Foram realizados diversos ensaios em câmara salina a fim de se constatar em definitivo a propriedade semicondutora dos esmaltes. Primeiramente os parâmetros utilizados no ensaio estão mostrados na Tabela 6.
Tabela 6 – Primeiro ensaio realizado em câmara salina.
Duração (horas) 19 29 24 Tensão (kV) 13,3 13,3 13,3 Salinidade (kg / m3) 28 56 112 Fluxo (ml / min) 0,12 0,12 0,12 Pressão (bar) 4 4 4
4média móvel: uma seqüência de médias computadas de partes de uma série de dados. Em
um gráfico, uma média móvel suaviza as flutuações nos dados, mostrando mais claramente o padrão ou a tendência.
Este primeiro ensaio mostrou que a corrente de fuga gerada pelos isoladores esmaltados com esmalte ESC1 foi maior que os isoladores esmaltados com esmalte tradicional. Tal fato indica que há alguma semicondutividade do esmalte. Um dos isoladores esmaltados com esmalte semicondutor foi retirado de operação por volta da 60ª hora de ensaio quando apresentou uma elevação abrupta de sua corrente de fuga. O Gráfico 3 mostra o desenvolvimento das correntes de fuga para os 6 isoladores ensaiados, nota-se que somente os isoladores ETG – 1 e ESC1 – 2 prosseguiram até o termino do ensaio.
Gráfico 3 – Média móvel4 da corrente de fuga medida no primeiro ensaio em câmara salina.
No segundo ensaio realizado em câmara salina, que manteve os mesmos parâmetros do teste anterior, porém com novos isoladores, nenhum isolador falhou durante todo o ensaio. No entanto, mais uma vez os dois isoladores esmaltados com esmalte semicondutor mostraram uma corrente de fuga elevada se comparados com os isoladores esmaltados com esmalte tradicional. Observa- se tal fato no Gráfico 4, onde mostra também o comportamento dos esmaltes ESC8, que não tiveram um desempenho satisfatório no ensaio, tendo apresentado baixa corrente de fuga.
ESC1 ESC1 Isolador 1 Isolador 2 ETG1 ETG2
Gráfico 4 – Média móvel da corrente de fuga medida no segundo ensaio em câmara salina.
O terceiro teste foi realizado com os mesmos parâmetros do segundo. Novamente utilizou-se novos isoladores, a corrente fuga é mostrada no Gráfico 5.
Gráfico 5 – Média móvel da corrente de fuga medida no terceiro ensaio em câmara salina.
ESC1 ESC1 ETG1 ETG1 ESC8 ESC8 ESC1 ESC1 ETG1 ETG1 ESC8 ESC8
Nota-se que no terceiro ensaio houve um aumento da corrente fuga no isolador ESC8 porém, este saiu de operação devido ao rompimento do dispositivo de segurança.
Enquanto os isoladores ETG mantiveram uma baixa corrente de fuga, em torno de 0,1 mA, os isoladores ESC1 mostraram uma corrente de fuga média de 1 mA. Isto demonstra que estes esmaltes, ESC1, possuem propriedade semicondutora.
Devido ao fato de nos últimos ensaios os isoladores ESC1 se manterem ativos e energizados até o fim do teste, optou-se por realizar mais um ensaio com condições extremamente severas e com o dobro do tempo normal de ensaio. As condições do ensaio duplo realizado estão mostradas na Tabela 7.
Tabela 7 – Parâmetros de ensaio para o quarto teste em câmara salina.
Duração (horas) 2 2 140 Tensão (kV) 13,3 13,3 13,3 Salinidade (kg / m3) 28 56 112 Fluxo (ml / min) 0,12 0,12 0,12 Pressão (bar) 4 4 4
No ensaio duplo com aprox. 140 horas, foram avaliados 2 isoladores esmaltados com ESC1, 2 isoladores esmaltados com esmalte ETG e 2 isoladores com esmalte ESC8. Todos os isoladores possuíam a mesma geometria e foram dispostos alternadamente na câmara.
Neste ensaio (140 horas) observou-se resultados satisfatórios, pois os isoladores contendo esmalte semicondutor ESC1 geraram uma corrente de fuga, constante, na ordem de 3,5 mA. Já os esmaltes ETG mostraram, mais uma vez, uma baixa corrente de fuga, 0,2 mA e os isoladores ESC8 apresentaram correntes na ordem de 1 mA.
O Gráfico 6 mostra o desenvolvimento da corrente de fuga dos isoladores com ESC1, sendo que é possível visualizar a corrente média de 3,5 mA com picos de corrente atingindo 5 mA.
Gráfico 6 – Corrente de fuga RMS para os isoladores ESC1 no quarto ensaio em câmara salina.
Os isoladores ESC8 apresentaram em média 1 mA de corrente de fuga e esta, mesmo sendo baixa, indica uma possível semicondutividade do esmalte. Entretanto, apenas um dos isoladores ESC8 chegaram ao fim do teste, o outro foi desligado por volta da 120ª hora por ação do dispositivo de proteção. O Gráfico 7 mostra o desenvolvimento da corrente de fuga para os isoladores ESC8 ao longo do quarto teste realizado.
ESC1
Gráfico 7 – Corrente de fuga RMS para os isoladores ESC8 no quarto ensaio em câmara salina.
Os isoladores ETG foram retirados de operação por volta da 110ª e 135ª horas. A corrente de fuga apresentada por esses isoladores ficou em torno de 0,2 mA e pode ser observada no Gráfico 8.
Gráfico 8 – Corrente de fuga RMS para os isoladores ETG no quarto ensaio em câmara salina.
ESC8 ESC8
ETG1 ETG1
Os isoladores ESC1 também desenvolveram, apesar da alta corrente mostrada, a menor corrente de terceiro harmônico, que indica a baixa atividade de descargas disruptivas. Os isoladores ETG apresentaram alta corrente de terceiro harmônico nas horas que antecederam sua retirada de operação. O Gráfico 9 mostra o desenvolvimento da corrente de terceiro harmônico durante o quarto ensaio de câmara salina.
Gráfico 9 – Desenvolvimento da corrente de terceiro harmônico no quarto teste em câmara salina.
Além da propriedade semicondutora apresentada pelo esmalte ESC1 e comprovada pela corrente de fuga de 3,5 mA, tal propriedade foi também comprovada pela medição de uma temperatura superior na superfície do isolador, pelo efeito Joule, com a temperatura medida sendo de 55 °C.
Houve também um enorme acúmulo de sal na superfície do isolador, como mostrado nas Figura 41 e Figura 42. Apesar disto, os isoladores se mantiveram estáveis e energizados até o final do teste.
ESC1 ESC1 ETG1 ETG1 ESC8 ESC8
Figura 41 – Isolador #1 com esmalte ESC1 após 72 horas de teste em câmara salina.
5 CONCLUSÕES
Dentre as diversas formulações de pigmentos semicondutores estudadas aquela que obteve melhor desempenho contém, em fração mássica, 95% de SnO2 com 5% de Sb2O3. O esmalte desenvolvido, e aplicado aos isoladores elétricos, que apresentou melhores propriedades elétricas e mecânicas foi processado contendo 30% em peso do pigmento semicondutor e 70% em peso da matriz vítrea.
Os tamanhos de partícula das matérias-primas constituintes do pigmento semicondutor possibilitaram uma difusão completa dos átomos de Sb na rede do SnO2, sendo a aglomeração um fator não crítico nestes materiais uma vez que a homogeneização é realizada à úmido em moinho de bolas.
Através das análises com DRX constatou-se que as matérias-primas eram puras e o esmalte desenvolvido possui características de um material vitro-cerâmico. Devido à baixa quantidade de dopante Sb2O3, não se detectou alteração do espectro de raios-X do pigmento semicondutor, nem a presença do óxido Sb2O4 o que indica uma difusão completa dos átomos de Sb na rede cristalina do SnO2 quando realizado o tratamento térmico proposto.
As análises com MEV mostraram uma grande homogeneidade na distribuição das partículas semicondutoras pela superfície do esmalte e por toda a altura da camada esmaltada que possui aproximadamente 150µm; ainda foi possível obter uma indicação da semicondutividade do esmalte desenvolvido através do método de recobrimento utilizado.
As inspeções visuais mostraram que o esmalte desenvolvido apresentou sinais de possível contaminação no processo produtivo. Entretanto, tomado os devidos cuidados durante o seu preparo, o esmalte ESC1 mostrou uma qualidade superficial satisfatória com um bom espelhamento e isenção de defeitos.
Os ensaios dilatométricos mostraram que o coeficiente de expansão térmica linear do esmalte semicondutor é menor que o do esmalte tradicional; isso fez com que a resistência mecânica do isolador produzido utilizando o esmalte semicondutor fosse elevada. As tensões de flexão foram superiores para o esmalte semicondutor devido à geração de tensões térmicas residuais (compressivas) na superfície do mesmo. Apesar do menor coeficiente de
expansão térmica, não se observou trincas ou lascamento do esmalte após o tratamento térmico de queima.
Após o teste de choque térmico todos os corpos de prova testados estavam intactos não mostrando trincas ou defeitos em sua superfície; isto indica que o esmalte semicondutor foi aprovado no referido teste de choque térmico.
As análises de resistividade superficial mostraram que devido ao aparecimento das partículas semicondutoras serem somente em algumas regiões o método de medida utilizado não deve possuir extremidades pontiagudas que tornem difícil o contato entre as partículas semicondutoras e o ponta de prova do equipamento de medida.
Como os ambos os métodos de teste, 4-pontas e megômetro, possuem contatos pontiagudos e não são eficazes neste caso, o teste realizado segundo Maryniak (2003) foi o único que apresentou valores na ordem de 70 MΩ/², indicando o esmalte como sendo um material semicondutor.
Os ensaios em câmara salina mostraram que o esmalte desenvolvido é um material semicondutor uma vez que, a corrente de fuga medida ficou em torno de 3 mA, o que indica uma passagem de corrente muito grande para um material isolante. Foi medida ainda uma temperatura de 55°C na superfície do isolador, mostrando um provável efeito Joule ocorrido pela passagem de corrente elétrica por um condutor ou semicondutor.
Devido ao último teste realizado possuir o dobro do tempo e a quantidade de sal ser extremamente alta, o mesmo pode ser considerado como uma extrapolação da vida útil dos isoladores ensaiados, já que na prática tal deposição salina é impraticável. Apesar dessas condições, os isoladores ESC1 mantiveram- se em operação mesmo com um acúmulo de sal visivelmente grande. Com isso pode-se dizer que em condições normais de uso os isoladores deverão apresentar uma vida útil superior aos atualmente utilizados.
Com os ensaios em câmara salina verificou-se o efeito semicondutor do material desenvolvido e, também, a capacidade do mesmo em acumular, superficialmente, grande quantidade de sal sem apresentar descargas disruptivas que pudessem prejudicar a performance do isolado em uso.
Conclui-se com este trabalho que a produção de isoladores elétricos semicondutores com elevado desempenho é viável e os mesmos possuem propriedades elétricas superiores ao isoladores cerâmicos tradicionais.
6 SUGESTÕES
Realizar testes em campo, que não foram realizados devido à não existência de uma linha de distribuição disponível para as medições e as mesmas dependerem de condições climáticas adequadas à colocação e monitoramentos dos isoladores, bem como a alocação de pessoal especializado para tal tarefa.
Uma rede elétrica específica para realização de testes já está sendo construída sendo que a mesma estará localizada em uma região de alta ocorrência de flashover e alta concentração salina. Esta rede constará de uma linha de distribuição paralela à existente no local e possuirá sistemas de medição de corrente de fuga e monitoração climática simultânea, bem como circuitos de proteção aos equipamentos de medida. A construção desta linha de testes está a cargo da distribuidora de energia elétrica da região.
A colocação de corpos de prova para testes em campo foi prevista e poderá ocorrer tão logo haja disponibilidade de colocação dos isoladores no local e também seja disponibilizado pessoal especializado para a tarefa de instalação dos equipamentos na rede de alta-tensão. Os testes deveram ocorrer por um período de no mínimo um ano ou até a ocorrência de descargas disruptivas que retirem o isolador elétrico de operação.
Devido ao grande número de substituição de isoladores devido ao vandalismo, choques sofridos por projéteis provindo de armas de fogo, sugere-se a realização de testes balísticos nos isoladores esmaltados com esmalte semicondutor, pois devido ao seu menor coeficiente de expansão térmica, este pode possuir propriedade de resistência ao impacto de projéteis melhorada.
Sugere-se também um melhor estudo das propriedades semicondutoras obtidas no esmalte desenvolvido, aplicando, por exemplo, o método de Van der Pauw para medida de resistividade do material.
Para o teste da qualidade superficial é sugerido a medição da rugosidade superficial utilizando um rugosímetro e reduzindo assim a utilização de métodos comparativos como por exemplo a inspeção visual.
Devido à constatação de poros na camada esmaltada e no corpo do isolador. Sugere-se uma análise aprofundada da influência da porosidade na resistência mecânica do isolador, e também um estudo de como reduzir a ocorrência dessa porosidade.