Propriedade Dielétrica do Silicone Para
Uso em Transformadores de Distribuição.
Rodrigo Domit Lusa R.A 993006-1
Resumo - Nenhum sistema de distribuição e transmissão de energia pode prescindir de equipamentos que utilizem fluidos isolantes. Dentre tais equipamentos, os transformadores são o exemplo mais típico. Esse líquido além de boas características de condução térmica, deverá satisfazer as exigências eletroisolantes, ser compatível com os materiais de construção, suportar gradientes elevados de temperatura e apresentar estabilidade química. O uso do silicone líquido para substituir os líquidos isolantes de transformadores é estudado desde os anos 80, porém seu custo operacional ainda é elevado. As vantagens deste material estão descritas neste trabalho apresentado pelo alemão H. Borsi do Shering-Institute for HV Engineering and HV Plants, da Universidade de Hannover.
Palavras-chave – Líquidos Isolantes, Silicone líquido, Transformadores de distribuição.
I. INTRODUÇÃO
Por volta dos anos 30, líquidos isolantes baseados em biofenilpoliclorinados (PCB) foram introduzidos ante a necessidade de os transformadores de distribuição serem operados em locais onde houvesse risco de incêndio como shopping centeres e hospitais. Após os transformadores a PCB incendiarem, confirmou-se que os produtos da combustão do PCB sob certas condições eram tóxicos e, portanto, prejudiciais à saúde humana. Por essas e outras razões biológicas, nos anos 80 a indústria foi forçada a pesquisar novas alternativas para este tipo de aplicação.
II. PROPRIEDADES EXIGIDAS DE UM LÍQUIDO ISOLANTE
Nos transformadores, a resistência elétrica dos condutores das bobinas causa aquecimento quando da passagem da corrente, e o calor assim gerado irá ocasionar a degradação térmica do isolante sólido (papel e/ou verniz). Portanto, a principal função dos isolantes fluidos é a refrigeração das espiras do condutor e, dessa forma, quanto melhores forem suas características dielétricas, mais econômico poderá ser o projeto, pela redução da quantidade do isolante sólido e pela diminuição das distâncias de isolação.
III. CARACTERÍSTICAS E ESTRUTURA DE UM LÍQUIDO ISOLANTE IDEAL
Os óleos isolantes para transformadores devem possuir essencialmente duas características:
• boa condutibilidade térmica; e
• boas características de isolamento elétrico.
O fluido a ser empregado deve atender a duas exigências opostas pois os materiais isolantes elétricos são também isolantes térmicos. Para compensar esta deficiência natural, é necessário que o líquido tenha uma viscosidade tal que permita a sua rápida circulação entre as fontes de calor e o meio externo. Assim, obtemos a terceira características dos líquidos isolantes:
• baixa viscosidade.
Sabendo que a principal função é a refrigeração, tais materiais não devem sofrer com a ação da temperatura. Portanto, a quarta característica que devem apresentar é:
• boa estabilidade térmica.
Durante a operação estes líquidos estarão em contato com todos os materiais presentes nos equipamentos, que não dever sofrer ataque químico por parte do líquido isolante, de forma a não perder suas propriedades originais. Chegamos, assim, à última característica básica:
• baixa reatividade química.
É importante, ainda, apontar que os transformadores instalados em locais onde os riscos de incêndio e explosões dever ser minimizados exigem a:
• propriedade especial de resistência ao fogo.
Portanto, este conjunto de propriedades é a base para a avaliação da qualidade e do comportamento em serviço dos líquidos isolantes.
Consideráveis atividades de pesquisas foram direcionadas na procura por substitutos dos fluidos de PCB, com estas propriedades.
Por este caminho determinaram-se as propriedades elétricas e dielétricas de certos fluidos isolantes dos quais muitos se mostraram satisfatórios do ponto de vista biológico e da inflamabilidade.
Dois deles são: o silicone líquido e um fluido de éster. O silicone líquido (polydimethylsiloxane) possui uma viscosidade cinemática de 50 mm2/s a 25°C. Seu nome comercial é: Basilone M50 EL, da Bayer AG.
Os silicones são compostos conhecidos desde o ínicio do século, mas seu preço relativamente elevado fez com que sua introdução como eletroisolante se desse somente a partir de
1974 quando os problemas ecológicos associados aos PCB´s começaram a tomar vulto. Hoje em dia constituem substituto para o ascarel em transformadores na Europa e EUA. Também no Brasil este líquido isolante está sendo introduzido, em unidades novas.
IV. SILICONES
São definidos pela IEC como “líquidos isolantes constituídos de poli(organosiloxanos), cuja estrutura consiste normalmente em cadeias lineares formadas por uma alternância de átomos de silicone e de oxigênio, em que a cada átomo de silicone estão ligados radicais orgânicos.” Na prática apenas têm tido aplicação os poli(dimetilsiloxanos). Devido à diferença de eletronegatividade entre o silício e o oxigênio, a ligação Si-O é polar; porém, devido à sua flexibilidade, a cadeia se arranja espacialmente de modo que o composto apresenta polaridade elétrica resultante desprezível.
As principais características deste isolamento constam da tabela I, onde podem ser comparadas com as características dos outros dielétricos mais correntes.
Tabela 1 – Isolantes líquidos para transformadores Características Unidade Òleo
mineral Silicone Èster orgânico Massa específica g/cm³ 0,88 0,96 0,98 Visc. Cinemát. 25°C mm²/s 11a 18 50 90 Visc. Cinemát. 100°C mm²/s 1,5 a 2,5 15 6 Ponto de fulgor °C 140 305 260 Ponto de ignição °C 160 360 310 Temp. de auto-ignição °C 330 430 435 Calor de combustão kJ/g 46 32 37 Comportamento na combustão - Inflamáv. Auto-extinguível Inflamáv. Condutividade Térmica 25°C W/mJ 0,135 0,15 0,16 Calor específico 40°C J/Gk 1,93 1,53 2,1 Coef. de dilatação K-1 0,00075 0,001 0,00075 Constante dielétrica 25°C - 2,3 2,7 3,2 Fator dissipação 90°C % 0,5 0,1 0,1 Resistiv. 90°C GÙm 100 50 60
Deve-se realçar, entre elas, a boa estabilidade térmica e à oxidação, à inércia química, os elevados pontos de fulgor e ignição e sua relativamente boa inocuidade fisiológica,
toxicológica e ambiental. A sua degradação no ambiente é assegurada quer por catalisadores do solo quer por ação da luz.
A rigidez dielétrica do silicone é, como em outros líquidos, afetada pela umidade e por impurezas sólidas e apresenta um aspecto particular: após uma disrupção há formação de um depósito, constituído por sílica casrbeto de silício e polímero reticulado, que origina uma ponte entre os eletrodos, causando grandes dificuldades de se conseguir um dimensionamento seguro para tensões mais elevadas.
As características de transmissão térmica são mais desfavoráveis e a simples substituição do ascarel por silicone num transformador obriga normalmente a uma subgraduação. O coeficiente de dilatação térmica mais elevado tem de ser considerado nas novas concepções. Além disso, os silicones exibem uma certa tendência à formação de siloxanos reticulados, de consistência gelatinosa, sob influência de descargas parciais. Há de se prever, portanto, um desenho que evite as descargas parciais.
V. PREPARAÇÃO DO SILICONE LÍQUIDO PARA USO COMO ISOLANTE
Os fluidos podem conter água em três diferentes estados: dissolvido, emulsificado e disperso. As moléculas de H2O podem se acumular quimicamente em fluidos que contêm oxigênio.
Comparativamente, o limite de saturação do silicone líquido é bem menor que a dos fluidos de éster, aproximadamente 200 ppm a 20°C e 1100 ppm a 100°C contra 2700 e 7200 ppm respectivamente dos fluidos de éster. As propriedades dielétricas dependem fortemente da sua pureza. Assim, a purificação é essencial antes de determinar suas propriedades dielétricas.
A purificação dos fluidos é feita em uma unidade de dois estágios como mostrado na Figura 1 onde 1-aquecedor, 2-tubo de medição a vácuo, 3-primeiro estágio, 4-válvula de ventilação, 5-, 6-bloco pressurizador, 7-segundo estágio, 8-filtro fino, 9-bomba, 10-tanque de coleta e 11-tanque de armazenamento. No segundo estágio, uma pressão final de 5 pa é atingida. Diferentes quantidades de água podem ser obtidas através da variação da pressão final, da temperatura e da variação do fluxo.
Partiu-se da condição em que foi entregue o silicone líquido, com uma quantidade de aproximadamente 55 ppm de água. Esta quantidade foi reduzida para 10 a 20 ppm. Nestas condições ele se torna bastante higroscópico, portanto é essencial que se evite novas contaminações isolando-o do contato com a atmosfera através do uso de compartimentos secos ou armazenamento a vácuo. A quantidade de água pode ser ajustada adicionando-se água destilada na medida desejada.
Figura 1
VI. PROPRIEDADE DIELÉTRICA DO FLUIDO ISOLANTE PURO
A medição da tensão de ruptura e o fator de dissipação tanδ foram feitos em um cilindro com revestimento de vidro duplo com um diâmetro interno de 80mm. O espaço entre ambos revestimentos é aquecido via regulação por termostato e a temperatura do fluido entre os eletrodos é monitorado por meio de sensores resistivos (PT100). A força elétrica do fluido isolante é determinada pelo uso de eletrodos de cobre hemisféricos VDE com diâmetro de 36mm distanciado de 2,5mm. O fator de dissipação tanδ é feito com o mesmo aparato porém trocando-se os eletrodos hemisféricos por eletrodos de Rogowski com diâmetros de 73 mm e afastados de 35mm. A medição de tanδ é feita através de uma ponte de Schering (Figura 2) a 50 hz. Os eletrodos de referência e de alta tensão são ligados às tampas metálicas dos compartimentos de teste.
Figura 2
Para a medida do ponto de ruptura do silicone a várias temperaturas e com várias quantidades de água, as amostras foram colocadas em campos virtualmente homogêneos dos hemisférios VDE e submetidos a uma tensão crescente a 50 Hz e a uma taxa de 2kV/s até ocorrer a ruptura com intervalos de tempo entre cada medida de 5 min. Neste período, um agitador foi usado para remover qualquer produto sólido de decomposição que aparecer entre os eletrodos, e para dissolver qualquer produto gasoso no fluido. Antes e após cada medida, a quantidade de água em cada amostra é determinada.
VII. FATOR DE DISSIPAÇÃO E TENSÃO DE RUPTURA DO SILICONE
O fator de dissipação a 50Hz do silicone foi plotado em função da temperatura na Figura 3. Os valores do fator de dissipação são virtualmente independentes do campo de tesão a temperaturas entre 0 e 120°C numa faixa de 10 a 60 kV/cm. Nenhuma influência do conteúdo de água foi encontrado no fator de dissipação para até 140 ppm do silicone líquido. Nos óleos minerais e nos difenilclorinados, a rigidez dielétrica pode ser descrita em função da quantidade relativa de água, e assim todos os dados de ruptura a diferentes temperaturas e a diferentes umidades absolutas podem ser mostrados em dependência mutua (Figura 4, curva 1). Isso não ocorre no silicone líquido. Comparando a dependência da temperatura no campo de tesão de ruptura do silicone líquido a diferentes quantidades de água, há uma faixa relativamente larga entre a curva mais baixa e a mais alta. (Figura 4, curvas 2 e 3).
VIII. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
As diferenças na ruptura podem ser explicadas pelos diferentes estados de solução de água no fluido. O crescimento exponencial do fator de dissipação com incremento de temperatura (Figura 3), que é uma característica dos mecanismos de condução iônicos, é devido tanto a redução da viscosidade com conseqüente incremento na mobilidade dos portadores de carga quanto do incremento no número de portadores de carga pela maior dissociação térmica.
Figura 4
A ruptura nos fluidos isolantes é induzida por processos de ionização por colisões em pequenas bolhas de gás ou microcavidades no fluido, que são preenchidas por gases dissolvidos de qualquer substância, como água, por exemplo, ou líquidos voláteis (descargas de gases imperceptíveis). A quantidade de água contida nos fluidos reduz
consideravelmente suas forças elétricas. Entretanto, com o silicone líquido, ao contrário dos óleos minerais e PCB´s, a dependência da temperatura e da quantidade de água no campo de tesão de ruptura não pode ser explicado pela dependência na quantidade relativa de água. Assim a ruptura destes líquidos evidentemente não é devida principalmente a se dissolverem fisicamente na água.
IX. PROPRIEDADES DIELÉTRICAS DOS FLUIDOS PELO ENVELHECIMENTO
O método usado para testar a resistência do silicone sob severas condições de envelhecimento consiste em estocar amostras dos fluidos em um frasco aberto a 150°C por um período de 1000h, com a adição de cerca de 3 g/l de placas de cobre, ferro e de alumínio, e então resfriado a 20°C, para medir o campo de tesão de ruptura a 20, 60 e 100°C. Os resultados dessas medições estão mostradas na Figura 5 em comparação aos fluidos de éster. Para as amostras de silicone líquido com aproximadamente 80 ppm de água, o processo de envelhecimento reduziu sua resistência em comparação com amostras que não foram submetidas ao envelhecimento, particularmente a altas temperaturas.
O silicone líquido provou ser mais resistente ao envelhecimento. Nenhuma mudança no fator de dissipação surgiu em comparação com amostras que não foram submetidas ao envelhecimento.
X. INFUÊNCIA DAS DESCARGAS PARCIAIS NO PONTO DE RUPTURA
Figura 6
Outro ponto do trabalho foi a análise dos efeitos das descargas parciais na rigidez dielétrica de amostras impregnadas feitas de aramida ou papel de celulose. As descargas parciais foram geradas a partir de um arranjo de eletrodos de placa ou de agulha. Para este propósito os eletrodos de Alta Tensão foram substituídos pelo arranjo de eletrodos mostrado na Figura 6 onde 1-suporte da agulha, 2-suporte, 3-peça intermediária, 4-anel isolante, 5-eletrodo de alta-tensão, 6-guia da agulha, 7-eletrodo de agulha e 8-disco de Teflon. O raio máximo do eletrodo de agulha é de 5µm. A intensidade da descarga parcial é medida através de um detector de descargas parciais automático computadorizado. A sensibilidade do detector é de 0,5 pC. Os resultados (Figura 7, coluna 5) mostraram que o ponto de ruptura determinado a 20°C após uma exposição de 1000h com aproximadamente 1000 pC é aproximadamente a mesma para a aramida quanto para o papel de celulose. Nenhuma relação com a intensidade da descarga foi observada neste teste.
Figura 7
XI. CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou algumas das mais importantes propriedades dielétricas do silicone líquido em condições naturais, puras e de envelhecimento.
Através dos resultados concluiu-se que o silicone em combinação com outros materiais no transformador é apropriado para o uso em transformadores de distribuição. Nem o envelhecimento, nem as descargas parciais causaram uma significativa redução na rigidez dielétrica da combinação de papel com o fluido isolante.
Alguns resultados mais importantes:
1. Uma variação na faixa de 10 a 60kV/cm no campo de tesão não afeta o fator de dissipação.
2. Ao natural, possui um ponto de ruptura de mais de 200kV/cm numa faixa de temperatura entre 20 e 150°C. 3. Um envelhecimento de 1000h a 150°C sob a influência de 3 g/l Cu, 3g/l Fé, 3g/l Al e oxigênio atmosférico provocaram algumas mudanças sensíveis nas propriedades do silicone líquido.
4. 1000h de envelhecimento do papel impregnado de dielétrico reduz a rigidez dielétrica em comparação com o material puro.
XII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] H. Borsi, “Dieletric Behavior of Silicone and Ester Fluids for Use in Distribution Transformers” , in Proc. 1991 IEEE Transactions
on Electrical Insulation., pp. 755-762.
[2] J. L. Nunes Jr., “Líquidos isolantes: propriedades, características e tendências,” Revista Eletricidade Moderna, pp. 78-87, Nov. 1994.
