Avaliação dos mecanismos de degradação do filme de polipropileno isotático empregado em capacitores de potência

Abstract

Resumo: Capacitores de potência são amplamente utilizados por concessionárias de energia em sistemas elétricos para melhorar a qualidade de energia para seus consumidores. No entanto, problemas com à instalação física, temperatura ambiente e distúrbios elétricos podem causar alterações dos materiais alterando seu desempenho em campo. Como o filme de polipropileno isotático (iPP) é o principal material dielétrico de um capacitor, é importante conhecer como a temperatura e distorções harmônicas do campo elétrico aplicado afetam as propriedades do mesmo. Para isso, amostras de iPP usadas em capacitores de potência foram submetidas a ensaios de envelhecimento acelerado térmico e elétrico em laboratório durante diferentes períodos de tempo e condições de temperatura, atmosfera e campo elétrico. Após cada período de envelhecimento, as amostras foram levadas a ensaios de caracterização óticos, mecânicos, térmicos e elétricos, tais como: microscopia ótica por transmissão; espectroscopia de infravermelho (FTIR), resistência à tração; calorimetria diferencial de varredura (DSC), difração de raios-X (DRX), rigidez dielétrica e espectroscopia de impedância. Os resultados dos ensaios mostraram que a elevação da temperatura do filme iPP gera um aumento da cristalinidade devido ao aumento na dimensão das esferulitas do material polimérico. Adicionalmente, foi verificado que as amostras envelhecidas termicamente em óleo apresentam maior cristalinidade, devido ao efeito plastificante deste. Também foi observado que o aumento da componente harmônica do campo elétrico causa também aumento da cristalinidade e dimensão das esferulitas, mesmo em temperatura ambiente. Por fim, foi verificado que amostras com maior grau de cristalinidade apresentam maior probabilidade de falha elétrica, fato que está associado ao aumento das regiões interfaciais entre as fases no interior do material. Palavras Chaves: Capacitores, Filme de Polipropileno, Alteração Morfológica, Envelhecimento Térmico, Distorção Harmônica, Ruptura Dielétrica.

Abstract: Power capacitors are commonly used by utility companies to improve the quality of the electricity delivered to their consumers. However, problems with physical installation, ambient temperature and electric disturbances may modify the physicchemical properties of its dielectric material, causing changes in capacitor performance. Because a polypropylene (PP) film is the main dielectric component of a capacitor, it is important to know how temperature and harmonic distortion of electric field affects its properties. For this purpose, iPP samples used in power capacitors were aged thermally and electrically in the laboratory for different times, temperature conditions, atmosphere and electric field. After each aging time, samples were taken to optical, mechanical, thermal and electrical characterization tests, such as transmission optical microscopy; tensile strength; differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD), electrical breakdown and impedance spectroscopy. The test results showed that the elevation of iPP film temperature and electrical disturbances produces an increase in crystallinity due to increase the size of the spherulites in the polymer chain. Additionally, it was found that the samples thermally aged in oil have higher crystallinity due to the plasticizing effect. It was also observed that increasing the harmonic frequency of the electric field also causes increase in crystallinity and spherulites size, even at room temperature. Finally, it was observed that samples with a higher degree of crystallinity have an increase of the probability of electrical failure. This fact was associated with increased at interfacial areas between the phases inside the material caused by the increase in crystallinity and spherulites size. Keywords: Capacitors: Capacitor, Polypropylene Film, Morphology Changes, Thermal Aging, Harmonic Distortion And Dielectric Breakdown.