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ESTUDO COMPARATIVO DO ENVELHECIMENTO QUÍMICO ACELERADO DE PAPEL KRAFT TERMOESTABILIZADO E CONVENCIONAL

Mariana Gaivão Portella*, Vitoldo Swinka Filho, Guilherme Cunha da Silva, Douglas Antônio Batista, Cleberson Santos Ribeiro, Daiane Cristina

Sabec, Guilherme Barrachina Stocco (LACTEC)

Mario Carlos Andreoli, Érick Amaral Campos (CTEEP)

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ESTRUTURA DA APRESENTAÇÃO

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ESTRUTURA DA APRESENTAÇÃO

• Introdução– Contextualização– Objetivo do Trabalho

• Parte Experimental– Envelhecimento Térmico– Caracterização dos Materiais– Metodologias Analíticas Aplicadas

• Resultados e Discussão– Caracterização dos Materiais– Resultados Analíticos do Envelhecimento

• Conclusões• Agradecimentos

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INTRODUÇÃO

•Contextualização•Objetivo do Trabalho

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INTRODUÇÃO

• Energia Elétrica– Uma das mais utilizadas pela humanidade– Brasil: 106,3 mil MW (2009)¹

• Avanços tecnológicos e desenvolvimento de pesquisas²– Dependência da sociedade moderna– Diminuição na ocorrência de falhas do sistema

• Transformador de Potência³– Transmissão e distribuição de energia– Principais partes: Sistema de Isolamento

1. ANEEL 2010; 2. SCARDAZZI 2007; 3. BATISTA 2005, TULIO 2008, MILASH 1984.

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INTRODUÇÃO

Transformadores são máquinas elétricas estáticas¹, responsáveis pela transferência de energia entre circuitos², constituídas por:

• núcleo de aço silício;• bobinas de fios de cobre,

revestidas de papel isolante;

• tanque isolado por OMI;• estrutura de montagem da

parte ativa.• Principal: sistema de

isolamento³.

1. FERNANDES 1988; 2. DERVOS et al. 2005; 3. BATISTA et al. 2005, MILASH 1984; 4. MYERS et al. 1982

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INTRODUÇÃO

Transformador de Potência

Má operação

Longo tempo de utilização

Desgaste dos Materiais¹• Elevadas Temperaturas• Descargas Elétricas• Esforço Mecânico• Umidade Indesejável• Exposição ao Oxigênio

Comprometimento da Isolação Sólida e Líquida²

1. TULIO 2008; MAK et al. 1995

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INTRODUÇÃO

DEGRADAÇÃO DO OMI DEGRADAÇÃO DO PAPEL

• Deterioração das propriedades isolantes¹

• Aceleração do processo de degradação da celulose do isolamento sólido²

• Formação de borra ácida, com deposição nas partes ativas do equipamento, dificultando a transferência de calor³

• Redução do Grau de Polimerização da Celulose4

• Diminuição da Resistência Mecânica5

• Formação de substâncias em OMI4

– Gases: H2, CH4, C2H4, CO e CO2

– Água– Compostos Furânicos: 2-FAL,

5-HMF, 2-FOL, 5-MF, 2-ACF.

1. TULIO 2008, OLIVEIRA et al. 2005; 2. LIPSTEIN et al. 1970, FROTA 1985;3. MAK et al. 1995; 4. MARTINS 2007; 5. MARTINS 2007, ZIRBES et al. 2005

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INTRODUÇÃO

Papel Kraft Termoestabilizado– Estrutura semelhante ao Papel Convencional¹

• 90% de celulose e hemicelulose• 7 a 8% lignina• quantidades residuais de pentosanas²

– Modificação química para retardar a degradação térmica³

• reações ou adição de estabilizantes• operação a 65°C e aumento de carga do equipamento

em 12%

– Viabilização do uso dependente do estudo de seu envelhecimento térmico³

• estudo da cinética da formação de indicadores da degradação do material em OMI

1. BATISTA et al. 2007; 2. http://isoletri.com/transf_oleo.aspx?lang=pt , acesso em 05/10/2010;2. 3. STORELLI 20_;

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OBJETIVO

Avaliar a oxidação e formação de CF do papel isolante termoestabilizado, em comparação com o papel isolante convencional, a partir da utilização

de metodologias de ensaio indiretas no OMI, baseadas nas técnicas de HPLC, paralelamente à

degradação do isolamento sólido.

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PARTE EXPERIMENTAL

•Envelhecimento Térmico•Caracterização dos Materiais•Metodologias Analíticas Aplicadas

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ENVELHECIMENTO TÉRMICO

Simulação do estresse térmico de um transformador¹

• Estudo em escala laboratorial• 111 sistemas contendo OMI /

Cobre / Papel Isolante– Kraft Convencional– Kraft Termoestabilizado

• Secagem prévia dos materiais e borbulhamento de N2 em OMI

• Estufas a 100 e 125°C• Monitoramento de 0 a 240 dias

1. TULIO 2008; BATISTA 2005.

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CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS

ÓLEO MINERAL ISOLANTE PAPEL ISOLANTE

PETROBRÁS AV-60-IN OMI tipo A (base naftênica) Caracterização - Regulamento

Técnico ANP n° 4/2008¹

Papel Termoestabilizado 0,075 mm

Papel Convencional 0,100 mm Caracterização – Umidade IV,

FTIR e MEV²

1. ANP n° 36/2008; 2. SAMISTRADO et al. 2009, QUADROS 2006

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METODOLOGIAS ANALÍTICAS

•Amostras de OMI armazenadas em frascos âmbar com tampa; amostras de papel armazenadas em sacos plásticos, ao abrigo da luz.•Laboratórios em condições controladas de temperatura e umidade relativa do ar (25°C e 55%)

Ensaio Normatização Equipamento

Compostos Furânicos - OMI

Cromatografia Líquida

NBR 15349/ 2006¹HPLC + UV

Carbamate Analysis C18

Grau de Polimerização – Papel Kraft

EnsaioViscosimétric

o

NBR IEC 60450/ 2009²

--

1. ABNT 2006; 2. ABNT 2009

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RESULTADOS

•Caracterização dos Materiais•Resultados Analíticos do Envelhecimento•Correlação CF em OMI e Degradação do Papel

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CARACTERIZAÇÃO DO OMI

Material de boa qualidade e em acordo com o padrão para óleo novo estabelecido pela ANP¹

Ensaio Resultado

Aspecto Visual Claro e Límpido

Índice de Neutralização 0,01 mg KOH. g-1 óleo

Teor de Água 15 ppm

Perdas Dielétricas a 90°C 0,20%

Tensão Interfacial 51,1 dina. cm-1

Composição Carbônica Ca = 2% Cn = 58% Cp = 40%

DBPC 0,30%

Enxofre Corrosivo Não Corrosivo

RESULTADOS

1. ANP n° 36 2008.

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CARACTERIZAÇÃO DO PAPEL ISOLANTE - FTIR

•Identificação dos grupos funcionais constituintes da celulose de ambos os tipos de papel•Não foi possível notar modificações químicas decorrentes da termoestabilização

5000 4000 3000 2000 1000

0,00

0,02

0,04

0,06 Papel Convencional Papel Termoestabilizado

Abs

orbâ

ncia

Numero de Onda (cm-1)

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CARACTERIZAÇÃO DO PAPEL ISOLANTE - MEV•Imagens gerais do papel Kraft isolante com ampliação de 150 vezes•Imagens das fibras do papel Kraft isolante com ampliação de 1000 vezes

Papel TermoestabilizadoPapel ConvencionalPapel TermoestabilizadoPapel Convencional

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ENVELHECIMENTO TÉRMICO E CORRELAÇÃOEstudo a 100 °C

•Para ambos os materiais, a diminuição do GP está diretamente relacionada à formação de CF•Papel Convencional: altos valores justificados devido à alta degradação – representativos, para equipamentos, são os primeiros 50 dias.

200

400

600

800

50 100 150 200 250

200

400

600

Comp

ostos

furân

icos (

mg/L)

GP

Grau

de Po

limeri

zaça

o a 10

0 °C

(u.a.)

Papel Termoestabilizado

Tempo (dias)

Papel Convencional

-0,5

0,0

0,5

2-FAL 5-HMF 2-FOL

0

40

80

120

200

400

600

800

50 100 150 200 250100

200

300

Comp

ostos

furân

icos (

mg/L)

GP

Grau

de Po

limeri

zaça

o a 12

5 °C

(u.a.)

Papel Termoestabilizado

Tempo (dias)

Papel Convencional

-0,50

-0,25

0,00

0,25

0,50

2-FAL 5-HMF 2-FOL

0

40

80

120

160

Estudo a 125 °C

• Papel Convencional: altos valores justificados devido à alta degradação – representativos, para equipamentos, são os primeiros 25 dias.

• Papel Termoestabilizado: formação de 2-FOL constante, mas composto de baixa estabilidade térmica.

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CONCLUSÕES

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CONCLUSÃO

Papel Kraft Convencional• Diminuição do GP rápida e abrupta• Formação de 2-FAL em comportamento padrão, com

aumento de sua concentração ao longo do envelhecimento

• Resultados semelhantes aos obtidos no histórico dos equipamentos, especialmente para os primeiros 50 dias do estudo a 100°C

• Curvas de 5-HMF em padrão ondulatório, confirmando a formação do produto durante as reações em cadeia do 2-FAL

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CONCLUSÃO

Papel Kraft Termoestabilizado• Degradação do papel apresentou comportamento mais

lento e gradual• Não apresentou a formação de 2-FAL e 5-HMF, apesar

da diminuição significativa do GP do papel isolante• Detecção de picos individuais com tempo de retenção e

espectro coincidentes com o padrão de referência 2-FOL, ao longo do envelhecimento térmico.

• Proposta de utilização do composto como auxiliar na manutenção preventiva de equipamentos elétricos, visando aproximar a previsão da qualidade do isolamento sólido.

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AGRADECIMENTOS

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AGRADECIMENTOS