INFORMATIVO TÉCNICO- Manutenção de Transformadores FUNÇÕES DOS ÓLEOS ISOLANTES:
Os transformadores são máquinas elétricas estáticas constituídas pelos seguintes
componentes básicos, do ponto de vista do material:
- Núcleo: Construído com chapas superpostas de liga Aço silício;
- Bobinas: Construídas em fios de cobre, retangulares ou redondos, revestidas pelo
material isolante que poderá ser papel, vernizes ou resinas, ou combinações destes
materiais;
- Tanque: Construído em aço revestido por sistema de pintura adequado; - Estrutura de Montagem da Parte Ativa: A parte ativa, constituída pelo núcleo e
bobinas, é montada no interior do tanque através do uso de estruturas de madeira,
papelão prensado ou mesmo aço.
Núcleo do Transformador – Fabricado pela MTR
- Outros Componentes: Além dos materiais citados acima, são empregados outro sem menores quantidades para outras funções como soldas à base de estanho, materiais de fixação em resina, papelão prensado, colas e etc.
Nos transformadores, a passagem da corrente elétrica pelas espiras de material condutor da bobina primária induz um campo eletromagnético no núcleo de aço silício, que por sua vez, induz uma corrente elétrica na bobina do secundário.
A relação de transformação obtida, será função do número de espiras existentes em cada bobina. Xm, será necessário que não ocorra a passagem de corrente entre as espiras de uma mesma bobina, ou das bobinas para o núcleo e partes aterradas. O isolamento elétrico entre as espiras é feito por meio de papel ou outro isolante sólido, como os vernizes, colocado sobre a superfície do condutor. A resistência elétrica dos condutores das bobinas causa, quando da passagem da corrente, o seu aquecimento. O calor assim gerado, irá causar a degradação térmica do material isolante e, portanto, é fácil observar que quanto mais eficientemente for removido maior será a vida útil do sistema. Assim, vemos que a principal função dos isolantes fluidos é a refrigeração das espiras de material condutor. Além disso, é fácil observar que quanto melhores forem as características isolantes do fluido utilizado, mais econômico poderá ser o projeto do sistema pela redução da quantidade do isolante sólido e pela diminuição das distancias entre espiras, entre bobinas e núcleo e entre estes e as partes aterradas.
Portanto, vemos que os líquidos isolantes devem cumprir duas funções principais nos transformadores:
- Refrigeração
- Isolamento Elétrico
Vista da parte ativa sendo inserida na carcaça após reforma. Trafo 500 KVA
CARACTERÍSTICAS E ESTRUTURA
Através do exposto no capítulo 2, podemos concluir que os óleos para transformadores devem possuir inicialmente 2 características:
- Boa Condutibilidade Térmica
Neste ponto, podemos observar que o material a ser empregado deve atender a duas exigências opostas, isto é, os materiais isolastes elétricos são também isolantes térmicos. Para compensar esta deficiência natural, é necessário que o líquido a ser utilizado tenha uma viscosidade tal que permita a sua rápida circulação entre as fontes de calor e o meio externo.
Assim, obtemos a terceira característica dos óleos isolantes: - Baixa
Viscosidade
Sabendo que a principal função dos fluidos isolantes é a refrigeração das bobinas, é fácil observar que estes materiais não devem sofrer a ação da temperatura. Temos, então a quarta característica que devem apresentar os óleos isolantes: - Boa Estabilidade Térmica
Durante a operação dos transformadores os isolantes líquidos, por circularem em todo o sistema, estarão em contato com todos os demais materiais presentes nos equipamentos. Estes materiais não devem sofrer ataque químico por parte do líquido isolante de forma a não perder suas propriedades originais e chegamos assim à última característica básica dos óleos isolantes: - Baixa
Reatividade Química
Assim, em resumo, os óleos isolantes para transformadores devem apresentar as seguintes características fundamentais:
- Boa Condutibilidade Térmica;
- Boas Características de Isolamento Elétrico; - Baixa Viscosidade;
- Boa Estabilidade Térmica; - Baixa Reatividade Química; - Resistência ao fogo.
É importante ainda, apontar que os transformadores instalados em locais onde o risco de incêndios e explosões deve ser minimizado, exigem uma propriedade especial do isolante a ser empregado, a propriedade de resistência ao fogo. Assim, os transformadores instalados em locais de circulação de pessoas, como prédios residenciais e comerciais, instalações industriais internas e veículos, devem ter um meio isolante que, além das propriedades básicas já descritas, seja também retardante de chama. No decorrer deste trabalho veremos que este conjunto de propriedades é a base para a avaliação da qualidade e do comportamento em serviço dos óleos isolantes.
PRINCIPAIS ESTRUTURAS:
Neste item vamos apresentar e discutir as estruturas químicas dos óleos isolantes para transformadores mais utilizados até o momento. Será de
apresentação das diversas estruturas e a compreensão de suas aplicações, dividiremos os óleos isolantes em 2 tipos principais:
- Óleos de Uso Geral: São os que atendem apenas às características essenciais.
- Óleos de Segurança: São aqueles considerados como retardantes de chama.
Óleos de Uso Geral:
São óleos minerais obtidos a partir da refinação do petróleo, constituindo-se basicamente de Hidrocarbonetos. Seu processo de obtenção inicia-se com a destilação do petróleo bruto separando-se a fração de 20 cSt de viscosidade. Esta fração é então refinada removendo-se os compostos não hidrocarbônicos por processos químicos e, em seguida, removendo-se compostos ácidos e insaturados por meio de agentes adsorventes, hidrogenação catalítica ou extração por solventes.
Assim, o produto obtido é constituído quase exclusivamente por Hidrocarbonetos e as propriedades do produto quando em operação, irão seguir as desta classe de compostos químicos. Atualmente, no mercado brasileiro, encontramos 2 tipos de óleos isolantes minerais classificados como Parafínico e naftênicos. Esta classificação diz respeito ao petróleo básico do qual foi refinado. Para fins de manutenção e operação convencional em transformadores podemos considerar igualmente os dois tipos, sem necessidade de diferenciação. A estrutura básica dos Hidrocarbonetos saturados, chamados Alcanos, é dada a seguir e será utilizada neste trabalho para descrever o comportamento em serviço deste produto.
-C-C-C...C-C-C-
ENSAIOS
Ponto de Anilina:
Este ensaio consiste em misturar uma amostra de óleo isolante com anilina e aquecer sob agitação até que os dois produtos se misturem de forma homogênea. A temperatura em Celsius onde ocorre a mistura é chamada de Ponto de Anilina. A anilina é um composto aromático leve e mistura-se bem aos aromáticos leves presentes no óleo isolante. Assim, quanto maior o teor de aromáticos leves no óleo, menor será a temperatura de mistura e vice-versa. Os compostos aromáticos leves são facilmente oxidados nas condições de operação dos transformadores. O limite inferior procura garantir que o teor destes compostos não seja excessivo para que não ocorra a rápida oxidação da massa de óleo.
Por outro lado, os compostos aromáticos leves atuam como inibidores naturais, quando presentes em pequenas quantidades, por um mecanismo que será discutido mais adiante. Por isso é também estabelecido um limite superior para garantir que o produto possui aromáticos leves capazes de inibir o processo de oxidação dos demais hidrocarbonetos.
Cor:
Este ensaio consiste em comparar a cor de uma amostra do óleo, com uma série de padrões de cores pré definidas.
Os hidrocarbonetos que constituem o óleo são incolores. Assim, quanto melhor for o processo de refino, mais clara será a cor do produto final. Os valores adotados na tabela 1, procuram garantir o processo correto de refino.
Pontos de Fulgor e Fluidez-
São ensaios simples que informam sobre os extremos da faixa de peso molecular dos hidrocarbonetos existentes no óleo avaliado. O ensaio de Ponto de Fulgor (Vaso Cleveland) consiste em aquecer o óleo isolante e, simultaneamente, expô-lo à ação de uma chama próxima à superfície do produto. Com o aquecimento, os compostos voláteis presentes no óleo irão vaporizar até que inflamarão sob a ação da chama. A temperatura onde ocorre a chama (Flash) é tomada como o ponto deFulgor.
Assim, podemos concluir que este ensaio é uma determinação indireta da quantidade de compostos voláteis presentes na amostra de óleo. Quanto maior for o teor de voláteis, menor será o Ponto de Fulgor. É estipulado um valor mínimo como forma de garantir um teor máximo de voláteis.
Ponto de Fluidez
O ensaio de Ponto de Fluidez consiste em resfriar uma amostra do óleo isolante até que cesse seu escoamento pela ação da gravidade. A temperatura em Celsius onde isto ocorre é tomada como o Ponto de Fluidez. Os hidrocarbonetos de alto peso molecular e cadeia reta são os mais sensíveis à diminuição da temperatura e, portanto, mais elevado será o Ponto de Fluidez quanto maior for o teor destes compostos na amostra. Observamos portanto, que os dois ensaios em conjunto visam garantir que o produto foi obtido a partir do refino da faixa correta de destilação do petróleo.
Densidade e Viscosidade:
Estes dois ensaios tem o mesmo objetivo dos 2 anteriores. A densidade é a medida da quantidade de massa por volume dos materiais e a Viscosidade é a medida da força necessária para o escoamento de um líquido. Ambas as
propriedades são função, nos hidrocarbonetos, do seu peso molecular. O conjunto de ensaios até aqui descrito destina-se, como podemos ver, exclusivamente a avaliação da qualidade de fabricação do produto.
Tensão Interfacial:
Este ensaio é feito colocando-se uma camada de óleo isolante sobre uma camada de água e, em seguida, fazendo-se um anel de platina imerso na água passar para a camada de óleo. A força necessária para fazer com que o anel rompa a superfície da água é tomada como a Tensão Interfacial Óleo/Água. A água é o óxido de hidrogênio, portanto, um material altamente oxigenado e de elevada polaridade molecular. Os hidrocarbonetos, por outro lado, são substancias de muito baixa polaridade em sua molécula e não oxigenadas. Assim, quanto mais puro for o óleo, menor será sua interação com a camada de água e mais alto será o valor obtido para o ensaio. Um valor mínimo garante baixos teores de substancias oxigenadas e polares no produto.
Este ensaio, como veremos adiante, ao contrário dos anteriores é de grande importância na avaliação das condições de operação dos óleos minerais.
Rigidez Dielétrica:
Este ensaio é uma medida da capacidade do isolante de resistir ao impacto elétrico.Consiste em colocar uma amostra de óleo entre 2 eletrodos padrão e submete-la a incrementos constantes de tensão alternada até que ocorra a ruptura do meio isolante e a conseqüente descarga entre os eletrodos.Os hidrocarbonetos que compõem o óleo isolante, por apresentarem polaridade elétrica muito baixa, possuem uma Rigidez Dielétrica “intrínseca” extremamente elevada. Esta resistência ao impacto é sensivelmente diminuída pela presença de impurezas polares, como a água e outros oxigenados, e sólidas, como partículas microscópicas.Vemos, portanto, que este ensaio objetiva verificar a pureza do produto e, por conseguinte, a qualidade dos processos de fabricação, transporte e manuseio.
Perdas Dielétricas:
Este ensaio consiste na determinação da tangente ou seno do angulo de fase entre tensão e corrente quando se aplica uma tensão a 60 Hz no óleo a analisar. A amostra é colocada entre os 2 eletrodos de um capacitor e, em seguida é aplicada uma tensão constante a uma temperatura fixa. A leitura obtida para os parâmetros
acima é tomada como o fator de Perdas Dielétricas. Como no caso anterior, o valor de perdas intrínseco aos hidrocarbonetos é extremamente baixo e é alterado pela presença de impurezas. Neste caso, por ser um ensaio executado em condições de equilíbrio é sensível também às impurezas solúveis, que não interferem na Rigidez Dielétrica.
Estabilidade à Oxidação:
Neste ensaio, a amostra de óleo é submetida a aquecimento a 100 Celsius, com borbulhamento de oxigênio e em presença de catalisador de cobre. Ao final de 164 horas a amostra é retirada do sistema e determina-se o seu teor de borra e índice de acidez. A borra, sobre o que falaremos mais adiante, é um produto da oxidação dos hidrocarbonetos. Também os produtos ácidos determinados pelo índice de acidez são resultantes da sua oxidação. Este ensaio visa, portanto, avaliar a estabilidade química da amostra em estudo. É muito importante observar que este ensaio não guarda nenhuma relação com o processo real de oxidação do isolante no transformador. Trata-se apenas de uma medida da qualidade de fabricação do produto e indica uma tendência à oxidação mais rápida ou mais lenta.
Enxofre Corrosivo:
É um ensaio simples que consiste em imergir uma pequena tira de cobre polido na amostra de óleo e, após submeter o conjunto a aquecimento sob atmosfera de Nitrogênio por 16 horas a 140 Celsius, observar o aparecimento de manchas negras de sulfeto de cobre na superfície da tira. Seu objetivo é verificar a eficiência da remoção dos compostos de enxofre durante o processo de refino.
Teor de Aditivo Antioxidante:
O objetivo deste ensaio é apenas o de verificar a presença e teor de aditivo antioxidante na amostra de óleo, por meios químicos. Sua importância reside no fato de que um óleo isolante contendo este tipo de aditivo irá apresentar excelentes resultados no ensaio de Estabilidade à Oxidação, impedindo a verificação da real estabilidade química do produto original. No caso dos óleos adquiridos com este aditivo, é necessário verificar se o teor é aquele especificado por ocasião da compra.
Teor de Água:
Este ensaio consiste na determinação, através de reações químicas, da quantidade de água presente na amostra de óleo sob análise. A água apresenta solubilidade muito baixa nos hidrocarbonetos, contudo em óleos minerais novos, é solúvel até a faixa de 60 a 70 ppm/ Acima destes teores iremosencontrar água em suspensão no óleo isolante. No caso dos óleos novos, este ensaio visa verificar a qualidade dos processos de fabricação e transporte e manuseio do produto.
Índice de Acidez Total:
É uma determinação por via química da quantidade total de todos os compostos capazes de reagir com solução alcoólica de Hidróxido de Potássio. Todos os compostos ácidos, ou que possam dar reação ácida nestas condições, irão ser determinados por este método.
Assim, iremos determinar a presença de compostos oxigenados, sulfurados e outros. Para óleos novos, irá também verificar a qualidade dos processos de refinoe fabricação. Os óleos de origem mineral foram os primeiros produtos desenvolvidos para utilização como fluido refrigerante em transformadores. Portanto, os projetos básicos da maioria dos transformadores isolados a óleo são baseados nas suas propriedades e os fluidos desenvolvidos para aplicações especiais, que estudaremos a seguir, procuram aproximar-se de suas características. Assim, a compreensão das propriedades dos óleos minerais é essencial para o perfeito entendimento dos demais.
MANUTENÇÃO PREVENTIVA DOS TRANSFORMADORES:
a) Conceitos Básicos:
A manutenção preventiva é uma técnica baseada na intervenção em equipamentos, corrigindo preventivamente situações ou componentes cuja deterioração ou desgaste é previamente conhecido. Tem como objetivo principal reduzir a ocorrência de falhas, evitando as interrupções de funcionamento e diminuindo os custos da manutenção tradicional corretiva. De uma forma prática, isto se traduz na substituição de partes dos equipamentos mais sujeitas ao desgaste, antes que venham a falhar, com o objetivo de prolongar a vida útil de todo o sistema e evitar a ocorrência de falhas. É também freqüentes a alteração de condições de operação com o objetivo de aumentar a expectativa de vida.Nos transformadores, o componente mais sujeito ao desgaste e deterioração é o sistema papel/óleo isolante. Assim, sua vida útil está diretamente relacionada à vida do isolamento sólido aplicado sobre as espiras. Uma vez perdido este isolamento, a tarefa básica do transformador não mais será executada e o reparo necessário consistirá no reisolamento total das bobinas. Portanto, observamos que a manutenção preventiva destes equipamentos não pode consistir na substituição periódica do papel isolante, devido ao alto custo desta operação.
Nos transformadores elétricos, a manutenção preventiva consiste em minimizar os fatores que aceleram o envelhecimento do papel isolante.
A manutenção preventiva visa também otimizar as condições de operação dos transformadores de forma a reduzir a probabilidade de ocorrência de falhas. No caso dos transformadores isto consiste em manter o meio isolante livre de impurezas que possam prejudicar seu desempenho.
Vista de núcleo retirado para manutenção na MTR – (Trafo 1,5 MVA)
Vista do Transformador após a REVISÃO completa na MTR (trafo 1,5 MVA)
b) Prolongamento da Vida Útil:
O papel isolante utilizado em transformadores é produzido a partir da celulose vegetal de fibra longa. Devido à sua utilização, esta celulose deve ser o mais pura possível que eventuais impurezas não prejudiquem suas propriedades isolantes. Assim, o processo de envelhecimento do papel isolante será estudado a partir do comportamento da celulose. A celulose é, do ponto de vista químico, um açúcar polimérico (polissacarídeo) que sofre degradação pela ação do calor e agentes químicos. Entre as reações químicas dos polissacarídeos, a mais importante para o papel isolante é a de hidrólise, isto é, sua decomposição por ação da água.
A seguir, ilustramos estes processos.
(1)CELULOSE+CALOR->H20+C02+CELULOSE(2) Sob a ação do calor, a
molécula da celulose (1) parte-se em 2 ou mais pedaços, (celulose 2) menores que a molécula original. ÁCIDOS(1)CELULOSE+H20 ---
>CELULOSE(2)+CELULOSE(3) CALOR Em contato com a água em
presença de ácidos e calor, a molécula da celulose hidrolisa-se, resultando em 2 ou mais moléculas de celulose de peso molecular menor que o original.Como em todo polímero, suas propriedades mecânicas e elétricas dependem do peso molecular e, portanto, do tamanho da molécula. A continuidade dos processos descritos acima faz com que o papel isolante perca, ao longo do tempo, suas propriedades de resistências mecânica e elétrica, levando o transformador a falhar.
Podemos concluir agora, que a principal ação de manutenção preventiva para aumento da vida útil de transformadores consiste em proteger o papel isolante da ação do calor, da água e dos compostos ácidos.
c) Prevenção de Falhas:
Durante a operação dos transformadores, seu sistema isolante é constantemente solicitado eletricamente. Para que não ocorram descargas e é necessário que o isolamento esteja sempre em perfeitas condições. Um dos fatores que prejudicam as propriedades isolantes dos materiais é a presença de impurezas misturadas de forma heterogênea. A existência de descontinuidades nos materiais isolantes deforma o campo elétrico na vizinhança, ocasionando a ocorrência de pequenas descargas parciais. Este processo altera as propriedades isolantes do material, prejudicando o seu desempenho.No que se refere aos óleos isolantes, estas impurezas consistem principalmente na presença de água e partículas sólidas em suspensão.
Comportamento da Água:
A água pode estar presente nos óleos isolantes em solução ou em suspensão, e a sua interferência nas propriedades do isolante será função da forma em que se encontra. A água será dissolvida, até o limite de sua solubilidade no fluido em questão e nesta forma, por compor uma mistura homogênea com o isolante, não irá interferir significativamente nas suas propriedades elétricas. A quantidade total de água que um fluido será capaz de dissolver é função da quantidade de compostos polares e oxigenados presentes no líquido.Quando em solução, a água irá participar da reação de hidrólise do papel isolante, diminuindo a sua vida útil.
A água em suspensão no líquido isolante irá atuar de maneira idêntica a um apartícula sólida não condutora, alterando o campo elétrico nas proximidades e interferindo negativamente nas propriedades de Rigidez Dielétrica e Perdas Dielétricas.
