Proposta de apresentação de Trabalho Técnico para CIGRÉ XI ERIAC

Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
AVALIAÇÃO DA EXTENSÃO DA VIDA ÚTIL DO PAPEL KRAFT ISOLANTE EM
ÓLEO VEGETAL ISOLANTE
M. B. C. Stocco*
H. M. Wilhelm*
A. Cabrino**
P. Fernandes*
*Diagno Materiais e Meio Ambiente
**Elektro, Eletricidade e Serviços S.A.
RESUMO
Estudos demonstram que entre as vantagens do uso de óleos vegetais isolantes (OVIs) está a
extensão da vida útil do transformador que se dá de duas maneiras: devido à migração da umidade do
papel isolante para o OVI e à possível reação de esterificação entre a celulose e os produtos da
oxidação do OVI. O projeto de pesquisa do DIAGNO com a ELEKTRO tem como objetivo avaliar
esta migração e a ocorrência desta reação de esterificação. Para isto, ensaios laboratoriais de
envelhecimento acelerado foram realizados simulando as condições reais de operação de
transformadores. O OVI utilizado foi o BIOVOLT A na presença de cobre e papel Kraft normal e
termoestabilizado. Tanto as amostras de OVI, quanto de papel isolante, tiveram o teor de água
determinado por uma nova metodologia desenvolvida para atender as especificações do OVI, devido à
inexistência de normas específicas para este fluido, sendo até então utilizadas as técnicas consagradas
para os óleos minerais isolantes (OMIs). As amostras de papel isolante passaram por ensaios de Grau
de Polimerização (GP) e Infravermelho (IR) para verificar a possível reação de esterificação. Os
resultados obtidos demostraram o aumento da umidade no OVI e o decréscimo da umidade no papel
isolante o que pode caracterizar a migração da umidade do papel para o OVI, aumentando assim a vida
útil da isolação sólida do transformador.
PALAVRAS-CHAVE
Óleo vegetal isolante, ésteres naturais isolantes, óleos isolantes biodegradáveis, extensão da vida útil,
BIOVOLT A; fluidos isolantes, transformadores de distribuição, migração da umidade,
envelhecimento acelerado, novas tecnologias.
1.
INTRODUÇÃO
Os transformadores elétricos têm um sistema de isolamento constituído por um líquido
isolante e uma isolação sólida, o papel Kraft. O óleo mineral vem sendo largamente utilizado como
fluido isolante e refrigerante por mais de um século devido à sua grande disponibilidade, baixo custo e
por apresentar ótimas características dielétricas e refrigerantes.
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O óleo mineral isolante, por ser um derivado do petróleo, pode provocar impactos ambientais
graves no caso de acidentes com vazamentos ou derramamentos, além de ter sua disponibilidade
questionável devido à crise de escassez de petróleo que assola o mundo. Visando minimizar estes
problemas, novos fluidos isolantes vêm sendo desenvolvidos à base de ésteres vegetais que
apresentam características biodegradáveis, renováveis e de fluidos de segurança.
Segundo pesquisas realizadas [1-4] uma das principais vantagens do óleo vegetal isolante frente
ao óleo mineral é a ocorrência de uma reação de esterificação da celulose presente no papel Kraft com
os produtos de oxidação do óleo vegetal. Segundo fabricantes de óleo vegetal isolante [5] [6] esta reação
é responsável pela extensão da vida útil do transformador de 2 a 10 vezes a mais em comparação ao
equipamento isolado com óleo mineral.
Conseguindo comprovar a existência desta reação de esterificação em laboratório e realizando
análises em amostras de papel isolante inseridas em um transformador em operação, para avaliar a
influência da temperatura e da umidade na extensão da vida útil do papel em função desta reação, o
uso de fluidos desta natureza certamente será ampliado.
Devido a sua natureza química, os ésteres naturais apresentam grande afinidade com a água.
Esta propriedade contribui para o aumento da vida útil do isolamento sólido. Resultados de estudos de
envelhecimento mostraram que o papel isolante tem sua vida estendida na presença de óleos de base
vegetal em comparação aos transformadores isolados com óleo mineral [4]. A água no óleo vegetal é
consumida no processo de hidrólise do triacilglicerol gerando ácidos graxos livres de cadeia longa [1] [2]
[3]
. Este mecanismo de hidrólise favorece o deslocamento de mais moléculas de água do papel para o
fluido isolante para manter o equilíbrio químico, ou seja, este deslocamento promove, de uma forma
indireta, a secagem do papel Kraft isolante [2].
Adicionalmente, a literatura reporta que os compostos ácidos livres de cadeia longa formados
a partir da hidrólise do triacilglicerol reagem com as hidroxilas da celulose via reação de esterificação,
impedindo a degradação da celulose por estes sítios ativos [3], ou seja, evitando sua degradação
precoce. Estes trabalhos mostram os benefícios que o óleo vegetal pode trazer para o papel Kraft
isolante quanto à extensão da sua vida útil.
Elucidar essas questões é um dos objetivos dessa pesquisa desenvolvida pela ELEKTRO em
parceria com o DIAGNO.
2.
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1
Aquisição e Caracterização dos Materiais
O óleo vegetal isolante, BIOVOLT A, foi fornecido pela empresa MINERALTEC. Este óleo
foi caracterizado de acordo com a norma ABNT NBR 15422.
O papel Kraft termoestabilizado foi doado pela empresa ISOLETRI. Este papel é fabricado
pela MUNKSJÖ PAPER e importado da Suíça pela empresa doadora. Este papel teve suas
propriedades físico químicas determinadas baseando-se na norma ABNT NBR IEC 60554-2.
O papel Kraft foi doado pela empresa ISOELETRI. Este papel é fabricado pela empresa
PUCARO PAPER e importado da Alemanha pela empresa doadora. Este papel teve suas propriedades
físico químicas determinadas com base na norma ABNT NBR IEC 60641-2.
Todos os papéis isolantes envolvidos no estudo tiveram os seus graus de polimerização (GP)
determinados pela norma ABNT NBR 8148.
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O cobre metálico foi cedido pela empresa WEG TRANSFORMADORES, sendo este o
mesmo material que a empresa utiliza na fabricação de transformadores.
2.2
Ensaios de Envelhecimento Acelerado em Laboratório
Foram realizados envelhecimentos acelerados a 90, 110 e 140 oC, com base no
apêndice A do guia da IEEE ANSI C57.100:1992, com o intuito de verificar a migração da
água do papel isolante para o OVI e investigar a ocorrência da reação de transesterificação na
superfície do papel. As proporções adotadas entre BIOVOLT A e papel nos experimentos
realizados foram baseadas na real proporção que um transformador apresenta de isolante
líquido e de isolação sólida (10:1, m/m). O envelhecimento foi conduzido na presença de
cobre metálico, cuja quantidade adicionada também seguiu a mesma proporção utilizada em
um transformador, 20 cm2 de superfície de contato para cada 1 g de isolação sólida.
Estes materiais foram acondicionados em frascos de aço inox com tampa esmerilhada
de acordo com a Figura 1. Foi borbulhado gás nitrogênio no óleo para a retirada de oxigênio.
Cada tubo foi enchido com OVI BIOVOLT A com 500 ppm de água e cobre. Foi
utilizado papel Kraft neutro e papel Kraft Termoestabilizado.
Figura 1 – Materiais para o ensaio de envelhecimento.
Ao término do envelhecimento, que teve duração de 840 horas, foi determinado o teor de água
nos óleos pelo método Karl Fischer (ABNT NBR 5758), índice de neutralização nos óleos (ABNT
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NBR 14248): e o grau de polimerização (GP) nos papéis submetidos aos ensaios (ABNT NBR IEC
60450).
Para os envelhecimentos submetidos à temperatura de 90 ºC e 140 ºC foram obtidos
espectros na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) das superfícies dos
papéis.
3.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1
Aquisição e Caracterização dos Materiais
O óleo vegetal isolante, BIOVOLT A, foi caracterizado de acordo com a norma ABNT NBR
15422. A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos para os ensaios de caracterização previstos na
referida norma.
Todos os ensaios mencionados atenderam as especificações definidas pela norma ABNT NBR
15422.
Tabela 1: Caracterização físico química do Óleo Vegetal BIOVOLT A.
Ensaio
Parâmetro
Índice de neutralização, (mg KOH/g óleo)
0,06 máx
Teor de água (ppm m/m)
200
Densidade a 20 ºC, (g/ml )
0,96 máx
Fator de perdas dielétricas a 25 ºC, (%)
0,20 máx
Fator de perdas dielétricas a 100 ºC (%)
4,0 máx
Ponto de fulgor, (°C)
275 mín
Ponto de combustão, (°C)
300 mín
Rigidez dielétrica, (kV)
30 mín
Viscosidade a 40 ºC, (cSt)
50 máx
Viscosidade a 100 ºC, (cSt)
15 máx
Ponto de fluidez, (0C)
- 10 máx
Resultado
0,01
55
0,9182
0,03
0,70
310
340
49
31,53
7,66
-12
O papel Kraft termoestabilizado teve suas propriedades físico químicas determinadas
baseando-se na norma ABNT NBR IEC 60554-2. Todos os ensaios atenderam a normatização vigente.
O papel Kraft teve suas propriedades físico químicas determinadas com base na norma ABNT
NBR IEC 60641-2. Todos os ensaios atenderam as especificações definidas pela norma.
3.2
Avaliação do teor de água no OVI e no papel isolante após os ensaios de
envelhecimento acelerado em laboratório
Devido a sua natureza química, o óleo vegetal pode apresentar dez vezes mais água
solubilizadas em comparação ao óleo mineral. A umidade é o principal agente de degradação da
isolação sólida do transformador [4]. Por causa da sua grande capacidade de saturação de água e outras
características químicas, o óleo vegetal isolante pode prolongar a vida útil do papel isolante
absorvendo a água do papel.
Esta transferência das moléculas de água do papel isolante para o BIOVOLT A pôde ser
comprovada nos ensaios de envelhecimento acelerado realizados a 90, 110 e 140 C por 840 horas,
cujos resultados estão apresentados na Figuras 2. Pode-se observar um aumento na quantidade de água
no BIOVOLT A, de acordo com a norma ABNT NBR 5758.
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Teor de Umidade no óleo isolante
vegetal (%)
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000
000
000
000
000
000
000
000
000
000
000
000
0
200
400
600
400
600
Tempo (h)
Tempo (h)
(b)
(a)
Figura 2: Teor de água no óleo isolante após envelhecimento acelerado em presença de papel Kraft
neutro (a) e papel Kraft Termoestabilizado (b) por 840 h.
Envelhecimento a 90˚C; Envelhecimento a 110˚C; Envelhecimento a 140˚C.
0
200
O Índice de Neutralização, que caracteriza a degradação do óleo isolante, foi determinado de
acordo com a norma ABNT NBR 14248: e os resultados estão dispostos na Figura 3.
70
60
60
Índice de Neutralização
(mg (But)4NOH)
70
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
0
250
500
750
1000
500
750
1000
Tempo (h)
Tempo (h)
(a)
(b)
Figura 3: Índice de neutralização do óleo isolante após envelhecimento acelerado em presença de
papel Kraft neutro (a) e papel Kraft Termoestabilizado (b) por 840 h.
Envelhecimento a 90˚C; Envelhecimento a 110˚C; Envelhecimento a 140˚C.
0
250
Conforme esperado, o óleo em presença do papel termoestabilizado apresentou menor índice
de acidez comparado ao óleo em contato com o papel Kraft neutro.
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O grau de polimerização (GP) foi determinado nos papéis submetidos aos ensaios de acordo
com a norma ABNT NBR IEC 60450. Tais resultados encontram-se na Figura 4.
Grau de Polimerização
1400
1400
1200
1200
1000
1000
800
800
600
600
400
400
200
200
0
0
500
750
1000
0
250
500
750
1000
Tempo (h)
Tempo (h)
(a)
(b)
Figura 4: Grau de Polimerização do papel Kraft neutro (a) e papel Kraft Termoestabilizado (b) após
envelhecimento acelerado por 840 h.
Envelhecimento a 90˚C; Envelhecimento a 110˚C; Envelhecimento a 140˚C.
0
250
Os resultados obtidos de grau de polimerização mostram uma diminuição esperada,
porporcional ao índice de neutralização.
3.3
Avaliação da ocorrência da reação de transesterificação na superfície do papel
Kraft termoestabilizado
Segundo Liao e colaboradores [7], a reação de transesterificação entre o óleo vegetal e a
celulose pode ser comprovada por análise de espectroscopia na região do infravermelho em amostras
de papel envelhecidos em óleo vegetal isolante comparativamente com papéis envelhecidos em óleo
mineral isolante. Estes autores observaram uma banda característica da função carbonila em 1746 cm1
, indicadora da esterificação da celulose com ácidos graxos de cadeia longas do óleo vegetal isolante.
Ácidos graxos de cadeia longa são produtos da hidrólise do óleo vegetal isolante.
Na Figura 5 estão apresentados os espectros de FTIR das amostras de papel Kraft envelhecidas
em BIOVOLT A e do papel novo (não envelhecido). E, na Figura 6, os espectros de FTIR das
amostras de papel Kraft termoestabilizado nas mesmas condições.
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0,019
Absorbância (u.a.)
0,017
0,015
0,013
0,011
0,009
0,007
0,005
1700
1710
1720
1730 1740 1750 1760 1770 1780 1790 1800
Comprimento de onda (cm-1)
Figura 5 – Espectros de infravermelho das amostras de papel Kraft neutro submetidas ao
envelhecimento em presença de BIOVOLT A em diferentes temperaturas.
Sem envelhecimento;
Envelhecimento a 90˚C por 840h;
Envelhecimento a 140˚C
por 642h.
1710
1720
0,019
Absorbância (u.a.)
0,017
0,015
0,013
0,011
0,009
0,007
0,005
1700
1730 1740 1750 1760 1770 1780 1790 1800
Comprimento de onda (cm-1)
Figura 6 – Espectros de infravermelho das amostras de papel Kraft Termoestabilizado submetidas ao
envelhecimento em presença de BIOVOLT A em diferentes temperaturas.
Sem envelhecimento;
Envelhecimento a 90˚C por 840h;
Envelhecimento a 140˚C
por 642h.
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Nem nos espectros das amostras de papel Kraft envelhecidas (Figura 5) nem nos espectros de
paple Kraft Termoestabilizado (Figura 6) foi possível observar uma nova banda na região de 1746 cm1
. Estudos complementares precisam ser realizados para verificar a possibilidade de atribuição desta
banda (1715 cm-1) à reação de transesterificação entre o papel e os ácidos graxos do óleo vegetal
isolante. Estudos desta natureza estão previstos na continuidade da pesquisa que a ELEKTRO e o
DIAGNO estão desenvolvendo.
6.
CONCLUSÃO
O óleo BIOVOLT A mostrou-se eficiente na remoção de água do papel Kraft neutro e do papel
Kraft termoestabilizado isolante em escala laboratorial
Mais estudos estão sendo realizados neste projeto com variações de temperatura de ensaios e
variação de umidade no papel isolante e no óleo isolante com o intuito de verificar se esta reação de
esterificação acontece.
BIBLIOGRAFIA
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