CHARACTERISTICS OF XLPE FOR CABLE INSULATION FOR RENEWABLE ENERGY SYSTEMS
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10075183
Fabio Nelson da Silva 1
Prof. Dr. Eduardo Guy Perpetuo Bock 2
Resumo
A utilização de polietileno reticulado (XLPE) na fabricação de cabos elétricos empregados em sistemas de distribuição de energia renovável tem ganhado destaque devido às suas características de isolamento elétrico, durabilidade e resistência ao envelhecimento, tornando-o um material viável para aplicações em sistemas de distribuição de energia renovável. O XLPE possui alta resistência dielétrica, o que o torna adequado para sistemas de distribuição de energia proveniente de fontes renováveis, como painéis solares e turbinas eólicas. Além disso, sua resistência à radiação ultravioleta o torna uma escolha sólida para aplicações em ambientes externos. No que diz respeito à capacidade de carga, o XLPE apresenta uma maior capacidade de corrente em comparação com outros isolantes tradicionais, permitindo uma distribuição de energia mais eficiente em sistemas de geração eólica e solar. Sua flexibilidade e facilidade de instalação tornam o XLPE uma escolha prática para sistemas de distribuição de energia renovável em locais remotos. O XLPE tem se mostrado um isolante elétrico de destaque em sistemas de distribuição de energia renovável, oferecendo alta resistência dielétrica, durabilidade, resistência à radiação ultravioleta e capacidade de carga elevada; sendo as características de versatilidade e facilidade de instalação o tornam uma escolha promissora para aplicações em sistemas de energia renovável, tanto na geração quanto na transmissão. Melhorar a eficiência energética contribui diretamente para a redução das emissões de gases de efeito estufa, principalmente quando a geração de energia decorre da queima de combustíveis fósseis.
Palavras-chave: Polietileno reticulado. Isolação de condutores. Energia renovável.
1. INTRODUÇÃO
A participação das energias limpas no sistema energético do Brasil tem apresentado um crescimento notável nas últimas décadas. Impulsionado por fatores como a diversificação da matriz energética, políticas públicas de estímulo às fontes renováveis e a conscientização sobre a importância da sustentabilidade, o país tem visto um aumento significativo na geração de energia a partir de fontes como a solar, eólica e biomassa. Este avanço não apenas contribui para a redução das emissões de gases de efeito estufa, mas também fortalece a resiliência do sistema energético nacional, tornando-o mais independente de fontes poluentes e sujeitas a flutuações. A crescente participação das energias limpas reflete o compromisso dos países em enfrentar os desafios ambientais e climáticos, enquanto cria oportunidades para o crescimento econômico sustentável.
Um estudo recente da Empresa de Pesquisa Energética (EPE), do Ministério de Minas e Energia (MME), dá a dimensão do potencial fotovoltaico no Brasil. De acordo com o documento, se um total de 2.400 km² de painéis fotovoltaicos fossem instalados numa região com irradiação anual média da ordem de 1.400 kWh/m²/ano, a energia gerada seria equivalente a todo o consumo do Sistema Interligado Nacional registrado em 2011. Essa quantidade de painéis corresponde a menos de 0,03 % da área territorial brasileira. No Brasil estão em pleno desenvolvimento tanto a geração centralizada, que envolve os grandes projetos de parques solares fotovoltaicos (usinas de maior porte), quanto a geração distribuída, formada por mini e micropontos de geração fotovoltaica, que se diferencia pela geração de energia nos próprios centros consumidores, com a instalação de sistemas solares nos telhados de residências, comércios, prédios públicos, hospitais, indústrias etc. A geração centralizada tem crescido principalmente em função da política governamental de contratar a fonte por meio de leilões (Energias Renováveis vol. V, p.68, 2018).
Neste cenário de crescente demanda por fontes de energia sustentável e renovável tem gerado uma transformação significativa nos sistemas de geração e transmissão de energia elétrica. A busca por alternativas mais eficientes e ambientalmente amigáveis levou ao desenvolvimento e implementação de tecnologias inovadoras. Nesse contexto, o uso de cabos isolados em polietileno reticulado (XLPE) tem se destacado como uma solução viável e promissora, atendendo às demandas dos sistemas de geração e distribuição em constante evolução.
Os cabos isolados de transmissão de energia elétrica são constituídos por um fio condutor de alumínio ou cobre, uma camada semicondutora (usualmente cobre) e recobrimento isolante entre os dois. Antigamente esse recobrimento isolante era de óleo impregnado em papel. Mais tarde passou-se a usar materiais poliméricos, tais como PVC, LDPE, HDPE e XLPE (polietileno reticulado), para isolar os cabos, pois estes polímeros combinam excelentes propriedades dielétricas e mecânicas com durabilidade, facilidade de manufatura e processamento de baixo custo (Gulmine e Akcelrud, 2003).
Polímeros são compostos formados pela repetição de um grande número de unidades químicas de origem natural ou sintética com massa molar da ordem de 10³ a 106 (Akcelrud, 2007). A palavra polímero vem do grego poli (muitos) + meros (iguais). São macromoléculas formadas pela repetição de muitas unidades químicas iguais, os meros ou unidades repetitivas. Os polímeros podem possuir uma ou mais unidades repetitivas monoméricas. Os que possuem apenas uma são chamados de homopolímeros e os que possuem mais de uma são chamados de copolímeros. Os compósitos são uma outra classe dos materiais poliméricos em que a mistura dos componentes é completamente imiscível. Exemplos destes materiais são: os termofixos ou termoplásticos reforçados com fibras de vidro.
A isolação elétrica é uma das mais importantes partes dos componentes de um sistema elétrico e sua qualidade determina a confiabilidade dos diversos equipamentos elétricos utilizados na geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, tais como cabos, capacitores, isoladores, transformadores, geradores e motores. Todo sistema de isolação elétrica é projetado para suportar diversos estresses, aos quais fica submetido durante sua vida útil. Esses estresses são normalmente classificados em quatro tipos, a saber: elétrico (tensão, frequência de operação e sobretensões), térmico (temperatura de operação e gradientes de temperatura), mecânico (vibração e torção) e ambiental (radiação UV, umidade, contaminação, temperatura, etc.), e podem agir sobre o sistema de isolação de forma individual ou combinada (Silva, 2005).
O polietileno reticulado, com suas boas propriedades de isolamento elétrico, resistência térmica e química, e durabilidade, tornou-se um material amplamente utilizado em aplicações de alta tensão. A norma ABNT NBR 6251/82 destaca a importância da qualidade e das especificações técnicas de cabos XLPE, garantindo assim a confiabilidade dos sistemas de distribuição de energia.
Os cabos isolados com XLPE oferecem características que os tornam boas opções para sistemas de geração e distribuição de energia renovável, como a capacidade de suportar elevadas temperaturas e a resistência à radiação ultravioleta. Essas características tornam os cabos XLPE adequados para aplicações em locais remotos, onde as condições ambientais podem ser adversas e a manutenção é mais difícil. Além disso, a baixa perda dielétrica dos cabos XLPE contribui para a eficiência dos sistemas de distribuição de energia renovável, minimizando as perdas de energia durante a transmissão.
O polietileno reticulado (XLPE) é o polímero que mais obteve destaque e que é massivamente utilizado em função de um conjunto de características tecnológicas que lhe conferem vantagens às demais opções disponíveis no mercado (Lima, 2008).
Para a eficiente integração de sistemas de geração de energia renovável na rede elétrica, é essencial garantir a qualidade, a confiabilidade e a segurança da infraestrutura de distribuição de energia. A distribuição de energia renovável envolve a transmissão de eletricidade gerada a partir de fontes renováveis para áreas urbanas e industriais, onde a demanda de energia é alta. No entanto, essa tarefa apresenta desafios significativos, como a variação intermitente da geração de energia solar e eólica, a necessidade de sistemas de transmissão eficientes e a manutenção da qualidade do serviço elétrico.
A expectativa da vida útil de um cabo isolado de média tensão é cerca de 30 anos. Esta estimativa varia de acordo com a forma que o cabo foi instalado, o local, a qualidade dos acessórios (terminações e emendas), e o ambiente ao qual está submetido. Os danos na isolação são os principais motivos das faltas, que podem ser decorrentes de problemas de fabricação, na instalação ou ainda devido a condições de utilização (BENTO; GEDRA; SOUZA, 2015).
O propósito deste trabalho é trazer uma composição de revisões bibliográficas, nas quais serão introduzidos conceitos relativos as características do polímero XLPE e sua aplicabilidade em isolamento de cabos elétricos para sistemas fotovoltaicos. No item 3, são abordadas metodologias para a produção de cabos isolados em XLPE. No item 4, são apresentadas as conclusões obtidas no presente trabalho. As referências bibliográficas empregadas no trabalho estão no item 5.
2. REVISÃO DA LITERATURA
Durante as décadas de 60 e 70 o polietileno de alto peso molecular, termoplástico e mais tarde o polietileno reticulado (XLPE) foram utilizados largamente como material isolante para cabos de energia principalmente nos Estados Unidos os quais eram produzidos sem a capa externa. Neste tempo eram empregadas camadas semicondutoras constituídas por fitas enroladas, tanto ao condutor como no isolamento, ficando desta forma comprometida à segurança dos cabos devido à corrosão dos neutros, bem como permitindo a migração de água através dos condutores. Devido a esta característica da fácil migração de água nos cabos de energia, era notada a alta incidência de defeitos nas interfaces tendo como consequência o aparecimento da arborescência, observada principalmente nos cabos com instalação subterrânea. A introdução do XLPE retardante à arborescência (XLPE-TR) em 1982, veio a reduzir drasticamente este problema e deste então este material tem sido utilizado com sucesso na fabricação de cabos de energia por mais de 20 anos. Entretanto, uma propriedade reclamada para este material continuava a ser a flexibilidade necessária a um melhor manuseio dos cabos isolados com este material.
Condutores são os meios materiais que permitem facilmente a passagem de cargas elétricas. Metais como cobre e alumínio são os escolhidos para tal finalidade, tendo em vista seu custo e suas propriedades elétricas. Isolação é o material ou conjunto de materiais isolantes aplicados sobre o condutor para isolá-lo eletricamente do ambiente onde está instalado e dos outros condutores que o circundam.
Os materiais dielétricos são definidos e conhecidos por possuírem a propriedade fundamental de se polarizarem quando sujeitos a um campo elétrico, enquanto que, os materiais conhecidos como isolantes são aqueles que apresentam uma condutividade suficientemente pequena, de forma a poderem ser empregados na separação de partes condutoras submetidas a uma diferença de potencial elétrico. Esses dois termos, dielétrico e isolante, são muitas vezes empregados como sinônimos, apesar do termo dielétrico ser mais abrangente (Pinheiro, 2008).
O polietileno reticulado (XLPE) é obtido por reação de reticulação realizada por iniciadores que provocam ligações químicas entre as macromoléculas do polietileno, formando uma rede tridimensional termorrígida, não podendo ser processado ou dissolvido
sem que ocorra a degradação do polímero. Logo, esse material é mais estável frente às variações de temperatura (Wasilkoski, 2002).
Figura 1: Representação das cadeias de alguns tipos de polietilenos (WasilkoskI, 2002).
Outra propriedade relacionada ao tipo de estrutura da cadeia dos polímeros é seu comportamento frente a mudanças de temperaturas. Com relação a este comportamento, eles podem ser classificados, principalmente, como termoplásticos e termorrígidos (Rodriguez, 1982). O fato desse tipo de polietileno possuir uma estrutura reticulada transforma-o em um material termorrígido (Silva, 2005). Logo, esse material é mais estável frente às variações de temperatura (Wasilkoski, 2002).
Polímeros termoplásticos são materiais poliméricos que amolecem e escoam quando são submetidos a determinadas pressões e aquecimento. Este escoamento ocorre sem variação em sua estrutura química. A maior parte dos materiais termoplásticos pode ser remoldada várias vezes, podendo ser processada por métodos como laminação, injeção e extrusão, tendo, contudo, um limite no número de ciclos de moldagem devido à degradação química. Além disso, há um limite de temperatura, acima do qual o material não pode ser reutilizado. Esta temperatura é denominada temperatura de distorção ao calor (Andrade, 2008).
Polímeros termorrígidos são materiais que, quando aquecidos pela primeira vez, apresentam a possibilidade de formação de ligações covalentes intermoleculares (ligações cruzadas), resultando em uma estrutura reticulada, insolúvel e infundível. O polímero se torna duro, permitindo a produção de moldes rígidos. Aplicações subsequentes de calor e pressão não causam amolecimento ou escoamento, pois seu comportamento em relação à remoldagem é irreversível. Por outro lado, o limite de temperatura de degradação é consideravelmente maior que a temperatura de modelagem (Andrade, 2008).
Segundo Dias (2007), o processo de reticulação do polietileno pode ser realizado por três métodos diferentes, descritos a seguir:
Método 1: Viniltrietoxisilano ou viniltrimetoxisilano são “grafitizados” na cadeia polimérica com auxílio de pequenas quantidades de peróxido como iniciadores, seguido pela hidrólise do silano e reação de condensação do silanol. As reações químicas correspondentes são representadas a seguir na Figura 2:
Figura 2: Representação esquemática do mecanismo de reticulação do polietileno via silano (Dias, 2007).
Método 2: A radiação proveniente de feixes de elétrons ou radiação ultravioleta (UV) provoca a formação de radicais livres nas cadeias, a união entre dois radicais resulta na reticulação do polietileno, como é mostrado na Figura 6. Neste processo o grau de reticulação é limitado pela profundidade de alcance do feixe de elétrons ou radiação ultravioleta ao longo da espessura do material.
Figura 3: Representação esquemática do mecanismo de reticulação do polietileno via radiação (Dias, 2007).
Método 3: O terceiro método utiliza peróxidos orgânicos, sendo que o mais empregado é o peróxido de dicumila (DCP). A reação se dá pela decomposição térmica homolítica do peróxido, produzindo radicais livres, como ilustrado na Figura 7. Esses radicais atacam a molécula do polímero formando um radical, pela abstração de hidrogênio. Em seguida ocorre a formação de ligações entre dois radicais. Geralmente é incorporado 2% de peróxido ao polietileno, antes da extrusão, e submete-se a mistura a temperaturas superiores a 150°C e pressões acima de 14,80 atm (1,50 MPa). O uso de peróxidos permite uma distribuição mais uniforme das interconexões das cadeias por todo o volume do material. Por outro lado, os subprodutos gerados durante a decomposição do peróxido tais como acetofenona, a-metil estireno e álcool cumílico, podem exercer um efeito deletério no desempenho mecânico do material.
Figura 4: Representação esquemática do mecanismo de reticulação do polietileno via peróxido orgânico (Dias, 2007).
| Propriedades | LDPE | HDPE | XLPE |
| Rigidez dielétrica (kV mm–1) | 75 | 100 | 50 |
| Permissividade relativa (kHz) | 2,3 | 2,35 | 2,3 |
| Resistividade volumétrica (Ω cm) | 5 x 1017 | 5 x 1017 | 1016 |
| Fator de dissipação (kHz) | 2 x 10–4 | 2 x 10–4 | 3 x 10–4 |
| Densidade (g cm–3) | 0,92 | 0,95 | 0,92 |
| Resistência a tração (N mm–2) | 12 | 15 | 20 |
| Módulo de Elasticidade (kN mm–2) | 0,17 | 0,7 | 0,1 |
Tabela 1: Propriedades dos polímeros XLPE, HDPE e LDPE (Bressan, 2006).
Apesar do XLPE possuir excelentes características elétricas e térmicas, tem se observado que esse polímero apresenta processos de envelhecimento e de degradação quando submetido a diferentes estresses, os quais podem levar à ruptura elétrica do equipamento ou peça produzida com esse polímero (Bressan, 2006).
O processamento de um polímero consiste na sua transformação em um produto comercial. A escolha do processo e seu tipo variam de acordo com as características da peça (forma e dimensões), do polímero em si e da quantidade de peças a serem produzidas (escala de processamento). Dentre os diversos tipos de técnicas de processamento, o mais importante
e utilizado é a extrusão. Essa técnica consiste de processo de transformação dos termoplásticos em que a extrusora, por meio de seus componentes, é a responsável por fornecer maior parte da energia térmica e mecânica necessária para tal transformação. O processo de extrusão consiste em forçar a passagem de um material através de um orifício determinado (Andrade, 2008).
A extrusora é composta por diversos componentes sendo que, dentre eles, a rosca, é um dos mais importantes, já que ela é responsável por transportar, fundir ou amolecer, homogeneizar e plastificar o polímero. É devido ao movimento, e consequente cisalhamento sobre o material, que a rosca gera cerca de 60% da energia térmica e mecânica necessária para transformar o polímero. A outra parte da energia é obtida por aquecimento externo (Manrich, 2005).
Figura 4: Esquema básico de uma extrusora (Manrich, 2005).
O processo de extrusão é comumente aplicado na fabricação de cabos elétricos, envolvendo a transformação de materiais termoplásticos ou termofixos na isolação de elementos condutores de energia. O processo começa com a alimentação de grânulos do material plástico em um funil de uma máquina extrusora. Dentro da extrusora, os grânulos são aquecidos e fundidos, formando um material viscoso que é transportado pela rosca no encontro da matriz/molde que dará a forma desejada do cabo. Enquanto o material é extrudado, um elemento condutor central de cobre ou alumínio é inserido, criando assim o núcleo condutor do cabo. À medida que o material extrudado esfria e endurece, ele envolve o condutor, formando a capa externa isolante do cabo. Posteriormente, o cabo é submetido a testes rigorosos de qualidade para garantir sua conformidade com as normas de segurança elétrica, podendo ser acondicionado em comprimentos adequados ao uso.
Cabos isolados com polietileno em sua forma reticulada (XLPE) devido as suas qualidades, são largamente utilizados em redes subterrâneas de energia elétrica. Possui excelente rigidez dielétrica, suporta podendo suportar temperaturas de até 90º C em regime permanente, possui resistência à deformação térmica em temperaturas de até 250º C, boa existência e o contato com as intempéries como exposição prolongada ao sol e chuva. Outro diferencial é que não propaga chama e por não ter halogênio (cloro) em sua composição, durante sua combustão emite pouca fumaça e sem a presença de gases corrosivos e tóxicos.
3. METODOLOGIA
Este artigo constitui-se de uma revisão de literatura referente as características para aplicações de XLPE (Polietileno Reticulado) em sistemas de distribuição como de energia renovável e revela um cenário dinâmico e promissor na busca por soluções que aprimorem a qualidade do produto final. Os sistemas de distribuição de energia renovável, como aqueles baseados em fontes solar e eólica, estão desempenhando um papel cada vez mais significativo na matriz energética global. Nesse contexto, o XLPE tem se destacado como um isolante elétrico de alto desempenho, proporcionando maior confiabilidade e eficiência aos sistemas.
A aplicação do XLPE em cabos de distribuição de energia renovável tem sido amplamente explorada devido às suas propriedades de isolamento e resistência a temperaturas mais elevadas. Além disso, o XLPE oferece durabilidade e longa vida útil, contribuindo para a estabilidade dos sistemas de energia renovável. Essa tecnologia tem demonstrado reduzir as perdas de energia durante a transmissão e distribuição, resultando em um produto de melhor qualidade e menor impacto ambiental.
A capacidade do XLPE em acomodar sistemas de distribuição de energia renovável de baixa e alta tensão tem impulsionado sua adoção em redes inteligentes. Essas redes incorporam tecnologias avançadas de monitoramento e controle, permitindo uma gestão mais eficiente da energia. Além disso, o XLPE desempenha um papel fundamental na promoção da estabilidade e confiabilidade dos sistemas de distribuição, garantindo que a eletricidade gerada a partir de fontes renováveis seja entregue de forma consistente e confiável aos centros consumidores.
A literatura também destaca a importância da pesquisa contínua na melhoria das propriedades do XLPE, visando atender às crescentes demandas dos sistemas de distribuição de energia renovável. Investigações estão em andamento para aprimorar a resistência do material a sobrecargas e ao envelhecimento, além de desenvolver métodos de reciclagem mais eficazes para reduzir o impacto ambiental.
A capacidade do XLPE de aumentar a eficiência, a confiabilidade e a sustentabilidade dos sistemas o tornam uma escolha estratégica para a transição para fontes de energia renovável. No entanto, é fundamental que a pesquisa e o desenvolvimento continuem a aprimorar esse material, garantindo que ele atenda às demandas crescentes e às expectativas de um setor de energia em constante evolução.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos a partir da revisão de literatura sobre as aplicações emergentes de XLPE (Polietileno Reticulado) em sistemas de distribuição de energia renovável e isolamento de cabos elétricos ressaltam a importância crescente deste material no contexto das energias renováveis e da qualidade dos produtos para o mercado. A literatura destaca que o XLPE se tornou um elemento essencial para garantir a eficiência, confiabilidade e sustentabilidade dos sistemas de distribuição de energia baseados em fontes renováveis.
Primeiramente, os resultados apontam que o XLPE tem sido amplamente adotado na fabricação de cabos elétricos para sistemas de energia renovável, devido às suas propriedades excepcionais de isolamento. Sua capacidade de resistir a altas temperaturas, além de manter seu desempenho em condições ambientais adversas, é crucial para assegurar que a eletricidade gerada a partir de fontes renováveis seja transmitida de maneira eficiente e segura. Essa característica contribui significativamente para a melhoria da qualidade do cabo, minimizando perdas de energia e reduzindo a necessidade de manutenção.
Os resultados também destacam a aplicação do XLPE em sistemas de alta tensão, incluindo redes inteligentes. Esses sistemas representam um avanço tecnológico na gestão de energia, e o XLPE desempenha um papel fundamental na estabilidade e confiabilidade dessas redes. A incorporação de tecnologias avançadas de monitoramento e controle é fundamental para garantir a eficiência operacional, e o XLPE oferece a capacidade de suportar as demandas dessas redes, contribuindo para assegurar o fornecimento consistente de energia.
A resistência do material a sobrecargas e ao envelhecimento é uma área de investigação crítica, uma vez que a capacidade de manter o desempenho ao longo do tempo é vital para garantir a qualidade do produto final. Da mesma forma, o desenvolvimento de métodos de reciclagem mais eficazes é um aspecto fundamental para reduzir o impacto ambiental e promover soluções sustentáveis.
Vale ressaltar que a qualidade do produto final também está intrinsecamente ligada a conformidade a normas e regulamentações de segurança. Os resultados indicam que a conformidade com padrões específicos de segurança elétrica é crucial para garantir a qualidade e a segurança dos cabos XLPE. Ponto fundamental para prevenir acidentes e assegurar o desempenho adequado dos sistemas de distribuição de energia.
À medida que a demanda por energia renovável continua a crescer, o XLPE desempenhará um papel cada vez mais central na promoção de soluções que melhorem a qualidade dos sistemas, contribuindo para sistemas mais eficientes, confiáveis e sustentáveis. A pesquisa contínua e o desenvolvimento de novas tecnologias e aplicações relacionadas ao XLPE como material isolante em cabos elétricos são cruciais para manter sua relevância e garantir que atenda às crescentes demandas de um mundo que busca uma transição mais limpa e eficiente em termos energéticos.
5. CONCLUSÃO
Este trabalho alcançou seu objetivo ao mostrar a perspectiva do XLPE como material de sucesso na produção de cabos elétricos, tendo suas propriedades de isolamento, resistência térmica e durabilidade como pontos fortes. Nota-se a importância de pesquisas a respeito deste material para o desenvolvimento de novas versões e aplicações. Através de uma revisão abrangente da literatura e considerações de outros estudos, tornou-se evidente que o XLPE desempenha um papel vital e crescente no cenário energético contemporâneo. Também foi trazido à tona uma frente em que este material é importante quanto a a questão ambiental, onde seu emprego colabora com instalações mais eficientes e duradouras. Fica claro que a conformidade com normas reguladoras de segurança elétrica também é um fator importante, tanto na concepção de seus componentes quanto na qualidade das instalações é fator importante de segurança para a matriz energética do país. devido às suas notáveis propriedades de isolamento, resistência térmica e durabilidade. Portanto, os ganhos refletirão em benefícios operacionais para os parques de energia renovável, de distribuição, e ainda outros tipos de instalações, pela segurança e redução de falhas proporcionando maior disponibilidade da rede.
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1 Discente do Curso de Mestrado Acadêmico do Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica do Instituto Federal de São Paulo Campus Canindé e-mail: fabio.nelson@aluno.ifsp.com.br
2 Docente do Curso de Mestrado Acadêmico do Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica do Instituto Federal de São Paulo Campus Canindé. Doutor em 2011 (PRPG/Unicamp). e-mail: bock@ifsp.com.br