01-Guia Distrib Tensao

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Laboratório de Materiais Elétricos 
 
 
 
 
 
 
 
 
Estudo da Distribuição de Tensão em Cadeias 
de Isoladores 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA 
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA 
LABORATÓRIO DE ALTA TENSÃO 
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Laboratório de Materiais Elétricos 
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ESTUDO DA DISTRIBUIÇÃO DE TENSÃO EM 
CADEIAS DE ISOLADORES 
1. OBJETIVOS 
* Estudar a utilização de isoladores como um componente elétrico em uso nas linhas de 
transmissão; 
* Verificar a distribuição de tensão e o efeito de capacitâncias parasitas em uma cadeia 
de isoladores. 
2. MATERIAL UTILIZADO 
* Kit de alta tensão contendo 
* Mesa de controle de Tensão; 
* Transformador (0-220/ 100kV - 5 kVA); 
* Divisor de tensão capacitivo; 
* Seis isoladores tipo disco de vidro; 
* um espinterômetro; 
* Cabos; 
* Um braço de Torre (Modelo); 
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
3.1 INTRODUÇÃO 
Os isoladores são utilizados tanto para isolar os condutores da terra como para 
suportar ou fixar condutores nas linhas de transmissão. Logo, torna-se necessário que os 
isoladores individualmente ou na forma de cadeias apresentem, além de isolamento, 
resistência mecânica suficiente para suportar os esforços provenientes do levantamento do 
cabo, peso do cabo, temperatura, ação do vento, e o peso dos outros isoladores na cadeia. O 
uso de cadeias de isoladores nas linhas de transmissão também reduz a vibração mecânica 
transmitida à torre. 
Os isoladores devem resistir tanto às solicitações elétricas quanto mecânicas. 
As solicitações de natureza elétrica são: 
 
a) tensão de operação e sobretensões em freqüência industrial; 
b) sobretensões de origem atmosférica, cujas intensidades podem ser muito 
elevadas e variadas; 
c) surtos de sobretensão de manobra que podem atingir níveis bem superiores à 
tensão de serviço entre fase e terra. 
 
A determinação do número de isoladores de uma cadeia é baseada nos valores 
das sobretensões previstas a classe de tensão e a configuração do sistema elétrico. 
A falha em um isolador pode ocorrer tanto no interior do material (perfuração) 
como pelo ar que o envolve (descarga externa). Assim, um isolador deve ter formato 
adequado para garantir o isolamento a ele imposto, nas condições mais adversas. Como 
também, seu projeto deve ser feito de forma a assegurar uma distribuição de potencial a mais 
uniforme possível. 
Além dos requisitos acima, o isolador deve ser projetado para minimizar a 
produção indesejável de radiointerferência. A radiointerferência nos isoladores pode ser 
provocada pelo efeito corona, pela ação das bandas secas e descargas parciais. As intempéries 
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e a poluição intensificam os efeitos causadores da radiointerferência. Descargas de altas 
freqüências são produzidas, irradiando energia de maneira semelhante a um radiotransmissor. 
É um problema que deve ser minimizado pela própria configuração (formato) e pelo 
acabamento superficial dos isoladores. 
Quanto aos materiais, os isoladores podem ser de porcelana vitrificada, vidro 
temperado ou fabricados à base de resinas sintéticas, também chamados de isoladores 
poliméricos. 
 
 Porcelana Vitrificada: a porcelana é um material extremamente resistente ao ataque de 
produtos químicos, ácidos ou alcalinos, diluídos ou concentrados, razão pela qual seu 
desempenho não é afetado pelas condições climáticas. Suas características originais se 
mantém indefinidamente. Para que se obtenha esse desempenho, tirando-se o máximo 
proveito das características excepcionais da porcelana, é preciso que, tanto no projeto do 
isolador como no seu uso, não sejam aplicadas solicitações elétricas, ou mecânicas, além dos 
valores permissíveis. Como o dielétrico de porcelana oferece uma superfície bastante áspera, 
suscetível de aderir poeira, toda a área externa é coberta com uma camada de vidro, cuja única 
função é a de tornar lisa e impermeável a superfície exposta. Assim, facilita-se o processo de 
limpeza pela chuva, ou pela manutenção preventiva. A sujeira depositada sobre a superfície 
do isolador, aumenta o nível de corrente de fuga e reduz a tensão de descarga externa, causa 
também problemas, em decorrência da distribuição irregular do potencial sobre isoladores, 
montados em cadeia, e mesmo entre diversos pontos do mesmo isolador. A porcelana é 
mecanicamente resistente, menos afetada pela temperatura e tem mínimos problemas de 
descargas. 
 
 Vidro Temperado: é o resultado de uma solidificação progressiva, sem traços de 
cristalização, de uma mistura homogênea de vários óxidos fundidos. Sua composição especial 
atende às elevadas exigências de isolação das linhas. Por sua vez a têmpera confere grande 
resistência mecânica ao dielétrico, superior à de outros materiais isolantes. A homogeneidade 
e a transparência tornam extremamente simples o controle de qualidade e a sua inspeção, 
tanto no recebimento quanto na manutenção. 
A têmpera do vidro consiste em um aquecimento a uma temperatura 
ligeiramente inferior à do ponto de amolecimento, seguido de um resfriamento brusco por 
meio de jatos de ar, com duração controlada. No resfriamento, o vidro sofre contração rápida 
nas camadas externas. No resfriamento final, as tensões mecânicas se equilibram ao longo da 
espessura do isolador, de tal forma que nas camadas externas ficam tensões permanentes de 
compressão e nas camadas internas tensões de tração. 
A fim de se obter um vidro com as propriedades exigidas aos isoladores 
elétricos, diversos produtos foram incorporados à mistura, em pequena proporção, para 
aumentar a rigidez dielétrica. 
O fator de dissipação (tangente de perdas) baixo dos isoladores de vidro é 
outra característica importante. Sua rigidez dielétrica é extremamente alta em comparação 
com outros materiais isolantes, Tabela 1. 
 
3. Poliméricos : Os isoladores poliméricos apresentam muitas vantagens sobre 
os demais: peso reduzido, resistência ao vandalismo, maior durabilidade, excelente 
desempenho sob poluição e resistência a choques mecânicos. São constituídos por três 
elementos principais: 
* núcleo de fibras de vidro: sua função é suportar os esforços 
mecânicos provenientes do condutor, conservando ao mesmo tempo perfeitas características 
elétricas. 
* revestimento de borracha: Os isoladores poliméricos possuem 
um revestimento de um composto especial de borracha, que protege o núcleo de fibras de 
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vidro dos agentes externos (umidade, contaminadores químicos, etc.), assegurando a 
estanqueidade do conjunto e dando ao isolador as distâncias elétricas necessárias para um 
bom desempenho nas condições normais de operação. É ainda capaz de suportar efetivamente 
os efeitos causados pelo sol, ozônio e pela poluição. 
* ferragens terminais: são os componentes metálicos do isolador. 
Sua função é transmitir ao núcleo os esforços mecânicos do condutor, fazendo as interligações 
condutor/isolador e isolador/estrutura. 
 
 
Material 
ConstanteDielétrica 
Relativa (60 Hz) 
Fator de Dissipação % 
(1MHz) 
Rigidez 
Dielétrica 
kV/cm 
Ar 1 - 22,8 
Vidro 4-7 0,50 1.350-2.000 
Porcelana 5-6,5 0,60 300-400 
Poliestireno 2,5 0,02 760 
Esteatita 6,5 0,20 300 
Tabela 1 
 
Quanto a forma, os isoladores podem ser classificados em três tipos principais: 
 
1. Isoladores de Pino: São fixados à estrutura através de um pino de aço. São 
empregados em linhas até 69 kV e com condutores relativamente leves. Os isoladores de pino 
são “peças inteiras”. Isso implica que qualquer vibração ocorrida no cabo é quase que 
totalmente transmitida à torre ou ao poste. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 : Esquema ilustrando isoladores Tipo Pino 
 
2. Isoladores de Suspensão: Constituem-se no tipo de isolador de maior 
importância para as linhas de transmissão. Pode ser usado uma única peça ou mais (formando 
as cadeias de isoladores). Os isoladores de suspensão tem, entre outras vantagens: 
* a manutenção é mais econômica por não se precisar trocar toda a 
Isolador 
Tipo Pino 
Condutor 
Isolador Tipo Pino 
Poste 
Cruzeta
Torre 
Condutor 
Mão Francesa 
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cadeia, mas o disco com defeito; 
* absorve a maior parte das vibrações mecânicas dos cabos; 
* para aumentar seu poder de isolação, basta aumentar o número de 
discos e não trocar a cadeia inteira. 
* podem suportar grandes esforços de tração. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(a) 
 
 
 
(b) 
 
Figura 2 : (a) Cadeia de Isoladores, (b) isolador tipo disco 
 
3. Isoladores Tipo Pedestal (Post Line): sua principal vantagem é a de além de 
isolar, servir de suporte mecânico fixo, afastando o condutor do terra, Figura 3, barateando o 
custo do projeto e a complexidade do mesmo. Sua atuação é comparável aos isoladores de 
cadeia. 
Os isoladores devem ser duráveis, reduzindo o número de reposições, pois a 
troca é bastante onerosa para as companhias. 
 
Dielétrico 
Argamassa 
Campânula 
Pino 
Braço de 
Torre ou 
Míssula 
Cadeia de 
Isoladores 
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Figura 3 : Isolador Tipo Pilar. 
3.2 ESCOLHA DE ISOLADORES PARA EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS E PARA 
LINHAS AÉREAS DE TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 
Para se escolher isoladores adequados, às funções que deverão desempenhar, é 
necessário considerar uma série de fatores inerentes ao projeto da instalação e às condições 
ambientais do local. 
3.2.1 ASPECTOS ELÉTRICOS 
Em primeiro lugar, deve-se escolher isoladores com nível de isolamento 
adequado à máxima tensão de operação do sistema (mcov). A mcov é função da tensão de rede 
e do sistema de aterramento. Todos os catálogos de isoladores, quando indicam uma tensão 
nominal para um isolador sempre se referem à tensão de rede trifásica em estrela com neutro 
aterrado solidamente. Por exemplo: isolador para 15kV é para ser usado em linha trifásica 
com neutro aterrado e com tensão máxima de operação 8,7kV. 
Normalmente os catálogos também se referem ao isolamento em condições 
favoráveis, isto é, em altitudes máximas de 1000 ou 1500 m acima do nível do mar, em 
ambientes pouco poluídos. Por isso o projetista da linha de transmissão deverá estar 
capacitado a estabelecer seus próprios critérios em função das condições peculiares que terá 
que enfrentar. Para evitar que os critérios sejam heterogêneos ou colidentes, as associações de 
normas técnicas estabeleceram valores básicos mínimos que deverão ser seguidos, sempre que 
possível. O aspecto econômico das instalações também deverá ser observado, o projetista 
deverá se ater, quando recomendável, aos tipos de produtos e valores normalizados. 
Os dados elétricos importantes, que caracterizam os isoladores devem ser 
fornecidos pelo fabricante. Normalmente se encontram nos catálogos os valores das seguintes 
características elétricas: 
* Tensão suportável em freqüência industrial, a seco; 
* Tensão suportável em freqüência industrial, sob chuva; 
* Tensão disruptiva sob impulso (positivo ou negativo com relação à 
terra); 
* Distância de escoamento superficial; 
 Tensão de perfuração; 
 Tensão de radiointerferência e de corona e 
* Confiabilidade em níveis de poluição. 
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3.2.2 ASPECTOS MECÂNICOS 
Os isoladores para redes aéreas e para equipamentos são geralmente sujeitos a 
esforços mecânicos de diversas naturezas. Esforços constantes em tração, flexão, torção ou 
compressão, esforços combinados de dois ou mais tipos simultâneos e cargas temporárias ou 
transitórias. O isolador para resistir permanentemente aos esforços precisa ser projetado para 
atender a pior combinação de esforços, inclusive os transitórios. A acumulação de esforços 
transitórios pode causar a degradação progressiva das características mecânicas e em certos 
casos até elétricas. Assim, é conveniente observar e evitar balanços de cabos e estruturas e 
mesmo vibrações que podem causar distúrbios elétricos de amplitudes bastante elevadas. 
As características físicas e mecânicas importantes que devem ser fornecidos 
pelo fabricante são: 
 
* resistência eletromecânica; 
* carga máxima de trabalho; 
* resistência ao impacto e 
* resistência aos choques térmicos. 
3.3 DISTRIBUIÇÃO DE TENSÃO EM CADEIAS DE ISOLADORES 
A distribuição de tensão ao longo da cadeia de isoladores, objeto do estudo, 
apresenta-se de forma não uniforme, embora os isoladores sejam teoricamente iguais. A não 
uniformidade é decorrente da presença de capacitâncias parasitas. Uma cadeia de isoladores 
pode ser representada por um circuito composto de várias capacitâncias, como mostra a 
Figura 4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4 - Circuito equivalente de capacitâncias de uma cadeia de isoladores. 
 
A Figura 4 mostra que a capacitância própria de cada isolador da cadeia é 
representada por K, a capacitância parcial para a terra por C (capacitância entre as partes 
metálicas dos elementos de união e a terra) e a capacitância parcial para o condutor por C*. 
Todas as capacitâncias para a terra foram consideradas iguais, pois as distâncias dos 
elementos àqueles aterrados da vizinhança são praticamente iguais. Por simplicidade, as 
capacitâncias C* também foram consideradas iguais. 
Existe outra explicação, um pouco mais simples, porém de cunho teórico para a 
distribuição de tensão não uniforme. 
Suponha dois planos infinitos cujas placas estão carregadas com densidade de 
carga uniforme + e -, respectivamente. As configurações das linhas de campo e das 
equipotênciais estão mostradas na Figura 5.a. Como pode ser visto o campo elétrico é 
uniforme entre os planos, portanto a distribuição de potencial é uniforme porque as linhas 
equipotenciais são eqüidistantes 
K 
K 
K 
K 
K 
K 
C*
K 
C*
K 
C*
K 
C*
K 
C*
K 
C 
C 
C 
C 
C 
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Suponha agora, dois planos finitos como mostrado na Figura 5.b. As linhas de 
campo mostram que existe uma concentração das linhas de fluxo elétrico nas proximidades do 
plano menor, e uma menor concentração nas proximidades do plano maior. O campo elétrico 
é bastante reduzido na parte central, entre os planos. Portanto, a distribuição de potencialapresenta-se não-uniforme. 
 
 
 
 
 
 
 
 
(a) 
 
 
 
(b ) 
Figura 5 : Distribuição das linhas de campo (a) dois planos infinitos (b) dois planos finitos 
 
Os cálculos, medições e analogias mostram que a distribuição ao longo da 
cadeia de isoladores não é uniforme. No caso de existirem n isoladores, a tensão aplicada a 
cada isolador é diferente. 
O problema da distribuição não uniforme da tensão foi considerado muito 
grave quando se iniciou o emprego de cadeias de isoladores, observando-se descargas nos 
primeiros isoladores da cadeia, como também correntes de fuga sobre sua superfície. 
Procurou-se então meios de se evitar o problema. Primeiramente, foi sugerido o emprego de 
discos com maiores tensões disruptivas junto aos condutores. Posteriormente, foram 
desenvolvidos os anéis equalizadores de potencial. 
Os anéis equalizadores (ou distribuidores) de potencial provoca um aumento da 
capacitância entre as peças metálicas dos isoladores e condutores. O emprego dos anéis 
equalizadores melhorou a distribuição de potencial na cadeia. Por outro lado, reduzem a 
 
+ 
+ 
 
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distância disruptiva da cadeia, principalmente quando associados com outros anéis na parte 
superior, conduzindo a uma nova avaliação da coordenação de isolamento. 
Outra finalidade do uso de anéis equalizadores é evitar que um eventual arco 
disruptivo (arco de potência), ao longo da cadeia de isoladores, queime sua superfície. 
O aprimoramento da técnica de fabricação, a melhoria da rigidez dielétrica, 
bem como o aperfeiçoamento da qualidade do material e de suas configurações tem reduzido 
o problema da perfuração e queima das superfícies pelo arco de potência. 
4. ROTEIRO EXPERIMENTAL 
4.1 RESUMO DO ENSAIO 
A distribuição da tensão em uma cadeia de isoladores é importante para se 
definir o nível de tensão que a cadeia pode suportar. As cadeias de isoladores são amplamente 
utilizados em linhas de transmissão o que aumenta ainda mais a importância de seu estudo. 
Neste estudo será determinada a porcentagem de tensão a qual cada isolador é 
submetido em uma cadeia de seis isoladores. 
O arranjo experimental a ser utilizado está mostrado na Figura 6. 
Sabendo-se que o espinterômetro rompe na tensão fixa V, pode se determinar a 
percentagem de tensão que cada isolador suporta, medindo a tensão aplicada na cadeia para 
cada posição do espinterômetro. 
4.2 FORMULÃO MATEMÁTICA PARA DETERMINAÇÃO DA DISTRIBUIÇÃO DE 
TENSÃO EM CADEIA DE ISOLADORES 
Para se determinar a percentagem que cada isolador recebe do total de tensão 
aplicada a cadeia, é preciso alguns ajustes matemáticos. 
Fazendo-se N o número de isoladores, Y isolador em questão, x1, x2, x3, x4, x5, 
..., xN os valores percentuais das tensões nos isoladores 1, 2, 3, 4, 5, ..., N (contando-se de 
baixo para cima) e V1, V2, V3, V4, V5, ... , VN as tensões aplicadas à cadeia, para que a diferença 
de potencial em cada isolador quebre a rigidez dielétrica do ar entre as esferas do 
espinterômetro e V a tensão disruptiva do espinterômetro, tem-se que : 
x x x x x xN1 2 3 4 5 1      ... e x
V
VY
Y
 
então: 
x
V
V
Y
Y
1
 que é igual a x
V
V
x
Y
Y
I
I
N



1
o que leva a: 
x
V
V
V
V
I
V
V
I
Y
Y
I
N
Y
I
N




 
1
1
1
1
. Assim, x
V
V
I
Y
Y
I
N
% *


1
1
1
100 . 
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4.3 PREPARAÇÃO DA APARELHAGEM 
 Escolha seis isoladores de vidro ou porcelana, tipo disco; 
 Limpe os isoladores escolhidos; 
 Agrupe os isoladores em forma de cadeia. Não esqueça de colocar a cupilha. 
4.4 APLICAÇÃO DA TENSÂO 
Primeiramente, o aluno deve aplicar a tensão sem o intuito de medi-la, e sim de 
ter uma idéia aproximada da tensão disruptiva no espinterômetro. Após deve aplicar a tensão, 
observando seus resultados. 
Observações : 
* imediatamente após a descarga no espinterômetro, deve-se reduzir a 
tensão para não haver danos materiais; 
* A primeira medida deve ser desprezada. 
4.5 ROTEIRO 
a) monte o arranjo experimental mostrado na Figura 6 com uma cadeia de 
isoladores de vidro ou porcelana, de classe 15 kV, composta de 6 isoladores 
V12 254CB sem equalizador, coloque os terminais do espinterômetro no 
pino e na câmpula do primeiro isolador; 
b) eleve a tensão até que haja descargas no espinterômetro, repita o 
procedimento cinco vezes. Anote os valores na Tabela 1; 
c) mude a posição do espinterômetro e repita o procedimento anterior, para 
todos os isoladores. 
d) Instale na cadeia dois equalizadores tipo raquete na cadeia e repita os 
procedimentos a, b, e c, anotando os valores na Tabela 2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6 - Geração e medição de alta tensão e cadeia de isoladores. 
 
 
 
 
SM76 
100pF 
0-220V/100kV 
5kVA 
Mesa de 
Controle 
60Hz 
220 V 
Voltímetr
o 
espinterômetro 
Pedro Henrique
Realce
Pedro Henrique
Realce
Pedro Henrique
Realce
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5. AVALIAÇÃO 
1. Quais são as funções dos isoladores nas linhas de transmissão? 
2. Quanto à manutenção, quais são as vantagens e desvantagens da instalação de isoladores 
de porcelana, vidro e poliméricos? 
3. Quanto aos isoladores, quais são os esforços elétricos e mecânicos que um projetista deve 
considerar na elaboração de um projeto de uma linha de transmissão? 
4. Quais são as vantagens da utilização de cadeias de isoladores? 
5. O que você entende por : 
 i) distância de escoamento; 
 ii) distância de descarga sob chuva; 
 iii) tensão suportável 1 minuto a seco, em freqüência industrial. 
6. Quais são as finalidades da utilização de eletrodos equalizadores nas cadeias de isoladores? 
7. Cadeia sem equalizador 
 
i) Construa um gráfico mostrando a distribuição de tensão percentual x a posição do 
isolador. 
ii) Construa um gráfico mostrando a distribuição de tensão acumulativa percentual x o 
número de isoladores. 
iii) Comente os resultados mostrados graficamente. 
 
8. Cadeia com equalizador 
 
i) Construa um gráfico mostrando a distribuição de tensão percentual x a posição do 
isolador. 
ii) Construa um gráfico mostrando a distribuição de tensão acumulativa percentual x o 
número de isoladores. 
iii) Comente os resultados mostrados graficamente e compare-os com os obtidos na alínea i 
e ii do item 8. 
9. Pode-se determinar a tensão disruptiva do espinterômetro? E qual é? 
5.1 O relatório deverá conter : 
 Titulo; 
 Objetivo; 
 Materiais utilizados; 
 Resumo da experiência (descrição sucinta do experimento); 
 Análise e discussão dos resultados: dados, tabelas, questões, gráficos, 
comentários; 
 Conclusão; 
 Referências bibliográficas. 
 
 
OBSERVAÇÕES IMPORTANTES : 
 O relatório deverá ser entregue, no máximo, até 7 dias da realização do experimento. 
 Relatórios iguais ou bem parecidos terão nota dividida pelo número de alunos que 
compartilharam o relatório. 
 Os gráficos devem ser feitos em papel milimetrado, explorando o papel, deve conter 
nome , indicar os eixos, etc.. 
 
 
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12
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 WELLAUER, M, Introdução à Técnica das Altas Tensões - Ed Polígono, 1973. 
 COSTA, E G et al, Isoladores Tipo Disco de Vidro Temperado - Análise de Desempenho e 
Vida Útil no Sistema CHESF - Grupo de Estudo III do XI SNPTEE -Outubro de 1991. 
 UFPB-DEE/CHESF, Relatórios Técnicos Internos - Anos 1989, 1990 e 1991. 
 FUCHS, R D, Transmissãode Energia Elétrica - Linhas aéreas - Vol 1 - LTC/EFEI, 1979. 
 WADHWA, C. L.,Electrical Power Systems, Second Edition, John Wiley & Sons, 1991. 
 Catálogos dos Fabricante (HOECHST CeramTec) 
 Catálogos dos Fabricante (Cerâmica SANTA TEREZINHA S.A.) 
 Catálogos dos Fabricante (Cerâmica SANTANA S/A) 
 Catálogos dos Fabricante (VIFOSA) 
 Catálogos dos Fabricante (ELECTROVIDRO) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A última revisão deste guia foi realizada pelos alunos do PET/Elétrica da 
FEJ/UDESC (Joinville -SC): 
* Francisco José do Nascimento Júnior e 
* Marco Antonio Maschio 
Com Orientação do Professor Edson Guedes da Costa, M.Sc. 
 
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7. ANEXOS 
 
 
 
 
 
7.1 Tabela 1 
Posição do 
espinterômetro 
Tensão de ruptura Médias 
 1 2 3 4 5 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
Cadeia sem equalizador 
 
 
 
 
 
 
7.2 Tabela 2 
Posição do 
espinterômetro 
Tensão de ruptura Médias 
 1 2 3 4 5 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
Cadeia com equalizador