Desenvolvimento e avaliação de sensor termosensível para detecção de aquecimento de conectores elétricos

Orientadora: Profª. Drª. Marilda MunaroCo-orientador: Prof. Dr. Vitoldo Swinka FilhoDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa: Curitiba, 24/03/2014Inclui referênciasÁrea de concentração: Engenharia e ciência de materiaisResumo:Quando os conectores elétricos utilizados nas redes de transmissão e distribuição apresentam falhas, acarretam interrupções no fornecimento de energia. Uma vez que não é possível determinar a taxa de degradação das conexões com precisão, torna-se difícil programar manutenções preventivas. Devido à grande maioria das falhas em conexões ser precedida de fenômenos térmicos, estudou-se materiais com propriedades termocrômicas e materiais com transições de fase na temperatura indicativa de falhas em conexões. Esse estudo teve como objetivo desenvolver um dispositivo sinalizador de sobreaquecimento que indica quando a conexão elétrica precisa ser substituída. Dentre os materiais termocrômicos caracterizados e avaliados quanto à resposta ao aquecimento e à fotodegradação estão as fitas termoindicadoras, as tintas termocrômicas irreversíveis e os pigmentos termocrômicos reversíveis. Tais materiais apresentaram, em geral, uma boa correlação de transição de cor na temperatura indicada pelo fabricante. Porém, em alguns casos, exibiram descolorações ou alterações de cor ao serem submetidos a temperaturas mais elevadas (próximas a 100ºC). Além disso, ao serem expostos à radiações ultravioleta (UV) apresentaram sinais de degradação de cor e não sendo, portanto, aplicáveis a ambientes externos pois perdem sua funcionalidade. Diante disso desenvolveu-se um sensor com base na temperatura de transições de fase de materiais, como a cera de polietileno e a parafina. Esses sensores mostraram-se eficientes quanto à sinalização de aquecimento à sua temperatura de fusão. A cera de polietileno foi avaliada quanto à fotodegradação quando adicionados pigmentos e aditivos (antioxidante e fotoestabilizante). Em geral, as composições não apresentaram alterações significativas da morfologia, estrutura, propriedades térmicas e coloração com a exposição à radiações UV. Estes materiais podem ser aplicados na confecção do sensor desenvolvido neste trabalho. A fim de obter sensores para temperaturas intermediárias, estudou-se composições de cera de polietileno e parafina. Observou-se que as composições contendo frações acima de 50% de cera de polietileno apresentaram maior miscibilidade, indicando efeitos de co-cristalização. Além disso, as temperaturas de amolecimento não apresentaram um aumento linearmente proporcional à composição devido à interações entre os componentes. Por fim, estudou-se o efeito da fotodegradação do filme de policarbonato, que possui a função de proteger o sensor desenvolvido. Com o envelhecimento acelerado em câmara de intemperismo artificial houve um aumento aceitável da opacidade. As medidas de cor não exibiram alterações significativas em até 1000 horas de envelhecimento. Palavras-chave: Conexão elétrica. Sensor de temperatura. Materiais termocrômicos. Ceras.Abstract: When a failure occurs in electrical connectors used in transmission and distribution networks, it causes interruptions in electric power supply. Since it is not possible to accurately determine the rate of degradation of these connections, it becomes difficult to schedule preventive maintenance. Because the vast majority of failures in connections is preceded by thermal phenomena, both materials with thermochromic properties and materials with phase transitions in the indicative temperature of failed connections were studied to develop a device that indicates when it needs to be replaced. Among the thermochromic materials characterized and evaluated for their response to heating and photodegradation are the thermal indicators tapes, irreversible thermochromic inks and reversible thermochromic pigments. Generally, such materials show a good correlation of the color transition with the temperature indicated by the manufacturer. However, when some of them were exposed to higher temperatures (approaching 100ºC), they exhibited discoloration or color changes. Furthermore, when exposed to ultraviolet (UV) radiation, they showed signs of color degradation and, being therefore not applicable to outdoor environments, losing their function as indicators. It was sought to develop a sensor based on the temperature of material phase transitions, such as polyethylene wax and paraffin. These sensors were effective as indicators of heating up to their melting temperature. The polyethylene wax was evaluated to photodegradation when adding pigments and additives (antioxidant and photostabilizant). In general, the compositions did not show significant changes in morphology, structure, thermal properties and coloration with exposure to UV radiation. This material may be applied in the production of the sensor developed in this work. Compositions of polyethylene wax and paraffin were studied to obtain sensors operating at intermediate temperatures. It was observed that compositions containing fractions above 50% of polyethylene wax had higher miscibility, indicating co-crystallization effects. Furthermore, the softening temperature do not increase linearly proporcional to the composition, because of the interactions between the components. Finally, the effect of photodegradation of the polycarbonate film was studied, which has the function of protecting the developed sensor. With accelerated aging in artificial weathering chamber, it was observed an acceptable increase in opacity. The color measurements showed no significant change up to 1000 hours of aging. Keywords: Electrical connection. Temperature sensor. Thermochromic materials. Waxes