Um isolante frequentemente utilizado em buchas condensivas é o papel que é cons- tituído da fibra da celulose e quase que invariavelmente extraído de madeira, ou seja, fonte vegetal. Sua aplicação geralmente combinada com outros materiais dielétricos, óleo mineral ou resina, tem grande utilização na isolação dos equipamentos elétricos em geral, incluindo as buchas condensivas.
4.4.1 Constituição Química
A fibra de celulose consiste na formação de um conjunto de moléculas de celulose de diferentes tamanhos, colocadas lado a lado. Por sua vez, a celulose é um polímero linear de moléculas de glicose, ligadas através de uma ligação glicosídica, conforme mostrado na Figura 4.8. Cada molécula de celulose, quando nova, possui de 1000 a 1400 anéis de glicose, sendo que cada fibra de celulose possui muitas destas cadeias de monômeros.
Figura 4.8: Fórmula estrutural da glicose e da celulose. Detalhe da ligação glicosídica na molécula de celulose.
As vantagens oferecidas pelos materiais fibrosos, dentre eles o papel destinado a indústria elétrica, são a alta resistência mecânica, sua flexibilidade, baixo custo e fa- cilidade na manufatura. A grande desvantagem da utilização de papel como isolante é a sua elevada higroscopicidade, já que sua matéria prima básica, a celulose, é um composto orgânico constituído de 46% de oxigênio, 40% de carbono e 6% de oxigênio. Esta higroscopicidade é explicada por se tratar de um hidrato de carbono, como visto na Figura 4.8, cuja a fórmula é C6H10O5 , com três radicais polares de hidroxila -OH.
Em sua forma natural, a absorção de umidade em um fibra de celulose pode chegar a 50% de seu volume total [22].
Outra desvantagem considerável é sua pouca resistência à temperatura em seu es- tado natural. Devido a esta limitação a NBR5034/1989 [7] estabelece limites de tem- peratura, ou de elevação da mesma, para operação normal, como por exemplo para buchas OIP, em que o limite superior da média diária não pode exceder 105oC e sua
para o ponto mais quente das partes metálicas da bucha condensiva.
Diante do exposto para sua aplicação em equipamentos elétricos como isolação e sabendo-se que em ensaios realizados apenas 40% de um dado volume de papel é composto de fibras, invariavelmente o mesmo é impregnado com alguma substância isolante, geralmente óleo mineral ou resina, obtendo então as características ideais para esta finalidade.
O papel mais utilizado com isolante em buchas condensivas, bem como em toda a indústria elétrica, é o papel kraft, já que é econômico e convenientemente tratado apresenta boas propriedades mecânicas e elétricas [22]. O papel kraft quando submetido à um processo químico de estabilização térmica passa a ser conhecido como papel termoestabilizado, possibilitando sua operação normal em uma temperatura cerca de 10oC maior que o papel convencional, ou seja possuindo um melhor rendimento térmico,
aumentando sua vida útil.
4.4.2 Grau de Polimerização Molecular (GP)
A quantidade média de anéis de glicose interligados em uma cadeia como indicado na Figura 4.8 é denominada Grau de Polimerização Molecular (GP). Como o comprimento destas moléculas é o que garante a resistência mecânica de um material feito de celulose, o grau de polimerização do material dá uma medida indireta de suas características mecânicas, como por exemplo a resistência à tração, o que pode ser associado a sua funcionalidade ou a vida útil do material [27].
O valor inicial de GP da celulose é cerca de 1200. Os processos de secagem da isola- ção e tratamento do óleo a ser utilizado na impregnação em equipamentos elétricos que utilizam papel impregnado com óleo (como por exemplo transformadores de potência ou buchas condensivas tipo OIP) reduzem o GP da celulose até valores próximos a 900. Além deste processo, o enfraquecimento natural da união dos anéis de glicose, devido a reação com o oxigênio, contribui prioritariamente para a redução da GP, como será visto mais adiante na Subseção 4.6.1.
Para GPs superiores a 500, a resistência mecânica do papel é praticamente inde- pendente do valor de GP, mas à medida que o GP decresce, na gama de 500 a 200, a resistência mecânica é reduzida até cerca de 50% do valor inicial. O critério baseado no valor de GP, considera para o fim de vida útil do papel, valores entre 100 e 200,
embora não haja consenso sobre o valor específico a considerar [28]. 4.4.3 Furfuraldeído (2-fal)
A técnica de cromatografia líquida de alto desempenho (HLPC) foi introduzida por P.J. Burton, da Central Electricity Generating Board (CEGB) do Reino Unido, nas empresas do setor elétrico durante a década de 80. Esta técnica permite determinar a concentração de determinados compostos de furanos dissolvidos no óleo isolante de equipamentos elétricos, oriundos especificamente da degradação do papel isolante dos mesmos [29] [30].
Figura 4.9: Relação entre GP e 2-fal estabelecida por P.J.Burton.
Durante esta fase de implementação, Burton concluiu que o composto furano 2- furfuraldeído, mais conhecido como 2-fal ou furfural, é o mais facilmente detectado nos ensaios. A partir desta constatação estabeleceu uma relação entre o teor de 2-fal dissolvido no óleo isolante e o grau de polimerização do papel isolante, conforme mostra a Figura 4.9 [30].
A grande vantagem desta técnica de 2-fal com relação a medição do grau de po- limerização do papel isolante é sua facilidade de análise, já que, em muitas situações com o equipamento energizado e disponível, basta retirar uma amostra de 20 ml de óleo isolante para a realização do ensaio, enquanto que para determinar a do GP é necessário uma amostra de papel isolante do equipamento, sendo necessária a sua in- disponibilidade para o sistema.
Apesar do exposto esta técnica ainda não é tão difundida entre as empresas do ramo por dois motivos básicos: perda do histórico do acompanhamento quando da utilização de técnicas de regeneração do óleo isolante e ainda o fato de que papel termoestabilizado não tem produção acentuada de furfural.