A avaliação da durabilidade térmica dos materiais isolantes elétricos

Os isoladores são usados em todos os dispositivos elétricos, desde minúsculos capacitores até grandes geradores. Os engenheiros precisam entender como projetar dispositivos com o isolante adequado. Infelizmente, a falha do isolador é a principal razão pela qual os dispositivos elétricos param de funcionar. Assim, deve- conhecer os critérios para a avaliação da durabilidade térmica dos materiais isolantes elétricos MIE e dos sistemas de isolação elétrica (SIE).

isolação2Da Redação –

Um sistema de isolamento elétrico deve ser composto de uma combinação única de materiais que foram verificados quanto à compatibilidade química quando utilizados a determinadas temperaturas máximas. Essas combinações são organizadas para formar sistemas de isolamento para em aplicações como motores, transformadores, relés e solenoides. Os sistemas de isolamento elétrico desempenham um papel importante na segurança do produto e agora estão emergindo como um padrão global.

Normalmente, os materiais de isolamento elétrico selecionados pelos engenheiros baseiam-se no valor do índice térmico relativo necessário para atender à meta de produto ou ao limite máximo de temperatura de ponto quente. No entanto, quando a temperatura de operação atinge 105° C ou acima, os produtos químicos dos materiais de isolamento individuais reagirão entre si.

Por exemplo, quando a temperatura do ponto quente do enrolamento da bobina aumenta para 105° C ou acima, os produtos químicos reagem uns com os outros e deterioram as propriedades de isolamento – como rigidez dielétrica, resistência à ignição e resistência à chama – especialmente aqueles no revestimento de isolamento dos fios condutores. A deterioração do desempenho da isolação resultará em falha prematura do produto ou até mesmo em riscos elétricos e incêndio.

Como a taxa de reação química aumenta com a temperatura mais alta, o decaimento inesperado apresentará um risco maior de atuação do produto. Tais questões de compatibilidade química não podem ser previstas pelos modelos. É por isso que forma estabelecidos ensaios nas normas para verificar a compatibilidade dos materiais isolantes em temperaturas elevadas.

Assim, os materiais de isolamento polimérico devem passar por testes de componentes plásticos para propriedades como classificação de chama, resistência de arco, resistência de ignição de fio quente e índice térmico relativo. O ensaio de compatibilidade química, também conhecido como ensaio de tubo selado, deve ser feito com duração de um a três meses. O ensaio de envelhecimento térmico completo usa um modelo de uso geral que sofre ciclos de temperatura, eletricidade, vibração e umidade por 9 a 12 meses.

No campo elétrico, o propósito de qualquer material isolante é separar os condutores elétricos sem passar corrente através dele. Materiais como PVC, vidro, amianto, laminado rígido, verniz, resina, papel, teflon e borracha são muito bons isolantes elétricos, porém o material isolante mais significativo é o ar.

Dessa forma, o isolamento limita o fluxo de corrente entre os diferentes condutores e entre os condutores ao terra. Portanto, é muito importante que o isolamento tenha as propriedades de transferência opostas do condutor. Na teoria, o isolamento não deve transportar a corrente elétrica.

Qualquer item que transporte corrente elétrica é projetado para fazê-lo com segurança e com algum tipo de isolamento. O isolamento limita o fluxo de corrente entre os diferentes condutores e entre os condutores ao terra. Portanto, é muito importante que o isolamento tenha as propriedades de transferência opostas do condutor.

Os condutores são geralmente metálicos e os mais comuns são o cobre ou o alumínio, ambos conhecidos por serem muito bons condutores de corrente elétrica devido à alta capacidade de carga de corrente e propriedades térmicas constantes. O isolamento é geralmente feito de um material não metálico. A maioria do isolamento elétrico é feito de PVC, plástico ou borracha. Deve resistir à corrente e mantê-la dentro do caminho ao lado do condutor. Muitos dos melhores isoladores são feitos pelo homem.

Na realidade, não existe um material de isolamento ideal. Todo tipo de isolamento tem alguma resistência. A resistência do material de isolamento precisa ser muito alta, mas não é infinita. Obviamente, quanto maior a resistência, melhor a capacidade de isolamento.

Fabricantes de fios, cabos e motores melhoraram continuamente seu isolamento. Para áreas onde a eletricidade está sendo usada na indústria (e em casa), os fabricantes desenvolveram produtos muito melhores e a um custo muito menor. No entanto, o isolamento, enquanto em uso, está sujeito a muitos efeitos que podem causar falhas. Danos mecânicos, vibração, calor excessivo ou frio, sujeira, óleo, vapores corrosivos, umidade do ar e desgaste geral são essas as causas.

Uma combinação de estresse elétrico e a degradação do isolamento estão acontecendo constantemente, uma vez que uma das principais causas de falha de isolamento é o desgaste geral. À medida que os furos ou rachaduras se desenvolvem, a umidade e materiais estranhos penetram no isolamento, proporcionando um caminho de menor resistência para a corrente de fuga. Uma vez iniciado, diferentes processos de degradação ajudam uns aos outros e isso permitirá então que a corrente excessiva passe através do isolamento.

A corrente com vazamento não pode ser detectada pelo cheiro ou pela visão, o que torna a questão perigosa, pois apenas as consequências podem ser notadas – muitas vezes tarde demais. Se houver um programa de manutenção planejado, isso aumentará a redução gradual na resistência do isolamento. Isso também permitirá um programa de serviço de substituição ou renovação antes de a peça ter uma falha de campo completa.

Se não houver programa de manutenção, o item com isolamento ruim e degradado pode se tornar perigoso ao toque quando a tensão é aplicada. O item pode não só ser um perigo para o usuário, mas também pode ser perigoso para qualquer pessoa na área que estiver sendo usada. Uma queda súbita na resistência do isolamento é muito rara e a causa mais comum disso é quando um dispositivo foi submetido a submersão completa.

Esta é a principal razão pela qual um programa de ensaio de isolamento deve ser realizado. Recomenda-se um programa regular de ensaio de resistência de isolamento para reduzir o risco de choques elétricos, para manter a segurança do pessoal e reduzir os tempos de reparo devido a falhas.

Ele ajuda a detectar o início da quebra do isolamento, o que permite que um programa de manutenção programada seja implementado, o que pode incluir uma ou várias das seguintes etapas: limpeza, renovação, secagem e rebobinagem em profundidade. Também é útil para avaliar a qualidade dos reparos antes que o equipamento seja colocado em operação novamente.

A NBR IEC 60085 de 09/2017 – Isolação elétrica – Avaliação e designação térmicas faz a distinção entre as classes térmicas para sistemas de isolação elétrica e materiais isolantes elétricos. Ela estabelece os critérios para a avaliação da durabilidade térmica dos materiais isolantes elétricos MIE e dos sistemas de isolação elétrica (SIE). Ela também estabelece o procedimento para a designação das classes térmicas.

Esta norma é aplicável quando o fator térmico é o fator de envelhecimento predominante. A designação correspondente ao valor numérico da temperatura de utilização contínua máxima recomendada é em graus Celsius. Um sistema de isolação elétrica (SIE) submetido a temperaturas de trabalho que excedam sua classe térmica designada pode resultar em redução de sua expectativa de vida. Um material isolante elétrico (MIE) com índices de durabilidade térmica diferentes (ATE/RTE, de acordo com a NBR IEC 60216-5) podem ser combinados para formar um SIE que tenha uma classe térmica que pode ser superior ou inferior à temperatura de utilização contínua máxima recomendada de qualquer um dos componentes individuais, de acordo com a IEC 60505. Uma classe térmica não é atribuída a um MIE quando o seu uso está relacionado a um SIE.

Pode-se definir o MIE sólido ou líquido com condutividade elétrica desprezível, ou uma simples combinação destes materiais, utilizados para separar partes condutoras com diferentes potenciais elétricos em dispositivos eletrotécnicos. Uma “simples combinação” pode ser uma combinação do MIE fornecido em forma de um único material consistindo, por exemplo, em um papel laminado com um filme de polietileno tereftalato. Para fins de ensaio, os eletrodos podem ser aplicados nos corpos de prova do material sem que esta combinação formalmente constitua um SIE.

A descrição de um dispositivo eletrotécnico como sendo de uma classe térmica específica não significa, e não implica, que cada MIE utilizado na construção deste dispositivo tenha a mesma durabilidade térmica. A classe térmica de um SIE pode não ser diretamente relacionada à durabilidade térmica de um MIE individual incluído neste sistema. No SIE, a característica de proteção de outro MIE utilizado no sistema pode elevar o desempenho de um MIE individual, permitindo a sua utilização em um SIE com uma classe térmica mais elevada do que a durabilidade térmica do MIE individual.

Por outro lado, problemas de incompatibilidade entre os MIE podem reduzir a classe térmica apropriada do sistema para um valor abaixo da durabilidade térmica do MIE. Entretanto, as capacidades térmicas de um MIE não podem ser deduzidas a partir da classe térmica de um SIE do qual ele seja um componente. As classes térmicas nesta norma são numericamente iguais à temperatura máxima recomendada para o SIE nas condições normais de trabalho, como definido pela comissão de estudos de produto.

As comissões de estudos dos produtos devem determinar as condições de trabalho nas quais a temperatura máxima dos dispositivos pode diferir da classe térmica do SIE. Estas situações podem ocorrer porque uma vida útil mais curta ou mais longa é prevista, ou porque existem condições de serviço excepcionais. Além dos fatores térmicos, a aptidão do SIE de cumprir suas funções é afetada por vários fatores, como solicitações elétricas e mecânicas, vibração, produtos químicos e ambientes agressivos, umidade, sujeira e radiação.

Convém que todos estes fatores sejam levados em consideração quando do projeto de dispositivos eletrotécnicos específicos, e as informações complementares sobre a avaliação destes aspectos podem ser encontradas na IEC 60505. Os materiais isolantes e combinações simples de materiais isolantes devem seguir os requisitos estabelecidos na NBR IEC 60216-1 e ser avaliados de acordo com a NBR IEC 60216-5, e se referem a condições de serviço previstas.

A experiência tem demonstrado que, em condições normais de trabalho, um tempo de vida economicamente satisfatório é obtido por muitos dispositivos eletrotécnicos, como máquinas elétricas girantes, transformadores, etc. que são projetados e construídos de acordo com as normas baseadas em avaliações térmicas do SIE. Os procedimentos de ensaio para a avaliação térmica dos SIE devem seguir os requisitos indicados na IEC 60505.

Os procedimentos de ensaios específicos para os SIE destinados para a utilização em dispositivos de baixa tensão são listados na IEC 61857 e na IEC 61858. Desde que a temperatura em dispositivos eletrotécnicos seja frequentemente o fator de envelhecimento predominante que afeta o MIE no SIE, certas classes térmicas básicas são úteis e têm sido internacionalmente reconhecidas como tal.

Quando uma classe térmica é especificada para um SIE, isto significa que a temperatura de utilização contínua máxima recomendada, em graus Celsius, é apropriada para aquela combinação de MIE. As classes térmicas devem ser designadas para um SIE, baseadas em experiência de serviço ou em resultados dos ensaios funcionais que sejam baseados nos procedimentos de ensaios, realizados de acordo com 4.4.

As classes térmicas são designadas para um SIE baseado no índice SIE ATE ou SIE RTE. Enquanto que uma classe térmica pode ser aplicada a um MIE com base em experiência de serviço ou em resultados de ensaios realizados de acordo com 4.3, isto não implica automaticamente que este MIE seja adequado para a utilização em um SIE daquela classe térmica, ou que a classe térmica de um SIE, do qual um MIE seja parte, seja a mesma para aquele MIE. As designações para as classes térmicas são as especificadas na tabela abaixo.

isolação3

Enfim, pode-se dizer que o isolamento elétrico é um estado de matéria e não uma classe de materiais porque existem muitos tipos deles que podem ser usados para isolamento. Eles variam de fibras orgânicas, resinas, óleos, vidros, cristais, minerais e sais, através de uma ampla variedade de compostos químicos altamente dissimulados. Todos os materiais isolantes são caracterizados por uma escassez de radicais livres em sua estrutura física.

Assim, enquanto os isoladores conduzem corrente quando submetidos a tensões elétricas, as correntes são muito diminutas e exigem tensões relativamente altas para produzi-las. É importante que os isoladores sejam considerados como condutores de resistividade muito alta. Frequentemente, sua resistividade é tão alta que a corrente pode ser desprezada pelo equipamento de energia.



Categorias:Metrologia, Normalização

Tags:, , , ,

Deixe uma resposta

%d blogueiros gostam disto: