Tabela 4.2 - Características de óleo para papéis de cabos
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Características
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Óleo fino
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Óleo grosso
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Peso
específico a 20oC (g/cm3)
Ponto de
solidificação (oC)
Ponto de
inflamação (oC)
Resistividade
(x cm)
óleo novo a
100oC,
após 40 horas
a 120oC
Fator de
perdas
óleo novo a
100oC,
após 40 horas
a 120oC
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0,86 a 0,88
- 30
150 - 170
> 25 x 1012
> 2,5 x 1012
£ 5 x 10-3
£ 30 x 10-3
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0,92 a 0,94
- 5
250 a 270
> 0,5 x 1012
> 1,7 x 1012
£ 40 x 10-3
£ 70 x 10-3
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Ao lado do fator de perdas (tg ơ), também a rigidez
dielétrica ou a tensão de ruptura obtida em um equipamento de ensaio
padronizado, são fatores importantes. Esse valor é de aproximadamente 200 kV/cm
para óleos para óleos secos e novos na faixa de temperatura de – 40°C a + 50°C,
destinados a transformadores, e destinados a transformadores, e de 120 kV/cm para
óleo de disjuntores. Esses valores, porém devem ser usados com cuidado, face às
influências dos campos elétricos entre os eletrodos de ensaio, devido à
possível variação de seus formatos (planos, esféricos, etc.) e que, devido às
diferentes configurações do campo elétrico, levam a campo heterogêneos com
número variável de linhas por centímetro quadrado, e conseqüentemente, darão
diferentes valores de ruptura, para mesmo afastamento (ou seja, diferentes
valores de rigidez dielétrica).
A tensão de ruptura dielétrica mínima varia também com a
classe de tensão em que o óleo é usado, bem como do equipamento onde é
empregado.
Valores médios nesse sentido se situam entre 80 kV/cm até
140 kV/cm (na faixa de classes de tensão de 34,5 a 220 kV) para transformadores
para redes e para instrumentos, e com valores de 40 kV/cm a 80 kV/cm (para classes
de tensão de 34,5 a 69 kV) para dispositivos de comando.
No uso de equipamentos possuidores de óleo mineral, uma das
providências de rotina é uma sistemática verificação da tensão de ruptura ou da
rigidez dielétrica, face à constatação de um envelhecimento relativamente
rápido e inexeqüível para diversas dessas aplicações. Como resultado, os
próprios sistemas de manutenção prevêem a retirada periódica de amostras de
óleo, e a verificação de suas características isolantes. Nota-se perfeitamente
após um período por vezes relativamente curto (2 a 3 anos) que o óleo perdeu
sensivelmente suas propriedades isolantes, reduzindo, por exemplo, em algumas
vezes sua rigidez dielétrica. Dependendo do valor obtido, é necessário aplicar
processos de purificação ou filtragem ou, em caso extremo, fazer a substituição
do óleo envelhecido por outro novo.
A oxidação do óleo é um dos fatores que sempre estão
presentes, e que se fazem sentir devido à presença do oxigênio do ar e da
elevação de temperatura.
Em grau menor, a luz do dia pode atuar no mesmo sentido,
razão pela qual o óleo deve ficar protegido de seus raios de luz. O tipo de
cadeia de carbono que está presente também tem sua influência: certas ligações
de cadeias de carbono se oxidam com maior facilidade. Como resultado, aparecem
diversos ácidos orgânicos, além de água e materiais voláteis. Sob a ação do campo
elétrico ou perante descargas internas, poderão acontecer decomposições
moleculares, de modo que os produtos ácidos da oxidação se transformam em
matérias com cadeia molecular extensa, devido à polimerização ou
policondensação progressiva.
O início do envelhecimento do óleo é sempre caracterizado
pelo aumento do coeficiente de acidez, apesar de que o grau de envelhecimento
não pode ser avaliado com segurança pelo valor numérico desse coeficiente pois,
os produtos ácidos que se formam, sofrem novas transformações, deixando de
apresentar, assim, um comportamento ácido.
Além da própria contaminação do óleo e da perda parcial de
suas propriedades, é importante analisar também as conseqüências da acidez do
óleo sobre os demais materiais usados no equipamento. A celulose do papel, por
exemplo, tem a tendência de absorver certos tipos de moléculas remanentes nas
impurezas do óleo, deslocando este de sua impregnação no papel, ou senão de ser
atacado por certas formações moleculares específicas.
Aliás, esse mesmo problema ocorre ao incidir água sobre um
papel impregnado com óleo: água desloca o óleo e, sendo o primeiro um mau
isolante, cria locais de isolação deficiente.
Além da rigidez dielétrica, outro fator que pode
caracterizar o envelhecimento é a variação do fator de perdas (tg ơ) perante
diferente freqüências. A Fig. (4.4) demonstra tal situação, no caso perante uma
freqüência industrial de 60 Hz. Nota-se que, ao longo do tempo (no caso,
praticamente três anos), o óleo corretamente purificado não alterou seu tg ơ, o
mesmo já não acontecendo com os outros dois. Pela configuração das curvas, é
possível concluir ainda sobre os tipos de produtos de oxidação que se apresentaram,
e daí escolher a melhor maneira de eliminá-los.
Fig. 4.4 - Variação das perdas dielétricas de óleos minerais
em função do grau de pureza e do envelhecimento os produtos de oxidação que se
formam em uso, geralmente influem menos sobre o valor da rigidez dielétrica do
que a presença de certos gases ou água no óleo.
A umidade presente no óleo provém, geralmente do ar; mesmo
porque, no processo de fabricação do equipamento, todos os cuidados são tomados
para eliminar a umidade, a qual penetra no equipamento em uso, devido à
variação das pressões internas: um equipamento ligado se aquece, dilata-se o
óleo e o ar interno é expulso do tanque; quando o equipamento é desligado, ocorre
um esfriamento de todas as partes, conseqüentes contração, e um vácuo relativo
na parte onde o ar foi expulso.
Daí, pela diferença entre pressões, a maior pressão externa
forçará a entrada do ar externo. possuidor de certo grau de umidade, que vai se
condensar internamente ao tanque, após o que escorre pelas paredes e entra em
contato com o óleo.
Conforme já vimos anteriormente, os produtos de oxidação
reduzem a tensão superficial do óleo, aumentando a capacidade de associação
entre água e óleo, que assim fica em estado de emulsão dentro do óleo. Essa
água, mesmo em pequenas quantidades (o óleo a 60 oC absorve 2% de água) irá
influir de modo acentuado sobre a rigidez dielétrica do óleo. Problema
semelhante ocorre se o óleo absorve gases, os quais também apresentam
características isolantes inferiores às dos óleos, podendo levar assim a
problema de baixa isolação.
Observa-se, em resumo, que a deterioração do óleo mineral
pode ocorrer por diversas razões, externas e internas, devidas ao próprio
processo de obtenção do óleo, ao contato com outros componentes
(particularmente metálicos) e com elementos resultantes do ambiente em que o
óleo vai operar. De todos estes, resultam produtos líquidos, sólidos e,
eventualmente, gasosos, que influem negativamente sobre o óleo, e que assim,
precisam ser eliminados. Surgem daí diversos processos de purificação como a
eliminação de impurezas sólidas através de filtro-prensa ou centrifugação e
eliminação da água em câmara a vácuo aquecida.
Outro problema apresentado pelos óleos minerais é a sua
inflamabilidade, motivado não pelo contato direto com uma chama, mas sim devido
à combustão espontânea quando sobre aquecido, colocando em risco o pessoal e os
equipamentos próximos.
Por essa razão, equipamentos que usam óleos minerais dispõe
de controladores temperatura (termômetros com contatos), que numa primeira
etapa, ligam um alarme comunicando que o óleo atingiu seu valor máximo
admissível; se nenhuma providência for tomada para reduzir a temperatura
(redução de carga, aumento da velocidade de retirada de calor por refrigeração
intensa, etc.), então, numa segunda etapa, é acionado o disjuntor de entrada,
que assim desliga o equipamento.
O askarel
No desenvolvimento de líquidos que possam ser substitutos do
óleo mineral, encontramos o askarel, quimicamente se compõe de um
pentaclorodifenil (C6 H2 Cl3 C6 H2 Cl3) que se destaca sobretudo pelo fato de
não ser inflamável, apresentando porém uma série de outros problemas e
cuidados, que fazem com que hoje já se esteja a substituí-lo, provavelmente por
um óleo à base de silicone. O askarel também não pode ser usado em aplicações
onde se apresentam arcos voltaicos expostos, pois, nessas condições de
temperatura, haverá rompimento da cadeia de HCl e desprendimento do cloro. Seu
emprego, entretanto, já é mais recomendado em cabos e capacitores com
isolamento em papel (e = 5 a 6) pois o
askarel (e = 5), ao
impregnar o papel confere-lhe uma característica mais homogênea e,
conseqüentemente, uma distribuição de campo elétrico mais uniforme, do que se o
impregnante fosse o óleo mineral (e = 2). Com isto, a capacitância dos capacitores pode ser
elevada em até 40%.
Os askaréis se caracterizam ainda pela ausência de
envelhecimento e da formação de subprodutos durante o seu uso. Com isso, varia
pouco o valor da rigidez dielétrica de askaréis novos e em uso, não havendo
necessidade de sistemas de purificação. Além disso, esse valor de rigidez
dielétrica costuma ser mais elevado que o dos óleos isolantes. Sua temperatura
de serviço é um pouco superior à do óleo, se localizando a 110°C.
Os askaréis se distinguem ainda dos óleos minerais, no seu
manuseio. Enquanto os óleos são neutros, pouco ou nada reagindo com os
materiais elétricos convencionais, os askaréis, devido à presença do cloro, são
quimicamente ativos, atacando o sistema respiratório e visual dos que o
manuseiam, ataque que se estende a alguns produtos dos componentes. Dessa
forma, além de certas medidas de prevenção contra intoxicação orgânica, o uso
dos askaréis exige uma verificação de seu comportamento com os materiais com os
quais ficará em contato.
Alguns nomes comerciais do askarel são Clophen, Inerteen,
Aroclor. O preço do askarel, é geralmente dez vezes superior ao do óleo
mineral, o que também limita seu uso.
Óleos de silicone
Os óleos de silicone (cadeias Si - O - Si associado a grupos
metílicos e fenólicos) são líquidos incolores e transparentes com uma gama
bastante ampla de viscosidades e pontos de ebulição, caracterizando-se por um
ponto de chama bastante elevado (300°C e acima) e baixo ponto de solidificação
(- 100°C); como conseqüência, sua faixa de emprego se situa entre 200°C e – 60°C,
faixa essa que ainda pode ser ampliada, sob certas condições. Mesmo variando a temperatura,
a viscosidade não se modifica na mesma proporção, dentro de valores bem menores
que os óleos minerais. São recomendados como lubrificantes em máquinas que
trabalham a temperaturas muito altas ou baixas.
Utilizando-se das características básicas do silício, os
silicones permanecem neutros perante a grande maioria dos elementos, o que lhes
confere uma elevada estabilidade química e conseqüente ausência de
envelhecimento. Ainda, se apresentam repelentes à água, evitando assim perda de
características isolantes, e serviço. Consulte os valores numéricos das
características elétricas, térmicas e químicas na Tab. 4.4.
Em áreas paralelas, graxas e óleos de silicone são
preferidos como elemento de separação entre a massa de um molde e o molde
propriamente dito, nas aplicações de injeção em plástico.
Silicones líquidos encontram ainda extensa aplicação em
numerosos processos e produtos industriais tais como acréscimos de tintas e
vernizes, lubrificantes e outros. São solúveis em benzol, toluol, éter e
álcoois de grau superior, sendo insolúveis em óleos minerais e álcoois de grau
inferior. O preço do óleo de silicone é, comparativamente muito alto em relação
ao óleo mineral.
4.3.3 - Isolantes Pastosos e Ceras
As pastas ou ceras utilizadas eletricamente se caracterizam
por um baixo ponto de fusão, podendo ter estrutura cristalina, baixa
resistência mecânica e baixa higroscopia.
Parafina
É o material pastoso não-polar mais usado e mais barato. É
obtido de uma das fases de decomposição do petróleo, com elevado teor de
metana, através de uma destilação adequada.
Após o esfriamento desse destilado, a pasta de parafina se
separa do volume restante de material; a parafina assim obtida passa por
processo de purificação subseqüente, para eliminar restos de óleo e de
materiais residuais de fácil oxidação. Uma parafina de boa qualidade se
apresenta com os valores numéricos da Tab.(4.4) com aparência branca, livre de
ácidos, de bolhas impurezas. A constante dielétrica (e) se reduz com elevação de temperatura,
mudando bruscamente seu valor quando passa do estado sólido ao líquido. É
altamente anti-higroscópio ou repelente à água, o que mantém elevada sua
rigidez dielétrica e a resistividade superficial e transversal, e o recomenda como
material de recobrimento de outros isolantes.
A baixa estabilidade térmica - veja seu ponto de fusão na
tabela - representa vantagem e desvantagem. Se um lado, esse valor demonstrar a
desnecessidade de calorias elevadas para liqüefazer a parafina durante um
processo de impregnação ou recobrimento, facilitando assim o seu emprego, essa
mesma propriedade limita seu uso para os casos em que o nível de aquecimento do
componente se mantém baixo. Esse último caso praticamente só ocorre na área das
baixas perdas Joule às baixas correntes circulantes, situação encontrada
particularmente nos componentes eletrônicos. Assim, a importante característica
de repelência à água, muito procurada para componentes eletrotécnicos usados ao
ar livre, não pode ser satisfatoriamente resolvida com a parafina.
Pasta de silicone
Com uma estrutura molecular semelhante à dos óleos de
silicone, e guardando também basicamente as mesmas propriedades, as pastas de
silicone são usadas mais com finalidades lubrificantes do que elétricas, quando
freqüentemente recebem o acréscimo de pó de grafita para melhorar suas
características antifricção. São usadas, eletricamente, para proteção de partes
onde se deve reduzir a oxidação, tal como peças de contato, em articulações
condutoras e outras, e também são usadas como pastas de recobrimento de partes
isolantes expostas que devem manter elevada resistividade superficial. Neste
último caso, prevalece a característica da pasta de silicone de ser repelente à
água.
Resinas
Um verniz é aplicado na forma líquida, e solidifica durante
a sua aplicação, passando ao estado sólido em sua fase final. Assim, o verniz
não é propriamente um isolante líquido, apesar de ser adquirido nesse estado
físico. Um verniz é constituído de um solvente e uma matéria-prima capaz de
formar uma película, um filme geralmente representado por uma resina.
Define-se resina como uma família bastante grande,
freqüentemente ampliada, de matérias-primas que, apesar de origens e
características diferentes possuem composição química ou propriedades físicas
semelhantes. São misturas estruturalmente complexas, de elevado número molecular
e elevado grau de polimerização, Perante baixas temperaturas, as resinas são
massas vitrificadas, amorfas. A maioria das resinas se apresenta quebradiça à
temperatura ambiente, dependendo da maior espessura da camada em que se
encontram. Em camadas finas se tornam flexíveis. Quando aquecidas, podem
amolecer dentro de certos intervalos de temperatura, se tornam plásticas e
podem chegar ao estado líquido. Geralmente as resinas não se caracterizam por um
certo ponto de fusão.
As resinas podem ser classificadas em naturais e sintéticas.
Resinas naturais são de origem animal (como a goma-laca) ou vegetal (Kopal).
São obtidas na forma final, bastando-lhes aplicar um processo relativamente
simples de purificação.
Já as resinas sintéticas, em número maior e sempre
crescente, são obtidas por complexos processos químicos, reunindo diversas
matérias-primas. Dentro desse grupo se destacam geralmente, as resinas
polimerizadas, as condensadas e as à base de celulose.
As resinas podem ainda ser classificadas em termofixas
(termoestáveis) ou termoplásticas. Essa classificação se baseia na produção
fundamental de plásticos, onde a resina, ao lado de outras matérias-primas, é
aquecida até sua plastificação, estado em que é colocada em moldes que lhe
conferem a forma final de uso, sendo posteriormente esfriada até a temperatura ambiente,
na qual se apresenta sólida. Ambos os tipos, os termofixos e termopláticos,
têm, até esse ponto, comportamento geral parecido.
Se agora, após a solidificação, aplicarmos novamente a
temperatura de plastificação a ambas as resinas, vamos notar que a resina
termoplástica novamente amolece, enquanto a termofixa se mantém sólida.
Continuando o aquecimento da termofixa, atingiremos uma mudança do seu estado
apenas a temperaturas bem mais elevadas, nas quais se carboniza sem amolecer.
Em relação às famílias de resinas antes mencionadas, vamos
notar que uma grande parte das resinas polimerizadas pertence aos
termoplásticos, enquanto que as condensadas podem tanto ser termofixas quanto
termoplásticas. As que têm origem na celulose são termoplásticas.
Vernizes
Os vernizes são produtos resultantes de sinas com um
solvente, este último eliminado na fase final do processo. Usando resinas, como
as analisadas no capítulo anterior, os vernizes mantém na forma final as
propriedades das resinas, classificando-se em três grupos, a saber:
a) vernizes de impregnação,
b) vernizes de colagem,
c) vernizes de recobrimento.
Vernizes de impregnação
É o tipo geralmente encontrado em associação com papéis,
tecidos, cerâmicas porosas e materiais semelhantes. Sua função é preencher o
espaço deixado internamente a um material, com um isolante de qualidade e
características adequadas, evitando a fixação de umidade, que seria prejudicial
às características elétricas.
O seu processo de aplicação é o seguinte: o material
isolante fibroso ou poroso é colocado numa estufa, para dele se retirar toda ou
quase toda a umidade, que ocupou os interstícios do material devido à sua
presença no ar circundante. Esta eliminação é feita em estufa, regulada para o
material que se deseja secar, para evitar que a temperatura presente venha a prejudicar
as características do material. Uma vez eliminada a umidade, o material é
colocado em contato direto com o verniz de impregnação, seja através da imersão
em recipientes contendo o verniz seja na forma de injeção do verniz sobre o
material, sob pressão. Com o fechamento de poros e vazios dentro do material,
eleva-se acentuadamente a condutividade térmica e a rigidez dielétrica e
reduz-se higroscopia, o que beneficia ainda mais as características do isolante
impregnado.
Uma vez impregnado, o verniz é seco em estufa, eliminado-se
o solvente. Essa eliminação pode eventualemente ser feita ao ar livre, sem
estufa; observa-se, entretanto, que vernizes que secam ao ar livre apresentam
geralmente elevado grau de envelhecimento.
Além da melhoria das propriedades elétricas e térmicas,
observa-se também uma melhoria das propriedades mecânicas, uma vez que, com a
complementação do volume por um material sólido, a transferência de tensões
mecânicas se faz em toda a seção aplicada, o que reduz a concentração de esforços
e eleva os valores que podem ser aplicados.
Vernizes de recobrimento
Se destinam a formar sobre o material sólido de base, uma
camada de elevada resistência mecânica, lisa, e à prova de umidade e com
aparência brilhante. Sua aplicação, assim é especialmente necessária em corpos
isolantes porosos e fibrosos, bem como na cobertura de matais (fios
esmaltados). No caso particular de seu uso com isolantes porosos e fibrosos a
sua ação se faz sentir por uma elevação da resistência superficial de descarga e
conseqüente tensão de descarga externa.
Eleva-se a resistência à penetração de umidade, apesar de
que, para proteger neste sentido, o isolamento também deveria ser impregnado,
pois qualquer fissura ou remoção da camada de verniz de cobertura pode colocar
o isolamento em perigo. Sendo a superfície lisa, torna-se mais difícil a
deposição de poeiras e outros detritos, além de facilitar a limpeza.
Vernizes de colagem
Diversos isolantes quando purificados, perdem consistência
devido à eliminação de materiais de colagem entre suas diversas porções. Em
outros casos, o próprio isolamento, em geral sintético, não apresenta a
necessária consistência ou coeficiente de atrito, para permitir seu uso em
eletricidade. Como exemplo do primeiro caso, podemos citar a mica, que ao ser purificada,
se desmancha grande número de pequenas lâminas, sem possibilidade de se formar
um sólido de dimensões definidas e fixas. Outro caso, como exemplo da segunda
hipótese, é o da fibra de vidro. As fibras em si são lisas, não se estabelecendo
entre elas, mesmo formando um tecido, a necessária consistência para que o
tecido de fibra de vidro possa ser usado tecnicamente na área elétrica.
Note-se que, em ambos os casos, não se trata da necessidade
de um verniz que se impregne no sólido, pois os sólidos em si são bastante
compactos; por outro lado, também não é
o caso de um recobrimento. Portanto, nessas condições, o
necessário é um verniz que cole entre si as diversas partes do isolamento: é o
verniz de colagem.
Uma outra aplicação desse tipo de verniz é também a colagem
de isolantes sobre metais.
Distinguem-se tais vernizes por baixa higroscopia e boas
características isolantes.
Na prática, uma verniz não apresenta unicamente uma dessas
propriedades. Todos eles possuem uma certa predominância de alguma das três
propriedades indicadas, vindo porém acompanhadas de mais ou duas outras
propriedades.
4.3.4 –Isolantes Sólidos
Isolantes fibrosos
Fibras isolantes podem ser orgânicas e inorgânicas. As
orgânicas mais encontradas são a celulose, o papel, o algodão, a seda e outras
fibras sintéticas ou naturais. Já as inorgânicas são representadas sobretudo
pelo amianto e fibra de vidro.
O papel
A matéria-prima básica do papel é a celulose. Uma celulose
praticamente pura é obtida a partir do algodão, sobretudo usando aquelas fibras
que não são usadas para finalidades têxteis.
Entretanto, a maior parte da celulose provém de árvores, de
mais diferentes tipos.
É muito freqüente até os dias atuais o uso de papel para
finalidades elétricas, sobretudo devido à grande flexibilidade, capacidade de
obtenção em espessuras pequenas, preço geralmente razoável e estabilidade
térmica em torno de 100oC, o que é também razoável. O maior problema do papel
está em sua elevada higroscopia, o que condiciona seu uso na eletrotécnica e
uma impregnação adequada com óleos ou resinas.
Essa elevada higroscopia é conseqüência da disposição
irregular e cruzada das fibras, deixando grande número de aberturas ou
interstícios no seu interior, que na impregnação, são ocupados por isolante adequado.
Geralmente apenas 40% do volume do papel é de fibras, o restante são espaços
livres.
Além das favoráveis propriedades elétricas do papel, ele se
destaca por uma elevada resistência mecânica, tanto ao longo da fibra quando
transversalmente. Esse comportamento é importante, por exemplo, no uso do papel
como isolante de cabos, onde, tanto na fabricação quanto no uso, os papéis
ficam sujeitos a acentuados esforços de tração e de compressão, quando o cabo é
tracionado e dobrado. A tração é mais acentuada durante a própria aplicação do
papel como camada isolante sobre o material condutor. Nesse processo, aplica-se
uma acentuada força de tração, para se evitar ao máximo a existência de bolhas
de ar entre o condutor e o papel e entre as camadas de papel entre si.
O papel também permite um dobramento acentuado sem “quebrar”
suas fibras, característica importante quando o diâmetro da peça a ser isolada
é pequeno ou quando existem ângulos de pequeno valor.
O comportamento térmico do papel é outro aspecto. Nesse
sentido, a propriedade de suportar ou não certos níveis de temperatura depende
acentuadamente da natureza da fibra.
Celulose sulfitada não pode ser solicitada, por exemplo, a
100°C por um tempo razoavelmente longo, ao contrário de celulose sulfatada, que
não apresenta maior modificação de propriedades quando exposta a 100°C, durante
uma semana. O envelhecimento da fibra desse papel de celulose ainda é mínimo a
120°C se forem aplicados durante 48 horas, ou 135°C durante algumas horas.
Acima desses valores, procede-se uma modificação molecular
da celulose devido à ação do vapor de água e de outros gases prejudiciais.
Pelas razões expostas, um papel ao ser utilizado
eletricamente, deve ser seco a vácuo, quando então fica livre da umidade que
penetra no material durante o seu próprio manuseio na fabricação das camadas
isolantes.
Papéis são utilizados ainda hoje em grande número de casos,
apesar de ser um produto em uso desde longa data e dos problemas e cuidados que
devem ser tomados. Observa-se porém, que a tendência é substituí-lo por
materiais fibrosos sintéticos, que permanentemente estão sendo desenvolvidos e
produzidos.
O papel na forma mais simples isola espiras de fios, caso em
que vem impregnado com óleo ou vernizes. Este é basicamente o caso de capacitores,
onde o papel isola entre si as placas condutoras.
Em outra forma, o papel que é flexível por natureza, é
impregnado com verniz que ao secar, se torna rígido; é o caso de placas usadas
como base de suporte de outros componentes ou mesmo como separadores
dielétricos, no caso de barramentos ou de base de suporte de núcleos de
transformadores ou dos enrolamentos de motor, dentro da ranhura.
Fibras Sintéticas
Grande parte dos produtos fibrosos naturais, como o algodão
e a seda natural, estão sendo sistematicamente substituídos por fibras
sintéticas, de variedade cada vez maior, sempre que o preço e suas propriedades
justificarem essa substituição. Em uma primeira fase, a seda artificial
encontrou aplicação; hoje porém, já substituída por fibra de vidro ou fibras de
poliamida ou outros sintéticos. Esses materiais, em geral, melhoraram as
características elétricas, mecânicas e químicas (envelhecimento) dos produtos
em que são usados, sempre que uma produção em grande escala se justificar, para
poder economicamente competir com as fibras existentes.
Diversos poderiam ser os produtos aqui mencionados. Vamos,
porém, nos limitar aos dois exemplos dados a seguir.
Fibras de poliamida
São fibras usadas freqüentemente como reforços mecânicos de
cabos de utilização especial, sempre que as condições de uso exigem um material
resistente à ação do fogo, elevada flexibilidade e capaz de suportar elevados
esforços de tração.
Sendo fibras sintéticas, por natureza de massa compacta e
não porosa como as fibras de celulose e, além disso, tendo em geral uma
superfície externa lisa, com baixo coeficiente de atrito, torna-se
imprescindível a aplicação de um verniz de colagem, capaz de conferir ao tecido
assim fabricado, a necessária consistência mecânica, o que, por sua vez,
garante manter a continuidade de uma camada elétrica isolante.
Essas fibras são manufaturadas e consumidas em forma de
fitas isolantes, que suportam até 2000 kgf/cm2, com espessura em torno de 0,5 a
1,5 mm.
Fibras de vidro
Derivada do vidro isolante, a fibra de vidro é obtida com
espessura de 5 a 10 mm (micrometros).
A matéria-prima deve ser vidro livre de álcalis, para evitar o aparecimento de fissuras
capilares tendentes a reter a umidade, prejudicando assim a propriedade de
resistência superficial. Logo após sua fabricação, recomenda-se envolver a
fibra de vidro com uma camada protetora contra ação do ambiente.
A fibra de vidro se carateriza por uma estabilidade térmica
sensivelmente mais elevada do que a de outras fibras. Por essa razão, fibras de
vidro adequadamente associadas a resinas da família dos epoxes, são
freqüentemente encontradas quando se trata de utilizar um material isolante
capaz de suportar temperaturas de 200-300°C ou mais. Casos típicos são as
câmaras de extinção do arco voltaico, sobretudo em disjuntores de média e
alta-tensão com reduzido volume de óleo. A exemplo dos comentários
anteriormente feitos para a fibra de poliamida, a fibra de vidro também
necessita um tratamento com verniz de colagem, para fornecer produtos elétrica
e mecanicamente adequados.
Materiais Cerâmicos
Reúne-se sob a designação de cerâmicas um grupo de materiais
de elevado ponto de fusão, que em geral, são manufaturados a frio na forma
plástica e que sofrem processos de queima até temperaturas de 2000°C. Apenas
após a queima, o material adquire as características que permitem seu uso
técnico. Cerâmicas são matérias-primas de uso bastante antigo, inicialmente
apenas como utensílio doméstico, mas até hoje com utilização elétrica bastante importante.
As matérias primas mais importantes são o quartzo, o
feldspato, o caolim e a argila, havendo ainda uma série de aditivos em menor
porcentagem mas de influência sensível no produto resultante. O caolim é
formado de microcristais do tipo folheado, resultante da composição de granito
e feldspato, devido à ação da água, ácido carbônico e outros gases ácidos.
Materiais cerâmicos se caracterizam geralmente pelo preço
baixo, por um processo de fabricação relativamente simples, e devido às
características elétricas, térmicas e físicas vantajosas que podem apresentar,
quando o processo de fabricação é bem cuidado.
Os componentes básicos mencionados têm, cada um, sua
influência predominante no aspecto térmico, mecânico ou dielétrico. Assim,
fazendo-se a análise em termos gerais, tem-se:
a) aspecto térmico - o componente que influi termicamente é
o quartzo; portanto, quanto maior sua porcentagem, maior é a temperatura
suportada por essa porcelana;
b) aspecto dielétrico - é o feldspato o componente que
define o comportamento isolante, ou seja, os valores de rigidez dielétrica, o
fator de perdas, etc;
c) aspecto mecânico - a exemplo da grande maioria dos demais
materiais isolantes, os esforços melhor suportados pelos mesmos, são os de
compressão, apresentando perante essas solicitações, valores dez vezes
superiores aos de tração. Esses valores são conseqüência da porcentagem de
argila e caolim presentes na massa cerâmica.
Os três grupos mencionados compõem basicamente uma
porcelana, sem prejuízo de acréscimos outros bastante importantes mas de
porcentagem menor. Portanto, para o preparo da massa a ser trabalhada, deve-se
estabelecer primeiramente a aplicação que a porcelana terá, para então, em
função das condições elétricas ou dielétricas, mecânicas e térmicas que o
material deve suportar, estabelecer a porcentagem de cada um.
A porcelana, até aqui referida, é apenas um exemplo de
produto cerâmico, apesar de que, em tese, o processo de fabricação dos demais é
semelhante, variando apenas a composição.
Condensado na Tab. (4.3), podemos destacar os produtos
relacionados a seguir:
1. Porcelana de isoladores Destinada a fabricação de
isoladores de baixa, média e alta-tensão, para redes elétricas, dispositivos de
comando, transformadores, etc. Deve apresentar
comportamentos elétrico e mecânico adequado.
2. Cerâmica de capacitores. Distingue-se pela elevada
constante dielétrica, aplicando-se em capacitores de baixa e alta-tensão. Não
são solicitados por esforços mecânicos elevados.
3. Cerâmica porosa. Próprios para receber fios resistivos
destinados à fabricação de resistores de fornos elétricos e de câmaras de
extinção.
