Art Eng Eletrica 2

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Produo e uso de

HELENA MARIA WILHELM*LUCIANE TULIO** WILSON UHREN***

leos vegetais isolantes no setor eltrico

O leo vegetal isolante (OVI) alm deatender s caractersticas dieltricas erefrigerantes apresenta algumas vantagens em relao ao leo mineral isolante (OMI), principalmente por ser considerado fluido de segurana, ser biodegradvel e serproveniente de fonte renovvel. Porestas razes, pode-se considerar o OVI para uso em transformadores como o

leo do futuro em aplicaes aonde tais vantagens so requeridas. No caso de vazamentos/derramamentos deste fluido, por exemplo, esperada umadiminuio nos custos financeirosinerentes remediao dos sistemas impactados, como solo e lenol fretico, em funo da sua fcilbiodegradabilidade.

O leo vegetal isolante (OVI) alm deatender s caractersticas dieltricas erefrigerantes apresenta algumas vantagens em relao ao leo mineral isolante (OMI), principalmente por ser considerado fluido de segurana, ser biodegradvel e serproveniente de fonte renovvel. Porestas razes, pode-se considerar o OVI para uso em transformadores como o

leo do futuro em aplicaes aonde tais vantagens so requeridas. No caso de vazamentos/derramamentos deste fluido, por exemplo, esperada umadiminuio nos custos financeirosinerentes remediao dos sistemas impactados, como solo e lenol fretico, em funo da sua fcilbiodegradabilidade.

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592histria dos transformadores teve

incio em 1885 com a construo de um transformador nos Estados Unidos, com projeto a seco e utilizao de ar como dieltrico. A ideia de que transformadores usando leo mineral como dieltrico pu-dessem ser menores e mais eficientes foi patenteada em 1882, pelo professor Elihu Thompson, mas levou uma dcada at que fosse colocada em prtica (figura 1). Em 1892, a General Electric produziu a primeira aplicao reconhecida de leo mineral em um transformador. Ento, a indstria focou sua ateno em determinar quais as pro-priedades ideais para o leo mineral para aplicaes como dieltrico e, tambm, no desenvolvimento de processos para a pro-duo de um leo mineral isolante (OMI) de melhor qualidade. As principais proprieda-des de desempenho foram identificadas e por volta de 1899 pelo menos uma refinaria comeou a produzir leo mineral especial-mente desenvolvido para transformadores (McShane, 2002). Hoje, o OMI o fluido dieltrico mundialmente mais utilizado no setor eltrico.

Experimentos utilizando leos vegetais como dieltrico foram conduzidos na mes-ma poca de realizao dos primeiros testes com leo mineral. Porm, os leos vegetais demonstraram ser menos atrativos que o mineral devido sua estabilidade oxida-

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A o, ponto de fluidez, permissividade e vis-cosidade distintas (McShane, 2002).No entanto, impulsionado principal-

mente pela questo ambiental que tem sido motivo de preocupao da comunidade mundial de forma crescente, foram desen-volvidos, por volta de 1999, leos vegetais apropriados para uso em equipamentos el-tricos (Lewand, 2004). Para fins de utilizao como dieltrico, o leo vegetal adequado s caractersticas necessrias para sua utili-zao, por meio de processos especficos e recebe aditivos antioxidantes e depressores de ponto de fluidez, por exemplo. Os pri-meiros produtos comerciais de OVIs lana-dos no mercado nacional foram o Biotemp e o Envirotemp FR3. Recentemente, em 2007, foram lanados, no mercado nacional, os leos BIOVOLT (Wilhelm, 2008).

Atualmente no Brasil, o fluido Enviro-temp FR3, comercializado pela Cooper Power Systems, fabricado pela Cargill, enquanto que o Biotemp importado da Sucia pela ABB Brasil. Os leos BIOVOLT so produzidos e comecializados a partir de uma tecnologia 100% nacional, por uma empresa paranaense, a Mineraltec, instalada na cidade de Pato Branco (PR).

Os leos vegetais isolantes (OVIs) apre-sentam alta degradabilidade, sendo que 95% ou mais destes produtos biodegradam no ensaio de 28 dias.

DESCRIO DE ALGUMASCARACTERSTICAS, PROPRIEDADES

E BENEFCIOS DOS OVIsO OMI um produto derivado do petr-

leo, que uma fonte finita, enquanto que o OVI obtido a partir de oleaginosas, como milho, girassol, soja etc., que so fontes re-novveis (Wilhelm et al., 2006).

Quando ocorrem vazamentos, o OMI contamina o solo e os sistemas hdricos em virtude de seu lento processo de bio-degradao. Por ser formulado a partir de matrias-primas naturais, o OVI facilmen-te biodegradvel no meio ambiente, sendo, portanto, uma excelente opo para as em-presas que se preocupam com a preserva-o do meio ambiente.

Durante a utilizao do leo isolante no equipamento, este est sujeito a um processo de oxidao, formando cidos como produtos finais da degradao que podem ser mensu-rados por meio do ndice de neutralizao ou ndice de acidez. No caso do OMI, estes com-postos, a partir de certa concentrao, so indesejveis, pois agridem os materiais do equipamento, principalmente o papel Kraft isolante, diminuindo, consequentemente, a sua vida til. Tais compostos podem, ainda, polimerizar e formar borra, que ao se deposi-tar na parte ativa ou nos trocadores de calor, dificulta a transferncia de calor para o meio ambiente (Granato, Levy e Tulio, 2001).

Figura 1 - Ilustrao de transformadores de distribuio (A) e de potncia (B)

(A) (B)




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consumida no processo de hidrlise do tria-cilglicerol (molcula do OVI) gerando cidos graxos livres de cadeia longa (Rapp et al, 2001; Rapp et al, 2002 e Rapp et al, 2005). Este mecanismo de hidrlise favorece o deslocamento de mais molculas de gua do papel para o fluido isolante para manter o equilbrio qumico, ou seja, indiretamente este deslocamento promove a secagem do papel Kraft isolante e, consequentemente, a extenso da sua vida til.

Em aplicaes onde os riscos de incn-dio e de exploso devem ser minimizados recomendado o uso de fluidos de segu-rana. Para ser considerado fluido de se-gurana, o lquido isolante deve apresentar um ponto de combusto de no mnimo 3000C. Como os OVIs apresentam pontos de combusto superiores a 3000C estes so considerados fluidos de segurana, ao contrrio do OMI que possui um ponto de combusto em torno de 1500C. Resultados mostraram que a adio do OMI ao OVI re-duz significativamente os pontos de fulgor e de combusto das misturas em relao ao OVI puro. Para ser considerado fluido de segurana, o OVI pode assumir teores de OMI em torno de 7% (Uhren, 2007).

Durante o uso, o fluido isolante est con-tinuamente em contato com material met-lico, que est sujeito corroso. Visto que a presena de compostos de enxofre corrosivo pode resultar na deteriorao do metal de-pendendo da natureza qumica destes com-postos, da temperatura de operao do equi-pamento e do tempo de contato, a deteco destes compostos indesejveis se faz neces-sria para conhecer o potencial corrosivo do leo, mesmo que de forma qualitativa. O mtodo de deteco de enxofre corrosivo em leo aplicado para leos novos.

O OMI possui compostos orgnicos base de enxofre que, segundo a literatura, so ter-micamente estveis e inibidores naturais do processo de oxidao e, consequentemen-te, do seu envelhecimento trmico. A partir de 2004, comearam a surgir problemas de falhas em transformadores com maior inci-dncia, no Brasil, em reatores (Cigr, 2005 e Cigr, 2006). At o momento no Brasil j falharam mais de uma dezena de equipa-

Os ndices de neutralizao tpicos dos OVIs so normalmente mais altos do que os do OMI. OVIs oxidados tendem a formar longas cadeias de cidos graxos enquanto que o OMI tende a formar cidos orgnicos de cadeia curta, sendo estes muito mais agressivos em comparao aos primeiros (Wilhelm et al., 2006). Adicionalmente, a literatura reporta que os produtos de oxi-dao do OVI no so nocivos ao papel Kraft isolante, ao contrrio, evitam a sua degradao precoce (Rapp et al, 2005). E, se eventualmente os produtos de oxidao do OVI polimerizarem, esta polimerizao no gera borra ou depsitos sobre os ma-teriais internos do transformador.

A umidade sempre est presente nos lquidos isolantes, em quantidades que va-riam com a estrutura qumica dos mesmos, isto , fluidos polares apresentam maior afi-nidade com a gua (exemplo: leo vegetal) que os apolares (exemplo: leo mineral), e varia, tambm, com as condies de trata-mento, manipulao e de armazenamento as quais os fluidos foram submetidos.

A rigidez dieltrica do OMI e do OVI comea a diminuir quando a saturao relativa de gua no leo atinge aproxi-madamente 50%. Para o OMI, 50% da saturao a temperatura ambiente corres-ponde ao intervalo entre 30 a 35 mg/kg de gua e para o OVI, de 500 a 600 mg/kg de gua (California Environmental Protec-tion Agency, 2003). Ou seja, a quantidade de gua exigida para saturar o OVI tem-peratura ambiente aproximadamente 20 vezes a do OMI (IEEE, 2008).

A umidade no OMI atua como agente catalisador na decomposio da celulo-se, diminuindo, consequentemente, a vida til do equipamento eltrico. Devido a sua natureza qumica, o OVI apresenta grande afinidade com a gua. Esta propriedade contribui para o aumento da vida til da isolao slida. Os resultados de estudos de envelhecimento mostraram que o papel iso-lante tem sua vida estendida na presena de leos de base vegetal em comparao aos transformadores isolados com leo mineral (Claiborne e Cherry, 2006). Segundo Rapp e colaboradores a gua no leo vegetal

mentos, de diferentes fabricantes e usurios. Quando da abertura destes equipamentos, foi diagnosticado que o problema era de cur-to direto entre espiras, concentrado no tero superior das bobinas. Durante as inspees foi encontrada uma substncia de colorao preta aderida nas superfcies dos barramen-tos de cobre, dos condutores das espiras e do papel de recobrimento destas, deixando as superfcies enegrecidas e de aparncia corroda. As anlises realizadas em diversos laboratrios indicaram que esta substncia era predominantemente formada por enxo-fre e cobre, mais especificamente sulfeto de cobre, material este oriundo da deteriorao por corroso direta da superfcie do cobre. Ficou constatado a partir das pesquisas, que o enxofre corrosivo era proveniente do OMI utilizado. Rastreando a origem dos diferen-tes leos, foi observado que a totalidade dos equipamentos que falharam utilizava leo fornecido por um nico fabricante, em vrias denominaes, contendo altas concentra-es de um composto base de enxofre, o dibenzildissulfeto ou DBDS (Cigr do Brasil, 2005 e Cigr do Brasil, 2006). Atualmente, trabalhos esto sendo realizados no setor eltrico visando remoo ou inativao do DBDS nos leos em uso, para minimizar o fator de baixa confiabilidade no sistema de fornecimento de energia (Trindade, 2007 e CIGR INTERNACIONAL, 2009).

Equipamentos eltricos isolados a OVI no apresentam risco de falhas devido ao enxofre corrosivo, pois, este fluido isento de compostos de enxofre.

At o presente momento, no existe metodologia normalizada a nvel nacional e internacional para avaliao da estabilidade a oxidao de OVIs novos. O perodo de per-manncia de leos e gorduras vegetais em prateleira determinado a partir da estabili-dade a oxidao, determinada pelo mtodo condutivimtrico. Na fora-tarefa de leos vegetais isolantes do Grupo de Materiais Isolantes e Novas Tecnologias (GT D1.01) do Comit Nacional de Produo e Transmis-so de Energia Eltrica (Cigr do Brasil) foi apresentado um relatrio tcnico onde foi utilizado o mtodo condutivimtrico para avaliar a estabilidade a oxidao de OVIs

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592novos, a partir da determinao do perodo

de induo (Wilhelm e Stocco, 2007). Nes-te trabalho, os autores concluram que este mtodo condutivimtrico pode ser utiliza-do como ferramenta analtica para anlise comparativa da estabilidade oxidao de OVIs novos. A ttulo de informao, os leos Biotemp, Envirotemp FR3 e BIOVOLTA apresentam perodos de induo de apro-ximadamente 28, 03 e 12 horas, respecti-vamente, quando o ensaio realizado no equipamento Rancimat, a 1300C, sob borbu-lhamento de oxignio a uma vazo de 10l/h (Wilhelm, 2008).

UTILIZAO DE OVI EMEQUIPAMENTOS ELTRICOS

A utilizao de OVIs iniciou com a subs-tituio do OMI (retrofilling ou reenchimen-to) em transformadores em operao. O pri-meiro teste, sob este enfoque, foi realizado em dois transformadores de 225kVA, tipo padmounted, alimentando fornos, insta-lados no incio de 1970, sujeitos a um car-regamento contnuo com 80% da corrente nominal (McShane, Luksich, Rapp, 2003).

Em outubro de 2001 a empresa Alliant Energy fez o reenchimento do primeiro transformador de potncia (fabricante: Pennsylvania; dados de placa do equipa-mento: trifsico, 50MVA, 69kV, NBI 350kV, 7 000 gales de leo, fabricado em 1957) com leo vegetal isolante (McShane, Luksi-ch, Raap, 2003).

At maio de 2007, encontravam-se em operao, na Amrica do Sul, cerca de 410 transformadores isolados com Envirotemp FR3 (figura 2), nas tenses primrias de 440 a 230 000 V e de potncia nominal en-tre 10 a 40 000 kVA (Uhren, 2007).

No Brasil, duas concessionrias de ener-gia eltrica esto realizando testes utili-zando o OVI em equipamentos eltricos de potncia. A Companhia Energtica de Minas Gerais (Cemig) colocou em operao o pri-meiro transformador do mundo que funcio-na totalmente a OVI. O transformador, que foi desenvolvido em parceria com o fabri-cante de equipamentos, utiliza OVI tambm nas buchas de alta tenso, que isolam ex-ternamente os controladores de energiza-

o do aparelho, assim como os cabos de entrada da energia, com tenso elevada. O mesmo OVI utilizado na chave comuta-dora, responsvel pela regulao dos nveis de tenso entregue pelo equipamento aos consumidores. A combinao do OVI com a

avanada tecnologia de materiais isolantes possibilitou que esse transformador, que inicialmente foi projetado para 25MVA em 138kV, segundo informao da Cemig, seja sobrecarregado at 43MVA, durante quatro horas consecutivas, sem perda de sua vida

Figura 2 - Transformadores isolados a leo vegetal isolante




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* Helena Maria Wilhelm possui graduao em Qumica pela Universidade Federal do Paran, mestrado em Qumica pela Universidade Federal de Santa Catarina e doutorado em Qumica pela Universidade Estadual de Campinas. Foi pesquisadora do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento. Atualmente consultora da empresa Mineraltec Tecnologia em leos Minerais, professora do Programa de Ps-Graduao em Desen-volvimento de Tecnologia (PRODETEC) e de Engenharia em Materiais (PIPE) da Universidade Federal do Paran, e coordenadora da Comisso de Estudos de Lquidos Isolantes Sintticos e Naturais (CE-03:010.02) do Co-mit Brasileiro de Eletricidade, Eletrnica, Iluminao e Telecomunicao (COBEI).E-mail: [email protected]** Luciane Tlio engenheira qumica e pesquisadora do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC), especialista em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal do Paran e mestre pelo PRODETECE-mail: [email protected]*** Wilson Uhren possui graduao em Engenharia Eltrica pela Universidade Federal do Paran, graduao em matemtica pela Pontifcia Universidade Catlica do Paran, especializao em metodologia do ensino superior pela Fundao de Apoio Universidade do Rio Grande do Sul, especializao em gerncia de engenha-ria de manuteno pela Universidade Tecnolgica do Paran (UTFPR) e mestrado pelo PRODETEC. Atualmente engenheiro eletricista da Companhia Paranaense de Energia (COPEL). E-mail: [email protected]

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS[1] CELESC - Centrais Eltricas de Santa Catarina - Disponvel em http://www.celesc.com.br/noticias/index.php#12151656 e acessada em 18/11/2008.[2] CEMIG - Centrais Eltricas de Minas Gerais. Disponvel em http://www.cemig.com.br/noticias/index481.asp e acessada em 18/11/2008. [3] CIGR DO BRASIL - Comit Nacional Brasileiro de Produo e Transmisso de Energia Eltrica. Re-latrio tcnico D1-01-002/05 - Enxofre corrosivo em leo mineral isolante. Grupo de Trabalho D1-01-Lquidos Isolantes, outubro, 2005, 14 p.[4] CIGR INTERNACIONAL - International council on large electric systems. Relatrio tcnico final - Copper sulphide in transformer insulation. Grupo de trabalho WG A2-32, Brochura 378, 2009, 35 p.[5] CLAIBORNE, C. C.; CHERRY, D. B. - A status update on the use of natural ester (vegetable oil) dielectric fluids in transformers. Anais do 74th Doble International Client Conference, Boston, MA, 2006.[6] COPEL - Companhia Paranaense de Energia. Co-pel usa transformadores isolados com leo vegetal. Reportagem publicada no Copel on-line em 27 de junho de 2006.[7] ELETRONORTE Centrais Eltricas do Nor-te. Disponvel em http://www.eletronorte.gov.br e acessado em 29 de maio de 2008.

[8] GRANATO, R.; LEVY, N.; TULIO, L. - Apostila de leo Mineral Isolante. LACTEC, 2001, 25 p.[9] IEEE - Institute of Electrical and Electronics En-gineers, IEEE Std C57.147. Guide for acceptance and maintenance of natural ester fluids in transformers, 2008, 31p.[10] LEWAND, L. R. - Natural ester dielectric liqui-ds. Chemists Perspective, Neta World, 2004.[11] McSHANE, C. P. - Vegetable-oil-based dielec-tric coolants. IEEE Applications Magazine, 2002.[12] McSHANE, C. P.; LUKSICH, J.; RAPP, K. J. - Retrofilling aging transformers with natural ester based dielectric coolant for safety and life exten-sion. IEEE IAS/PCA Cement Industry Conference, Dallas, TX, USA, 2003.[13] RAAP, J. L. K; McSHANE, C. P.; CORKRAN, J. L.; GAUGER, G. A.; LUKSICH, J. - Aging of paper insulation in natural ester dielectric fluid. IEEE/PES Transmission & Distribution Conference & Exposition. Atlanta, USA, 2001.[14] RAAP, J. L. K.; McSHANE, C. P.; CORKRAN, J. L.; GAUGER, G. A.; LUKSICH, J. - Aging of paper insulation in natural ester dielectric fluid. Procee-dings of 14th International Conference on Dieletric Liquids (ICDL), Austria, 2002. [15] RAAP, J. L. K.; McSHANE, C. P.; LUKSICH, J.

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til. Este equipamento est em operao desde agosto de 2006, na subestao de Contagem, na Regio Metropolitana de Belo Horizonte (Cemig, 2008).

As Centrais Eltricas do Norte (Eletro-norte) e a filial brasileira da estatal fran-cesa Areva desenvolveram em conjunto, o primeiro reator de 242kV no mundo base de OVI. Em obtendo xito, a Eletronorte tem interesse em colocar mais equipamentos desse porte nas linhas que atendem a regio Amaznica (Eletronorte, 2008).

Em dezembro de 2006, a Centrais Eltricas de Santa Catarina, Celesc (Celesc Distribui-o), instalou em Porto Belo (SC), o primeiro transformador mvel a utilizar leo vegetal isolante no Brasil, com potncia instalada de 30MVA e tenso de 138kV (Celesc, 2008).

A Companhia Paranaense de Energia (Co-pel) tambm colocou em operao esta nova tecnologia no projeto da rede subterrnea de Foz do Iguau. O projeto da rede subterrnea de distribuio de eletricidade na Avenida Brasil, em Foz do Iguau (PR) incorpora al-gumas inovaes tcnicas que esto sendo introduzidas pela Copel de forma pioneira no sistema eltrico brasileiro. Inaugurada em ju-nho de 2006, uma delas a adoo de trans-

formadores que usam leo vegetal como isolante eltrico em lugar do leo mineral (Copel, 2006). A rede subterrnea da Aveni-da Brasil tem 18 transformadores desse tipo, com potncia individual de 500kVA e ope-rando confinados em cmaras especiais na tenso de 13,8kV e com sadas de 220/127V. A rede eltrica subterrnea atender cerca de 650 consumidores, como grandes edifcios e galerias, hotis, bancos e lojas (Copel, 2006). Desde 2005, o LACTEC vem desenvolvendo projetos de pesquisa e de desenvolvimento em parceria com a Copel, visando avaliar o desempenho de transformadores preenchi-dos com OVI, tanto por meio de ensaios de laboratrio, como por avaliaes peridicas dos equipamentos instalados em campo.

CONCLUSO O uso do OVI uma realidade no setor

eltrico nacional. Seu uso em transforma-dores de distribuio est consolidado. O uso em equipamentos de potncia est sen-do investigado por vrias concessionrias de energia e instituies de pesquisa. Com a expanso de seu uso, o setor eltrico estar contribuindo para a manuteno do meio ambiente e para a sustentabilidade do pas.

AgradecimentosAo CNPq, pela concesso da bolsa de

produtividade em pesquisa a Dra. Helena Maria Wilhelm e ao PRODETEC.

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