Teresina - Eletricos/Aulas/Isolantes e... · transformadores, motores elétricos e geradores, o corona…

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    19-Jan-2019

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<p>Universidade Federal do PiauCentro de TecnologiaDepartamento de Engenharia Eltrica</p> <p>Prof. Marcos Zuritazurita@ufpi.edu.brwww.ufpi.br/zurita</p> <p>Teresina - 2011</p> <p> Mecanismos de Conduo e Ruptura em Dieltricos</p> <p>2Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> 1. Introduo 2. Dieltricos Gasosos</p> <p> 2.1. Lei de Paschen 2.2. Mecanismo de Townsend Campos Uniformes 2.3. Coeficientes de Ionizao e a Lei de Paschen 2.4. Mecanismo de Canal 2.5. Campos No Uniformes</p> <p> 3. Dieltricos Lquidos 4. Dieltricos Slidos Bibliografia</p> <p>3Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>1. Introduo</p> <p>4Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Introduo Rigidez Dieltrica: Valor mximo da intensidade de </p> <p>campo eltrico suportvel pelo dieltrico sem que ocorra ruptura.</p> <p> Isolantes lquidos e slidos apresentam rigidez dieltrica superior a do ar nas CNTP.</p> <p> Alguns gases utilizados como dieltricos: Ar SF6 N2 CO2</p> <p>5Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>2. Dieltricos Gasosos</p> <p>6Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Lei de Paschen Relaciona a tenso de ruptura de um gs ao produto </p> <p>entre sua presso e a distncia entre os eletrodos.</p> <p> Rigidez dieltrica do ar na temperatura de 20 C e presso de 1 atm:</p> <p>pd</p> <p>VS</p> <p>(Eq. 2.1)V S f pd </p> <p>(Eq. 2.2)E rig ArV S d24,226,08 d kV cm </p> <p>7Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Reescrevendo a Eq. 2.1 para incluir o efeito da temperatura temos:</p> <p> Com base na Eq. 2.3 a equao da tenso de ruptura do Ar foi determinada empiricamente como:</p> <p> Onde: p: presso do ar em torricelli (1 atm = 760 torr); d: distncia entre os eletrodos em centmetros; T: temperatura do ar em Kelvin.</p> <p>(Eq. 2.3)V S f Nd </p> <p>(Eq. 2.4)V S24,22 293 pd760T 6,08 293 pd760 T 1 2</p> <p>kV </p> <p>8Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Colises em um Gs A gerao de portadores de cargas em um gs se d </p> <p>atravs de processos de coliso de eltrons com tomos ou molculas.</p> <p> As colises podem ser classificadas em dois tipos: Colises Elsticas: s existe troca de energia cintica de </p> <p>translao entre as partculas, permanecendo constante a soma das energias cinticas antes e aps a coliso.</p> <p> Colises Inelsticas: alm da troca de energia cintica de translao entre as partculas que se chocam, ao mesmo tempo ocorre a troca de energia interna de uma ou mais partculas.</p> <p>9Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Diagrama de Colises em um Gs</p> <p>10Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Funo dos Eletrodos nas Descargas em Gases Os eletrodos funcionam como fontes de portadores de </p> <p>carga. Os portadores de carga podem ser liberados por mecanismos de emisso eletrnica:</p> <p> Emisso Termoinica: quando o filamento de um metal aquecido, ele emite eltrons. Ex.: tubos de raios catdicos, vlvulas.</p> <p> Emisso Fotoeltrica: eltrons podem ser emitidos por eletrodos quando estes so atingidos por ftons de energia superior a funo trabalho do seu material constituinte.</p> <p>11Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Emisso Secundria: eltrons podem ser emitidos por eletrodos atravs de processos secundrios;</p> <p> Emisso de Campo: Imperfeies dos eletrodos podem fazem com que o campo eltrico tenha valor elevado o suficiente para arrancar partes microscpicas dos eletrodos.</p> <p>12Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Mecanismos de Descargas em Gases Descargas No Auto-mantidas: pequenas descargas </p> <p>parciais que se formam no volume do dieltrico, mas que no so suficientes para romper a rigidez dieltrica do meio gasoso;</p> <p> Descargas Auto-mantidas: o gs passa a ser um meio condutor de eletricidade.</p> <p>Mecanismos de Ruptura Mecanismo de Townsend Mecanismo de Canal</p> <p>13Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Mecanismo de Townsend Campos Uniformes</p> <p> 1: ons so gerados por fonte natural 2: Todos os eltrons gerados no catodo chegam ao anodo 3: Acima de 20 kV/cm comea a haver ionizao por coliso 4: Regio de ruptura Rigidez dieltrica rompida</p> <p>E (kV/cm)</p> <p>J (A/cm)</p> <p>41A</p> <p>- Ar +</p> <p>2 3</p> <p>14Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Anlise Quantitativa da Regio de Descarga de Townsend</p> <p> Nmero de eltrons contido no espao de espessura dx:</p> <p>Onde: : Primeiro coeficiente de ionizao de Townsend </p> <p>corresponde ao nmero de colises ionizantes feitas por um eltron em uma unidade de comprimento.</p> <p>(Eq. 2.5)dN N dx</p> <p>15Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Nmero de eltrons que chegam ao anodo:</p> <p> Corrente de eltrons no anodo:</p> <p> A anlise da Eq. 2.7 nos leva a crer que a corrente no anodo poderia ser expressa simplesmente por:</p> <p>(Eq. 2.6)NN 0e</p> <p> x</p> <p>(Eq. 2.7)I I 0e</p> <p> x</p> <p>(Eq. 2.8)ln I ln I 0 x</p> <p>d</p> <p>ln(I)</p> <p>ln(I0)</p> <p>16Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Entretanto, observa-se que sob tenses mais elevadas, a corrente cresce mais rapidamente do que previsto pela Eq. 2.7.</p> <p> d1 d</p> <p>ln(I)</p> <p>ln(I0)</p> <p>E1 &gt; E2 &gt; E3</p> <p>E1 E2</p> <p>d2</p> <p>E3</p> <p>d3</p> <p>17Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Por esta rezo, Townsend postulou que um segundo mecanismo, denominado Emisso Secundria, deveria contribuir para o aumento de eltrons no gs:</p> <p> Onde: : segundo coeficiente de ionizao de Towsend; N+: nmero de eltrons devido a processos secundrios;</p> <p> Na: nmero de ons incidentes no catodo provenientes de todas as fontes.</p> <p>(Eq. 2.9)N +</p> <p>N a</p> <p>18Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Anlise Quantitativa da Regio de Descarga de Townsend</p> <p> N0 + N+: nmero total de eltrons que deixam o catodo;</p> <p> N+ / : nmero de ons incidentes no catodo. Nmero de ons incidentes no catodo:</p> <p> Logo:</p> <p> Multiplicao de eltrons devido a ionizao do gs: lei exponencial:</p> <p>(Eq. 2.10)N + N aN 0N +</p> <p>(Eq. 2.11)N + N 0N + </p> <p>1</p> <p>(Eq. 2.12)N aN 0N + e</p> <p>d</p> <p>19Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Nmero de eltrons que chegam ao anodo devido a todas as fontes:</p> <p> Corrente de eltrons no anodo:</p> <p> A ruptura ocorrer quando Ia , ou seja:</p> <p> Como </p> <p>21Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Segundo coeficiente de ionizao : depende da energia ganha pelos ons no ltimo caminho mdio livre antes do impacto sobre o catodo e ser uma funo de E:</p> <p> Gases eletronegativos (SF6, Freon, O2, CO2) capturam eltrons facilmente, portanto apresentam valores de pequenos.</p> <p> Para o N2, 10-3 &lt; &lt; 10-2.</p> <p> Gases isolantes como SF6 ou Freon tm &lt; 10-4.</p> <p>(Eq. 2.21) f 2E p </p> <p>22Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Substituindo as expresses para o primeiro e o segundo coeficientes de ionizao na expresso para o critrio de ruptura de Townsend (ed = 1) temos:</p> <p> Para campos uniformes, E = VS/d, sendo VS a tenso disruptiva do gs</p> <p>(Eq. 2.22)f 2E pef 1 E p pd 1</p> <p>(Eq. 2.23)f 2V S pd ef 1V S pd pd1</p> <p>23Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Coeficientes de Ionizao e a Lei de Paschen</p> <p> Lei de Paschen:VS = f(pd)</p> <p> Aumento de VS para valores de (pd) superiores a (pd)min: Mantendo a presso constante e aumentando a distncia entre </p> <p>eletrodos: Deve-se aplicar uma tenso maior para manter o mesmo campo eltrico.</p> <p> Mantendo a distncia constante e aumentando a presso, diminui-se o caminho mdio livre e a energia ganha entre colises: necessrio um campo eltrico mais elevado para compensar esse efeito.</p> <p>pd</p> <p>VS</p> <p>(pd)min</p> <p>VSmin</p> <p>24Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Lei de Paschen:VS = f(pd)</p> <p>Para valores do produto (pd) inferiores a (pd)min: A probabilidade de se produzir ionizao no interior do </p> <p>gs pequena: Precisa-se que os ons positivos tenham energia suficiente para arrancar eltrons do catodo. Essa probabilidade cresce com o aumento do campo</p> <p> Mecanismo de Townsend e Lei de Paschen Aplicao para produtos (pd) inferiores a 1000 torr.cm.</p> <p>pd</p> <p>VS</p> <p>(pd)min</p> <p>VSmin</p> <p>25Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Mecanismo de Canal Descarga no difusa, mas </p> <p>filamentar Ruptura do gs pode ser desenvol-</p> <p>vida a partir de avalanche eletrnica Os eltrons da avalanche se movem </p> <p>muito rpido comparados aos ons positivos</p> <p> O campo prximo ao anodo cresce rapidamente e suga os eltrons dentro do canal</p> <p> Os eltrons geram uma avalanche secundria aumentando o no de ons positivos</p> <p> Os ons positivos so empurrados em direo ao catodo. Ao chegarem ao catodo, o campo suficiente para arrancar eltrons da superfcie e produzir novas avalanches</p> <p>26Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Campos No Uniformes Em campos uniformes ionizao conduz a ruptura completa. Em campos no uniformes descargas corona so observa-</p> <p>das antes ruptura completa.</p> <p>Corona ocorre na ponta Cargas + aumentam o campo prximo a </p> <p>ponta, mas diminuem o campo no gs.</p> <p>Corona ocorre na ponta + Cargas + diminuem o campo prximo a </p> <p>ponta, mas aumentam o campo no gs.</p> <p>(Eq. 2.24)V a+V a- V r+V r-</p> <p>++++++</p> <p>------</p> <p>27Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Descarga Corona Conjunto de fenmenos associados s ionizaes locais </p> <p>que antecedem a descarga atravs dos gases em campos muito divergentes.</p> <p> O efeito corona provocado por campos eltricos de grande intensidade, produzido por altas tenses.</p> <p> Os campos eltricos intensos so capazes de fornecer a energia necessria para ionizar as partculas do gs.</p> <p> O corona se observa na forma de uma luminescncia azulada, acompanhada de um som caracterstico (zumbido a rangido), com formao de oznio (quando o gs o ar).</p> <p>28Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Corona: Problemas Causados A corona pode gerar rudo audvel e de radio frequncia, </p> <p>principalmente prximo a linhas de transmisso. Tambm representam uma perda de energia, e sua ao </p> <p>nas partculas da atmosfera, em associao a produo de oznio e NOx, tambm podem ser prejudiciais a sade humana onde as linhas de fora passa atravs de reas habitadas.</p> <p> Por esta razo, equipamentos de transmisso de energia so projetados para minimizar a formao de descarga de corona.</p> <p>29Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Linhas de transmisso de energia eltrica, devido a perda de energia no efeito corona e barulho;</p> <p> Dentro de componentes eltricos tais como capacitores, transformadores, motores eltricos e geradores, o corona danifica progressivamente o isolamento interno destes mecanismos, levando-os a falha prematura;</p> <p> Situaes nas quais aparecem tenses elevadas e a produo de oznio devem ser evitadas.</p> <p>30Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Corona: Aplicaes Comerciais e Industriais Fabricao de oznio; Limpeza de partculas do ar em sistema de </p> <p>condicionamento de ar; Tratamento da superfcie de filmes polimricos para </p> <p>aumentar sua compatibilidade com adesivos ou tintas impresso;</p> <p> Fotocpia; Propulso inica; Laser Nitrognio; Fabricao de eletretos.</p> <p>31Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Corona: Deteco em Sistemas Eltricos Por ultrassom Ex.: Ultraprobe 2000</p> <p>32Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Corona: Deteco em Sistemas Eltricos Por UV Ex.: CoroCam</p> <p>33Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Corona: Deteco em Sistemas Eltricos Por UV + IR + Vis Ex.: CoroCam, MultiCam</p> <p>34Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>3. Dieltricos Lquidos</p> <p>35Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Densidade de Corrente x Campo Eltrico</p> <p> 1: N de recombinaes diminui e densidade de corrente aumenta. 2: Todos os eltrons e ons produzidos chegam ao anodo </p> <p>(Saturao). 3: Crescimento acentuado da corrente devido a avalanche </p> <p>eletrnica e efeitos secundrios. A perfurao pode ocorrer devido a emisso de campo, emisso </p> <p>termoinica, bolhas, umidade ou partculas suspensas.</p> <p>E (kV/cm)</p> <p>J (A/cm)</p> <p>1 2 3</p> <p>36Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>4. Dieltricos Slidos</p> <p>37Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p>Ruptura de Dieltricos Slidos A rigidez dieltrica dos slidos maior que a dos lquidos em </p> <p>condies normais: A pequena distncia interatmica faz com sejam necessrios </p> <p>campos elevados para que eltrons livres ganhem energia suficiente para produzir ionizao por coliso no interior do dieltrico.</p> <p> A ruptura da rigidez dieltrica de um slido ocorre devido a combinao dos seguintes processos:</p> <p> Ruptura eltrica: ionizao por coliso, quebra das ligaes do dieltrico.</p> <p> Ruptura trmica: calor produzido pelo dieltrico no totalmente absorvido pelo ambiente</p> <p> Ruptura por ionizao induzida: produzida por descargas parciais no dieltrico.</p> <p>38Materiais Eltricos Prof. Marcos Zurita</p> <p> Callister Jr., W. D., Fundamentals of Materials Science and Engineering, 5 edio, Wiley, 2000.</p> <p> Kasap, S., Capper, P., Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials, Springer, 2007</p> <p> Shackelford, J. F., Cincia dos Materiais, 6 edio, Pearson, 2008.</p> <p> Schmidt, W., Materiais Eltricos Vol. 2 - Isolantes e Magnticos, 2 edio, Edgard Blcher, 1979.</p> <p> Notas de aula do Prof. Washington Neves, UFCG, 2003.</p>

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