17/02/2016 - Equipe Target
A degradação do isolante sólido em transformadores
Os transformadores de potência são equipamentos importantes na rede elétrica, tanto para a distribuição quanto para o uso. O principal sistema isolante em transformadores elétricos consiste de um papel (isolante sólido) impregnado com óleo mineral.
O envelhecimento e a degradação do isolante sólido determinam a vida útil do transformador. À medida que o papel isolante perde as suas propriedades mecânicas, torna-se vulnerável à ruptura quando o equipamento é submetido à esforços devido a curtos-circuitos.
A NBR IEC 60450 de 04/2009 - Medição do grau de polimerização viscosimétrico médio de materiais celulósicos novos e envelhecidos para isolação elétrica descreve um método moralizado para a determinação do grau de polimerização viscosimétrico médio (DPv) de materiais celulósicos novos e envelhecidos para isolação elétrica. Pode ser aplicada a todos os materiais celulósicos para isolação elétrica, tais como aqueles usados na fabricação de transformadores, cabos ou capacitores.
Os métodos descritos podem também ser usados na determinação da viscosidade intrínseca de soluções de papel kraft quimicamente modificados, desde que estes se dissolvam completamente no solvente selecionado. Convém que sejam tomados cuidados se o método for aplicado em papéis kraft com carga.
A experiência indicou a necessidade de uma descrição melhorada do método experimental para a determinação reprodutível do grau de polimerização viscosimétrico médio de materiais celulósicos novos e envelhecidos para isolação elétrica. O principal erro é causado pela degradação oxidativa que ocorre durante o processamento e determinação do tempo de escoamento. Outros fatores significantes incluem a necessidade de garantir que todo o material é dissolvido e usado, bem como o efeito da velocidade de escoamento.
A degradação do isolamento sólido é fator determinante da vida útil do equipamento, uma vez que, diferentemente do óleo, que pode ser tratado, regenerado ou substituído, a sua troca implica na desmontagem do transformador e intervenção nos enrolamentos que compõem a parte ativa. Os materiais isolantes sólidos são produzidos a partir de celulose, cujos parâmetros de avaliação se baseiam no grau de polimerização.
Na medida em que um transformador permanece em operação há o seu natural aquecimento. Esse fator, conjugado com a umidade e o oxigênio que permanecem impregnados no óleo isolante, provoca a degradação da isolação e consequente diminuição do grau de polimerização.
A sua diminuição está diretamente associada à quebra das cadeias celulósicas que compõem estes materiais, devido à ação de fenômenos inerentes ao funcionamento normal de transformadores que são de natureza térmica (aquecimento), oxidativa (oxigênio) e hidrolítica (umidade). Alguns procedimentos de manutenção, com secagem do óleo para remoção da umidade nele dissolvido, instalação de dispositivos de selagem que isolem o contato do óleo com o ar ambiente, ou a correta manutenção dos filtros de sílica (para retirada de umidade do ar que entra em contato com o óleo do transformador), são práticas importantes e necessárias, que associadas a baixas temperaturas de operação (por condições do ambiente e de regime de carga) estendem a vida do sistema isolante sólido, porém não permitem eternizá-lo.
A condição de conservação do transformador e a sua vida remanescente são determinadas através da análise do grau de polimerização de amostras de papel isolante coletadas no ponto mais quente das bobinas, normalmente localizado nas partes mais internas e na região superior dos enrolamentos. Essas amostras são analisadas e os resultados são comparados com valores de referência para papéis isolantes novos e no final da sua vida útil.
Em papéis novos, após processo de secagem, os valores médios de referência são da ordem de 1.000 a 1.100 e no fim da vida útil de 150 a 250. Estes valores de referência são utilizados normalmente por fabricantes, empresas concessionárias de energia elétrica e entidades de pesquisa.
Quanto mais deteriorado estiver o papel isolante, menor será o grau de polimerização. Consequentemente, as cadeias celulósicas estarão quebradas e o papel, mais quebradiço, terá menor capacidade de suportar esforços mecânicos, principalmente quando o transformador for submetido a um curto-circuito.
Enfim, o papel isolante é composto por longas fibras de celulose. O comprimento médio das moléculas de celulose pode ser estimado por seu grau de polimerização, que determina o número médio de unidades de glicose para cada cadeia de celulose. Os materiais isolantes utilizados em transformadores, são de base celulósica (papel kraft, papelão kraft, papel manilha e papelão com fibra de algodão), impregnados com óleo.
O papel kraft é utilizado na forma de finas camadas envolvendo os enrolamentos ou na forma de espaçadores e tubos de alta densidade para promover o isolamento entre níveis de tensão e entre fases. Nas buchas cerâmicas capacitivas e não capacitivas de alta tensão, é usado papel impregnado com óleo ou com resina.
Nas buchas de menor tensão podem ser utilizados materiais cerâmicos ou poliméricos. Madeira laminada também é empregada em locais onde se requer resistência a solicitações mecânicas. Vernizes compatíveis com o óleo também podem ser utilizados, em alguns casos, para o isolamento entre as espiras.
O papel mais utilizado é o kraft, porém, quando se deseja resistência a altas temperaturas, emprega-se papel termoestabilizado, que é um papel cuja celulose sofre um tratamento especial. O papel nomex (poliamida) também pode ser utilizado como espaçador, enchimento de bobinas, isolamento de terminais e outras aplicações suportando temperaturas da ordem de 180 °C a 200 °C.
O óleo isolante mineral, de base parafínica ou naftênica, é utilizado devido as suas propriedades dielétricas e refrigerantes (baixa viscosidade). As resinas e as fibras são empregadas com a finalidade de fixação de componentes isolantes e magnéticos. Os materiais elastômeros e tintas compatíveis como óleo mineral são utilizados com a finalidade de promover a vedação e proteção do transformador.
O óleo mineral isolante utilizado em equipamentos elétricos é obtido através da destilação do petróleo natural, da fração de 300 a 400 °C. Este destilado pode ser de origem parafínica ou naftênica, dando origem ao correspondente óleo mineral isolante. O óleo mineral isolante é uma mistura na qual a maioria das moléculas é constituída basicamente por carbono e hidrogênio (hidrocarbonetos) e, em pequenas quantidades, por compostos que apresentam nitrogênio, enxofre e oxigênio em sua estrutura.
Os hidrocarbonetos, os quais constituem a maior parte do óleo, podem ser divididos em três grupos: parafínicos que são os saturados de cadeia aberta linear ou ramificada; os naftênicos que são os saturados de cadeia fechada contendo de um a seis anéis, sendo que estes podem possuir uma ou mais cadeias laterais lineares ou ramificadas; e os aromáticos que são os hidrocarbonetos contendo um ou mais anéis aromáticos, podendo ou não apresentar cadeias laterais. O óleo possui também compostos orgânicos de enxofre termicamente estáveis que são inibidores naturais do processo de oxidação e consequentemente do envelhecimento.
FONTE: Equipe Target
