Desenvolvimento e avaliação de nova metodologia de análise de materiais no ensaio de resistência ao trilhamento elétrico com base em análise térmica

Abstract

Resumo: Em diversas aplicações nos sistemas elétricos de distribuição e transmissão, são utilizados materiais poliméricos como matéria prima. Isoladores, cabos, espaçadores, buchas, terminais e outros diversos equipamentos podem ter partes ou mesmo serem integralmente compostos por materiais como o polietileno e o silicone, por exemplo. Um dos principais modos de falha de tais materiais poliméricos ocorre quando existe a ação sinérgica entre poluentes, umidade, tensão elétrica e luz UV. Tais agentes agressores podem ser advindos de diversas fontes, como poluição de indústrias, solo trazido por meio do vento e névoa salina vindo do mar, e a água proveniente da umidade do ar e das chuvas. A ação conjunta de tais fatores leva ao trilhamento elétrico das superfícies dos equipamentos elétricos, causando degradação e erosão do material com diminuição da vida útil e possivelmente falhas e interrupções no fornecimento de energia. Dessa maneira, o fenômeno tem sido explorado e estudado nas últimas décadas e os fabricantes de matérias primas e equipamentos procuram cada vez mais fabricar produtos resistentes ao trilhamento elétrico. Diversas normas e ensaios foram desenvolvidos ao longo do tempo a fim de determinar e comparar a resistência de diferentes materiais ao trilhamento. Porém, as normas atuais possuem limitações. Os ensaios existentes possuem caráter classificatório, isto é, apenas determinam se certo material é aprovado ou reprovado para determinada aplicação. Contudo, não há comparações entre dois ou mais materiais aprovados para uma mesma categoria de tensão. O presente trabalho tem por intuito avaliar possíveis novas metodologias de análise que possam ser adicionadas aos ensaios atuais, sobretudo no que tange à absorção de energia do material polimérico. Análises de imagens termográfica e na região do visível, bem como a medição da variação da temperatura superficial em amostras de materiais poliméricos com concentrações variáveis de aditivos foram estudadas como uma nova forma de comparar o desempenho de tais amostras no ensaio de trilhamento elétrico em plano inclinado, estabelecendo a relação dos dados com as respectivas resistências ao trilhamento elétrico de cada amostra. A relação entre a taxa de variação de temperatura de cada composição testada e o seu comportamento no ensaio foi estabelecida. Amostras com temperatura mais estável e com menor variação apresentaram melhor desempenho no ensaio, ao passo que amostras nas quais a temperatura elevou-se em poucos minutos tenderam a falhar por trilhamento. Assim, pretende-se contribuir para obter ensaios mais conclusivos e ágeis, auxiliando no desenvolvimento de materiais e equipamentos mais resistentes, permitindo melhorar a qualidade e a confiabilidade do fornecimento de energia elétrica aos consumidores.

Abstract: In various applications in electrical distribution and transmission systems, polymeric materials are used as raw materials. Insulators, cables, spacers, bushings, terminals and other various equipment may have parts or even be composed entirely of materials such as polyethylene and silicone, for example. One of the main modes of failure of such polymeric materials occurs when there is a synergistic action between pollutants, humidity, high voltage and UV radiation. Those aggressors can come from various sources, such as pollution from industries, soil brought through wind and saline mist from the sea, and the water from air humidity and rains. The joint action of these factors leads to the electrical tracking of the surfaces of electrical equipment, causing degradation and erosion of the material with decreased service life and possibly failures and interruptions in the power supply. Thus, the phenomenon has been explored and studied in recent decades and manufacturers of raw materials and equipment are increasingly seeking to manufacture products resistant to electric tracking. Several standards and tests have been developed over time in order to determine and compare the resistance of different materials to the tracking and erosion. However, current standards have limitations. Existing tests are classificatory in nature, that is, they only determine whether certain material is approved or disapproved for a given application. However, there are no comparisons between two or more approved materials for the same voltage category. The present work aims to evaluate possible new methodologies of analysis that can be added to current tests, especially with regard to the energy absorption of the polymeric materials. Thermographic and visible spectrum imaging analyses, as well as the measurement of the average superficial temperature rise on the specimens were studied as a new way to compare the performance of various materials, establishing the correlation of such data with the respective resistances to electrical tracking. The relationship between the temperature variation rate of each tested composition and its behavior in the test was determined. Samples with more stable temperature and lower variation showed better performance in the test, while samples in which the temperature increased greatly in a few minutes tended to fail by tracking. With that, more conclusive and agile tests can be obtained, assisting in the development of more resistant materials and equipment, allowing improving the quality and reliability of the power grid.