1) O documento descreve as partes principais de um transformador e conceitos sobre isolantes elétricos. 2) As camadas eletrônicas dos átomos são descritas, com as camadas externas sendo mais propensas a perder elétrons. 3) Diferentes tipos de corrente podem ocorrer em isolantes sob tensão contínua, incluindo corrente de absorção e corrente de dispersão.

1. Módulo I
Transformadores
Prof. A. J. C. Pitta 16

2. Apresentação das partes componentes de um transformador e ensaio da
medição da resistência de isolamento
1.0 – Partes componentes de um transformador objetivo mostrar ao aluno todos os acessórios
Antes do iniciar-se os ensaios em que compõem um transformador. A figura 1, a
transformadores será realizado uma breve seguir mostra os aspectos principais de um
apresentação das partes componentes deste transformador em corte, mostrando suas
equipamento. Este procedimento tem por principais partes componentes[1].
Figura 1 – Transformador em corte.
Prof. A. J. C. Pitta 17

3. Seguindo a numeração da figura 1 além de ficarem girando em torno do
pode-se identificar as partes: núcleo, são distribuídos em camadas
(orbitais). Como resultado tem-se um
1 Bucha de tensão superior
equilíbrio entre a força de atração exercida
1.1 Terminal de tensão superior
pelo núcleo e a força centrífuga resultante
2 Tampa
3 Abertura para inspeção do movimento.
4 Guarnição
5 Comutador
6 Armadura Força centrífuga -
7 Núcleo
8 Bobinas
Força devido a
8.1 – Bobinas de tensão inferior atração do núcleo
8.2 – Bobinas de tensão superior +
9 Tanque
9.1 – Olhal de suspensão
9.2 – Radiador
9.3 – Suporte para fixação
10 Bucha de tensão inferior
10.1 – Terminal de tensão inferior
11 Placa de identificação
(A)
12 Dispositivo de aterramento.
-
-
2.0 – Considerações teóricas sobre
isolantes e medição da resistência de Força externa
isolamento.
+
2.1 – Teoria eletrônica dos elementos
e substâncias químicas
Sabe-se que os elementos químicos são
constituídos basicamente de três partículas
atômicas: elétrons, prótons e neutrons. E
(B)
que a corrente elétrica é o resultado do
Figura 1 – Estrutura atômica: (A) átomo em
fluxo de elétrons que abandonam os seus
equilíbrio; (B) átomo eletrizado.
átomos. Para que os elétrons sejam
Para que um elétron seja retirado de
retirados de seus átomos existem os
sua órbita é necessário que seja cedida energia
métodos denominados por eletrização.
ao elétron, a figura 1B ilustra a situação.
Os átomos possuem um modelo básico
Existem várias maneiras de fornecer energia:
conforme mostrado na figura 1A. Verifica-
se que na estrutura atômica os elétrons
18

4. atrito, reação química, calor, pressão
magnetismo e luz. Camada dos
elétrons
Outro aspecto a ser observado, diz -
respeito a distribuição de elétrons. Assim uma
regra prática na atomística; quanto mais -
+
elétrons possui o átomo um maior número de +
+
+
+
+
camadas ele possuirá.
Trajetória dos
elétrons
-
2.2 – Camadas de elétrons
As camadas de elétrons, distribuem-se
concentricamente em torno do núcleo dos Figura 2 – Representação dos elétrons em seus
átomos. Este fato, intuitivamente permite orbitais e camadas.
que se verifique outra regra prática: quanto
mais próximas do núcleo estiverem as A regra básica para preenchimento das
camadas, mais forte será a atração positiva camadas é: a primeira camada não pode
do núcleo sobre os elétrons. Assim sendo possuir mais que 2 (dois) elétrons; a
torna-se mais difícil a liberação daqueles Segunda camada não pode possuir mais do
elétrons. Seguindo a regra, conclui-se que que 8(oito); a terceira, não mais do que
os elétrons mais afastados são mais fáceis 18(dezoito); a Quarta 32(trinta e dois) e
de serem retirados dos deus orbitais, ou seja assim sucessivamente até a sétima camada.
são mais facilmente liberados. A tabela 1, ilustra a distribuição eletrônica
Da atomística, sabe-se que os átomos de alguns elementos químicos, nas suas
possuem até sete camadas, e ainda que respectivas camadas, conforme se
elétrons pertencentes à mesma camada não encontram na tabela periódica dos
possuem a mesma trajetória, conforme elementos químicos.
mostrado na figura 2. Outro aspecto Observando-se a distribuição eletrônica
também a ser considerado é referente ao em uma tabela periódica verifica-se que
número de elétrons existentes em cada uma seguem a uma regra de distribuição pelas
das camadas, que segue uma regra de camadas eletrônicas. A regra estabelece que
distribuição, portanto cada camada possui as camadas mais externas não possuam
um certo número de elétrons. Considerando mais que 2(dois) ou 8(oito) elétrons. Ou
o aspecto energético é fácil perceber que os seja de acordo com a atomística o átomo só
elétrons localizados nas camadas mais consegue sua estabilidade química, se esta
externas possuem maior quantidade de regra for observada. Este fato pode ser
energia. observado na tabela 1. Assim só é possível
19

5. iniciar-se uma nova camada caso a anterior uma tabela com todos os elementos
já possua os oito elétrons necessários à sua químicos.
estabilidade. Anexo a este ensaio tem-se
Número Elemento Elétrons por camada
atômico
Nome Símbolo 1 2 3 4 5 6 7
1 Hidrogênio H 1
2 Hélio He 2
3 Lítio Li 2 1
4 Berílio Be 2 2
5 Boro B 2 3
8 Oxigênio O 2 6
10 Neônio Ne 2 8
19 Potássio K 2 8 8 1
25 Manganês Mn 2 8 13 2
29 Cobre Cu 2 8 18 1
36 Criptônio Kr 2 8 18 8
87 Frâncio Fr 2 8 18 32 18 8 1
Tabela 1 – Distribuição eletrônica nos elementos químicos.
2.3 – A camada de valência Estabelecido que os elétrons de
Todos os elétrons possuem o mesmo valência podem ser removidos de átomo,
valor de carga elétrica, mas nem todos uma quantidade suficientemente grande
encontram-se no mesmo nível energético. destas partículas são as responsáveis pela
Ou seja os elétrons mais próximos ao corrente elétrica produzida pela
núcleo possuem menor valor energético em eletricidade. Por outro lado é necessário
relação àqueles mais afastados, conforme estabelecer-se certas regras no que se refere
regra já estabelecida. as quantidades de elétrons da última
Seguindo esta linha de pensamento, camada. Ou seja fica claro que se apenas
pode-se dizer que se um elétron receber um elétron for retirado, não é necessário
energia suficiente ele poderá ser deslocado grande quantidade de energia se comparado
de sua órbita, ou mesmo ser retirado do com um átomo que possua dois ou mais
átomo. No caso o elétron em questão é elétrons na última camada. Em outras
sempre o de valência. palavras pode-se dizer que quanto maior o
20

6. número de elétrons na última camada maior condição é a resistência específica (ρ) dos
quantidade de energia será necessária para materiais. O cobre que é um bom condutor,
retirar-se os elétrons. Este fato pode ser apresenta uma resistividade específica da
ilustrado pela figura 3. ordem de 1,7 10-6 [Ω][cm], enquanto a dos
materiais isolantes é da ordem de 1015
-
- [Ω][cm].
- -
+ -
- +
+
+
+ -
- +
- -
- -
Energia
Energia distribuída entre - +
os elétrons
(a)
Energia distribuída entre
os elétrons
Condução iônica
- -
-
- - (a)
+ -
- +
+
+
+ - -
- +
- -
-
-
Energia - +
(b)
Figura 3 – Elétrons recebendo energia externa.
(a) Energia distribuída entre dois elétrons;
Condução elétrica
(b) Energia distribuída entre quatro elétrons. bipolar
(b)
3.0 – Teste de isolação[2] Figura 4 – Condução de íons e moléculas
Foi mostrado que a propriedade de polares em um isolante.
condutibilidade dos materiais depende da (a) Os íons favorecem a condução de
disponibilidade de um grande número de corrente nos isolantes
elétrons na banda de condução. A aplicação de (b) As moléculas bipolares giram sob a
um campo elétrico resultante de uma diferença influência do campo elétrico.
de potencial resulta em um fluxo de elétrons, Os materiais isolantes são constituídos de
orientado segundo a polaridade do campo matérias orgânicas, que contém impurezas,
elétrico aplicado. que podem ser ionizáveis, e estes íons
Os materiais isolantes têm um número conduzem corrente elétrica, vide figura 4(a).
muito reduzido de elétrons livres na banda de
condução. Uma grandeza que revela esta
21

7. +
Nos materiais isolantes existem também
moléculas polarizadas, cujos os átomos têm
uma afinidade polar. Uma parte das moléculas
polarizadas tem carga positiva e as outras
negativas. Por influência de um campo elétrico
as moléculas polares giram orientando-se no
material. Este fenômeno está ilustrado na
figura 4(b).
A molécula de celulose, substância que
compõe grande parte da isolação dos
-
transformadores e máquinas girantes, possui Comportamento do material
grupos funcionais bipolares do tipo oxidrila isolante sem água
(OH-), que lhe confere a qualidade de bom (a)
isolante quando seca.
+
A penetração de água no isolante, resulta
na dissociação de suas impurezas ionizáveis
dando origem a íons, que criam uma condição
favorável para a passagem de corrente elétrica,
em outras palavras há um aumento na sua
condutividade.
No entanto, as isolações elétricas dos
transformadores não são homogêneas por
serem formados de materiais com diferentes
características dielétricas. Que se sobrepõem
-
em camadas e, em cujas interfaces podem Comportamento do material
localizar moléculas ionizáveis. isolante com a presença de água
Com o umedecimento da massa isolante, (b)
essas moléculas se dissociam formando íons, Figura 5 – Comportamento do material
que se orientam e se deslocam na direção do isolante.
campo elétrico. Este fenômeno é conhecido (a) Sem a presença de água;
como absorção dielétrica. A figura 5 ilustra (b) Com a presença de água.
esta situação.
Simplificadamente pode-se representar um
dielétrico conforme o modelo elétrico da
figura 6 a seguir.
22

8. quando em operação. Uma corrente de
dispersão constante, com tensão DC
R1 constante no tempo, aplicada ao
isolante, revela que a isolação tem
capacidade para resistí-la. Por outro
lado se a corrente aumentar com o
R2 C tempo de aplicação da tensão, é
provável que a isolação venha a falhar.
Figura 6 – Modelo de material isolante.
¸ A corrente de absorção. Esta
R1 – Resistência elétrica devido à corrente de
corrente está relacionada
fuga;
principalmente com o fenômeno da
R2 – Resistência elétrica representando as
polarização nas interfaces do dielétrico.
perdas por absorção;
No início da aplicação da
C – Capacitância do dielétrico.
tensão, seu valor é mais elevado e
decresce com o tempo de aplicação da
tensão.
3.1 – Comportamento do material
O fenômeno do reaparecimento
isolante com a aplicação de
da tensão nos terminais de um
corrente contínua
capacitor após a remoção do curto
circuito para descarregá-lo é atribuída
Quando se aplica corrente contínua
ao fenômeno da absorção dielétrica.
a um dielétrico, como o representado
Por esse motivo o isolante sob teste
na figura 6, a corrente estabelece por
deve permanecer curto-circuitado por
três componentes.
tempo suficiente para poder haver o
¶ A corrente de carregamento do
desaparecimento completo da tensão.
capacitor, que decresce rapidamente,
atingindo valores próximos de zero,
3.2 – Testes da isolação
quando o capacitor está carregado.
Método 1 – Avaliação pela aplicação
de corrente contínua
· A corrente de dispersão, que
Este método consiste em
passa pela superfície e pelo interior da
aplicar-se tensão contínua constante no
massa do dielétrico. Esta corrente
valor adequado, através de um
possui características que podem
instrumento denominado megger, e
indicar o comportamento do isolante
fazer leituras aos 15, 30, 45 e 60
23

9. segundos e, em seguida, a cada minuto Para a correção dos valores de
até completar-se 10 minutos. resistências de isolamento, recorre-se a
Com os resultados plota-se a fórmula:
curva no papel log-log, semelhante à
curva ilustrada na figura 7.
RI ( 70o ) = RI ( θ ) (0,5) a
3
10
A Onde:
2
10
B
1
70 o C − θ
a−
10
C
10
4
1/4 1/2 3/4 1 2 3 7
Figura 7 – Exemplo do comportamento da θ = temperatura de ensaio.
absorção dielétrica da isolação em um
transformador. A avaliação das condições da isolação
Curva A – TS para TI; pelo índice de polarização recai nas faixas
Curva B – TS para Terra de valores indicados na tabela 2 abaixo.
Curva C – TI para terra.
Condições da Índice de
Uma isolação em boas condições dará isolação polarização
valores que aumentam progressivamente. Perigosa Menor que 1
Uma isolação em condições satisfatórias Pobre De 1,0 a 1,1
dará valores pouco variáveis. Questionável De 1,1 a 1,25
Satisfatória De 1,25 a 2,0
Índice de polarização Boa Acima de 2,0
O índice de polarização (IP) é
calculado dividindo-se o valor da Método 2 – Avaliação pela aplicação
resistência de isolamento (RI) medida aos de duas tensões em corrente contínua
10 minutos por seu respectivo valor a 1 Este método consiste em se
minuto, corrigidos para a temperatura de aplicar duas tensões contínuas, na
o
70 C, conforme indica a ABNT. relação 1 para 5, por exemplo 500 [V]
e 2500 [V], durante 1 minuto cada
RI(10min) uma.
IP =
RI(1min) Uma diminuição no valor da
resistência de isolamento de 25% com
24

10. a tensão mais elevada em relação à Anotar os detalhes que julgar
mais baixa é, em geral, devido a necessário:
presença de umidade na isolação. A
relação entre as duas resistências é
conhecido como índice de absorção
(IA). Os valores adequados do IA são
dados por:
RI(500[V])
IA = 〈1,25
RI(2500[V])
Este fenômeno, é atribuído ao 2o Passo: efetuar um jumper nos
fato de a água Ter polaridade positiva e conectores das tr6es buchas de TS.
ser atraída para as áreas com elevado Proceda da mesma forma para os
potencial negativo. conectores das buchas de TI.
Durante o teste o borne negativo do O método de medição a ser utilizado
megger é ligado ao condutor de cobre e será o método da tensão contínua.
o positivo à terra. Portanto a água será Conecte uma das pontas do
atraída para a área do condutor de instrumento de medição aos conectores
cobre, havendo diminuição na das buchas de TS. A outra ponta será
resistência de isolamento. O ligada aos conectores de da bucha de TI.
fen6omeno é conhecido como Inicie as medições não esquecendo de
eletroendosmose ou efeito Evershed. efetuar as leituras nos instantes indicados
Com pouca ou nenhuma umidade na na tabela I abaixo.
isolação, os valores das duas leituras
serão praticamente iguais. Atenção: ao final da medição não toque
nos terminais da bucha, pois o fato do
4.0 – Procedimentos para o ensaio megger estar desligado não significa
1o Passo: faça uma análise do instrumento ausência de tensão. Siga rigorosamente
utilizado na medição (megger), anotando o próximo passo.
as dúvidas referentes ao seu
funcionamento e utilização. Solicite ao
professor ou ao técnico de laboratório que
esclareça as suas dúvidas.
25

11. Tempo
15s 30s 45s 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m
Resistên RI(T ambiente)
RI(70oC)
cia
Tabela I – Resistência de isolamento TS/TI.
Faça agora as conexões para medir a
3o Passo: antes de desfazer as ligações, resistência de isolamento entre a TS e a
aguarde alguns instantes até que as cargas massa do transformador. Novamente faça as
acumuladas durante o processo de leituras conforme indicado na tabela II
medição sejam descarregadas. Isto abaixo.
ocorrerá através do cabo guarda do
instrumento.
Tempo
15s 30s 45s 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m
Resistên RI(T ambiente)
RI(70oC)
cia
Tabela I – Resistência de isolamento TS/Terra.
para a medição da resistência entre os
4o Passo: antes de continuar aguarde que enrolamentos de TI e a massa. Preencha a
as cargas acumuladas sejam tabela III.
descarregadas. Siga as mesmas instruções
Tempo
15s 30s 45s 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m
Resistên RI(T ambiente)
RI(70oC)
cia
Tabela I – Resistência de isolamento TI/Terra.
26

12. 5o Passo: aplicando-se o método das duas tensões, aproveitando as conexões do último passo,
efetue a seleção da tensão de 100 [V], no instrumento e faça a leitura da resistência RI(100[V]),
após 1 minuto. Anote o resultado:
RI(100) = ......................[MΩ]
Selecione no megger a tensão de 500 [V] meça a resistência de isolamento referente a estas
tensões durante 1 minuto. Anote o resultado:
RI(500) = .............................[MΩ]
5.0 – Guia para análise
1 – Referir as medidas efetuadas para a temperatura de 70oC, utilizando a devida equação.
2 – Plotar em papel log-log as curvas referentes às tabelas I, II e III.
3 – Calcule os índices de polarização (IP) para os três casos.
4 – Calcule o índice de absorção (IA) para as medidas obtidas pelo método das duas tensões.
5 – Elaborar relatório referente ao ensaio.
Referências bibliográficas
[1] Mileaf, H., - Eletricidade – Ed. Martins Fontes, 1a ed., São Paulo, 1982.
[2] Milasch, M., - Manutenção de transformadores em líquido isolante – Editora Edgard Blücher
Ltda, 1984, São Paulo.
[3] Veri, L.A., - Técnicas que podem reduzir as queimas de motores elétricos. – Revista
Eletricidade Moderna – pg. 66 a 77, fev. 96, ed. Aranda, São Paulo.
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