variação da corrente do arco em função da pressão
5.3.7. Considerações ambientais do SF6
O hexafluoreto de enxofre (SF6) é usado na transmissão e distribuição de energia desde
1960. Após os primeiros anos de experiência no equipamento de alta tensão, foram lançados no
mercado mundial em 1980 os primeiros aparelhos de corte para média tensão usando o SF6
como isolante. As excelentes propriedades dieléctricas possibilitaram que o SF6 seja hoje usado
para várias escalas de tensão desde os 12 kV. O mercado dos produtos utilizados na distribuição
de energia encheu-se com este gás e o crescimento do seu uso é acentuado. Em alguns
segmentos, tais como a distribuição secundária, aproximadamente 50% de todas as unidades
principais integradas no anel (RMU) usam SF6. Os problemas ambientais causados pelo
aumento da industrialização e um interesse público crescente em edições ambientais,
conduziram à descoberta que os gases eram a causa da ascensão global da temperatura. Depois
deste estudo foi decidido no protocolo de Kyoto, que os países industriais reduziriam a
quantidade de gases libertados, que contribuem para o efeito da estufa.
Um dos gases que contribui para o efeito de estufa é o SF6.
As quantidades de SF6 instaladas nos aparelhos de corte de média tensão são pouco
significantes. O hexafluoreto de enxofre oferece um grande número de vantagens, contudo tem
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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uma desvantagem. O SF6, embora não sendo um gás prejudicial à camada de ozono, é
considerado como um gás que provoca o efeito de estufa.
Globo terrestre
Estratosfera
Troposfera
Q
QQ.
A figura 13: Efeito de estufa
O efeito de estufa é mostrada esquematicamente em figura 13.
Devido às fortes propriedades de absorção dos gases como o CO2, o metano (CH4), o óxido
de nitrogênio (NOX) ou o SF6, a radiação infravermelha (RI) que reflete na superfície da terra é
obstruída na atmosfera. Por esta razão a dissipação de calor da terra é reduzida e causa uma
ascensão da temperatura na troposfera. Além deste efeito e por ser um gás de efeito de estufa o
SF6 caracteriza-se pelo inconveniente de possuir um poder de absorção da radiação
infravermelha muito mais elevado do que todos os outros gases.
Este factor é expresso num potencial de aquecimento global elevado (GWP) de 22,200 por
100 anos.
Este efeito ambiental prejudicial, entretanto é compensado parcialmente pelos seguintes
factores:
– A contribuição dos aparelhos de corte elétrico para as emissões de SF6 são de muito
menor dimensão, contrariamente às aplicações como a isolação térmica das janelas, ou
um gás inerte para finalidades militares ou também como um gás inerte para a engenharia
de processos.
– Apesar de seu elevado factor de GWP, o SF6 no global é responsável por somente 0,1%
aproximadamente do efeito sintético total da estufa devido à sua concentração
extremamente baixa na atmosfera.
Após um longo tempo de falta de interesse por todas as indústrias, que não somente a
elétrica, é lhes pedido para que forneçam soluções para parar o adicional aumento de SF6 na
atmosfera. Os fabricantes de aparelhos de corte isolados a gás têm investigado alternativas ao
SF6 com as finalidades da isolação e de corte [4].
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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5.4. Ar sintético
O ar é um gás incolor, inodoro e insípido, que se obtém mediante a compressão do gás
atmosférico a partir de uma mistura elaborada dos seus componentes, mediante destilação
criogenia.
O ar sintético utiliza-se como um gás comburente em: absorção atómica de chama, em
cromatografia de gases com detectores de ionização de chama, e em analisadores de
hidrocarbonatos totais e óxidos de nitrogênio [1].
– Tratamentos médicos
– Gás de protecção para utilizações eléctricas.
Composição do ar sintético versus o ar atmosférico (1)
N2
Ar
Atmosférico
(% vol.)
78,084
O2
20,946
21
Ar
0,934
*
CO2
0,033
*
Outros gases
0,003
*
Ar Sintético
(% vol.)
79
(1) a 0 m de altitude isento de humidade
(*) medida de tolerância ± 1% do valor obsoluto
O Ar sintético comprimido difere do ar atmosférico pela percentagem bastante inferior de
H2O. Assim, a água é condutora logo, a sua ausência diminuirá a possibilidade de ionização do
meio, adquirindo melhores qualidades como isolante.
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Especificações da pureza do ar sintético [1].
Ar
sintético
Pureza
O2
N2
H2O
CO
CO2
THC
>99,995%
21% ± 1%
balanço
<3 vpm
<1 vpm
<1 vpm
<3 vpm
5.5. Propriedades eléctricas dos dieléctricos em estudo,
comparação entre os diversos dieléctricos
Permitividade - ε:
Propriedade eléctrica que traduz o estado de polarização de um dieléctrico.
ε = εo × εr
Constante eléctrica - εo:
εo=8,854 × 10-12 F.m-1
Constante dieléctrica ou permitividade relativa do material - εr:
(Característica do dieléctrico)
Ar
N2
SF 6
εr
1,000536
Cond. Amb.
20ºC, 1 atm
1,000824
20ºC, 1 atm
1,002084
20ºC, 1 atm
Rigidez dieléctrica – Emáx. – kV . mm-1:
Propriedade que caracteriza todos os isolantes.
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Ar
N2
SF 6
Emáx.(kV/mm)
3,0
Cond. Amb.
3,17
20ºC, 1 atm
≈2,5 a 3 × 3,0
20ºC, 1 atm
20ºC, 1 atm
O SF6 apresenta uma rigidez dieléctrica superior à do Ar (2,5 a 3), esta propriedade é
essencialmente devida à característica electronegativa da molécula SF6 que capta os electrões
livres e previne o fenómeno de avalanche que origina a disrupção. Esta mesma razão faz
também com que o SF6 seja um agente extintor do arco, cuja sua eficácia pode ser estimada em
cerca de dez vezes mais que a do ar.
5.6. Alteração das propriedades dos dieléctricos com a variação
da pressão.
Curvas de Paschen para o Ar , Azoto e o SF6
A lei de Paschen mostra que a tensão de disrupção (Vc) é função do produto entre a pressão
do gás e a distância dos eléctrodos (p.d) [10]. Ou seja:
Em que:
E – valor do campo eléctrico(kV/mm),
P – pressão do gás(bar),
η– coeficiente de ligação,
α – coeficiente de ionização,
γ – coeficiente de ionização secundário,
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Nota:
Nos gases electronegativos como o caso do SF6 é necessário utilizar o coeficiente de
ionização α’=α-η.
Figura 14: Curva de Paschen para o Ar, temperatura 20ºC.
Figura 15: Curva de Paschen para o N2, temperatura 20ºC.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Figura 16: Curva de Paschen para o SF6, temperatura 25ºC
Após uma breve leitura dos gráficos, verificamos que o SF6 apresenta um valor de tensão de
disrupção superiores ao do N2 e ao do Ar, para um mesmo valor de (p.d). No entanto, convém
salientar que esta lei não é válida para uso geral, está limitada, isto é, a curva de Paschen é
válida até aproximadamente 1atm x 5mm. Para distâncias maiores (ou pressões maiores, e
distâncias pequenas), ocorrem mudanças no mecanismo de disrupção.
Gráfico do Campo Eléctrico máximo entre o Ar e o SF6, em função do produto da
pressão pela distância dos eléctrodos – Rigidez dieléctrica.
Figura 17: Rigidez dieléctrica ,num campo uniforme, do SF6 e do Ar.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Constata-se que o SF6 apresenta um valor do campo eléctrico superior ao do Ar, o que
comprova como já foi referido anteriormente, que o SF6 apresenta uma rigidez dieléctrica
superior à do Ar. Isto na presença de um campo eléctrico uniforme.
Gráfico da Tensão de Disrupção entre o Ar e o SF6 em função da sua geometria
(raio das esferas)
Figura 18: Tensão disruptiva em função do raio das esferas.
Verifica-se que o SF6 apresenta um valor da tensão de disrupção superior, pelas
razões atrás descritas, ao do Ar e que a geometria em causa (diâmetros de esferas) tem
uma influencia importante para diâmetros pequenos, quando empregue o SF6.
Relativamente ao Ar, a geometria em causa não tem praticamente nenhuma influência,
uma vez que expressa um valor praticamente constante.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Ábaco das características internas dos dieléctricos em estudo
Figura 19: Comportamento dos parâmetros característicos dos dieléctricos em estudo
Este ábaco mostra a variação dos parâmetros intrínsecos dos dieléctricos em função do valor
do campo eléctrico aplicado.
Gráfico da tensão de disrupção do SF6 em função do produto entre a pressão e a distância
entre os eléctrodos, Vc=f(d.p).
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Figura 20: Mostra o relacionamento da tensão de corte com a pressão num campo não homogenio em
comparação com aquele de uma mistura de azoto.
Este gráfico mostra o comportamento do SF6 e de uma mistura de azoto (tensão máxima
admissível) para as diversas distâncias entre eléctrodos a uma dada pressão (d.p) [1].
O SF6 apresenta um valor da tensão de disrupção superior, pelas razões atrás descritas, ao
do azoto.
Para a mesma distância e pressão o SF6 apresenta uma tensão máxima admissível superior
ao do azoto.
A capacidade de corte no ar é aumentada dramaticamente pela adição de quantidades
pequenas de SF6. Em contraste, o ar tem somente uma influência limitada na capacidade de
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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corte do hexafluoreto do enxôfre. A adição de 10% do ar por volume reduz a tensão de corte do
SF6 aproximadamente 3%, a adição de 30% de ar para aproximadamente 10%.
O SF6 tem uma condutividade térmica elevada a baixas temperaturas. Na figura 21 a
condutividade térmica em função da temperatura do SF6 e N2.
A existência deste pico de condutividade resulta de uma mudança de estado do gás. A
dissociação requer uma quantidade bem definida de energia, bem como o calor da vaporização.
Isto realça a transferência térmica no arco, ajudando a reduzir a temperatura do arco.
Inversamente num ambiente mais baixo os elementos recombinam-se e liberta-se esta energia,
transportando quantidades de energia através do arco eléctrico.
Figura 21: Condutividade térmica do SF6 e N2 em função da temperatura.
O nitrogênio não é corrosivo e pode ser empregue com quase todos os metais geralmente
usados em temperaturas normais. Alguns exemplos são: aço inoxidável, cobre, bronze, etc.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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6. Proposta de protótipo para ensaio laboratorial de dieléctricos
6.1. Forma de onda
Com o propósito de efectuar o estudo do protótipo para ensaios laboratoriais de dieléctricos,
vamos primeiro determinar a forma de onda a aplicar, segundo a norma CEI 60.
A tensão permanente do sistema não é de longe a única condição dieléctrica interna, bem
pelo contrário, numerosos fenómenos eléctricos são causas de condições extremamente variadas
e nessa sequência, analisaremos a natureza, as durações e amplitudes.
Classificação das condições dieléctricas definidas em função da forma global da tensão
aplicada para os modelos de ensaios e condições dieléctricas, respectivamente.
-
Tensão á frequência industrial, regime permanente não perturbado;
-
Sobretensões temporárias á frequência industrial ou á frequência vizinha;
-
Sobretensões de manobra;
-
Sobretensões atmosféricas (ao choque);
Em outros termos, podemos classificar em regimes permanentes, quase permanentes e
transitórios, respectivamente.
As sobretensões são representadas em laboratório por choques de tensão em forma biexponencial. A sua forma geral é dada pela seguinte expressão:
U cr
u (t) =
−
e
T cr
τq
−e
−
T cr
τf
(e
−
t
τq
−e
−
t
τf
)
em que:
Ucr – é amplitude máxima da onda de tensão atingido no empo Tcr.
τq – é a amplitude de tensão de cauda
τf - é a amplitude de tensão de frente
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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A forma geral de um choque bi-exponencial á representada na figura seguinte:
Figura 22: Forma geral de um choque bi-exponencial.
Caracteriza-se por dois parâmetros:
- Duração da meia amplitude T2;
- Duração convencional de frente T1, definido da forma seguinte;
Seja, T90 o tempo para o qual a onda de choque atinge 90% do seu valor máximo (crista), e
T30 o tempo correspondente a 30% do seu valor máximo. Então,
T1= 1,67 (T90 - T30 )
Esta definição é mais precisa que a do Tcr, porque ele não é sempre fácil de assinalar, e a
origem do choque perturba, frequentemente, as oscilações parasitas perturbando assim a medida
de Tcr. Mais, a crista da onda por vezes apresenta uma forma plana no instante onde atinge o seu
máximo, não podendo assim ser assinalada com precisão.
Diz-se presentemente que as correntes do arco eléctrico apresentam uma grande diversidade
de forma e amplitude. Todavia, representa-se as diversas condições dieléctricas relativas ao arco
eléctrico, por um choque com características especificas 1,2/50µs.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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6.1.1. Definição das condições dieléctricas
Distinguem-se dois casos segundo o valor da tensão eléctrica aplicada ao eléctrodo, ou seja
a tensão imposta apresenta um valor positivo ou negativo.
A informação actual disponível sobre os intervalos de ar efectuados salienta que, os casos
de disrupção em que a polaridade é positiva são mais frequentes que os negativos na grande
maioria dos casos práticos, incluindo o presente. Daí que, os casos em que a polaridade é
negativa são incomparavelmente menos numerosos do que os referentes á polaridade positiva.
6.1.2. Influência da forma de onda da tensão de choque
No laboratório, os choques mais frequentemente realizados são em forma biexponenecial.
Decidiu-se convencionalmente representar as sobretensões atmosféricas por o
choque bi-exponencial da forma 1,2/50µs.
T1=1,2µs ± 30% ÆTempo de frente
T2=50µs ± 20% Æ Tempo de cauda
Figura 23: Forma de onda da tensão de choque aplicada nos ensaios efectuados.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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6.2. Influência da geometria dos eléctrodos
A geometria do intervalo pode ser caracterizada por diversos parâmetros, entre os quais
destacam-se:
-
Forma geométrica dos eléctrodos;
-
Distância entre eléctrodos;
Figura 24: Repartição do campo eléctrico num intervalo esfera-plano para diferentes valores de reacção
d/D.
Os parâmetros que definem a geometria do intervalo, o mesmo que dizer a forma do
eléctrodo e a distância ao plano têm uma influência determinante sobre os mecanismos da
descarga e portanto sobre as variações dos parâmetros de disrupção.
Dizemos em particular que as características eléctricas da primeira coroa* são largamente
dependentes da radiação do campo eléctrico, e portanto da geometria do intervalo.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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*Primeira coroa – é a primeira manifestação luminosa visual perto do eléctrodo pouco antes
do começo do choque. O fenómeno é breve e desenrola-se num tempo da ordem de grandeza da
centena dos nano segundos.
6.3. Influência das condições ambientais
Nos intervalos de ar, as condições ambientais resumem-se geralmente à temperatura,
pressão e o estado higrométrico do ar.
Para ser um estudo exaustivo é preciso citar outros parâmetros tais como a condutividade do
ar, intensidade de irradiações ionisantes, presença de corpos estranhos tais como poeiras, ou
películas de água, composição química, etc., que são factores que permitem caracterizar melhor
o meio isolante.
No entanto, verifica-se que a pressão e a temperatura conjugam os seus efeitos para
modificar a densidade do ar. Com o intento de comparar nas diversas condições ambientais os
resultados obtidos, define-se a densidade relativa do ar, δ. Esta tem como objectivo fazer a
transposição da densidade do ar nas condições ambientais presentes (pressão P e temperatura θ)
nas condições de referência P0=1013mbar e θ0=20ºC (CEI 60 – 1/1989).
Este valor para o factor de correcção é determinado pela NORMA – CEI - 52 1960, e
calculado através da seguinte formula:
δ=
P
273 + 20
P
×
= 0,289 ×
1013 273 + T
273 + T
em que:
P – pressão atmosférica (mbar),
T - temperatura (ºC),
Por conseguinte, a tensão de disrupção U num intervalo de ar pode ser medida sob a forma
U = U0 δ
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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em que:
U0 – tensão de disrupção nas condições de referência
6.4. Distribuição do campo eléctrico
O campo eléctrico na superfície de um condutor em equilíbrio é perpendicular à superfície,
logo se conclui que a superfície do condutor é sempre equipotencial. Dentro do condutor o
campo eléctrico é nulo, o que implica um potencial constante dentro deste. De referir ainda, que
num condutor em equilíbrio qualquer excesso de carga distribui-se sempre sobre a superfície,
apesar de a distribuição de carga, por vezes, não ser uniforme.
Considera-se três condutores diferentes com a mesma carga superficial σ. Os condutores
apresentam diferentes formas geométricas, um é plano, o outro convexo e por fim o último
côncavo.
Nos três casos a separação das linhas de campo sobre a superfície deve ser a mesma, e o
campo é igual nos três casos quando a distância d a partir da superfície for igual a zero. À
medida que d aumenta, como as linhas de campo são perpendiculares à superfície do condutor, a
separação das linhas vai ser maior no caso do condutor convexo, e menor no caso do condutor
côncavo, no caso do condutor côncavo, as linhas de campo acabam por se afastar à medida que
d aumenta. Uma vez que o campo eléctrico é inversamente proporcional à distância entre as
linhas de campo, o campo produzido pelos três condutores é representado na figura seguinte:
Figura 25: Condutores com a mesma carga superficial e o campo eléctrico por eles produzido em função
da distancia d a partir da superfície
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Vemos perfeitamente que o condutor côncavo apresenta um valor do campo eléctrico
superior ao condutor plano e estes dois condutores têm um campo eléctrico maior que o
condutor convexo.
Portanto, a carga superficial não pode ser a mesma nos pontos onde o condutor é côncavo,
convexo ou plano. Esta tem que ser maior nas regiões convexas, menor nas regiões planas e
ainda menor nas regiões côncavas, de forma a obter o mesmo valor para o campo eléctrico.
Nas regiões convexas, quanto menor for o raio da curvatura, maior será a carga superficial,
e nas regiões côncavas quanto maior for o raio de curvatura, maior será a carga superficial.
No caso de um intervalo em que o eléctrodo apresenta uma polaridade positiva o vector
campo eléctrico é orientado do eléctrodo em causa em direcção ao plano, o que se conclui que o
campo é divergente na vizinhança do eléctrodo. No caso do eléctrodo ter polaridade negativa o
campo é convergente na vizinhança do mesmo. A disrupção estabiliza-se mais facilmente no
campo divergente que no campo convergente. Assim se deduz que:
- A tensão de disrupção num grande intervalo de ar é tanto mais “forte” quando o
eléctrodo é cátodo.
- A tensão de disrupção de um grande intervalo de ar é tanto mais “fraca” quando o
eléctrodo é ânodo.
A repartição do campo eléctrico num grande intervalo de ar não é somente determinada pela
a geometria dos eléctrodos em presença. É condicionada largamente pela a existência, em redor,
de estruturas sob tensão ou ligadas à massa.
Esta importante conclusão não simplifica, infelizmente, o problema da disrupção, pois para
intervalos geometricamente idênticos poderão ter propriedades sensivelmente diferentes em
função do local onde eles são inseridos. Contudo, mais nenhuma modificação significativa da
dispersão não é colocada em evidência quando a geometria dos eléctrodos é modificada.
Todas as rugosidades, por um efeito de concentração das linhas de força e de superfícies
equipotenciais, podem consideravelmente aumentar o campo superficial local.
6.5. Disrupção dieléctrica
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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A disrupção dieléctrica manifesta-se com o aparecimento de um arco eléctrico entre dois
eléctrodos ambos ou não.
Os estudos efectuados permitem agora uma melhor compreensão da influência de
numerosos parâmetros sobre o desenvolvimento da disrupção, entre eles destacam-se:
-
Influência da geometria do intervalo compreende o comprimento ou a forma
dos eléctrodos;
-
Influência da forma de onda do choque da tensão aplicada;
-
Influência do meio ambiente;
Condução nos gases:
- Ionização; processo de ionização;
- Aplicação de um campo eléctrico;
- Relação I = f(E) – Figura 14;
- Rigidez dieléctrica;
- Emissões de iões;
Figura 26: Característica Corrente-Tensão, num gás, em regime de pré-descarga
As altas temperaturas concentradas nas peças dos contactos produzem uma termo-emissão
de electrões a partir do contacto negativo ou positivo iniciando-se assim o processo de ionização
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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pelo qual se ira formar o arco eléctrico. A corrente do arco eléctrico, é constituída por electrões
que saem do cátodo dirigindo-se para o ânodo. No caso de corrente alternada este processo
muda, evidentemente de sentido a cada meia onda.
A descarga do arco é iniciada quando a tensão sobre a distância entre os contactos e o grau
de ionização da mesma forem suficientemente grandes.
A ionização ou o grau de concentração de iões não é uniforme, as cargas eléctricas tendem a
fluir das regiões de alta para as regiões de baixa concentração de iões. A ionização por choque
ocorre quando as temperaturas do arco e as velocidades moleculares são tão altas, que os
choques entre moléculas e entre átomos ocasionam a sua decomposição em iões e electrões.
Factores importantes que influenciam positivamente a desionização da zona do arco: boa
condutividade térmica, pressão adequada do meio exterior.
6.6. Comportamento do campo eléctrico
Comportamento do campo eléctrico nas diferentes formas geométricas, como se distribuí no
espaço, visualização das linhas de força do campo eléctrico para as diferentes formas
geométricas.
Formas de geometria possíveis de utilizar:
- Varão (R=8mm):
(cobre)
- Barra normal (40×5mm):
(cobre)
- Barra boleada (40×5mm):
(cobre)
Ensaios para uma tensão nominal de 17,5KV, com aplicação de uma onda de choque de
95KV NORMA CEI 60694 para as diferentes formas geométricas:
Linhas equipotenciais da tensão aplicada:
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Varão
Barra normal:
Barra boleada
Linhas de força equipotenciais do Campo Eléctrico:
Formas geométricas
Varão:
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Barra normal:
Pormenor da extremidade:
Barra boleada :
Pormenor da extremidade:
A tensão da curva inicial usando SF6 em campos não homogéneos é também
consideravelmente maior do que se usando o ar. figura 27 e figura 28 mostra a respectiva
dependência da pressão e do raio da curvatura dos eléctrodos no caso do SF6 e do ar num
sistema do eléctrico de ponto por ponto.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Figura 27: Dependência da pressão e raio de curvatura dos eléctrodos
Figura 28: Dependência da pressão e raio de curvatura dos eléctrodos
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6.7. Protótipo
Para ensaios laboratoriais de dialéctricos projectou-se uma cuba hermeticamente fechada.
Figura 29: Cuba – alçado lateral
Figura 30: Cuba – alçado principal
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Trata-se de uma cuba estanque em chapa de aço pintada, com visor em acrílico. A cuba foi
projectada para suportar o ciclo de vazio e enchimento com gás.
O visor em acrílico permitirá visualizar a disrupção. Para reforçar o apoio ao acrílico foram
dimensionadas duas grelhas: uma interior e outra exterior, permitindo ao acrílico suportar
pressões mais elevadas.
Foi utilizado um isolador exterior para a passagem da tensão de impulso de 50 kV.
Para se efectuar o enchimento e vazio foi projectada uma válvula colocada na tampa
superior.
No interior da cuba foram colocados dois eléctrodos protegidos por dois isoladores, sendo o
eléctrodo principal em barra normal.
O eléctrodo secundário será de posição fixa e o principal de posição variável, permitindo
assim ajustar a distância entre os eléctrodos.
O eléctrodo secundário possui uma ligação exterior por onde possibilitará a sua ligação à
massa.
A forma de onda utilizada será a descrita anteriormente, bi-exponencial da forma 1,2/50µs,
tal como recomendada.
7. Ensaio Laboratorial
O ensaio visa uma análise comparativa de um meio isolante alternativo: Ar sintético versus
Ar atmosférico.
Figura 31: Cuba – medição da distância entre eléctrodos
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A realização dos ensaios de ondas de choque de características especificas (designada
1,2/50µs) são assegurados no laboratório de ensaios EFACEC – AMT através de um gerador de
ondas de choque, segundo a Norma CEI 60-1
T1=1,2µs ± 30%
Æ
[0.84 , 1.56] , tempo de frente
T2=50µs ± 20%
Æ
[40 , 60] , tempo de cauda
7.1. Principio de funcionamento do gerador
Durante a carga dos condensadores C, o seccionador I está fechado e as meias esferas
descarregadoras não são condutores: os condensadores estão em paralelo e uma fonte de tensão
continua Uc assegura a carga.
Quando os condensadores são carregados abres-se o seccionador I e a disrupção de todos os
descarregadores E é comandada simultaneamente.
No instante t=0 origina-se o choque. Os condensadores C estão em série e constituem nesse
instante uma fonte de tensão nUc para um gerador compreendendo n etapas. A capacidade de
frente Cf é descarregada e a tensão A é nula.
Esquematicamente podemos dizer que nos instantes seguintes à “disrupção” dos
descarregadores os condensadores C descarregam-se com uma constante de tempo CRq,
enquanto que a capacidade de frente carrega-se com uma constante de tempo nRfCf.
Praticamente nRfCf é muito inferior á CRq se bem que a carga de Cf se efectua rapidamente
relativamente á descarga de C.
Ao fim de um certo tempo, para a ocorrência do tempo de crista, a tensão aos terminais de
Cf apanha a tensão aos terminais dos condensadores C e, essas duas capacidades descarregam-se
através das resistências Rq.
Regulando convenientemente o valor das diferentes resistências e diferentes condensadores,
podemos variar as formas de tensão de choque produzida por este gerador e em particular o
ajuste das formas de corrente de arco eléctrico.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Figura 32: Esquema do gerador das ondas de choque
Figura 33: Forma de onda produzida pelo gerador das ondas de choque
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A performance de um gerador de choque exprime-se não somente pela tensão máxima de
carga (Uc) dos condensadores C e por o número de etapas n (400KV), mas igualmente através
da energia electrostática armazenada.
E=
1
n C U c2 (KJ)
2
Figura 34: Gerador da onda de choque
Figura 35: Gerador da onda de choque e protótipo
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Figura 36: Vista do laboratório de ensaios
7.2. Procedimento
Os ensaios foram realizados na EFACEC – AMT mais precisamente no laboratório de
Média Tensão, coma colaboração de um técnico com a formação adequada.
Ensaios com Ar à pressão atmosférica
Os ensaios consistiram em aplicar uma onda de choque aos eléctrodos, segundo as normas
para duas distâncias diferentes entre o eléctrodo e a massa (Fase-Massa).
Utilizou-se como dieléctrico o ar à pressão atmosférica, ou seja, a cuba encontrava-se
aberta.
Foram feitas várias leituras dos resultados da tensão de disrupção por forma a confirmar os
seus valores.
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Determinou-se assim a tensão de disrupção para as duas distâncias.
Ensaios com Ar Sintético
O segundo passo consiste na utilização do ar sintético como dieléctrico. Para isso a cuba foi
fechada e cheia com o referido ar. Inicialmente o enchimento foi realizado à pressão de 0bar
(pressão atmosférica), tendo-se de seguida variado a pressão em pequenos intervalos até ao
valor de 0,5 bar, valor máximo permitido pelo acrílico.
Para cada valor de pressão efectuaram-se várias leituras, com a finalidade de confirmar o
valor da medida da tensão disruptiva.
Determinou-se a tensão de disrupção para cinco valores diferentes de pressão do ar
sintético.
7.3. Característica das formas de onda aplicadas
Tempo de subida
Tempo de descida
7.4. Condições ambientais do ensaio
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- Temperatura
23ºC
- Humidade absoluta
60%
- Pressão
999mb
7.5. Ensaio utilizando o ar atmosférico como dieléctrico
Figura 35: Protótipo aberto
Figura 36: Eléctrodos à distância 39,5mm
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Figura 37: Eléctrodos à distância 74,5mm
Distância d (mm)
Tensão disruptiva Ud (kv)
39,5
47,9
74,5
65,44
A tensão disruptiva é directamente proporcional à distância entre os eléctrodos, ou seja
aumentando a distância entre eléctrodos, a tensão disruptiva aumentará também.
Como dieléctrico utilizou-se o ar atmosférico.
Para cada distância realizaram-se várias medidas para confirmar o valor.
7.6. Ensaio com a cuba fechada e cheia de ar sintético
Projecto / Seminário / Trabalho Final de Curso
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Figura 38: Distância entre eléctrodos d= 39,5
Realizou-se este ensaio para uma distância entre eléctrodos d = 39,5mm.
A pressão inicial foi de 0 bar (pressão atmosférica). De seguida realizou-se mais quatro
ensaios às pressões 0,1; 0,2; 0,3; e 0,5.
Figura 39: Protótipo em enchimento
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Figura 40: Forma de onda do gerador de choque em que não houve disrupção
Figura 41: Forma de onda do gerador de choque em que houve disrupção à pressão de 0bar.
Obtiveram-se os seguintes valores de tensão de disrupção para os vários valores da pressão.
0
Tensão disruptiva
(kV)
49,01
0,1
49,52
0,2
51,3
0,3
51,8
0,5
53,58
Pressão (bar)
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Tensão disruptiva Ed (kV)
Tensão disruptiva versus Pressão
54
53
Distância d=39,5mm
52
51
Linear (Distância
d=39,5mm)
50
49
48
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Pressão (bar)
Figura 41: Gráfico das tensões disruptivas obtidas a várias pressões
A pressão é directamente proporcional à tensão disruptiva.
Para a pressão a 0 bar a tensão disruptiva no ar sintético aumentou em relação ao ar
atmosférico, o que demonstra a influência da humidade na disrupção.
Para a pressão de 0,5 bar obteve-se uma tensão de disrupção de 53,58 kV. Verificou-se no
entanto, que o visor em acrílico, mesmo tendo o protótipo sido reforçado, não suportou pressões
superiores a 0,5 bar, como tal por interpolação determinou-se o valor da pressão para 125 kV
(24 kV), um valor utilizado para tensões de choque na média tensão.
Os valores obtidos permitem a aproximação linear da distribuição.
0
Tensão disruptiva
(kV)
49,01
0,1
49,52
0,2
51,3
0,3
51,8
0,5
53,58
8,17*
125
Pressão (bar)
* Valor calculado por interpolação
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Tensão disruptiva Ed (kV)
Tensão disruptiva versus Pressão
140
120
100
80
60
40
Distância d=39,5mm
20
0
0
1
2
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Pressão (bar)
Figura 42: Gráfico da tensão disruptiva, vários valores da tensão versus pressão incluindo a pressão a
Ed =125kV.
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8. Conclusões
Com o ar sintético há um aumento provocado da tensão disruptiva.
O ar sintético tem melhores qualidades isolantes que o ar atmosférico.Tal facto deve-se à
reduzida percentagem de teor de humidade (H2O), que o ar sintético possui e que o distingue do
ar atmosférico.
A água é condutora, quanto menor for a sua percentagem na constituição de um dieléctrico,
maior é a sua resistividade, por consequência a tensão de disrupção também será maior.
O ar sintético não consegue igualar as características do isolante SF6 . Facilmente se conclui
que para a mesma distância e pressão o SF6 suporta tensões de disrupção superiores.
O SF6 tem propriedades únicas que colocam o SF6 como o meio quase ideal para a
interrupção do arco e rigidez dieléctrica.
O estudo anteriormente efectuado mostra que o SF6 apresenta melhores qualidades isolantes
que o Ar e o Azoto. O SF6 é capaz de suportar tensões mais elevadas sem produzir o arco
eléctrico, permitindo ainda uma rápida regeneração da rigidez dieléctrica entre contactos e o
restabelecimento de tensões severas.
A rigidez dieléctrica é maior para o SF6 do que para todos os outros meios conhecidos à
mesma densidade.
A razão deve-se ao tamanho e às massas físicas relativamente grandes. O peso molecular é
146, o azoto é 28. O tamanho e a massa reduzem a propagação de electrões livres.
O SF6 age como um amortecedor inelástico para o mecanismo da colisão.
Esta comparação é legítima, na medida em que permite um melhor conhecimento do
comportamento dos dieléctricos e contribui de certa forma para a optimização do planeamento
ao nível da construção e exploração da aparelhagem de média tensão
Assim para que se proceda à realização de um projecto para a substituição do SF6 num dado
aparelho de corte e protecção é necessário elaborar um conjunto de estudos, entre eles o melhor
dieléctrico a utilizar, de forma a encontrar uma solução óptima e não inferior à do SF6.
Esta solução consiste em projectar um produto que satisfaça as exigências pedidas (correcto
funcionamento) e em simultâneo seja um produto produzido a um preço rentável.
Com este tipo de procedimento consegue-se obter maiores proveitos económicos.
O afastamento verificado entre o valor do gradiente de disrupção é devido à forma do
campo eléctrico e à diferença das distâncias entre os eléctrodos.
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O SF6 é claramente o melhor isolante que o mercado possui e com este conseguiu-se uma
redução muito significativa do espaço necessário para a implantação dos aparelhos de corte e
protecção. Como alternativas a este temos duas soluções: azoto ou ar sintético.
A rigidez dieléctrica de um gás aumenta com a pressão, na realidade ela aumenta com a
densidade, pois tem-se um maior numero de moléculas por unidade de volume, dificultando
assim a ionização.
Qualquer uma destas soluções à pressão de 3 bar (pressão normalmente utilizada para o SF6
na aparelhagem de média tensão), obtém-se uma tensão de disrupção inferior à do SF6.
O ar sintético e o azoto só serão a alternativa pretendida a pressões bastante superiores.
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9. Nota final
Embora existam problemas ambientais criados pelo SF6, dado ser um gás que contribui para
o efeito de estufa, num futuro mais próximo vai continuar a ser usado. As suas características de
corte são impares e nenhum dos eléctrodos alternativos as possui.
Para obtermos tensões de disrupção equivalentes ao SF6 terá de se aumentar a pressão dos
dieléctricos alternativos e/ou a distância dos eléctrodos. Assim perdermos algumas das
principais características adquiridas pela média tensão com o uso do SF6, como por exemplo:
fiabilidade, custos, características de corte e redução do espaço.
A sua substituição é muito difícil de concretizar e necessitará de grandes investimentos, na
continuação deste trabalho, procurando novas soluções e com características similares.
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10. Bibliografia
[1] – http://www.gasin.pt
[2] – http://www.solvay.com
[3] – http://www.metatechcotp.com
[4] – Reponsible use of SF6 in electrical distribution systems – Dr. Siegfried RUHLAND da
Alstom
[5] – Técnicas de corte do Eng. Caetano Gonçalves Joule – Merlin Gerin
[6] – Avances in high voltages and arc interruption in SF6 – Un Maller MS Noidu
[7] – Electric Field, Dielectric, constructions – FH Kreuger
[8] – Mitsubishi 12/24/36 kV Free gas – Insulated switchgear
[9] – L´hexafluorure de soupre – Alstom Atlantique
[10] – Breakdown of gases in uniform fields Paschen curves for nitrogen, air and súlfur
hexafluoride
[11] – Encyclopedie des Gaz
[12] – Efect of moisture and gaseous additives on dielectric strength of sulphur hexafluoride
[13] – Normas CEI
[14] – http://www.epa.gov/highgwp1/sf6/
[15] – http://www.spvs.org.br
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