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  • I

    UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN

    MATEUS DUARTE TEIXEIRA

    AVALIAO DOS MECANISMOS DE DEGRADAO DO FILME DE

    POLIPROPILENO ISOTTICO EMPREGADO EM CAPACITORES DE

    POTNCIA

    CURITIBA,

    2016

  • II

    MATEUS DUARTE TEIXEIRA

    AVALIAO DOS MECANISMOS DE DEGRADAO DO FILME DE

    POLIPROPILENO ISOTTICO EMPREGADO EM CAPACITORES DE

    POTNCIA

    Tese de Doutorado apresentado ao Programa

    Interdisciplinar de Ps-Graduao em Engenharia

    (PIPE), rea de Concentrao em Engenharia e

    Cincias de Materiais, Setor de Tecnologia,

    Universidade Federal do Paran, como requisito

    parcial obteno do ttulo de Doutor em Cincias.

    Orientador: Prof. Dr. Vitoldo Swinka Filho

    Co-Orientador: Dra. Marilda Munaro

    CURITIBA,

    2016

  • III

  • I

  • II

    Dedico este trabalho

    Ana Lcia, Samuel e Bento

  • III

    AGRADECIMENTOS

    minha esposa Ana Lcia e meus filhos Samuel e Bento pela pacincia e

    incentivo, nunca me deixando desanimar.

    Aos meus pais Jos Teixeira e Maria do Rosrio, e meu sogro Ney Azevedo que

    sempre me apoiaram nas horas mais crticas.

    Ao meu orientador Dr. Vitoldo Swinka Filho que sempre esteve presente quando

    necessrio e que me apoiou com o seu conhecimento, bom humor e amizade.

    minha co-orientadora Dra. Marilda Munaro que da mesma forma esteve sempre

    presente, me incentivando com suas cobranas e conhecimentos.

    Ao Dr. Edemir Luis Kowalski que com suas discusses me auxiliou muito nos

    avanos deste trabalho.

    Aos colegas do LabPol e ao aluno Igncio Del Hoyo que sempre me auxiliaram

    na realizao dos ensaios de caracterizao.

    Universidade Federal da Integrao Latino-Americana (UNILA), Atravs dos

    Professores Dr. Marcelo Honnicke e Dr. Rodrigo Basso, pelo uso do equipamento

    de difratometria de raios-X (DRX).

    Aos Institutos Lactec e Companhia Paranaense de Energia Eltrica - COPEL -

    que forneceram as condies e infraestrutura necessrias, atravs do programa

    de P&D (Lei n 9.991, de 24 de julho de 2000).

    Empresa Inepar Capacitores, atravs do Eng. Flvio Garcia, pelo fornecimento

    de filmes de polipropileno e leo isolante, fundamentais para o desenvolvimento

    deste trabalho.

    Ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia e Cincia dos Materiais PIPE -

    pela oportunidade de cursar o Doutorado na rea de Engenharia de Materiais.

    Ao CNPq pelo apoio financeiro atravs da iseno de impostos na compra de

    equipamentos utilizados no desenvolvimento deste trabalho.

    A David Gilmour, Roger Water, Jimmy Page, Robert Plant, Keith Richards, Mick

    Jagger, Geddy Lee, Neil Peart, Ozzy Osbourne, Chris Squire, Ritchie Blackmore

    e tantos outros que me fizeram companhia durante finais de semana e noites a

    frente do computador.

  • IV

    RESUMO

    Capacitores de potncia so amplamente utilizados por concessionrias de

    energia em sistemas eltricos para melhorar a qualidade de energia para seus

    consumidores. No entanto, problemas com instalao fsica, temperatura

    ambiente e distrbios eltricos podem causar alteraes dos materiais alterando

    seu desempenho em campo. Como o filme de polipropileno isottico (iPP) o

    principal material dieltrico de um capacitor, importante conhecer como a

    temperatura e distores harmnicas do campo eltrico aplicado afetam as

    propriedades do mesmo. Para isso, amostras de iPP usadas em capacitores de

    potncia foram submetidas a ensaios de envelhecimento acelerado trmico e

    eltrico em laboratrio durante diferentes perodos de tempo e condies de

    temperatura, atmosfera e campo eltrico. Aps cada perodo de envelhecimento,

    as amostras foram levadas a ensaios de caracterizao ticos, mecnicos,

    trmicos e eltricos, tais como: microscopia tica por transmisso;

    espectroscopia de infravermelho (FTIR), resistncia trao; calorimetria

    diferencial de varredura (DSC), difrao de raios-X (DRX), rigidez dieltrica e

    espectroscopia de impedncia. Os resultados dos ensaios mostraram que a

    elevao da temperatura do filme iPP gera um aumento da cristalinidade devido

    ao aumento na dimenso das esferulitas do material polimrico. Adicionalmente,

    foi verificado que as amostras envelhecidas termicamente em leo apresentam

    maior cristalinidade, devido ao efeito plastificante deste. Tambm foi observado

    que o aumento da componente harmnica do campo eltrico causa tambm

    aumento da cristalinidade e dimenso das esferulitas, mesmo em temperatura

    ambiente. Por fim, foi verificado que amostras com maior grau de cristalinidade

    apresentam maior probabilidade de falha eltrica, fato que est associado ao

    aumento das regies interfaciais entre as fases no interior do material.

    Palavras Chaves: Capacitores, Filme de Polipropileno, Alterao Morfolgica,

    Envelhecimento Trmico, Distoro Harmnica, Ruptura Dieltrica.

  • V

    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 physic-

    chemical 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.

  • VI

    SUMRIO

    1. INTRODUO ................................................................................ 1

    1.1 Objetivos ........................................................................................... 3

    1.2 Estrutura da tese ............................................................................... 3

    1.3 Motivao e contribuio .................................................................. 4

    1.4 Publicaes resultantes .................................................................... 5

    1.5 Transferncias tecnolgicas ............................................................. 5

    2 REVISO BIBLIOGRFICA .......................................................... 6

    2.1 Capacitores de potncia ................................................................... 6

    2.2 Distores harmnicas e as implicaes para capacitores de

    potncia ................................................................................................... 11

    2.3 Caractersticas do polipropileno (PP) ............................................. 16

    2.3.1 Sntese e aplicaes ................................................................ 16

    2.3.2 Estrutura cristalina do polipropileno Isottico ........................... 18

    2.3.3 Propriedades fsico-qumicas do polipropileno ......................... 24

    A. Propriedades trmicas ..................................................................... 24 B. Propriedades mecnicas .................................................................. 25 C. Propriedades eltricas ...................................................................... 27

    2.3.4 Degradao do polipropileno.................................................... 28

    2.4 Conduo eltrica em materiais polimricos .................................. 29

    2.5 Mecanismos de ruptura dieltrica dos polmeros ........................... 31

    2.5.1 Ruptura eltrica ........................................................................ 32

    2.5.2 Ruptura eletromecnica ........................................................... 37

    2.5.3 Ruptura trmica ........................................................................ 39

    2.6 Influncia da morfologia na ruptura dieltrica de polmeros ........... 40

    2.6.1 Influncia da cristalinidade ....................................................... 41

    2.6.2 O efeito das interfaces .............................................................. 42

    2.6.3 Influncia das impurezas ...........................................