MATERIAIS POLIMÉRICOS DO SETOR ELÉTRICO: O
CASO DOS ISOLADORES
Bruno F. Gianelli1, Nílson Cristino da Cruz1, Galdenoro Botura Jr.1, Elidiane C. Rangel1, Luciane L. Rodrigues1,
Sandro D. Mancini1*, Vladimir X. Batista2, Camila S. Franco1, Juliane Ziviani1, Gabriela Antoniol1, Natália
Nogueira1
1
Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho – UNESP, Campus de Sorocaba, Sorocaba-SP –
[email protected]
2
AES Eletropaulo
A manutenção de linhas de distribuição e transmissão de energia gera grandes quantidades de resíduos, dos quais
apenas os não condutores foram tratados neste trabalho, em especial, os poliméricos na forma de isoladores. Em 11
meses foram gerados pela Eletropaulo cerca de 560 toneladas de resíduos não condutores e deste total, tem-se
aproximadamente 14,5 toneladas ou 7270 unidades de isoladores poliméricos, os quais gradualmente estão substituindo
seus similares de porcelana e vidro e cujo potencial de reciclagem precisa ser estudado quanto a sua rentabilidade e
características técnicas. Estudo comparativo entre isoladores poliméricos retirados de linhas com uma amostra padrão
sem uso, através da medição do ângulo de contato, constatou que um simples procedimento de limpeza aumentou o
ângulo de contato, de até 2,3° (2%), tornando a amostra mais hidrofóbica. Isto ocorreu devido à limpeza da camada de
poluição que se deposita em sua superfície ao longo do tempo, que é mais pronunciada no nível inferior da cadeia de
isoladores, onde a lavagem natural através de chuvas não ocorre adequadamente.
Palavras-chave: Reciclagem, polímeros, resíduos elétricos, isoladores elétricos.
Polymeric materials of the electric sector: the case of insulators.
The maintenance of the distribution and transmission lines generates great amounts of residues, which only the not
conducting ones had been dealt in this work, specially, the polymerics in the form of insulators. In 11 months had been
generated by Eletropaulo about 560 tons of not conducting residues and of this total, we have approximately 14,5 tons
or 7,270 units of polymerics insulators, which gradually are substituting its similars of porcelain and glass and whose
recycling potential must to be studied in relation its yield and technical characteristics. Comparative study between
polymerics insulators removed of lines with a standard sample without use, through the measurement of the contact
angle, it evidenced that a simple procedure of cleaning increased the contact angle, up to 2,3° (2%), becoming the
sample more hydrophobic. This occurred due to cleaning of pollution’s layer deposited in its surface throughout the
time, that is more significative in the bottom level of the chain of insulators, where the natural washing through rains
does not occur adequately.
Keywords: Recycling, polymers, electrical residues, electrical insulators.
Introdução
Com o desenvolvimento tecnológico e o aumento da população, novos produtos foram
inseridos na sociedade e também benfeitorias foram assimiladas, como é o caso da transmissão e
distribuição de energia elétrica. Porém com o vislumbre do esgotamento dos recursos naturais e a
geração de grandes quantidades de resíduos originados das reposições periódicas dos materiais das
redes elétricas, assim como dos custos associados a sua disposição final, existe atualmente um
reconhecimento pela sociedade das empresas que atuam de forma responsável com relação o meio
ambiente.
Dentre os resíduos originados das reposições periódicas do setor elétrico que não encontram
facilidade de encaminhamento para a reciclagem, incluem-se os materiais poliméricos e os
materiais cerâmicos, em especial empregados como isolantes.
Nos últimos 11 meses foram gerados pela Eletropaulo cerca de 560 toneladas de resíduos
não condutores, destes, 14,5 toneladas são, na sua maioria, isoladores poliméricos, ou seja,
aproximadamente 7270 unidades foram descartadas neste período, considerando que o peso médio
do isolador utilizado pela Eletropaulo é de 2 kg. Os isoladores poliméricos ou compósitos
gradualmente estão substituindo seus similares de porcelana e vidro nas linhas de transmissão e
distribuição de energia, ou seja, a tendência atual é que a quantidade de resíduo originado por esse
componente aumente. Dentre os principais materiais empregados na fabricação dos mesmos se
destacam o EPDM (monômero de etileno-propileno-dieno) e a borracha de silicone. Nos últimos
anos é possível notar a crescente tendência no emprego de isoladores poliméricos baseados na
borracha de silicone devido, principalmente, ao seu melhor desempenho na recuperação de sua
característica hidrofóbica [1].
Usualmente um isolador polimérico tipo bastão é constituído por três partes fundamentais: o
núcleo, as pontas de conexão e a superfície polimérica, como pode ser visto na Figura 1.
Figura 1 – Elementos de um Isolador Polimérico [2].
As principais características de cada um desses componentes encontram-se listadas a
seguir [3]:
· Núcleo: constituído de fibra de vidro reforçada - FRP (“fiber-glass reinforced
plastic”), sendo que o material empregado normalmente é uma fibra de vidro e uma resina epóxi
como matriz. Possui como característica servir de matriz para a deposição da borracha de silicone
durante o processo de injeção;
· Pontas de conexão: normalmente são constituídas de aço forjado, alumínio ou
outros materiais condutores e com boa resistência mecânica. São fixadas previamente ao núcleo
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antes mesmo desse ser submetido ao processo de injeção. Possui como característica principal a de
servir de conexão e ancoragem entre a linha de transmissão e distribuição de energia e a torre;
· Superfície polimérica: é constituída de borracha de silicone e provê principalmente
isolação elétrica e proteção ao núcleo de FRP.
Os isoladores em questão são todos do mesmo padrão, possuindo um comprimento total
entre pontas de 880 mm, e um total de 25 discos poliméricos, sendo que esses discos poliméricos
também são conhecidos como saias ou abas.
A formação de descargas superficiais, conhecidas como “flashover”, desgasta a
superfície do isolador podendo levar a uma falha crítica, como mostra a Figura 2.
Figura 2 – Imagem de descarga corona em isolador polimérico.
A seqüência de eventos que levam à ocorrência de descargas superficiais e
conseqüentemente a esta falha crítica, pode ser descrita da seguinte maneira [4]:
i. Ocorre a precipitação de particulados, contendo sais solúveis ou ácidos diluídos, em
suspensão na atmosfera, diretamente sobre a superfície do isolador.
ii. A superfície do isolador é umedecida pela presença de névoa, chuva fina, nevoeiro ou
ambiente com alto grau de umidade, durante um período significativo de tempo. Isso acarreta a
dissolução dos depósitos salínicos, criando uma camada condutora na superfície do isolador.
iii. Assim que a camada condutora se forma, ela possibilita o início de correntes de fuga
superficiais. Essas correntes sobreaquecem a superfície do isolador, secando assim determinados
pontos dela.
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iv. A secagem da camada condutora não ocorre de maneira uniforme, fazendo com que
partes da camada poluidora úmida sejam cortadas por bandas secas, interrompendo o fluxo de
corrente de fuga.
v. As tensões aplicadas sobre as bandas secas, que normalmente possuem alguns
centímetros de largura, causam uma descarga no ar que ultrapassam essa banda. Esses arcos se
encontram eletricamente em série com a resistência das camadas úmidas da poluição.
vi. Se a resistência da banda seca for muito baixa, os arcos que a ultrapassam não se
extinguem e passam a aumentar sua extensão ao longo da superfície do isolador. Este fato diminui a
resistência em série com os arcos, aumentando a corrente e sua extensão, até o ponto no qual toda a
superfície do isolador esteja coberta, ocasionando uma descarga disruptiva.
O objetivo deste trabalho é apresentar uma caracterização da geração de resíduos não
condutores por parte de empresa do setor elétrico, bem como mostrar resultados de estudo sobre
isoladores poliméricos de borracha de silicone retirados de linhas em comparação com uma amostra
padrão sem uso. Para a comparação, utilizou-se a medição da propriedade ângulo de contato,
importante medida das características superficiais dos materiais.
Experimental
Utilizaram-se dados fornecidos pela AES Eletropaulo com relação ao seu descarte para a
elaboração de uma caracterização dos materiais não condutores descartados peal empresa. A idéia
do estudo é dimensionar massa de resíduos cujo encaminhamento para a reciclagem não é tão
simples e rentável, como são outros resíduos típicos da AES Eletropaulo e do setor elétrico em
geral, como fios de cobre e alumínio, bem como sucata ferrosa.
Já o estudo sobre as propriedades superficiais do isolador de silicone foi realizado a partir do
ângulo de contato formado entre uma gota de líquido e a superfície. Esse ângulo está diretamente
relacionado à energia superficial presente em cada material e esta é caracterizada pelo fato de que
os átomos presentes na superfície do material se encontram em um estado de energia superior aos
apresentados pelos átomos no interior do mesmo. Isso porque átomos da superfície não interagem
com o número máximo possível de átomos vizinhos, ao contrário do que ocorre com os átomos
presentes no interior do material [5-6].
A interação entre uma gotícula de água e a superfície de um material, origina um ângulo ,
que é definido como o ângulo formado entre o plano tangente á gota do líquido e a superfície onde
ela se encontra depositada, como ilustra a Figura 3.
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γ LV
γ SV
)θ
γ SL
Figura 3 - Ângulo de Contato [7].
Baseado no conceito exposto anteriormente e devido ao fato que na natureza todos os
elementos tendem ao estado de menor energia, quanto maior a energia superficial de um material,
maior será a superfície de contato entre a gota de um líquido e a superfície, pois com isso os átomos
da superfície desse material recobertos pela gota irão ter sua energia livre diminuída. Com essa
maior área de contato, o ângulo
é reduzido. Para ângulos menores que 900 a superfície é dita
hidrofílica, ou seja, possui afinidade com a água. Para ângulos maiores que 900 a superfície passa a
ser hidrofóbica, possuindo baixa afinidade pela água [3].
O processo de caracterização por ensaio de hidrofobia consistiu na obtenção de dados
da superfície poluída do isolador, sem limpeza, e na coleta de dados com a superfície limpa, sendo
que um isolador polimérico de borracha de silicone proveniente do mesmo fabricante foi
considerado como amostra padrão. Realizou-se então a separação de amostras medindo 3 x 2 cm de
área das abas dos isoladores, sempre coletando a amostra na parte mais próxima da haste do
isolador. Esta região, embora teoricamente seja o local com menor grau de deposição de poluição
salínica, também é a região que provavelmente menos sofre a limpeza natural de sua superfície pela
ação de chuvas.
A coleta das amostras foi realizada em três níveis distintos de cada isolador, superior,
médio e inferior, devido à ação do campo eletromagnético ao longo da extensão da cadeia do
isolador, o que pode afetar as propriedades da borracha de silicone, em função do campo elétrico
sobre a mesma, como mostra a Figura 4. Apenas a amostra proveniente do isolador sem uso
(amostra padrão) foi coletada de um único nível, pois o mesmo nunca entrou em operação [8].
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Nível Inferior
Nível Superior
Figura 4 – Distribuição de campo elétrico para um isolador polimérico padrão [8].
Considerando que os isoladores padrões empregados nas linhas em questão possuem
uma distância entre pontas de aproximadamente 880 mm, e adotando como ponto inicial a
extremidade mais próxima da linha de energia, o nível inferior de coleta dista 120 mm, o nível
médio dista 450 mm e o nível superior dista 780 mm do ponto inicial, ou ponto zero. Ainda, foram
realizados ensaios semelhantes para amostras limpas, após remoção da camada poluída em banho
ultra-sônico de 15 minutos com água destilada e secagem a temperatura ambiente.
O procedimento acima adotado deve-se ao fato que embora um isolador polimérico de
borracha de silicone seja hidrofóbico, os sais que se depositam em sua superfície não o são,
podendo assim acarretar um maior espalhamento da gota e o surgimento de descargas superficiais.
Utilizando-se um goniômetro Ramé-Hart 100-00, mostrado na Figura 5, do LaPTec Laboratório de Plasmas Tecnológicos - da UNESP – Campus Experimental de Sorocaba, foram
depositadas cinco gotas de aproximadamente 10 µL de água deionizada e mediu-se 20 vezes o
ângulo de contato entre essa gota e a superfície da amostra.
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Figura 5 – Goniômetro Ramé-Hart 100-00.
Resultados e Discussão
A Tabela 1 apresenta os resíduos de materiais não condutores que foram gerados de
junho de 2008 até maio de 2009 e suas respectivas quantidades.
Tabela 1 – Resíduos de Materiais Não Condutores
Material
Descritivo
Porcelana / Vidro
Madeira
Massa, kg
Sem ferragem
97069
Com ferragem
251598
Com bobinas
172508
Cruzetas
20419
Só bobinas
1556
Plástico
Isoladores
14540
Borracha
-
938
Diverso
Sucata sem valor
398
TOTAL
559026
Verifica-se pela Tabela 1, que temos 14,5 toneladas, ou seja, quase 3% do total de
materiais não condutores descartados, somente de isoladores poliméricos, que são descartados sem
nenhum processo de reciclagem.
A Tabela 2 apresenta os valores das medidas de ângulo de contato entre a gotícula de
água deionizada e a superfície das amostras.
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Tabela 1 – Ângulo de contato – Amostras Envelhecidas x Amostra Padrão.
Ângulo de contato, °
Isolador
1
2
3
4
Nível da amostra
Isolador com superfície poluída
Isolador com superfície limpa
Superior
104,24 ± 5,90
105,33 ± 8,91
Médio
102,21 ± 6,44
103,76 ± 5,33
Inferior
90,45 ± 5,78
97,66 ± 3,76
Superior
103,61 ± 5,22
105,47 ± 9,29
Médio
106,80 ± 7,83
106,89 ± 8,12
Inferior
98,80 ± 7,54
99,57 ± 5,67
Superior
105,01 ± 9,73
107,31 ± 7,96
Médio
101,41 ± 6,77
103,21 ± 6,98
Inferior
100,22 ± 3,27
103,65 ± 8,53
Superior
107,19 ± 6,98
107,19 ± 9,18
Médio
100,53 ± 4,66
100,53 ± 6,84
Inferior
95,55 ± 4,70
95,55 ± 4,83
Superior
107,12 ± 5,05
107,12 ± 7,75
5
Médio
106,01 ± 3,75
106,12 ± 5,98
Inferior
98,75 ± 7,03
98,75 ± 6,36
6
PADRÃO
-
107,78 ± 4,58
Os dados obtidos mantêm coerência com o que se esperava. Os ângulos de contato
tendem a aumentar com a limpeza da superfície da amostra, aproximando-se dos valores da amostra
padrão, de 107,78o. O valor máximo atingido por amostras usadas poluídas foi de 107,19o e para
amostras limpas foi de 107,31o, sempre no nível superior do isolador. Nesse sentido, observa-se
pela Tabela 1 que para as amostras coletadas no nível inferior do isolador, ou seja, próximo à linha
de transmissão de energia e, portanto submetida a um alto campo eletromagnético, assim como
pouco sujeita a limpeza superficial pela ação da chuva, o ângulo de contato apresenta-se muito
inferior ao da amostra padrão, chegando ao mínimo de 90,45o. Esse fator torna essa região como a
mais propícia a se detectar a presença de efeito corona. A atividade corona presente em uma linha
de transmissão e distribuição é uma descarga parcial luminosa dos cabos condutores e dos
isoladores devido à ionização do ar, onde o campo elétrico excede um valor crítico. Por exemplo,
um alto campo eletromagnético gerado por descargas superficiais ioniza o ar, excitando assim as
moléculas de nitrogênio, o que causa uma emissão de radiação ultravioleta e por conseqüência o
efeito corona. Uma região do isolador polimérico que apresenta uma elevada atividade corona por
um período significativo de tempo pode ter sua superfície desgastada e suas características
hidrofóbicas (e por conseqüência isolantes) alteradas.
Observa-se ainda pela Tabela 2 que, assim como esperado, em todas as amostras limpas o
valor médio do ângulo de contato foi sempre superior ou no máximo igual ao determinado para as
amostras poluídas. Isso indica que eventuais depósitos de sal foram removidos do isolador com a
limpeza, aumento a característica hidrofóbica do material.
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O ângulo de contato é uma das propriedades mensuráveis para isoladores, pois pode fornecer
um indicativo de seu desgaste com o uso. Isso porque quanto maior o ângulo de contato, maior a
característica hidrofóbica do material, ou seja, menor a afinidade dele com a água e,
consequentemente, mais isolante ele será.
Conclusões
Atualmente carece de desenvolvimento uma melhor destinação dos materiais não
condutores descartados pela empresa, seja na forma de reciclagem ou de um reaproveitamento.
Neste levantamento de apenas 11 meses, verifica-se que 559 toneladas de materiais são descartados
e destes, 14,5 toneladas são oriundas somente de isoladores usados. A despeito do impacto
ambiental causado pelo seu descarte, a quantidade não parece ser muito expressiva, porém é
necessário verificar se o aguardo do acúmulo deste tipo de material para a obtenção de uma
quantidade mais significativa para o seu processamento seria rentável economicamente.
A reciclagem do isolador envolveria um estudo para a reciclagem da fibra de vidro com
resina epóxi, material que constitui o núcleo. E para a borracha (EPR), material da superfície, o
processo já é conhecido e envolve a quebra das suas ligações covalentes.
Houve um aumento nos valores de ângulo de contato com o procedimento de limpeza
dos isoladores, principalmente para as amostras de nível superior e médio, mais sujeitas à ação da
limpeza natural por parte das chuvas. Esse aumento, por exemplo, foi de cerca de 2% para a
amostra coletada no nível superior para o isolador 3, com o ângulo de contato aumentando em 2,3°
e a amostra após limpeza apresentando valor de 107,31° - apenas 0,4% menor que o valor do
padrão, que é de 107,78 °.
Ficou clara a diminuição da hidrofobicidade do isolador polimérico quando sua
superfície encontra-se coberta por uma camada de poluição, proeminentemente salínica. A amostra
coletada no nível inferior do isolador 1 apresentou valor de 90,45° antes da limpeza denotando uma
característica hidrofílica mais pronunciada, e passou para 97,66° após a limpeza, valor este ainda
quase 10% inferior ao valor do padrão. Isto acontece especialmente no nível inferior da cadeia de
isoladores, pois a mesma é submetida a altos campos eletromagnéticos. Também se deve a seu
posicionamento na linha, pois a lavagem natural que ocorreria com a presença de uma chuva forte
não ocorre adequadamente. Com isso essa região pode ser considerada como a mais propícia a
apresentar falhas devido à presença de efeito corona.
Agradecimentos
Os autores agradecem a Eletropaulo, por disponibilizar as informações necessárias e pelo
apoio financeiro, bem como à Fundação para o Desenvolvimento da UNESP e a Fundação para o
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Desenvolvimento de Bauru. Agradecem ainda ao André Alves dos Santos pelo auxílio na obtenção
dos dados.
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8. D.A. Hoch; N. Mahatho; F. Bologna, Water induced discharges on transmission voltage
silicone rubber insulators. Disponível em < http://www.corocam.com/papers.asp >. Acesso em
20 dez. 2006.
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