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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ GUILHERME RACHELLE HERNASKI ESTUDO PARA AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES ELÉTRICAS E MECÂNICAS DE MATERIAIS EMPREGADOS NA CONFECÇÃO DE FERRAMENTAS PARA “LINHA VIVA” CURITIBA 2010
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
GUILHERME RACHELLE HERNASKI
ESTUDO PARA AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES ELÉTRICAS E MECÂNICAS
DE MATERIAIS EMPREGADOS NA CONFECÇÃO DE FERRAMENTAS PARA
“LINHA VIVA”
CURITIBA
2010
GUILHERME RACHELLE HERNASKI
ESTUDO PARA AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES ELÉTRICAS E MECÂNICAS
DE MATERIAIS EMPREGADOS NA CONFECÇÃO DE FERRAMENTAS PARA
“LINHA VIVA”
CURITIBA
2010
Monografia apresentada à disciplina Projeto de
Conclusão de Curso como requisito parcial à
conclusão do Curso de Graduação de Engenharia
Elétrica , Setor de Tecnologia, Departamento de
Engenharia Elétrica, Universidade Federal do
Paraná.
Orientador: Prof.Dr. Edemir Luiz Kowalski
iii
Agradecimentos
Agradeço os meus pais por todos os esforços realizados.
Agradeço ao meu orientador, Prof. Dr. Edemir Luiz Kowalski, pela orientação e
paciência.
Agradeço ao LACTEC pelo apoio e estrutura de laboratórios que possibilitaram o
desenvolvimento deste trabalho, bem como todos seus colaboradores, que me apoiaram durante
o período de estudos.
Agradeço minha namorada Bruna, pela paciência e amor compartido nesse difícil
período.
Agradeço à Universidade Federal do Paraná por oferecer um ensino publico, gratuito e
de qualidade.
Agradeço à COPEL e a ANELL pela possibilidade de poder realizar este trabalho de
conclusão de curso no Projeto P&D “ Estudo para a Padronização e Normalização de Ensaios
Mecânicos em Ferramentas de Linha Viva ”.
iv
Sumário
Sumário ......................................................................................................................................... iv
Lista de Figuras ............................................................................................................................. vi
Lista de Tabelas........................................................................................................................... viii
Lista de Símbolos e Acrônimos...................................................................................................... ix
RESUMO ....................................................................................................................................... x
ABSTRACT .................................................................................................................................... xi
1 Introdução ............................................................................................................................. 1
1.1 Métodos de Trabalho em Redes Energizadas ............................................................... 2
1.2 Principais Equipamentos Usados no Serviço em Redes Energizadas .......................... 3
2 Objetivos do trabalho ............................................................................................................ 7
3 Estado da arte ....................................................................................................................... 8
3.1 A Borracha natural ......................................................................................................... 8
3.2 O Polietileno................................................................................................................... 9
3.3 Envelhecimento térmico ................................................................................................. 9
3.4 Ensaio Mecânico ......................................................................................................... 10
3.5 Ensaios Elétricos ......................................................................................................... 14
3.5.1 Ensaio com Tensão Alternada ............................................................................. 14
3.5.2 Ensaio com Tensão Elétrica Contínua ................................................................. 15
3.5.2.1 Polarização de dielétricos ............................................................................ 15
4 Parte Experimental .............................................................................................................. 17
4.1 Materiais Utilizados ...................................................................................................... 17
4.1.1 Preparação das amostras de lençol Isolante ....................................................... 17
4.1.2 Preparação das amostras de cobertura circular (Polietileno) ............................... 18
4.2 Equipamentos .............................................................................................................. 19
4.2.1 Prensa hidráulica ................................................................................................. 19
4.2.2 Estufa ................................................................................................................... 19
v
4.2.3 Ponte Tetex – Ensaio em CA ............................................................................... 20
4.2.4 Fonte Matsusada Precision - Ensaio em CC ....................................................... 20
4.2.5 Instron – Ensaio de tração mecânica ................................................................... 21
4.2.6 Durômetro ............................................................................................................ 22
4.3 Métodos ....................................................................................................................... 22
4.3.1 Envelhecimento térmico ....................................................................................... 22
4.3.2 Ensaio Mecânico .................................................................................................. 23
4.3.3 Ensaio elétrico CA ............................................................................................... 23
4.3.4 Ensaio elétrico CC ............................................................................................... 24
5 Resultados e Discussão ...................................................................................................... 25
5.1 Dureza ......................................................................................................................... 25
5.2 Ensaio Mecânico .......................................................................................................... 25
5.3 Ensaios elétricos .......................................................................................................... 26
5.4 Resultados comparativos entre as propriedades elétricas e mecânicas ...................... 29
6 Conclusão ........................................................................................................................... 33
7 Trabalhos Futuros ............................................................................................................... 34
Anexo I ......................................................................................................................................... 34
Referência ................................................................................................................................... 35
Anexo I ......................................................................................................................................... 34
vi
Lista de Figuras
Figura 1: Ferramenta de linha viva desenvolvida em 1913 . .......................................................... 1
Figura 2: Luvas isolantes utilizadas em linha viva . ....................................................................... 4
Figura 3: Mangas isolantes tipo curvada, utilizada para o trabalho em linha viva . ........................ 4
Figura 4: Cobertura circular utilizada para trabalho em linha viva . ............................................... 5
Figura 5: Amostras de lençóis isolantes de borracha natural . ....................................................... 6
Figura 7: Captação de látex em uma seringueira. ......................................................................... 8
Figura 8: Unidade repetitiva do poliisopreno. ................................................................................. 9
Figura 9: Unidade repetitiva do polietileno. .................................................................................... 9
Figura 10: Lei de Hooke. .............................................................................................................. 11
Figura 11: Lei de Newton, a tensão é diretamente proporcional a velocidade de deformação. ... 12
Figura 12: Curvas de tensão x deformação de vários materiais poliméricos. .............................. 13
Figura 14: Amostra para ensaio elétrico, de tamanho 10cmx 10 cm. .......................................... 17
Figura 15: (a) Prensa com o molde; (b) Corpo de prova para o ensaio de tração. ...................... 17
Figura 16: Processo de confecção das amostras de PE. ............................................................ 18
Figura 17: Prensa hidráulica. ....................................................................................................... 19
Figura 18: Estufa Fanem modelo 320 SE. ................................................................................... 19
Figura 19: Fonte de tensão CA. ................................................................................................... 20
Figura 20: Fonte de tensão DC Matsusada. ................................................................................ 20
Figura 21: Multímetro da marca Fluke utilizado no ensaio CC. .................................................... 21
Figura 20: Equipamento instron 4467 utilizado nos ensaios de tração mecânica. ....................... 21
Figura 21: Paquímetro digital marca Starrett. .............................................................................. 22
Figura 24: Durômetro shore A e D utilizado nas medidas de dureza. .......................................... 22
Figura 25: Diagrama do sistema montado e utilizado para as medidas de tensão CA. ............... 23
Figura 26: Arranjo do ensaio CC .................................................................................................. 24
Figura 27: Dureza em relação aos dias de envelhecimento. ....................................................... 25
Figura 28: Gráfico do máximo alongamento versus os dias de envelhecimento, a esquerda
amostras de Cobertura Circular e a direita amostras de lençol isolante. ..................................... 26
Figura 29: À esquerda o gráfico da curva de corrente elétrica em função do campo elétrico da
amostra de cobertura circular envelhecida a 70°C. À direita o gráfico da curva de corrente
elétrica em função do campo elétrico da amostra de cobertura circular envelhecida a 90°C ...... 27
vii
Figura 30: À esquerda o gráfico da curva de corrente elétrica em função do campo elétrico da
amostra de lençol isolante envelhecida a 70°C. À direita o gráfico da curva de corrente elétrica
em função do campo elétrico da amostra de lençol isolante envelhecida a 90°C ....................... 27
Figura 31: À esquerda gráfico da corrente elétrica versus o campo elétrico para a amostra 2 de
Cobertura circular. À direita gráfico da corrente elétrica CA versus campo elétrico para a amostra
de Cobertura circular 6. ............................................................................................................... 28
Figura 32: À esquerda gráfico da corrente elétrica CA versus o campo elétrico para a amostra 3
de lençol isolante. À direita gráfico da corrente elétrica CA versus o campo elétrico para a
amostra 5 de lençol isolante. ....................................................................................................... 28
Figura 31: Gráfico comparativo da propriedade mecânica e elétrica em ensaio com corrente
elétrica CC. .................................................................................................................................. 31
Figura 32: Gráfico comparativo entre a propriedade mecânica e elétrica em ensaio com corrente
elétrica CA. .................................................................................................................................. 31
viii
Lista de Tabelas
Tabela 1: Valores das correntes elétricas CA e CC medidas no lençol isolante. ......................... 30
Tabela 2: Valores das correntes elétricas CA e CC medidas na cobertura circular. .................... 30
ix
Lista de Símbolos e Acrônimos
kV - Múltiplo da Unidade de tensão elétrica no Sistema Internacional de Unidades equivalente a
1000 volts.
COPEL – Companhia Paranaense de Energia.
LACTEC – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento.
EPI - Equipamento de Proteção Individual.
EPC - Equipamento de Proteção Coletiva.
HDPE - High-density polyethylene - Polietileno de Alta Densidade.
XLPE - Cross-linked polyethylene - Polietileno entrecruzado.
FRP – Fibre-reinforced plastic.
EPDM - Etileno propileno-dieno monômero.
ASTM - American Society for Testing and Materials.
NBR - Texto Normativo da Associação Brasileira de Normas Técnicas.
CA – Corrente Elétrica Alternada.
CC – Corrente Elétrica Contínua.
Shore A - Escala de medida de dureza que varia de 0 a 100 aplicada a materiais elastoméricos.
Shore D – Escala de medida de dureza que varia de 0 a 100 aplicada a materiais plásticos.
shunt - Resistor de derivação colocado em série ao circuito onde se deseja medir a corrente
elétrica, por meio da medida da tensão entre os terminais do resistor.
x
RESUMO
As ferramentas para trabalho em linha viva são confeccionadas com materiais isolantes. Na
aplicação destas ferramentas, além do isolamento elétrico são necessárias certas propriedades
mecânicas. Atualmente as avaliações destes equipamentos são realizadas por meio de ensaios
elétricos que analisam somente o isolamento do material. Observa-se que muitos materiais são
aprovados em ensaios elétricos, porém, possuem suas propriedades mecânicas comprometidas.
Este trabalho apresenta um estudo realizado sobre amostras de polietileno e borracha natural
retiradas de equipamentos de linha viva comerciais, submetidos a envelhecimento térmico
acelerado, onde foram avaliadas as propriedades mecânicas e elétricas.
O resultado obtido mostra que os materiais estudados apresentam um comprometimento
mecânico antes do comprometimento das propriedades elétricas, justificando a necessidade de
pesquisa no sentido de se desenvolver metodologias e técnicas para a realização de ensaios
mecânicos não destrutivos nos equipamentos de linha viva.
Palavra-chave: Equipamentos de linha viva, Borracha natural, Polietileno, Ensaio elétrico e
Ensaio mecânico.
xi
ABSTRACT
The tools for to work with live line are made with insulating materials. In the applying these tools,
moreover than isolation Electric are required some mechanical properties. Currently the ratings
of these items are made by test which examine only the electrical insulation material. Can
observe that many materials are approved in electrical test, but have their mechanical properties
compromised.
This work presents a study about samples by polyethylene from natural rubber removal from the
equipment of the live line business, subject to aging accelerated thermal, where they were
evaluated the mechanical and electrical properties.
The result shows that the materials studied have a mechanical commitment before the properties
electrical commitment, justifying the need for research in order to develop methodologies and
techniques to mechanical test by not destructive in the equipment of live line.
1
1 Introdução
No mundo atual a energia elétrica é indispensável para a sociedade, em contrapartida
essa dependência dos usuários vem se traduzindo em exigências por melhor qualidade de
serviço prestado pelas concessionárias distribuidoras de energia. Para garantir essa qualidade
de atendimento e diminuir as interrupções no fornecimento de energia, as empresas começaram
a desenvolver e utilizar técnicas de manutenção com a rede elétrica energizada, conhecida como
técnica de linha viva [1]. A partir de então, iniciou-se o desenvolvimento de metodologias e
ferramentas que pudessem ser utilizadas para realizar a manutenção em linha viva, ou seja, sem
a desenergização da rede. Embora o uso de ferramentas de linha viva seja considerado um
desenvolvimento recente da indústria de energia elétrica, já em 1913 os primeiros precursores
dessas modernas ferramentas deram início a trabalhos nessa área, como mostra a Figura 1 [2].
Figura 1: Ferramenta de linha viva desenvolvida em 1913 [2].
Em 1916 na cidade de Atlanta nos Estados Unidos foi desenvolvido um “gancho
elétrico”, sendo que este era um grampo de mola utilizado para explorar circuitos energizados.
Para a instalação desse gancho elétrico foi necessário a utilização de uma “haste”, tipo vara de
manobra. A partir deste momento novas técnicas e ferramentas para trabalho com rede
energizada foram criadas [2].
No começo as empresas só utilizavam essa técnica de manutenção para faixa de
tensões menores que 13,8 kV. No ano de 1920 teve-se a técnica utilizada em uma linha de 34
kV. Outro marco na utilização de equipamentos de linha viva foi em março de 1948, quando duas
empresas norte americanas realizaram a troca de uma cadeia de isoladores de suspensão em
uma linha de 287 kV [2].
Desde os primeiros desenvolvimentos de trabalhos em linha viva, os materiais utilizados
nas ferramentas começaram a receber uma atenção especial. Varas de manobra feitas com
haste de madeira passaram a ganhar primeiramente punhos com revestimento de materiais
2
poliméricos e mais tarde revestimento circular de polímero na haste como toda, e hoje já são
completamente fabricadas em resinas sintéticas. Com isso os equipamentos ficaram mais leves,
mais fortes e mais seguros.
A manutenção em linha viva deve ser realizada mediante a adoção de procedimentos,
metodologias e equipamentos que garantam a segurança dos trabalhadores. Atualmente as
atividades podem ser realizadas por dois métodos, sendo estes ao contato e a distância.
1.1 Métodos de Trabalho em Redes Energizadas
No método ao contato, o eletricista fica isolado do potencial de terra por meio de uma
cesta aérea, escada isolada de fibra ou andaime. Também permanecem isolados do potencial no
qual trabalham (normalmente 13,8 kV, 34,5 kV, no caso da COPEL – Companhia Paranaense de
Energia), por meio da utilização de luvas, mangas e calçados isolantes, especificados para as
respectivas tensões de trabalho. Neste ponto deve ser importante a observação de que os
eletricistas trabalham em apenas uma fase de cada vez, sendo obrigatório o isolamento das
fases ou partes energizadas adjacentes. Assim os potenciais máximos aos quais ficam sujeitos
durante este tipo de serviço (fase e terra) são respectivamente 8 kV e 20 kV em valores
arredondados, desde que os equipamentos utilizados no isolamento das demais partes
energizadas estejam em condições corretas de uso e funcionamento [3].
O método de trabalho à distância é amplamente utilizado pelas equipes de manutenção
de linhas de transmissão e subestações. No passado era utilizado pelas equipes de manutenção
de linhas de distribuição, porém, com a entrada e utilização dos cestos aéreos isolados, muitas
empresas abandonaram a metodologia. Nos Estados Unidos é uma metodologia bastante
aplicada até os dias atuais. Em algumas concessionárias do Japão e Comunidade Européia, o
serviço em linha viva ao contato, com a utilização de luvas isolantes é restrito a algumas poucas
atividades, sendo adotado em maior parte das tarefas o serviço à distância, por acreditar-se ser
mais seguro, mesmo envolvendo um número de equipamentos e técnicos maior [3; 4].
Esse método consiste em se trabalhar com o auxílio de bastões de elevação e bastões
manuais confeccionado em plástico reforçado de fibra (FRP), nos quais são adaptadas certas
ferramentas para a execução de serviços específicos. Normalmente este trabalho é aplicado em
redes e linhas de transmissão até 230 kV. Neste método o eletricista se encontra no potencial de
terra, sendo, portanto, necessária a utilização de ferramentas que garantam o isolamento
3
elétrico. Também são importantes os cálculos das distâncias mínimas de segurança nas quais
os eletricistas poderão se posicionar para realizar o trabalho [3].
Os equipamentos que garantem a segurança dos eletricistas nestas atividades são
denominados de equipamentos de proteção individual (EPI) e equipamentos de proteção coletiva
(EPC).
1.2 Principais Equipamentos Usados no Serviço em Redes Energizadas
Os equipamentos de proteção individual que garantem a segurança do eletricista são:
Calçado com solado isolante;
Luvas isolantes de borracha natural ou elastômeros;
Manga isolante de borracha natural ou elastômeros.
Ainda são considerados EPI’s nesta atividade o capacete de fibra, o óculos e em certas
atividades o protetor facial, sendo que estes equipamentos com exceção do capacete não
possuem características para isolamento elétrico para estas atividades.
O material empregado na fabricação da luva isolante (Figura 2) utilizada pelos
eletricistas é confeccionado em uma matriz de borracha natural, ou EPDM. As propriedades
ótimas dentro da aplicação desejada são obtidas por meio da mistura destas matrizes à cargas e
aditivos. A massa obtida desta mistura é dissolvida em solvente dando ao material um aspecto
líquido. Moldes na forma da luva são imersos neste material dissolvido tanta vezes quanto
necessário para se obter a espessura desejada. Após este processo segue a vulcanização que
confere à luva as propriedades desejadas [5].
As luvas são fabricadas de forma a ter uma espessura que permita o material suportar
um campo elétrico da ordem de 15 MV/m. Assim as luvas isolantes são divididas em seis classes
de isolamento, sendo estas 00, 0, 1, 2,3 e 4 para isolamento das tensões de 500 V, 1000 V,
7500 V, 17000 V, 26000 V e 36000 V respectivamente [6; 7].
4
Figura 2: Luvas isolantes utilizadas em linha viva [8].
A exemplo das luvas isolantes, as mangas isolantes são confeccionadas em uma matriz
de borracha natural ou Etileno propileno-dieno monômero (EPDM), seguindo os mesmos
princípios de formulação do material empregado na fabricação de luvas isolantes. Podem ser
confeccionadas pelo processo de imersão ou pintura do molde, ou ainda pelo processo de
termoprenssagem ou moldadas [3].
As mangas isolantes são comercializadas em dois modelos ou estilos diferentes, sendo
um deles a chamada manga reta e o outro a manga curvada, como mostra a Figura 3 [9; 10].
Diferente das luvas isolantes, as mangas isolantes são divididas em apenas 5 classes, sendo
estas 0, 1, 2, 3, e 4, para tensões de uso de 1 kV, 7,5 kV, 17 kV, 26,5 kV e 36 kV
respectivamente. Esse equipamento é utilizado pelos eletricistas somente para evitar eventuais
contatos com equipamentos ou cabos energizados.
Figura 3: Mangas isolantes tipo curvada, utilizada para o trabalho em linha viva [11].
5
Os equipamentos denominados de EPC’s normalmente empregados nas atividades em
linha viva, e que complementam a segurança do eletricista são:
Coberturas plásticas de condutores;
Coberturas plásticas de cruzeta;
Coberturas plásticas para postes;
Coberturas plásticas para isoladores de disco e pino;
Lençóis isolantes de borracha natural;
Coberturas flexíveis em borracha natural para condutor;
Lança isolada, escada isolada ou andaime;
Liner do cesto aéreo.
A vara ou bastão de manobra poderá ser considerado um EPC, porém, normalmente é
aplicado no método de trabalho em linha viva à distância.
Os equipamentos denominados de EPC, normalmente são aplicados pelas equipes que
realizam a manutenção de redes, com o objetivo de isolar as fases onde não se realiza o
trabalho ou partes do conjunto que estejam aterradas. Na verdade devem-se isolar todas as
partes do conjunto onde se trabalha, pois estas podem apresentar potencial elétrico induzido
pela rede, além do eletricista que ao executar o trabalho próximo à rede, tem nele um potencial
elétrico induzido. Assim deve-se realizar a atividade de forma isolada [3].
As coberturas rígidas ou de borracha natural empregadas, tem o papel de isolar as
partes energizadas consideradas de risco ao eventual contato do eletricista. Não são
equipamentos fabricados para o contato direto, como a exemplo das luvas isolantes.
As coberturas circulares como mostra a Figura 4, podem ser aplicadas no isolamento da
estrutura como o poste e a cruzeta. Existem diversos tamanhos e diâmetros para este
equipamento. Seu objetivo é isolar as partes aterradas da estrutura.
Figura 4: Cobertura circular utilizada para trabalho em linha viva [12].
6
As coberturas rígidas são confeccionadas em HDPE ou XLPE ou polímeros similares,
pelo processo de termoformagem ou injeção.
São classificadas em cinco classes de isolamento, ou seja, 2, 3, 4, 5, 6 as quais são
aplicadas para as tensões de uso fase-terra de 8,4 kV, 15,3 kV, 21,1 kV, 27 kV e 41,8 kV
respectivamente. Para tensões entre fases podem ser aplicadas em 14,6 kV, 26,4 kV, 36,6 kV,
48,3 kV e 72,5 kV.
Os lençóis isolantes como mostra a Figura 5, são confeccionados em borracha natural,
ou polímero equivalente e, portanto, seguem as mesmas classes de isolamento das mangas
isolantes e luvas isolantes confeccionadas em borracha natural. Com relação à classe de
isolamento, esta se divide em 0, 1, 2, 3 e 4.
Figura 5: Amostras de lençóis isolantes de borracha natural [13].
Os lençóis isolantes podem ser apresentados em vários formatos, sendo que estes
variam em função da aplicação do mesmo estabelecido pelas normas internas de cada
concessionária. A norma estrangeira que regulamenta os ensaios em lençóis isolantes para
serviço em redes energizadas é a ASTM D178 [14].
Trata-se de uma ferramenta muito versátil, talvez a mais versátil entre todos os EPC
utilizados pelos eletricistas de linha viva, em função de sua flexibilidade pode ser aplicado para
realizar o isolamento de diversas estruturas. É classificado como uma ferramenta para evitar o
eventual contato com partes energizadas, a exemplo das coberturas condutoras rígidas e manga
isolante [3].
7
2 Objetivos do trabalho
Em função da importância das ferramentas desenvolvidas para o serviço de manutenção
em redes energizadas de distribuição e linhas de transmissão, a propriedade de isolamento
elétrico é avaliada por meio de ensaios elétricos periódicos onde os resultados obtidos devem
estar dentro dos valores recomendados por normas técnicas e fabricantes.
A experiência de campo mostra que muitas ferramentas, ao serem ensaiadas, passam nos
ensaios elétricos, porém, possuem propriedades mecânicas comprometidas. Deve-se observar
que equipamentos como lençóis isolantes passam a adquirir uma dureza elevada com o passar
do tempo, coberturas rígidas passam a ter aberturas acima daquelas que são recomendadas
para sua aplicação nas atividades.
Assim este trabalho pretende realizar um estudo comparativo entre as propriedades
elétricas e mecânicas de amostras retiradas de equipamentos comerciais, em situação de
envelhecimento termo oxidativo acelerado em estufa, com o objetivo de verificar se a observação
obtida na prática dos ensaios em campo realmente são fundamentadas, ou seja, materiais com
propriedades mecânicas comprometidas podem passar em ensaios elétricos.
8
3 Estado da arte
3.1 A Borracha natural
A borracha natural é um polímero obtido da seiva (látex) da seringueira Euphorbiacea e
ao gênero Hevea. O látex é extraído através de cortes inclinados normalmente chamados de
sangria, feitos na casca do tronco das árvores hevea brasiliensis, e colhido em pequenos
recipientes afixados na extremidade inferior do corte, como pode ser visto na Figura 6. Por dia,
de cada árvore pode-se retirar entre 50 e 100 g de seiva e aproximadamente 60% desse látex
colhido torna-se borracha seca [15,18].
Figura 6: Captação de látex em uma seringueira [15; 18].
Basicamente entre 30 a 45% do látex após coagulação torna-se borracha natural, as
outras substâncias não borrachosas consistem de proteínas, amino ácidos, ácidos graxos,
triglicideos e outros lipídeos neutros, fosfolipideos, glicolipideos, carboidratos e sais inorgânicos.
A borracha natural é composta por hidrocarbinetos de borracha 93,7%, proteínas 2,2%,
carbohidratos 0,4%, lipídios naturais 2,4%, glicolipidios e fosfolipídios representam 1,0%,
materiais orgânicos 0,2% e outros compósitos representam apenas 0,1% [18].
A borracha natural é definida como um polímero denominado de poliisopreno. Sua
unidade repetitiva é mostrada na Figura 7. As unidades monoméricas do isopreno são ligadas
através dos átomos de carbono (1 e 4) num arranjo cabeça-cauda, formando uma configuração
cis 1,4 [18].
9
Figura 7: Unidade repetitiva do poliisopreno [15].
3.2 O Polietileno
O polietileno é quimicamente o polímero mais simples. É representado pela cadeia
(CH2-CH2)n. Devido à sua alta produção mundial, é também o mais barato, sendo um dos tipos
de plástico mais comum. É quimicamente inerte. Obtém-se pela polimerização do etileno (de
fórmula química CH2=CH2), de onde deriva seu nome. Este polímero pode ser produzido por
diferentes reações de polimerização, como por exemplo a polimerização por radicais livres,
polimerização aniônica, polimerização por coordenação de íons ou polimerização catiônica.
Cada um destes mecanismos de reação produz um tipo diferente de polietileno [16].
O polietileno é composto pela repetição de milhares de unidades da molécula básica do
etileno ou eteno como mostra a Figura 8, onde n normalmente é superior a 10.000, ou seja, uma
molécula de polietileno é constituída da repetição de 10.000 ou mais unidades de etileno. O
parâmetro n é definido como sendo o grau de polimerização do polímero [17].
Figura 8: Unidade repetitiva do polietileno [19].
3.3 Envelhecimento térmico
Este tipo de envelhecimento ocorre quando o sistema elétrico está sujeito a elevadas
temperaturas, onde os mecanismos a ele associados são termicamente ativados, tais como
polimerização, despolimerização, oxidação, quebra de cadeias e ligações [15].
Os altos níveis de insaturação nas cadeias estruturais dos polímeros os tornam muito
sensíveis à oxidação, principalmente em temperaturas mais elevadas, o que resulta em uma
10
baixa resistência ao envelhecimento acelerado pelo calor. Uma maneira de aumentar-se a
resistência do material a esse envelhecimento é adicionando à matrtiz polimérica ingredientes
antioxidantes e escolhendo sistemas de cura eficientes [18].
A exposição ao calor é usada para acelerar os processos de degradação. Nas
borrachas, pode ocorrer enrijecimento devido à reticulação causada por agentes de cura
residuais do processo, principalmente as entrecruzadas por enxofre. Os polietilenos também
podem sofrer degradação térmica caso não sejam ativados adequadamente [19].
A taxa com que tais reações químicas ocorrem segue a equação de Arrhenius. Neste
processo, a taxa de envelhecimento é considerada igual à taxa com que a reação dominante no
processo ocorre, sendo o tempo para a ruptura L(T) do material, inversamente proporcional a
esta taxa [20]. Assim, este modelo pode ser expresso por:
(1)
onde T é a temperatura absoluta e A e B são constantes determinadas experimentalmente.
3.4 Ensaio Mecânico [21]
A grande maioria dos materiais poliméricos é utilizada em função de possuir
propriedades mecânicas projetáveis e possuir um custo economicamente viável, sendo assim as
propriedades mecânicas passam a ter um papel de extrema importância. A compreensão da
alteração destas propriedades ao longo do tempo é de extrema importância para a completa
aplicabilidade destes materiais poliméricos. As propriedades mecânicas dos materiais são
avaliadas a partir de uma solicitação, na forma de deformação ou de uma tensão, onde as
respostas a serem monitoradas são respectivamente tensão e deformação.
Os principais fatores que afetam as propriedades mecânicas dos polímeros são:
Peso Molecular;
Entrecruzamentos ou ramificações das cadeias;
Grau de cristalinidade e morfologia dos cristais;
Plastização;
Orientação Molecular;
Preenchedores;
11
Blendas;
Separação de fases e orientação dos blocos, grafts e blendas.
Além dos fatores estruturais e moleculares elencados acima, condições ambientais e
variáveis externas são importantes para determinar-se o comportamento mecânico tais como:
Temperatura;
Tempo, freqüência, taxa de esforço ou deformação;
Pressão;
Amplitude de esforço ou deformação;
Tipo de deformação (shear, tensão, biaxial e outras);
Tratamento térmico ou histórico térmico;
Natureza da atmosfera vizinha, especialmente constituintes químicos desta.
Os materiais poliméricos possuem uma forte dependência com relação à temperatura e
deformação se comparados a outros materiais como, por exemplo, os metais. Esta forte
dependência das propriedades mecânicas com a temperatura esta diretamente associada ao
comportamento viscoelástico do polímero.
De forma bastante geral os materiais são classificados como possuindo comportamento
elástico e viscoso. O comportamento será elástico se o material apresentar um comportamento
que segue a lei de Hooke como pode ser visto na Figura 9, ou seja, a deformação é diretamente
proporcional à força aplicada e vice-versa.
Figura 9: Lei de Hooke [15].
Os materiais viscosos deverão seguir o comportamento previsto pela lei de Newton, que
pode ser visualizada na Figura 10, que determina que a tensão e a taxa de cisalhamento do
12
material estão relacionadas por meio da viscosidade do material a qual é uma característica do
mesmo.
Figura 10: Lei de Newton, a tensão é diretamente proporcional a velocidade de deformação [15].
Os materiais poliméricos apresentam um comportamento elástico e viscoso, ou seja,
apresentam um comportamento viscoelástico. A viscoelasticidade em polímeros é semelhante ao
comportamento dos líquidos e é proporcional à força aplicada, e no caso específico dos
materiais puramente elásticos, a deformação é diretamente proporcional à força aplicada. Em
sistemas viscosos todo o trabalho realizado sobre o sistema é dissipado na forma de calor, onde
em sistemas elásticos todo o trabalho é armazenado na forma de energia potencial como em
molas deformadas. Esta natureza dual dos polímeros torna seu comportamento complexo e ao
mesmo tempo interessante.
Para a maioria dos materiais poliméricos, suas características mecânicas são muito
sensíveis à taxa deformação mecânica, à temperatura e à natureza química do ambiente. Devido
à variedade de polímeros com estrutura química e morfologia diferentes podem ser encontrados
comportamentos de tensão-deformação bastante diversos, como pode ser visto na Figura 11.
13
Figura 11: Curvas de tensão x deformação de vários materiais poliméricos [15].
A curva A mostra o comportamento de um material polimérico frágil. Percebe-se neste
gráfico que o material deforma elasticamente até o momento em que ocorre a ruptura deste,
sendo sua deformação bastante reduzida. Exemplo destes materiais poliméricos é o poliéster, a
baquelite, o epóxi e a fibra de vidro. Normalmente todos os polímeros termofixos ou termorígidos
apresentam este comportamento. A curva B mostra o comportamento de um material plástico,
sendo muito semelhante ao comportamento de muitos materiais metálicos. Estes materiais
possuem um comportamento inicial elástico, seguido por uma região de escoamento e uma
região de deformação plástica, região onde ocorre a ruptura do material. Exemplos de materiais
poliméricos que apresentam este comportamento são os polímeros termoplásticos que possuem
uma temperatura de operação acima de sua temperatura de transição vítrea, como o polietileno,
PVC, policarbonato, poliuretanos e polipropileno entre outros. Estes mesmos materiais
termofixos, se estiverem operando numa região de temperatura abaixo de sua temperatura de
transição vítrea, apresentará uma curva tensão-deformação como mostra a curva D do gráfico
da Figura 11. A curva C mostra o comportamento dos materiais poliméricos conhecidos como
elastômeros, entre os quais se pode citar a borracha natural, nitrílica entre outras.
14
3.5 Ensaios Elétricos
Segundo as normas técnicas que padronizam os ensaios elétricos em ferramentas
isolantes, estes ensaios podem ser realizados em tensão alternada ou tensão contínua. Nestes
ensaios aplica-se uma determinada tensão, de acordo com a classe de isolamento da
ferramenta, durante um período de tempo, e mede-se próximo ao término do ensaio a corrente
elétrica que flui pelo equipamento ensaiado. Se o valor da corrente elétrica medida estiver abaixo
do valor adequado o material é aprovado.
Os fenômenos com relação à condução elétrica que ocorrem quando um material é
submetido a um campo elétrico alternado ou contínuo são diferentes, implicando em leituras de
corrente elétrica de fuga diferente [15].
3.5.1 Ensaio com Tensão Alternada
Sabe-se que a corrente elétrica que circula por um material é uma função da tensão
aplicada. Espera-se de forma geral uma dependência direta entre corrente elétrica e tensão
aplicada, porém, nos materiais poliméricos, a curva da corrente elétrica em função da tensão
pode variar de inclinação, especialmente em campos elétricos elevados.
Estudos recentes têm mostrado que essa alteração na inclinação da corrente elétrica
alternada (CA) está em função de mecanismos como, pequenas descargas parciais internas do
material, condução em função de alterações estruturais do material e mudança na distribuição de
cargas espaciais que se deslocam pela ação do campo elétrico CA. Esses estudos também tem
mostrado que a mudança de inclinação da corrente elétrica está associada a processos de
envelhecimento do material, sendo um importante parâmetro para se estudar a evolução do
material em termos de propriedades elétricas [22].4
A corrente elétrica CA que circula através do material isolante de capacitância
geométrica 0C , considerando-o como um circuito RC submetido a uma tensão CA U, com
freqüência f..2 , pode ser escrita como:
15
sendo 1j , onde
sendo a permissividade elétrica relativa do material, a permissividade elétrica do
vácuo, A a área dos eletrodos e d a distância entre os eletrodos. A corrente resistiva será:
onde a representa a perda dielétrica do material. Após a devida manipulação
matemática, chega-se à seguinte equação:
( 5 )
3.5.2 Ensaio com Tensão Elétrica Contínua
3.5.2.1 Polarização de dielétricos
O material dielétrico quando submetido à ação do campo elétrico contínuo (CC), as
distribuições de cargas moleculares e atômicas, inicialmente neutras, sofrem mudança em suas
posições de equilíbrio, onde as cargas positivas e negativas de módulo q são separadas por
uma distância l . O momento de dipolo induzido é dado por [23]:
Admite-se que estes momentos de dipolo induzidos sejam proporcionais ao campo
elétrico local:
16
sendo E
o campo elétrico local e a polarizabilidade, que depende da natureza das ligações
químicas moleculares e atômicas.
A ação do campo elétrico sobre o material dielétrico pode originar dipolos induzidos ou
orientação de dipolos elétricos permanentes, criando no material uma polarização elétrica.
Certos materiais apresentam uma polarização elétrica mesmo sem a ação do campo elétrico.
Tais materiais são chamados de eletretos e ferroelétricos.
Os mecanismos responsáveis pela polarização dos materiais dielétricos podem ser [24]:
Polarização eletrônica (Pe): É devida ao deslocamento da nuvem eletrônica em relação
ao núcleo do átomo e ocorre num intervalo de tempo inferior a 10-15 s. Este mecanismo é
independente da temperatura. A polarização eletrônica compõe a polarização rápida.
Polarização atômica (Pa) (Iônica ou molecular): É o resultado de um deslocamento
mútuo entre íons constituintes da molécula. Ocorre para intervalos de tempo da ordem de 10 -13
s, sendo praticamente independente da temperatura. A polarização atômica também
compõe a polarização rápida.
Polarização dipolar (Pd) (Orientacional): É formada pela orientação dos dipolos
permanente presentes no dielétrico, na direção do campo aplicado. Este fenômeno provoca uma
dissipação de energia a qual dependerá da relaxação dos dipolos. Trata-se de um processo
lento, com um intervalo de tempo da ordem de 10-6 s e que depende fortemente da temperatura.
A polarização orientacional faz parte da polarização lenta.
Polarização interfacial (Efeito Maxwell-Wagner): Surge nas descontinuidades de
fases, materiais diferentes, vazios e impurezas. Devido às diferentes condutividades e
permissividades das regiões, ocorre a formação de cargas espaciais nas interfaces dessas
regiões. Esta forma de polarização contribui para a polarização lenta.
Polarização por cargas espaciais nos eletrodos: Surge na interface dielétrico-
eletrodos. Ocorre quando os portadores de cargas (íons ou elétrons) se movem em direção aos
eletrodos, não sendo neutralizados eletricamente devido às imperfeições do contato dielétrico-
eletrodo, havendo desta forma um acúmulo de carga nos eletrodos, distorção do campo elétrico
e aumento de perdas e da permissividade relativa [25].
17
4 Parte Experimental
4.1 Materiais Utilizados
As amostras foram confeccionadas a partir dos equipamentos comerciais utilizados
pelas concessionárias de energia brasileiras. Os equipamentos utilizados foram o lençol isolante,
confeccionado em borracha natural e cobertura circular confeccionada em polietileno.
4.1.1 Preparação das amostras de lençol Isolante
As amostras de lençol isolante foram retiradas diretamente das ferramentas, recortadas
em amostras menores com tamanho de 10 cm x 10 cm, e espessura média de 2 mm, para a
realização dos ensaios elétricos, como pode ser visto na Figura 12.
Figura 12: Amostra para ensaio elétrico de tamanho 10 cmx 10 cm.
As amostras confeccionadas para o ensaio mecânico foram recortadas com a utilização
de faca padrão em forma de gravata, como pode ser visto na Figura 13.
Figura 13: (A) Prensa com o molde; (B) Corpo de prova para o ensaio de tração.
18
4.1.2 Preparação das amostras de cobertura circular (Polietileno)
A confecção das placas de cobertura circular foi feita utilizando-se pedaços menores,
recortados das ferramentas, que foram colocados em uma forma de alumínio coberta com papel
de acetato para se evitar a contaminação. A forma foi levada para uma prensa a uma
temperatura de 150 °C, durante um período de tempo. A forma então é retirada e resfriada em
contato com o ar, depois de resfriada retira-se o filme e recorta-se no tamanho de 10 cm x 10 cm
e espessura média de 0,40 mm. Dessas placas também foram cortados os corpos de provas
para o ensaio mecânico. Na Figura 14, pode-se visualizar melhor esse processo.
Figura 14: Processo de confecção das amostras de PE.
19
4.2 Equipamentos
4.2.1 Prensa hidráulica
Os filmes de cobertura circular foram conformados em termoprensa hidráulica sem
marca com capacidade de 60 toneladas métricas, com controlador de temperatura nas bases
inferior e superior da prensa.
Figura 15: Prensa hidráulica.
4.2.2 Estufa
Para se realizar o envelhecimento térmico das amostras foi utilizada a estufa da marca
Fanem modelo 320 SE, como mostra a Figura 16. Todas as amostras foram envelhecidas em 7,
21 e 45 dias na estufa com temperatura de 70° C e 90° C.
Figura 16: Estufa Fanem modelo 320 SE.
20
4.2.3 Ponte Tetex – Ensaio em CA
Nos ensaios de tensão CA aplicada foi utilizada uma ponte da marca Tettex modelo
2816 que aplica tensões até 12 kV com freqüência de 60Hz. A corrente elétrica e tensão
aplicada são registradas no próprio equipamento além das medidas do fator de perdas
dielétricas e da capacitância das amostras.
Figura 17: Fonte de tensão CA.
4.2.4 Fonte Matsusada Precision - Ensaio em CC
Para as medidas das amostras em campo elétrico contínuo e medida de corrente elétrica
contínua, foi usada uma fonte CC marca Matsusada Precision de 0 – 50 kV modelo AU-50P12-2
e corrente elétrica de 10 mA, como pode ser visto na Figura 18.
Figura 18: Fonte de tensão DC Matsusada.
No ensaio de tensão CC foi utilizado um multímetro digital da marca Fluke modelo 87 V
True RMS MULTIMETER que pode ser visto na Figura 19.
21
Figura 19: Multímetro da marca Fluke utilizado no ensaio CC.
4.2.5 Instron – Ensaio de tração mecânica
No ensaio de tração o equipamento utilizado foi o modelo Instron 4467, com velocidade
do travessão de 50.000 mm/min, com uma célula de carga de 100 kf. Todos os ensaios foram
realizados a uma temperatura de 18°C e umidade relativa do ar de 71%.
Figura 20: Equipamento instron 4467 utilizado nos ensaios de tração mecânica.
Foi utilizado no ensaio mecânico um paquímetro da marca Starrett modelo 727-6/150
que pode ser visto na Figura 21.
22
Figura 21: Paquímetro digital marca Starrett.
4.2.6 Durômetro
Para realizar os ensaios de dureza do material foram utilizadas duas classes de
durômetro da marca Bareiss, para cobertura circular utilizou o Shore D e para o lençol isolante o
Shore A.
Figura 22: Durômetro shore A e D utilizado nas medidas de dureza.
4.3 Métodos
4.3.1 Envelhecimento térmico
As amostras de borracha natural e polietileno foram acondicionadas em estufa, nas
temperaturas de 70º e 90ºC, para se realizar o envelhecimento térmico. As amostras estudadas
foram envelhecidas termicamente por um período de 7, 21 e 45 dias.
Para os ensaios mecânicos foram confeccionadas e envelhecidas 5 amostras para cada
temperatura e tempo de envelhecimento, totalizando 40 mostras para cada um dos materiais
estudados.
Para os ensaios elétricos, foram confeccionadas e envelhecidas 3 amostras, totalizando
6 amostras para cada material estudado. Neste caso as amostras tiveram suas propriedades
23
elétricas medidas sem envelhecimento. A seguir as mesmas amostras foram levadas para a
estufa para o envelhecimento em 7 dias, quando novamente tiveram as propriedades elétricas
medidas e assim sucessivamente, até os 45 dias de envelhecimento.
4.3.2 Ensaio Mecânico
No ensaio de tração os corpos-de-prova na forma de gravatas, retirados das ferramentas
sem envelhecimento e com o envelhecimento térmico, foram submetidos à tração até a ruptura.
Com este ensaio pode-se comparar as curvas de tensão versus deformação dos materiais novos
e envelhecidos e conseqüentemente a alteração em suas propriedades mecânicas.
4.3.3 Ensaio elétrico CA
Neste estudo foram aplicadas sobre as amostras tensões com freqüência 60 Hz,
utilizando-se a fonte marca Tettex. A corrente elétrica e tensão aplicada foram registradas no
próprio equipamento. O arranjo experimental construído para esta medida consiste em uma cuba
de acrílico com dois eletrodos circulares confeccionados em aço inox, com alívio de campo nas
bordas e eletrodo inferior com anel de guarda. O arranjo experimental pode ser visto na Figura
23.
Figura 23: Diagrama do sistema montado e utilizado para as medidas de tensão CA.
24
Esta técnica consiste em aplicar-se sobre a amostra tensões crescentes e medir as
respectivas correntes que fluem através da amostra.
4.3.4 Ensaio elétrico CC
Para a realização desse ensaio, o arranjo experimental consiste de uma cuba de acrílico,
a mesma usada para os ensaios em CA, como mostra o diagrama da Figura 24. O experimento
consiste em se aplicar tensões degrau de 1 kV e medir a respectiva corrente elétrica que flui pela
amostra. A medida da corrente elétrica é feita sobre um resistor shunt de 10 MΩ associado em
série à amostra, após 120 s da aplicação da tensão. O processo é repetido até se atingir à
tensão de 10 kV. Os valores de tensão aplicada são lidos na própria fonte de CC e os valores de
tensão do shunt no multímetro.
Figura 24: Arranjo do ensaio CC
25
5 Resultados e Discussão
5.1 Dureza
Na Figura 25 são apresentados os resultados da dureza Shore A e Shore D em função
ao tempo de envelhecimento. Como o ensaio não é destrutivo, as medidas foram realizadas
sobre as amostras utilizadas no ensaio elétrico.
Figura 25: Dureza em relação aos dias de envelhecimento.
Para as amostras de cobertura circular observa-se que não ocorre uma variação
expressiva da dureza com o tempo de envelhecimento.
Os resultados obtidos mostraram que a dureza Shore A e Shore D, não são grandezas
físicas indicadas para se avaliar alterações nas propriedades mecânicas das amostras
estudadas, para os tempos e temperaturas de envelhecimento aplicadas. Essa grandeza pode
ser melhor analisada para períodos maiores de envelhecimento.
5.2 Ensaio Mecânico
Neste teste, 5 amostras confeccionadas para o ensaio de tração como descrito no item
4.3.2 com e sem envelhecimento térmico, foram submetidas ao ensaio de tração mecânica.
26
Foram realizadas as medidas de máximo alongamento suportado pelo material até a tensão de
ruptura. A Figura 26 mostra os resultados obtidos.
Figura 26: Gráfico do máximo alongamento versus os dias de envelhecimento, a esquerda amostras de Cobertura Circular e a direita amostras de lençol isolante.
Através do gráfico da Figura 26 pode-se observar que para as duas temperaturas de
envelhecimento as amostras sofrem uma redução da propriedade mecânica de alongamento, em
função do envelhecimento térmico ao qual foram submetidas e em função do tempo de
envelhecimento. Para a cobertura circular não se observa grande diferença de alongamento
máximo entre as temperaturas de envelhecimento de 70 °C e 90 °C, porém, nas amostras de
lençol isolantes verifica-se uma variação mais expressiva entre as temperaturas de
envelhecimento investigadas, chegando a aproximadamente 100 % de diferença de
alongamento máximo em 45 dias.
Com relação ao alongamento máximo para as amostras de cobertura circular observa-se
em 45 dias uma redução próxima a 63% para as duas temperaturas de envelhecimento. Para as
amostras de borracha natural, verifica-se que no caso do envelhecimento a 70 °C e 45 dias, não
há uma perda significativa no alongamento, porém, para o envelhecimento a 90 °C e 45 dias a
perda de alongamento chega a 67%.
5.3 Ensaios elétricos
Para cada material, foram realizadas medidas em três amostras, com o objetivo de avaliar
se o comportamento destas era repetitivo, além de possibilitar a continuidade dos estudos caso
27
uma das amostras sofresse alguma danificação durante os ensaios elétricos. Assim serão
apresentados os resultados de apenas uma das três amostras, aquela que melhor representa os
resultados. No anexo I são apresentados os demais resultados obtidos para este ensaio.
Os gráficos da Figura 27 até a Figura 28 mostram as curvas de corrente elétrica CC em
função do campo elétrico aplicado.
Figura 27: À esquerda o gráfico da curva de corrente elétrica CC em função do campo elétrico da amostra de cobertura circular envelhecida a 70°C. À direita o gráfico da curva de corrente elétrica CC em função do
campo elétrico da amostra de cobertura circular envelhecida a 90°C
Figura 28: À esquerda o gráfico da curva de corrente elétrica CC em função do campo elétrico da amostra de lençol isolante envelhecida a 70°C. À direita o gráfico da curva de corrente elétrica CC em função do campo
elétrico da amostra de lençol isolante envelhecida a 90°C
O resultado dos gráficos da Figura 27 mostram que para as amostras de cobertura
circular ocorreu um aumento da corrente elétrica CC com o tempo de envelhecimento.
28
Para as amostras de lençol isolante envelhecidas a 70 °C, como pode ser visto no
gráfico da Figura 28, a corrente elétrica CC reduziu com o tempo de envelhecimento. Para as
amostras de lençol isolante envelhecidas a 90 °C, observa-se uma tendência à redução da
corrente elétrica para os envelhecimentos em 7 e 21 dias seguido de uma elevação da corrente
elétrica para 45 dias de envelhecimento.
Os gráficos da Figura 29 e Figura 30 mostram os resultados obtidos da corrente elétrica
de fuga com relação aos ensaios elétricos CA para as amostras estudadas.
Figura 29: À esquerda gráfico da corrente elétrica CA versus o campo elétrico para a amostra 2 de Cobertura circular. À direita gráfico da corrente elétrica CA versus campo elétrico para a amostra de Cobertura circular
6.
Figura 30: À esquerda gráfico da corrente elétrica CA versus o campo elétrico para a amostra 3 de lençol isolante. À direita gráfico da corrente elétrica CA versus o campo elétrico para a amostra 5 de lençol
isolante.
29
Os gráficos da Figura 29 e Figura 30 mostram que tanto para as amostras de cobertura
circular quanto para as de lençol isolante, verifica-se uma pequena alteração no valor da
corrente elétrica CA. Neste ensaio observa-se que a temperatura de envelhecimento, bem como
o tempo de envelhecimento não afetam significativamente os valores de corrente elétrica CA.
5.4 Resultados comparativos entre as propriedades elétricas e mecânicas
Com a finalidade de se estabelecer uma comparação entre perdas de propriedades
mecânicas e elétricas para os materiais analisados, foi realizado um estudo comparativo entre a
propriedade elétrica selecionada, ou seja, a corrente elétrica e a propriedade mecânica de
alongamento. As duas principais propriedades elétricas, sendo a corrente elétrica de fuga CA e
CC são colocadas em forma gráfica, em função da propriedade mecânica de alongamento a qual
retrata os processos de envelhecimento e degradação do material. Para esta comparação,
utilizou-se somente os resultados obtidos para o envelhecimento mais agressivo, ou seja, a 45
dias.
Com relação à propriedade mecânica de alongamento, segundo a norma técnica NBR
11873 [26] recomenda-se que materiais poliméricos, apresentem uma perda máxima de
alongamento de 30% em relação às suas condições iniciais.
Como a espessura das amostras de borracha natural estudadas é da ordem de 2,0 mm,
serão enquadradas como material pertencente à classe de isolamento 1 [7, 9, 10]. Para esta
classe utiliza-se um campo elétrico aplicado de 3,2 MV/m CA e 12,5 MV/m CC, seguindo as
recomendações da norma técnica ASTM D 178-01 [14]. Assim foram utilizados os campos
elétricos de 3,2 MV/m CA e 5 MV/m CC sendo o ultimo abaixo do valor estabelecido pela norma,
pois foi o máximo campo atingido no ensaio. Na Tabela 1 observa-se os valores de corrente CA
e CC utilizados.
Tabela 1: Valores das correntes elétricas CA e CC medidas no lençol isolante com 45 dias de
envelhecimento
i CC em 5 MV/m i CA em 3,2 MV/m i CC em 5 MV/m i CA em 3,2 MV/m
7,1E-9 128,0E-6
326,2E-9 133,0E-6Lençol Isolante 90° C
45 dias
70° 90°
Amostra
Lençol Isolante 70° C
30
.
Para materiais confeccionados em borracha natural classe 1 a corrente elétrica de fuga
aceitável em ensaios CA e CC é de no máximo 18 mA, seguindo a norma técnica ASTM D 120
[7]. Pode observar pela Tabela 1 que nenhuma das amostras de lençol isolante excedeu esse
valor de corrente elétrica de fuga.
A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos para as amostras confeccionadas a partir de
cobertura circular. Para estas amostras usou-se um campo elétrico de 5 MV/m CA e 7 MV/m CC,
em função das tensões de ensaio estabelecidas pela norma técnica ASTM F 968 [27] para uma
espessura de 2,70 mm. No caso de coberturas rígidas a norma técnica não estabelece valores
para a corrente elétrica de fuga em função da tensão elétrica aplicada, recomendando somente o
registro destes valores. Assim optou-se por realizar a comparação à borracha natural. No caso
das amostras de cobertura circular estudadas, a espessura usada foi de 0,40 mm em média,
valor este 6,75 vezes menor que aqueles utilizados nas ferramentas de material rígido.
Pelos resultados obtidos pode-se observar que mesmo para as amostras com uma
espessura menor do que aquelas aplicadas às ferramentas de linha viva, e para os
envelhecimentos aplicados, os valores da corrente elétrica de fuga não são significativos. Os
resultados obtidos mostram que mesmo com processos de envelhecimento bastante agressivos
as amostras estudadas não perderam suas propriedades elétricas de isolamento, para as
situações de comparação realizadas.
Tabela 2:Valores das correntes elétricas CA e CC medidas na cobertura circular com 45 dias de envelhecimento.
i CC em 7 MV/m i CA em 5MV/m i CC em 7 MV/m i CA em 5 MV/m
3,4E-6 95,0E-6
2,5E-6 72,2E-6Cobertura circular 90°
45 dias
70° 90°
Amostra
Cobertura circular 70°
Para os valores de campo elétrico definidos, pode-se apresentar uma comparação entre
a propriedade elétrica e mecânica, para as tensões de ensaio CC e CA como mostra a Figura 31
e Figura 32.
31
Figura 31: Gráfico comparativo da propriedade mecânica e elétrica em ensaio com corrente elétrica CC.
Figura 32: Gráfico comparativo entre a propriedade mecânica e elétrica em ensaio com corrente elétrica CA.
A região 1 apresenta um material que teve alongamento menor ou igual a 30% e com
uma corrente de fuga inferior a 18 mA, classificando o material como bom eletricamente e
mecanicamente, na região 2 tem-se um material que se apresenta ruim eletricamente e bom
32
mecanicamente, pois seu alongamento é menor igual a 30% do alongamento máximo e sua
corrente elétrica de fuga superior a 18 mA. Na região 3 os materiais são bons eletricamente e
ruins mecanicamente, devido a corrente elétrica de fuga estar inferior a 18 mA e o alongamento
máximo com mais de 30 %. Na região 4, a situação mais crítica que pode ocorrer, tem-se os
materiais ruins eletricamente e mecanicamente, onde o alongamento mecânico fica abaixo dos
30% inicial e a corrente elétrica de fuga superior a 18 mA.
Na Figura 31 e Figura 32 pode-se observar que a única amostra a não sofrer um
comprometimento de 30 % dos seus valores iniciais de alongamento foi à borracha natural
envelhecida a uma temperatura de 70° C, e que nenhuma das amostras estudas tiveram uma
corrente de fuga superior ao valor de 18 mA.
33
6 Conclusão
Para as amostras estudadas, temperaturas e tempos de envelhecimento aplicadas neste
trabalho, a grandeza física dureza, não apresentou resultados significativos para avaliação das
propriedades mecânicas.
Para as amostras de cobertura circular verificou-se que a temperatura de
envelhecimento não afetou significativamente a propriedade mecânica de alongamento, porém,
com o tempo de envelhecimento ocorre uma redução no alongamento chegando a ordem de
63% para 45 dias de envelhecimento. No caso das amostras de lençol isolante, verificou-se que
no caso do envelhecimento a 70 °C e 45 dias, não há uma perda significativa no alongamento,
porém, para o envelhecimento a 90 °C e 45 dias a perda de alongamento chega a 67%.
Nos ensaios elétricos realizados em tensão CA e CC verificou-se que o envelhecimento
térmico e o tempo de envelhecimento não afetaram significativamente os valores de corrente
elétrica medidos, onde em todas as situações estudadas, não foram ultrapassados os valores de
corrente elétrica estabelecidos por norma ou extrapolados delas.
Em função dos resultados obtidos, construiu-se um gráfico correlacionando a
propriedade corrente elétrica com a propriedade mecânica alongamento, possibilitando
apresentar de forma clara e inédita o comportamento mecânico e elétrico dos materiais,
confirmando assim a hipótese de que os materiais com propriedades mecânicas comprometidas
podem ser aprovados em ensaios elétricos.
O resultado final deste trabalho mostra a necessidade de investimentos no sentido de se
buscar desenvolvimento de metodologias de ensaios mecânicos não destrutivos para os
equipamentos de linha viva de forma a complementar os critérios de avaliação de continuidade
destes materiais com os usuários.
34
7 Trabalhos Futuros
Investigação da propriedade dureza Shore A e Shore D em tempos de
envelhecimento maiores que os aplicados neste trabalho;
Investigação de outras propriedades mecânicas que possam indicar os processos
de envelhecimento de materiais empregados em ferramentas de Linha Viva;
Avaliação das propriedades mecânicas e elétricas outras faixas de temperatura e
tempos de envelhecimento, bem como, em outras formas de envelhecimento;
Desenvolvimento de técnicas e metodologias e equipamentos para a avaliação das
propriedades mecânicas dos materiais por meio de ensaios não destrutivos.
Anexo I
35
Referência
[1] LEÃO, R. GTD – Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica, Universidade
Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica.
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05-2010.
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D=1 .Data de acesso dia 01-08-2009.
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[13] HUBBELL POWER SYSTEMS, http://www.hubbellpowersystems.com/POWERTEST/c
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dielétricos. Curitiba, 2006. Tese (Doutorado em engenharia) – Universidade Federal do Paraná.
[16] MUNARO, M. Desenvolvimento de bledas de polietileno com desempenho aperfeiçoado
para utilização no setor elétrico. Curitiba, Junho de 2007. Tese (Doutorado em Engenharia em
ciências do material)- Universidade Federal do Paraná.
36
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wwwwww.gorni.eng.br. Data de acesso dia 20-04-2010.
[18] GARBIM, V. J. Borracha natural. CENNE. http://www.cenne.com.br/artigos/index.asp?
cod=261. Data de acesso dia 17-05-2010.
[19] VIANA, H. Degradação térmica – Degradação, estabilização e reciclagem de polímeros.
http://www.cenne.com.br. Data de acesso dia 15-05-2010.
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Magazine. IEEE v. 13 , Issue: 1, pp: 6 - 13, Jan.-Feb. 1997.
[21] WILLIAM D. C. JR. Ciência de Engenharia de Materiais: uma Introdução. 5ª Edição, Editora
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[24] Chen C. Ku and Raimond Liepins. Electrical Properties of Polymers – Chemical Principles.
Hanser Publishers, Munic,Viena, New York, 1987.
[25] DEREK D. H. Dielectric Sensing of Ceramic Particle Suspensions. M.S. Thesis, University of
Virginia, 1996.
[26] NBR 11873, Cabos Aéreos Cobertos Com XLPE Para Uso Em Regiões Arborizadas com
Tensões de 15 kV e 25 kV, Rio de Janeiro, 2001.
[27] ASTM F 968–93 - Standard Specification for Electrically Insulating Plastic, ASTM,
Philadelphia,2002.
37
Anexo I
Figura A1: À esquerda o gráfico da curva de corrente elétrica em função do campo elétrico da amostra de cobertura circular 1. À direita o gráfico da curva de corrente elétrica em função do campo elétrico da
amostra de cobertura circular 3.
Figura A2: À esquerda o gráfico da curva de corrente elétrica em função do campo elétrico da amostra de cobertura circular 4. À direita o gráfico da curva de corrente elétrica em função do campo elétrico da
amostra de cobertura circular 5.
38
Figura A3: À esquerda o gráfico da curva de corrente elétrica em função do campo elétrico da amostra de lençol isolante 1. À direita o gráfico da curva de corrente elétrica em função do
campo elétrico da amostra de lençol isolante 2.
Figura A4: À esquerda o gráfico da curva de corrente elétrica em função do campo elétrico da amostra de lençol isolante 4. À direita o gráfico da curva de corrente elétrica em função do
campo elétrico da amostra de lençol isolante 6.
Figura A5: À esquerda gráfico da corrente elétrica versus o campo elétrico para a amostra 1 de Cobertura circular. À direita gráfico da corrente elétrica CA versus campo elétrico para a amostra de Cobertura
circular 3.
39
Figura A6: À esquerda gráfico da corrente elétrica versus o campo elétrico para a amostra 4 de
Cobertura circular. À direita gráfico da corrente elétrica CA versus campo elétrico para a amostra de Cobertura circular 5.
Figura A7: À esquerda gráfico da corrente elétrica CA versus o campo elétrico para a amostra 1 de lençol isolante. À direita gráfico da corrente elétrica CA versus o campo elétrico para a amostra 2 de lençol
isolante.
Figura A8: À esquerda gráfico da corrente elétrica CA versus o campo elétrico para a amostra 4 de lençol isolante. À direita gráfico da corrente elétrica CA versus o campo elétrico para a amostra 6 de lençol
isolante.
