SNPTEESEMINÁRIO NACIONALDE PRODUÇÃO ETRANSMISSÃO DEENERGIA ELÉTRICA

GMI-0519 a 24 Outubro de 2003

Uberlândia - Minas Gerais

GRUPO XIIGRUPO DE ESTUDO DE ASPECTOS TÉCNICOS E GERENCIAIS DE MANUTENÇÃO EM INSTALAÇÕESELÉTRICAS - GMI

SECAGEM DA PARTE ATIVA DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA ENERGIZADOS, UTILIZANDOFILTROS DE COALESCÊNCIA ASSOCIADOS A PROCESSO CRIOGÊNICO

Cláudio A. Galdeano** João C. Gomes Milton M. S. Junior

* Rodovia SP 101 – Km 14,8 – Resende – CEP 13190-000 – Monte Mor - SP

Divisão Laboratório – Tel. (019) 3889-9207 Fax (019) 3889-9205 – E-mail: claudio@brastrafo.com.br

RESUMOA crescente preocupação das áreas de engenharia demanutenção das empresas, principalmente asconcessionárias de energia elétrica que, em virtude dasnovas regras de operação do sistema, que punemqualquer interrupção no fornecimento de energia, levouos profissionais de engenharia e manutenção abuscarem novos métodos de análise/intervenção nostransformadores de potência, que evitassem suaretirada de operação. Dentro desta nova ótica, estetrabalho apresenta um novo método de secagem daisolação celulósica de transformadores, que além de serexecutado com o equipamento em operação, apresentaresultados satisfatórios a um baixo custo e permite amedição volumétrica da quantidade de água retirada.

PALAVRAS – CHAVETransformadores, Energizados, Secagem da parteativa.

1.0 - INTRODUÇÃO

Devido aos investimentos feitos no Brasil durante oprocesso de desenvolvimento ocorrido nas décadas de60 e 70, hoje temos grande número de transformadorescom idade acumulada de 30 anos de operação.

A presença de umidade no papel deteriora o papelisolante do transformador pela diminuição daresistência elétrica e mecânica. Em geral, a vidamecânica do material isolante celulósico é reduzidapela metade a cada duplicação do conteúdo de água[1]. O efeito da umidade no papel do transformador éregido por uma regra simples: o grau da deterioraçãotérmica do papel é proporcional ao conteúdo de água[2]. Uma descarga elétrica pode ocorrer devido àalteração do equilíbrio da umidade, causando descargasparciaisde baixa energia no início e o aumento parcial daintensidade da descarga [3].

A migração de uma pequena quantidade de umidadetem sido associada com a eletrização da interfacepapel/óleo e é presumida ser devido a acumulação de

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carga nas zonas interfaciais secas de alta densidade deenergia [4,5]. Água em transformadores isolados aóleos minerais também traz o risco de formação debolhas [6]. A presença de umidade no sistema do papele do óleo é tão importante para a vida do transformadorque as pesquisas começaram nos anos 20.

2.0 – HISTÓRICO

No Brasil, tanto as publicações do antigo GCOI – SCM– por meio da comissão de Físico – Químico CFQ (7)e do Grupo de Trabalho de Manutenção deSubestações GTMS (8), bem como a norma da ABNT– NBR 7036, indicavam medições de URSI – UmidadeRelativa da Superfície de Isolamento, comodeterminações para verificação da umidade daisolação.

A partir da publicação da NBR 5416 em 1997, adeterminação da porcentagem em massa de água nopapel isolante tornou-se um parâmetro importante nadefinição de carregamento de transformadores,influenciando na expectativa de vida útil(envelhecimento), bem como na possibilidade deformação de bolhas.

Os valores limites de URSI e porcentagem de água daspublicações citadas estão indicadas na tabela 1.

% URSI

% água papel

(método ASTM

D 3277)

<242

kV

≥242

kV

<242

kV

≥242

kV

SCM/CFQ

093

1,5

máx.

1,0

máx.- -

SCM/GTMS

019

0,5

(tr novo)

0,5

(tr novo)- -

NBR 7037

1993

1,0 máx.

(tr novo)

1,0 máx.

(tr novo)- -

NBR 5416

1997- -

2,0

máx.

1,5

máx.

TABELA 1 – VALORES LIMITES DE UMIDADENA ISOLAÇÃO CELULÓSICA.

As medições de URSI e porcentagem de água no papelinviabilizam os processos energizados, portanto, sãoutilizados curvas de correlação entre o teor de água noóleo isolante em ppm e a porcentagem de água nopapel.

A curva de correlação adotada na NBR 5416/97 foi acurva de Fabre-Pichon, publicada em 1960, indicada nafigura 1.

FIGURA 1 – CURVA FABRE - PICHON

3.1 – Solubilidade de água em óleo mineral isolante

A solubilidade da água é proporcional a temperatura edepende do nível de oxidação do óleo. A Tabela 2apresenta um estudo comparativo entre 3pesquisadores e a comparação com os dados da IEC422-89 utilizando óleo novo (acidez 0,03 mg KOH/g) eóleo oxidado (0,30 mg KOH/g).

IEC 422/89Temp.ºC Oommen

(9)Griffin

(10)Shell(11) óleo

novoóleo

oxidado10 33 36 35 27 4820 53 56 55 38 6830 82 83 84 60 11740 122 122 124 98 20050 179 174 180 150 -60 255 243 255 - -70 358 334 355 - -

TABELA 2 – SATURAÇÃO DE ÁGUA EM ÓLEO

3.2 – Curvas de Correlação: água no óleo X água nopapel

3

Existem diversas publicações correlacionando o teor deágua no óleo mineral isolante com a porcentagem deágua na isolação celulósica. A comparação entre 3pesquisadores são indicadas na Tabela 3.

Autor

ppm/temp

Fabre-Pichon

(12)

Oommen(9)

Griffin(10)

10 ppm70ºC 1,1% 1,0% 1,0%

10 ppm30ºC 3,4% 3,1% 4,0%

60 ppm60ºC 4,5% 2,9% 5,0%

80 ppm70ºC 3,8% 2,7% 3,8%

TABELA 3 – COMPARAÇÃO ENTRE ÁGUA NOÓLEO E ÁGUA NO PAPEL

3.3 – Teor de água no óleo X temperatura Xporcentagem água na isolação

Utilizando a curva indicada na ABNT NBR 5416 econsiderando 2% de umidade na isolação, teremosvalores limites de teor de água em função datemperatura do óleo, conforme Tabela 4, o quesignifica que deveríamos considerar, para cadatemperatura, um valor limite específico de teor de águano óleo mineral isolante.

Temp.ºC 10 20 30 40 50 60 70 80

ppmágua 3 5 9 15 23 32 50 76

TABELA 4 – CORRELAÇÃO ENTRE O TEOR DEÁGUA NO ÓLEO ISOLANTE E TEMPERATURA,CONSIDERANDO 2% ÁGUA NO PAPEL

OBS. Valores limites de teor de água conforme NBR10576< 242 kV: max. 35 ppm≥ 242 kV: max. 25 ppm

4 – DETERMINAÇÃO DA QUANTIDADE DE ÁGUAEM LITROS, PRESENTES NO ÓLEO E PAPEL

4.1 – O sistema de equilíbrio entre água no óleo epapel é função da temperatura. Uma elevação detemperatura significa a migração de água do papelpara o óleo e um resfriamento implicará no retorno, ouseja, migração da água do óleo para o papel.

4.2 – O fabricante do transformador deveria informar aquantidade de papel/papelão existente, porém, comoeste não é um dado de placa e a maioria dostransformadores são antigos, a determinação daquantidade de papel, quando não conhecida, pode serobtida através de 2 alternativas:

A1 – m (Kg) papel = 0,136 KVA (12)

A2 – 10% da massa do óleo isolante

Para transformadores acima de 2 MVA de potência,recomendamos a alternativa 2.

4.3 – Exemplo de cálculo da massa de papel equantidade de água

Volume de óleo: 10.000 LDensidade a 20/4° C = 0,88Massa de óleo = 8.800 kg

Utilizando 10% da massa: 880 kg de papel

Teor de água no óleo: 40 ppmTemperatura média (Topo – amostra): 45ºC

2Cálculo da quantidade de água no óleo 40 ppm = 0,4 L em 10.000 L de óleo % água = 3,5 % L de água = 30,8 litrosQuantidade de água a retirar para equilíbrio a 2% =13,2 litros

Equilíbrio de teor de água no óleo a 2% no papel = 18ppm

Este seria o valor limite de água no óleo, sugeridocomo especificação para este equipamento a umregime de temperatura média de 45ºC.

5 – PROCESSOS DE SECAGEM EMTRANSFORMADORES ENERGIZADOS

A retirada de água em transformadores energizados éfeita através do óleo mineral isolante e da conseqüentemigração da água do papel/papelão para o óleo, que éuma função proporcional a temperatura.

O tempo de difusão para o equilíbrio entre as faseslíquidas e sólidas (óleo/papel) tem sido estudadas edepende de vários fatores como tipo de óleo, espessurado papel, sistema de resfriamento, estágio deenvelhecimento do óleo e temperaturas ambiente e dotransformador.

Na prática, recomenda-se a medição periódica do teorde água no óleo, até valores de equilíbrio.

5.1 – Máquinas Termo – vácuo

No exemplo 4.3, o conteúdo de água no óleo é 0,4 L.

Considerando um tratamento com uma vazão de 5.000L/h, após a passagem do volume total de óleo em umamáquina eficiente de termo – vácuo, o teor de água noóleo diminuirá para 10 ppm, com a conseqüenteretirada de 0,3 L. Continuando o tratamento,conseguiremos retirar a umidade superficial do papelcom retirada de aproximadamente 0,5 L por processo.

Considerando novo equilíbrio e novo tratamento, pararetirada de 13,2 L, deveríamos executar 26 processos

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termo – vácuo a intervalos regulares, com medição deteor de água no óleo para verificação do tempo deequilíbrio.

Diante do exposto, verifica-se a necessidade deprocessos com baixa vazão, altas temperaturas e longotempo de tratamento.As máquinas termo – vácuo, mesmo as de baixa vazão,tem a desvantagem de desgaseificação do óleo ediminuição do teor de furfuraldeído (13).

5.2 – Filtros absorventes

Filtros absorventes têm sido utilizados com sucesso.Os cartuchos filtrantes são fabricados com materialespecífico para absorver água dissolvida no óleo.

Trabalhos apresentados (14) utilizando cartuchosVelcon Superdri, mostram que cada cartucho poderetirar de 1 a 1,5 L de água e o sistema filtrante écomposto por 4 cartuchos, com capacidade máxima de6 L de água por processo.

A desvantagem deste processo é o descarte doscartuchos filtrantes e o controle da eficiência doprocesso, em função da água ficar retida no cartucho,juntamente com óleo isolante e atualmente não seremreaproveitados.

5.3 – Filtros de coalescência

Fenômeno de Coalescência

O fenômeno de coalescência utiliza a diferença deatração molecular entre um produto polar e outroapolar, em condições de fluxo laminar através de fibrasespecialmente tratadas para essa finalidade. O óleomineral isolante contendo água dissolvida, passaatravés de fibras.

As micro gotas de água são interceptadas pelas fibras,considerando que a atração molecular entre a fibra e aágua é maior que a atração molecular entre a fibra e oóleo mineral isolante. Neste momento, há a separaçãoda molécula de água do óleo, aderindo as fibras. Outrasmoléculas de água vão aderindo até a formação deuma gota de aproximadamente 100 micrometros,quando há a separação definitiva da água presente nosistema, ou por decantação, ou por diferença depressão.

A divisão industrial da Fluidex, na África do Sul,desenvolveu uma máquina que utiliza 2 cartuchos defiltros de coalescência, que associados a processocriogênico, consegue separar água dissolvida no óleoisolante.

A vazão do processo é de 300 L/h e o óleo passaatravés do filtro, onde gotículas de água são separadase congeladas a 25ºC. Após um período de 7 dias, oprocesso é interrompido, as placas aquecidas e aquantidade de água é coletada em um frascovolumétrico.

A eficiência do processo é de no máximo 1,5 L porsemana e o esquema detalhado encontra-se nas figuras2 e 3.

FIGURA 2 – ESQUEMA DE MÁQUINA COMFILTRO COASLESCENTE.

FIGURA 3 – VISTA GERAL DA MÁQUINA

Os filtros de coalescência não interferem naconcentração de gases dissolvidos e não absorvemfurfuraldeído no óleo isolante.

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6 – CONCLUSÃO

O processo de secagem da parte ativa detransformadores energizados, utilizando filtros decoalescência, associados a sistemas criogênicos,apresenta-se como um grande avanço no controle deumidade da parte ativa e vem de encontro ànecessidade de processos de manutenção que nãoexigem impedimento do equipamento, aumentando,por conseqüência, sua disponibilidade ao sistema e/ouprocesso produtivo, com possibilidade de mediçãovolumétrica da água retirada, a custos viáveis, semcomprometimento com o meio ambiente.

7 – BIBLIOGRAFIA

(1) Clark, F.M., “Factors Affecting the MechanicalDeterioration of Cellulose Insulation”,Transactions of Electrical Engineering, October1942, vol.61, pp. 742-749.

(2) Fabre, J. and Pichon, A., “Deteriorating Processesand Products os Paper in Oil. Application tomTransformers” 1960 International Conferenceon Large High Voltage Electric System (CIGRE),Paris, France, Paper 137.

(3) Moser, H.P., et al, Transformerboard, EHV –Weidmann Lim., St., Johnsbury, Vermont, USA.

(4) Morin, A. J., Zahn, M., and Melcher, J.R., “FluidElectrification Measurements of TransformerPressboard/Oil Insulation in a Couette Charger”,IEEE Transactions on Electrical Insulation,Vol.26, Nº5, October 1991, pp.870-901.

(5) Washabaugh, A.P., von Guggenberg, P.A., Zahn,M., and Melcher, J., “Temperature and MoistureTransient Flow Electrification Measurements ofPressboard/Oil Insulation Using a CouetteFacility”, in Proceedings of The 3rd InternationalConference on Properties and Applications ofDielectric Materials, Vol. 2, Tokyo, Japan, July 8-12, 1991, pp.867-870.

(6) Fessler, W.A., McNutt, W.J., and Rouse, T.O.,“Bubble Formation in Transformers” EPRIReport EL-5384, August 1987, EPRI, Palo Alto,CA.

(7) SCM 093 – Metodologia de Avaliação daUmidade da Superfície do Isolamento –AGO.1991

(8) GTMS 019 – Procedimento, Técnicas e Critériosde Recepção e Manutenção de Transformadores dePotência – 1992.

(9) Oommen, T.V., “Moisture Equilibrium in Paper –Oil Systems”, Proceedings os theElectrical/Electronics Insulations Conference,Chicago, IL, October 3-6, 1983, pp.162-166.

(10) Griffin, P.J., et al. “Comparison of WaterEquilibrium in Silicone and Mineral OilTransformers”, Minutes of the Fifty – FifthAnnual International Conference of DobleClients, 1988, Sec. 10-9.1.

(11) Shell Diala Oils, Shell Oil Company, One ShellPlaza, 900 Louisiana Street, Houston, Texas77002, (800) 231-6950, Shell Lubricants BulletinSOC: 39-92.

(12) Milash, Milan – Manutenção de Transformadoresem Líquido Isolante. 1984 – pg.88.

(13) Myers David P. and Sans Jr. “Field Studies ofFuran Formation in Transformer Fluids as anIndicator of Damage to Paper Insulation Doble 92– Insulations Fluids pg 7 – Table II.

(14) Nunes, JL., Galdeano, C.A., Campos E.A.Secagem da Parte Ativa de Transformadores dePotência, Energizados, utilizando FiltrosAbsorventes de Água. Fórum da Doble no Brasil2000.