08 - cromatografia

8/18/2019 08 - Cromatografia

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Curso de Man utenção e Oper ação de Subestações Julho / 2003

Análise CromatográficaAnálise Cromatográfica

em Óleos I solantesem Óleos I solantes

Minerais Minerais


ANÁLISE CROMATOGRÁFICA

O óleo mineral isolante gera gases durante o seu processo de envelhecimento normal e acentuadamentequando na ocorrência de falhas no equipamento elétrico.A análise cromatográfica tem como objetivo determinara composição desta mistura de gases que normalmentese dissolve no óleo isolante . As falhas incipientes, ouseja, aquelas que estão no início, usualmente tem baixaconcentração de gases e portanto seu acompanhamentoatravés de análises periódicas pode evitar danos maissérios ao equipamento elétrico.


Os gases que são analisados são: H2 (hidrogênio),O2 (oxigênio), N2 (nitrogênio), CH4 (metano),CO(monóxido de carbono), CO2 (dióxido de carbono),C2H4(etileno), C2H6 (etano) e C2H2 (acetileno).

A amostragem bem como método de ensaio são

descritos na norma NBR 7070 e a interpretação dosresultados são baseados na NBR 7274.

A concentração dos gases no óleo isolante éexpressa em partes por milhão (ppm), medidas àtemperatura de 25ºC

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ORIGEM DOS GASES

Os gases existentes no óleo provém : da atmosfera

e da decomposição dos materiais isolantes sólidos elíquidos. Estudos realizados ao longo do tempoindicaram ser possível relacionar a existência de certosgases com a natureza da falha que os originaram ou como material envolvido pela falha.

Os gases formados pela decomposição dosmateriais isolantes são total ou parcialmente dissolvidosno óleo, sendo diluídos e transportados a todos os pontosque o dielétrico atinge.


A quantidade de gases liberados por uma falhaincipiente é logicamente pequena e somente com oadvento de novas técnicas analíticas, entre as quais acromatografia em fase gasosa, tornou-se possível adosagem precisa dos seus componentes e identificação precoce da falha.

Este método de detecção de falhas incipientes poranálise cromatográfica dos gases dissolvidos tem sidoempregado e é de grande utilidade no apoio àmanutenção, sendo freqüentemente mais sensível e deuso mais conveniente que os métodos usadosnormalmente.


As principais falhas associadas com a produção de

gases são :

- Sobreaquecimento localizado ou generalizado em larga

faixa de variação de temperatura;

- Descargas parciais de intensidade variável;

- Descargas de baixa energia (centelhamento);

- Arco ou descargas disruptivas de alta energia que

podem atingir o óleo e a celulose e podem ocorrer

isoladamente ou associadas entre si.




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ARCO NO ÓLEO

0,01

60

51,3 3,3

30

0

20

40

60

80

100

CO H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2

( % ) C O M B U S T Í V E

I S

ARCOGrandes quantidades de hidrogênio e acetileno são produzidas, co m pequenasquantidades de metano e etileno. Dióxido e monóxido de carbono t ambém

podem ser formados caso a falha envolva a celulose. O óleo poder á sercarbonizado. Gás-chave: acetileno


DESCARGA PARCIAL NO ÓLEO

0,2

86

13

0,5 0,2 0,1

0102030405060708090

CO H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 ( % ) C O M B U S T Í V E I S

DESCARGAS PARCIAISDescargas elétricas de baixa energia produzem hidrogên io e metano , com

pequenas quantidades de etano e etileno. Quantidades comparáveis demonóxido e dióxido de carbono podem resultar de descargas em celulose.Gás-chave: hidrogênio


ÓLEO SUPERAQUECIDO

2

16 17

63

2

01020

30405060708090


( % ) C

O M B U S T Í V E I S

ÓLEO SUPERAQUECIDOOs produtos de decomposição incluem etileno e metano, juntamente comquantidades menores de hidrogênio e etano. Traços de acetileno p odem serformados se a falha é severa ou se envolve contatos elétricos. G ás-chave: etileno




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4


CELULOSE SUPERAQUECIDA92

6,7 1,2

010

2030

4050

6070

8090

100


( % ) C O M B U S T Í V E I S


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CONCENTRAÇÃODE GASESOBTIDOS

DA AMOSTRA

SUPERIOR AOSVALORESDE

REFERÊNCIA?

É A 1ªANÁLISE?

ARQUIVO

É A 1ªANÁLISE?

CALCULAR ATAXA DE

CRESCIMENTO

CALCULAR ATAXA DE

CRESCIMENTO

DETERMINAR TIPO E GRAVIDADE

DO DEFEITO

EMITIR LAUDOPARA

PROVIDÊNCIAS

MENOR OU IGUAL

A 10?

SIM

SIM

SIM

NÃO

NÃOSIM

Diagrama de blocos das etapasa serem seguidas conforme osresultados das análises

cromatográficas dos gases doóleo isolante GCOSCM-047


MitsubichiCENTRAL ELECTRICITY GENERATINGBOARD OF GREAT BRITAIN (CEGB) Até 275kV

GásTransformadores

elevadoresTransformadoresde transmissão

Dornenburg≤ 10MVA >10MVA

500kV

H2 240 100 200 400 400 300CH4 160 120 50 200 150 100C2H6 115 65 15 150 150 50C2H4 190 30 60 300 200 100C2H2 11 35 15 Traços Traços TraçosCO 580 350 1000 300 300 200CO2 - - 11000 - - -TCG - - - 1000 700 400

Cr itérios I nter naci onai s


RelaçãoCasonº F alh a ca rac ter ísti ca C2H2

C2 H4CH4 H2

C2H2C2 H 6

Exemplos típicos

A Sem falha 0 0 0 Envelhecimento normal

BDescarga parciais de

pequena densidade deenergia

0mas não

significativo1 0

Descargas nas bolhas de gás resultantes de impregnaçãoimcompletas, de supersaturação ou de alta umidade

CDescargas parciais de altadensidade de energia 1 1 0

Como acima, porém provocando arvorejamento ou perfuração da isolação sólida

DDescarga de energiareduzida 1-2 0 1-2

Centelhamento contínuo no óleo devido a más conexões dediferentes potenciais flutuantes. Ruptura dielétrica do óleoentre materiais sólidos

E Descarga de alta energia 1 0 2 Descargas de potência. Arco. Ruptura dielétrica do óleo entreenrolamentos, entre espira e massa, corrente de interrupçãono seletor

F Falha t érmica de baixatemperatura < 150ºC

0 0 1 Aq ue ci me nt o ge ner al iz ad o d e c ond ut or is ola do

GFalha t érmica de baixatemperatura < 150ºC -300ºC

0 2 0

HFalha térmica detemperatura média 300ºC -700ºC

0 2 1

IFalha térmica de altatemperatura > 700ºC 0 2 2

Sobreaquecimento local do núcleo devido a concentrações defluxo. Pontos quentes de temperatura crescente, desde

pequenos pontos no núcleo, sobreaquecimento do cobredevido a correntes de Foucault, maus contatos (formação decarbono por pirólise) até pontos quentes devido a correntes decirculação entre núcleo de carcaça

Diagnóstico de falha através das análises de gases dissolvido em óleomineral (NBR-7274/82)




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É difícil estabelecer os valores limites paraconsiderar um óleo satisfatório ou não, pois se de um

lado admite-se a necessidade de prolongar a vida útil doequipamento, por outro lado há de considerar o aspectoeconômico, vez que o tratamento do óleo envolveoperações às vezes bastante onerosas.

A atuação do relé Buchholz é bem conhecida detodos que lidam com transformadores: os gases liberadosdevido à falhas no equipamento acionam o relé, fazendosoar um alarme (ou desligar o transformador) o queconsiste numa proteção do transformador.


Há muito se sabia que, pelo estudo da composiçãoda mistura gasosa acumulada no relé, se poderiacaracterizar o defeito causador de gases.

Faltavam contudo as técnicas necessárias para quese pudessem obter os dados exigidos a uma boainterpretação dos resultados.


RELÉ DE GÁS TIPO BUCHHOLZ

+A -B - C +D.....

5

.....

6

.....

7

.....

8

ALARME DESLIGAMENTO




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Embora o valor da informação fornecida pela

análise dos gases coletados no relé Buchholz sejaindiscutível, esta informação é no entanto tardia, pois a

falha então já ocorreu.

Analisando-se os gases quando ainda dissolvidos

no óleo, isto é, antes que sua quantidade chegue ao ponto

de atuação do relé, se podem detectar as falhas ainda no

estado incipiente, portanto, em tempo de serem sanadas.


Além das falhas citadas até o momento, vale aindafazer menção à eletrólise da água existente no sistema,isto é, sob forma livre e/ou impregnada na celulose,gerando hidrogênio. Também pode ocorrer a liberaçãode hidrogênio quando, sob tensão, a água contida noóleo reagir com o ferro da carcaça formando o gás eóxido de ferro.


ANÁLISE DOS GASES DISSOLVIDOSA análise dos gases dissolvidos no óleo isolante

consta de quatro fases :- Amostragem- Extração dos gases dissolvidos- Análise cromatográfica- Diagnóstico

AMOSTRAGEMConsiste na obtenção de uma amostra que seja

representativa do equipamento em estudo. A ABNT,através da NBR-7070 estabelece os métodos deamostragem e análise dos gases livres e dissolvidos emóleo de transformadores.




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EXTRAÇÃO DOS GASES DISSOLVIDOS

Os gases contidos num volume determinado deamostra são extraídos submetendo-se a mesma ao vácuo

sob determinadas condições. O volume obtido de gases é

então medido à pressão atmosférica e temperatura

determinada. Dessa mistura de gases são retiradas

alíquotas as quais se injetam nos cromatógrafos. O

número de injeções necessárias depende do sistema

analítico usado.


ANÁLISE CROMATOGRÁFICA Nos cromatógrafos ocorre a absorção seletiva de

cada um dos componentes da mistura gasosa, quando amesma é arrastada por um gás inerte através de umacoluna cheia de adsorvente específico.

Os componentes que interagem mais fortementecom o adsorvente da coluna, são aí retidos por maistempo, enquanto os de interação mais fracas passam em primeiro lugar. Em linhas gerais, um cromatógrafoconsta de quatro partes principais:INJETORES - a amostra de gás à analisar é diluída emuma corrente de gás inerte.COLUNAS - a separação dos componentes da misturaé efetuada.


DETETOR - cada componente ao passar causa umdesequilíbrio proporcional à sua concentração.REGISTRADOR - o sinal enviado pelo detetor acionao dispositivo que faz com que o cromatograma sejaregistrado no papel. Há várias variáveis que necessitamde controle preciso como sejam : temperatura dos

injetores, coluna e detetores, corrente dos detetores efluxo do gás de arraste. Utilizam-se vários tipos dedetetores bem como adsorventes nas colunas.

No cromatograma se tem registrados os picos(respostas) relativos a cada um dos componentes damistura.




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Atualmente, já se dispõe de integradores e processadores que permitem a obtenção da resposta de

cada componente com maior rapidez e segurança do quea fornecida pelo registro do cromatograma.Os instrumentos são padronizados com um “gás

padrão”, que é uma mistura, em proporções conhecidas,dos gases geralmente extraídos do óleo.

Os cromatogramas relativos à análise do “gás padrão” e da amostra são comparados quer por viamanual, quer através de microprocessadores, edeterminadas assim as concentrações dos gases extraídosdo óleo objeto de estudo.


Além da concentração de cada gás, calcula-setambém a concentração total dos gases dissolvidos e ados gases combustíveis.

Os gases combustíveis são :

- Hidrogênio- Metano- Monóxido de carbono- Etilieno- Etano- Acetileno


DIAGNÓSTICOO que se pretende com o diagnóstico é através da

interpretação da análise, determinar se há algumairregularidade com o equipamento e, caso haja, descobrirsua origem e gravidade.

A interpretação dos resultados é a parte mais

controversa da análise de gases dissolvidos.O ponto de partida é a diferente composição dos produtos de decomposição dos isolantes líquidos esólidos associados aos diferentes tipos de falhas. Ocálculo de algumas razões entre concentrações de gasesespecíficos permite o acesso às diferenças entrecomposição acima citadas.




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As razões entre concentrações mais comumenteusadas são:

CH4 ; C2H6 ; C2H4 ; C2H2 e CO2H2 CH4 C2H6 C2H4 CO

Portanto, na elaboração do diagnóstico as trêsetapas principais são:- Comparação com resultados anteriores;- Cálculo das razões entre concentrações;- Cálculo dos percentuais de certos gases em relação aoscombustíveis.


CRITÉRIOS DE DIAGNÓSTICOVários critérios foram desenvolvidos, cada um

dos quais apresentando suas peculiaridades. Porém,todos usando uma ou mais das etapas já citadas. Comuma todos é a associação de certas faixas de valores anúmeros de código que por sua vez correspondem acerto tipo de falhas.

Os critérios mais empregados e que usam razõesentre concentrações de gases são :a) Critérios de Rogers; b) Critérios IECc) Critérios da Sociedade de Pesquisa Elétricad) Critérios do Laborelec


Outros critérios de diagnóstico e que não utilizamas razões entre concentrações de gases são usados comosubsídio aos anteriores, bem como em casos nãoclassificáveis ou insuficientemente definidos nosmesmos. São eles :

a) Critérios de Pugh - baseado em experiências realizadas

em laboratório, tendo o autor associado um certo gáschave em maior proporção, a determinada falha.

b) Critérios de Duval - relacionando os teores dos gasesmetano, etileno e acetileno ao total de combustíveis,define quatro possibilidades de diagnósticos.




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TABELA D.R. Pugh PERCENTUAL DE GASES COMBUSTÍVEIS

CONDIÇÕES NORMAIS E ANORMAIS% DE

H2 CO CH4 C2H6 C2H4 C2H2 TransformadorNormal 13 58 16 7 6 0

Descargaparcial 69 24 4 1 2 0

Óleosuperaquecido 6 5 37 11 40 1

PapelSuperaquecido 12 77 6 1 5 0

Óleo e papelsuperaquecidos 13 22 32 6 22 5

Arco 32 7 17 1 13 30


A tabela abaixo relaciona os percentuais de gasescombustíveis com as falhas, enfatizando na parteinferior o gás chave.

% DE GASES CHAVE - FALHASH2 9 7 60 86 20CH4 21 2 5 13 0CO 0 91 0 0 50C2H6 17 0 2 1 30C2H4 53 0 4 0 0C2H2 0 0 30 0 0

F A L H AT É R MIC A

F A L H AT É R M I C A

A RC O CO RO NA C OR ON A

C 2H4 CO C2H 2 H 2 C OC H4 C O 2 H 2 CH4 C2H 6

C 2H6 H 2 C H4 C 2H6 H2


A participação do monóxido e dióxido de carbonoem todos os critérios para diagnóstico é sempre muitodiscreta.

A razão CO2/CO é indicativa da participação dosmateriais isolantes celulósicos em eventos elétricos outérmicos bem como em processos de oxidação do óleo edecomposição de alta energia.

A relação entre esta razão e a temperatura deaquecimento que tem sido determinada em laboratório,não pode ser usada no estudo dos transformadores vistoque o seu valor é afetado pelo teor de água do materialisolante e diferenças de projeto entre transformadores.




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ENSAIOS DE FÁBRICA No tocante à equipamentos novos, a análise dos

gases dissolvidos tem-se expandido à aceitação deunidades quando dos ensaios de fábrica. Via de regra, seanalisam os gases dissolvidos antes e após ensaios,visando definir se os teores de gases dissolvidos no óleosofreram alterações, o que pode caracterizar falha de projeto ou construção.

Em casos normais, a quantidade de gases geradosno decorrer dos ensaios de fábrica é pequena,consequentemente o ensaio analítico usado deve oferecer boa precisão, e a interpretação dos resultados através daaplicação dos critérios usados para equipamentos em uso poderá envolver consideráveis dúvidas.


Para avaliação dos resultados da análise de gasesdissolvidos após teste de elevação de temperatura, foi proposto um método pelo Grupo de Trabalho 06 -Comitê de Estudos 12 - CIGRÉ e outro publicado sob patrocínio da Doble Engineering Company,desenvolvido a partir de dados estatísticos, ambos baseados na taxa de aumento horário de certos gases,isoladamente ou associados, fixando limites para oaumento horário. Os gases considerados são :- Hidrocarbonetos individualmente- Hidrocarbonetos e hidrogênio- Acetileno- Monóxido de carbono- Dióxido de carbono


Os métodos estabelecem dois limites para a produção horária de cada gás ou grupo de gasesconsiderados:

GASES LIMITE 1(ppm/h)

LIMITE 2(ppm)

Hidrocarbonetos

CH4, C2H6, C2H4


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GASES LIMITE 1(ppm/h)

LIMITE 2(ppm)

HidrocarbonetosIndividualmente

0,2 1,0

Hidrogênio 2,0 10,0Monóxido de carbono 2,0 10,0Dióxido de carbono 10,0 50,0Relação CO/CO2


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Por outro lado, o conhecimento da história daunidade e do comportamento de outras do mesmo tipo é

importante no estabelecimento desta sistemática.Podemos afirmar então que a análise dos gases

dissolvidos no óleo isolante é de grande valiaobjetivando :- Evitar paradas não planejadas, fornecendo avisoantecipado do tipo de falha;

- Restringir o prejuízo causado pelo superaquecimentodevido à condições impróprias de operação ou falha de projeto;


- Evitar alarmes falsos devido a mau funcionamento dorelé de gás e tornar econômicos os reparos em condiçõesinadequadas;

- Não permitir a desativação de unidades cuja vida útilainda não tenha terminado;

- Assegurar que os equipamentos novos estejam livresde defeito.


Os instrumentos disponíveis para orientação dos

engenheiros de manutenção são algumas tabelas de

valores referência (não confundir com valores de

especificação) para óleos em operação, publicadas pela

ABNT e de uso interno do setor elétrico.




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Eng. Marcus Peixoto

E-mail : [email protected]

Tel/Fax : (85) 494-5097 ou 9981-0286

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