Comportamento Dielétrico e Mecânico do
Polietileno Utilizado em Cabos Subterrâneos
G. C. Silva1, J. Tomioka1 e E. L. Leguenza1
II. EXPERIMENTAL
Resumo- No presente artigo são encontrados resultados iniciais
do estudo do comportamento dielétrico e mecânico do polietileno reticulado (XLPE) em amostras de cabos subterrâneos não
envelhecidas, envelhecidas em campo e em laboratório. O comportamento dielétrico das amostras de XLPE exibe picos de
relaxação dielétrica obedecendo a forma assintotica das funções
de Dissado e Hill. À medida que o envelhecimento evolui, um
aumento nas perdas dielétricas é observado na região de baixa
freqüência. Em conseqüência, variações nas propriedades dinâmico-mecânica das amostras de XLPE, também são observadas com o tempo de envelhecimento.
Palavras-chave—Dielétrico, Envelhecimento, Espectroscopia,
Polietileno, Relaxação.
I. INTRODUÇÃO
O polietileno tem sido usado como isolante elétrico por
quase quatro décadas, principalmente devido ao baixo custo
e às suas excelentes propriedades físicas e químicas. Polietileno na forma reticulada (XLPE) é encontrado em cabos
isolados e amplamente utilizado em redes subterrâneas de
distribuição de energia elétrica.
Entretanto, apesar de suas excelentes propriedades físicas
e químicas, o XLPE experimenta degradação das propriedades dielétricas quando exposto a ambientes úmidos podendo
levar à prematura ruptura dielétrica, e além disso, também
levar à mudanças nas suas propriedades mecânicas. A ocorrência e crescimento de arborescência (water tree) tem sido
apontada como sendo o principal fenômeno de degradação
em materiais poliméricos, em particular, polietileno utilizado
como isolante em cabos de distribuição de energia elétrica
[1]. Tem sido sugerido que este tipo de degradação é devida
aos mecanismos de migração da água contendo íons na presença de campos elétricos, envolvendo, também, fenômenos
de oxidação e quebra de cadeias [1,2].
Neste trabalho são apresentados resultados iniciais de medidas dielétricas (Espectroscopia Dielétrica) e uma relação
destes resultados com os obtidos com técnicas: dinâmicomecânica (Análise Dinâmico-mecânica – DMA) e físicoquímica (Espectroscopia Infravermelho por Transformada
de Fourier – FTIR).
Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento − (LACTEC/UFPR)
e-mail: [email protected]
1
Foram utilizadas amostras comercialmente disponíveis de
cabos coaxiais isolados em XLPE, classe de tensão 15kV,
não envelhecida, envelhecida em laboratório e em campo. O
envelhecimento acelerado em laboratório foi realizado em
amostras de cabo, submersas em câmaras de aço inox contendo solução de 1M de NaCl e água destilada, nas quais
foram aplicadas tensões da ordem de 10kV à 1kHz, por um
período de 500h em temperatura ambiente. Por outro lado, a
amostra envelhecida em campo esteve instalada 25 anos e
foi retirada da rede após falha observada.
Após o envelhecimento em laboratório, as amostras foram
removidas da câmara de envelhecimento, limpas cuidadosamente com água destilada. Em seguida, as amostras não envelhecida, envelhecida em laboratório e envelhecida em
campo foram radialmente microtomadas, com 150µm de
espessura e 5cm de largura, desde logo abaixo da camada
semicondutora externa até logo acima da camada semicondutora interna. Foram então, escolhidas amostras da região
logo abaixo da camada semicondutora externa. Em seguida,
depositou-se em ambas as faces das amostras planas, eletrodos de alumínio de 35mm de diâmetro sob alto vácuo.
As amostras foram colocadas em uma câmara de aço inox
blindada, na qual, realizaram-se as medidas dielétricas [3].
Os dados dielétricos no intervalo de freqüência de 10-5Hz
a 5x10-2Hz foram determinados da corrente transitória de
descarga, utilizando-se a aproximação de Hamon [4]. Ainda,
medidas utilizando um amplificador lock-in foram realizadas, fornecendo dados no intervalo de freqüência de 5x102
Hz a 10Hz. Adicionalmente, medidas com ponte forneceram dados no intervalo de freqüência de 10Hz a 105Hz. Um
campo elétrico DC de 2kV/mm foi aplicado utilizando-se
fonte estabilizada marca HP, modelo 6521A, e a corrente de
carga foi medida com um eletrômetro marca Keithley, modelo 617. Após aproximadamente 16 horas, o campo foi removido e a corrente de descarga foi medida por 1 hora, de modo similar. As medidas de capacitância e condutância e função da freqüência foram realizadas com uma ponte marca
general Radio, modelo 1621, no intervalo de freqüência de
10Hz a 105Hz. Ainda, as partes real e imaginária da corrente
como uma função de freqüência foram realizadas com um
amplificador lock-in marca SRS, modelo SR 830, no
intervalo de freqüência de 5x10-2Hz a 10Hz [5].
Os dados dielétricos, i.e., χ″(ω), em todo intervalo de freqüência de 10-5Hz a 105Hz foram então combinados e ajustados com os valores assintóticos da função de Dissado-Hill.
Além disso, os valores de χ′(ω) no mesmo intervalo de fre-
A figura 1 mostra o espectro dielétrico [i.e., as partes real,
χ′(ω), e imaginária, χ″(ω), da susceptibilidade complexa,
χ(ω), em função da freqüência] para as amostras de cabos
isolados em XLPE não envelhecida, envelhecidas em laboratório e em campo. Pode ser observado da figura 1 que a amostra de cabo isolado em XLPE não envelhecida, exibe
três picos dipolares em paralelo, na região de baixa freqüência, média freqüência e alta freqüência, respectivamente.
Para a amostra de cabo XLPE envelhecida em campo, como
pode ser visto da figura 1, os dois picos dipolares nas regiões de alta freqüência e de média freqüência foram substituídos um processo QDC, devido a transporte de carga intercluster. Com relação à amostra envelhecida em campo (figura 1), pode ser observado o mesmo comportamento da amostra envelhecida em laboratório seguido de um aumento significativo dos valores de χ″(ω) com o tempo de envelhecimento. É sugerido que um processo competitivo é estabelecido
quando o envelhecimento progride, envolvendo um componente dipolar e um componente de carga espacial originado
de processos de injeção de cargas do campo e/ou formação
de ions. O componente de carga espacial é observado tornarse mais dominante à medida que o envelhecimento progride.
Pode ser argumentado que com o envelhecimento, existe
uma distribuição de cargas espacialmente não-uniforme devido a um processo de condução quase-permanente. Vale a
pena notar que um comportamento bastante similar foi previamente relatado para amostras de cabos isolados em XLPE
e amostras planas de LDPE, envelhecidas sob campo alternado em condições de laboratório [10-13].
χ', χ" - Susceptibilidade
10-1
10-2
10-3
χ' - não env.
χ" - não env.
χ' - env. em campo
χ" - env. em campo
χ' - env. em laboratório
χ" - env. em laboratório
10-4
10-5
10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106
Frequência (Hz)
Figura 1. Comportamento dielétrico das amostras de cabo XLPE não
envelhecida, envelhecida em laboratório e envelhecida em campo.
Na figura 2 é mostrado o comportamento dinâmicomecânico das amostras de cabo XLPE não envelhecida, envelhecida em campo e envelhecida em laboratório [i.e., as
partes real E' (módulo de armazenagem) e imaginária E"
(módulo de perda) do módulo complexo E*] [8,14]. Pode ser
observado na figura 2 que as amostras não envelhecida, envelhecidas em campo e em laboratório exibem um pico de
relaxação em torno de –120oC e um pico de relaxação em
torno de –8oC [14,15]. A redução da intensidade do picos de
relaxação pode ser atribuído a restrições de movimento das
cadeias principais (i.e., redução da mobilidade das cadeias)
gerado por grupos de carbonilas ou produtos de oxidação
que podem ser produzidos à medida que o envelhecimento
evolui [16].
140
3000
E' - não env.
E' - env. em campo
E' - env. em laboratório
E'' - não env.
E'' - env. em campo
E'' - env. em laboratório
2500
120
100
2000
80
1500
60
1000
40
E'' (MPa)
III. RESULTADOS E DISCUSSÃO
100
E' (MPa)
qüência foram obtidos com as relações de Kramers-Krönig
[5-7].
Medidas de Análise Dinâmico-mecânica (DMA) foram
feitas com o analisador da marca Netzsch, modelo DMA242.
As amostras planas, da região logo abaixo da camada semicondutora externa, não envelhecida, envelhecida em laboratório e em campo foram preparadas nas dimensões: 4,8mm
de largura, 10mm de comprimento e 150µm de espessura.
Aplicou-se, no modo tração uma tensão estática de 1,0N
superposta à uma tensão dinâmica de intensidade 1,5N à
50Hz com a temperatura variando a uma taxa constante de
2oC/min no intervalo de –150oC a 110oC [8].
Adicionalmente, medidas de Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) foram feitas com
um espectrômetro marca Bomem, modelo DA8. Amostras,
da região logo abaixo da camada semi-condutora externa,
com 20mm x 20mm dos cabos não envelhecido, envelhecido
em laboratório e em campo foram medidas com o feixe ajustado na posição central da amostra, configurado para o modo
transmissão [9].
20
500
0
0
-150
-100
-50
0
50
100
O
Temperatura ( C)
Figura 2. Comportamento dinâmico-mecânico das amostras de cabo
XLPE não envelhecida, envelhecida em laboratório e envelhecida em campo.
A figura 3 apresenta o espectro de FTIR, em gráfico de
absorbância normalizado (i.e., deslocado), para as amostras
de cabos isolados em XLPE não envelhecida, envelhecida
em laboratório e envelhecida em campo.
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Absorbância (%)
0.4
não env.
env. em campo
env. em laboratório
[1]
0.3
[2]
0.2
[3]
0.1
0.0
1760
[4]
1750
1740
1730
1720
1710
1700
-1
Número de Onda (cm )
Figura 3. Espectro de infravermelho mostrando o percentual de absorbância das amostras de cabo XLPE não envelhecida, envelhecida em laboratório e envelhecida em campo.
[5]
[6]
[7]
O espectro de FTIR mostra que a amostra envelhecida em
campo tem uma significativa quantidade de produtos oxidados tais como cetonas, aldeídos e esteres, na região de número de onda 1735 – 1745 cm-1. Enquanto que o espectro de
infravermelho para o cabo em XLPE envelhecido em laboratório mostra uma ligeira redução na presença de produtos de
oxidação [7,17].
[8]
[9]
[10]
[11]
IV. CONCLUSÕES
Pode ser argumentado diante das observações acima que,
as características mais importantes a serem observadas no
envelhecimento do XLPE, tanto em laboratório como em
campo, é o estabelecimento de um processo competitivo
com o tempo de envelhecimento. O envolvimento de um
componente dipolar originado do esperado aumento das
partes dipolares e um componente de carga espacial originando de injeção do campo elétrico. O componente de carga
espacial é observado tornar-se dominante quando o envelhecimento progride e o polietileno se torna mais condutivo.
Além disso, as mudanças observadas no polietileno do ponto
de vista dielétrico concordam com as verificadas nas propriedades mecânicas, as quais, estão intimamente ligadas ao
aumento de produtos de oxidação atenuando os picos de
relaxação mecânica.
Portanto, pode ser concluído que as técnicas de espectroscopia dielétrica, DMA e FTIR são ferramentas úteis no monitoramento e avaliação do estado de envelhecimento de
cabos subterrâneos de polietileno reticulado (XLPE).
V. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Companhia Paranaense de Energia Elétrica − Copel pelo fornecimento das amostras e ao
Instituto de Pesquisas para o Desenvolvimento − LACTEC
pelo apoio financeiro.
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
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