desenvolvimento de esmaltes cerâmicos: aplicação em isoladores
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
ANDRÉ LUIZ GEROMEL PRETTE
DESENVOLVIMENTO DE ESMALTES CERÂMICOS: APLICAÇÃO EM ISOLADORES ELÉTRICOS DE ALTO DESEMPENHO
FLORIANÓPOLIS, ABRIL DE 2007.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
ANDRÉ LUIZ GEROMEL PRETTE
DESENVOLVIMENTO DE ESMALTES CERÂMICOS: APLICAÇÃO EM ISOLADORES ELÉTRICOS DE ALTO DESEMPENHO
FLORIANÓPOLIS, ABRIL DE 2007.
Dissertação apresentada ao programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais. Orientador: Prof. Dr.-Ing Márcio Celso Fredel Co-orientador: Prof. Dr. Eng. Orestes E. Alarcon
ANDRÉ LUIZ GEROMEL PRETTE
DESENVOLVIMENTO DE ESMALTES CERÂMICOS:
APLICAÇÃO EM ISOLADORES ELÉTRICOS DE ALTO DESEMPENHO
Esta dissertação foi julgada adequada para obtenção do título de Mestre em
Ciências e Engenharia dos Materiais e aprovada em sua forma final pelo
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia dos Materiais da
Universidade Federal de Santa Catarina.
Banca Examinadora:
FLORIANÓPOLIS, ABRIL DE 2007.
Prof. Márcio Celso Fredel Dr.-Ing. Orientador EMC/UFSC
Profª. Ana Maria Maliska Drª. Coordenadora – PGMAT
EMC/UFSC
Prof. Orestes Estevam Alarcon Dr. Eng. Co-Orientador EMC/UFSC
Prof. Guilherme Mariz de Oliveira Barra Dr.Eng. EMC/UFSC
Prof. Hazim Ali Al-Qureshi PhD EMC/UFSC
Etney Neves Dr. Eng. Diretor Executivo do IGCB
Ficha Catalográfica
PRETTE, André Luiz Geromel
DESENVOLVIMENTO DE ESMALTES CERÂMICOS: APLICAÇÃO EM ISOLADORES
ELÉTRICOS DE ALTO DESEMPENHO, Florianópolis, UFSC, Curso de Pós-Graduação
em Engenharia de Materiais, 2006.
xv, 77 p.
Dissertação de Mestrado: Engenharia de Materiais.
Orientador: Prof. Dr.-Ing. Márcio Celso Fredel
Co-Orientador: Prof. Dr. Eng. Orestes Estevam Alarcon
1. Esmaltes cerâmicos 2. Isoladores elétricos 3. Semicondutor
I. Universidade Federal de Santa Catarina.
II. Título
“Algo só é impossível até que alguém duvide e acaba provando o contrário.”
(Albert Einstein)
Sumário RESUMO _______________________________________________________ xiv
ABSTRACT _____________________________________________________ xv
1 INTRODUÇÃO _________________________________________________ 16
1.1 Contextualização e Justificativa _________________________________ 16
1.2 Objetivos __________________________________________________ 18
1.2.1 Objetivo geral____________________________________________ 18
1.2.2 Objetivos específicos______________________________________ 18
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS _____________________________________ 20
2.1 Formação dos arcos__________________________________________ 20
2.2 Métodos para atenuação do problema ___________________________ 22
2.2.1 Superfície Autolimpante ___________________________________ 24
2.2.2 Superfície Hidrófoba ______________________________________ 26
2.3 Esmaltes semicondutores _____________________________________ 27
2.3.1 Introdução ______________________________________________ 27
2.3.2 Utilização de Esmaltes Semicondutores à Base de Fe2O3 _________ 31
2.3.3 Utilização de Esmaltes Semicondutores à Base de TiO2 __________ 31
2.3.4 Utilização de Semicondutores à Base de SnO2/Sb2O3 ____________ 32
3 METODOLOGIA ________________________________________________ 35
3.1 Materiais___________________________________________________ 35
3.1.1 Esmalte Tradicional _______________________________________ 35
3.1.2 Esmalte Base ___________________________________________ 35
3.1.3 Componente Semicondutor_________________________________ 36
3.1.3.1 Óxido de Estanho (SnO2) _______________________________ 36
3.1.3.2 Óxido de Antimônio (Sb2O3) _____________________________ 36
3.1.3.3 Pigmento Semicondutor ________________________________ 36
3.1.4 Esmalte Semicondutor ____________________________________ 37
3.1.5 Massa e corpo do Isolador _________________________________ 37
3.2 Métodos ___________________________________________________ 38
3.2.1 Preparação do pigmento semicondutor________________________ 38
3.2.2 Preparação e aplicação do esmalte semicondutor _______________ 38
3.2.3 Caracterização microestrutural ______________________________ 39
3.2.3.1 Microscopia Eletrônica de Varredura ______________________ 39
3.2.3.2 Difração de raios-X ____________________________________ 40
3.2.3.3 Inspeção Visual_______________________________________ 41
3.2.4 Análises Dilatométricas ____________________________________ 42
3.2.5 Resistência Mecânica _____________________________________ 42
3.2.6 Resistência ao Choque térmico______________________________ 44
3.2.7 Testes de Resistividade Elétrica _____________________________ 45
3.2.8 Câmara Salina___________________________________________ 49
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ____________________________________ 52
4.1 Microscopia eletrônica de varredura _____________________________ 52
4.1.1 Matérias-primas__________________________________________ 52
4.1.2 Esmalte semicondutor _____________________________________ 53
4.2 Difração de raios-X___________________________________________ 55
4.2.1 Matérias-primas__________________________________________ 55
4.2.2 Esmaltes semicondutores __________________________________ 58
4.3 Inspeção Visual _____________________________________________ 59
4.4 Dilatometria ________________________________________________ 60
4.5 Resistência mecânica ________________________________________ 61
4.6 Resistência ao choque térmico _________________________________ 63
4.7 Resistividade elétrica _________________________________________ 63
4.8 Câmara Salina ______________________________________________ 64
5 CONCLUSÕES_________________________________________________ 72
6 SUGESTÕES __________________________________________________ 74
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS _________________________________ 75
LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Representação esquemática da ocorrência de flashover (Abdelaziz,
2004). .................................................................................................. 21
Figura 2 – Microdinâmica de formação do Flashover (adaptado de Karady, 1995).
............................................................................................................ 21
Figura 3 – Mecanismo de autolimpeza por hidrofilicidade. (Guan, 2004:159)...... 25
Figura 4 – Gota de água sobre uma folha de Lótus (Barthlott, 2005)................... 26
Figura 5 – Micrografia de uma folha de Lótus e esquema das nano ceras. (Dumé,
2005). .................................................................................................. 27
Figura 6 – Distribuição de corrente nos diferentes tipos de esmalte (adaptado de
Matsui, 1997)....................................................................................... 30
Figura 7 – Ilustração da aplicação de um filme de Fe2O3 utilizado como filtro de
radiofreqüência.................................................................................... 31
Figura 8 – Ilustração do isolador a ser esmaltado e testado. ............................... 37
Figura 9 – Geometria das roldanas utilizadas para teste da qualidade superficial
do esmalte. .......................................................................................... 37
Figura 10 – Esquema do recobrimento realizado................................................. 40
Figura 11 – Esquema de corte e observação em MEV. ....................................... 40
Figura 12 – Comparação visual entre os acabamentos superficiais do esmalte
tradicional e dos esmaltes semicondutores......................................... 41
Figura 13 – Equipamento de ensaio de resistência à flexão a três pontos. ......... 42
Figura 14 – Distribuição de tensão trativa no ensaio de flexão à 3-pontos. ......... 43
Figura 15 – Distribuição de tensão trativa no ensaio de flexão à 4-pontos. ......... 43
Figura 16 – Esquema do ensaio realizado em isoladores do tipo pilar. ............... 44
Figura 17 – Configuração básica para medidas de resistividade superficial
(Maryniak, 2003).................................................................................. 45
Figura 18 – Esquema de medida pelo método das 4-pontas. .............................. 46
Figura 19 – Esquema mostrando o contato de uma sonda com quatro pontas
colineares e eqüidistantes sobre uma amostra de dimensões semi-
infinitas. ............................................................................................... 47
Figura 20 – Esquema de ligação nos testes em barras esmaltadas e megôhmetro
utilizado nas medidas de isolamento................................................... 49
Figura 21 – Disposição dos isoladores no ensaio em câmara salina (Mayer, 2006).
............................................................................................................ 51
Figura 22 – Micrografia do óxido de estanho. ...................................................... 52
Figura 23 – Micrografia do óxido de antimônio..................................................... 52
Figura 24 – Grânulos de SnO2. ............................................................................ 52
Figura 25 – Grânulos de Sb2O3. ........................................................................... 52
Figura 26 – Micrografia do esmalte ESC1............................................................ 53
Figura 27 – Micrografia do esmalte ESC8............................................................ 53
Figura 28 – Micrografia do esmalte tradicional..................................................... 54
Figura 29 – Micrografia da camada esmaltada com dispersão da fase
semicondutora. .................................................................................... 54
Figura 30 – Micrografia do esmalte tradicional em teste preliminar de
condutividade. ..................................................................................... 55
Figura 31 – Micrografia do esmalte semicondutor em teste preliminar de
condutividade. ..................................................................................... 55
Figura 32 – Espectro de difração de raios-X para o óxido de estanho (JCPDS 21-
1250). .................................................................................................. 56
Figura 33 – Espectro de difração de raios-X para o óxido de antimônio (JCPDS
11-689). ............................................................................................... 56
Figura 34 – Espectro de difração de raios-X para o pigmento semicondutor
preparado. ........................................................................................... 57
Figura 35 – Espectro de DRX comparativo entre as matérias-primas e o pigmento
semicondutor. ...................................................................................... 58
Figura 36 – Espectro de difração de raios-X para o esmalte tradicional. ............. 59
Figura 37 – Espectro de difração de raios-X para o esmalte semicondutor. ........ 59
Figura 38 – Qualidade do acabamento superficial dos primeiros testes com pilares
25kV. ................................................................................................... 59
Figura 39 – Corpo de prova preparado com o novo lote de ESC1 para teste visual.
............................................................................................................ 60
Figura 40 – Curva de Weibull comparando as resistências à flexão do esmalte
desenvolvido, esmalte tradicional e massa do isolador....................... 62
Figura 41 – Isolador #1 com esmalte ESC1 após 72 horas de teste em câmara
salina. .................................................................................................. 71
Figura 42 – Isolador #2 com esmalte ESC1 ao final do teste em câmara salina.. 71
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Parâmetros utilizados no ensaio de resistividade superficial.............. 46
Tabela 2 – Exemplo de plano de ensaio dos isoladores. ..................................... 49
Tabela 3 – Coeficientes de dilatação do corpo cerâmico e esmaltes estudados. 61
Tabela 4 – Resistência mecânica dos esmaltes e massa (valores em [MPa]). .... 61
Tabela 5 – Resultados da análise de Weibull....................................................... 62
Tabela 6 – Primeiro ensaio realizado em câmara salina...................................... 64
Tabela 7 – Parâmetros de ensaio para o quarto teste em câmara salina. ........... 67
LISTA DE QUADROS Quadro 1 – Parâmetros de processo utilizados na literatura................................ 33
Quadro 2 – Óxidos que compõem o esmalte base. ............................................. 35
LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 – Variação da resistividade em função da temperatura (adaptado de
Higushi, 1978). .................................................................................... 29
Gráfico 2 – Ciclo térmico em forno túnel. ............................................................. 39
Gráfico 3 – Média móvel4 da corrente de fuga medida no primeiro ensaio em
câmara salina. ..................................................................................... 65
Gráfico 4 – Média móvel da corrente de fuga medida no segundo ensaio em
câmara salina. ..................................................................................... 66
Gráfico 5 – Média móvel da corrente de fuga medida no terceiro ensaio em
câmara salina. ..................................................................................... 66
Gráfico 6 – Corrente de fuga RMS para os isoladores ESC1 no quarto ensaio em
câmara salina. ..................................................................................... 68
Gráfico 7 – Corrente de fuga RMS para os isoladores ESC8 no quarto ensaio em
câmara salina. ..................................................................................... 69
Gráfico 8 – Corrente de fuga RMS para os isoladores ETG no quarto ensaio em
câmara salina. ..................................................................................... 69
Gráfico 9 – Desenvolvimento da corrente de terceiro harmônico no quarto teste
em câmara salina. ............................................................................... 70
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ETG – Esmalte tradicional;
ESC – Esmalte semicondutor;
T – Temperatura [K];
R – Resistividade superficial;
C.A. – Corrente alternada; D.C. – Corrente contínua;
σ – Tensão característica;
σ – Tensão média;
σ 50 – Tensão em 50% de falha
m – Módulo de Weibull;
r² – Quadrado do coeficiente de correlação do momento do produto de
________ Pearson;
U – Tensão elétrica;
I – Corrente elétrica;
L – Comprimento;
D – Largura;
σ – Condutividade;
ρ – Resistividade;
i – Corrente elétrica;
V – Tensão elétrica;
s – Distância;
F – Fator de correção de forma;
α – Coeficiente de expansão térmica linear.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente à Deus pelo dom da vida;
À minha eterna companheira Tatiane Eufrásio, pela dedicação, incentivo e
apoio no decorrer da elaboração deste trabalho e também pela paciência que teve
comigo nos momentos difíceis;
Ao meu mentor e orientador Prof. Márcio Fredel, pela oportunidade de
realizar este trabalho e pelas elucidações às minhas dúvidas;
Ao Prof. Orestes Alarcon pelo convite de realização desta pesquisa e pela
co-orientação neste trabalho;
À toda minha família pelo apoio moral e material;
Ao colega Rodrigo Ullmann pelo apoio e companheirismo nas viagens e
visitas em campo, também pelas diversas correções e contribuições realizadas
neste trabalho;
Aos grandes amigos Ivan Berzins, Fábio Volpato e Vinicius Bianchezzi que
mesmo não estando presentes ao meu lado, me apoiaram e ajudaram à distância;
À todos os colegas e colaboradores que direta ou indiretamente
contribuíram com a pesquisa, elaboração e finalização deste trabalho.
RESUMO
As descargas disruptivas em isoladores elétricos são problemas que
podem impossibilitar a transmissão e distribuição de energia elétrica. Isoladores
utilizados em regiões com alta salinidade ou poluição atmosférica estão mais
sujeitos a falhas devido a ocorrências de descargas disruptivas. Neste trabalho,
avaliou-se a ação de pigmentos semicondutores formados por 95% em peso de
SnO2 dopado com 5% de Sb2O3 e aplicados a isoladores elétricos de alta-tensão
com o propósito de melhorar o seu desempenho. O mecanismo de atuação do
esmalte semicondutor é o aquecimento ôhmico e a distribuição mais homogênea
da corrente elétrica pela superfície do isolador. Consequentemente há uma
redução no número de interrupções na transmissão e distribuição de energia
elétrica devido a descargas disruptivas. As características e as propriedades dos
esmaltes desenvolvidos foram avaliadas através de ensaios de microscopia
eletrônica de varredura, difração de raios-X, resistividade superficial e câmara
salina. Nos testes de resistência ao choque térmico e dilatometria avaliou-se o
acoplamento entre o esmalte desenvolvido e a massa utilizada. A resistência
mecânica foi aumentada em 13% devido ao menor coeficiente de expansão
térmica do esmalte. Os pigmentos semicondutores formulados e adicionados à
base 30% em peso em um esmalte cerâmico formam um esmalte semicristalino
que possui propriedades semicondutoras, e aplicados a isoladores de alta-tensão
reduziu o número e a severidade das descargas disruptivas, quando comparados
a isoladores elétricos tradicionais. Com os testes realizados em câmara salina,
constatou-se que esmaltes semicondutores podem desenvolver temperaturas
superficiais de 55°C e admitir grandes quantidades de sal depositado, sob alta-
tensão, sem que ocorra o desenvolvimento de flashover em sua superfície.
ABSTRACT
The flashovers that occur in electrical insulators are problems that can
cause shutdowns in the transmission and distribution line of electrical energy.
Insulators placed in regions with high salinity or atmospheric pollution are more
susceptible to failure due to occurrences of flashover. In this work was evaluated
the action of semiconductors pigments formed by 95%wt of SnO2 doped with
5%wt of Sb2O3 and applied to high-voltage electrical insulators with the purpose of
higher performance. The actuation mechanism of semiconductor is the ohmic
heating and the more homogeneous electrical current distribution through the
surface of insulator. Consequently there is a reduction in numbers of shutdown in
transmission and distribution line of electrical energy caused by flashover. The
characteristics and the properties of developed glazes was evaluate with the help
of scanning electron microscopy, x-ray diffraction, surface resistivity and salt-
spray chamber tests. In the thermal schock tests and thermal expansion
coefficient determination was evaluated the glaze-body fit. The mechanical
resistance was increased in 13% due to the lower thermal expansion coefficient
achieved. It was added 30%wt of the developed semiconductors pigments to a
ceramic glaze that forms a semicrystalline glaze with semiconductor properties
and applied to high-voltage insulators it reduced the numbers and the severity of
flashovers when compared with standard insulators. With the tests realized in salt-
spray chamber, it was verified that semiconductors glazes can develop surface
temperature about 55°C and endure large quantities of deposited salt, under high-
voltage, without the development of flashover in their surface.
16
1 INTRODUÇÃO
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO E JUSTIFICATIVA
As redes de distribuição de energia elétrica podem ter seu desempenho
afetado quando submetido à poluição provinda de regiões industriais ou
litorâneas, devido ao depósito de impurezas e sais em suspensão no ar, que são
carregados pela ação dos ventos e se acumulam na superfície dos isoladores.
Estas impurezas formam uma camada de poluição que em determinadas
condições pode dar origem a arcos, e causar o desligamento da rede de
fornecimento de energia elétrica (Leite, 1985)(Lima, 2006, comunicação pessoal).
Para atenuar essa interrupção, em locais mais críticos, foi adotada a
lavagem dos isoladores. Porém, este processo não resolve o problema de forma
definitiva e possui um custo operacional elevado. Contextualização.
Necessita-se, então, desenvolver uma técnica ou solução para o problema
de arcos ocorridos na rede de distribuição de energia elétrica, ou pelo menos,
encontrar uma forma mais eficiente e economicamente viável de atenuar este
problema.
Os isoladores cerâmicos utilizados para fixação dos fios e cabos aéreos
apresentam um bom desempenho quando colocados em uso nas redes de
distribuição de energia elétrica não críticas. A porcelana utilizada é um excelente
isolante, com resistência dielétrica adequada e boa resistência às intempéries.
São inertes, estáveis e podem suportar considerável quantidade de arcos
elétricos sem degradação comprometedora (Lima, 2006, comunicação pessoal).
A superfície do isolador é composta de óxidos metálicos que possuem alta
energia superficial e que confere elevado caráter hidrofílico ao isolador. Esta alta
molhabilidade pode ocasionar a formação de uma película de água sobre a peça,
que, se for contínua pode conduzir corrente e fechar um arco. Em decorrência
disto fica incapacitada a transmissão de energia elétrica pela rede, o que
caracteriza o fenômeno denominado flashover (Liebermann, 2002).
O flashover é um problema que constantemente se agrava com o aumento
contínuo da poluição e a crescente concentração de indústrias próximas ao litoral.
A poluição e os sais depositam-se com o passar do tempo sobre a superfície do
17
isolador até alcançar uma concentração tal que, em presença de umidade, podem
formar uma película contínua condutora e causar o flashover (Liebermann, 2002).
A utilização de isoladores elétricos em linhas de distribuição localizadas em
regiões que estão sujeitas à névoa salina e poluição atmosférica muitas vezes
encontram-se em situação de risco, uma vez que os isoladores tradicionalmente
utilizados no Brasil (cerâmicos) não têm uma performance adequada em função
da ocorrência de flashovers, ou descargas disruptivas.
A causa destas descargas é decorrente do depósito de resíduos de
poluição ou névoa salina que, associados à presença de umidade, resultam em
um eletrólito que permite a passagem de corrente ao longo do isolador. Com base
nestes aspectos, há duas maneiras de se atuar sobre o problema: evitar a
contaminação do isolador ou evitar a presença de umidade.
Atualmente a solução empregada é evitar a contaminação através da
manutenção periódica destes isoladores (processo de limpeza, lavagem), que
dessa forma elimina o acúmulo de contaminantes na superfície da peça
(Liebermann, 2002)(Lima, 2006, comunicação pessoal). Esta é uma situação que
demanda alto tempo de operação, implica em custos elevados e nem sempre se
mostra eficiente, uma vez que, mesmo com as limpezas, flashovers são
freqüentemente observados nas linhas de transmissão de energia (Abdelaziz,
2004)(Leite, 1985)(Lima, 2006, comunicação pessoal).
Como a presença de contaminantes é inevitável, outras soluções são
estudadas no sentido de impedir a formação de filmes líquidos na superfície do
isolador e a conseqüente formação do eletrólito condutor. Considerando a não
formação de um eletrólito na superfície do isolador, duas são as principais
estratégias utilizadas atualmente:
• Deposição de um material hidrofóbico (polímeros) na superfície do
isolador (graxas ou filmes aplicados por tecnologias mais avançadas)
ou mesmo a fabricação de isoladores integralmente em material
polimérico;
• Utilização de esmaltes semicondutores para promover o aquecimento
da superfície e evitar, assim, a presença de umidade, além de
possibilitar uma distribuição homogênea de tensão elétrica ao longo do
isolador.
18
Em algumas regiões são utilizadas graxas à base de petróleo e silicone
(Liebermann, 2002). É conhecido que hidrocarbonetos, fluorcarbonetos e silicones
têm baixa energia de superfície e são hidrofóbicos. O filme polimérico formado
repele as gotículas de água, o que dificulta a formação de uma película contínua
condutora e a conseqüente passagem de corrente elétrica.
Uma prática desenvolvida na década de 90 (Liebermann, 2002) foi utilizar
recobrimento de borracha de silicone vulcanizada à temperatura ambiente sobre
os isoladores cerâmicos com a finalidade de melhorar a performance elétrica da
peça quando em presença de poluição e névoa salina. Esta prática alia a
resistência mecânica e dielétrica da cerâmica à hidrofobicidade do filme
polimérico.
Todas as alternativas acima citadas são plausíveis de uso e podem,
eventualmente, serem estudadas e colocadas em produção industrial, no entanto,
com o intuito de minimizar o impacto das mudanças nas linhas de produção já
existentes, neste trabalho serão estudados somente esmaltes semicondutores
que promovam um aquecimento superficial e uma distribuição homogênea de
corrente. Isto se justifica, pois assim, o processo industrial de produção dos
isoladores se manteria o mesmo, com a alteração somente na composição dos
esmaltes, que possuirão propriedades semicondutoras.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo geral
Como objetivo geral deste trabalho tem-se o desenvolvimento de esmaltes
cerâmicos semicondutores de alto desempenho para serem aplicados em
isoladores elétricos de alta tensão os quais serão colocados em regiões
susceptíveis à poluição intensa e névoa salina.
1.2.2 Objetivos específicos
• Reduzir a ocorrência de descargas disruptivas nos isoladores elétricos com
base na alteração do esmalte que o recobre;
• Definir o comportamento de materiais semicondutores à base de SnO2
quando inseridos em esmaltes cerâmicos;
19
• Avaliar a estabilidade térmica dos esmaltes semicondutores obtidos;
• Avaliar o comportamento do esmalte desenvolvido em laboratório quando
submetido a ciclo industrial;
• Constatar o aquecimento por efeito Joule e a distribuição homogênea de
tensão na superfície do isolador;
• Estimar a vida útil do isolador com esmalte semicondutor através de ensaio
em câmara salina, conforme a norma NBR10621, para simular condições
severas de uso.
20
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1 FORMAÇÃO DOS ARCOS
A formação de arcos devido à contaminação dos isoladores é um dos
problemas mais críticos encontrados em linhas de transmissão e distribuição de
energia, uma vez que resulta em diversos problemas como, por exemplo, a
degradação do esmalte, a interferência em equipamentos que trabalham em
radiofreqüência e, em casos mais extremos, a interrupção da transmissão de
energia elétrica. A macro e a microdinâmica de formação destes arcos, seguem
algumas etapas.
Para a macrodinâmica de formação dos arcos, seguem, as etapas do
processo ilustrado esquematicamente na Figura 1:
• Deposição de contaminantes: correntes de ar levam poluição seca à
superfície do isolador
• Umidificação da superfície: umidade, orvalho, névoas e chuvas umedecem
a superfície do isolador, que dissolve os contaminantes e forma um
eletrólito condutor. Este eletrólito diminui a resistência na superfície e uma
corrente de fuga é gerada.
• Aquecimento ôhmico e formação de bandas secas: a energia é dissipada
pela corrente de fuga na forma de calor, o resultado é a evaporação da
umidade. Devido à geometria do isolador a corrente tende a se concentrar
em determinadas regiões (locais de menor secção reta), com isso, estas
são secas mais rapidamente. Devido à secagem não uniforme na
superfície do isolador são formadas bandas secas, interrompendo o fluxo
de corrente ao longo da superfície.
• Formação de arcos parciais e correntes disruptivas: a tensão existente
entre as bandas secas, que podem ter apenas alguns centímetros de
altura, gera descargas no ar e a banda seca é ultrapassada por arcos
elétricos. A corrente disruptiva (ou flashover) ocorre quando as descargas
ultrapassam as regiões úmidas ainda existentes no isolador.
21
Figura 1 – Representação esquemática da ocorrência de flashover (Abdelaziz, 2004).
A) Deposição de contaminantes. B) Umidificação da Superfície. C) Formação de bandas secas e arcos parciais. D) Flashover
A microdinâmica do processo de formação dos arcos, conforme Karady,
1999, assim como as etapas para a geração dos arcos parciais, podem ser
observadas na Figura 2.
Figura 2 – Microdinâmica de formação do Flashover (adaptado de Karady, 1995).
Como citado anteriormente a total deposição de poluentes sobre a
superfície dos isoladores é inevitável sendo possível apenas reduzi-la. Orvalho,
neblina, chuva leve ou alta umidade produzem gotas na superfície do isolador
como mostrado na Figura 2A. Sais dos poluentes, já depositados, se dissolvem
nas gotas de água que se tornam condutoras e geram uma camada resistiva ao
redor de cada gota como vista na Figura 2B.
O molhamento contínuo da superfície aumenta a densidade de gotas sobre
a mesma unindo-as e resultando em uma superfície condutora formada por água
e sais. A voltagem sobre o isolador gera uma pequena corrente de fuga através
das camadas condutoras, aquecendo o eletrólito que aumenta sua resistência
A B C D
1 corona - Em eletricidade, uma descarga de corona é uma descarga elétrica produzida pela ionização de um fluido nas redondezas de um condutor, a qual ocorre quando o gradiente elétrico excede certo valor, mas as condições são insuficientes para causar um arco elétrico.
22
devido à perda de água (em geral os poluentes sólidos são maus condutores). Em
decorrência disto, pequenas bandas secas se formam. O desenvolvimento de
bandas secas interrompe o fenômeno da corrente de fuga.
O aumento da intensidade do campo elétrico pode ocasionar descargas
corona1 na superfície, resultando no espalhamento da água sobre a superfície, e
na formação filamentos, como os mostrado na Figura 2C.
A condução elétrica dos filamentos reduz a distância entre os eletrodos e
aumenta o campo entre eles, se o campo elétrico local for maior que 20kV/cm
ocorrem descargas pontuais, Figura 2D.
A corrente de fuga flui através do caminho condutor secando a superfície.
Isto resulta na interrupção do fluxo e formação de regiões secas separadas, as
regiões úmidas estão distribuídas aleatoriamente na superfície, Figura 2E.
Os fenômenos descritos se repetem até que haja um arco unindo os
eletrodos e gerando o flashover (Figura 2F) ou até que uma região seca grande o
suficiente seja produzida eliminando o risco de flashover. (Karady, 1999)
2.2 MÉTODOS PARA ATENUAÇÃO DO PROBLEMA
Tendo em vista os problemas gerados pelas descargas elétricas ou
flashover, algumas técnicas são utilizadas no sentido de atenuar a sua formação,
como as citadas abaixo:
- Aumento da distância de escoamento através da modificação do
design do isolador: Atualmente uma distância mínima de
escoamento (expressa em mm/kV) é adotada dependendo do grau
de poluição existente. Porém, mesmo com a utilização de grandes
distâncias, os flashovers não são evitados por completo.
- Eliminação da sujeira, através de lavagens periódicas: Processo
que, além de dispendioso, também não soluciona por completo o
problema, uma vez que o acúmulo de contaminantes se dá entre os
períodos de limpeza.
- Utilização de uma superfície hidrofóbica: Como os materiais
cerâmicos são tipicamente hidrófilos, em função do caráter
covalente de suas ligações químicas, um filme de água é facilmente
formado em sua superfície. A utilização de compostos apolares,
23
como, por exemplo, o silicone, evita a formação de filmes
minimizando assim a ocorrência de flashover. Estes polímeros
podem ser aplicados na forma de graxas como também através de
tecnologias mais sofisticadas como plasma e spray coating. Em
alguns casos o isolador é inteiramente fabricado de material
polimérico.
- Aplicação de esmaltes semicondutores: A utilização destes esmaltes
foi proposta há anos e inibe a formação de arcos através de pelo
menos dois mecanismos:
• distribuição uniforme da tensão ao longo do isolador, uma vez
que o esmalte permite o fluxo de corrente, e diminui assim a
tensão entre as regiões úmidas, o que evita a formação de arcos.
• aquecimento da superfície através de efeito Joule, e
conseqüente eliminação da umidade.
Dentre estes métodos é possível observar que, os mecanismos que
possibilitaram maior eficiência na eliminação das correntes disruptivas são: a
utilização de superfícies hidrofóbicas e a aplicação esmaltes semicondutores.
Diversos trabalhos apresentam comparativos entre isoladores que se utilizam
destes artifícios e os isoladores tradicionais, onde os resultados mostram que:
• a tensão que pode ser aplicada em isoladores com esmaltes
semicondutores é o dobro daquela suportada por isoladores cerâmicos
tradicionais, em testes de laboratório sob umidade e contaminação com sal
(Matsui, 1997) e até três vezes maior após utilização em campo durante 24
meses em ambientes sujeitos a poluição química e névoa salina
(Sangkassad, 2000);
• a tensão que pode ser aplicada em isoladores com esmaltes
semicondutores é levemente superior aquelas suportadas por isoladores
de silicone em testes de laboratório sob umidade e contaminação com sal
(Matsui, 1997) e após utilização em campo durante 24 meses em
ambientes sujeitos a poluição química e névoa salina (Sangkassad, 2000);
• quando aplicados em diferentes regiões sujeitas a contaminações salinas e
petroquímicas, isoladores com esmalte semicondutor não apresentaram
24
flashover após utilização média de 15 anos, enquanto em isoladores
tradicionais, mesmo com lavagens periódicas, ocorrem flashovers (Baker,
1990)
• a condutividade gerada pela formação de eletrólito (ou seja, descontada a
condutividade resultante do caráter semicondutor do esmalte) na superfície
de isoladores com esmalte semicondutor é significativamente menor em
testes de laboratório sob poluição quando comparadas aos isolantes
tradicionais ou recobertos com silicone (Kato, 2000);
• a atividade corona é significativamente inferior para isolantes com esmaltes
semicondutores, quando comparados a isolantes tradicionais ou de silicone
(Matsui, 1997).
Estes resultados mostram que a utilização de esmaltes semicondutores
traz benefícios significativos quando comparados aos isoladores tradicionais e
têm performance equivalente ou superior aos isoladores poliméricos.
Uma questão que por vezes surge com relação à utilização deste material
diz respeito às perdas de potência decorrentes da corrente de fuga necessária
para que se tenha o efeito resistivo e aquecimento de superfície. Sobre estas
perdas pode-se afirmar que são pequenas quando comparadas a outras, como
pelo efeito corona por resistência do condutor (Matsui, 1997).
No caso de esmaltes semicondutores, existem no mercado alguns tipos de
isoladores que já utilizam deste método como camada de proteção. São utilizados
óxido de estanho (SnO2) dopado com óxido de antimônio (Sb2O3) que propiciam à
superfície um aquecimento ôhmico e uma melhor distribuição de cargas elétricas
(Fontanesi, 1998).
Há também esmaltes a base de hematita (Fe2O3), que foi um dos primeiros
materiais utilizados como esmalte semicondutor, porém, este apresenta um alto
nível de corrosão eletrolítica e instabilidade térmica. Os esmaltes à base de
hematita são normalmente utilizados como filtro de rádio freqüência
(Rosenblatt, 1976).
2.2.1 Superfície Autolimpante
Uma das maneiras de se evitar os arcos é o desenvolvimento de uma
superfície auto-limpante que pode ser conseguida com a utilização da fase
25
anatásio (óxido de titânio - TiO2), pois, este é um potente composto
fotocatalisador capaz de quebrar praticamente qualquer composto orgânico
(Frazer, 2001) (Reddy, 2002).
Durante os anos 70, cientistas descobriram que o TiO2 absorve, do
espectro solar, energia UV com comprimento de onda de 385 nanômetros e, em
presença de vapor de água, duas substâncias altamente reativas são formadas:
radicais hidroxil [OH-1] e;
íons super-óxidos [O2-1].
Os radicais hidroxil são oxidantes muito fortes e atacarão todo tipo de
composto orgânico, incluindo células vivas (Frazer, 2001).
Segundo Guan, K. et. al. (2003), adições de SiO2 na titânia, reduzem o
ângulo de contato da água durante irradiações UV. A variação ótima existe para
40 mol% de SiO2 para TiO2, com efetiva redução no ângulo de contato da água.
SiO2 e TiO2 formam partículas óxidas simples nos filmes, mas uma menor parte
forma óxidos complexos com ligações Ti-O-Si, esses óxidos aumentam o caráter
ácido da superfície, deixando-a hidrofílica e com capacidade de adsorver água em
ambientes escuros.
Neste caso o processo se dá pela interação da água com os buracos
deixados quando átomos de oxigênio são ejetados do material pela redução dos
átomos de Ti+4 para Ti+3, com isso os grupos OH da água ocupam as vagas
deixadas pelo oxigênio e assim conferem à superfície o caráter hidrofílico (Guan,
2004). O mecanismo hidrofílico de autolimpeza é mostrado na Figura 3.
Figura 3 – Mecanismo de autolimpeza por hidrofilicidade. (Guan, 2004:159).
a) Água adsorvida na superfície. b) Impedimento da adsorção de contaminantes. c) Limpeza pela água.
26
A limitação que existe no uso de superfícies autolimpantes, em isoladores
elétricos, é o fato de que esta camada ativa deve estar exposta ao tempo, ou seja,
deve ser uma camada depositada. Não sendo possível produzi-la no mesmo
processo produtivo que se fabricam isoladores cerâmicos tradicionais, que
possuem na sua superfície, inevitavelmente, uma camada de esmalte vítreo.
Para utilização deste método de limpeza seria necessário um processo
posterior à produção, uma deposição de camada por métodos como, CVD
(Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition) ou mesmo
Spraycoating.
2.2.2 Superfície Hidrófoba
Como os materiais cerâmicos são normalmente hidrofílicos, em função do
caráter covalente de suas ligações químicas, um filme de água é facilmente
formado na superfície. Pode-se alterar o caráter de uma superfície de diversas
maneiras, pelo recobrimento da superfície com polímeros apolares ou utilização
de outros compostos hidrófobos.
Existem no mercado atual isoladores produzidos inteiramente de polímero,
bem como inúmeras maneiras de se obter uma superfície hidrófoba, utilizando-se
de diferentes formas de recobrimento, por simples pintura, deposição através de
PVD, entre outros.
A superfície hidrófoba funcionaria evitando a formação de um filme
contínuo de água, uma vez que todo o vapor de água ou névoa salina que entre
em contato com a superfície forma pequenas gotículas que são facilmente
removidas pela ação da gravidade.
Idealmente, o que se tenta obter em relação a superfícies hidrófobas é um
mecanismo semelhante ao Efeito Lotus, apresentado na Figura 4, onde se
observa uma gota de água sobre uma folha de Lotus, superfície considerada
super-hidrófoba.
Figura 4 – Gota de água sobre uma folha de Lótus (Barthlott, 2005).
27
O caráter super-hidrófobo da folha de Lotus deve-se a uma combinação de
fatores em sua superfície, micro-estruturas (células) e nano-estruturas (cristais de
cera) que minimizam a área de contato superficial, como pode ser observada na
Figura 5.
A dificuldade existente em produzir um isolador com a superfície
super-hidrófoba, como a folha de Lótus, é devido ao fato de que durante o
transporte ou na colocação pode haver choques e arranhões nas superfícies,
dessa forma as micro-estruturas ou nano-estruturas podem ser danificadas e
assim não cumpririam a função para qual foram projetadas.
2.3 ESMALTES SEMICONDUTORES
2.3.1 Introdução
Esmaltes semicondutores são produzidos comercialmente desde os anos
de 1970, sendo que deve ser levado em conta, além das vantagens já
apresentadas, o fato de que é observado na superfície dos mesmos um
envelhecimento no decorrer do tempo. Este faz com que haja uma redução da
condutividade e também deterioração das suas propriedades.
Para que um esmalte semicondutor atue de forma efetiva existem algumas
características que devem ser observadas, dentre as quais se podem destacar:
Resistividade Adequada: o material semicondutor deve ter uma
resistividade adequada para permitir os efeitos esperados (aquecimento por efeito
Joule e uniformização da tensão no material). Valores de resistividade para
Figura 5 – Micrografia de uma folha de Lótus e esquema das nano ceras. (Dumé, 2005).
2 (Ω/²) - A unidade física para resistividade superficial é Ohm (Ω), para não haver confusão entre resistividade superficial e resistividade volumétrica, e para diferenciar ambas, a resistividade superficial é usualmente expressada como Ohm/quadrado ou Ohm/2 ou Ohm/cm2 (Higushi, 1978) (Rosenblat, 1976) (Maryniak, 2003)
28
superfície na ordem de 11-200 [MΩ/²]2 são sugeridos (Rosenblatt, 1976)(Higushi,
1978), e empregados em diversos trabalhos (Fontanesi, 1998).
Estabilidade térmica: os semicondutores apresentam uma variação de
resistividade com a temperatura, conforme a equação 1, o que é indicado pelo
coeficiente de temperatura da resistividade. Este coeficiente é, na maioria das
vezes, negativo, ou seja, à medida que existe um aumento na temperatura a
resistividade do material diminui.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
00
11expTT
BRR equação 1 (Higushi, 1978)
Onde:
R: Resistividade superficial (MΩ/2) em temperatura T (K)
R0: Resistividade superficial (MΩ/2) em temperatura T0 (K)
B: Constante (K)
Da equação 1, o coeficiente da temperatura (α) da resistividade elétrica é
definido como:
2
1TB
dTdR
R−=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=α equação 2 (Higushi, 1978)
Segundo a equação 2, a taxa de decrescimento da resistividade superficial
resulta do aumento da temperatura e é maior quanto maior for o valor de B.
A constante B pode possuir valores que variam de algumas centenas à
alguns milhares como sugere Higushi, 1978. De forma ilustrativa, os valores de B
para materiais como Fe2O3 podem possuir valores da ordem de 3000 a 5000 K, já
para o SnO2 esses valores ficam entre 1000 a 2500 K.
O Gráfico 1 ilustra como se comporta, em relação à mudança de
temperatura, a resistividade superficial de compostos como a hematita (Fe2O3) e o
óxido de estanho dopado com óxido de antimônio (SnO2-Sb2O3). Nota-se que a
variação no valor de B altera significantemente os valores de resistividade
superficial.
29
Gráfico 1 – Variação da resistividade em função da temperatura (adaptado de Higushi, 1978).
De forma a facilitar a comparação entre diferentes semicondutores, uma
segunda maneira de se expressar esta propriedade é através da “meia
temperatura”, T, que corresponde à diferença de temperatura necessária para que
a resistividade caia para 50% do seu valor inicial. Desta forma busca-se um alto
valor de “T”, de forma que a resistividade não seja significativamente afetada por
flutuações da temperatura em serviço. Além disso, uma “meia-temperatura” baixa
pode resultar num colapso do semicondutor, em função do efeito cascata de
diminuição da resistividade e aumento de temperatura, chegando a uma
condutividade excessivamente alta.
Estabilidade química: um dos problemas que pode ser encontrado em
função da formulação do esmalte é a sua degradação. Este fenômeno pode ser
acentuado pela passagem de corrente, que promove processos eletroquímicos de
corrosão quando na presença de um eletrólito (Higushi, 1978).
Acoplamento com material base: a formulação do esmalte deve ter um
coeficiente de expansão térmica adequado de forma a haver um acoplamento
adequado com o corpo do isolador. Tipicamente, o coeficiente de expansão
térmica do esmalte deverá ser inferior ao do corpo cerâmico, de forma a permitir
um estado de tensão compressiva na camada superficial, e assim, aumentar a
resistência mecânica do componente.
A utilização de esmaltes semicondutores inibe a formação de arcos devido
ao fato de poderem distribuir uniformemente a tensão sobre eles aplicada,
Resistividade X Temperatura
0 5
10 15 20
25 30
35 40
20 40 60 80 100 120 140 160
Temperatura (°C)
Rei
stiv
idad
e S
uper
ficia
l (M
Ohm
/²)
SnO2-Sb2O3
Fe2O3
30
reduzindo assim a diferença de tensão gerada entre as bandas secas que se
formam sobre sua superfície. Ocorre também o aquecimento da superfície pela
ação da passagem de corrente elétrica pelo esmalte semicondutor. Conforme é
mostrado na Figura 6.
Esmalte Semicondutor
Esmalte Semicondutor
Esmalte Tradicional
Massa do Isolador
Flashover
Massa do Isolador
Massa do Isolador
Corrente de Fuga
Corrente de Fuga
Corrente de Fuga
Banda seca Eletrólito condutorEletrólito condutor
Banda seca Eletrólito condutorEletrólito condutor
Banda seca
A
B
C
Figura 6 – Distribuição de corrente nos diferentes tipos de esmalte (adaptado de Matsui, 1997).
A Figura 6A mostra o fluxo de corrente elétrica em um isolador fabricado
com esmalte tradicional. Vê-se que, quando se forma uma banda seca entre as
bandas condutoras a corrente, já em fluxo por dentro do eletrólito, tende a
continuar passando de um eletrodo ao outro. Devido à isolação promovida pela
banda seca, a única maneira da corrente continuar em fluxo é ionizar o ar à sua
volta e constituir o flashover.
Em um isolador fabricado com esmalte semicondutor, Figura 6B, quando
ocorre a formação de uma banda seca, isolante, a corrente tende a continuar em
fluxo e, como a condutividade do esmalte é ligeiramente maior que a do ar, esta
inevitavelmente busca o meio que oferece menor resistência à sua passagem.
Dessa forma, a corrente elétrica é desviada para a camada de esmalte que a
distribui uniformemente e, devido ao efeito Joule, aquece a superfície e acelera
sua secagem; isto aumenta ainda mais a distância entre as bandas secas, o que
dificulta a ocorrência de flashover (Figura 6C).
31
2.3.2 Utilização de Esmaltes Semicondutores à Base de Fe2O3
A hematita (Fe2O3) foi um dos primeiros materiais propostos para utilização
em esmaltes com comportamento semicondutor, porém, esta apresenta
problemas de corrosão eletrolítica (dissolução da fase semicondutora), além de
ser termicamente instável (Rosenblatt, 1976) (Higushi, 1978).
Apesar de ser um dos materiais de menor custo para esta aplicação, a
hematita promove uma coloração escura no esmalte e um aspecto áspero da
superfície, o que dificulta sua comercialização e pode ocasionar um maior
acúmulo de poluição sobre o isolador. Atualmente a hematita é utilizada em
esmaltes para isoladores elétricos como sendo um filtro para rádio freqüências,
conhecidos como Isoladores Rádio Tratados (RT). O esmalte é aplicado somente
na região que toca um dos condutores e não é utilizada sua propriedade de
aquecimento pelo fato de não passar corrente através do esmalte, Figura 7.
Figura 7 – Ilustração da aplicação de um filme de Fe2O3 utilizado
como filtro de radiofreqüência.
2.3.3 Utilização de Esmaltes Semicondutores à Base de TiO2
Outro material estudado como fase condutora em esmaltes foi a titânia
sub-estequimétrica. Uma vez que se trata, no caso específico, de um óxido
deficiente em oxigênio, a fórmula mais apropriada é TiO2-x, onde x é determinado
pela quantidade de defeitos iônicos na rede. Esta deficiência de oxigênio
possibilita a existência de portadores de carga responsáveis pelo caráter
semicondutor do material. Esmaltes fabricados a partir deste material são
considerados instáveis (Baker, 1990), uma vez que as descargas que ocorrem no
isolador fornecem energia suficiente para que o material oxide de forma completa,
perdendo-se desta forma suas propriedades semicondutoras (Rosenblat, 1976).
Esmalte semicondutor
(Fe2O3)
32
2.3.4 Utilização de Semicondutores à Base de SnO2/Sb2O3
Além da utilização de Fe2O3 e TiO2, um terceiro material proposto é o óxido
de estanho, o qual possui algumas propriedades óticas e elétricas muito
específicas. O óxido de estanho puro é um semicondutor intrínseco com energia
de Gap igual a 3,6 eV e, após sua dopagem com 5% em peso de Sb2O3, essa
energia decai para 0,14 eV (Aguiar 2004)(Ovenston, 1994). Uma das
possibilidades para se modificar as propriedades elétricas deste material é
através da utilização de dopantes, os quais permitem que este passe a ter um
caráter semicondutor.
Dentre os dopantes para o óxido de estanho que já foram estudados,
óxidos de antimônio (Sb2O3 e Sb2O5) se mostraram como aqueles que conferem
uma maior condutividade ao material (Ogawa, 1972). A condutividade elétrica do
SnO2 pode ser aumentada em muitas ordens de grandeza pela dopagem com
Sb2O3 (Ovenston, 1994). Neste caso, através de um tratamento térmico
adequado, tem-se a difusão substitucional de átomos de antimônio na rede do
óxido de estanho. Uma vez que o antimônio possui um elétron de valência a mais
que o estanho, este passa a portar portadores de cargas livre que possibilitam a
condução elétrica no material. Como a condução se dá por elétrons, o material
pode ser classificado como um semicondutor extrínseco tipo n (Masona, 2002).
Além da alta condutividade, este material apresenta um coeficiente de
resistência da temperatura de valor baixo e negativo, bem como boa estabilidade
térmica e química. Devido a estas características a utilização deste material para
fabricação de esmaltes semicondutores foi proposta há vários anos, com patentes
datando do início dos anos 70 (Higuchi, 1978).
A rota mais comum para obtenção deste material é a mistura e a moagem
da matéria-prima (SnO2 e Sb2O3) e o subseqüente tratamento térmico, permitindo,
então, a formação do semicondutor (Ogawa, 1972).
O semicondutor pode ser preparado à parte, na forma de um aditivo, para
posterior adição ao esmalte. Ou, alternativamente, as matérias-primas podem ser
adicionadas diretamente na composição no esmalte, de forma que durante a
queima ocorra a formação da fase desejada. Existe uma razão ideal entre óxido
de antimônio e óxido de estanho que deve ser empregada, de forma a se atingir a
condutividade apropriada. Da mesma maneira, existe uma quantidade de material
33
adequada a ser adicionada no esmalte, de forma a permitir uma continuidade da
fase condutora. Alguns parâmetros de processo citados em trabalhos já
realizados estão sumarizados no Quadro 1.
Quadro 1 – Parâmetros de processo utilizados na literatura.
Razão em massa
de Sb2O3/SnO2
Quantidade em
massa do
semicondutor no
esmalte
Rota de Processamento Referência
5% ~30% Moagem, calcinação (1000 °C/4 h),
esmaltação, queima (1250 °C/5 min)
(Aguiar, 2004)
5% ~23-26% Moagem, calcinação, esmaltação,
queima (1250 °C)
(Ullrich, 2005)
Diversos Diversos Moagem, esmaltação e queima direta
(1100 °C/ 50 min) (Fontanesi, 1998)
0 – 15% - Moagem e calcinação (1000 °C/1 h) (Ovenston, 1994)
Além das matérias-primas básicas, alguns aditivos ou modificações são
propostos na fabricação de esmaltes a base de SnO2/Sb2O3, como por exemplo:
• a utilização de óxido de nióbio (Nb2O5) em teores próximos de 1%,
permitindo uma melhor resistência à corrosão, menor coeficiente de
temperatura da resistividade (Matsui, 1997), bem como uma melhor
distribuição de resistividade ao longo do esmalte (Higuchi, 1980);
• a utilização de um estanato (como, por exemplo, CaSnO3) no lugar do
óxido de estanho para possibilitar que propriedades elétricas sejam menos
suscetíveis às temperaturas de tratamento térmico, além de garantir um
menor coeficiente de temperatura da resistividade (Rosenblatt, 1976).
Para a obtenção de materiais eletrônicos também existem evidências de
que a adição de óxido de cobre melhora a sinterabilidade do material, resultando
em peças de maior densidade aparente (Mihaiu, 2001).
Com relação à estabilidade térmica dos óxidos envolvidos na preparação
deste semicondutor, percebe-se que em ensaios de DTA/TG até 1350oC
nenhuma reação ou perda de massa é observada para o SnO2, enquanto que
34
para o Sb2O3, um pico exotérmico é observado na região de 440-660oC, atribuído
à reação de oxidação do Sb2O3, e um pico endotérmico é observado em 1160oC,
atribuído à evaporação do material (Sb2O4) (Mihaiu, 2001).
Ovenston (1994) mostrou que SnO2 dopado com Sb2O3 forma uma solução
sólida total do antimônio na rede cristalina do estanho, pois estes dois elementos
satisfazem aos requisitos segundo Hume-Rotery (1935), dentre eles:
• Os raios iônicos são semelhantes;
Para Sn4+ tem-se 0,067 nm e para Sb5+ tem-se 0,062 nm.
• Há pouca diferença de eletronegatividade;
• Ambos possuem estrutura cristalina semelhante
SnO2 – tretagonal e Sb2O3 – ortorrômbico).
O óxido de estanho dopado com óxido de antimônio, na proporção de 5%
em peso de Sb2O3, é usado como catalisador em reações químicas devido ao fato
de haver um aquecimento em sua superfície quando exposto à energia de
radiofreqüência. Este aquecimento pode ser gerado por campos elétricos C.A. e
dessa forma aquecer a superfície do óxido promovendo uma secagem rápida e
homogênea (Ovenston, 1994).
35
3 METODOLOGIA
3.1 MATERIAIS
3.1.1 Esmalte Tradicional
Como base comparativa para os novos esmaltes desenvolvidos, utilizou-se
um esmalte tradicional comumente aplicado nos corpos cerâmicos em teste.
A utilização deste esmalte foi necessária para que se pudesse verificar a
qualidade superficial dos esmaltes desenvolvidos, bem como as propriedades
físicas dos mesmos (resistência mecânica, coeficiente de expansão térmica
linear, resisitividade superficial entre outros).
O esmalte tradicional será designado neste trabalho pela sigla ETG.
3.1.2 Esmalte Base
Para a preparação do esmalte semicondutor foi necessário desenvolver um
esmalte base ao qual foi misturado o pigmento semicondutor.
Com o intuito de não modificar, de forma extremamente abrupta, a linha de
produção de isoladores elétricos cerâmicos da empresa parceira neste projeto,
fabricante A, foram testadas algumas formulações de esmaltes que pudessem ser
utilizadas sem que houvesse perdas em resistência mecânica ou qualidade
superficial.
Os componentes óxidos dos quais se prepararam os esmaltes
desenvolvidos encontram-se no Quadro 2.
Quadro 2 – Óxidos que compõem o esmalte base. Óxido metálico
SiO2 Al2O3 Na2O K2O MgO Fe2O3 CaO P2O5 TiO2
³ pureza - Dados fornecidos pela empresa fornecedora B.
36
As matérias-primas utilizadas foram fornecidas pela própria empresa
fabricante sob a forma de minerais compostos, argilas, feldspatos, caulins entre
outros.
As matérias-primas encontravam-se na forma bruta, ou seja, como rochas,
pedras ou argila. As mesmas foram previamente cominuídas e medida a sua
umidade relativa para que não houvesse erros na pesagem das matérias-primas,
uma vez que certas matérias-primas adsorvem grande quantidade de água.
3.1.3 Componente Semicondutor
3.1.3.1 Óxido de Estanho (SnO2)
A matéria-prima, SnO2, foi caracterizada anteriormente à mistura com óxido
de antimônio. Foram realizadas análises de microscopia eletrônica de varredura,
difração de raios-X e análise térmica simultânea. Para esse óxido o grau de
pureza³ é de 99,96%.
3.1.3.2 Óxido de Antimônio (Sb2O3)
Assim como o óxido de estanho, o óxido de antimônio foi analisado por
microscopia eletrônica de varredura, difração de raios-X e análise térmica
simultânea. Também para o óxido de antimônio a pureza³ é de 99,96%.
3.1.3.3 Pigmento Semicondutor
O pigmento semicondutor, composto de óxido de estanho e óxido de
antimônio, foi fornecido pela empresa fornecedora B, também parceira neste
projeto. A matéria-prima possui partículas inferiores a 1 µm de diâmetro.
O componente óxido foi fornecido, já preparado (misturado e calcinado) na
forma de pó com coloração acinzentada, umidade medida próxima de 0,8% e
composição variando conforme solicitação.
37
3.1.4 Esmalte Semicondutor
O esmalte semicondutor foi obtido a partir da mistura do esmalte base com
proporções específicas de pigmento semicondutor. Esta adição faz com que o
esmalte base, que é um material isolante, torne-se semicondutor. A rede formada
pelo pigmento semicondutor deve percolar todo o esmalte com o papel de
conduzir a corrente elétrica.
Os esmaltes semicondutores desenvolvidos serão tratados como ESC
seguidos por um número que designa a ordem em que foram desenvolvidos.
3.1.5 Massa e corpo do Isolador
Para comprovar a eficácia e o funcionamento do esmalte desenvolvido este
foi aplicado sobre a superfície de uma massa porcelânica seca e que
posteriormente foram queimados em fornos a gás natural com atmosfera
oxidante. Os isoladores utilizados possuem geometria conforme visto na Figura 8.
Figura 8 – Ilustração do isolador a ser esmaltado e testado.
Para verificação da qualidade superficial foram efetuados testes de queima
em roldanas, pois estas possuem a mesma composição da massa do isolador,
porém, com tamanho e peso menores. Os ciclos de queima de ambas as peças
serão descritos a seguir. A Figura 9 mostra a geometria das roldanas utilizadas
nos testes de qualidade superficial e acabamento dos esmaltes.
Figura 9 – Geometria das roldanas utilizadas para teste da qualidade superficial do esmalte.
38
3.2 MÉTODOS
3.2.1 Preparação do pigmento semicondutor
O pigmento semicondutor foi preparado pela empresa fornecedora B,
conforme solicitado, misturando-se os óxidos de estanho e de antimônio nas
proporções de 95% de SnO2 e 5% de Sb2O3. As matérias-primas foram dispostas
em um moinho de bolas revestido de alumina e com corpos moedores também de
alumina e, a seguir, foram moídos e homogeneizados por 15 minutos sendo,
posteriormente, calcinados a 1050 °C por 3 horas.
Optou-se pela proporção 95-5, pois, segundo diversos autores, Ovenston
(1994), Fontanesi (1998), Aguiar (2004) e Ullrich (2005), estas quantidades
proporcionam uma maior condutividade elétrica do material.
3.2.2 Preparação e aplicação do esmalte semicondutor
O esmalte semicondutor foi preparado misturando-se entre 10% e 40% em
peso do pigmento semicondutor com o esmalte base utilizado na produção dos
isoladores elétricos de alta-tensão. Foram testadas formulações com fração
mássica de 15%, 20%, 30% e 40% de pigmento semicondutor.
Para a preparação do esmalte semicondutor (ESC), as matérias-primas
constituintes do esmalte base foram dosadas e então acrescidas ao pigmento
semicondutor e a seguir foram moídas em moinho de bolas até que 95% das
partículas estivessem menores que 44 µm. Para essa verificação, a cada hora
parava-se o moinho e 100 ml do esmalte eram retirados, secos, passados na
peneira e pesados. A densidade da suspensão foi ajustada para se enquadrar à
densidade utilizada na empresa, que fica em torno de 1,45 g/cm³ e assim, otimizar
a esmaltação.
Após a obtenção do esmalte, na forma de uma suspensão de partículas em
água, a massa do isolador, já na geometria final, foi imersa na suspensão do
esmalte por um período de 5 segundos. Posteriormente à imersão, as peças
foram postas para secar e a seguir colocadas em um forno para que fossem
sinterizadas. Cada tipo de corpo de prova foi colocado no respectivo forno ao qual
fora projetado; as roldanas e pinos para testes eram colocados em forno túnel
com ciclo de queima de 36 horas e patamar de temperatura a 1265 °C, conforme
39
Gráfico 2. Devido ao tamanho e massa, o ciclo de queima padrão que se utiliza
para isoladores do tipo pilar 25 kV é realizado em forno tipo câmara (em
bateladas) com 46h de ciclo e com patamar programado de 1250°C durante 7,5h.
Gráfico 2 – Ciclo térmico em forno túnel.
3.2.3 Caracterização microestrutural
Tanto as matérias-primas quanto o pigmento semicondutor preparado e os
esmaltes desenvolvidos foram caracterizados por Microscopia Eletrônica de
Varredura (MEV) e Difração de Raios-X (DRX), além de uma análise visual da
superfície do esmalte.
3.2.3.1 Microscopia Eletrônica de Varredura
Para as analises de microscopia eletrônica de varredura utilizou-se um
aparelho da marca Philips, modelo DL-30, equipado com analisador de energia de
raios-x emitidos modelo EDAX, marca Oxford. O equipamento se encontra nas
dependências do Laboratório de Materiais (LABMAT) da Universidade Federal de
Santa Catarina (UFSC).
Foram obtidas imagens por elétrons secundários (SE), que possuem
melhor definição de formas e profundidade, e elétrons retroespalhados (BSE), que
evidenciam melhor as diferenças de composição na região analisada.
Para se ter uma idéia aproximada do caráter semicondutor do esmalte,
algumas amostram foram parcialmente recobertas com material condutor de
Ciclo Térmico em Forno Túnel (30h)
0 200 400 600 800
1000 1200 1400
0 5 10 15 20 25 30 35
Tem
pera
tura
(ºC
)
Forno tunel 02
Tempo (h)
40
forma que, se estas fossem condutoras, poderiam conduzir a pequena corrente
gerada pelo MEV e, assim, não haver carregamento eletrônico na superfície.
A Figura 10 mostra um esquema de como ocorreu o recobrimento das
amostras. Normalmente, amostras isolantes devem ser totalmente recobertas e
aterradas para que não haja acúmulo de elétrons em sua superfície e dessa
forma possam ser obtidas micrografias com alta definição. No entanto, apenas
metade da superfície das amostras foi recoberta, ficando a outra metade sem
recobrimento.
Figura 10 – Esquema do recobrimento realizado.
As amostras foram cortadas e analisadas conforme esquema abaixo,
Figura 11. Obtiveram-se então micrografias vistas de cima Figura 11A, e também
observando a camada de esmalte pela lateral Figura 11B.
Figura 11 – Esquema de corte e observação em MEV.
3.2.3.2 Difração de raios-X
As análises por difração de raios-X foram realizadas em um equipamento
da marca Philips, modelo X’pert, e os parâmetros de análise foram os mesmos
para todas as amostras estudadas, abaixo descritos:
— Radiação = Cu Kα
— Passo = 0,05
— Tempo por passo = 2s
— Ângulo de varredura = 20° - 100°
Fita adesiva protetora
Superfície recoberta
Massa
Esmalte
Esmalte Massa
Vista lateral (B)
Vista superior (A)
41
As amostras das matérias-primas óxidas analisadas estavam na forma de
pó e foram colocadas sobre o porta-amostra do aparelho de análise. Já os
espectros de raios-X dos esmaltes analisados foram obtidos cortando-se uma fina
camada superficial, com aproximadamente 3 mm de espessura, camada esta que
contém a superfície esmaltada e fixada no equipamento. A região de corte da
amostra a ser analisada esta mostrada na Figura 11A onde a seta indica a
superfície em estudo. Para identificação das fases presentes, utilizou-se o banco
de dados JCPDS.
3.2.3.3 Inspeção Visual
Para a inspeção visual foram utilizadas roldanas, constituídas do mesmo
material do isolador pilar no qual o esmalte será aplicado para comercialização.
Na Figura 12 tem-se um exemplo de como as roldanas foram utilizadas para
inspeção visual, é possível visualizar dois esmaltes semicondutores (ESC1, e
ESC5) e entre eles o esmalte tradicional (ETG).
ESC1 ETG ESC5
Figura 12 – Comparação visual entre os acabamentos superficiais do esmalte tradicional e dos esmaltes semicondutores.
Este teste possui caráter comparativo e tem a finalidade de indicar qual
esmalte possui a superfície mais semelhante ao ETG, que é considerado o
padrão para os testes. Além disso, é possível também verificar a presença de
partículas grossas na suspensão (pela formação de rugosidades), pouca
presença de fundentes (pelo “aspecto de casca de laranja”), e observar como o
esmalte se comporta após o tratamento de queima, bem como a adequação do
esmalte às temperaturas de queima.
42
3.2.4 Análises Dilatométricas
A análise dilatométrica foi realizada independentemente no corpo cerâmico,
no esmalte tradicional e no esmalte semicondutor. É necessário que o esmalte
aplicado sobre a peça cerâmica tenha um coeficiente de dilatação térmica linear
menor que o coeficiente de dilatação térmica da massa, pois dessa forma, no
resfriamento do produto, após a etapa de queima, tensões compressivas serão
aplicadas ao esmalte, aumentando a resistência mecânica final do componente.
Para os testes de dilatometria, pequenos cilindros com 20 mm de
comprimento e aproximadamente 5 mm de diâmetro, foram confeccionados, e
dispostos em um equipamento de análise produzido pela BP Engenharia, modelo
RB-3000. As análises foram realizadas em atmosfera ambiente com taxa de
aquecimento de 10 °C/min.
3.2.5 Resistência Mecânica
Os testes de resistência mecânica foram realizados em dois tipos de
corpos de prova, o primeiro tipo foram cilindros com aproximadamente 200 mm de
comprimento e 10 mm de diâmetro; o segundo teste foi realizado em um
dispositivo que simula o esforço realizado pelo cabo elétrico, com o ensaio sendo
realizado nos próprios isoladores fabricados.
Para o ensaio em pinos, realizou-se suas rupturas por ensaio de flexão a
3-pontos utilizando equipamento da marca Netzsch, com uma velocidade de
carregamento aproximada de 8 N/s, terceira escala de velocidade do aparelho, na
escala de 600 N de aplicação máxima de carga. A Figura 13 mostra o
equipamento utilizado nos ensaios de resistência à flexão de pinos.
Figura 13 – Equipamento de ensaio de resistência à flexão a três pontos.
43
Os ensaio em pinos foram realizados por flexão à 3-pontos pois as normas
utilizadas exigem tal modo de ensaio. No entanto, a distribuição do carregamento
trativo aplicado na barra mostra-se como sendo não uniforme e com região de
tração máxima concentrada no centro do corpo de prova, logo abaixo do punção
superior. Existe a possibilidade de realização do ensaio de flexão à 4-pontos em
cuja distribuição de tensão trativa encontra-se melhor distribuída por um
comprimento maior do corpo de prova sendo mais homogênea e uniforme na
região localizada entre os dois punções superiores. Os esquemas de distribuição
de tensão resultante nos ensaios de flexão a 3 e 4-pontos são mostrados nas
Figura 14 e Figura 15 respectivamente.
Figura 14 – Distribuição de tensão trativa no ensaio de flexão à 3-pontos.
Figura 15 – Distribuição de tensão trativa no ensaio de flexão à 4-pontos.
Após obtenção das cargas de ruptura de cada pino submetido a teste de
resistência à flexão três pontos são calculadas as tensões de ruptura de cada
pino em N/mm2, sendo posteriormente determinadas as tensões características
(σ), módulo de Weibull (m), média das tensões (σ ) e tensão resultante em 50%
de falha (σ 50), através do levantamento da curva de Weibull.
Weibull é um método estatístico utilizado para avaliar o desempenho de
materiais cerâmicos que relaciona tensão de ruptura com probabilidade de falha
do material, através de uma tensão característica, σ, cuja probabilidade de falha é
de 63,2%. O módulo de Weibull (m) indica a confiabilidade e repetibilidade do
experimento, para valores de m acima de 20, os resultados são altamente
repetitivos.
O teste de resistência mecânica em produtos finais, isolador tipo pilar, é
realizado através do seu engaste em máquina de tração universal, através de sua
44
ferragem, onde a aplicação do carregamento é realizado na extremidade livre do
produto até a sua ruptura. Este tipo de ensaio é conhecido como carregamento
em viga engastada e é apresentado na Figura 16.Foram utilizados de 5 a 6
produtos para realização dos ensaios de resistência mecânica, uma amostragem
extremamente baixa, mas que possibilita realizar um comparativo através do valor
médio obtido para cada composição de esmalte.
Figura 16 – Esquema do ensaio realizado em isoladores do tipo pilar.
3.2.6 Resistência ao Choque térmico
Os testes de resistência ao choque térmico são realizados imergindo os
corpos de prova em água à 95°C. Após atingido o equilíbrio térmico, os corpos de
prova foram deslocados para um recipiente lateral contendo água à temperatura
ambiente (25°C), sendo que o procedimento é então repetido por quatro vezes.
A diferença de temperatura aplicada é de aproximadamente 70°C, diferença
esta plausível já que ao longo de um dia quente de verão o isolador aquece
devido aos raios solares e pode vir a resfriar-se por efeito de chuva, devendo
assim, suportar a brusca mudança de temperatura.
Os ensaios de resistência ao choque térmico foram realizados conforme
sugere a norma NBR5032, sendo utilizado um mínimo de 70°C de diferença entre
as temperaturas testadas. Este ensaio é realizado em todos os componentes
produzidos e se qualquer corpo de prova falhar durante o teste de choque
térmico, o mesmo é considerado reprovado e é então descartado. Dessa forma o
teste de resistência ao choque térmico pode ser considerado “Proof-test“ pois
somente os componentes aprovados no teste podem ser comercializados sendo
que os componentes falhos são descartados.
45
3.2.7 Testes de Resistividade Elétrica
Existem diferentes maneiras de se medir a resistividade de um material, e
cada método possui suas vantagens e seu grau de dificuldade na execução, bem
como uma precisão e uma confiabilidade nas medidas efetuadas por cada um
deles.
Uma análise preliminar da resistividade destes materiais foi realizada
utilizando-se o método sugerido por Maryniak (2003). No entanto, os valores
encontrados não devem ser diferentes dos obtidos pelo método de quatro-pontas,
uma vez que a resistividade é uma propriedade do material. Para o esmalte
semicondutor, mediu-se um valor de 70 MΩ/m². Já para o esmalte padrão não foi
possível realizar medidas em função da alta resistividade, que implica em valores
de tensão muito altos e correntes muito baixas, extrapolando a capacidade de
geração da fonte e a capacidade de medição de corrente dos equipamentos
utilizados.
Conforme Maryniak (2003), o teste é realizado como mostrado na Figura
17, onde se aplica, nas duas barras, uma voltagem definida e é medida uma
corrente gerada entre as mesmas, de posse desses dados, aplicam-se os
mesmos na Equação 3, abaixo descrita.
Figura 17 – Configuração básica para medidas de resistividade superficial (Maryniak, 2003).
A resistividade superficial ρs é determinada pela divisão entre as razões:
voltagem aplicada DC U pela unidade de comprimento L, e corrente superficial
medida Is pela unidade de largura D, conforme pode ser visto equação 3:
DILU
ss =ρ
(Equação 3)
eletrodos material
46
“A unidade física para resistividade superficial é Ohm (Ω). Pelo fato da
resistividade e a resistência superficial estarem freqüentemente misturadas, para
diferenciar ambas, a resistividade superficial é usualmente expressa como
Ohm/quadrado (Ω/²)” (Maryniak, 2003). Os parâmetros utilizados para a
realização deste ensaio estão descritos na Tabela 1.
Tabela 1 – Parâmetros utilizados no ensaio de resistividade superficial. Voltagem DC (U) 82V
Distância entre barras (L) 1,9mm
Comprimento das barras (D) 2,1mm
Corrente superficial (Is) medida
Outro método de medida é conhecido como método das 4-pontas onde,
existem 4 eletrodos alinhados sobre uma mesma linha, em 2 eletrodos é aplicada
tensão e nos outros dois eletrodos é medida uma corrente.
A Figura 18 mostra o esquema de como devem ser conectados os
equipamentos de medida na sonda 4-pontas. Pode-se observar que, para a
montagem experimental são necessários, a princípio, três equipamentos. Nas
pontas externas é conectada uma fonte de tensão dc que por sua vez é ligada em
série com um multímetro que mede a corrente (i) entre estas pontas. Nas pontas
internas é conectado um voltímetro que monitora a tensão (V) entre as mesmas.
Figura 18 – Esquema de medida pelo método das 4-pontas.
O multímetro conectado às pontas internas deve monitorar uma tensão (V),
que não será a mesma aplicada pela fonte. Essa tensão monitorada nas pontas
internas é originada pelo campo elétrico formado pela aplicação da tensão entre
as pontas externas e é esta tensão monitorada que deve ser considerada no
desenvolvimento matemático elaborado para o método das 4-pontas.
47
De maneira geral, a tensão V a uma distância s de um eletrodo que
transporta uma corrente i em um material de resistividade elétrica é dada por:
(Equação 4)
Considerando-se um material de dimensões semi-infinitas, como mostrado
na Figura 19, com a corrente entrando pela ponta 1 da sonda e saindo pela ponta
4, a tensão V se torna:
(Equação 5)
Figura 19 – Esquema mostrando o contato de uma sonda com quatro pontas colineares e
eqüidistantes sobre uma amostra de dimensões semi-infinitas.
Assim, s1 e s4 são as distâncias das pontas 1 e 4, respectivamente, com
relação às pontas 2 e 3 que é a tensão V de interesse. Determinando-se o valor
de V para as pontas 2 e 3, tem-se:
(Equação 6)
Assim, a diferença de potencial total, V = V2 - V3, equivale a:
(Equação 7)
A resistividade ρ, rearranjando a equação 7, torna-se:
(Equação 8)
Usualmente, o espaçamento entre as pontas das sondas é igual, portanto,
s1 = s2 = s3 e, então, a equação 8 se reduz à equação 9, sendo V o potencial
48
elétrico medido nas pontas internas (em Volts) e i a corrente elétrica medida nas
pontas externas (em ampères).
(Equação 9)
Contudo, existem situações onde não se tem um material de dimensões
semi-infinitas e, portanto, a equação 9 deve ser corrigida para uma geometria
finita. Para uma amostra de formato arbitrário, a resistividade elétrica é dada pela
equação 10, sendo F o fator de correção que depende do formato da amostra, de
suas dimensões, de onde são colocadas as pontas para a medida e, ainda, de
como está arranjada (no caso de um material depositado).
(Equação 10)
Para a terceira etapa de medição da condutividade do esmalte, que é o
inverso da resistividade (equação 11), foram empregados megôhmetros, que
medem de forma simplificada o isolamento elétrico de materiais.
σρ 1
= (Equação 11)
Onde ρ á a resistividade e σ a condutividade.
O megôhmetro é um ohmímetro de resistência elevada usado para medir a
deterioração da isolação em condutores, medindo valores de resistência altos
usando condições de teste de alta tensão. As tensões de teste do megôhmetro
variam de 50 V a 5000 V. Os testes de isolação executados são a medição de
correntes de fuga e de rigidez dielétrica da isolação (Fluke, 2005).
A Figura 20 mostra o megôhmetro utilizado nos testes em barras
esmaltadas, a tensão foi aplicada no corpo de prova através das garras vermelha
e preta, sendo a resistividade expressa no visor em MΩ. Como o esmalte tende a
ser um material isolante ou de resistência muito alta, a voltagem utilizada foi de
5kV.
49
Figura 20 – Esquema de ligação nos testes em barras esmaltadas e megôhmetro
utilizado nas medidas de isolamento.
3.2.8 Câmara Salina
Os testes em câmara salina foram realizados com aplicação de tensão
elétrica sob névoa salina, na Fundação Universidade Regional Blumenau (FURB),
no laboratório de alta-tensão. Conforme Tabela 2.
Tabela 2 – Exemplo de plano de ensaio dos isoladores.
Duração
(horas) 24 16 24
Tensão
(kV) 13,3 13,3 13,3
Salinidade
(kg / m3) 14 28 40
Fluxo
(l / min) 0,12 0,12 0,12
Pressão
(bar) 4 4 4
A duração prevista para o teste foi de 72 horas. Foi aplicada tensão em
60 Hz controlada por varivolt. A salinidade refere-se à quantidade (kg) de sal por
metro cúbico de água. Foi utilizado sal comum e água deionizada, de acordo com
50
a norma NBR10621. A salinidade inicial pode ser considerada como média-baixa,
passando para uma salinidade média após 24 horas atingindo uma salinidade
classificada como alta após 48 horas de ensaio. O fluxo da mistura salina foi
mantido constante em 0,12 ml/min, obtido através de rotâmetro de fluxo variável,
controlado eletronicamente. Para a geração de névoa, aplicou-se uma pressão de
4 bar a dois bicos aspersores posicionados em dois cantos adjacentes superiores
da câmara. A pressão foi mantida constante ao longo do teste.
A câmara de névoa salina possui dimensões 2m x 2m x 2m, executada em
estrutura de alumínio e aço inoxidável, com paredes em acrílico, de acordo com a
norma NBR 10621. Para coleta de dados foi utilizada uma placa conversora
analógica/digital da National Instruments™, com capacidade de 1,25 MSamples/s.
A rotina de aquisição foi desenvolvida e implementada em LabView®. Para
medição da corrente de fuga, foi utilizada uma técnica simples, conhecida como
método da resistência shunt.
Para alguns ensaios realizados, os parâmetros de testes foram
extrapolados a fim de se analisar o comportamento dos isoladores quando
submetidos a condições extremas de salinidade.
A disposição dos isoladores na câmara salina pode ser vista na Figura 21;
cada isolador é preso pela sua parte superior a um anel de aço conectado à rede
de alta tensão, e em sua base foram conectados os sensores de corrente ligados
por um fio ao sistema de aquisição de dados. Cada isolador possui um dispositivo
de segurança que o desliga do sistema de aquisição quando a corrente passante
é superior a 100 mA. Isto ocorre para que não haja danos nos equipamentos de
medição uma vez que a tensão aplicada é de 13 kV.
51
Figura 21 – Disposição dos isoladores no ensaio em câmara salina (Mayer, 2006).
52
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
4.1.1 Matérias-primas
Nas Figura 22 e Figura 23 é possível ratificar que o tamanho médio de
partícula das matérias-primas, SnO2 e Sb2O3, é inferior a 1µm, também é possível
visualizar que as partículas têm formato irregular e não homogêneo. Devido ao
reduzido tamanho das partículas, a aglomeração é um fator que deve ser levado
considerado nos experimentos, podendo ocorrer a formação de grânulos que
pode dificultar a dispersão homogênea da fase semicondutora.
Figura 22 – Micrografia do óxido de estanho. Figura 23 – Micrografia do óxido de antimônio.
É possível observar ainda nas Figura 22 e Figura 23, a existência de
grânulos formados pela aglomeração das partículas, evidenciado nas Figura 24 e
Figura 25.
Figura 24 – Grânulos de SnO2. Figura 25 – Grânulos de Sb2O3.
53
Apesar de ocorrer aglomeração pelo tamanho de partícula reduzido, o fato
de as partículas óxidas serem tão pequenas implica dois aspectos positivos:
- o material é mais reativo, devido a energia de superfície;
- o processo de difusão deve ocorrer mais rapidamente, uma vez
que as distâncias de difusão serão menores.
4.1.2 Esmalte semicondutor
As Figura 26, Figura 27 e Figura 28 foram obtidas de uma amostra
preparada conforme indicado na Figura 11A.
A Figura 26 apresenta a dispersão e a distribuição da fase semicondutora,
que é evidenciada através dos elétrons retroespalhados. Em coloração clara é
vista a fase semicondutora, homogeneamente dispersa na matriz vítrea, fase
escura.
Alguns esmaltes não mostram a mesma homogeneidade obtida com o
ESC1. No caso do ESC8 houve uma aglomeração das partículas semicondutoras
e com isso, a superfície desenvolveu uma característica semicondutora não
homogênea, como mostra a Figura 27.
Figura 26 – Micrografia do esmalte ESC1. Figura 27 – Micrografia do esmalte ESC8.
Como método comparativo, a Figura 28 mostra a imagem de um esmalte
tradicional, onde é possível observar a existência de uma única fase vítrea.
54
Figura 28 – Micrografia do esmalte tradicional.
Também foi obtida a micrografia da camada esmaltada onde é possível
medir a espessura do esmalte bem como visualizar a dispersão do componente
semicondutor em relação à superfície do esmalte, Figura 29.
Através da Figura 29, obtida conforme corte mostrado na Figura 11B, é
possível observar que a camada esmaltada possui em média 150 µm de
espessura e a fase semicondutora está homogeneamente dispersa por toda a
camada de esmalte. É possível observar também a presença de poros na camada
esmaltada bem como no corpo do isolador.
Figura 29 – Micrografia da camada esmaltada com dispersão da fase semicondutora.
Com as análises em MEV foi possível obter uma idéia preliminar da
capacidade semicondutora do esmalte analisado. Para isso, somente metade da
superfície do esmalte foi recoberta com a camada condutora, como anteriormente
descrito. Essa preparação foi realizada, pois o MEV tem seu principio de
funcionamento no bombardeamento da amostra com elétrons que são,
resumidamente, refletidos ou absorvidos. Para que não haja absorção e acúmulo
153µm
Poros Fase semicondutora
Corpo do Isolador
Esmalte
55
de elétrons na superfície da amostra, fato que atrapalha ou até mesmo impede a
sua visualização, amostras de material isolante devem ser recobertas com uma
fina camada de ouro ou carbono para, dessa forma, ser possível sua análise. A
técnica de recobrimento utilizada está apresentada na Figura 10.
As Figura 30 e Figura 31 mostram dois exemplos de comportamento
distintos em relação ao fenômeno do carregamento. Na Figura 30, esmalte
tradicional, não é possível analisar a superfície não recoberta; isto porque há
carregamento, fato comum em amostras isolantes não recobertas para a análise.
No esmalte semicondutor, Figura 31, nota-se claramente que não ocorre o
fenômeno do carregamento e, mesmo a superfície não recoberta pode ser
visualizada e analisada claramente. Tal fato se deve ao esmalte semicondutor
possuir a capacidade de transportar a pequena corrente (80 mA) gerada pelo
equipamento de análise.
Superfície recoberta Superfície não recoberta Superfície recoberta Superfície não recoberta
Figura 30 – Micrografia do esmalte tradicional em
teste preliminar de condutividade.
Figura 31 – Micrografia do esmalte semicondutor em teste preliminar de
condutividade.
4.2 DIFRAÇÃO DE RAIOS-X
4.2.1 Matérias-primas
As matérias-primas óxidas (SnO2 e Sb2O3) foram analisadas por DRX
sendo os espectros apresentados nas Figura 32 e Figura 33.
Carregamento
56
20 40 60 80 1000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
INTE
NS
IDA
DE
(u.a
.)
ÂNGULO 2θ (º)
SnO2
Figura 32 – Espectro de difração de raios-X para o óxido de estanho (JCPDS 21-1250).
Pode-se visualizar em ambos os espectros que a matéria-prima utilizada
consta somente dos óxidos puros, uma vez que, conforme as cartas da JCPDS, o
espectro de raios-X mostra a presença de uma só fase para cada óxido analisado.
20 40 60 80 1000
1000
2000
3000
4000
5000
INTE
NS
IDAD
E (u
.a.)
ÂNGULO 2θ (º)
Sb2O3
Figura 33 – Espectro de difração de raios-X para o óxido de antimônio (JCPDS 11-689).
57
Após a preparação do pigmento semicondutor, este foi analisado por
difração de raios-X e obtido o espectro mostrado na Figura 34.
20 40 60 80 1000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500IN
TEN
SID
ADE
(u.a
.)
ÂNGULO 2θ (º)
SnO2 + Sb2O3
Figura 34 – Espectro de difração de raios-X para o pigmento semicondutor preparado.
Como método comparativo, na Figura 35, é mostrada uma sobreposição
dos espectros das matérias-primas e do pigmento semicondutor produzido. Não é
possível notar uma diferença entre o espectro do óxido de estanho e o espectro
do pigmento semicondutor, evidenciando que para as condições do tratamento
térmico realizado não existem traços de Sb2O3, indicando que a difusão
provavelmente ocorreu de forma completa. Porém, devido aos baixos teores de
antimônio que foram incorporados, não é possível observar uma distorção na rede
do óxido de estanho. Estas observações estão de acordo com os resultados
obtidos por Sahar (1995), onde alterações significativas no parâmetro de rede só
foram observadas para pigmentos produzidos com teores de óxido de antimônio
acima de 17% em massa. Sahar comenta ainda que para quantidades muitos
altas de Sb2O3 (acima de 17% em peso), são observados picos de Sb2O4
(JCPDS 11-694) resultante da oxidação do Sb2O3 e indicando que nem todo o
antimônio foi consumido na formação do semicondutor.
Na análise do pigmento semicondutor desenvolvido, Figura 34, não foi
constatada a presença da fase Sb2O4.
58
20 40 60 80 1000
2000
4000IN
TEN
SID
AD
E (u
.a.)
ÂNGULO 2θ (º)
SnO2 (JCPDS 21-1250)
Sb2O3 (JCPDS 11-689) SnO2 + Sb2O3
Figura 35 – Espectro de DRX comparativo entre as matérias-primas e o pigmento semicondutor.
4.2.2 Esmaltes semicondutores
O esmalte tradicional foi analisado por DRX para que se pudesse obter um
espectro padrão e, posteriormente à adição do pigmento semicondutor, o esmalte
semicondutor pudesse ser analisado com base nas mudanças ocorridas na rede
do esmalte tradicional.
A Figura 36 mostra o espectro de difração de raios-X para o esmalte
tradicional podendo ser notada a baixa difração dos raios e a não observância de
picos definidos, evidenciando que o esmalte tradicional é um material totalmente
vítreo, ou seja, não possui rede cristalina a longo alcance.
Como era esperado, o esmalte semicondutor apresentou comportamento
intermediário entre o esmalte tradicional e o pigmento semicondutor puro. Isto
pode ser notado na Figura 37 onde se observa um espectro com picos definidos,
referentes ao pigmento semicondutor. Nesta mesma figura também é notada, no
inicio do mesmo espectro, uma elevação em relação ao eixo das abscissas
referente ao material vítreo do esmalte tradicional.
59
20 40 60 80 1000
50
100
150
200
250
300
350
400IN
TEN
SID
AD
E (u
.a.)
ÂNGULO 2θ (º)
ESMALTE TRADICIONAL
Figura 36 – Espectro de difração de raios-X para o esmalte tradicional.
20 40 60 80 1000
500
1000
1500
2000
2500
INTE
NS
IDAD
E (u
.a.)
ÂNGULO 2θ (º)
ESMALTE SEMICONDUTOR SnO2 + Sb2O3
Figura 37 – Espectro de difração de raios-X para o esmalte semicondutor.
4.3 INSPEÇÃO VISUAL
Após aplicação do ciclo térmico, as primeiras amostras de ESC1
apresentaram má qualidade superficial frente aos isoladores com esmalte
tradicional. Já as amostras ESC8 apresentaram acabamento intermediário entre
os esmaltes tradicional e ESC1, entretanto, evidenciaram defeitos nas abas
inferiores, provavelmente devidos à dupla camada de esmalte proveniente da
esmaltação manual. Os primeiros resultados da inspeção visual estão
apresentados na Figura 38.
ESC1 – Alta rugosidade superficial. ESC8 – Defeitos devido à dupla esmaltação.
Figura 38 – Qualidade do acabamento superficial dos primeiros testes com pilares 25kV.
Foram realizados novos testes com os esmaltes ESC1 e ESC8 onde se
constatou que a má qualidade superficial deu-se por uma contaminação durante a
preparação do primeiro lote produzido. O novo lote preparado e utilizado para
Linha divisória da dupla esmaltacao
Alta rugosidade
60
esmaltação resultou em corpos de prova com boa qualidade superficial, onde a
superfície do esmalte se mostrou homogênea, não rugosa e com bom
espelhamento, conforme demonstra a Figura 39 abaixo.
Figura 39 – Corpo de prova preparado com
o novo lote de ESC1 para teste visual.
Se comparadas as Figura 39 e a Figura 38, é possível observar a diferença
no espelhamento e homogeneidade de ambas as superfícies. Assim, fica
comprovada a ocorrência de algum tipo de contaminação no processo inicial de
produção e obrigando o mesmo a ser refeito após limpeza do sistema de moagem
e mistura.
No caso do ESC8, devido à sua maior viscosidade, o mesmo possuía uma
superfície menos espelhada e, eventualmente, ocorria o aparecimento de pontos
falhos na esmaltação, como pode ser visto na Figura 38.
4.4 DILATOMETRIA
Conforme os resultados apresentados na Tabela 3 pode-se observar que o
esmalte padrão possui um coeficiente de dilatação térmica levemente inferior ao
do corpo cerâmico, e o esmalte com adição do aditivo apresenta coeficiente ainda
menor. Essa diferença é favorável, uma vez que cria tensões compressivas sobre
o esmalte aumentado a resistência mecânica do conjunto.
É preciso, porém, realizar uma avaliação criteriosa do aspecto visual do
esmalte e da resistência ao choque térmico da peça, para garantir que o
61
coeficiente de dilatação térmica do esmalte não seja excessivamente reduzido,
comprometendo a qualidade do produto (lascamento pós-queima).
Tabela 3 – Coeficientes de dilatação do corpo cerâmico e esmaltes estudados.
Valor de α (t – 325 °C)
Corpo Cerâmico 51.2 x 10-7 °C-1
Esmalte tradicional 50.8 x 10-7 °C-1
Esmalte semicondutor 49.2 x 10-7 °C-1
Com os dados obtidos nos ensaios de dilatometria e os resultados
analisados, nota-se que, os valores encontrados são condizentes com o
esperado, isto é, coeficiente de expansão térmica linear da massa maior que o
coeficiente de expansão térmica linear do esmalte.
As análises visuais realizadas previamente mostraram que não houve
problemas decorrentes da maior diferença entre os coeficientes de expansão
térmica linear da massa e do esmalte sendo que a qualidade superficial obtida foi
satisfatória.
4.5 RESISTÊNCIA MECÂNICA
A Tabela 4 mostra os valores de tensões obtidos em flexão a 3-pontos para
a massa do isolador, para corpos de prova esmaltados com esmaltes tradicional e
também com dois esmaltes semicondutores utilizados. A amostragem para cada
condição foi de 10 corpos de prova.
Tabela 4 – Resistência mecânica dos esmaltes e massa (valores em [MPa]).
Média Desv. Pad. Máximo Mínimo Variação
Máxima Massa do isolador 66,6 4,2 74,4 61,3 13,1
ETG 77,6 5,7 85,5 67,1 18,5
ESC1 87,8 9,0 98,7 74,4 24,3
ESC8 78,7 6,3 86,9 64,3 22,6
Através dos dados da Tabela 4 verifica-se que a resistência mecânica da
massa do isolador sem nenhum esmalte é consideravelmente menor que as
resistências mecânicas dos corpos de prova esmaltados. Tal fato se dá devido à
62
indução de tensões compressivas no esmalte pela diferença de coeficiente de
expansão térmica linear.
Analisando os dados da Tabela 4 vê-se ainda que devido ao α do ESC1 ser
menor que os α dos outros esmaltes, este atingiu a maior resistência mecânica
sem que houvesse o lascamento da superfície.
Com o melhor esmalte semicondutor foi realizada uma análise estatística
mais confiável que o primeiro teste. A Figura 40 ilustra uma curva de Weibull com
a disposição dos dados obtidos ordenados conforme a probabilidade de falha em
uma determinada tensão.
Curva de Weibulll
0% 10% 20% 30%
40% 50%
60% 70% 80% 90%
100%
60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90
Tensão de Ruptura (MPa)
Prob
abili
dade
de
Falh
a (%
)
Massa do Isoladorr Esmalte tradicional (ETG)
Esmalte semiconductor (ESC)
Figura 40 – Curva de Weibull comparando as resistências à flexão do esmalte desenvolvido,
esmalte tradicional e massa do isolador.
Através da análise de Weibull e o os dados na Tabela 5, nota-se que, o
corpo de prova produzido com ESC1 apresentou o maior valor de m, ou seja,
mostrou-se como sendo o de maior repetibilidade quanto à carga de ruptura
aplicada.
Tabela 5 – Resultados da análise de Weibull.
τ (MPa)
τ50 (MPa)
τ0 (MPa) m Fator
r2
Massa do isolador 68,8 69,1 70,1 26,6 0,94
ETG 73,8 74,2 75,5 21,9 0,92
ESC1 78,5 78,9 79,7 33,0 0,95
63
Ainda na Tabela 5, nota-se que o esmalte ESC1 apresenta, além da sua
propriedade semicondutora, uma maior resistência mecânica e uma maior
confiabilidade quanto à resistência mecânica à flexão.
4.6 RESISTÊNCIA AO CHOQUE TÉRMICO
O teste de resistência ao choque térmico, por ser um teste realizado na
própria amostra, pode ser considerado um “Proof-test” uma vez que, ao ser
submetido ao teste, quando reprovado, o corpo de prova estará trincado e é então
descartado sendo comercializado somente os corpos de prova íntegros.
Nestes testes nenhum corpo de prova esmaltado com ESC1 falhou quando
submetido a uma diferença de temperatura de 70°C, indicando que o
acoplamento esmalte-massa foi bem sucedido. Os isoladores foram considerados
aprovados neste teste de acordo com a norma NBR5032:2004.
4.7 RESISTIVIDADE ELÉTRICA
A corrente superficial média medida nos esmaltes semicondutores, conforme
Maryniak, foi de 1,2µA (micro Ampere) e a resistividade superficial calculada,
segundo a Equação 3, foi de 70 MΩ/², ou seja, 7.107 Ω/², o que caracterizaria o
material como semicondutor.
Já para o esmalte padrão não foi possível calcular a resistividade superficial
devido ao aparelho utilizado (um multímetro da marca ITW, modelo DT-830B) não
medir correntes abaixo de 0,09µA. Como para a mínima corrente capaz de ser
medida a resistividade superficial corresponde a 109 Ω/², esmaltes cuja
resistividade superficial não é mensurada pelo aparelho são caracterizados como
isolantes (Maryniak, 2003).
Numa segunda etapa de testes de resistividade, utilizado o método das
4-pontas, os resultados foram insatisfatórios. Nenhum valor pode ser considerado
válido pois o marcador do amperímetro não se alterou nem mesmo quando
aplicada a tensão máxima conseguida com o equipamento (323 V). Este fato
deve-se aos cristais semicondutores emergirem na superfície do material somente
em forma de alguns pontos e, para esta análise, as pontas de teste devem tocar
cada uma, um cristal que percole a superfície.
64
A partir dos resultados anteriores decidiu-se utilizar um aparelho capaz de
aplicar uma tensão maior nas amostras. Um megôhmetro foi, então, empregado
para a realização da próxima etapa dos testes de resistividade superficial.
Assim como os testes realizados pelo método das 4 pontas, os ensaios
com o megôhmetro não foram conclusivos nem mostraram alguma
semicondutividade nos materiais analisados, pois, pelo mesmo motivo do teste
anterior, as garras utilizadas como eletrodos de contato, e fixadas aos corpos de
prova cerâmicos, possuíam dentes que tocavam a superfície somente em poucos
pontos e com isso podem não ter colocados em contato o eletrodo e o material
semicondutor. No entanto, mesmo com a baixa condutividade medida, pôde-se
constatar algum nível de semicondutividade apesar da resistividade medida ficar
em torno de 60 GΩ para os pinos testados.
Apesar dos testes de resistividade realizados por meio de contatos
pontuais não mostrarem resultados conclusivos, os isoladores em trabalho
possuem em toda a parte superior grande área de contato com o cabo condutor
que são amarrados com fios de alumínio para garantir a sua fixação na cabeça do
isolador. Assim, toda essa grande área de contato garante que em alguma parte
da superfície do isolador exista material semicondutor e este toque o cabo
condutor possibilitando a passagem de corrente.
4.8 CÂMARA SALINA
Foram realizados diversos ensaios em câmara salina a fim de se constatar
em definitivo a propriedade semicondutora dos esmaltes. Primeiramente os
parâmetros utilizados no ensaio estão mostrados na Tabela 6.
Tabela 6 – Primeiro ensaio realizado em câmara salina.
Duração (horas) 19 29 24
Tensão (kV) 13,3 13,3 13,3
Salinidade (kg / m3) 28 56 112
Fluxo (ml / min) 0,12 0,12 0,12
Pressão (bar) 4 4 4
4média móvel: uma seqüência de médias computadas de partes de uma série de dados. Em um gráfico, uma média móvel suaviza as flutuações nos dados, mostrando mais claramente o padrão ou a tendência.
65
Este primeiro ensaio mostrou que a corrente de fuga gerada pelos
isoladores esmaltados com esmalte ESC1 foi maior que os isoladores esmaltados
com esmalte tradicional. Tal fato indica que há alguma semicondutividade do
esmalte. Um dos isoladores esmaltados com esmalte semicondutor foi retirado de
operação por volta da 60ª hora de ensaio quando apresentou uma elevação
abrupta de sua corrente de fuga. O Gráfico 3 mostra o desenvolvimento das
correntes de fuga para os 6 isoladores ensaiados, nota-se que somente os
isoladores ETG – 1 e ESC1 – 2 prosseguiram até o termino do ensaio.
Gráfico 3 – Média móvel4 da corrente de fuga medida no primeiro ensaio em câmara salina.
No segundo ensaio realizado em câmara salina, que manteve os mesmos
parâmetros do teste anterior, porém com novos isoladores, nenhum isolador
falhou durante todo o ensaio. No entanto, mais uma vez os dois isoladores
esmaltados com esmalte semicondutor mostraram uma corrente de fuga elevada
se comparados com os isoladores esmaltados com esmalte tradicional. Observa-
se tal fato no Gráfico 4, onde mostra também o comportamento dos esmaltes
ESC8, que não tiveram um desempenho satisfatório no ensaio, tendo
apresentado baixa corrente de fuga.
ESC1
ESC1
Isolador 1
Isolador 2
ETG1ETG2
66
Gráfico 4 – Média móvel da corrente de fuga medida no segundo ensaio em câmara salina.
O terceiro teste foi realizado com os mesmos parâmetros do segundo.
Novamente utilizou-se novos isoladores, a corrente fuga é mostrada no Gráfico 5.
Gráfico 5 – Média móvel da corrente de fuga medida no terceiro ensaio em câmara salina.
ESC1
ESC1
ETG1 ETG1
ESC8
ESC8
ESC1
ESC1
ETG1ETG1
ESC8
ESC8
67
Nota-se que no terceiro ensaio houve um aumento da corrente fuga no
isolador ESC8 porém, este saiu de operação devido ao rompimento do dispositivo
de segurança.
Enquanto os isoladores ETG mantiveram uma baixa corrente de fuga, em
torno de 0,1 mA, os isoladores ESC1 mostraram uma corrente de fuga média de
1 mA. Isto demonstra que estes esmaltes, ESC1, possuem propriedade
semicondutora.
Devido ao fato de nos últimos ensaios os isoladores ESC1 se manterem
ativos e energizados até o fim do teste, optou-se por realizar mais um ensaio com
condições extremamente severas e com o dobro do tempo normal de ensaio. As
condições do ensaio duplo realizado estão mostradas na Tabela 7.
Tabela 7 – Parâmetros de ensaio para o quarto teste em câmara salina.
Duração
(horas) 2 2 140
Tensão
(kV) 13,3 13,3 13,3
Salinidade
(kg / m3) 28 56 112
Fluxo
(ml / min) 0,12 0,12 0,12
Pressão
(bar) 4 4 4
No ensaio duplo com aprox. 140 horas, foram avaliados 2 isoladores
esmaltados com ESC1, 2 isoladores esmaltados com esmalte ETG e 2 isoladores
com esmalte ESC8. Todos os isoladores possuíam a mesma geometria e foram
dispostos alternadamente na câmara.
Neste ensaio (140 horas) observou-se resultados satisfatórios, pois os
isoladores contendo esmalte semicondutor ESC1 geraram uma corrente de fuga,
constante, na ordem de 3,5 mA. Já os esmaltes ETG mostraram, mais uma vez,
uma baixa corrente de fuga, 0,2 mA e os isoladores ESC8 apresentaram
correntes na ordem de 1 mA.
68
O Gráfico 6 mostra o desenvolvimento da corrente de fuga dos isoladores
com ESC1, sendo que é possível visualizar a corrente média de 3,5 mA com
picos de corrente atingindo 5 mA.
Gráfico 6 – Corrente de fuga RMS para os isoladores ESC1 no quarto ensaio em câmara salina.
Os isoladores ESC8 apresentaram em média 1 mA de corrente de fuga e
esta, mesmo sendo baixa, indica uma possível semicondutividade do esmalte.
Entretanto, apenas um dos isoladores ESC8 chegaram ao fim do teste, o outro foi
desligado por volta da 120ª hora por ação do dispositivo de proteção. O Gráfico 7
mostra o desenvolvimento da corrente de fuga para os isoladores ESC8 ao longo
do quarto teste realizado.
ESC1
ESC1
69
Gráfico 7 – Corrente de fuga RMS para os isoladores ESC8 no quarto ensaio em câmara salina.
Os isoladores ETG foram retirados de operação por volta da 110ª e 135ª
horas. A corrente de fuga apresentada por esses isoladores ficou em torno de
0,2 mA e pode ser observada no Gráfico 8.
Gráfico 8 – Corrente de fuga RMS para os isoladores ETG no quarto ensaio em câmara salina.
ESC8 ESC8
ETG1 ETG1
70
Os isoladores ESC1 também desenvolveram, apesar da alta corrente
mostrada, a menor corrente de terceiro harmônico, que indica a baixa atividade de
descargas disruptivas. Os isoladores ETG apresentaram alta corrente de terceiro
harmônico nas horas que antecederam sua retirada de operação. O Gráfico 9
mostra o desenvolvimento da corrente de terceiro harmônico durante o quarto
ensaio de câmara salina.
Gráfico 9 – Desenvolvimento da corrente de terceiro harmônico no quarto teste em câmara salina.
Além da propriedade semicondutora apresentada pelo esmalte ESC1 e
comprovada pela corrente de fuga de 3,5 mA, tal propriedade foi também
comprovada pela medição de uma temperatura superior na superfície do isolador,
pelo efeito Joule, com a temperatura medida sendo de 55 °C.
Houve também um enorme acúmulo de sal na superfície do isolador, como
mostrado nas Figura 41 e Figura 42. Apesar disto, os isoladores se mantiveram
estáveis e energizados até o final do teste.
ESC1 ESC1
ETG1 ETG1
ESC8
ESC8
71
Figura 41 – Isolador #1 com esmalte ESC1 após 72 horas de teste em câmara salina.
Figura 42 – Isolador #2 com esmalte ESC1 ao final do teste em câmara salina.
72
5 CONCLUSÕES
Dentre as diversas formulações de pigmentos semicondutores estudadas
aquela que obteve melhor desempenho contém, em fração mássica, 95% de
SnO2 com 5% de Sb2O3. O esmalte desenvolvido, e aplicado aos isoladores
elétricos, que apresentou melhores propriedades elétricas e mecânicas foi
processado contendo 30% em peso do pigmento semicondutor e 70% em peso
da matriz vítrea.
Os tamanhos de partícula das matérias-primas constituintes do pigmento
semicondutor possibilitaram uma difusão completa dos átomos de Sb na rede do
SnO2, sendo a aglomeração um fator não crítico nestes materiais uma vez que a
homogeneização é realizada à úmido em moinho de bolas.
Através das análises com DRX constatou-se que as matérias-primas eram
puras e o esmalte desenvolvido possui características de um material
vitro-cerâmico. Devido à baixa quantidade de dopante Sb2O3, não se detectou
alteração do espectro de raios-X do pigmento semicondutor, nem a presença do
óxido Sb2O4 o que indica uma difusão completa dos átomos de Sb na rede
cristalina do SnO2 quando realizado o tratamento térmico proposto.
As análises com MEV mostraram uma grande homogeneidade na
distribuição das partículas semicondutoras pela superfície do esmalte e por toda a
altura da camada esmaltada que possui aproximadamente 150µm; ainda foi
possível obter uma indicação da semicondutividade do esmalte desenvolvido
através do método de recobrimento utilizado.
As inspeções visuais mostraram que o esmalte desenvolvido apresentou
sinais de possível contaminação no processo produtivo. Entretanto, tomado os
devidos cuidados durante o seu preparo, o esmalte ESC1 mostrou uma qualidade
superficial satisfatória com um bom espelhamento e isenção de defeitos.
Os ensaios dilatométricos mostraram que o coeficiente de expansão
térmica linear do esmalte semicondutor é menor que o do esmalte tradicional; isso
fez com que a resistência mecânica do isolador produzido utilizando o esmalte
semicondutor fosse elevada. As tensões de flexão foram superiores para o
esmalte semicondutor devido à geração de tensões térmicas residuais
(compressivas) na superfície do mesmo. Apesar do menor coeficiente de
73
expansão térmica, não se observou trincas ou lascamento do esmalte após o
tratamento térmico de queima.
Após o teste de choque térmico todos os corpos de prova testados
estavam intactos não mostrando trincas ou defeitos em sua superfície; isto indica
que o esmalte semicondutor foi aprovado no referido teste de choque térmico.
As análises de resistividade superficial mostraram que devido ao
aparecimento das partículas semicondutoras serem somente em algumas regiões
o método de medida utilizado não deve possuir extremidades pontiagudas que
tornem difícil o contato entre as partículas semicondutoras e o ponta de prova do
equipamento de medida.
Como os ambos os métodos de teste, 4-pontas e megômetro, possuem
contatos pontiagudos e não são eficazes neste caso, o teste realizado segundo
Maryniak (2003) foi o único que apresentou valores na ordem de 70 MΩ/²,
indicando o esmalte como sendo um material semicondutor.
Os ensaios em câmara salina mostraram que o esmalte desenvolvido é um
material semicondutor uma vez que, a corrente de fuga medida ficou em torno de
3 mA, o que indica uma passagem de corrente muito grande para um material
isolante. Foi medida ainda uma temperatura de 55°C na superfície do isolador,
mostrando um provável efeito Joule ocorrido pela passagem de corrente elétrica
por um condutor ou semicondutor.
Devido ao último teste realizado possuir o dobro do tempo e a quantidade
de sal ser extremamente alta, o mesmo pode ser considerado como uma
extrapolação da vida útil dos isoladores ensaiados, já que na prática tal deposição
salina é impraticável. Apesar dessas condições, os isoladores ESC1 mantiveram-
se em operação mesmo com um acúmulo de sal visivelmente grande. Com isso
pode-se dizer que em condições normais de uso os isoladores deverão
apresentar uma vida útil superior aos atualmente utilizados.
Com os ensaios em câmara salina verificou-se o efeito semicondutor do
material desenvolvido e, também, a capacidade do mesmo em acumular,
superficialmente, grande quantidade de sal sem apresentar descargas disruptivas
que pudessem prejudicar a performance do isolado em uso.
Conclui-se com este trabalho que a produção de isoladores elétricos
semicondutores com elevado desempenho é viável e os mesmos possuem
propriedades elétricas superiores ao isoladores cerâmicos tradicionais.
74
6 SUGESTÕES
Realizar testes em campo, que não foram realizados devido à não
existência de uma linha de distribuição disponível para as medições e as mesmas
dependerem de condições climáticas adequadas à colocação e monitoramentos
dos isoladores, bem como a alocação de pessoal especializado para tal tarefa.
Uma rede elétrica específica para realização de testes já está sendo
construída sendo que a mesma estará localizada em uma região de alta
ocorrência de flashover e alta concentração salina. Esta rede constará de uma
linha de distribuição paralela à existente no local e possuirá sistemas de medição
de corrente de fuga e monitoração climática simultânea, bem como circuitos de
proteção aos equipamentos de medida. A construção desta linha de testes está a
cargo da distribuidora de energia elétrica da região.
A colocação de corpos de prova para testes em campo foi prevista e
poderá ocorrer tão logo haja disponibilidade de colocação dos isoladores no local
e também seja disponibilizado pessoal especializado para a tarefa de instalação
dos equipamentos na rede de alta-tensão. Os testes deveram ocorrer por um
período de no mínimo um ano ou até a ocorrência de descargas disruptivas que
retirem o isolador elétrico de operação.
Devido ao grande número de substituição de isoladores devido ao
vandalismo, choques sofridos por projéteis provindo de armas de fogo, sugere-se
a realização de testes balísticos nos isoladores esmaltados com esmalte
semicondutor, pois devido ao seu menor coeficiente de expansão térmica, este
pode possuir propriedade de resistência ao impacto de projéteis melhorada.
Sugere-se também um melhor estudo das propriedades semicondutoras
obtidas no esmalte desenvolvido, aplicando, por exemplo, o método de Van der
Pauw para medida de resistividade do material.
Para o teste da qualidade superficial é sugerido a medição da rugosidade
superficial utilizando um rugosímetro e reduzindo assim a utilização de métodos
comparativos como por exemplo a inspeção visual.
Devido à constatação de poros na camada esmaltada e no corpo do
isolador. Sugere-se uma análise aprofundada da influência da porosidade na
resistência mecânica do isolador, e também um estudo de como reduzir a
ocorrência dessa porosidade.
75
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABDELAZIZ, E., et al. Prevention of the Interruptions due to the Phenomena of the
Electric Insulators Pollution. in First International Symposium on Control,
Communications and Signal Processing. 2004.
AGUIAR, R., et al., Desenvolvimento do pigmento condutor SnO2-Sb2O3 e sua
aplicação em vidrados semicondutores. Cerâmica, 2004. 50: p. 134-137.
BAKER, A.C., J.W. Maney, and Z. Szilagyri, Long Term Experience With Semi-
Conductive Glaze High Voltage Post Insulators. IEEE Transactions on Power
Delivery, 1990. 5(1).
BARTHLOTT, W., Lotus-Effect: Fundamentals, Bonn University, 2005, Disponível em
http://www.botanik.uni-bonn.de/system/lotus/en/images/tropfen_hell.jpg acesso em 12
de Abr. 2005
DUMÉ, B., Turning the lotus effect on its head, PhysicsWeb, 2005, Disponível em
http://physicsweb.org/objects/news/9/4/3/0504031.jpg acesso em 16 de Jul. 2005.
FLUKE, Testando a resistência da isolação. American Technical Publishers, Inc.
Homewood - Illinois, 2005. ISBN 0-8269-1531-0.
FONTANESI, C., et al., Characterization of the Surface Conductivity of Glassy
Materials by Means of Impedance Spectroscopy Measurements. Journal of the
Europan Ceramic Society, 1998. 18: p. 1593-1598.
FRAZER, L., Titanium Dioxide: Environmental White Knight, Environmental Health
Perspective, 2001. 109(4): p. 174-177.
GUAN, K. Relationship between photocatalytic activity, hydrophilicity and self-
cleaning effect of TiO2/SiO2 films. Suface & Coatings Technology, 2004.
GUAN, K. S., B. J. LU, et al. Enhanced effect and mechanism of SiO2 addition in
superhydrophilic property of TiO2 films. Surface & Coatings Technology, v.173,
n.2-3, AUG 22, p.219-223. 2003.
HIGUCHI, N., K. Takayuki, and S. Nagoya, Electrical Insulators with Semiconductive
Glaze, U.S. Patent, Editor. 1980.
HIGUCHI, N., K. Takayuki, and S. Nagoya, Electrical Insulators, U.S. Patent, Editor.
1978.
IEC Publication 815: Guide for the selection of insulators in respect of polluted
conditions, 1986.
76
KARADY, G. G. and Shah, M., Flashover Mechanism on Sillicone Rubber Insulators
Used for Outdoor Insulation - I, IEEE Transactions on Power Delivery, 1995. 10(4):
p. 1965-1971.
KARADY, G. G., Flashover Mechanism of Non-ceramic Insulators, IEEE Transactions
on Dielectrics and Electrical Insulation, 1999. 6(5): p. 718-723.
KATO, K., et al. Wetting Characteristicas of Various Kinds of Insulators. Proceedings of
the 6th International Conference on Properties and Applications of Dieletric Materials.
2000.
LEITE, D. M. e Kanashiro, A. G., Projeto de Pesquisa em isoladores poluídos. Revista
Mundo Elétrico, São Paulo, 1985.
LIEBERMANN, J. New effective ways toward solving the problem of contamination of
porcelain insulators. Refractories and Industrial Ceramics, v.43, n.1-2, p.55-64. 2002.
LIMA, Eng. Milvio. R., Comunicação pessoal. CELESC. 2006.
MARYNIAK, W., et al., Surface Resistivity and Surface Resistance
Measurements:Using a Concentric Ring Probe Technique. Trek Application Note,
2003. p. 1-4.
MASONA, T. O., et al., Defect chemistry and physical properties of transparent
conducting oxides in the CdO-In2O3-SnO2 system. Thin Solid Films, 2002. 411: p.
106-114.
MATSUI, S., et al. State of the art of Semiconducting Glazed Insulators for
Transmission Lines in Heavily Contaminated Area. in Proceedings of the 5th
International Conference on Properties and Applications of Dieletric Materials. 1997.
Seoul, Korea.
MAYER, L. H., Relatório de Ensaio: Avaliação do Desempenho de Isoladores
Cerâmicos pela Medição da Corrente de Fuga. FURB, 2006.
MIHAIU, S., et al., SnO2 Electroceramics with Various Additives. Journal of the
European Ceramic Society, 2001. 21: p. 1801-1804.
NAKAJIMA, A., Hashimoto, K., Watanabe, T., Recent Studies on Super-Hydrophobic
Films, Monatshefte für Chemie / Chemical Monthly, 2004, p. 31-41.
NBR 10621 (1989): “Isoladores – Determinação das Características de
Suportabilidade sob Poluição Artificial”.
NBR 5032 (2004): “Isoladores para linhas aéreas com tensões acima de 1 000 V –
Isoladores de porcelana ou vidro para sistemas de corrente alternada”.
77
OGAWA, Y., et al., Method for producing semi-conducting Glaze Compositions for
Electric Insulators. U.S. Patent, Editor. 1972.
OVENSTON, A., Effect of frequency on the electrical characteristics of tin-antimony-
oxide mixtures, Journal of Materials Science, 1994. 29: p. 4946-4952.
REDDY, K. M., Manorama, S. and Reddy, A. R., Bandgap studies on anatase titanium
dioxide nanoparticles. Materials Chemistry and Physics, 2003. 78(1): p. 239-245.
ROSENBLATT, G., Semiconducting Glaze Composition, U.S. Patent, Editor. 1976.
SAHAR, M. R. and Hasbullah, M., Properties of SnO2-based ceramics, Journal of
Material Science, 1995. 30: p. 5304-5306.
SANGKASAAD, S., B. Staub, and B. Marangsree, Electrical Performance of
Semiconducting Glazes Insulators under Natural Pollution in Thailand.
Proceedings of the International Conference on Power System Technology, 2000: p.
2834-2837.
SONG, S. H., Wang, X., Xiao, P., Effect of microstructural features on the electrical
properties of TiO2. Material Science and Engineering, 2002, p. 40-47.
ULLRICH, H. and S. Gubanski, Electrical Characterization of New and Aged
Semiconducting Glazes. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,
2005. 12(1): p. 24-33.