Isolador (eletricidade) - Insulator (electricity)

Isolador cerâmico usado em ferrovias eletrificadas.
Cabo de alimentação de fio de cobre com 3 núcleos, cada núcleo com revestimentos isolantes codificados por cores individuais, todos contidos em um revestimento protetor externo.

Um isolador elétrico é um material no qual a corrente elétrica não flui livremente. Os átomos do isolador têm elétrons fortemente ligados que não podem se mover facilmente. Outros materiais, semicondutores e condutores conduzem corrente elétrica com mais facilidade. A propriedade que distingue um isolante é sua resistividade ; isoladores têm resistividade mais alta do que semicondutores ou condutores. Os exemplos mais comuns são não-metais .

Não existe um isolador perfeito porque mesmo os isoladores contêm um pequeno número de cargas móveis ( portadores de carga ) que podem transportar corrente. Além disso, todos os isoladores se tornam eletricamente condutores quando uma tensão suficientemente grande é aplicada para que o campo elétrico arranque os elétrons dos átomos. Isso é conhecido como a tensão de ruptura de um isolador. Alguns materiais como vidro , papel e Teflon , que possuem alta resistividade , são isolantes elétricos muito bons. Uma classe muito maior de materiais, embora possam ter resistividade bruta mais baixa, ainda são bons o suficiente para evitar que uma corrente significativa flua nas tensões normalmente usadas e, portanto, são empregados como isolamento para fiação elétrica e cabos . Os exemplos incluem polímeros do tipo borracha e a maioria dos plásticos que podem ser termoendurecíveis ou termoplásticos por natureza.

Isoladores são usados ​​em equipamentos elétricos para apoiar e separar condutores elétricos sem permitir que a corrente entre eles. Um material isolante usado a granel para enrolar cabos elétricos ou outro equipamento é chamado de isolamento . O termo isolador também é usado mais especificamente para se referir a suportes isolantes usados ​​para conectar distribuição de energia elétrica ou linhas de transmissão a postes e torres de transmissão . Eles suportam o peso dos fios suspensos sem permitir que a corrente flua da torre para o aterramento.

Física de condução em sólidos

Isolamento elétrico é a ausência de condução elétrica . A teoria da banda eletrônica (um ramo da física) determina que uma carga flua se houver estados nos quais os elétrons podem ser excitados. Isso permite que os elétrons ganhem energia e, assim, se movam através de um condutor, como um metal . Se nenhum desses estados estiver disponível, o material é um isolante.

A maioria dos isoladores (embora não todos, consulte o isolador Mott ) tem uma grande lacuna de banda . Isso ocorre porque a banda de "valência" contendo os elétrons de mais alta energia está cheia, e uma grande lacuna de energia separa essa banda da próxima banda acima dela. Sempre há alguma voltagem (chamada de voltagem de ruptura ) que fornece aos elétrons energia suficiente para serem excitados nesta banda. Uma vez que essa tensão é excedida, o material deixa de ser um isolante e a carga começa a passar por ele. No entanto, geralmente é acompanhado por alterações físicas ou químicas que degradam permanentemente as propriedades de isolamento do material.

Os materiais sem condução de elétrons são isolantes se também não tiverem outras cargas móveis. Por exemplo, se um líquido ou gás contém íons, então os íons podem fluir como uma corrente elétrica e o material é um condutor. Eletrólitos e plasmas contêm íons e agem como condutores, independentemente do fluxo de elétrons estar envolvido ou não.

Discriminação

Quando submetidos a uma tensão alta o suficiente, os isoladores sofrem o fenômeno de pane elétrica . Quando o campo elétrico aplicado através de uma substância isolante excede em qualquer local o campo de quebra do limite para aquela substância, o isolador repentinamente se torna um condutor, causando um grande aumento na corrente, um arco elétrico através da substância. A quebra elétrica ocorre quando o campo elétrico no material é forte o suficiente para acelerar os portadores de carga livre (elétrons e íons, que estão sempre presentes em baixas concentrações) a uma velocidade alta o suficiente para expulsar os elétrons dos átomos quando eles os atingem, ionizando os átomos. Esses elétrons e íons liberados são, por sua vez, acelerados e atingem outros átomos, criando mais portadores de carga, em uma reação em cadeia . Rapidamente, o isolador fica cheio de portadores de carga móveis e sua resistência cai a um nível baixo. Em um sólido, a tensão de ruptura é proporcional à energia do gap . Quando ocorre a descarga corona , o ar em uma região ao redor de um condutor de alta voltagem pode quebrar e ionizar sem um aumento catastrófico da corrente. No entanto, se a região de decomposição do ar se estende a outro condutor em uma tensão diferente, isso cria um caminho condutor entre eles e uma grande corrente flui pelo ar, criando um arco elétrico . Até mesmo um vácuo pode sofrer uma espécie de colapso, mas, neste caso, o colapso ou arco de vácuo envolve cargas ejetadas da superfície de eletrodos de metal, em vez de serem produzidas pelo próprio vácuo.

Além disso, todos os isolantes se tornam condutores em temperaturas muito altas, pois a energia térmica dos elétrons de valência é suficiente para colocá-los na banda de condução.

Em certos capacitores, os curtos entre os eletrodos formados devido à ruptura dielétrica podem desaparecer quando o campo elétrico aplicado é reduzido.

Usos

Um revestimento muito flexível de um isolador é freqüentemente aplicado a fios e cabos elétricos, isso é chamado de fio isolado . Às vezes, os fios não usam um revestimento isolante, apenas ar, uma vez que um revestimento sólido (por exemplo, plástico) pode ser impraticável. No entanto, os fios que se tocam produzem conexões cruzadas, curtos-circuitos e riscos de incêndio. No cabo coaxial, o condutor central deve ser apoiado exatamente no meio da blindagem oca para evitar reflexos da onda EM. Finalmente, os fios que expõem tensões superiores a 60 V podem causar choque humano e riscos de eletrocussão . Os revestimentos isolantes ajudam a prevenir todos esses problemas.

Alguns fios têm uma cobertura mecânica sem classificação de voltagem - por exemplo: queda de serviço, soldagem, campainha, fio do termostato. Um fio ou cabo isolado possui uma classificação de tensão e uma classificação máxima de temperatura do condutor. Ele pode não ter uma classificação de ampacidade (capacidade de transporte de corrente), uma vez que depende do ambiente circundante (por exemplo, temperatura ambiente).

Em sistemas eletrônicos, as placas de circuito impresso são feitas de plástico epóxi e fibra de vidro. As placas não condutoras suportam camadas de condutores de folha de cobre. Em dispositivos eletrônicos, os minúsculos e delicados componentes ativos são incorporados em epóxi não condutor ou plásticos fenólicos , ou em revestimentos de vidro ou cerâmica cozidos.

Em componentes microeletrônicos , como transistores e ICs , o material de silício é normalmente um condutor por causa do dopagem, mas pode ser facilmente transformado seletivamente em um bom isolante pela aplicação de calor e oxigênio. O silício oxidado é o quartzo , ou seja , o dióxido de silício , o principal componente do vidro.

Em sistemas de alta tensão contendo transformadores e capacitores , o óleo isolante líquido é o método típico usado para evitar arcos. O óleo substitui o ar em espaços que devem suportar uma tensão significativa sem interrupção elétrica . Outros materiais de isolamento de sistema de alta tensão incluem suportes de fio de cerâmica ou vidro, gás, vácuo e simplesmente colocar os fios longe o suficiente para usar o ar como isolamento.

Isolamento em aparelhos elétricos

Cabo de cobre com isolamento mineral revestido de PVC com 2 núcleos condutores.

O material de isolamento mais importante é o ar. Uma variedade de isoladores sólidos, líquidos e gasosos também são usados ​​em aparelhos elétricos. Em transformadores , geradores e motores elétricos menores , o isolamento nas bobinas de fio consiste em até quatro camadas finas de filme de verniz de polímero. O fio magnético isolado com filme permite que um fabricante obtenha o número máximo de voltas dentro do espaço disponível. Os enrolamentos que usam condutores mais grossos são freqüentemente envolvidos com fita isolante de fibra de vidro suplementar . Os enrolamentos também podem ser impregnados com vernizes isolantes para evitar a corona elétrica e reduzir a vibração do fio induzida magneticamente. Grandes enrolamentos de transformadores de energia ainda são, em sua maioria, isolados com papel , madeira, verniz e óleo mineral ; embora esses materiais tenham sido usados ​​por mais de 100 anos, eles ainda fornecem um bom equilíbrio entre economia e desempenho adequado. Os barramentos e disjuntores no quadro de distribuição podem ser isolados com isolamento de plástico reforçado com vidro, tratado para ter uma propagação de chama baixa e evitar o rastreamento da corrente através do material.

Em aparelhos mais antigos feitos até o início dos anos 1970, podem ser encontradas placas de amianto comprimido ; embora este seja um isolante adequado em frequências de energia, o manuseio ou reparos em material de amianto pode liberar fibras perigosas no ar e deve ser transportado com cuidado. O fio isolado com amianto feltrado foi usado em aplicações de alta temperatura e robustas desde a década de 1920. Fios desse tipo eram vendidos pela General Electric sob o nome comercial "Deltabeston".

Até o início do século 20, os painéis de controle de fachada viva eram feitos de ardósia ou mármore. Alguns equipamentos de alta tensão são projetados para operar dentro de um gás isolante de alta pressão , como hexafluoreto de enxofre . Os materiais de isolamento com bom desempenho em potência e baixas frequências podem ser insatisfatórios em radiofrequência , devido ao aquecimento da dissipação dielétrica excessiva.

Os fios elétricos podem ser isolados com polietileno , polietileno reticulado (por meio de processamento de feixe de elétrons ou reticulação química), PVC , Kapton , polímeros semelhantes a borracha, papel impregnado de óleo, Teflon , silicone ou etileno tetrafluoroetileno modificado ( ETFE ). Cabos de alimentação maiores podem usar pó inorgânico comprimido , dependendo da aplicação.

Materiais isolantes flexíveis como PVC (cloreto de polivinila) são usados ​​para isolar o circuito e evitar o contato humano com um fio "vivo" - com voltagem de 600 volts ou menos. É provável que os materiais alternativos sejam cada vez mais usados ​​devido à segurança da UE e à legislação ambiental, tornando o PVC menos econômico.

Isolamento Classe I e Classe II

Todos os dispositivos elétricos portáteis ou de mão são isolados para proteger o usuário contra choques prejudiciais.

O isolamento de Classe I requer que o corpo de metal e outras partes de metal expostas do dispositivo sejam conectados ao terra por meio de um fio de aterramento que é aterrado no painel de serviço principal - mas só precisa de isolamento básico nos condutores. Este equipamento precisa de um pino extra no plugue de alimentação para a conexão de aterramento.

Isolamento Classe II significa que o dispositivo tem isolamento duplo . Isso é usado em alguns aparelhos, como barbeadores elétricos, secadores de cabelo e ferramentas elétricas portáteis. O isolamento duplo requer que os dispositivos tenham isolamento básico e suplementar, cada um dos quais é suficiente para evitar choque elétrico . Todos os componentes internos eletricamente energizados são totalmente encerrados em um corpo isolado que impede qualquer contato com partes "vivas". Na UE , todos os aparelhos com isolamento duplo são marcados com um símbolo de dois quadrados, um dentro do outro.

Isoladores de telégrafo e transmissão de energia

Linhas de energia suportadas por isoladores do tipo pino de cerâmica na Califórnia , EUA
Isolador de cerâmica de 10 kV, mostrando galpões

Os condutores aéreos para a transmissão de energia elétrica de alta tensão são nus e isolados do ar circundante. Os condutores para tensões mais baixas na distribuição podem ter algum isolamento, mas geralmente também estão vazios. Suportes isolantes chamados isoladores são necessários nos pontos onde são suportados por postes ou torres de transmissão . Os isoladores também são necessários onde o fio entra em edifícios ou dispositivos elétricos, como transformadores ou disjuntores , para isolar o fio da caixa. Esses isoladores ocos com um condutor dentro deles são chamados de buchas .

Material

Os isoladores usados ​​para a transmissão de energia de alta tensão são feitos de vidro , porcelana ou materiais poliméricos compostos . Os isoladores de porcelana são feitos de argila , quartzo ou alumina e feldspato , e são cobertos com um esmalte liso para derramar água. Isoladores feitos de porcelana rica em alumina são usados ​​onde a alta resistência mecânica é um critério. A porcelana tem uma rigidez dielétrica de cerca de 4–10 kV / mm. O vidro tem uma rigidez dielétrica maior, mas atrai condensação e as espessas formas irregulares necessárias para isoladores são difíceis de fundir sem deformações internas. Alguns fabricantes de isoladores pararam de fabricar isoladores de vidro no final da década de 1960, mudando para materiais cerâmicos.

Recentemente, algumas concessionárias de eletricidade começaram a se converter em materiais compostos de polímero para alguns tipos de isoladores. Estes são normalmente compostos por uma haste central feita de plástico reforçado com fibra e uma proteção contra intempéries externa feita de borracha de silicone ou borracha de monômero de etileno propileno dieno ( EPDM ). Os isoladores compostos são menos caros, mais leves e têm excelente capacidade hidrofóbica . Essa combinação os torna ideais para serviços em áreas poluídas. No entanto, esses materiais ainda não têm a vida útil comprovada de longo prazo do vidro e da porcelana.

Projeto

Bucha de cerâmica de alta tensão durante a fabricação, antes do envidraçamento (1977)

A quebra elétrica de um isolador devido a tensão excessiva pode ocorrer de duas maneiras:

  • Um arco de punção é uma ruptura e condução do material do isolador, causando um arco elétrico no interior do isolador. O calor resultante do arco geralmente danifica o isolador de forma irreparável. A tensão de punção é a voltagem através do isolador (quando instalado em sua maneira normal) que causa um arco de punção.
  • Um arco flashover é uma ruptura e condução do ar ao redor ou ao longo da superfície do isolador, causando um arco ao longo da parte externa do isolador. Os isoladores geralmente são projetados para resistir ao flashover sem causar danos. A tensão de flashover é a tensão que causa um arco de flashover .

A maioria dos isoladores de alta voltagem são projetados com uma voltagem de flashover mais baixa do que a voltagem de perfuração, de modo que eles voltam a piscar antes de perfurar, para evitar danos.

Sujeira, poluição, sal e particularmente água na superfície de um isolador de alta tensão podem criar um caminho condutor através dele, causando correntes de fuga e flashovers. A tensão de flashover pode ser reduzida em mais de 50% quando o isolador está molhado. Os isoladores de alta tensão para uso externo são moldados para maximizar o comprimento do caminho de vazamento ao longo da superfície de uma extremidade a outra, chamado de comprimento de fuga, para minimizar essas correntes de vazamento. Para conseguir isso, a superfície é moldada em uma série de ondulações ou formas de disco concêntrico. Geralmente incluem um ou mais galpões ; superfícies em forma de xícara voltadas para baixo que atuam como guarda-chuvas para garantir que a parte do caminho de vazamento da superfície sob a 'xícara' permaneça seca em tempo úmido. As distâncias mínimas de escoamento são de 20–25 mm / kV, mas devem ser aumentadas em áreas de alta poluição ou sal marinho no ar.

Tipos de isoladores

Um isolador trifásico usado em linhas de distribuição, normalmente 13,8 kV fase a fase. As linhas são mantidas em um padrão de diamante, vários isoladores usados ​​entre os pólos.

Estas são as classes comuns de isoladores:

  • Isolador de pino - como o nome sugere, o isolador do tipo pino é montado em um pino na cruzeta do mastro. Há uma ranhura na extremidade superior do isolador. O condutor passa por esta ranhura e é amarrado ao isolador com fio recozido do mesmo material do condutor. Isoladores do tipo pino são usados ​​para transmissão e distribuição de comunicações e energia elétrica em tensões de até 33 kV. Isoladores feitos para tensões de operação entre 33 kV e 69 kV tendem a ser muito volumosos e se tornaram antieconômicos nos últimos anos.
  • Isolador de pós - Um tipo de isolador na década de 1930 que é mais compacto do que os isoladores tradicionais do tipo pino e que substituiu rapidamente muitos isoladores do tipo pino em linhas de até 69 kV e, em algumas configurações, pode ser feito para operação em até 115 kV.
  • Isolador de suspensão - Para tensões superiores a 33 kV, é prática comum o uso de isoladores do tipo suspensão, constituídos por uma série de discos de vidro ou porcelana conectados em série por elos de metal em forma de fio. O condutor é suspenso na extremidade inferior desta corda, enquanto a extremidade superior é presa ao braço transversal da torre. O número de unidades de disco usadas depende da voltagem.
  • Isolador de deformação - Um beco sem saída ou poste de ancoragem ou torre é usado onde uma seção reta de linha termina, ou em ângulos fora em outra direção. Esses postes devem suportar a tensão lateral (horizontal) da longa seção reta do fio. Para suportar esta carga lateral, isoladores de tensão são usados. Para linhas de baixa tensão (menos de 11 kV), isoladores de manilha são usados ​​como isoladores de tensão. No entanto, para linhas de transmissão de alta tensão, fios de isoladores de ponta e pino (suspensão) são usados, presos à cruzeta na direção horizontal. Quando a carga de tensão nas linhas é excessivamente alta, como em longos vãos de rios, duas ou mais cordas são usadas em paralelo.
  • Isolador de manilha - Nos primeiros dias, os isoladores de manilha eram usados ​​como isoladores de tensão. Mas agora, eles são freqüentemente usados ​​para linhas de distribuição de baixa tensão. Esses isoladores podem ser usados ​​tanto na posição horizontal quanto na vertical. Eles podem ser fixados diretamente no poste com um parafuso ou na cruzeta.
  • Bucha - permite que um ou vários condutores passem por uma partição, como uma parede ou um tanque, e isola os condutores dela.
  • Isolador de coluna de linha
  • Isolador de poste de estação
  • Cortar fora

Isolante de bainha

Terceiro trilho de contato inferior no isolador da bainha

Um isolador que protege um comprimento total do terceiro trilho de contato inferior .

Isoladores de suspensão

Número típico de unidades de isolamento de disco para tensões de linha padrão
Tensão de linha
(kV)
Discos
34,5 3
69 4
115 6
138 8
161 11
230 14
287 15
345 18
360 23
400 24
500 34
600 44
750 59
765 60
Corda isolante de suspensão (a corda vertical de discos) em um poste de suspensão de 275 kV
Unidade isoladora de disco de vidro suspenso usada em cordas isolantes de suspensão para linhas de transmissão de alta tensão

Os isoladores do tipo pino são inadequados para tensões superiores a cerca de 69 kV linha a linha. Tensões de transmissão mais altas usam cordas isolantes de suspensão, que podem ser feitas para qualquer tensão de transmissão prática adicionando elementos isolantes à corda.

As linhas de transmissão de alta tensão geralmente usam projetos de isoladores de suspensão modulares. Os fios são suspensos por uma 'corda' de isoladores idênticos em forma de disco que se prendem uns aos outros com pinos de fixação de metal ou elos de esfera e soquete. A vantagem desse projeto é que cadeias de isoladores com diferentes tensões de ruptura , para uso com diferentes tensões de linha, podem ser construídas usando diferentes números de unidades básicas. Além disso, se uma das unidades isolantes no fio quebrar, ela pode ser substituída sem descartar todo o fio.

Cada unidade é construída com um disco de cerâmica ou vidro com uma tampa de metal e um pino cimentado em lados opostos. Para tornar as unidades defeituosas óbvias, as unidades de vidro são projetadas de forma que uma sobretensão cause um arco de perfuração através do vidro em vez de um flashover. O vidro é tratado termicamente para que se estilhace, tornando a unidade danificada visível. No entanto, a resistência mecânica da unidade permanece inalterada, de modo que a coluna do isolador permanece unida.

As unidades isoladoras de disco de suspensão padrão têm 25 centímetros (9,8 pol.) De diâmetro e 15 cm (6 pol.) De comprimento, podem suportar uma carga de 80-120 k N (18-27 k lbf ), têm uma tensão de flashover seco de cerca de 72 kV , e são classificados em uma tensão operacional de 10-12 kV. No entanto, a voltagem de flashover de uma corda é menor que a soma de seus discos componentes, porque o campo elétrico não é distribuído uniformemente pela corda, mas é mais forte no disco mais próximo do condutor, que pisca primeiro. Anéis de classificação de metal às vezes são adicionados ao redor do disco na extremidade de alta voltagem, para reduzir o campo elétrico através desse disco e melhorar a voltagem de flashover.

Em linhas de tensão muito alta, o isolador pode ser circundado por anéis corona . Normalmente consistem em toros de alumínio (mais comumente) ou tubos de cobre conectados à linha. Eles são projetados para reduzir o campo elétrico no ponto onde o isolador é acoplado à linha, para evitar a descarga corona , que resulta em perdas de energia.

Alça isolante em cerca elétrica para vacas .

História

Uma foto recente de uma rota de poste telegráfico de fio aberto com isoladores de porcelana. Quidenham , Norfolk , Reino Unido

Os primeiros sistemas elétricos a fazerem uso de isoladores foram as linhas telegráficas ; A fixação direta de fios em postes de madeira deu resultados muito ruins, especialmente durante o tempo úmido.

Os primeiros isoladores de vidro usados ​​em grandes quantidades tinham um orifício sem rosca. Essas peças de vidro foram posicionadas em um pino de madeira cônico, estendendo-se verticalmente para cima a partir da cruzeta do mastro (normalmente apenas dois isoladores em um mastro e talvez um no topo do próprio mastro). A contração e expansão naturais dos fios amarrados a esses "isoladores sem rosca" resultaram no desprendimento dos isoladores de seus pinos, exigindo um reassentamento manual.

Entre as primeiras a produzir isoladores de cerâmica estavam empresas no Reino Unido, com Stiff e Doulton usando grés de meados da década de 1840, Joseph Bourne (mais tarde renomeado Denby ) produzindo-os por volta de 1860 e Bullers de 1868. A patente de utilidade número 48.906 foi concedida a Louis A. Cauvet em 25 de julho de 1865 para um processo de produção de isoladores com um orifício rosqueado: os isoladores do tipo pino ainda têm orifícios rosqueados.

A invenção dos isoladores do tipo suspensão tornou possível a transmissão de energia de alta tensão. Conforme as tensões da linha de transmissão atingiram e ultrapassaram 60.000 volts, os isoladores necessários se tornaram muito grandes e pesados, com isoladores feitos para uma margem de segurança de 88.000 volts sendo aproximadamente o limite prático para fabricação e instalação. Os isoladores de suspensão, por outro lado, podem ser conectados em strings pelo tempo necessário para a tensão da linha.

Uma grande variedade de isoladores de telefone, telégrafo e energia foram feitos; algumas pessoas os colecionam, tanto por seu interesse histórico quanto pela qualidade estética de muitos designs e acabamentos de isoladores. Uma organização de colecionadores é a US National Insulator Association, que tem mais de 9.000 membros.

Isolamento de antenas

Isolador de tensão em forma de ovo

Freqüentemente, uma antena de rádio de transmissão é construída como um radiador do mastro , o que significa que toda a estrutura do mastro é energizada com alta tensão e deve ser isolada do solo. São utilizadas montagens de esteatito . Eles têm que suportar não apenas a tensão do radiador do mastro ao solo, que pode atingir valores de até 400 kV em algumas antenas, mas também o peso da construção do mastro e as forças dinâmicas. Chifres em arco e pára-raios são necessários porque quedas de raio no mastro são comuns.

Fios de suporte que suportam mastros de antena geralmente têm isoladores de tensão inseridos no cabo, para evitar que as altas tensões na antena causem curto-circuito no aterramento ou criem risco de choque. Freqüentemente, os cabos de sustentação têm vários isoladores, colocados para dividir o cabo em comprimentos que evitam ressonâncias elétricas indesejadas no tipo. Esses isoladores são geralmente cerâmicos e cilíndricos ou em forma de ovo (veja a imagem). Esta construção tem a vantagem de que a cerâmica está sob compressão em vez de tensão, de modo que pode suportar uma carga maior e que, se o isolador quebrar, as pontas do cabo ainda estarão unidas.

Esses isoladores também devem ser equipados com equipamentos de proteção contra sobretensão. Para as dimensões do isolamento do cara, as cargas estáticas nos caras devem ser consideradas. Para mastros altos, eles podem ser muito mais altos do que a tensão causada pelo transmissor, exigindo caras divididos por isoladores em várias seções nos mastros mais altos. Nesse caso, caras que são aterradas nos porões da âncora por meio de uma bobina - ou, se possível, diretamente - são a melhor escolha.

As linhas de alimentação que conectam antenas a equipamentos de rádio, particularmente do tipo condutor duplo , geralmente devem ser mantidas afastadas de estruturas metálicas. Os suportes isolados usados ​​para esse fim são chamados de isoladores de afastamento .

Veja também

Notas

Referências