Avaliação do meio isolante de um transformador através da ...files.isec.pt/DOCUMENTOS/SERVICOS/BIBLIO/Teses/Tese_Mest_Ana... · Às Doutoras Maria Nazaré Pinheiro e Maria João

Departamento

de Engenharia Química e Biológica

Avaliação do meio isolante de um

transformador através da simulação das suas

condições de funcionamento

Relatório de Estágio apresentado para a obtenção do grau de

Mestre em Processos Químicos e Biológicos

Autor

Ana Patrícia Simões Polido

Orientador

Doutor Luís Miguel Neves Moura de Castro

Instituto Superior de Engenharia de Coimbra

Engenheira Ana Rita Violante

Fábrica SIEMENS S.A.

Coimbra, Dezembro, 2012

“Não devemos ter medo

dos confrontos... até

os planetas se chocam e

do caos nascem as estrelas."

Charles Chaplin

Agradecimentos

Em primeiro lugar quero agradecer ao meu orientador no Departamento de

Engenharia Química e Biológica do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, Doutor

Luís Miguel Neves Moura de Castro, por se ter disponibilizado para orientar esta

dissertação, ajudando-me a enfrentar as dificuldades inerentes ao trabalho que fui

realizando.

De igual modo agradeço à Engenheira Ana Rita Violante, responsável pelo

Laboratório de Materiais da SIEMENS, pela disponibilidade de me receber, ajudar,

orientar e apoiar ao longo deste estágio.

Também não posso deixar de agradecer ao Eng.º Henrique Silva e à Dr.ª Helena

Veneza por tudo o que me ensinaram desde o primeiro dia na SIEMENS e por tudo o que

fizeram de forma a me ajudar neste trabalho (e que não foi pouco), especialmente todas as

análises que fizeram para além do seu trabalho habitual. Obrigada por tudo o que me

ensinaram e pela paciência que tiveram para o fazer.

Às Doutoras Maria Nazaré Pinheiro e Maria João Moreira e Eng.ª Laura Teixeira

Santos, por todo o apoio prestado e tempo despendido a auxiliar-me nas técnicas de

determinação do teor de água e viscosidade.

Ao Eng.º David Domingues agradeço o facto de enquanto Presidente do

Departamento de Engenharia Química e Biológica ter iniciado, juntamente com o Doutor

Luís Castro, as conversações com a SIEMENS, originando o meu trabalho.

Finalmente as pessoas mais importantes, os meus pais e irmã, sem vocês estes

últimos anos não teriam sido possíveis. Sem o vosso apoio era impossível ter chegado

onde cheguei.

Por último, mas nem por isso menos importante, quero agradecer aos que me

aturaram ao longo desta fase mas que me acompanham já há uns anos, que sabem

acalmar, alegrar e me ajudaram sempre que precisei, que nunca hesitaram em dar a

opinião ou mandar parar para respirar. Aquela sala será sempre a “nossa sala” e as

memórias do que lá passamos nos últimos anos continuarão sempre vivas.

Resumo

Ana Patrícia Simões iii

Resumo

Nos últimos anos, o desenvolvimento de novos tipos de líquidos isolantes revolucionou a

indústria dos transformadores. O midel e o silicone vieram substituir o óleo mineral

aumentando a segurança do transformador e diminuindo o risco ambiental, na medida em

que apresentam maior biodegrabilidade, são menos nocivos e têm menor risco de

explosão, visto serem mais resistentes a aumentos de temperatura. O aparecimento destes

novos líquidos isolantes abriu novos campos de investigação uma vez que a maioria da

informação existente sobre líquidos isolantes se refere apenas ao óleo mineral.

É neste contexto que foi estabelecido um protocolo de cooperação entre o ISEC e a

SIEMENS, SA, no âmbito do qual se desenvolveu o presente trabalho. O objetivo

principal do estágio era conhecer o comportamento destes novos isolantes quando o

transformador está em funcionamento, ou seja, estudar a degradação do óleo e do material

do isolamento sólido quando em contacto com um meio isolante de um transformador,

através da simulação das suas condições de funcionamento. Assim foram aplicados

choques térmicos a amostras de midel e silicone, que posteriormente foram analisadas

segundo vários parâmetros, como o teor de água, rigidez dielétrica, fator de dissipação

dielétrico (tg δ) e gases dissolvidos.

Após a realização das análises de rotina verificou-se que estas propriedades não

variam substancialmente com os choques térmicos

Os resultados obtidos permitiram comparar o midel e o silicone com as alterações

verificadas no óleo mineral, na perspetiva de aproximar os seus comportamentos,

aplicando vários critérios como o de Rogers, a razão entre óxidos e entre gases

atmosféricos, tendo por base a norma IEC 60599:1999.

Em termos de análises cromatográficas, foi possível observar que a formação inicial

de gases não ocorre por degradação do material mas através de reações que ocorrem entre

os radicais instáveis livres no óleo. Só com o decorrer do ensaio é que a formação dos

gases tem como base a degradação dos materiais e consequentes reações. Do mesmo

modo, o critério de Rogers permitiu determinar que a quantidade de gases formada não é

substancial.

Resumo

iv Ana Patrícia Simões Polido

As amostras com material bem tratado têm menor teor de água, devido à cura

eficaz. Do mesmo modo o material mal tratado tem maior acidez devido à insuficiência

da cura que leva a uma degradação mais rápida do material.

A comparação dos aparelhos de Karl-Fisher foi bem-sucedida comprovando-se a

aplicabilidade dos dois na deteção de teor de água elevados.

Por último, realizou-se a análise multivariável dos resultados da análise de gases

dissolvidos, através da qual se determinou ser possível inferir a concentração de algumas

espécies gasosas, partindo das concentrações de gás de outras espécies, abrindo assim

portas a novos estudos.

Palavras-chave: Midel, Silicone, transformadores, DGA, teor de água, rigidez dielétrica,

tg δ, análise multivariável.

O presente documento está escrito seguindo o novo acordo ortográfico.

Abstract

Ana Patrícia Simões v

Abstract

In the last few years, transformers industry was revolution by the development of

new insulating liquids. Midel and silicone replaced mineral oil increasing the transformer

security and decreasing environmental hazard because of their higher biodegradability,

are less harmful and have less explosion risk due to their higher resistance to temperature

increases. The emergence of these new insulating liquid has opened new fields of

research since the majority of existing information on the insulating liquids refers only to

the mineral oil.

It is in this context that we established a cooperation protocol between ISEC and

SIEMENS, SA, under which developed the present work. The main objective of the

internship was to understand the behavior of these new insulators when the transformer is

in operation, studying the degradation of oil and solid insulation material when in contact

with a liquid insulating of a transformer, through the simulation of their operation

conditions. Thus thermal shocks were applied to samples of Midel and silicone, which

were subsequently analyzed according to various parameters such as water content,

dielectric strength, dielectric dissipation factor (tan δ) and dissolved gases.

After make all routine analysis can be stated that these properties do not varied

substantially with thermal shocks.

The obtained results allowed to compare midel and silicone with the verified

alterations on the mineral oil, applying several criteria like Rogers, the ratio between

oxides and atmospheric gases, based on the IEC 60599, 1999.

In terms of chromatographic analysis, it was observed that the initial formation of

gases occurs not by material degradation but through reactions that occur between the

unstable free radicals in the oil. Only with the course of the test is that the formation of

gases is based on the degradation of materials and consequent reactions. Similarly,

Rogers criteria allowed to determine the amount of gas formed is not substantial.

The samples with treated material have lower water content, because of effective

cure. Similarly poorly treated material has higher acidity due to insufficient cure which

leads to a more rapid degradation of the material.

Abstract

vi Ana Patrícia Simões Polido

The comparison of Karl-Fisher equipment was successful proving the applicability

of both the detection of high water content.

Finally, a multivariable analysis of the DGA results was performed through which it

was possible to infer the concentration of some gaseous species, based on the

concentration of other species gases, thus opening paths to new studies.

Keywords: Midel, Silicone, transformers, DGA, water content, dielectric breakdown, tg

δ, multivariate analysis

Índice

Ana Patrícia Simões vii

Índice

1. Introdução ................................................................................................................................ 1

1.1. SIEMENS ........................................................................................................................... 1

1.1.1. Origem da SIEMENS .................................................................................................. 1

1.1.2. SIEMENS em Portugal ............................................................................................... 3

1.1.3. Organização da SIEMENS em Portugal ..................................................................... 6

1.1.4. Enquadramento ........................................................................................................ 6

1.2. Transformadores .............................................................................................................. 7

1.3. Sistema Isolante ............................................................................................................... 8

1.3.1. Isolamento gasoso .................................................................................................... 9

1.3.2. Isolamento líquido .................................................................................................. 10

1.3.3. Isolamento sólido ................................................................................................... 11

1.3.4. Envelhecimento dos isolamentos – Interação entre sistemas ............................... 12

1.4. Óleos Isolantes ............................................................................................................... 15

1.4.1. ÓLEO MINERAL ....................................................................................................... 16

1.4.2. ÉSTER ...................................................................................................................... 19

1.4.3. SILICONE ................................................................................................................. 20

1.4.4. Propriedades dos líquidos isolantes ....................................................................... 20

1.4.5. Comparações entre líquidos isolantes ................................................................... 22

2. Técnicas Analíticas .................................................................................................................. 31

2.1. Teor de água por Titulação Coulométrica e Volumétrica (IEC 60814, 1997) ................. 31

2.2. Determinação da Tensão disruptiva (IEC 60156,1995) ................................................. 33

2.3. Determinação do Fator de Dissipação Dielétrica (Tg δ) (IEC 60247, 2004) .................... 37

2.4. Índice de Acidez (IEC 62021-1, 2003) ............................................................................. 40

2.5. Viscosidade ..................................................................................................................... 42

2.6. Análise de Gases Dissolvidos (IEC 60567, 2005/ IEC 60599, 1999/ IEC 61181, 2007) .... 43

Índice

viii Ana Patrícia Simões Polido

3. Simulação do Impacto Térmico num Transformador ............................................................ 49

3.1. Material .......................................................................................................................... 49

3.2. Purga dos Vials ............................................................................................................... 51

3.3. Primeira Simulação ........................................................................................................ 53

3.4. Segunda Simulação ........................................................................................................ 54

4. Resultados e discussão........................................................................................................... 59

4.1. Primeira Simulação ........................................................................................................ 59

4.2. Segunda simulação ........................................................................................................ 67

4.2.1. Análise de Gases Dissolvidos .................................................................................. 70

4.2.2. Análises de Rotina .................................................................................................. 87

4.2.3. Análises Complementares...................................................................................... 92

4.2.4. Variação do teor de água, hidrogénio e oxigénio .................................................. 93

4.2.5. Análise Multivariável .............................................................................................. 95

5. Conclusões ........................................................................................................................... 105

6. Sugestões de trabalho futuro .............................................................................................. 109

7. Referências Bibliográficas .................................................................................................... 113

Anexos .......................................................................................................................................... 119

A. Procedimentos de utilização dos aparelhos de Karl-Fischer ............................................... 119

B. Calibração do Viscosímetro de Cannon-Fenske-Routine e determinação da viscosidade

cinemática dos óleos .................................................................................................................... 125

C. Ficha Técnica do Midel ........................................................................................................ 127

D. Ficha Técnica do Silicone ..................................................................................................... 130

E. Resultados Experimentais da 1ª Simulação ......................................................................... 131

F. Análise Multivariável ............................................................................................................ 138

Índice

Ana Patrícia Simões ix

Índice de Figuras

Figura 1.1: Evolução do logotipo da SIEMENS (SIEMENS, 2005). ..................................................... 1

Figura 1.2: Telégrafo inventado por Werner von Siemens, 1847 (SIEMENS, 2005)......................... 1

Figura 1.3: Dínamo elétrico, 1866 .................................................................................................... 2

Figura 1.4: Elétrico da Linha de Sintra, 1902. ................................................................................... 3

Figura 1.5: Localização das fábricas da SIEMENS S.A. em Portugal (adaptado de SIEMENS, S.A.,

2009) ................................................................................................................................................. 5

Figura 1.6: Transformador. ............................................................................................................... 7

Figura 1.7: Representação de um corte transversal de uma bobine com o objetivo de se

observarem os espaços para circulação do gás. ............................................................................ 10

Figura 1.8: Mecanismo de envelhecimento (a) e taxa de envelhecimento (b) (IEC 60505, 2004). 12

Figura 1.9: Mecanismos de degradação do papel (Martins, 2009). ............................................... 13

Figura 1.10: Esquema da degradação da celulose (Homagk et al., 2008). ..................................... 14

Figura 1.11: Estrutura dos hidrocarbonetos parafínicos (Lipstein, et al., 1970) ............................ 16

Figura 1.12: Estrutura química do diterciário-butilparacresol (Milash, 1984) ............................... 17

Figura 1.13: Formação de Álcool e Cetona a partir de um hidroperóxido terciário (Lipstein et al.,

1970). .............................................................................................................................................. 18

Figura 1.14: Formação de Cetona e Ácido partindo de um hidroperóxido secundário (Lipstein et

al., 1970). ........................................................................................................................................ 18

Figura 1.15: Formação de Aldeído e Ácido partindo de um hidroperóxido secundário (Lipstein et

al., 1970) ......................................................................................................................................... 18

Figura 1.16: Estrutura do éster sintético (a) e de um éster natural (b). ........................................ 19

Figura 1.17: Estrutura molecular do Silicone. ................................................................................ 20

Figura 1.18: Imagens da resistência à ignição. a) Óleo mineral b) Midel (M&I Materials, 2011). . 28

Figura 2.1: Aparelhos de titulação utilizados nos ensaios: a) Titulador Coulométrico Metrohm

modelo 831, com agitador Metrohm, modelo 728 e b) Titulador Volumétrico Metrohm modelo

633 equipado com dois doseadores modelo 645 Multi-Dosimat. ................................................. 33

Figura 2.2: BAUR Oil Tester DTA e BAUR Dieltest DTA. .................................................................. 34

Índice

x Ana Patrícia Simões Polido

Figura 2.3: Pormenor da célula e elétrodos. .................................................................................. 35

Figura 2.4: Representação gráfica do coeficiente de variação vs. Tensão de rutura média

(IEC60156, 1995). ........................................................................................................................... 37

Figura 2.5: BAUR DTL. .................................................................................................................... 38

Figura 2.6: Desmontagem do aparelho com referência a alguns dos componentes mais

importantes.................................................................................................................................... 39

Figura 2.7: Exemplo de Compact Titrator com Rodolino. .............................................................. 40

Figura 2.8: Viscosímetro Capilar (GERÄTE). ................................................................................... 42

Figura 2.9: Percurso dos componentes da amostra na coluna (adaptado de Damelin, 2000). ..... 44

Figura 2.10: Exemplo de um cromatograma obtido através do registo dos picos nos diferentes

tempos de retenção. ...................................................................................................................... 45

Figura 2.11: Esquema da Cromatografia Gasosa (adaptado de Janssen, 2010). ........................... 45

Figura 3.1: Material utilizado nos ensaios experimentais. ............................................................ 50

Figura 3.2: Exemplo do material preparado. ................................................................................. 50

Figura 3.3: Vial e cápsula utilizados nos ensaios. .......................................................................... 51

Figura 3.4: Roundtable vista lateralmente (a) e de cima (b) .......................................................... 53

Figura 3.5: Esquema de preparação de amostras para a primeira simulação. .............................. 53

Figura 3.6: Esquema de preparação de amostras para a segunda simulação. .............................. 54

Figura 4.1: Concentração de metano, etano e propano, para todas as amostras, obtida por

análise de gases dissolvidos. .......................................................................................................... 61

Figura 4.2: Concentração de hidrogénio, etileno e propileno, para todas as amostras, obtida por

análise de gases dissolvidos. .......................................................................................................... 63

Figura 4.3: Concentração de dióxido de carbono e monóxido de carbono, para todas as

amostras, obtida por análise de gases dissolvidos. ....................................................................... 64

Figura 4.4: Concentração de oxigénio e azoto, para todas as amostras, obtida por análise de

gases dissolvidos. ........................................................................................................................... 66

Figura 4.5: Garrafas de alumínio com as tampas derretidas, tampas derretidas depois de

removidas das garrafas e o-rings partidos. .................................................................................... 68

Figura 4.6: Amostras de midel com material mal tratado, em que se pode observar as partículas

libertadas (destacadas no circulo a preto). a- 5º ciclo, b - 7º ciclo. ............................................... 69

Índice

Ana Patrícia Simões xi

Figura 4.7: Representação da variação da concentração de gases com a variação do tempo de

experiência, para o midel purgado com árgon e com material bem tratado. ............................... 72

Figura 4.8: Representação da variação dos gases atmosféricos e dos óxidos de carbono com o

tempo de ciclo, para o midel purgado com árgon com material bem tratado. ............................. 73


experiência, para o midel purgado com árgon e com material mal tratado. ................................ 74

Figura 4.10: Representação da variação dos gases atmosféricos e dos óxidos de carbono com o

tempo de ciclo, para o midel purgado com árgon com material mal tratado. .............................. 75


experiência, para o silicone purgado com árgon e com material bem tratado. ............................ 76

Figura 4.12: Representação da variação dos gases atmosféricos com o tempo de ciclo, para o

silicone purgado com árgon com material bem tratado. ............................................................... 77


experiência, para o silicone purgado com árgon e com material mal tratado. ............................. 78

Figura 4.14: Representação da variação dos gases atmosféricos e óxidos de carbono com o

tempo de ciclo, para o silicone purgado com árgon com material mal tratado. ........................... 79

Figura 4.15: Variação, em atmol, dos átomos de carbono, hidrogénio, azoto e oxigénio para

todas amostras de midel e silicone com material mal e bem tratado. .......................................... 81

Figura 4.16: Valores da razão R1 e R2 para as amostras em estudo. .............................................. 84

Figura 4.17: Representação gráfica da razão entre os óxidos de carbono ao logo da experiência e

representação do limite. ................................................................................................................ 85

Figura 4.18: Representação gráfica da razão entre os gases atmosféricos ao logo da experiência e

representação do limite. ................................................................................................................ 87

Figura 4.19: Representação da Tensão disruptiva (kV), Teor de água (ppm) e Tg δ ao longo da

experiência para as amostras de midel com material tratado. ...................................................... 90

Figura 4.20: Representação da variação do teor de água e concentração de hidrogénio e oxigénio

ao longo da experiência, para amostras de midel e silicone com material bem e mal tratado. ... 94

Figura 4.21: Representação dos valores de hidrogénio experimental vs. hidrogénio obtido por

MLR. ................................................................................................................................................ 97

Figura 4.22: Representação dos valores de metano experimental vs. metano obtido por MLR. .. 98

Figura 4.23: Representação dos valores de etileno experimental vs. etileno obtido por MLR. .... 98

Índice

xii Ana Patrícia Simões Polido

Figura 4.24: Representação dos valores de propano experimental vs. propano obtido por MLR 98

Figura 4.25: Variação da concentração de hidrogénio obtida experimentalmente e através da

aplicação da equação determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos. ...... 99

Figura 4.26: Variação da concentração de metano obtida experimentalmente e através da

aplicação da equação determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos. ...... 99

Figura 4.27: Variação da concentração de etileno obtida experimentalmente e através da

aplicação da equação determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos. .... 100

Figura 4.28: Variação da concentração de propano obtida experimentalmente e através da


Figura 4.29: Variação da concentração de monóxido de carbono obtida experimentalmente e

através da aplicação da equação determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos

ciclos. ............................................................................................................................................ 101

Figura 4.30: Variação da concentração de etano obtida experimentalmente e através da


Figura 4.31: Variação da concentração de propileno obtida experimentalmente e através da


Figura A.1: Esquema do 831 KF Coulometer com pormenor do elétrodo de platina e conjunto

gerador. ........................................................................................................................................ 120

Figura A.2: Esquema do 633 Karl-Fisher Automat. ...................................................................... 122

Figura B.1: Viscosidade dinâmica de soluções de sacarose (Perry et al., 1997) .......................... 125

Índice

Ana Patrícia Simões xiii

Índice de Tabelas

Tabela 1.1: Descrição dos critérios de avaliação de um óleo e as características dos fluídos

isolantes que lhe estão associadas. ................................................................................................ 16

Tabela 1.2: Exemplo de composição dos óleos parafínicos e nafténicos (Godinho, 2009). .......... 17

Tabela 1.3: Degradação do óleo mineral (Lipstein et al., 1970). .................................................... 18

Tabela 1.4: Características que influenciam a escolha do óleo (M&I Materials, 2011). ................ 21

Tabela 1.5: Comparação dos valores limite para óleo mineral novo e usado, propriedades e

normas de ensaio utilizadas (IEC 60422, 2013). ............................................................................. 23

Tabela 1.6: Comparação dos valores limite para Midel novo e usado, propriedades e normas de

ensaio utilizadas (IEC 61099, 2010; IEC 61203, 1992). ................................................................... 24

Tabela 1.7: Comparação dos valores limite para Silicone novo e usado, propriedades e normas

de ensaio utilizadas (IEC 60836, 2005; IEC 60944, 1988). .............................................................. 25

Tabela 3.1: Dimensões do material utilizado no estudo. ............................................................... 51

Tabela 4.1: Duração do período de aquecimento e arrefecimento em cada ciclo experimental e

tempo total de simulação. .............................................................................................................. 59

Tabela 4.2: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras de óleo

purgado, antes de serem sujeitas a qualquer tipo de choque térmico. ....................................... 60

Tabela 4.3: Tempo de aquecimento e arrefecimento para cada ciclo e tempo total de cada ciclo e

de simulação. .................................................................................................................................. 68

Tabela 4.4: Valores obtidos na análise de DGA (em ppm) para as amostras dos sete ciclos de

midel purgado com árgon, contendo material bem tratado. ........................................................ 71

Tabela 4.5: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA (em ppm) para as amostras

dos sete ciclos de midel purgado com árgon, contendo material mal tratado. ............................ 74


dos sete ciclos de silicone purgado com árgon, contendo material bem tratado. ........................ 76


dos sete ciclos de silicone purgado com árgon, contendo material mal tratado. ......................... 78

Tabela 4.8: Balanço aos átomos constituintes das espécies gasosas (expressos em moles de

átomos), para cada um dos ciclos, nas amostras de midel e silicone com material bem e mal

tratado. ........................................................................................................................................... 80

Índice

xiv Ana Patrícia Simões Polido

Tabela 4.9: Valores da razão entre hidrocarbonetos para as diferentes amostras ao longo da

experiência. .................................................................................................................................... 83

Tabela 4.10: Concentração, em ppm, dos gases num transformador de distribuição. ................. 84

Tabela 4.11: Valores obtidos para os ensaios de rotina para as amostras de midel com material

bem tratado. .................................................................................................................................. 89

Tabela 4.12: Viscosidade cinemática a 40ᵒC das amostras correspondentes aos 91 dias de ensaio.

....................................................................................................................................................... 93

Tabela 4.13: Matriz de Componentes Rodada pelo Método Varimax com normalização de Kaiser.

....................................................................................................................................................... 96

Tabela A.1: Valores de teor de água obtidos na Fábrica do Sabugo da SIEMENS S.A. e no ISEC e

respetivos valores para validação. ............................................................................................... 124

Tabela B.1: Valores necessários para a obtenção da massa volúmica da solução aquosa de

sacarose a 60% e respetiva massa volúmica. .............................................................................. 125

Tabela B.2: Valores necessários à determinação da constante do viscosímetro. ....................... 126

Tabela B.3: Valores de tempo de escoamento e viscosidade cinemática obtidas para as amostras

de óleo. ........................................................................................................................................ 126

Tabela E.1: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco

ciclos de midel purgado com ar, em ppm. ................................................................................... 131


ciclos de midel purgado com ar, contendo material bem tratado, em ppm. .............................. 131


ciclos de midel purgado com ar, contendo material mal tratado, em ppm. ............................... 132


ciclos de midel purgado com árgon, em ppm. ............................................................................. 132


ciclos de midel purgado com árgon, contendo material bem tratado, em ppm. ........................ 133


ciclos de midel purgado com árgon, contendo material mal tratado, em ppm. ......................... 133


ciclos de silicone purgado com ar, em ppm. ................................................................................ 134

Índice

Ana Patrícia Simões xv

Tabela E.8:Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco

ciclos de silicone purgado com ar, contendo material bem tratado, em ppm. ........................... 134


ciclos de silicone purgado com ar, contendo material mal tratado, em ppm. ............................ 135


ciclos de silicone purgado com árgon, em ppm. .......................................................................... 135


ciclos de silicone purgado com árgon, contendo material bem tratado, em ppm. ..................... 136


ciclos de silicone purgado com árgon, contendo material mal tratado, em ppm. ...................... 136

Tabela F.1: Matriz dos valores globais antes da rotação. ............................................................ 138

Tabela F.2: Matriz dos valores globais após a rotação. ................................................................ 138

Tabela F.3: Valores dos factor scores para todas as amostras e ciclos. ....................................... 139

Tabela F.4: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o hidrogénio. ............................. 140

Tabela F.5: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o metano. .................................. 140

Tabela F.6: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o etileno. ................................... 141

Tabela F.7: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o propano. ................................. 141

Tabela F.8: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o monóxido de carbono. ........... 141

Tabela F.9: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o etano. ..................................... 142

Tabela F.10: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o propileno. ............................. 142

Índice

xvi Ana Patrícia Simões Polido

Índice de Gráficos

Gráfico 1.1: Organização da SIEMENS S.A. (Siemens, S.A., 2009). .................................................. 6

Gráfico 1.2: Representação da tensão disruptiva vs. Teor de Humidade (adaptado de M&I

Materials, 2011). ............................................................................................................................ 26

Gráfico 1.3: Representação da percentagem biodegradação vs. Tempo (M&I Materials, 2011). 27

Gráfico 1.4: Representação gráfica da Tensão disruptiva vs. a Temperatura no óleo mineral (M&I

Materials, 2011). ............................................................................................................................ 27

Gráfico 1.5: Representação gráfica da Tensão disruptiva vs. Temperatura no Midel (M&I

Materials, 2011). ............................................................................................................................ 28

Abreviaturas

Ana Patrícia Simões xvii

Abreviaturas

SA – Sociedade Anónima

SARL – Sociedade Anónima de Responsabilidade Limitada

AG – Aktiengesellschaft (sociedade anónima)

EDP – Energias de Portugal

PT – Portugal Telecom

IPO – Instituto Português de Oncologia

PET – Tomografia de Emissão de Positrões

ISEC – Instituto Superior de Engenharia de Coimbra

GmbH – Gesellschaft mit beschränkter Haftung (Sociedade Anónima com

Responsabilidade Limitada)

LAT – Laboratório de Alta Tensão

EIS – Sistema Isolante Elétrico

DP – Degree of Polymerization (grau de polimerização)

DGA – Dissolved Gas Analysis (análise de gases dissolvidos)

DBPC – Diterciário-butilparacresol

Tg δ ou tan δ – Fator de Dissipação Dielétrico

IEC – International Electrotechnical Commission

ISO/DIS – International Organization for Standardization/ Draft International Standard

(Organização Internacional de Padronização/Projecto de Norma Internacional)

ASTM – American Society for Testing and Materials (Sociedade Americana para Testes e

Materiais)

GC – Gas Chromatography (Cromatografia Gasosa)

MBT – Material Bem Tratado

MMT – Material Mal Tratado

MLR – Multiple Linear Regression (Regressão Linear Múltipla)

Exp – Experiência

Capí tulo 1 – Introduça o

Introdução

Ana Patrícia Simões Polido 1

1. Introdução

1.1. SIEMENS

Criada em 1847 em Munique, a SIEMENS tornou-se uma das empresas da área de

engenharia mais importante a nível mundial, sendo a maior da Europa. Apresenta uma

vasta gama de produção, desde telemóveis a reatores nucleares para além de oferecer

soluções nas áreas da siderurgia, indústria do cimento e papel, entre outras.

Figura 1.1: Evolução do logotipo da SIEMENS (SIEMENS, 2005).

1.1.1. Origem da SIEMENS

A sociedade que Werner von Siemens e Johann Georf

Halske iniciaram, designou-se como Telegraphen-

Bauanstalt Siemens & Halske (Empresa de Construção de

Telégrafos Siemens e Halske) e tinha o intuito de divulgar Figura 1.2: Telégrafo inventado por

Werner von Siemens, 1847 (SIEMENS,

2005).

Capítulo 1

2 Ana Patrícia Simões Polido

um novo modelo de telégrafo (Figura 1.2) que não requeria conhecimentos de código

morse obrigando o seu utilizador a ser alfabetizado.

Iniciava-se assim um caminho promissor para a empresa que revolucionou diversas

áreas como a dos transportes e comunicações. A implementação deste sistema de

comunicação levou à criação de máquinas de revestimento dos fios com o material

isolante. Estas máquinas seriam utilizadas na Siemens Brothers, destinada à produção de

cabos, iniciando-se a instalação de cabos de telégrafo subterrâneos e submarinos.

Com a obtenção da patente do dínamo elétrico (Figura 1.3) em 1866 revolucionou

os sistemas elétricos, reduzindo os desperdícios. Em 1870 a

Siemens & Halske já tinha várias sucursais em diversos

países (SIEMENS, 2005).

Apenas 9 anos depois, com a mudança da sede para

Viena e reestruturação dos objetivos da empresa, surgiu o

gerador elétrico.

No final do século é criada a Siemens-

Shuckertwerke dedicada à engenharia elétrica. Com esta alteração da empresa surgiriam

novas áreas e oportunidades de negócio. A SIEMENS iniciou o projeto de carros de

corrida e o fabrico de automóveis (Protos). Apesar do sucesso nesta vertente, nos anos 20

a produção automóvel iria desaparecer dando lugar à produção de material elétrico e

eletrodomésticos (Protos).

Após a 1ª Guerra Mundial inicia-se um novo ciclo de crescimento que apenas em

1929 iria ser travado. De forma a garantir a subsistência da empresa, foram montadas

oficinas de produção de elétrodos, disjuntores e transformadores nas fábricas onde só

havia instalação destes.

No ano de 1966 surge a SIEMENS G.A. que engloba a gestão da Siemens & Halske

(1947), Siemens Shuckertwerke (1903) e Siemens -Reiniger-Werke (1932), sendo esta

última criada para produção de equipamento médico.

Atualmente, a SIEMENS conta com sucursais em cerca de 190 países, empregando

perto de 400.000 colaboradores. As suas principais áreas de atividade incluem a atividade

industrial, saúde e energia, das quais se destacam: Industria, Energia, Healthcare,

Infraestruturas e Cidades, SIEMENS IT Soluções e SIEMENS IT Serviços (Siemens,

2005).

Figura 1.3: Dínamo elétrico, 1866

Introdução


1.1.2. SIEMENS em Portugal

Quando em 1876 a SIEMENS forneceu um forno contínuo com regeneração de calor à

indústria do vidro na Marinha Grande, não havia previsão que em 1905 o sector industrial

português beneficiasse da implantação de uma sucursal da SIEMENS em território

nacional: a Companhia Portuguesa de Eletricidade Siemens Schuckertwerk Lda., sucursal

da então denominada Siemens-Schuckert

(SIEMENS, 2005).

O lançamento da SIEMENS em

território nacional foi fomentado pela

instalação de unidades elétricas em Portugal,

assim como a adoção do carro elétrico como

meio de transporte (SIEMENS, 2005).

O fornecimento do equipamento para a

Central Hidroelétrica de Santa Rita e de seis

máquinas a vapor com geradores para a

termoelétrica de Massarelos eram alguns dos grandes negócios da SIEMENS em

Portugal. Contudo a 1ª Guerra Mundial tornou precária a situação da empresa em

Portugal devido à expropriação de empresas de origem Alemã.

Após algum tempo, regressa a Portugal como SIEMENS Lda. - Companhia de

Eletricidade, pertencendo à SIEMENS & Halske AG e SIEMENS Schuckertwerke,

GmbH. Em 1931, devido ao aumento do volume de negócios, a SIEMENS Lda.-

Companhia de Eletricidade passou a SIEMENS – Companhia de Eletricidade, S.A.R.L.

pertencendo maioritariamente à SIEMENS Schuckertwerte (SIEMENS, 2005).

A 2ª Guerra Mundial reverteu o crescimento da SIEMENS tendo a empresa visto

alguns dos seus pertences novamente confiscados pelo estado português. A multinacional

voltou aos grandes negócios em território nacional em 1947, com o fornecimento de um

posto de transformação e instalação elétrica da Companhia Portuguesa de Trefilaria.

Em 1965, a SIEMENS por intermédio de Portugal chega a Moçambique,

participando no projeto hidrelétrico de Cahora-Bassa. Nos anos de 1955-1968, forneceu

variado material para a edificação da linha de comboios de Sintra e Metropolitano de

Lisboa. É nos anos 60 que a SIEMENS decide criar a unidade Motra – Equipamentos

Elétricos S.A.R.L. Em 1963, deu-se início à construção da atual fábrica situada no

Sabugo, com vista à produção de transformadores, motores, eletrobombas e ferramentas

Figura 1.4: Elétrico da Linha de Sintra, 1902.

Capítulo 1


elétricas. Esta fábrica conhecida atualmente como SIEMENS - Fábrica do Sabugo, foi

construída tendo em conta métodos de organização de trabalho modernos, revelando-se

uma unidade fabril exemplar (SIEMENS, 2005).

A Fábrica do Sabugo, em 1969 produzia matrizes para memórias de computadores,

circuitos integrados híbridos e componentes para amplificadores. Em 1971, com a

necessidade de expandir as instalações da empresa, abriu em Évora a unidade de

produção de relés. A SIEMENS tinha então 1304 colaboradores divididos pelo Sabugo,

Évora e departamentos administrativos e comerciais.

Na década de 70, a reestruturação da sede alemã da empresa levou a uma

reestruturação das filiais. Em 1972 a designação da SIEMENS passou a SIEMENS

S.A.R.L. e definiu quatro departamentos: Eletrotécnico, Telecomunicações,

Eletrodomésticos e Energia e Indústria. Existiam ainda o Departamento de

Administração, a Delegação Técnica do Porto, a Fábrica do Sabugo e a Fábrica de Évora.

Em 1973, a Indelma – Indústrias ElectroMecânicas, S.A.R.L. no Seixal, era

adquirida pela SIEMENS e passou a assegurar a existência de uma segunda linha de

produção de quadros elétricos. A produção nacional foi aumentada e diversificada com a

implementação da indústria eletromecânica e eletrónica (SIEMENS, 2005).

Contudo mais um retrocesso na evolução da SIEMENS surgiu em 1974 com a

Revolução de Abril. As dificuldades económicas geradas pela redução de encomendas,

aumento de salários, aumento da inflação e recessão internacional provocaram a redução

de operários e aumento de prejuízos.

Em 1976/77, apesar das dificuldades o maior acionista decidiu continuar a investir

no país suportando os custos do prejuízo, dando um voto de confiança à sucursal.

Na década de 80, o forte crescimento da SIEMENS em Portugal levou à aquisição

de terrenos em Alfragide onde seria edificada a sede da SIEMENS. Na sede teriam lugar

escritórios, oficinas e centros de estudo e preparação incluindo uma escola de técnicas

digitais aplicadas em telecomunicações e automação digital (SIEMENS, 2005).

Em 1987, a Motra foi integrada na SIEMENS, S.A. passando a denominar-se

Fábrica de Transformadores do Sabugo, onde se produzem atualmente os transformadores

de baixa e média potência.

Na década de 90 participou em projetos de grande relevo como na construção da

primeira rede móvel nacional (1992 - PT), construção e exploração da Central

Termelétrica de Ciclo Combinado da Tapada do Outeiro (1991 – EDP), consórcios de

fornecimento para a rede de comboios de Sintra e construção de protótipos para as novas

Introdução


carruagens do Metropolitano, e obteve a certificação do sistema de gestão da qualidade

das suas unidades.

Em 1993 mais uma crise económica gerou a redução de pessoal no Sabugo e

Indelma. Contudo novos projetos na área da cablagem para a Renault e Auto-Europa

voltariam a impulsionar a empresa. Nesta década inovou-se mais uma sucursal desta vez

em Matosinhos dando melhores condições ao departamento comercial, instalação e

assistência dos produtos SIEMENS na Região Norte (SIEMENS, 2005).

Com a entrada do novo milénio, o plano de negócios SIEMENS voltou-se para os

serviços do futuro, tecnologias da informação, comunicação e da indústria. Em 2001 abria

um polo de investigação dedicado a segmentos sofisticados do mercado de software,

tecnologias óticas, mobilidade e internet.

Na área da saúde instalou no IPO de Lisboa o 1º PET SIEMENS e iniciou a

disponibilização de sistemas informáticos de gestão hospitalar

Na Figura 1.5 pode-se observar a atual localização de algumas fábricas em

Portugal.

Figura 1.5: Localização das fábricas da SIEMENS S.A. em Portugal (adaptado de SIEMENS, S.A., 2009)

Capítulo 1


1.1.3. Organização da SIEMENS em Portugal

Em 1989 a gestão das sucursais da SIEMENS foi descentralizada, ou seja, cada sucursal

passou a ser responsável por si mesma. A empresa encontra-se dividida em 3 sectores

principais sendo apoiados por um sector de soluções e serviços.

Os centros corporativos funcionam como áreas que apoiam a empresa, ajudando na

definição de estratégias e objetivos.

A Fábrica do Sabugo é comummente designada por E T TR FS (Sector de Energia

Transmissão Transformadores – Fábrica do Sabugo).

Gráfico 1.1: Organização da SIEMENS S.A. (Siemens, S.A., 2009).

1.1.4. Enquadramento

A oportunidade de uma parceria entre a SIEMENS - Fábrica do Sabugo e o ISEC surgiu

da necessidade de aprofundar os conhecimentos existentes sobre o comportamento dos

produtos alternativos de isolamento líquido, o midel e o silicone, comparando-os ao

comportamento do óleo mineral, no que se trata das análises efetuadas no controlo de

qualidade dos óleos de transformador.

O objetivo principal era conhecer o comportamento destes isolantes quando o

transformador está em funcionamento, ou seja, estudar o comportamento do equipamento

sujeito a condições específicas e averiguar em que medida estes equipamentos e os seus

componentes se deterioram, afetando o tempo de vida dos transformadores.

Assim foi proposto um trabalho que consistia em provocar choques térmicos a

amostras de líquido isolante, com e sem material isolante, analisando-as de forma cíclica,

obtendo-se então resultados que permitissem comprovar que as normas utilizadas para a

análise de óleos minerais podem igualmente ser aplicadas na análise de midel e silicone.

SIEMENS S.A.

Comité Corporativo Executivo

Sector de Energia

Fábrica do Sabugo (Transformadores)

Laboratório de Materiais

Fábrica de Corroios (Quadros Elétricos)

Sector de Indústria

Healthcare SIEMENS IT Soluções e

Serviços

Centros Corporativos

Introdução


1.2. Transformadores

As diferentes utilizações da energia elétrica que hoje em dia se podem fazer são

possíveis graças aos transformadores. A importância destes equipamentos no quotidiano

da sociedade é grande na medida em que são fundamentais para a produção, transporte e

distribuição de energia (Chapman, 2005).

Um transformador é um equipamento elétrico estático que altera a voltagem da

corrente elétrica através de um campo magnético, sem no entanto afetar o fornecimento

de energia (Carvalho, 2011).

Esta energia assim que é produzida passa para uma subestação de transformadores,

onde a voltagem é aumentada de forma a facilitar a distribuição da energia, sendo que a

transformação deve ocorrer com o mínimo de perdas de energia possível.

Existem diversos tipos de transformadores, dependendo da sua função:

transformadores de potência (abaixadores ou elevadores), transformadores para eletrónica

(tensão alternada para tensão continua) e transformadores de comunicação (para tensões e

correntes fracas ou para elevar os sinais para transmitir) (Carvalho, 2011).

Figura 1.6: Transformador.

O local de instalação de um transformador também pode variar, podendo ser

instalado em subestações, cabines terrestres (PT) ou instalações aéreas.

Uma parte importante do transformador é o tipo de isolamento com que este é

fabricado, sendo este o alvo de estudo do presente trabalho.

Capítulo 1


1.3. Sistema Isolante

Um sistema de isolamento é formado por um conjunto de materiais isolantes, cujo

objetivo é isolar o transformador de agressões físicas, químicas e térmicas que

eventualmente geram falhas no funcionamento dos transformadores. A longevidade de

um sistema de isolamento determina o tempo de vida de um transformador em serviço,

nomeadamente a sua resistência mecânica e condições de arrefecimento e isolamento.

Todavia, outros fatores tais como as reações que ocorram no seu interior e a manutenção

a que é sujeito são fundamentais. As perdas elétricas causam stress térmico na parte ativa

da máquina, originando envelhecimento e decomposição do isolamento líquido e sólido,

nomeadamente do óleo e papel (Goodman, 1972).

Num sistema de isolamento não é apenas necessário que os componentes sejam

compatíveis entre si, mas também que se mantenham estáveis e compatíveis em todas as

circunstâncias de funcionamento. A performance de um sistema de isolamento não é

previsível, pelo que tem de ser testado, normalmente em condições mais agressivas do

que as condições de funcionamento. Os testes podem ser aplicados no material ou em

todo o sistema (Goodman, 1972). No caso dos transformadores da SIEMENS, os

transformadores são sujeitos a testes elétricos efetuados no Laboratório de Ensaios de

Alta Tensão (LAT) sendo que o acompanhamento do estado do isolamento líquido é feito

pelo Laboratório de Ensaios de Materiais, no qual se realizam ainda ensaios de

compatibilidade que atestam a capacidade de co-funcionamento de diferentes materiais.

O núcleo ativo do sistema isolante do transformador é constituído por diferentes

partes, nomeadamente o núcleo, os enrolamentos, as travessias e o óleo isolante, quando

existente. Os processos de envelhecimento fazem com que a degradação do óleo tenha

influência no papel e vice-versa. Mais à frente no presente documento, estão

referenciadas algumas das interações. O fator mais importante no envelhecimento de um

sistema isolante é a temperatura pois tem capacidade para provocar alterações mecânicas

e elétricas nas propriedades do material (Kovacevic et al., 2006).

O isolamento destas máquinas é o fator mais importante para o seu correto

funcionamento. Um transformador cujo sistema de isolamento esteja com problemas é um

transformador em risco. Os núcleos magnéticos dos transformadores são componentes

ambíguos, possuem geometria variada, a natureza do composto dielétrico é variada e a

temperatura à qual o isolamento funciona não é fixa. É, ainda, preciso compreender que

Introdução


os sistemas de isolamento não podem ser tidos como estáticos, ou seja, como sistemas

que não sofrem alterações de qualquer tipo (Goodman, 1972; Flanagam, 1993)

Os requerimentos necessários do cliente, o ambiente de operação e demais

características necessárias têm de ser tidas em conta na fase de projeto do equipamento,

em que, também se seleciona os materiais de construção de forma a garantir que o projeto

seja seguro e viável e merecedor de confiança. É esta escolha que torna o sistema de

isolamento único. Cada fabricante tem métodos próprios, não havendo por isso muita

descrição sobre os sistemas isolantes (Flanagam, 1993; Arifianto et al., 2009; Cookson,

1990; Fuhr et al., 1993).

Apesar de existirem diversos tipos de isolamento, os três tipos principais são:

isolamento líquido, sólido e gasoso, sendo que os materiais que os constituem podem ser

orgânicos, inorgânicos ou uma combinação dos dois. Cada conjunto de isolamento tem

características particulares, sendo a interação entre os isolamentos fundamental. A

degradação do sistema isolante é assistida por fenómenos complexos que alteram os

parâmetros físicos e o comportamento dos componentes, podendo encontrar-se

simultaneamente vários fatores a interagir, provocando o envelhecimento do óleo e

dificultando um correto diagnóstico das falhas e das suas causas (Kovacevic et al., 2006;

Flanagam, 1993; Department of the Army, 1998).

O designado isolamento principal do transformador é aquele que engloba os

enrolamentos (bobines), núcleo, papel e papel prensado (normalmente designado por

pressboard), que é simplesmente o sistema de isolamento sólido, presente em todas as

máquinas (Leijon et al., 2001).

1.3.1. Isolamento gasoso

Apesar de nesta secção se tratar essencialmente das características dos transformadores

com enchimento a ar, é de salientar que outros gases podem ser utilizados no enchimento

dos transformadores, como por exemplo o hexafluoreto de enxofre (SF6). Este composto

apresenta como limitação o facto de contribuir para o agravamento do problema do

aquecimento global, uma vez que o potencial de aquecimento global do SF6 é muito

superior ao potencial do CO2 (Ming et al., 2000).

O ar é bastante mais leve que o óleo, pelo que estes transformadores são cerca de

20-30% mais leves. Tem melhor características sonoras, são mais simples de instalar e

Capítulo 1


não necessitam de equipamento antifogo. Foi utilizado

como substituto do óleo por não ser inflamável e com

o objetivo de evitar fugas de óleo que causam efeitos

nefastos nos solos. Este tipo de transformador é muito

utilizado em sítios onde o arrefecimento é difícil de

fazer, como por exemplo minas subterrâneas de

carvão (Camilli, 1960; Leijon et al., 2001; Smolka et

al., 2011).

A circulação de um gás (ar) no transformador

tem como objetivo arrefecê-lo, removendo por

convecção, o calor formado. O ar circula em espaços

livres entre as bobines, o que faz com que os

enrolamentos estejam divididos em dois. Na Figura 1.7, estão representados os espaços

livres (Smolka et al., 2011).

Dado que o ar tem uma baixa capacidade térmica, a quantidade de calor removida é

bastante reduzida. Todavia os transformadores com um isolamento a ar podem funcionar

a temperaturas mais elevadas assim como em ambientes com elevado risco de incêndio.

Como o ar, comparativamente ao óleo, não tem a mesma capacidade para aumentar o

isolamento, os enrolamentos (parte do isolamento sólido) necessitam de maior proteção

ou seja a camada isolante deve ser maior (Department of the Army, 1998).

Nos transformadores secos é necessário ter em atenção a relação papel/isolamento

do fio. Caso haja reação entre o papel isolador e o isolamento do fio este isolamento pode

separar-se do fio, o que causa danos severos no transformador (Goodman, 1972).

1.3.2. Isolamento líquido

Os transformadores que possuem um enchimento líquido são melhores isolantes que os

transformadores com enchimento a gás. A dissipação de calor é feita por convecção,

através de correntes formadas a partir da variação de temperatura do óleo. Nestes casos, o

líquido circula pelo transformador, saindo da cuba e entrando nos radiadores promovendo

uma transferência de calor em larga escala. Na projeção de um transformador é

importante ter em conta que o óleo, ao aquecer, expande, assim e para evitar acidentes,

nomeadamente o rebentamento de um transformador, o óleo ocupa apenas 88% a 90% do

Figura 1.7: Representação de um corte

transversal de uma bobine com o objetivo de

se observarem os espaços para circulação do

gás.

Introdução


espaço livre do transformador. Os restantes 10% a 12% são preenchidos normalmente

com árgon ou azoto, permitindo a expansão segura do líquido.

O óleo apresenta características indesejáveis como o facto de arder quando exposto

a chama ou aquecido até à sua ignição ou ainda o facto de certas misturas de vapor de

óleo e ar explodirem quando confinadas. O óleo deve manter as suas capacidades

enquanto dielétrico, um mau isolante pode originar um envelhecimento precoce de todo o

sistema (Wang et al., 2010; Bolhuis et al., 2002).

Para que o óleo arrefeça o mais depressa possível, a área de transferência de calor

deve ser grande, por isso, as paredes da cuba possuem alhetas. Contrariamente ao que

sucede em transformadores com isolamento a gás, o isolamento líquido não é apropriado

para trabalhar a altas temperaturas. O óleo é colocado no interior do transformador de

forma a impregnar todo o interior. Assim, necessário que esta impregnação seja feita sob

pressão ou então demorará semanas até que os enrolamentos estejam embebidos devido à

sua viscosidade.

Um dos óleos utilizado, o óleo mineral, deriva do petróleo, tem um flash point

baixo e é um recurso esgotável. Devido a este facto, cada vez mais se procura substituir o

óleo mineral dos transformadores por alternativas mais seguras, nomeadamente o midel e

o silicone.

1.3.3. Isolamento sólido

O envelhecimento e o declínio das propriedades isolantes do isolamento sólido nos

transformadores podem originar numerosas falhas, pondo em causa a vida do

transformador. Caso a monitorização e prevenção de falhas do isolamento forem tidas em

conta e efetuadas de modo satisfatório e regular, podem ser detetadas a tempo possíveis

deficiências do sistema de isolamento, aumentando o seu tempo de vida. Todavia há que

ter em conta que este isolamento é insubstituível, assim quando este sistema falha por

completo, a solução não residirá na substituição do isolamento mas sim na substituição do

transformador (Wang et al., 2008; Yoshida et al., 1987; Zheng et al., 2001).

Dos materiais próprios do isolamento sólido, fazem parte o papel, pressboard e

nomex, o fio de cobre, cobre em banda, chapa magnética, entre outros, sendo que estes

devem possuir alta força tênsil e dielétrica. Os materiais com as características da celulose

são utilizados há vários anos devido ao reduzido custo e facilidade de produção,

Capítulo 1


apresentando características físicas e químicas desejáveis como isolantes elétricos, mas

tendo como desvantagem o facto de se degradarem com o avanço da idade do

transformador (Hill et al., 1995).

1.3.4. Envelhecimento dos isolamentos – Interação entre sistemas

Um transformador tem no seu interior dois tipos de isolamento que, trabalhando em

conjunto, formam o sistema isolante e protegem o transformador. O isolamento sólido

está sempre presente em qualquer tipo de transformador podendo depois ser adicionado

um isolamento líquido ou gasoso consoante a necessidade. A deteção de falhas num dos

isolamentos pode ser feita a partir de análises ao isolamento que complementa o sistema

(Flanagam, 1993; Department of the Army, 1998).

O envelhecimento compreende todas as alterações irreversíveis nas propriedades de

um sistema isolante elétrico (EIS), através da ação de um ou mais fatores que influenciam

o seu envelhecimento. Na parte a) da Figura 1.8 estão esquematizados os fatores de stress

que provocam o envelhecimento e consequentes mecanismos de envelhecimento. Na

parte b) da mesma figura encontra-se um gráfico representativo da velocidade de

envelhecimento, relacionando-a com os passos de envelhecimento referidos na parte a) da

imagem (Kovacevic et al., 2006; Bolhuis et al., 2002; IEC 60505, 2004).

Figura 1.8: Mecanismo de envelhecimento (a) e taxa de envelhecimento (b) (IEC 60505, 2004).

Introdução


A análise, monitorização e diagnóstico da condição do sistema isolante do

transformador, levou à criação de bases de dados (essencialmente realizadas feitas pelos

fabricantes) que permitem a deteção de qualquer alteração das propriedades dos materiais

isolantes, assim como o seguimento do historial do transformador, o que permite, em caso

de análises com resultados insatisfatórios uma comparação de forma a verificar a

tendência do aparelho. Um dos materiais mais importantes do sistema de isolamento de

um transformador é o papel. Este é parte integrante do isolamento sólido e contém

celulose (aproximadamente 90% de α-

celulose e 10% de hemicelulose) que quando

se degrada cria uma espécie de goma que

afeta todo o sistema isolante, não só o sólido

como também o líquido, caso exista (Wang

et al., 2008).

A idade de um transformador está

correlacionada com a condição da celulose,

sendo que esta degradação pode ser por

oxidação, termólise ou hidrólise (Figura

1.9), fazendo com que os produtos de

degradação no óleo aumentem e o grau de

polimerização diminua. A termólise do papel é o fator predominante, ocorrendo a

temperaturas superiores a 120ᵒC (Wang et al., 2008).

A hidrólise do papel é catalisada pela quantidade de água e ácidos. Uma das formas

de prevenção consiste na redução da quantidade de água no papel isolante. Quando os

enrolamentos estão montados na estrutura que dará origem ao transformador, estes são

colocados numa mufla para que a água se evapore, passando de uma humidade de 5-10%

para 0,5% (Leijon et al., 2001; Martins, 2009).

O grau de polimerização (DP) é bastante importante. O grau de polimerização

corresponde ao número de unidades iterativas de moléculas de celulose e é correlacionada

com a concentração de compostos furânicos. O papel kraft novo possui um DP entre 1100

e 1300 e sempre que o comprimento da cadeia de moléculas diminui resulta numa

redução do valor de DP, consequentemente a força mecânica do papel diminui. O papel

perde toda a força mecânica e não consegue suportar nenhum stress mecânico ou

movimento quando o valor de DP se encontra perto de 150. Devido à dificuldade de

Figura 1.9: Mecanismos de degradação do papel

(Martins, 2009).

Capítulo 1


amostragem do papel do isolamento, a avaliação do papel é feita com base em análise dos

compostos furânicos no óleo, complementada com análise de gases dissolvidos.

A degradação do sistema isolante sólido, no que refere à celulose, pode ser detetada

através da Dissolved Gas Analysis (DGA) feita ao isolamento líquido, visto que a análise

do papel torna-se impossível quando o transformador está em funcionamento. O grau de

degradação da celulose é detetado a partir dos valores de CO e CO2, assim como a partir

da relação entre estes dois gases. A concentração inicial destes é bastante baixa e, em

condições normais de funcionamento, o conteúdo de CO2 aumenta com o tempo. Apesar

de o aumento do valor destes gases ser um indicador da degradação do isolamento sólido,

é necessário ter em conta a baixa solubilidade e alta capacidade de dispersão deste. Por

isso admite-se que, apesar de esta avaliação ser um bom método de deteção, existem

falhas na sua aplicação (Wang et al., 2008; Yoshida et al., 1987; Zheng et al., 2001).

O papel e papel prensado (pressboard) originam ainda D-glucose, que continua a

degradar-se formando anéis de compostos oxidativos dos quais resultam o furano (Figura

1.10).

Figura 1.10: Esquema da degradação da celulose (Homagk et al., 2008).

As análises e estudos efetuados demonstram que o aparecimento do furano também

é devido à degradação o isolamento sólido. Medindo a variação de furano no óleo pode-se

estimar a condição de envelhecimento do aparelho.

O envelhecimento térmico envolve alterações químicas e físicas, consequências de

reações de degradação, polimerização, despolimerização e envolvem efeitos

termomecânicos causados pelas forças da expansão e contração térmica. O

envelhecimento elétrico envolve efeitos das descargas parciais, eletrolise, perdas

dielétricas e é influenciado pelos campos de força. O envelhecimento mecânico advém de

falhas por fatiga, efeitos termomecânicos, rutura do isolamento, entre outros. Finalmente,

o envelhecimento influenciado pelo ambiente está relacionado com reações químicas.

Introdução


1.4. Óleos Isolantes

O tempo de vida de um transformador é dado pela durabilidade do isolamento sólido.

Todavia, o líquido isolante é um dos componentes principais de um transformador. A

combinação de um sólido e um líquido isolante é frequentemente usada nos

transformadores não só para isolar componentes mas também para dissipar o calor, por

convecção. O óleo seve ainda como indicador de possíveis problemas do transformador e

pode auxiliar na extinção do arco elétrico (Oliva, 1977).

A escolha do líquido isolante é baseada em vários fatores tais como as capacidades

elétricas e dielétricas, os requisitos ambientais e o grau de inflamabilidade.

A tensão disruptiva dos óleos ronda os 200 kV/cm, podendo este valor ser reduzido

pela presença de humidade ou partículas, o que pode afetar o funcionamento do

transformador. Pelo facto de diversos fatores poderem levar à deterioração do líquido

isolante, são realizadas análises periódicas ao óleo, de forma a poder controlar e prevenir

eventuais problemas no transformador.

Os óleos tendem a oxidar e polimerizarem-se. Este processo é designado de

envelhecimento do óleo que é ativado através da temperatura, humidade, oxigénio e luz e

pode levar à inutilização do mesmo. Dependendo do tipo de critério que se pretende

avaliar, as características do óleo a analisar diferem. Na Tabela 1.1 encontram-se os

diferentes critérios e características usados no controlo de qualidade do óleo.

No presente projeto vão estar em estudo três líquidos isolantes: óleo mineral,

silicone e midel. Para estes tipos de fluido isolante as propriedades avaliadas são as

mesmas, assim como os métodos de ensaio. Contudo os valores limite de cada parâmetro

variam para cada tipo de óleo e também variam caso se trate de óleo novo ou usado. Nos

pontos que se seguem descrevem-se os tipos de óleos e as suas propriedades.

Capítulo 1


Tabela 1.1: Descrição dos critérios de avaliação de um óleo e as características dos fluídos isolantes que lhe estão

associadas.

Critério Características

Arrefecimento Viscosidade, Ponto de Fluidez

Isolamento Elétrico Rigidez dielétrica, Fator de dissipação dielétrica, Teor de

humidade, Resistividade

Tempo de vida Estabilidade à oxidação, Teor de inibidor, Solubilidade

Compatibilidade do material Teor de enxofre, Índice de Acidez, Enxofre Corrosivo

Saúde, meio ambiente e

segurança Flash Point, extração de compostos de dimetilsulfóxido

Outros Densidade, Tensão Interfacial, Compostos Furânicos, DGA

1.4.1. ÓLEO MINERAL

Os óleos minerais têm uma composição química complexa, tratando-se de uma mistura de

hidrocarbonetos que resultam da destilação fracionada de petróleo. É formado

principalmente por carbono e hidrogénio ligados em moléculas de diferentes estruturas,

podendo ainda conter compostos como o azoto, o enxofre e o oxigénio. Há três estruturas

básicas nos óleos minerais: hidrocarbonetos aromáticos, parafínicos e nafténicos.

Estrutura molecular

As estruturas parafínicas podem ser de cadeia linear ou ramificada. Os óleos com

estruturas lineares têm baixa solubilidade. Por outro lado, as estruturas nafténicas são

estruturas saturadas designadas por cicloalcanos, sendo que podem ser estruturas em anel

com 5 a 7 carbonos. Podem possuir cadeias laterais lineares ou ramificadas, como

exemplificado na Figura 1.11. Têm melhores propriedades a baixas temperaturas que as

estruturas parafínicas.

Figura 1.11: Estrutura dos hidrocarbonetos parafínicos (Lipstein, et al., 1970)

Introdução


Por fim, as estruturas aromáticas são constituídas por anéis benzénicos, tendo, por

isso, características químicas e físicas diferentes dos dois tipos de estruturas descritos

anteriormente.

Ao óleo mineral podem ainda ser adicionados inibidores como o 2,6-di-terc-butil-p-

cresol (DBPC) que têm como função a inibição do processo de oxidação e do

consequente envelhecimento do óleo.

Figura 1.12: Estrutura química do diterciário-butilparacresol (Milash, 1984)

A variedade das estruturas dos óleos deve-se à combinação dos elementos básicos.

Na Tabela 1.2 estão apresentadas as composições de dois tipos de óleos.

Tabela 1.2: Exemplo de composição dos óleos parafínicos e nafténicos (Godinho, 2009).

Tipo de Óleo Compostos

Aromáticos (%)

Compostos Nafténicos

(%)

Compostos

Parafínicos (%)

Naftalénico 11 47 42

Parafínico 8 29 63

Envelhecimento do Óleo

O funcionamento do transformador aliado à ação do oxigénio, cobre e outros materiais

existentes no transformador provoca o envelhecimento do óleo, o que afeta as suas

capacidades enquanto líquido isolante. Por outro lado os produtos formados neste

processo de degradação deterioram o papel utilizado no isolamento. A oxidação dos

hidrocarbonetos dá-se por um mecanismo de peroxidação seguindo os mecanismos

indicados na Tabela 1.3. As reações ocorrem em cadeia a uma temperatura específica.

A formação dos hidroperóxidos origina diferentes produtos de oxidação

dependendo da sua natureza, ou seja, se são terciários, secundários ou primários (Figura

1.13 a 1.15).

Capítulo 1


Tabela 1.3: Degradação do óleo mineral (Lipstein et al., 1970).

Descrição da Reação Reação

Formação de Radical Livre

R-H → R●

Formação de Radical Peróxido

R●+O2 R-O-O●

Formação de Hidroperóxido

R-O-O● + R’-H ROOH + R’●

Transformação do Hidroperóxido em Radical

Peróxido

ROOH + ½ O2 ROO● + ●OH

Figura 1.13: Formação de Álcool e Cetona a partir de um hidroperóxido terciário (Lipstein et al., 1970).

Figura 1.14: Formação de Cetona e Ácido partindo de um hidroperóxido secundário (Lipstein et al., 1970).

Figura 1.15: Formação de Aldeído e Ácido partindo de um hidroperóxido secundário (Lipstein et al., 1970)

Introdução


A formação destes compostos intermediários quando na presença de oxigénio

promovem o aparecimento de ácidos carboxílicos, que são os produtos que vão auxiliar o

desgaste do papel e outros materiais. A geração de lama, composto de alto peso

molecular, sobrevém das reações de polimerização. As lamas depositam-se nos materiais

existentes no transformador, interferindo na transferência de calor do isolamento sólido

para o isolamento líquido. A redução da transferência de calor por convecção tem como

consequência que o calor fica retido no papel, o que leva à sua deterioração.

Os inibidores que podem ser adicionados ao óleo ajudam a retardar esta oxidação.

O inibidor referido anteriormente, DBPC, atuam através da reação com os radicais livres

e peróxidos libertados na oxidação. Após ser libertado o radical dimeriza continuando a

atuar como inibidor.

1.4.2. ÉSTER

O éster utilizado no isolamento de transformadores pode ser de origem natural, quando é

derivado de ácidos gordos insaturados obtido a partir de sementes comestíveis como a

semente de girassol e a semente de soja. Também pode ser sintético, quando é sintetizado

a partir de um álcool e um ácido. Este fluido foi desenvolvido para providenciar uma

alternativa segura ao óleo mineral. Possui um bom desempenho a altas temperaturas, é

resistente ao fogo, encontra-se classificado como não tóxico, e apresenta uma tolerância à

humidade mais elevada, como se pode constatar no Gráfico 1.2. O éster foi bastante

aplicado em transformadores existentes em áreas críticas em termos ambientais como é o

caso do mar e subsolo. Este fluido é livre de sulfuretos e é estável à oxidação. Pode ser

usado para isolamento de todo o transformador ou apenas para impregnar o material

isolante sólido.

O éster utilizado no presente trabalho é sintético e designado de midel.

Figura 1.16: Estrutura do éster sintético (a) e de um éster natural (b).

Capítulo 1


1.4.3. SILICONE

Surgiu em 1974 como substituto do óleo mineral devido à necessidade de substituir os

óleos minerais por produtos menos inflamáveis. A combustão completa deste óleo

isolante origina três produtos principais, sílica, água e dióxido de carbono.

O silicone é um polímero sintético de cadeira linear (Figura 1.17), com toxicidade

reduzida e química e termicamente estável. Propriedades fundamentais como a

viscosidade, volatilidade e condutividade térmica dependem do peso molecular, sendo

este determinado pela quantidade de moléculas que o polímero possui. O aumento do

peso molecular gera um fluido com menos volatilidade e condutividade, mas maior

viscosidade.

Este tipo de fluido isolante é mais resistente à oxidação e outros problemas do que o

óleo mineral.

Figura 1.17: Estrutura molecular do Silicone.

1.4.4. Propriedades dos líquidos isolantes

A qualidade do óleo está dependente de diferentes propriedades, químicas, físicas e

elétricas, sendo que algumas destas devem ser testadas ao longo do período de utilização

do transformador.

Na Tabela 1.4 encontram-se algumas características que levam à seleção do óleo. O

Fire Point indica a temperatura à qual a mistura formada pelo vapor e o ar inflama e

queima durante pelo menos 5 segundos mesmo quando a fonte de ignição é removida. O

Flash Point é a temperatura à qual a mistura de vapor e ar inflama, contudo a chama

extingue-se quando a fonte de ignição é removida. O facto de ser completamente

biodegradável é uma vantagem a nível ambiental pois significa que o isolante se degrada

totalmente. A tolerância à humidade está relacionada com a capacidade que o isolante tem

para resistir absorção de água do ambiente onde está. Por último, o limite de saturação a

20ᵒC é a quantidade máxima de água que o óleo, à temperatura indicada, consegue

absorver.

Introdução


Tabela 1.4: Características que influenciam a escolha do óleo (M&I Materials, 2011).

Óleo Mineral Midel Silicone

Origem Crude Sintético/Natural Sintético

Fire Point 170ᵒC 316ᵒC >350ᵒC

Completamente Biodegradável Não Sim Não

Tolerância à humidade Baixa Excelente Baixa

Flash point 150ᵒC 260ᵒC 260ᵒC

Limite de saturação de água a 20ᵒC 55 ppm 2700 ppm 220 ppm

Propriedades químicas

As propriedades químicas que se podem destacar são a estabilidade à oxidação, a acidez,

a humidade, os compostos de enxofre e o estudo da evolução dos gases.

Para que um óleo tenha um bom desempenho durante o funcionamento do

transformador e para que o sistema isolador seja protegido do desgaste, o óleo deve ser

resistente à oxidação. As condições de operação do transformador podem provocar a

oxidação que se observa devido à presença de “lama” e acidez elevada do líquido

isolante. A acidez, assim como o teor de humidade, devem ser reduzidos. Estas duas

propriedades presentes em valores elevados, promovem a passagem de corrente elétrica

aumentando as condições favoráveis à corrosão.

A presença de compostos de enxofre também deve ser monitorizada pois a sua

presença no óleo aumenta as hipóteses de ocorrência de corrosão no cobre ou prata,

lembrando que os enrolamentos do núcleo dos transformadores SIEMENS são em cobre

(banda ou fio).

Apesar de todas estas características, o fator químico mais relevante na

monitorização dos fluidos isolantes é o estudo da evolução dos gases. Este tipo de análise

permite controlar a formação de gases permitindo a identificação de diferentes problemas.

Propriedades físicas

As propriedades físicas são aquelas que influenciam a qualidade de escoamento do

isolante. Podem ser destacadas sete propriedades distintas. A viscosidade deve ser baixa

não só para facilitar a circulação do líquido isolante mas também para auxiliar na

Capítulo 1


dissipação do calor. O ponto de inflamação é a menor temperatura à qual o óleo liberta

vapor formando uma mistura inflamável. A cor do óleo é importante na medida em que

quanto mais escuro o óleo, mais deteriorado este se encontra. O Fire Point é a

temperatura à qual o vapor, resultante da evaporação do fluido, incendeia e queima

durante 5 segundos.

Um dos ensaios mais importantes para a monitorização do óleo é a tensão

interfacial. Este parâmetro indica a presença de substâncias polares no fluido, substâncias

estas que interferem nas propriedades elétricas. Quanto mais alta for a tensão interfacial

melhor. A capacidade de transferência de calor é influenciada pela densidade do fluido.

O ponto de fluidez indica a temperatura mínima à qual o óleo escoa. Devido a esta

propriedade do óleo é necessário ter em conta a temperatura do local onde o aparelho vai

ser colocado em serviço. Por último, o ponto de anilina, que é indicador do poder de

solvência do óleo.

Propriedades elétricas

Este tipo de propriedades divide-se em tensão disruptiva e fator de perdas. A tensão

disruptiva é influenciada pela presença de partículas e/ou água no óleo isolante. O óleo é

submetido a uma descarga crescente com um aumento de tensão fixa, até ao valor de

descarga de disrupção.

O fator de dissipação dielétrica ou tangente (δ) é o valor da tangente do ângulo de

perdas. As propriedades dielétricas são importantes para evidenciar poluentes ionizáveis

baixos ou partículas coloidais. As perdas dielétricas podem ser atribuídas à condutância

do líquido. No midel novo esta propriedade é medida a 90ᵒC, enquanto que para midel

usado a temperatura utilizada é a ambiente.

1.4.5. Comparações entre líquidos isolantes

É necessário proceder à comparação entre os óleos de forma a compreender as vantagens

e desvantagens que cada um deles apresenta. Apresentam-se dois tipos de comparação:

entre o óleo novo e usado e entre os três tipos de óleo em estudo. Um óleo é considerado

novo antes de sofrer qualquer teste elétrico na fábrica. Assim que é feito um teste elétrico

ao transformador na fábrica o óleo passa a ter a designação de óleo usado.

Introdução


Nas Tabelas 1.5 a 1.7, apresentam-se, para cada tipo de óleo, as propriedades mais

relevantes, os valores limite e as normas de ensaio utilizadas. O único ensaio relevante

que não se encontra contemplado neste quadro resumo é a análise de gases dissolvidos.

Tabela 1.5: Comparação dos valores limite para óleo mineral novo e usado, propriedades e normas de ensaio

utilizadas (IEC 60422, 2013).

Ensaio Norma de

Ensaio

Valor Limite Unidades

Óleo Novo Óleo Usado

Aspeto IEC 60296

(2012-11)

Limpo e sem sedimentos ou

partículas em suspensão


partículas em suspensão -----

Cor ISO 2049

(1996-07) Máximo 2 Máximo 2 ----

Teor de

água

IEC 60814-2

(1997-08)

U<72,5 kV <20

72,5kV<U<170 kV <10

U>170 kV <10

U<72,5 kV <25

72,5 kV<U<170 kV <15

U>170 kV <10

Rigidez

Dielétrica

IEC 60156

(1995-07)

U<72,5 kV >55

72,5 kV<U<170 kV >60

U>170 kV >60

U<72,5 kV >30

72,5 kV<U<170 kV >40

U>170 kV >50

Fator de

Perdas Tan

(δ) a 90ᵒC

IEC 60247-12

(2004-02)

U<72,5 kV ≤0,015

72,5 kV<U<170 kV ≤0,015

U>170 kV ≤0,010

U<72,5 kV ≤0,5

72,5 kV<U<170 kV ≤0,5

U>170 kV ≤0,2

---

Índice de

Acidez

IEC 62021-1

(2003-06) Máximo 0,03

U<72,5 ≤0,30

72,5kV<U<170 ≤0,20

U>170 ≤0,15

Viscosidad

e a 40ᵒC

ISO 3104

(1994-10) Máximo 12 Máximo 12

Massa

Volúmica a

20ᵒC

ISO 3675

(1998-06) Máximo 0,895 Máximo 0,895

Como se pode verificar pela tabela acima apresentada, os valores que variam, entre

óleos usados e novos, são os valores referentes ao teor de humidade, rigidez dielétrica,

fator de perdas e índice de acidez. Estas variações são devido à degradação do óleo.

Capítulo 1


Tabela 1.6: Comparação dos valores limite para Midel novo e usado, propriedades e normas de ensaio utilizadas

(IEC 61099, 2010; IEC 61203, 1992).

Ensaio Norma de

Ensaio


Midel Novo Midel Usado

Aspeto IEC 60296

(2012-11)

Limpo e sem sedimentos

ou partículas em

suspensão

Limpo e sem sedimentos

ou partículas em

suspensão

-----

Cor ISO 2211

(1973-10) Máximo 200 ----- ----

Teor de água IEC 60814-2

(1997-08) ≤200 ≤400

Rigidez

Dielétrica

IEC 60156

(1995-07) ≥45 ≥30

Fator de

Perdas Tan (δ)

IEC 60247-12

(2004-02)

≤0,03

(ensaio a 90ᵒC)

≤0,01

(ensaio à Tamb) ---

Resistividade

DC

IEC 60247-14

(2004-02)

≥2,0

(ensaio a 90ᵒC)

≥6

(ensaio à Tamb)

Índice de

Acidez

IEC 62021-1

(2003-6) Máximo 0,03 Máximo 2,0

Viscosidade a

40ᵒC

ISO 3104

(1994-10) Máximo 35 -----

Massa

Volúmica a

20ᵒC

ISO 3675

(1998-06) Máximo 1,000 -----

No caso do midel existem parâmetros que, no caso de um fluido isolante usado, não

são avaliados. A viscosidade e massa volúmica são parâmetros que usualmente não são

monitorizados em óleos novos ou mesmo em usados. A cor não é avaliada em midel

usado devido ao seu valor elevado.

Introdução


Tabela 1.7: Comparação dos valores limite para Silicone novo e usado, propriedades e normas de ensaio

utilizadas (IEC 60836, 2005; IEC 60944, 1988).

Ensaio Norma de

Ensaio


Silicone Novo Silicone Usado

Aspeto IEC 60296

2012-11)


partículas em suspensão


partículas em suspensão -----

Cor ISO 2211

(1973-10) Máximo 35 ----- ----

Teor de água IEC 60814-2

(1997-08) ≤50 -----

Rigidez

Dielétrica

IEC 60156

(1995-07) ≥40 ≥30

Fator de

Perdas Tan

(δ)

IEC 60247-

12 (2004-

02)

≤0,001

(ensaio a 90ᵒC) ----- ---

Permitividade

a 90ᵒC

IEC 60247-

13 (2004-

02)

2,55±0,05 ----- ---

Resistividade

DC

IEC 60247-

14 (2004-

02)

Mínimo 100

(ensaio a 90ᵒC)

≥1x1011

(ensaio à Tamb)

novo:

usado:

Índice de

Acidez

IEC 62021-1

(2003-6) Máximo 0,01 -----

Viscosidade a

40ᵒC

ISO 3104

(1994-10) 40±4 -----

Massa

Volúmica a

20ᵒC

ISO 3675

(1998-06) 0,955-0,970 -----

O controlo do silicone usado é o mais simples de fazer pois são feitas poucas

análises. Apesar de não ter um valor limite, o teor de água é feito para o silicone usado

mas apenas para controlo e comparação com valores obtidos anteriormente para o mesmo

transformador em serviço.

Capítulo 1


Na Tabela 1.4, anteriormente apresentada, encontram-se alguns parâmetros

relevantes para a escolha de um óleo para o transformador.

Podem ser ainda estabelecidas comparações entre os três tipos de líquido isolante.

Os gráficos que se seguem são representativos de diferentes comparações que permitem

compreender algumas diferenças fundamentais

Como referido anteriormente, a presença de água no líquido isolante afeta a rigidez

dielétrica. O Gráfico 1.2 representa uma comparação para estas propriedades.

Gráfico 1.2: Representação da tensão disruptiva vs. Teor de Humidade (adaptado de M&I Materials, 2011).

A relação entre teor de água e tensão disruptiva é diferente em cada óleo. Como se

pode observar o midel tem uma tensão disruptiva sempre superior às dos outros fluidos. O

comportamento destes parâmetros para o silicone e óleo mineral é inverso, ou seja, o

aumento do teor de água leva à diminuição da rigidez dielétrica. No entanto o midel

apresenta um comportamento mais estável, começando a variar a cerca de 600ᵒC.

Outro fator muito importante é a biodegradação do meio isolante. No Gráfico 1.3

apresenta-se uma comparação da percentagem de biodegradação ao longo do tempo.

Introdução


Gráfico 1.3: Representação da percentagem biodegradação vs. Tempo (M&I Materials, 2011).

Mais uma vez o midel revela-se mais vantajoso apresentando 90% de degradação

ao fim de aproximadamente 28 dias, enquanto que os restantes óleos apresentam menos

de 10%. Os próximo gráficos (Gráfico 1.4 e Gráfico 1.5) comparam o aumento da tensão

disruptiva (breakdown voltage) com o aumento da temperatura para amostras com

diferentes teores de humidade.

Gráfico 1.4: Representação gráfica da Tensão disruptiva vs. a Temperatura no óleo mineral (M&I Materials,

2011).

Capítulo 1


Gráfico 1.5: Representação gráfica da Tensão disruptiva vs. Temperatura no Midel (M&I Materials, 2011).

O óleo mineral apresenta uma variação muito maior de tensão disruptiva do que o

midel, sendo este bastante mais estável nas variações efetuadas.

A Figura 1.18 apresenta comparações entre o tempo que dois dos óleos em análise

resistem à ignição.

Figura 1.18: Imagens da resistência à ignição. a) Óleo mineral b) Midel (M&I Materials, 2011).

Na Figura 1.18 é possível observar que, quando sujeitos a uma fonte de ignição, o

óleo mineral entra em combustão muito mais rapidamente e a temperaturas relativamente

baixas, comparativamente ao midel. O midel suporta temperaturas mais altas sendo

possível observar que a 230ᵒC e após um minuto não entra em combustão, enquanto que o

óleo mineral ao fim de quatro segundos está totalmente em combustão.

Capí tulo 2 – Té cnicas analí ticas

Técnicas analíticas


2. Técnicas Analíticas

Os métodos de análise dos óleos isolantes dos transformadores são o principal meio para

determinar possíveis falhas, a sua origem e, consequentemente, poder prevenir efeitos

nocivos que levem à deterioração completa do transformador.

Os ensaios feitos ao óleo de transformador dividem-se em três grandes grupos:

ensaios de rotina, análises cromatográficas e ensaios complementares. Destes grupos

apenas alguns ensaios foram efetuados no decorrer do presente estudo. Do grupo das

análises de rotina, utilizaram-se técnicas de determinação do teor de água, rigidez

dielétrica, fator de dissipação dielétrica e índice de acidez. Do grupo das análises

cromatográficas realizou-se a análise de gases dissolvidos (Dissolved Gas Analysis-

DGA). Finalmente, em termos de ensaios complementares apenas se realizou a

determinação da viscosidade.

A ordem pela qual os ensaios são feitos é bastante importante. Quando é necessário

fazer ensaios de DGA e apenas se dispõe de uma amostra de óleo, este ensaio deve ser

realizado em primeiro lugar, visto ser o mais sensível a contaminações com origem nos

gases atmosféricos. Nos ensaios de rotina, de forma a não existir contaminação da

amostra por parte da humidade presente na atmosfera, a determinação do teor de água

deve ser o primeiro ensaio realizado.

2.1. Teor de água por Titulação Coulométrica e Volumétrica (IEC 60814, 1997)

A presença de pequenas quantidades de água no óleo isolante justifica a utilização de

tituladores coulométricos dado que não só são precisos na determinação analítica, como

são rápidos e simples de aplicar.

O vaso de reação tem a configuração de uma célula eletrolítica com dois

compartimentos separados por um diafragma, onde se encontram os elétrodos. Um

compartimento contém a solução reagente (reagente de Karl-Fisher) e a amostra a analisar

e o segundo compartimento contém apenas a solução reagente. O princípio de

funcionamento deste método baseia-se na passagem de uma corrente constante (fraca),

Capítulo 2


sendo a quantidade total de eletricidade que passou determinada através do produto da

corrente e tempo.

Ocorrem reações complexas que englobam principalmente iodo (gerado

electroquimicamente), dióxido de enxofre, uma base orgânica, água e um álcool no

solvente orgânico, sendo estas reações exemplificadas nas Equações 2.1 e 2.2. O iodo

oxida o dióxido de enxofre existente no reagente de Karl-Fisher só quando se verifica a

presença de água.

(2.1)

(2.2)

A extensão da reação entre o iodo e a água é controlada pela eletricidade consumida

que limita a produção de iodo, que é proporcional a esta eletricidade (Lei de Faraday)

como se pode constatar na Equação 2.3.

(2.3)

Estequiometricamente, uma mol de água reage com uma mol de iodo formado, de

modo que 1 mg de água equivale a 10,72 C.

Assim, a determinação do teor de água é feita diretamente a partir da eletricidade

utilizada na eletrólise (IEC 60814, 1997).

No presente trabalho foram utilizados dois tituladores de Karl-Fisher diferentes. O

equipamento utilizado na SIEMENS foi um titulador coulométrico Metrohm modelo 831,

equipado com um agitador Metrohm, modelo 728. O aparelho utilizado nas análises

efetuadas no ISEC é um titulador volumétrico da Metrohm, modelo 633, equipado com

dois doseadores modelo 645 Multi-Dosimat. Na Figura 4.1 estão representados os dois

aparelhos utilizados no âmbito deste trabalho.

O reagente de Karl-Fischer utilizado na SIEMENS é o “CombiCoulomat frit Karl-

Fischer reagent for the Coulometric water determination for cells with diaphragm

apura®

” artigo n.º 1.09255.0500 da Merck. No ISEC foi utilizado o Karl-Fischer

Reagent-S da Merck, artigo n.º 1.09248.1000.



Apesar da complexidade do princípio de funcionamento da titulação coulométrica,

o manuseamento dos equipamentos e interpretação dos resultados é simples, tal como se

pode ver no anexo A.

A norma IEC 60814 (IEC 60814, 1997) indica vários métodos experimentais

consoante a viscosidade do fluido em análise. Os métodos descritos no Anexo A são os

métodos que devem ser aplicados na determinação do teor de água.

Figura 2.1: Aparelhos de titulação utilizados nos ensaios: a) Titulador Coulométrico Metrohm modelo 831, com

agitador Metrohm, modelo 728 e b) Titulador Volumétrico Metrohm modelo 633 equipado com dois doseadores

modelo 645 Multi-Dosimat.

Os procedimentos de utilização dos equipamentos estão presentes no Anexo A do

presente trabalho.

A utilização dos dois aparelhos em algumas amostras teve em vista a comparação

de métodos de análise e resultados experimentais, como pode ser observado mais à frente

no Anexo A.

2.2. Determinação da Tensão disruptiva (IEC 60156,1995)

Tensão disruptiva é a capacidade de um meio isolante suportar uma corrente elétrica

aplicada. A corrente aplicada não é uma propriedade básica mas sim um procedimento

empírico que visa indicar a presença de contaminantes como a água ou matéria solida

suspensa.

O valor da tensão disruptiva dos líquidos depende do conjunto de condições usadas

na sua medição. Equipamento e procedimentos normalizados são essenciais para a

obtenção de resultados sem interpretação duvidosa.

Capítulo 2


Este método pode ser aplicado tanto em óleos novos como em óleos usados ou

tratados e é essencial para o controlo do funcionamento do transformador, pois quando o

método dá a indicação de valores fora da gama aceitável outros testes de controlo devem

ser efetuados, como o caso da determinação do teor de água e a contagem de partículas.

Este método deve ser aplicado a uma temperatura controlada.

A amostra sujeita a corrente elétrica é colocada num recipiente próprio, sendo

aplicada uma tensão alternada crescente, com um incremento de 2 kV/s, iniciando-se em

zero kV e terminando na carga que origina a disrupção. Esta é a tensão no momento em

que se produz o primeiro arco elétrico durante o ensaio.

Tal como a deteção do teor de água, este método tem uma gama de aplicação, que

para os líquidos isolantes é limitada por um valor de viscosidade cinemática até aos 350

mm2s

-1 (a 40ᵒC).

A Figura 2.2 representa o BAUR Oil Tester DTA no qual foram feitas algumas das

análises dos ensaios realizados. Outras análises foram efetuadas no BAUR Dieltest DTA,

uma versão mais antiga deste aparelho mas igualmente eficiente.

Figura 2.2: BAUR Oil Tester DTA e BAUR Dieltest DTA.

É extremamente importante que a célula de análise e os elétrodos estejam

adequadamente limpos, pois neste ensaio o método experimental a preparação do

aparelho é fundamental para obter bons resultados que permitam uma boa avaliação do

óleo.

A capacidade da célula de análise varia podendo ir dos 350 aos 600 mL. Deve ser

feita de um material transparente, inerte e eletricamente isolante, resistente a líquidos

isolantes e aos agentes de limpeza. A célula não é só formada pelo recipiente no qual se

coloca o líquido. Este conjunto só está completo com uma tampa que encaixe



perfeitamente na célula, que seja feita do mesmo material e desenhada para permitir uma

fácil remoção dos elétrodos. Nenhuma célula deve ser posta no aparelho sem tampa.

Para cada tipo de óleo é aconselhada a utilização de uma célula diferente de forma a

evitar contaminações. Quando não estão a ser utilizadas, as células devem ser guardadas

com óleo, num sítio seco e sem possibilidade de ser contaminado nomeadamente por

poeiras (geralmente a célula é deixada no interior do aparelho mesmo estando este

desligado).

Quando se dá a necessidade de utilizar a mesma célula com um óleo diferente do

que vem sendo analisado, deve-se limpar a célula com um solvente e lavar e passar pelo

líquido que se pretende analisar.

Os elétrodos devem ser de cobre, bronze ou aço inoxidável e polidos, ter forma

esférica (com diâmetro entre os 12,5 e os 13 mm) ou parcialmente esféricos, e estão

colocados na horizontal no interior da célula com o eixo destes submerso 4 cm no óleo. O

afastamento entre os elétrodos deve ser de 2,5 mm e este deve ser verificado sempre que

se faz uma análise. Os elétrodos devem estar afastados pelo menos 12 mm das paredes da

célula ou agitador A substituição dos elétrodos usados por novos deve ser feita quando

aparece uma espécie de picadela que decorre das descargas elétricas.

Figura 2.3: Pormenor da célula e elétrodos.

Quando os elétrodos são novos ou estão a ficar baços, o processo de limpeza a que

são sujeitos deve ser rigoroso. Após serem desmontados, devem ser limpos com um

solvente volátil que deve ser deixado a evaporar. Depois com um papel abrasivo devem

ser polidos e limpos com benzina e acetona. Após este tratamento devem ser recolocados

na célula que deve ser cheia com óleo novo e colocada em teste, de forma a verificar a

limpeza e a correta montagem dos elétrodos. Quando estes são limpos os resultados

obtidos tendem a ser superiores aos obtidos antes da operação de manutenção.

Capítulo 2


A análise pode ou não ser feita na presença de agitação. Contudo a agitação pode

ser conveniente em aparelhos com operação automática. A agitação pode ser feita de duas

formas: recorrendo a um agitador magnético ou a um rotor com duas hélices. Caso se

usem as hélices, estas devem ter um diâmetro efetivo de 20 a 25 mm, uma profundidade

axial de 5 a 10 mm e uma velocidade de rotação entre as 250 e as 300 rpm. No caso da

barra magnética, esta deve ter entre 20 a 25 mm de comprimento e 5 a 10 mm de

diâmetro. Esta alternativa deve ser utilizada quando o líquido não tem partículas

magnéticas, não correndo assim risco de alterar as propriedades do líquido.

No caso das análises efetuadas em ambos os aparelhos para este trabalho, a agitação

utilizada é feita recorrendo ao magneto.

Antes de colocar a amostra em análise, esta deve ser levemente agitada

(especialmente em casos em que a amostra foi recolhida à bastante tempo) e deixada a

repousar. Esta agitação serve para homogeneizar a amostra, distribuindo assim as

impurezas sem formar bolhas de ar, que provocam análises incorretas.

Tal como para a deteção do teor de água, o óleo não deve ser deixado em contacto

com o ar ambiente.

Quando se liga o aparelho deve-se fazer o Auto-test. Depois seleciona-se a

“medição normalizada” escolhendo a norma de ensaio utilizada, neste caso a IEC

60156:1995. Após selecionar a norma de ensaio deve-se preparar a célula colocando um

pouco do óleo que se pretende analisar na célula de forma a passa-lo pelas paredes desta.

Depois, verifica-se a distância entre elétrodos e volta-se a encher a célula cuidadosamente

para não formar bolhas de ar. Coloca-se o magneto no interior e tapa-se. Coloca-se a

célula no aparelho e inicia-se a análise.

São feitos seis disparos e os cálculos são efetuados com base na voltagem medida.

A tensão disruptiva é apresentada em kV e é calculada através da Equação 2.4,que dá a

média de todos os disparos, na qual é o valor da tensão do disparo.

⁄ ∑

(2.4)

O cálculo do desvio de padrão é outro parâmetro bastante importante.



√

∑

(2.5)

Normalmente estes resultados são impressos no papel de resultados dado pelo

aparelho e o desvio padrão deve ser inferior a 12 kV.

A curva representativa do coeficiente de variação vs. tensão de rutura (Figura 2.4)

apresenta a gama de resultados com 95% de confiança. Quando mais o ponto

experimental se aproximar da curva dos 0,5 melhor são os resultados obtidos.

No caso dos aparelhos utilizados na SIEMENS os valores da média e desvio de

padrão são dados pelo aparelho. No caso do BAUR Oil Tester DTA, o próprio aparelho

verifica se os resultados experimentais se encontram no intervalo de 95% de confiança. Já

para o BAUR Dieltest DTA, o operador tem de verificar se os resultados se enquadram.

Caso os resultados não se enquadrem no intervalo de confiança, é necessário repetir

os ensaios.

Figura 2.4: Representação gráfica do coeficiente de variação vs. Tensão de rutura média (IEC60156, 1995).

2.3. Determinação do Fator de Dissipação Dielétrica (Tg δ) (IEC 60247, 2004)

A permitividade, resistividade e o Fator de Dissipação Dielétrica (tg δ) são indicadores de

qualidade e permitem avaliar a contaminação do meio isolante. Apesar de os três

Capítulo 2


parâmetros serem avaliados durante a mesma determinação experimental, apenas a

determinação da tg δ vai ter relevância no presente trabalho.

A dissipação e a resistividade são medidas de polarização e condutividade do óleo

isolante. O fator de dissipação dielétrica indica o aumento do envelhecimento e a

contaminação do óleo por poluentes ionizáveis e produtos de deterioração como a

humidade, o carbono ou matérias condutoras. Este fator é influenciado pela presença de

componentes polares, sendo por isso um parâmetro extremamente sensível,

nomeadamente quanto à exposição à luz solar da amostra, que pode adulterar os

resultados. O fator de dissipação dielétrica depende, ainda, das condições de medida, ou

seja, da temperatura e da frequência de tensão à qual a amostra é sujeita.

A contribuição da condutância nas perdas dielétricas é inversa à frequência de

medida variando com a viscosidade do óleo. A tensão à qual o ensaio é realizado não é

muito relevante dependendo do ponto de medida. Caso o gradiente de tensão seja bastante

grande podem ocorrer fenómenos secundários que sejam uma desvantagem no sistema.

Mesmo na ausência de esforços elétricos, a tangente do ângulo de perdas pode

variar de forma significativa. Esta variação depende da relação de superfície dos elétrodos

com o líquido e da temperatura à qual o ensaio é realizado.

O fator de dissipação dielétrico deve ser medido assim que

a temperatura esteja em equilíbrio.

Durante os ensaios realizados na SIEMENS foi

utilizado o aparelho BAUR DTL. A célula de ensaio é

concebida de forma a ser facilmente removida e

desmontada para que todas as peças possam ser limpas

facilmente e a montagem da célula aconteça sem percalços

que modifiquem a capacidade desta. Deve ser feita com

materiais não porosos, que devem ser resistentes a

temperaturas elevadas (o ensaio ronda os 90ᵒC).

O procedimento de desmontagem da célula é complexo e, dado que as propriedades

dielétricas são bastante sensíveis, a limpeza é fundamental para se obter bons resultados.

Após retirar a célula do aparelho, esta deve ser colocada no suporte e deve-se retirar o

sensor de temperatura. De seguida os vasos de enchimento da célula devem ser retirados

assim como o O-Ring e os parafusos. O anel da célula deve ser desenroscado e depois

Figura 2.5: BAUR DTL.



deve-se remover o O-Ring e o anel de vidro. Finalmente deve-se desapertar a peça de

ligação com a célula.

Na montagem da célula deve-se ter em atenção o aperto dos parafusos de forma a

não riscar o anel de vidro. Colocar o anel, o O-Ring, os parafusos e o elétrodo. Após

colocar o anel de plástico, devem-se pôr os vasos de enchimento e inserir o sensor de

temperatura.

Antes da aquisição de resultados é necessário passar a célula uma a duas vezes pelo

óleo que se pretende analisar. Para o efeito coloca-se óleo na célula e deixa-se este escoar

até aparecer no tubo de desarejamento. Só depois se coloca óleo na célula e se dá início

ao ensaio.

Figura 2.6: Desmontagem do aparelho com referência a alguns dos componentes mais importantes.

O tempo que a célula demora a atingir a temperatura de ensaio depende do método

de aquecimento e pode variar entre 10 e 60 minutos. A não ser que haja especificações

que indiquem o contrário, a temperatura de teste deverá ser 90ᵒC.

A avaliação dos dados do ensaio é simples e deve ser feito após a realização de dois

ensaios experimentais. Depois de obter o pela Equação 2.6 deve-se comparar este

com o valor mais elevado obtido pela análise.

(2.6)

Caso o valor mais elevado seja inferior ao o ensaio pode ser validado. Caso

contrário devem-se continuar a efetuar análises até esta condição ser obtido.

Capítulo 2


Dos três óleos mais frequentemente utilizados pela SIEMENS (óleo mineral, midel

e silicone) apenas dois são sujeitos a este teste: o óleo mineral e o midel. Na avaliação do

óleo mineral, a temperatura de teste deverá ser sempre os 90ᵒC, no caso do midel e do

silicone, caso este seja usado, o ensaio deve ser realizado à temperatura ambiente.

2.4. Índice de Acidez (IEC 62021-1, 2003)

O índice de acidez indica a quantidade em mg de

hidróxido de potássio em solução de etanol que é

necessário para neutralizar os compostos ácidos que

fazem parte da composição do óleo isolante.

Em termos práticos o teste para a determinação

da acidez do óleo vai permitir detetar a ocorrência de

oxidação dos componentes do isolamento, que vai

aumentar com o tempo. Os componentes ácidos

detetados no óleo também podem aparecer devido aos

aditivos adicionados para prolongar a longevidade do

óleo.

Há diversos cuidados a ter antes de iniciar o protocolo de ensaio. É necessário ligar

os diversos aparelhos utilizados na determinação do índice de acidez. A aparelhagem

utilizada na análise das amostras deste trabalho é formada por Compact Titrator G20

Mettler-Toledo equipado com um Sample Changer Rondolino TTL e Compact Stirrer. Os

reagentes devem ser analytical grade de forma a garantir que a pureza é elevada para não

alterar a precisão dos resultados. Nesta determinação os reagentes utilizados são o 2-

propanol como solvente de diluição e o hidróxido de potássio em solução de isopropanol

(artigo nº 1.05544.1000) como solvente de titulação. É ainda importante ter bastante

cuidado como elétrodo de medição de pH combinado (DGi 116-Solvent).

No interior deste elétrodo existe uma membrana de vidro que deve estar cheia de

solução de elétrodo e sem bolhas de ar. Antes de iniciar o ensaio deve-se retirar a

proteção de lamacha permitindo que a pressão interna iguale a pressão externa. O elétrodo

deve ser calibrado diariamente e verificar a sua sensibilidade. A calibração deve ser feita

recorrendo à utilização de soluções tampão a diferentes pH’s: 4,01, 7,00 e 11,00. A

linearidade e o gradiente obtidos por calibração devem cumprir os requisitos do fabricante

Figura 2.7: Exemplo de Compact

Titrator com Rodolino.



do elétrodo. Mais uma vez, a temperatura volta a ser importante dado que as soluções-

tampão são padronizadas a uma temperatura específica que deve ser respeitada na

calibração do elétrodo.

No teste de sensibilidade apenas são utilizadas duas das soluções de pH 7 e pH 11.

A sensibilidade é testada, medindo o tempo de resposta do sensor à variação de pH.

Também na sensibilidade devem ser seguidos os parâmetros do fornecedor pois esta varia

de equipamento para equipamento.

Também de deve fazer a determinação da acidez de uma amostra de solvente puro

de forma a servir de branco. A titulação deste só termina quando o pH atingir 11,5 e a

variação entre duas amostras de solvente puro não for mais de 0,005 mL. O volume

(médio) será denominado de e será gravado no aparelho dado que este fornece o

resultado final ao operador, não sendo necessário proceder à validação de resultados.

Caso a quantidade de reagente de titulação utilizado ultrapasse os 0,06 mL para atingir os

11,5 (nos dois ensaios) o solvente deve ser rejeitado pois há contaminação com CO2.

Após todo o procedimento de controlo e estabilização do sistema dá-se início à

experiência colocando aproximadamente 5,0g±0,1g de óleo e 30 mL±0,1 mL de solvente

no copo, utilizando a bureta automática Solaris para colocar o solvente. Colocar-se o copo

no Rondolino TTL. Deve-se colocar um copo com água destilada na posição zero do

Rondolino de forma a permitir a lavagem do agitador entre a análise de cada amostra.

Deve-se programar o aparelho e dar início à titulação que só termina quando o pH atinge

o valor de 11,5. O volume gasto nesta titulação será denominado pelo aparelho por .

A determinação do teor de acidez é dado automaticamente pelo Compact Titrator

contudo é possível calculá-lo a partir da Equação 2.7.

(2.7)

Nesta equação será o volume de solução de hidróxido de potássio utilizada na

titulação da amostra, em mL, o volume utilizado na titulação do branco, em mL, M é a

molaridade da solução de KOH em etanol e m a massa de amostra utilizada no ensaio.

Capítulo 2


2.5. Viscosidade

A viscosidade é uma característica de um fluido, associada à resistência que este oferece à

mudança da sua geometria, ou seja, à sua deformação através da aplicação de uma força

tangencial, ou tensão de corte. Pode também ser entendida como a força de aderência que

os átomos e moléculas de um fluido exercem umas sobre as outras, bem como sobre as

paredes do recipiente que envolve o fluido.

A viscosidade depende, entre outras variáveis, da temperatura do fluido. Isto deve-

se ao facto da temperatura ser uma medida de agitação atómica/molecular. Quanto mais

quente estiver um determinado fluido, maior vai ser a agitação das suas moléculas e

menores serão as forças que definem a aderência das moléculas entre si, o que origina

uma redução da viscosidade.

A determinação da viscosidade do óleo foi feita com o objetivo de comparar uma

amostra sujeita a choques de temperatura e uma amostra nova, sem qualquer tipo de

alteração. Para esta determinação utilizou-se um viscosímetro Cannon-Fenske-Routine

conhecido como viscosímetro capilar. Este viscosímetro vai ser utilizado na determinação

da viscosidade cinemática de acordo com a ISO/DIS 3105, a ASTM D 2515/D 446 e BS

188.

O viscosímetro utilizado é produzido pela SCHOTT-

GERÄTE, Hofheim, é do tipo 51320 com capilaridade 200. A

escolha da capilaridade do viscosímetro é importante para assegurar

que os erros são minorados. O capilar escolhido deve garantir que o

tempo de escoamento do fluido é de no mínimo 240 s. Quanto

maior o tempo de escoamento menor serão os erros associados a

atrasos na leitura no tempo.

O viscosímetro consiste em dois tubos: o tubo capilar (1) e o

tubo de ventilação (2). No final do tubo de ventilação existe um

reservatório (3) onde a amostra vai ficar até ser sugada, com o auxílio de uma pera de

sucção colocada no tubo (1), até à esfera (6). Após tirar a pera de sucção, o líquido escoa

e começa-se a marcar o tempo quando ele passa pela marca de início de ensaio (5). Nesta

fase, o líquido entra na esfera de medição (8). O ensaio termina quando o líquido passa

pela segunda marca (4), a marca que indica o final do ensaio. Este ensaio teve de ser

Figura 2.8: Viscosímetro

Capilar (GERÄTE).



realizado a 40ᵒC visto que os valores presentes na ficha de especificação técnica para os

óleos analisados estão a esta temperatura.

Com o tempo de ensaio é possível calcular a viscosidade cinemática do fluido,

através da Equação 2.8.

(2.8)

Na qual é a viscosidade cinemática em mm2/s e , é o tempo de escoamento em s.

A constante do aparelho , é referente ao tempo de passagem do fluido entre as

marcas colocadas no viscosímetro. Foi necessário calibrar o viscosímetro de forma a

obter este parâmetro. A calibração foi feita com uma solução de sacarose a 60%, dado

que os valores de viscosidade para esta substância a 40ᵒC estão tabelados (Anexo C).

Após a obtenção do valor de foi possível comparar este valor com o que é fornecido

pelo fabricante do aparelho.

É importante referir que o valor de está associado ao viscosímetro para o qual é

determinado, não podendo este valor ser utilizado noutro aparelho.

2.6. Análise de Gases Dissolvidos (IEC 60567, 2005/ IEC 60599, 1999/ IEC 61181, 2007)

A determinação da quantidade de gases dissolvidos presentes no óleo é essencial

para a determinação do estado de conservação do sistema isolante de um transformador

em serviço. Esta análise é a mais importante de todas as que podem ser realizadas ao óleo,

visto ser aquela que fornece mais informação acerca do grau de degradação.

Os gases analisados são o azoto, hidrogénio, oxigénio, monóxido de carbono,

dióxido de carbono, metano, etano, etileno, acetileno, propano e propileno e podem ter

origem na decomposição do óleo, do isolamento celulósico, falhas e outras reações (IEC

60599, 1999).

A cromatografia gasosa consiste num método de separação dos componentes de

uma mistura que, ao serem injetados no aparelho, vaporizam, sem se decomporem, e são

arrastados por uma fase móvel para a coluna. Ou seja, este processo baseia-se na partição

da substância a analisar entre a fase móvel e a fase estacionária (Willard et al, 1979).

Capítulo 2


Esta fase móvel é formada por um gás inerte puro que não pode reagir nem com a

amostra nem com a fase estacionária. A fase móvel transporta os solutos ao longo da

coluna (que se encontra num forno). Na coluna encontra-se a fase estacionária que

consiste numa camada de líquido ou polímero sobre um sólido inerte. Os compostos

previamente vaporizados vão interagir com a fase estacionária. Cada soluto é transportado

a uma velocidade constante, dependendo da afinidade entre este e a fase estacionária

(Figura 2.9). Este facto causa a eluição dos compostos a diferentes tempos de retenção

(Willard et al, 1979).

Figura 2.9: Percurso dos componentes da amostra na coluna (adaptado de Damelin, 2000).

Os compostos ao passarem no detetor provocam sinais que são registados em forma

de gráfico a tempos diferentes. Cada tempo de retenção de um pico identifica um

composto. A área ou altura desse pico fornece dados que permitem determinar a

concentração do composto na amostra injetada. Na Figura 2.10 encontra-se um exemplo

de um cromatograma.

Sendo o óleo uma matriz não volátil, é necessário o acoplamento de um Head-

Space ao Cromatógrafo Gasoso (GC), de forma a permitir que os componentes voláteis

sejam extraídos e introduzidos rapidamente no GC.

O cromatógrafo gasoso utilizado na determinação da concentração de gás nas

amostras em estudo foi um GC Agilent 7890A Series equipado com um HeadSpace

Sampler Agilent G1888. No interior da GC estão duas colunas da marca Agilent: Agilent

Molecular Plot Q: 30m x 530 μm x 40 μm e Agilent Molecular Sieve: 30m x 530 μm x 50

μm.

A representação esquemática simplificada de um GC é possível ser observada na

Figura 2.11.



Figura 2.10: Exemplo de um cromatograma obtido através do registo dos picos nos diferentes tempos de

retenção.

Figura 2.11: Esquema da Cromatografia Gasosa (adaptado de Janssen, 2010).

Capí tulo 3 – Simulaça o do Impacto Té rmico num Transformador

Simulação do Impacto Térmico num Transformador


3. Simulação do Impacto Térmico num Transformador

A simulação do impacto térmico num transformador teve como objetivo o estudo do

efeito que picos de temperatura têm no óleo e componentes do isolamento. Para se poder

estudar este efeito prepararam-se amostras que foram sujeitas a impactos de temperatura

de forma a simular o ciclo de aquecimento e arrefecimento de um transformador em

funcionamento.

A realização desta experiência no presente trabalho dividiu-se em duas fases

principais. A primeira, e mais simples, apenas foram analisados os gases dissolvidos. A

segunda, mais complexa e longa, incluiu não só amostras para análise de gases

dissolvidos mas também amostras que permitiram realizar as análises de rotina.

Os óleos utilizados foram midel e silicone. Não houve necessidade de realizar o

estudo para o óleo mineral porque as normas aplicadas no controlo de qualidade do meio

isolante são feitas com base neste, não sendo portanto necessário realizar esse estudo.

Além disso há que ter em conta que um dos objetivos do estágio consistia em provar que

a utilização das normas dos óleos isolantes eram passiveis de serem aplicáveis à análise

do midel e do silicone.

3.1. Material

De forma a simular as condições exatas de funcionamento de um transformador, os

materiais utilizados nas simulações são amostras do material utilizado na produção dos

transformadores. Este material veio da zona de produção da Fábrica do Sabugo, tendo

sido cortado para o tamanho adequado no Laboratório de Materiais da mesma.

Em ambos os ensaios o material base foi cobre em fio (1) e em banda (5), chapa

magnética (3), papel isolante (pressboard – psp) (4) e papel isolante (nomex) (2). Estes

materiais estão representados na Figura 3.1.

O cobre e a chapa magnética compõem a parte ativa do transformador. O cobre

forma os enrolamentos onde a corrente elétrica é induzida e as chapas magnéticas vão

transportar a corrente entre as bobines, servindo também para diminuir as perdas de

Foucault (perdas por correntes parasitas que aparecem quando surge uma variação no

campo magnético no núcleo, induzindo uma tensão e provocando uma força eletromotriz

Capítulo 3


que causa perdas). O papel isolante nomex é utilizado em finas camadas para envolver os

enrolamentos promovendo o isolamento entre as camadas de cobre. É imperativo que,

aquando do enchimento do transformador com líquido isolante, todo o material fique

impregnado de forma a substituir quaisquer bolhas de ar que possam existir e para

aumentar o isolamento. Assim o papel isolante psp vai facilitar a que o óleo penetre no

interior do enrolamento entrando em contacto com todas as camadas de material.

Figura 3.1: Material utilizado nos ensaios experimentais.

Com estes materiais foram feitos pequenos módulos que serão colocados nos vials

(1ª e 2ª simulação) e garrafas (2ª simulação). O objetivo destes módulos é promover o

contato entre os diferentes componentes do isolamento sólido tal como acontece nas

bobines do transformador. Na Figura 3.2 encontra-se um módulo finalizado. É de referir

que nas duas simulações, quer para vials, quer para garrafas, o material será o mesmo

assim como o arranjo do material, apenas variando as dimensões.

Figura 3.2: Exemplo do material preparado.

As dimensões utilizadas foram aproximadamente proporcionais às que na realidade

se encontram no transformador e estão presentes na Tabela 3.1. Os materiais colocados

nas garrafas (2ª simulação) têm sensivelmente o triplo da área do material colocado nos

vials.



Tabela 3.1: Dimensões do material utilizado no estudo.

Dimensões (cm)

Material Vials Garrafas

Chapa magnética 0,6 x 4,2 4,6 x 1,4

Nomex 9,0 x 3,5 19,0 x 4,9

Papel Isolante (psp)

4,5 x 0,5 7,0 x 1,0

Cobre em banda 0,7 x 14,7 20,6 x 1,5

Cobre em fio 10,0 30,0

O material pode influenciar o comportamento do óleo não apenas pela sua presença

como pelo tipo de tratamento que recebe. O bom tratamento do material diminui a

quantidade de água neste e vai retardar os efeitos que esta poderá ter na degradação do

material. É considerado material bem tratado (MBT) quando é colocado no

autoclave/estufa entre 4 a 6 horas a 120ᵒC e material mal tratado (MMT) quando é posto

no autoclave/estufa durante 4 a 6 horas apenas a 100ᵒC. Para ambos os ensaios, os

materiais foram divididos em dois grupos: o que iria sofrer um bom tratamento e aquele

cujo tratamento iria ser insuficiente. O material vai à estufa/autoclave já dentro dos vials

(Figura 3.3), enquanto o material que posteriormente vai ser colocado no interior das

garrafas vai à estufa/autoclave à parte.

Figura 3.3: Vial e cápsula utilizados nos ensaios.

3.2. Purga dos Vials

Um transformador, no seu interior para além do material sólido tem o isolante, que é

inserido no transformador a alta pressão de modo a impregnar as bobines mais

rapidamente (por ser bastante viscoso a impregnação dos componentes por parte do óleo

Capítulo 3


pode durar algum tempo caso não seja feita a alta pressão). Sendo o óleo um fluido que

expande quando é aquecido, este não deve ocupar todo o volume livre do transformador

de forma a poder expandir sem provocar o rebentamento da tina. O espaço livre deixado

para purgar o transformador com árgon deve corresponder entre 10% a 12% do seu

volume.

O espaço livre do transformador deve ser preenchido com gás inerte dado que este

não afeta a análise de gases dissolvidos. Contudo, aquando da recolha das amostras para

análise, há entrada de ar no interior do transformador (quando o óleo sai, o espaço

ocupado por este tem de ser preenchido). O espaço livre do transformador que deveria

estar com gás inerte fica então contaminado com gás atmosférico.

A influência da purga, no meio isolante foca-se em possíveis danos causados por

uma purga insuficiente ou entrada de ar no sistema e nos efeitos deste gás na análise de

gases dissolvidos.

As simulações vão incidir no comportamento do material e óleo nestas condições:

purgado com árgon e sem qualquer tipo de purga, ou seja, na presença de ar atmosférico.

Após deixar arrefecer os vials e o material, colocaram-se 15mL de óleo nos vials

cujo gás de purga é o gás atmosférico e fecharam-se estes com as cápsulas indicadas para

o efeito (Figura 3.3).

Durante o fecho das cápsulas têm de se ter em atenção se estas ficam bem seladas

para não deixar entrar ar atmosférico. Neste processo é utilizado um equipamento

especial que garante a correta selagem dos vials.

Os vials que devem ser purgados com árgon são colocados na roundtable sendo

inicialmente purgados e depois cheios com midel ou silicone e por último encapsulados.

Estas etapas são todas feitas na roundtable (Figura 3.4). A utilização deste equipamento

vai permitir que tudo seja feito sem existir a necessidade de perfurar o septo da cápsula.

As amostras que serviram de branco levam 18mL de líquido isolante.

As amostras preparadas em garrafas para realização dos ensaios de rotina (2ª

simulação) não foram purgadas com árgon. Após colocar o material e encher até deixar

apenas 12% de espaço livre, as garrafas ficam somente fechadas deixando ar atmosférico

no seu interior. Como já referido o ar atmosférico influencia principalmente as amostras

para DGA, como das garrafas só sairá amostra para análises de rotina, a purga pode ser

feita com ar.



Após a preparação de todas as amostras, estas foram colocadas numa estufa de

forma a fazer os ciclos estipulados, findos os quais se retirava uma amostra de cada tipo

de vial.

Figura 3.4: Roundtable vista lateralmente (a) e de cima (b)

De seguida apresenta-se a esquematização das simulações e as principais diferenças

entre elas.

3.3. Primeira Simulação

Na primeira simulação o objetivo principal era selecionar as situações que seriam alvo de

estudo no segundo trabalho. Nesta fase experimental as amostras foram purgadas com ar

e árgon, tendo-se utilizado material bem e mal tratado.

As amostras em estudo vão ser preparadas seguindo o esquema da Figura 3.5.

Foram preparados 5 vials de cada conjunto de amostras, tendo-se obtido no final 12

conjuntos.

Figura 3.5: Esquema de preparação de amostras para a primeira simulação.

Óleo Isolante

Gás de purga Gás de purga + Material Bem Tratado

Gás de purga + Material Mal Tratado

Capítulo 3


As amostras vão dividir-se em brancos e amostras com material. Temos assim

quatro conjuntos com o óleo isolante (midel ou silicone) e o gás de purga (ar ou árgon)

que serão os brancos para cada ciclo e mais oito conjuntos com o óleo isolante (midel ou

silicone), o gás de purga (ar ou árgon) e o material (bem ou mal tratado). Todos os

arranjos perfazem 60 amostras.

Após a preparação das amostras, estas são colocadas numa estufa a 120ᵒC

iniciando-se os ciclos experimentais. Foram realizados 5 ciclos de 5 dias, sendo que o

choque térmico era feito de 24 em 24 horas, ou seja, a cada 24 horas a estufa era ligada

(ou desligada). Os ciclos de 24 horas não puderam ser perfeitamente controlados devido

aos fins de semana. As amostras foram sujeitas a uma temperatura de 120ᵒC no período

de aquecimento. O arrefecimento foi feito até à temperatura ambiente.

3.4. Segunda Simulação

Na segunda simulação já só foram estudadas as situações que se consideraram mais

importantes de forma a se concentrarem os recursos e o estudo nas situações que

realmente acontecem e são possíveis.

Desta vez só se utilizou um gás de purga, o árgon, por ser o gás realmente utilizado

na purga dos transformadores. Em termos de óleo isolante, continuou-se a utilizar o midel

e silicone e o material sofreu o mesmo tipo de tratamento, sendo considerado material

bem e mal tratado.

Neste ensaio pretendeu-se não só estudar os efeitos a nível de DGA mas evoluir no

estudo realizando também análises de rotina, ou seja, determinação do teor de água,

rigidez dielétrica, fator de dissipação dielétrica e índice de acidez. Devido à realização

destes ensaios as amostras feitas em vials serão replicadas em garrafas de alumínio com

1L de capacidade.

Figura 3.6: Esquema de preparação de amostras para a segunda simulação.

Óleo Isolante + árgon

Material Bem Tratado

Material Mal Tratado



As amostras (garrafas e vials) foram preparadas tendo em conta o esquema

representada Figura 3.6. Foram então preparadas 28 amostras em vial, sendo estas

divididas em 4 conjuntos de 7 amostras, dependendo do material e óleo. Os conjuntos são

então midel com árgon e material bem tratado, midel com árgon e material mal tratado,

silicone com árgon e material bem tratado e silicone com árgon e material mal tratado.

Para cada amostra colocada num vial há uma amostra em garrafa que lhe

corresponde, perfazendo igualmente o total de 28 garrafas divididas em 4 conjuntos.

Esta simulação, para além de ter mais ciclos, estes foram mais longos funcionando

contudo do mesmo modo. Foram realizados 7 ciclos de sensivelmente 14 dias, sendo que

o choque térmico era feito de 24 em 24 horas, ou seja, a cada 24 horas a estufa era ligada

(ou desligada). Os ciclos de 24 horas não puderam ser perfeitamente controlados devido

aos fins de semana. As amostras foram sujeitas a uma temperatura de 120ᵒC no período

de aquecimento. O arrefecimento foi feito até à temperatura ambiente.

Capí tulo 4 – Résultados é discussa o

Resultados e discussão


4. Resultados e discussão

Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados de toda a fase

experimental realizada no decorrer do trabalho. Apresentam-se os resultados das duas

simulações efetuadas, assim como a análise multivariável feita com base na segunda

simulação. No caso da primeira simulação apresentam-se os resultados de DGA e a sua

discussão. No entanto para a segunda simulação para além dos valores obtidos por DGA e

discussão destes, apresentam-se ainda os valores obtidos para os ensaios de rotina,

análises complementares, análise multivariável e a comparação entre alguns dos

parâmetros, nomeadamente, o teor de água e concentração de hidrogénio e oxigénio.

4.1. Primeira Simulação

Esta simulação inicial visava identificar entre os 12 tipos de arranjos estudados

(identificados no capítulo 3) os arranjos que conduziam a alterações nas características do

óleo isolante mais significativas, que constituiriam os arranjos a explorar na segunda fase

do trabalho. Esta fase experimental foi integralmente realizada no Laboratório de

Materiais da Fábrica do Sabugo.

Na tabela seguinte encontram-se identificados os ciclos de aquecimento e

arrefecimento a que se sujeitaram as amostras. De ciclo para ciclo os tempos de

aquecimento e arrefecimento variaram consoante o período de experimentação incluía o

fim de semana, em que o acesso ao laboratório não era possível. O tempo total da

atividade experimental foi de 35520 minutos, ou seja, 25 dias. Pode constatar que,

excetuando o 3º ciclo, o tempo de aquecimento foi sempre superior ao tempo de

arrefecimento.

Tabela 4.1: Duração do período de aquecimento e arrefecimento em cada

ciclo experimental e tempo total de simulação.

Tempo (min)

Ciclo Aquecimento Arrefecimento Total

1º 5153 2047 7200

2º 10390 4925 15315

3º 13265 8345 21610

4º 18545 11217 29762

5º 23807 11713 35520

Capítulo 4


É de referir que os ciclos são cumulativos, na medida em que os 60 vials foram

todos colocados no início da experiência na estufa, sendo que se foram retirando após

cada um dos 5 ciclos de aquecimento e arrefecimento, que duraram aproximadamente 5

dias, 12 vials, como amostras para análise.

Nesta simulação, com vista a se poder observar as alterações que ocorreram

relativamente ao estado inicial do óleo, fez-se a análise de gases dissolvidos às amostras

de óleo purgadas, sem serem sujeitas a qualquer tipo de choque térmico. Estes valores

encontram-se representados na Tabela 4.2, bem, como nas Figuras 4.1 a 4.4 nos

resultados correspondentes ao tempo zero dias.

Tabela 4.2: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras de óleo purgado, antes de

serem sujeitas a qualquer tipo de choque térmico.

Concentração (ppm)

Gás Midel+Ar Midel+Árgon Silicone+Ar Silicone+Árgon

H2 - Hidrogénio <3 <3 <3 <3

CH4 - Metano <1 <1 3 2

C2H6 - Etano <1 <1 <1 <1

C2H4 - Etileno <1 <1 4 3

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano <1 <1 1 2

C3H6 - Propileno <1 <1 7 5

CO - Monóxido de Carbono <1 <1 22 17

CO2 - Dióxido de Carbono 79 49 1221 944

O2 - Oxigénio 5569 2779 49337 38549

N2 - Azoto 16437 5334 115048 88616

Após cada ciclo foram retiradas amostras que foram analisadas em termos de gases

dissolvidos por cromatografia gasosa, conforme se descreveu no Capítulo 2. As

representações gráficas dos resultados de DGA encontram-se nas Figuras 4.1 a 4.4, em

que as cores azul-escuro e claro correspondem às amostras de silicone com ar e árgon,

respetivamente e as cores vermelho e laranja correspondem às amostras de midel também

com ar e árgon. As amostras bem tratadas (MBT), que conforme se referiu anteriormente,

foram previamente colocadas em estufa durante 4 horas a 120 °C, estão representadas por

um circulo, enquanto que as amostras mal tratadas (MMT), que foram colocadas em

estufa apenas a 100ºC durante 4 horas, se encontram representadas por um quadrado.

Representam-se ainda as quatro amostras sem material que serviram de branco com as



cores referidas anteriormente, sem símbolos. Os resultados obtidos em termos de

acetileno não foram considerados na análise por se terem obtido sempre valores inferiores

a 1 ppm.

Na Figura 4.1 encontram-se representados os resultados obtidos em todas as

amostras para os alcanos (metano, etano e propano).

Figura 4.1: Concentração de metano, etano e propano, para todas as amostras, obtida por análise de gases

dissolvidos.

Conforme se pode observar na figura anterior, ocorre um aumento significativo da

concentração de metano no quinto dia de ensaio para as amostras de silicone com ar e

ambos tipos de material e silicone purgado com árgon e material mal tratado. Este pico no

Capítulo 4


caso da amostra de silicone com árgon e material bem tratado apenas ocorreu ao fim do

12º dia. Nestas amostras a concentração deste alcano baixa e estabiliza normalmente ao

21º dia.

De uma forma geral pode dizer-se que se observa uma subida de concentração de

metano nos primeiros dias, que é seguida de uma descida e posterior estabilização.

Também se pode afirmar que a concentração de metano é superior nas amostras de

silicone quando comparadas com as de midel, e que nas amostras com material mal

tratado as concentrações são superiores às que possuem o material bem tratado, e estas

maiores do que as amostras sem material.

Relativamente ao etano, observa-se uma formação muito reduzida desta espécie

gasosa até ao 15º dia, ocorrendo um pico em todas as amostras de midel (mais

significativo nas amostras com material) ao 21º dia. Nas amostras de silicone apenas

ocorreu um pico no vial contendo silicone com árgon e material mal tratado, sendo que

nas restantes a concentração de etano foram sempre muito reduzidas.

Relativamente à produção de propano é possível verificar que as amostras que

funcionaram como branco não apresentam produção de gás sendo irrelevantes para o

estudo. As amostras de uma forma geral apresentam resultados crescente desta espécie

gasosa até ao 21º dia, estabilizando de seguida, sendo que as amostras que contêm

silicone produzem mais propano que as de midel.



Figura 4.2: Concentração de hidrogénio, etileno e propileno, para todas as amostras, obtida por análise de gases

dissolvidos.

Na Figura 4.2 é possível observar que, no início dos ciclos de aquecimento ocorre a

produção de hidrogénio para algumas amostras, mas que com o decorrer da experiência, a

concentração deste gás decresce rapidamente, pelo que após o 15º dia de ensaio todas as

amostras estabilizam com praticamente a mesma concentração de aproximadamente 5

Capítulo 4


ppm. A produção de hidrogénio verificada no 5º dia ocorre sobretudo em amostras de

silicone com material.

Relativamente ao etileno verifica-se um produção muito reduzida deste gás ao

longo do tempo, com valores maiores para as amostras de midel comparativamente às de

silicone. Curiosamente os maiores valores de concentração deste gás foram observados

nas amostras de midel sem material (cerca de 18 ppm), no final de experiência, enquanto

que no extremo oposto se encontravam os brancos de silicone com concentração inferior

a 1 ppm.

Em temos de resultados de DGA relativos ao propileno, verifica-se, uma vez mais,

que nas amostras dos brancos praticamente não ocorreu produção de gás. É, ainda,

possível verificar que as amostras de silicone, no final do ensaio, apresentam maior

quantidade de gás que as de midel e que de uma forma geral a concentração desta espécie

gasosa cresce até ao 12º dia, mantendo-se razoavelmente estável após este período.

Figura 4.3: Concentração de dióxido de carbono e monóxido de carbono, para todas as amostras, obtida por

análise de gases dissolvidos.



Relativamente às amostras dos óxidos de carbono representados na figura anterior

verifica-se que nos brancos há uma produção muito reduzida de CO e CO2, o que era

expectável uma vez estes gases decorrem essencialmente da degradação dos compostos

celulósicos do papel de isolamento (nómex e psp).

Em termos gerais há uma acréscimo de concentração de CO e CO2 no 5º dia, sendo

que no CO o valor atingido ao 5º dia se mantém estável até ao 21º, subindo ligeiramente

no 25º dia, enquanto que no CO2 ocorre uma ligeira diminuição até ao 12º dia

estabilizando de seguida. A excepção a este comportamento ocorre no vial de silicone

purgado com árgon e material bem tratado, em que em ambos os gases as espécies

gasosas apenas se formam no 2º ciclo, após o que descem até ao final da experiência,

ainda que mais significativamente no ciclo de aquecimento seguinte. Verifica-se, ainda,

que em todas as amostras de midel ocorre maior produção destas espécies gasosas.

É importante referir que as amostras que contêm material mal tratado apresentam

mais quantidade de CO.

De seguida apresenta-se a Figura 4.4 em que se representa as concentrações dos

gases atmosféricos em cada uma das amostras ao longo desta primeira simulação.

Conforme se referiu anteriormente, a origem destes gases não é fundamentalmente de

falha, podendo ocorrer a formação de oxigénio em resultado da degradação dos

compostos celulósicos.

Capítulo 4


Figura 4.4: Concentração de oxigénio e azoto, para todas as amostras, obtida por análise de gases dissolvidos.

Em ambos os gráficos que representam a variação da concentração de gases

atmosféricos (oxigénio e azoto), são claramente visíveis dois tipos de amostras: as

amostras de silicone apresentam sempre maiores teores de oxigénio e quase sempre de

azoto, ocorrendo uma redução da concentração de ambas as espécies gasosas ao fim do

primeiro ciclo de aquecimento relativamente à concentração das amostras de óleos novos

sem qualquer tipo de choque térmico ou contacto com material (ensaio a tempo zero).

Após este decréscimo, e particularmente para o oxigénio, ocorre a estabilização da

concentração nas amostras. Ainda nas amostras de silicone, verifica-se que para as 3

amostras que contém ar (sem material e com MMT e MBT) apresentam pra o instante

inicial uma concentração de oxigénio e azoto superior à que se verifica nas amostras

purgadas com árgon, conforme seria expectável. No entanto esta diferença deixa de ser

nítida após o final do primeiro ciclo de aquecimento.

Relativamente às amostras de midel, o comportamento é praticamente inverso,

ocorrendo uma subida da concentração das espécies gasosas durante o primeiro ciclo,

após o que ocorre a sua estabilização. Também nestas amostras, a concentração das



espécies gasosas nas amostras que foram purgadas com árgon apresentam concentrações

de oxigénio e azoto significativamente inferiores, atenuando-se, ou mesmo eliminando-se,

estas diferenças após o primeiro ciclo de aquecimento.

Conforme se referiu anteriormente, com esta simulação pretendia-se selecionar o

grupo de amostras a estudar mais aprofundadamente numa segunda experiência de

simulação, nomeadamente as que representavam melhor a degradação do óleo do

transformador, ajustando-se por isso, mais à realidade, e as que apresentavam maior

variação na concentração das espécies gasosas. Assim, pode concluir-se que os casos cujo

estudo é fundamental são aqueles em que o óleo é purgado com árgon e contém o

material bem e mal tratado. Deste estudo preliminar, verificou-se claramente que as

amostras que apenas continham óleo e gás não revelaram muitas variações tendo-se

optado por isso não repetir esses ensaios.

Por outro lado, constatou-se que a duração desta experiência foi insuficiente por se

verificar que entre o 4º e 5º ciclo o comportamento dos óleos não se encontrava

perfeitamente estabilizado, pelo que se mostrou relevante em experiências subsequentes

prolongar os ciclos e realizar um maior número de etapas de aquecimento.

Desta experiência, concluiu-se, ainda, que se deveria complementar o estudo

realizado com análises de rotina de forma a poder relacionar os resultados desses ensaios

com a variação da concentração de gases presentes no óleo.

4.2. Segunda simulação

Face aos resultados da simulação anterior, optou-se por efetuar uma experiência mais

extensa, ainda que com um menor número de amostras, que se focaram em amostras de

óleo purgado com árgon e material mal e bem tratado. O estudo de DGA foi, ainda,

complementado com um conjunto de análises de rotina, cuja execução foi repartida entre

os laboratórios do ISEC e a SIEMENS.

Há a registar que nesta simulação ocorreram fenómenos a nível experimental que

influenciaram os resultados, dos quais se destaca o derretimento das tampas de algumas

garrafas de alumínio usadas na análise de rotina, assim como a quebra dos o-rings em

quase todas as garrafas, como é possível observar na Figura 4.5. As tampas que

derreteram pertenciam a garrafas que se encontravam mais próximas da resistência da

estufa, contudo os o-rings apresentaram uma fraca resistência à temperatura de ensaio

Capítulo 4


(120 ᵒC) tendo ficado quase todos partidos. Optou-se então por realizar a experiência com

as garrafas abertas.

Figura 4.5: Garrafas de alumínio com as tampas derretidas, tampas derretidas depois de removidas das garrafas

e o-rings partidos.

As amostras foram colocadas na estufa e aquecidas até 120 ᵒC e, quando sujeitas ao

aquecimento, o septo da cápsula expandia, voltando ao normal no período de

arrefecimento.

Como referido anteriormente no capítulo 3, os ciclos foram de sensivelmente 14

dias, tendo-se realizado 7 ciclos. Na Tabela 4.3, encontram-se os tempos de aquecimento

e arrefecimento assim como o tempo total de cada ciclo. O tempo total de experiência foi

de 130649 minutos que corresponde a aproximadamente 91 dias.

Tabela 4.3: Tempo de aquecimento e arrefecimento para cada ciclo e

tempo total de cada ciclo e de simulação.

Tempo (min)

Ciclo Aquecimento Arrefecimento Total

1º 9866 5848 15714

2º 19902 15804 35706

3º 29482 26368 55850

4º 42469 33444 75913

5º 52670 43412 96082

6º 62927 53433 116360

7º 69935 60714 130649



No 4º ciclo a diferença entre o tempo de aquecimento e arrefecimento é de

sensivelmente 6000 minutos, que se deve sobretudo a um período de 7 dias durante o qual

a estufa esteve sempre ligada a 120 °C. Este facto não afeta, contudo, os resultados, pois

ao fim de um período a uma temperatura estabilizada, o sistema entra em equilíbrio não

ocorrendo reações adversas que alterem os resultados.

De forma a pormenorizar mais esta fase do estudo, relacionam-se os ciclos com os

dias de ensaio. Assim, o 1º ciclo vai corresponder a 11 dias, o 2º ciclo a 25dias, o 3º ciclo

a 39 dias, o 4ºciclo a 53 dias, o 5º ciclo a 67 dias, o 6º ciclo a 81 dias e finalmente ao 7º

ciclo correspondem 91 dias, que constitui o tempo total da segunda simulação.

Ao fim de 67 dias de choque térmico (5º ciclo) constatou-se que o midel em

contacto com o material mal tratado começou a libertar partículas, como se pode observar

na Figura 4.6, evidenciando a degradação dos materiais por ação dos choques térmicos.

Figura 4.6: Amostras de midel com material mal tratado, em que se pode observar as partículas libertadas

(destacadas no circulo a preto). a- 5º ciclo, b - 7º ciclo.

Este fenómeno pode estar relacionado com uma cura incorreta da cola do papel

aquando do tratamento do material, facto que seria expectável no material mal tratado. De

referir que num transformador de distribuição em funcionamento real, esta cola vai

participar em fenómenos sucessivos de deterioração dos materiais sólidos e líquidos

Capítulo 4


isolantes, o que se traduz num fenómeno que normalmente é designado por formação de

lama.

Conforme se referiu no capítulo 3, dos 28 vials com midel e silicone purgado com

árgon e materiais bem e mal tratados e das 28 garrafas com os dois tipos de óleo também

em contacto com materiais bem e mal tratados, sujeitas a choques térmicos no laboratório

do ISEC, foram retiradas 8 amostras (4 vials e 4 garrafas) no final de cada um dos 7

ciclos, que foram encaminhadas para o Laboratório de Materiais da Fábrica do Sabugo,

onde foram analisadas em termos de DGA e de análises de rotina.

De seguida apresentam-se os resultados obtidos para cada um dos 4 arranjos em

estudo. Para poder comparar os resultados do 1º ciclo com os resultados de DGA obtidos

para óleos sem qualquer choque térmico utilizam-se os valores experimentais obtidos na

primeira simulação e que se apresentaram na Tabela 4.2.

4.2.1. Análise de Gases Dissolvidos

Para as análises de gases dissolvidos, dos onze gases analisados apenas dez serão tidos

em conta, uma vez que, tal como foi aconteceu na primeira simulação, o acetileno

apresentou sempre concentrações inferiores a 1 ppm, uma vez que a sua produção apenas

ocorre a temperaturas superiores a 1000ᵒC (IEEE, 1992).

Na representação gráfica da variação da concentração de gases separaram-se os

gases atmosféricos e óxidos de carbono dos restantes, uma vez que a origem destes três

grupos de gases é distinta. Os óxidos de carbono resultam da degradação dos materiais

sólidos, nomeadamente, compostos com celulose presentes no psp e nomex. Nestes

compostos, as ligações moleculares C-O, sendo fracas, decompõem-se a temperaturas

baixas. A degradação dos compostos celulósicos também origina água em maiores

quantidades do que o óleo (quando sujeitos à mesma temperatura). A formação destes

óxidos é igualmente promovida pela presença de oxigénio no óleo e pelo teor de água

inicialmente existente no papel.

Os gases atmosféricos também são representados separadamente porque a sua

principal origem não ocorre em falhas. A quantidade de oxigénio poderá ser influenciada

pela degradação dos compostos celulósicos que originam os óxidos de carbono e,

consequentemente, na degradação destes que poderão originar moléculas de O2 e

hidrocarbonetos.



Os gases podem ser originados não apenas por falhas mas também pela existência

de reações químicas, nomeadamente conducentes à formação de ferrugem. Quando existe

oxigénio livre no óleo que atua como catalisador, podem ocorrer reações entre o aço e a

água, originando moléculas de hidrogénio, que pode, ainda, ser formado através de

reações catalíticas do aço com o óleo. É ainda de referir, que sendo a luz solar

catalisadora de reações que levam à formação de gases, o facto de as amostras de DGA

estarem contidas em vials de vidro transparente pode ter influenciado os resultados. Uma

forma de avaliar o tipo de falha existente nas amostras é através da utilização da razão

entre gases (adaptação do Critério de Rogers, utilizando não três quocientes mas apenas

dois) (IEC 60599, 1999). Esta avaliação será efetuada no presente trabalho, considerando

quatro dos gases analisados: hidrogénio, metano, etano e etileno. Nesta avaliação a razão

entre a concentração destas espécies gasosas vai ser relacionada com casos específicos de

falhas ocorridas no transformador, particularmente falhas térmicas (IEC 60599,1999).

Amostras de midel purgado com árgon contendo material bem tratado

Na Tabela 4.4 encontram-se os valores obtidos de concentração em ppm do

tratamento dos resultados de DGA, para as amostras de midel purgadas com árgon em

contacto com o material bem tratado.

Tabela 4.4: Valores obtidos na análise de DGA (em ppm) para as amostras dos sete ciclos de midel purgado com

árgon, contendo material bem tratado.

Tempo (dias)

Gases 0 11 25 39 53 67 81 91 Referência1)

H2 <3 3 <3 <3 10 <3 3 5 100

CH4 <1 9 6 3 3 3 3 3 50

C2H6 <1 5 10 4 3 2 6 5 50

C2H4 <1 3 4 3 2 1 2 2 50

C2H2 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 50

C3H8 <1 6 10 8 8 6 6 12 ---

C3H6 <1 3 <1 5 5 3 2 3 ---

CO <1 260 216 152 151 147 158 180 200

CO2 49 3758 2428 1631 1560 1421 1499 1759 5000

O2 2779 14388 15690 12638 15894 17672 12260 21048 ---

N2 5332 35532 38277 31885 39546 41525 30539 49093 ---

1) Valores referência retirados da norma IEC 60599, 1999 (Tabela A.4).

Capítulo 4


A representação gráfica destes valores (com exceção do acetileno), apresentada nas

Figuras 4.7 e 4.8, permite observar a variação dos gases com o tempo de experiência.

Figura 4.7: Representação da variação da concentração de gases com a variação do tempo de experiência, para o

midel purgado com árgon e com material bem tratado.

Os gases representados na figura demonstram que a quantidade de gás produzida

não é substancial. Apesar de o hidrogénio apresentar um pico de 10 ppm no dia 53, estes

valores são ainda bastante inferiores aos valores de referência constantes na Tabela A.4

da norma IEC 60599, 1999 e indicados na Tabela 4.4 Todas as restantes espécies estão

também bastante abaixo dos valores de referência constantes na referida norma.

Na Figura 4.8 encontram-se representados os gases atmosféricos e os óxidos de

carbono para as amostras de midel com material bem tratado. O monóxido e o dióxido de

carbono são representados a laranja e vermelho respetivamente, estando as suas

concentrações representadas no eixo secundário (à direita). Os gases atmosféricos

encontram-se representados no eixo principal (à esquerda) apresentado as cores azul

escura (azoto) e azul claro (oxigénio).



Figura 4.8: Representação da variação dos gases atmosféricos e dos óxidos de carbono com o tempo de ciclo,

para o midel purgado com árgon com material bem tratado.

Como se pode observar os gases atmosféricos têm um comportamento similar,

sendo que o azoto existe em maior quantidade, refletindo a concentração atmosférica

destes gases.

Apesar de as linhas representativas dos óxidos de carbono apresentarem um

comportamento relativamente similar, no primeiro ciclo verifica-se um pico de

concentração de dióxido de carbono, à imagem do que se observou na primeira

simulação. Com o decorrer da experiência, a concentração destes gases tem tendência a

estabilizar. Conforme se referiu anteriormente, a análise dos óxidos de carbono é bastante

importante na prevenção e determinação da deterioração dos compostos celulósicos, pelo

que se pode concluir que a degradação do material celulósico ocorre essencialmente no

primeiro ciclo de choques térmicos.

Amostras de midel purgado com árgon contendo material mal tratado

Os valores obtidos após o tratamento dos resultados de DGA para as amostras de

midel purgado com árgon contendo material mal tratado encontram-se representados na

Tabela 4.5 e nas Figuras 4.9 e 4.10.

Capítulo 4


Tabela 4.5: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA (em ppm) para as amostras dos sete ciclos de

midel purgado com árgon, contendo material mal tratado.

Tempo (dias)


H2 <3 <3 <3 <3 6 4 3 3 100

CH4 <1 11 6 3 3 4 4 4 50

C2H6 <1 5 9 4 4 4 8 6 50

C2H4 <1 4 4 3 2 2 3 3 50

C2H2 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 50

C3H8 <1 10 11 9 12 10 12 16 ---

C3H6 <1 9 10 7 8 6 8 8 ---

CO <1 271 251 133 181 215 218 225 200

CO2 49 4096 2569 1374 1695 1969 2104 2209 5000

O2 2779 13841 15232 10424 16751 19213 16688 21618 ---

N2 5332 35272 38070 26514 42325 45958 41611 51744 ---


A representação gráfica destes valores apresentada na figura 4.9 permite observar a

variação dos gases analisados com o tempo de experiência.

Figura 4.9: Representação da variação da concentração de gases com a variação do tempo de experiência, para o

midel purgado com árgon e com material mal tratado.



Comparando estes resultados com os obtidos em experiência análoga mas com

material bem tratado (Figura 4.7), é possível observar que o comportamento dos gases na

presente experiência é mais estável não se observando variações bruscas, como ocorria

anteriormente. Na Figura 4.10, encontram-se os valores obtidos para os gases

atmosféricos e para os óxidos de carbono.

Figura 4.10: Representação da variação dos gases atmosféricos e dos óxidos de carbono com o tempo de ciclo,

para o midel purgado com árgon com material mal tratado.

O comportamento destas espécies gasosas observado nesta experiência é muito

similar ao que se observou com o material bem tratado. Nos três primeiros ciclos, ou seja,

até ao dia 39 de experiência, o comportamento do monóxido de carbono e do dióxido de

carbono é similar ao comportamento dos gases representados na Figura 4.8. Contudo, a

partir do dia 40, nesta experiência parece ocorrer um aumento gradual da concentração de

CO2, enquanto que na experiência com material bem tratado, no período análogo, se

observava a estabilização da concentração deste gás, o que parece indicar que nas

amostras com material mal tratado ocorre a formação de óxidos de carbono, indicativa da

degradação dos compostos celulósicos que formam o isolamento sólido do transformador.

Amostras de silicone purgado com árgon contendo material bem tratado

Os valores obtidos após o tratamento dos resultados de DGA encontram-se

representados na Tabela 4.6 e nas Figuras 4.11 e 4.12.

Capítulo 4



silicone purgado com árgon, contendo material bem tratado.

Tempo (dias)


H2 <3 6 <3 <3 <3 4 <3 <3 100

CH4 2 16 6 6 3 3 3 4 50

C2H6 <1 7 9 5 3 2 7 6 50

C2H4 3 1 1 1 <1 <1 <1 <1 50

C2H2 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 50

C3H8 2 11 9 9 9 6 8 16 ---

C3H6 5 4 5 4 3 2 2 3 ---

CO 17 390 143 117 72 97 91 121 200

CO2 944 4118 1068 974 747 852 815 1397 5000

O2 38549 27605 22473 22772 22373 26948 21452 38327 ---

N2 88616 72390 56317 57938 53497 64004 53667 94584 ---


Por análise da tabela anterior pode verificar-se que todas as espécies gasosas

apresentam concentrações inferiores aos valores indicados como de referência pela norma

IEC 60599, 1999 com exceção da concentração de CO após o primeiro ciclo de

aquecimento.

Figura 4.11: Representação da variação da concentração de gases com a variação do tempo de experiência, para

o silicone purgado com árgon e com material bem tratado.



Pode-se observar a ocorrência de alguns picos no comportamento dos gases

apresentados, contudo em níveis bastante inferiores ao de referência para o óleo mineral.

Na Figura 4.12 estão representadas as concentrações dos gases atmosféricos e

óxidos de carbono presentes nas amostras de silicone contendo material bem tratado.

Figura 4.12: Representação da variação dos gases atmosféricos com o tempo de ciclo, para o silicone purgado

com árgon com material bem tratado.

É possível observar que os gases atmosféricos apresentam um comportamento

similar refletindo a relação destes no ar atmosférico, revelando a sua origem comum.

Os óxidos de carbono apresentam um comportamento estável a partir do segundo

ciclo, evidenciando que não ocorreu grande degradação dos compostos celulósicos.

Contudo no último ciclo estes valores aumentam o que poderá indiciar que o

prolongamento da experiência poderia levar a valores mais importantes de degradação do

material celulósico.

Amostras de silicone purgado com árgon contendo material mal tratado

Na Tabela 4.7 e na Figura 4.13 estão patentes os resultados do tratamento dos

valores obtidos por DGA das amostras de silicone com material mal tratado.

Capítulo 4



silicone purgado com árgon, contendo material mal tratado.

Tempo (dias)


H2 0 6 <3 <3 3 4 <3 3 100

CH4 <3 30 13 5 4 3 3 4 50

C2H6 2 8 11 7 5 2 5 6 50

C2H4 <1 2 2 1 <1 <1 <1 <1 50

C2H2 3 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 50

C3H8 <1 14 16 12 14 9 14 19 ---

C3H6 2 11 13 8 7 4 5 7 ---

CO 5 458 207 112 125 98 126 135 200

CO2 17 4689 1617 885 1098 858 1013 1222 5000

O2 944 31044 27503 22395 29120 24113 25477 34410 ---

N2 38549 80280 68225 57023 71363 58421 63584 85316 ---


Por análise da tabela anterior pode verificar-se que todas as espécies gasosas

apresentam concentrações inferiores aos valores indicados como de referência pela norma

IEC 60599, 1999, com exceção da concentração de CO após os primeiro e segundo ciclos

de aquecimentos

Figura 4.13: Representação da variação da concentração de gases com a variação do tempo de experiência, para

o silicone purgado com árgon e com material mal tratado.



Os gases apresentados possuem um comportamento semelhante ainda que mais

estável que o observado para o mesmo óleo mas em conjunto com o material bem tratado.

Na Figura 4.14, estão representadas as concentrações de gases atmosféricos e

óxidos de carbono medidos nas amostras de silicone com material mal tratado.

Figura 4.14: Representação da variação dos gases atmosféricos e óxidos de carbono com o tempo de ciclo, para o

silicone purgado com árgon com material mal tratado.

O comportamento quer dos gases atmosféricos quer dos óxidos de carbono é similar

ao que se observou para as amostras de silicone com material bem tratado.

Balanço ao número total de átomos presentes nas espécies gasosas

estudadas

Com vista a averiguar se a variação de concentração dos gases estudados decorria

da interconversão de espécies gasosas ou da formação contínua de novas espécies

gasosas, estudou-se a evolução da quantidade dos diferentes elementos presentes nas

moléculas gasosas através de balanços molares efetuados aos 4 átomos de que são

constituídos as espécies gasosas estudadas: C, H, O e N.

Capítulo 4


Tabela 4.8: Balanço aos átomos constituintes das espécies gasosas (expressos em moles de átomos), para cada um

dos ciclos, nas amostras de midel e silicone com material bem e mal tratado.

Tempo (dias)

0 11 25 39 53 67 81 91

Midel + MBT

C 0,002 0,097 0,065 0,044 0,042 0,039 0,041 0,125

H - 0,009 0,009 0,007 0,014 0,006 0,007 0,087

O 0,352 1,079 1,099 0,869 1,070 1,174 0,840 1,402

N 1,174 2,538 2,734 2,278 2,825 2,966 2,181 3,507

Midel + MMT

C 0,002 0,105 0,070 0,038 0,047 0,054 0,058 0,138

H - 0,011 0,010 0,008 0,011 0,008 0,009 0,087

O 0,352 1,061 1,078 0,719 1,130 1,298 1,146 1,460

N 1,174 2,519 2,719 1,894 3,023 3,283 2,972 3,696

Silicone + MBT

C 0,030 0,110 0,032 0,028 0,021 0,024 0,023 0,186

H 0,003 0,014 0,009 0,008 0,007 0,007 0,007 0,228

O 3,140 1,926 1,458 1,472 1,435 1,726 1,381 2,463

N 16,435 5,171 4,023 4,138 3,821 4,572 3,833 6,756

Silicone + MMT

C 0,030 0,127 0,048 0,026 0,032 0,024 0,029 0,183

H 0,003 0,019 0,014 0,009 0,009 0,008 0,008 0,230

O 3,140 2,170 1,800 1,444 1,874 1,550 1,643 2,211

N 16,435 5,734 4,873 4,073 5,097 4,173 4,542 6,094

De forma a observar melhor as variações do número de átomos ao longo do ensaio

experimental, representaram-se os valores obtidos no balanço na Figura 4.15.



Figura 4.15: Variação, em atmol, dos átomos de carbono, hidrogénio, azoto e oxigénio para todas amostras de

midel e silicone com material mal e bem tratado.

Capítulo 4


Por análise da figura anterior, constata-se que, de uma forma geral, o número total

de cada tipo de átomos se mantém relativamente estável após o início da aplicação dos

choques térmicos às amostras. A exceção a este comportamento ocorre na última amostra

estudada, em que se observa uma subida generalizada do número de átomos, que é de

difícil explicação, uma vez que não seria expectável que após 91 dias de choques

térmicos sucessivos ocorresse a formação generalizada de espécies gasosas. Esta subida

decorre, essencialmente, de um pico observado em todos os conjuntos nas concentrações

de propano, oxigénio e azoto. A outra exceção prende-se essencialmente com o número

de átomos de carbono que após subida abrupta decorrente do primeiro ciclo de

aquecimento, desce significativamente nos dois ciclos subsequentes, estabilizando após o

terceiro ciclo de aquecimento/ arrefecimento. A descida observada no número de átomos

de carbono presente no gás poderá estar relacionada com a possibilidade de reações

ocorrentes no óleo poderem originar partículas sólidas de carbono e ceras, diminuindo o

número de átomos de carbono presente nas espécies gasosas.

Assim, de uma forma geral, pode afirmar-se que durante o primeiro ciclo de

aquecimentos ocorre a grande formação de espécies gasosas, que depois se vão converter

noutras em resultado de reações químicas ocorrentes no transformador. No entanto, a

relativa estabilidade observada no número de átomos que constituem as diferentes

espécies gasosas após o primeiro ciclo de aquecimento, parece indicar que a variação

observada na concentração das diferentes espécies gasosas decorre essencialmente da

transformação de uma noutras, e pouco da formação de novos gases.

Efetivamente, uma vez que a formação de gases está relacionada com a degradação

do material, e que este não se degrada instantaneamente com os choques térmicos, é

possível afirmar que a formação de gases para as primeiras amostras está essencialmente

relacionada com a reação entre radicais instáveis inicialmente existentes e que justificam

a formação de grandes quantidades de gases ao fim do primeiro ciclo. Estes radicais

reagem rapidamente recombinando-se através de reações complexas surgindo diversas

moléculas como H-H, CH3-H, CH3-CH3, CH2=CH2 ou CH≡CH e hidrocarbonetos com

três e quatro carbonos (ainda que em quantidades pouco relevantes). Assim, a

transformação de umas espécies noutras após o período inicial explicaria a variação

observada na concentração dos gases estudados, ainda que não fosse acompanhada de

uma variação do número total cada tipo de átomos, conforme se constatou



Analisando o número total de átomos verifica-se que as amostras de silicone

apresentam valores superiores às de midel, denotando maior formação de gases. Em

termos de tratamento efetuado ao material a diferença não é nítida, embora os conjuntos

com material mal tratado tenham tendência a apresentar maior número de átomos de

espécies gasosas do que as correspondentes amostras com material bem tratado,

acentuando-se esta diferença para as amostras de silicone.

Nas amostras de midel com material mal tratado, observou-se uma tendência

crescente do número de átomos de carbono e oxigénio após os 53 dias de experiência, o

que poderá estar relacionado com o tratamento do material. Efetivamente a cura

insuficiente do material leva a uma maior degradação dos compostos celulósicos

formando maiores quantidades de óxidos de carbono. Este facto não foi observável nas

amostras de silicone em virtude de este apresentar características químicas mais estáveis.

Adaptação do Critério de Rogers

Após apresentar os resultados obtidos, é importante fazer a análise através da razão

entre hidrocarbonetos, sendo que no presente trabalho se utilizaram as razões

e

,

que serão denominadas por e , respetivamente. A utilização destas razões vai

permitir avaliar o midel e o silicone segundo parâmetros utilizados para o óleo mineral,

utilizando como referência valores obtidos para transformadores isolados com óleo

mineral e constantes na norma IEC 60599, 1999.

Na Tabela 4.9 estão presentes os valores para as razões e obtidas a partir dos

valores determinados para cada gás.

Tabela 4.9: Valores da razão entre hidrocarbonetos para as diferentes amostras ao longo da experiência.

Tempo (Dias)

Amostra Razão 0 11 25 39 53 67 81 91

Midel com material bem tratado

R1 0,000 2,590 0,000 0,000 0,301 0,000 0,820 0,674

R2 0,000 0,724 0,405 0,632 0,613 0,569 0,266 0,381

Midel com material mal tratado

R1 0,000 5,723 0,000 0,000 0,557 0,977 1,534 1,184

R2 0,000 0,866 0,478 0,653 0,636 0,582 0,337 0,456

Silicone com material bem tratado

R1 0,888 2,856 0,000 0,000 1,413 0,651 4,659 1,805

R2 0,000 0,223 0,139 0,211 0,191 0,221 0,054 0,086

Silicone com material mal tratado

R1 0,888 5,218 0,000 0,000 1,358 0,580 2,232 1,054

R2 0,000 0,194 0,142 0,200 0,166 0,161 0,143 0,108

Capítulo 4


Como critério de comparação foram utilizados os valores constantes na norma

IEC 60599:1999, para um transformador de distribuição cujo enchimento é feito com óleo

mineral (Tabela 4.10) que representam a concentração de gases para 90% das

observações efetuadas em transformadores (IEC 60599, 1999).

Tabela 4.10: Concentração, em ppm, dos gases num transformador de distribuição.

Gases Concentração (ppm)

H2 - Hidrogénio 100

CH4 - Metano 50

C2H6 - Etano 50

C2H4 - Etileno 50

Para o caso descrito na Tabela 4.10, os valores das razões serão de 0,5 e 1 para R1 e

R2, respectivamente, que servirão de parâmetro de comparação e se marcaram numa linha

contínua horizontal nos gráficos. A Figura 4.16 representa a comparação entre as razões

para as diferentes amostras.

Figura 4.16: Valores da razão R1 e R2 para as amostras em estudo.



Como se pode observar, apenas a razão R1 apresenta valores superiores ao valor

referência, devendo-se à instabilidade dos valores de H2 e CH4, particularmente do facto

de por vezes não se verificar a formação de hidrogénio. De acordo com a norma IEC

60599,1999, apesar de superior à unidade, pelo facto de a concentração das duas espécies

gasosas ser muito reduzida, este quociente é não significativo, pelo que conjugado com o

facto de a razão R2 ser inferior a 1 e a concentração de acetileno se encontrar abaixo do

limite de deteção, estas situações configuram uma falha térmica de temperatura inferior a

300 °C, de acordo com o critério de Rogers (IEC 60599, 1999).

Razão entre óxidos de carbono

Outra possibilidade de análise dos resultados da DGA proposta na norma IEC

60599, 1999 é através da razão entre os óxidos de carbono. Este tipo de gás aumenta

rapidamente com o aumento da temperatura, assim, e fazendo o rácio CO2/CO é possível

avaliar o grau de degradação dos componentes celulósicos. Este estudo deve ser feito

fazendo a correção dos valores de CO2 de forma a precaver eventual absorção deste gás a

partir do ar atmosférico.

Na Figura 4.17 está presente a representação da variação da razão entre os óxidos

de carbono ao longo da experiência

Figura 4.17: Representação gráfica da razão entre os óxidos de carbono ao logo da experiência e representação

do limite.

0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

0 20 40 60 80 100

CO

2/C

O

Tempo (dias)

Midel com material bem tratado Midel com material mal tratado

Silicone com material bem tratado Silicone com material mal tratado

Capítulo 4


De acordo com a norma IEC 60599, 1999, quando a degradação do papel é

excessiva, a razão entre os dois gases toma valores inferiores a 3.

Tal como esperado face à observação visual das amostras, os valores encontram-se

todos acima do valor referência, comprovando a inexistência de degradação excessiva,

apesar de ter ocorrido alguma libertação de cola do papel nomex que ficou mal curada

partir do 5º ciclo nas amostras de midel com material mal tratado, que não foi evidenciada

por esta análise.

Por outro lado, verifica-se que as curvas das quatro amostras apresentam uma

evolução semelhante, demonstrando que o comportamento entre estes óleos é semelhante.

Contudo é de referir que o valor limite utilizado como referência é o do óleo mineral, não

se podendo afirmar que para o caso do midel e do silicone este não deva assumir valores

distintos.

Razão entre gases atmosféricos

A norma de interpretação de gases para o óleo mineral (IEC 60599, 1999)

considera, ainda, que a razão entre a concentração de gases atmosféricos é importante no

sentido em que pode revelar fugas na selagem do equipamento, entre outros fenómenos.

Para óleos minerais, no equilíbrio, e atendendo à solubilidade das espécies gasosas, o

valor limite para a razão entre estes dois gases é de 0,5. Esta razão pode diminuir em

transformadores em serviço devido à oxidação do óleo e ao consequente envelhecimento

dos compostos celulósicos, levando a que o consumo de oxigénio seja superior à sua

reposição por difusão. Assim, nestes casos, é usado como valor de referência a razão de

0,3, abaixo da qual se considera que ocorre um consumo excessivo de oxigénio.

Na Figura 4.18 está representada a variação da razão entre o oxigénio e o azoto ao

longo do tempo e os valores de referência constante na norma em análise.



Figura 4.18: Representação gráfica da razão entre os gases atmosféricos ao logo da experiência e representação

do limite.

Pela análise da figura, pode-se afirmar que a que a norma em análise aplicável ao

óleo mineral também é válida para o midel e silicone. Os valores obtidos para a razão

encontram-se no intervalo desejado tendo em conta que não ocorreram fugas de gás dado

que os vials se encontravam selados. É possível constatar que os valores da razão rondam

os 0,4 estando centrado na gama de valores aceitável.

4.2.2. Análises de Rotina

As análises de rotina vieram complementar o estudo da influência dos choques térmicos

no material e óleo. Foram efetuadas a determinação do teor de água, a rigidez dielétrica, o

fator de dissipação dielétrico e o índice de acidez.

As variações num dos parâmetros estudados influencia os demais sendo, por isso,

possível relacioná-los. O teor de água pode influenciar tanto a tensão disruptiva como, se

bem que indiretamente, o fator de dissipação dielétrica (tg δ). O aumento da temperatura

do óleo aumenta a solubilidade da água que, consequentemente, provoca a diminuição da

viscosidade do óleo.

A tensão disruptiva varia com o teor de água e com o envelhecimento do óleo. No

caso do silicone, quanto maior o teor de água no óleo e quanto mais envelhecido este se

0,250

0,300

0,350

0,400

0,450

0,500

0,550

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

O2/

N2

Tempo (dias)

Midel com material bem tratado Midel com material mal tratado

Silicone com material bem tratado Silicone com material mal tratado

Capítulo 4


encontrar, menor a tensão disruptiva que possui. Comportamento diverso apresenta o

midel, para o qual a tensão disruptiva segue o comportamento do teor de água (M&I

Materials, 2011).

A tg δ, não varia diretamente com a água presente na amostra. Todavia a presença

de água vai promover a formação de complexos estáveis que geram produtos de oxidação

que fazem aumentar a tg δ. Este parâmetro é também bastante sensível a contaminações

do óleo, pelo que é necessário ter em conta a existência de partículas no óleo (partículas

originárias da cola do papel nomex e da degradação dos compostos celulósicos). Contudo,

uma vez que no presente trabalho estas partículas não foram contabilizadas não se pôde

retirar conclusões precisas acerca deste parâmetro.

Quanto mais refinado o óleo, menor a tg δ e a acidez associadas, o que pressupõe

que níveis superiores de teor de água impliquem que estes parâmetros sejam mais

elevados.

Na Tabela 4.11 encontram-se os resultados finais de cada um dos ensaios

realizados.

Para as amostras de midel com material bem tratado recolhidas ao 81º dia de

experiência não foi possível determinar a rigidez dielétrica, a tg δ e a acidez da amostra

pois esta encontrava-se contaminada com plástico resultante do sobreaquecimento e

consequente fusão da rolha da garrafa, tendo a amostra ficado com aspeto turvo. Para a

amostra do dia 53 de midel com material mal tratado não foi possível determinar a tg δ

pois a amostra estava contaminada com plástico derretido apresentando sedimentos, não

sendo por isso possível efetuar a sua análise (tendo em vista a possibilidade de degradar o

aparelho de análise).



Tabela 4.11: Valores obtidos para os ensaios de rotina para as amostras de midel com material bem tratado.

Ensaio 11 25 39 53 67 81

Midel+MBT

Teor Água (ppm) 92,4 111 71,8 115,6 171,0 130,6

Tensão disruptiva (kV) 65,1 65,7 60,9 50,0 62,6 ---

Tg delta (90ᵒC) 0,0441 0,0461 0,0404 0,0725 0,0559 ---

Acidez (mg/g) 0,1307 0,1323 0,1687 0,1812 0,4750 ---

Midel+MMT

Teor Água (ppm) 61,2 101,0 76,4 90,4 91,8 115,7

Tensão disruptiva (kV) 77,1 77,7 74,9 41,9 73,0 40,3

Tg delta (90ᵒC) 0,0382 0,0513 0,0504 --- 0,0515 0,0597

Acidez (mg/g) 0,1200 0,1536 0,1621 0,2355 0,4320 0,5117

Silicone+MBT

Teor Água (ppm) 12,1 17,2 32,3 26,3 16,9 29,5


Tg delta (90ᵒC) 0,0010 0,0007 0,0010 0,0010 0,0005 0,0006

Acidez (mg/g) 0,0050 0,0022 0,0048 0,0019 0,0022 0,0083

Silicone+MMT

Teor Água (ppm) 14,0 18,3 15,7 13,8 19,5 28,1


Tg delta (90ᵒC) 0,0010 0,0007 0,0012 0,0010 0,0004 0,0004

Acidez (mg/g) 0,0150 0,0081 0,0067 0,0033 0,0000 0,0017

Neste tipo de estudos é expectável que um aumento de acidez do óleo seja

acompanhado também de um aumento do teor de água e da tg δ, o que se observou nos

resultados do midel, com exceção no período entre o 25º e 39º dias, em que em ambos os

conjuntos (MBT e MMT) se observou que o teor de água e a tg δ diminuíram, enquanto a

acidez continuava a aumentar.

Relativamente às amostras de silicone, o comportamento dos parâmetros acidez e

teor de água não seguem o padrão esperado, uma vez que oscilam frequentemente e

variam, por vezes, de forma inversa.

Na Figura 4.19 seguinte representam-se os resultados obtidos por forma a facilitar a

visualização dos mesmos. Os valores de teor de água e tensão disruptiva estão presentes

no eixo principal, sendo a tg δ representada no eixo secundário.

Capítulo 4


Figura 4.19: Representação da Tensão disruptiva (kV), Teor de água (ppm) e Tg δ ao longo da experiência para

as amostras de midel com material tratado.

Pela análise da figura anterior pode constatar-se que na amostra de midel com

MBT, até à amostra do dia 39 o teor de água e a tensão disruptiva variam no mesmo

sentido, o que está de acordo com o esperado para estas duas variáveis. Contudo entre o



dia 39 e 53 o teor de água diminui contrariamente à rigidez dielétrica, que aumenta. Após

este período comportamento volta a ser o esperado, ou seja o teor de água e a tensão

disruptiva aumentam ambos.

Em ambos os conjuntos com midel a tg δ, nos primeiros ciclos, varia no mesmo

sentido do teor de água, o que está de acordo com o esperado.

Nas amostras de midel com material mal tratado os valores de rigidez apresentam

uma variação no mesmo sentido do teor de água, como seria espectável. A exceção ocorre

entre o dia 39 e 53 e o dia 67 e 81. A presença de sedimentos na amostra do dia 53 pode

ter influenciado o valor de rigidez dielétrica. Este mesmo fator pode ter igualmente

influenciado os valores do dia 81.

Nas amostras de silicone com material bem tratado pode observar-se que a acidez e

o teor de água não variam sempre de acordo com o esperado. Até ao dia 39 de experiência

o comportamento que se observa assemelha-se ao do óleo mineral, ou seja, a tensão

disruptiva diminui enquanto que o teor de água aumenta. A partir deste dia o

comportamento do silicone assemelha-se ao comportamento do midel evoluindo ambos

os parâmetros no mesmo sentido.

A relação espectável entre a tg δ e o teor de água apenas não se verifica para as

primeiras amostras.

Nas amostras de silicone com MMT, o teor de água e a tensão disruptiva seguem a

mesma tendência ao invés de apresentarem um comportamento oposto como seria

espectável, o mesmo se passando com os valores de tg δ. É, contudo, possível observar

que para alguns dos ciclos ocorre a relação esperada entre estes parâmetros.

Analisando de uma forma genérica os resultados obtidos no conjunto das amostras

pode concluir-se que as análises de rotina revelam valores dos parâmetros estudados que

não variam substancialmente com a aplicação de choques térmicos. Assim é possível

concluir que, nas condições experimentais apresentadas, os choques térmicos não alteram

as propriedades dos óleos estudados. Pode, ainda, afirmar-se que de uma forma geral se

observaram as considerações efetuadas anteriormente, ou seja, que a tg δ variou no

mesmo sentido que o teor de água, afetando a acidez igualmente no mesmo sentido. Já a

tensão disruptiva varia no sentido oposto da variação do teor de água, para amostras de

silicone e no sentido da variação da água para o midel.

Atendendo a todos os resultados de teor de água é possível afirmar que as amostras

que contêm material bem tratado apresentam um teor de água mais baixo ao longo de

toda a experiência. Este motivo deve-se ao facto da cura ser suficiente e se poder afirmar

Capítulo 4


que no início da simulação as amostras não contêm água. Assim, ao contrário do que

sucede em amostras que já estavam contaminadas, os processos de degradação,

nomeadamente a hidrólise, desencadear-se-ão mais tarde, atrasando todos os processos de

degradação.

Do mesmo modo é possível afirmar que as amostras com material mal tratado são

as que apresentam um nível de acidez maior devido à cura insuficiente do papel nomex.

Apesar das variações que são possíveis observar para todas as análises, é possível

afirmar que estes valores não variam substancialmente com a aplicação de choques

térmicos. Assim é possível concluir que, nas condições experimentais apresentadas, os

choques térmicos não alteram as propriedades dos óleos. De igual modo é possível

afirmar como válidas as considerações feitas anteriormente, ou seja, a tg δ varia no

mesmo sentido que a variação do teor de água, afetando a acidez igualmente no mesmo

sentido. Já a tensão disruptiva varia no sentido oposto da variação do teor de água, para

amostras de silicone e no sentido da variação da água para o midel.

Atendendo a todos os resultados de teor de água é possível afirmar que as amostras

que contêm material bem tratado apresentam um teor de água mais baixo ao longo de

toda a experiência. Este motivo deve-se ao facto da cura ser suficiente e se poder afirmar

que no início da simulação as amostras não contêm água. Assim, ao contrário do que

sucede em amostras que já estejam contaminadas, os processos de degradação,

nomeadamente a hidrólise, desencadear-se-ão mais tarde, atrasando todos os processos de

degradação.

4.2.3. Análises Complementares

Para tentar compreender que tipo de influência os choques térmicos teriam na viscosidade

do óleo efetuou-se a determinação deste parâmetro utilizando um viscosímetro de

Cannon-Fenske-Routine previamente calibrado com uma solução de glucose a 60%,

tendo-se realizado a determinação a uma temperatura de 40ᵒC. As amostras analisadas

correspondem ao último ciclo analisado, ou seja, aos 91 dias de ensaio.

Na Tabela 4.12 apresentam-se os valores obtidos para a viscosidade cinemática

(cSt) das amostras de midel e silicone analisadas.



Tabela 4.12: Viscosidade cinemática a 40ᵒC das amostras correspondentes aos 91 dias de ensaio.

νóleo (cSt)

Midel Material bem tratado 35,29

Material mal tratado 29,33

Silicone Material bem tratado 37,10

Material mal tratado 39,87

De acordo com os dados das fichas técnicas dos fornecedores dos líquidos isolantes

o midel e o silicone novos possuem viscosidades cinemáticas a 40ᵒC de 28 e 39 cSt,

respetivamente. Relativamente a estes valores, a viscosidade das amostras de silicone

com MMT não variaram substancialmente (2,23%). Contudo, para as amostras de midel

com material bem tratado a variação é significativa (26,04%).

Esta variação no valor da viscosidade está dependente dos fenómenos de

degradação ocorridos não só no material mas também no óleo. A libertação de cola do

papel nómex e a formação de moléculas de água influenciam este parâmetro fazendo-o

variar, pelo que os resultados parecem indiciar que este fenómeno ocorreu essencialmente

nas amostras com material bem tratado, contrariamente ao expectável.

4.2.4. Variação do teor de água, hidrogénio e oxigénio

A variação do teor de água pode ser relacionada com a formação de oxigénio e

hidrogénio no óleo. As moléculas de água podem dissociar-se e originar moléculas de

hidrogénio e oxigénio aumentando a quantidade destes gases no óleo.

Neste tipo de avaliação é necessário ter em conta que o oxigénio pode surgir de

falhas, não se podendo assumir que todo o oxigénio está relacionado com hidrogénio em

moléculas de água. De igual modo, o hidrogénio que se dissocia das moléculas de água

pode originar hidrocarbonetos e não moléculas de hidrogénio.

Na Figura 4.20 encontram-se as variações destes dois gases e do teor de água para

as várias situações de ensaio. É de referir que no eixo secundário está sempre

representada a concentração de oxigénio.

Capítulo 4


Figura 4.20: Representação da variação do teor de água e concentração de hidrogénio e oxigénio ao longo da

experiência, para amostras de midel e silicone com material bem e mal tratado.



Como é possível observar a variação para as amostras de midel com material bem

tratado, os gases e o teor de água é similar, apesar de pequenas variações. Este facto não

era o esperado atendendo a que a dissociação das moléculas de água daria origem a

oxigénio e hidrogénio. Contudo não é possível tirar conclusões significativas atendendo à

contribuição que o material celulósico poderá ter tido para este efeito.

Para as amostras de midel com material mal tratado, acontece o mesmo fenómeno

que acontecia para as amostras de midel com MBT, ou seja, não é possível relacionar

diretamente as moléculas de água com o hidrogénio e o oxigénio sem conhecer as

contribuições, a nível de formação de gás, dos compostos celulósicos.

Nas amostras de silicone o teor de água é mais pequeno comparativamente às

amostras de midel. Em termos de gases a quantidade de oxigénio no silicone é superior à

do midel e a do hidrogénio mantem-se semelhante.

Podemos constatar, para as amostras de silicone com material bem tratado, que a

relação teor de água/oxigénio é inversa, assim como a relação teor de água/hidrogénio.

Do mesmo modo a relação oxigénio/hidrogénio, segue o mesmo sentido. Assim é

possível afirmar que a dissociação das moléculas de água pode originar moléculas de

hidrogénio e oxigénio.

Por último para as amostras de silicone com material mal tratado, consideram-se

válidas as relações teor de água/oxigénio, água/hidrogénio oxigénio/hidrogénio, feitas

anteriormente. Assim é possível afirmar que a dissociação das moléculas de água pode

originar moléculas de hidrogénio e oxigénio.

Após esta análise é possível afirmar que o teor de água, oxigénio e hidrogénio,

seguem um comportamento possível de relacionar diretamente apenas para o silicone.

Para as amostras de midel seria necessário conseguir quantificar a contribuição, a nível de

oxigénio e hidrogénio, de outros materiais.

4.2.5. Análise Multivariável

Com vista a reduzir o número de variáveis estudadas, foi aplicada a técnica estatística de

análise fatorial de componentes principais ao conjunto dos resultados obtidos na análise

DGA, recorrendo ao software SPSS (IBM©

SPSS©

STATISTICS, versão 21). Por

aplicação do teste de Kaiser-Meyer-Olkin que é uma medida da adequação das variáveis à

técnica estatística e permite inferir a adequabilidade da aplicação desta técnica estatística

Capítulo 4


ao conjunto de amostras, obteve-se um valor de 0,615, o que permite concluir que a

validade da Análise de Componentes Principais é razoável (Field, 2000).

As variáveis utilizadas para a análise de estatística multivariável foram o tempo de

duração da experiência e a concentração das seguintes espécies gasosas: hidrogénio,

metano, etano, etileno, propano, propileno, monóxido de carbono, dióxido de carbono,

oxigénio e azoto

A aplicação da técnica permitiu verificar que 4 componentes apresentam valores

próprios superiores à unidade, e que o conjunto das 4 componentes identificadas

permitem explicar 88,5% da variância observada nos ensaios. Na Tabela 4.13 apresenta-

se a matriz das 4 componentes consideradas rodadas pelo método Varimax, em que cada

valor (factor loading) representa a correlação entre a variável e a componente principal.

No Anexo F apresentam-se os resultados globais antes e após a rotação e a os valores dos

factor score.

Tabela 4.13: Matriz de Componentes Rodada pelo Método Varimax com normalização de Kaiser.

Variável Componente

Comunalidade CP1 CP2 CP3 CP4

Tempo -0,796 - - - 0,808

H2 - - - 0,914 0,890

CH4 0,910 - - - 0,934

C2H6 - - 0,524 -0,567 0,746

C2H4 - -0,795 - - 0,908

C3H8 - - 0,848 - 0,945

C3H6 - - 0,776 - 0,694

CO 0,899 - - - 0,938

CO2 0,894 - - - 0,912

O2 - 0,963 - - 0,977

N2 - 0,964 - - 0,986

Valores próprios 3,468 2,884 2,014 1,373 9,739

% da variância total explicada

31,5 26,2 18,3 12,5 88,5

NOTA. Apenas se apresentam os factor loadings superiores a 0,5, sendo que os mais

significativos, com valor superior a 0,7, se encontram a negrito

Na matriz indicaram-se, ainda, as comunalidades das variáveis, que indicam a

proporção da variância explicada pelas componentes principais e correspondem à soma

dos quadrados dos factor loadings de cada variável. Os valores próprios, que



correspondem à soma dos quadrados dos factor loadings, medem a variância explicada

pela respetiva componente

Analisando os resultados da aplicação da Análise de Componentes Principais,

verifica-se que à componente 1 se correlacionam essencialmente a concentração de

metano, monóxido de carbono e dióxido de carbono, o que decorre da degradação dos

compostos celulósicos que originam óxidos de carbono e ainda a reações entre

hidrocarbonetos que originam metano. A esta componente encontra-se negativamente

correlacionada a variável tempo, indiciando que estas espécies gasosas tendem a diminuir

de concentração à medida que o tempo de ensaio vai aumentando. Na componente 2,

correlacionam-se o oxigénio e o azoto e negativamente o etileno, o que é explicado pela

ocorrência de reações. A degradação do etileno pode, em reação com outros produtos,

levar à formação de óxidos.

Na componente 3 correlacionam-se propano e o propileno mostrando que a

formação destes dois compostos ocorre em simultâneo e, finalmente, na componente 4

correlaciona-se de forma significativa unicamente o hidrogénio, atestando que esta

espécie gasosa não se correlaciona com nenhuma das outras espécies estudadas.

Utilizando os factor scores resultantes da análise de componentes principais

efetuou-se a análise de regressão linear multivariável apresentando-se a aplicação desta

metodologia à formação do hidrogénio, metano, etileno e propano. No Anexo F

encontram-se as tabelas com os valores obtidos por ANOVA.

Figura 4.21: Representação dos valores de hidrogénio experimental vs. hidrogénio obtido por MLR.

y = 0,9467x R² = 0,8828

-2,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

0 2 4 6 8 10 12

H2_

MLR

H2_ EXP

Capítulo 4


Figura 4.22: Representação dos valores de metano experimental vs. metano obtido por MLR.

Figura 4.23: Representação dos valores de etileno experimental vs. etileno obtido por MLR.

Figura 4.24: Representação dos valores de propano experimental vs. propano obtido por MLR

Verifica-se que, em todos os casos, o modelo multivariável permite prever

razoavelmente a concentração experimental (coeficientes de correlação, R, de 0,943;

0,967, 0,953 e 0,972 respetivamente paras concentrações de hidrogénio, metano, etileno e

propano). Ou seja, 94,3%, 96,7%, 95,3% e 97,2% dos valores de hidrogénio, metano,

y = 0,9691x R² = 0,9318

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

0 5 10 15 20 25 30 35

CH

4_M

LR

CH4_EXP

y = 0,9729x R² = 0,9009

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

C2H

4_M

RL

C2H4_EXP

y = 0,9951x R² = 0,942

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

C3H

8_M

LR

C3H8_EXP



etileno e propano, respetivamente, determinados por MLR são representativos dos valores

experimentais que lhes correspondem.

Nas Figuras 4.25 a 4.28 encontram-se representadas as variações dos gases ao longo

dos ciclos obtidas experimentalmente e através da aplicação da equação determinada por

regressão linear multivariável (presente nas Figuras 4.21 a 4.24).

Figura 4.25: Variação da concentração de hidrogénio obtida experimentalmente e através da aplicação da

equação determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos.

Dado que a reta determinada por MRL para o hidrogénio tem um coeficiente de

relação de 0,943, era esperado que os valores de concentração de H2 obtidos a partir da

reta e experimentais, fossem semelhantes. Este facto pode-se comprovar a partir da

análise da Figura 4.50.

Figura 4.26: Variação da concentração de metano obtida experimentalmente e através da aplicação da equação

determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos.

0

2

4

6

8

10

12

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

Co

nce

ntr

ação

(p

pm

)

H2_Exp H2_MLR

Midel com MBT Midel com MMT Silicone com MMT Silicone com MBT

0

5

10

15

20

25

30

35

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

CH4_Exp CH4_MLR

Midel com MBT Midel com MMt Silicone com MMT

Silicone com MBT

Capítulo 4


Mais uma vez é possível afirmar que os valores experimentais e determinados por

aplicação da reta obtida por MRL são semelhantes.

Figura 4.27: Variação da concentração de etileno obtida experimentalmente e através da aplicação da equação


Na Figura 4.27 comprova-se mais uma vez a boa correlação obtida a partir da

regressão linear multivariável para as amostras de etileno.

Figura 4.28: Variação da concentração de propano obtida experimentalmente e através da aplicação da equação


Na Figura 4.28 é possível observar que as linhas quase se sobrepõem, provando

uma vez mais a eficácia do método utilizado.

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

C2H4_eXP C2H4_MLR

Midel com MBT Midel com MMT Silicone com MMT

Silicone com MBT

0

5

10

15

20

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

C3H8_Exp C3H8_MLR

Midel com MBT Midel com MMT

Silicone com MMT

Silicone com MBT



Com vista a averiguar da possibilidade de inferir a concentração de algumas

espécies gasosas com base na concentração das espécies que a Análise de Componentes

Principais determinou como estando mais correlacionado com cada uma das componentes

(metano com a componente 1, azoto com a componente 2, propano com a componente 3 e

hidrogénio com a componente 4), efetuou-se a regressão linear multivariável de algumas

das espécies em função destas quatro, tendo-se obtido os resultados apresentados nas

Figuras 4.29 a 4.31.

Figura 4.29: Variação da concentração de monóxido de carbono obtida experimentalmente e através da

aplicação da equação determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos.

Figura 4.30: Variação da concentração de etano obtida experimentalmente e através da aplicação da equação


0

100

200

300

400

500

600

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

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3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

Co

nce

ntr

ação

(p

pm

)

CO_MLR CO_exp


0

2

4

6

8

10

12

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

C2H6_Exp C2H6_MLR


Capítulo 4


Figura 4.31: Variação da concentração de propileno obtida experimentalmente e através da aplicação da

equação determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos.

Pode-se verificar pela Figuras 4.29 a 4.31 que o modelo de regressão linear

multivariável permite inferir bastante bem a concentração das restantes espécies,

nomeadamente do monóxido de carbono (coeficiente de correlação entre os dados

experimentais e os previstos com o modelo de 0,92) e do etileno (R=0,891). Pode-se,

pois, concluir que a determinação experimental de apenas as quatro espécies gasosas

anteriores permite inferir com alguma razoabilidade as restantes espécies necessárias para

o DGA.

0

2

4

6

8

10

12

14

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

3º

Cic

lo

4º

Cic

lo

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Cic

lo

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Cic

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Cic

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1º

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Cic

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Cic

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Cic

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Cic

lo

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Cic

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Cic

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1º

Cic

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Cic

lo

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Cic

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Cic

lo

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Cic

lo

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Cic

lo

1º

Cic

lo

2º

Cic

lo

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Cic

lo

4º

Cic

lo

5º

Cic

lo

6º

Cic

lo

7º

Cic

lo

C3H6_Exp C3H6_MLR

Midel com MBT Midel com MMT

Silicone com MMT

Silicone com MBT

Capí tulo 5 – Concluso és

Conclusões


5. Conclusões

Pode-se afirmar que o trabalho experimental decorreu com sucesso, uma vez que o

pressuposto que se pretendia provar foi validado, ou seja, a utilização das normas de

análise do óleo mineral são válidas para a análise e avaliação do midel e silicone.

A análise dos valores obtidos permite tirar algumas conclusões relevantes. Pode-se

afirmar que para ambos os óleos existem ciclos de viragem, ou seja, ciclos em que o

comportamento dos óleos começaria a estabilizar. Para o midel este ponto de viragem

corresponde ao 5º ciclo ou 67 dias e para o silicone a alteração de comportamento dá-se

ao 6º ciclo ou 81 dias. Contudo para se poder dizer com toda a certeza que estes são os

pontos de viragem seria necessário prolongar a execução experimental, indo além dos 91

dias estudados.

Concluiu-se, ainda, que, a longo termo os materiais mal tratados iriam continuar a

libertar cola pois, a partir do 5º ciclo, os choques térmicos originaram a degradação dos

compostos celulósicos. Esta libertação de cola poderá estar relacionada com a cura

insuficiente do material.

Em termos de análise de DGA poderão ser estabelecidas algumas conclusões

importantes de forma a compreender a formação de gases em líquidos isolantes. É

possível afirmar que a formação inicial de gases não ocorre por degradação do material.

Estes formam-se tendo em conta as reações que ocorrem entre os radicais instáveis livres

no óleo. Só com o decorrer do ensaio é que a formação dos gases tem como base a

degradação dos materiais e consequentes reações.

Aplicando o critério de Rogers foi possível atestar que a formação de gases não é

demasiada, mantendo-se num nível aceitável, revelando falhas do tipo térmico inferiores

a 300 °C, consoante seria expectável pelo tipo de estudo efetuado.

Atendendo ainda às normas de interpretação de gases dissolvidos e avaliando os

resultados ao nível dos óxidos de carbono é possível afirmar que a degradação ocorrida

nos compostos celulósicos não foi excessiva. Por último, a razão entre os gases

atmosféricos também apresenta um comportamento semelhante ao óleo mineral, sem se

poder contudo assegurar que o valor limite para as amostras de midel e silicone sejam os

mesmos que os do óleo mineral.

Conclusões


Em termos de análises de rotina os valores não variam substancialmente com os

choques térmicos. Considera-se assim que as propriedades não se alteram de modo

significativo.

Atendendo ao objetivo principal pode-se afirmar que a tg δ, teor de água e acidez

aumentam. Este comportamento é semelhante para os três líquidos isolantes. Para a

tensão disruptiva é possível afirmar que o silicone e óleo mineral seguem a mesma

tendência, ou seja o aumento do teor de água leva à diminuição da rigidez dielétrica.

Em termos de material, as amostras com material bem tratado têm menor teor de

água, devido à cura eficaz, retardando assim os processos de degradação. Do mesmo

modo o material mal tratado tem maior acidez devido à insuficiência da cura que leva a

uma degradação mais rápida do material.

A degradação do material vai assim libertar cola do papel nomex e auxiliar a

formação de produtos como a água influenciando a viscosidade das amostras.

Foi ainda possível realizar a regressão linear multivariável permitindo obter

modelos de previsão aceitáveis de compostos gasosos, nomeadamente monóxido de

carbono, etano, propileno, com base nos gases que mais se relacionam com as

componentes obtidos pelo Método Varimax com normalização de Kaiser, o hidrogénio, o

metano, o propano e o etileno.

Em suma o trabalho foi bem-sucedido podendo ser melhorado efetuando outras

experiências que complementem o trabalho realizado.

Capí tulo 6 – Sugésto és dé trabalho futuro

Sugestões de trabalho


6. Sugestões de trabalho futuro

De forma a complementar este estudo experimental baseado em choques térmicos

deveriam ser estudadas amostras exatamente nas mesmas condições do presente trabalho,

mas sujeitas a choques elétricos e ser analisada conjuntamente ambas as experiências, ou

seja, sujeitar as amostras a choques térmicos e elétricos simultâneos.

Outro estudo que seria interessante realizar seria repetir o presente trabalho mas

utilizando apenas um recipiente com uma amostra suficientemente grande que permitisse

efetuar as recolhas sempre no mesmo recipiente, garantindo, desta forma, que toda a

amostra estaria sujeita às mesmas condições.

De forma a analisar os efeitos dos estudos (térmico e elétrico) nos materiais também

seria interessante separar os materiais e colocá-los em contacto com o óleo aplicando os

choques elétricos e térmicos, observando assim a sua degradação e efeitos no óleo

individualmente.

Para todas as sugestões enunciadas anteriormente o tempo de ensaio considerado

deveria ser superior a 7 ciclos, de forma a obter mais valores experimentais e mais certeza

de se ter atingido a estabilidade das condições do óleo.

Uma vez que com a análise de apenas 4 espécies gasosas é possível inferir

relativamente às restantes, sugere-se um estudo da monitorização dos gases dos

transformadores em serviço, com a utilização de equipamentos portáteis de análise de

gases, uma vez que estes são limitativos nos gases a analisar.

Capí tulo 7 – Référé ncias Bibliogra ficas

Referências Bibliográficas


7. Referências Bibliográficas

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Capítulo 7


Goodman, E. A. 1972. Today's Transformer Insulation Systems. IEEE Transactions on

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Capítulo 7


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Anéxos

Anexos


Anexos

A. Procedimentos de utilização dos aparelhos de Karl-Fischer

Procedimento para a determinação do teor de água no óleo usando o

titulador 831 KF Coulometer

Ligar [3] o aparelho 831 KF Coulometer e a agitação [6] sendo que a intensidade

desta deve ser regulada [7] entre os valores 3 e 4. Deixar o aparelho estabilizar, o que é

detetado quando for possível ler READY no visor [11] e ouvir um sinal sonoro.

Para amostras recolhidas em frascos de vidro ou alumínio, deve-se encher uma

seringa com o líquido e rolhar o recipiente. Eliminam-se as bolhas de ar do interior da

seringa colocando-a na vertical.

Pesar a seringa e tarar a balança. A balança deve ser tarada pois é necessário

conhecer a quantidade de amostra que vai ser injetada.

Carregar no START [5] e injetar cerca de 5 mL de líquido pelo septo com silicone

[10] presente no vaso gerador [8] que deve conter aproximadamente 100 mL do reagente.

Voltar a pesar a seringa e inserir no comando numérico [1] o valor de massa injetado e

carregar no ENTER [2]. Aguardar que a reação se dê e, quando o ponto de equivalência é

detetado o aparelho volta a emitir um sinal sonoro. O resultado irá aparecer no visor [11].

Quando se pretende parar uma titulação deve-se pressionar o botão STOP [4],

interrompendo o procedimento. A análise deve ser efetuada em duplicado.

Quando é necessário alterar o reagente é necessário ter especial atenção aos

componentes mais sensíveis, ou seja, o elétrodo de platina [13], o conjunto gerador [9] e o

recipiente que contem sílica [12].

Para limpar o vaso e conjunto gerador deve retirar-se cuidadosamente os elementos

9, 12 e 13, esvaziando o conjunto gerador. Após esvaziar o vaso da reação deve-se

colocar um pouco de reagente de Karl-Fisher no seu interior e agitar de forma a limpar as

paredes internas. Depois desta limpeza, coloca-se aproximadamente 100 mL de reagente

no interior do vaso e cerca de 6-8 mL no conjunto gerador. Antes de recolocar os

elementos 9, 12 e 13 deve-se limpar, cuidadosamente, tanto estes elementos como os

Anexos


orifícios de encaixe de forma a reduzir a humidade. Após a limpeza, liga-se o aparelho e a

agitação e deixa-se estabilizar novamente.

Figura A.1: Esquema do 831 KF Coulometer com pormenor do elétrodo de platina e conjunto gerador.

Depois de determinar o teor de água é necessário proceder à validação dos

resultados. O critério de validação de um ensaio na SIEMENS consiste na comparação de

dois valores, obtidos através das massas, em ppm.

√ (A.1)

(A.2)

Para o resultado ser validado é necessário que o seja inferior ao .

Caso esta relação não se verifique, deve-se repetir um ensaio e tentar novamente.

Anexos


Procedimento para a determinação do teor de água no óleo usando o

titulador Karl-Fisher 633Automat

A utilização do titulador Karl-Fisher 633 é mais complexa, envolvendo mais

procedimentos técnicos e uma análise de dados intricada.

Para a montagem do sistema é importante verificar o estado da sílica que se

encontra sob os recipientes de âmbar e no vaso de reação.

Deve-se colocar os reagentes nos frascos apropriados. O metanol deve ser colocado

no recipiente da esquerda e o reagente de Karl-Fisher no da direita, colocando-se os

recipientes com sílica (1) a vedar os frascos.

De seguida liga-se o aparelho nos botões (6), devendo-se ligar as luzes de

funcionamento (7) indicando que as unidades se encontram sob tensão e prontas a ser

utilizadas.

Coloca-se as alavancas (5) para a esquerda e carrega-se no botão indicado por uma

seta no painel do Multi-Dosomat. Esta ação fará com que as buretas (4) se encham com

os reagentes. Esta ação fica finalizada quando no medidor (15) aparecer 00,00. Colocar as

alavancas novamente para a direita antes de dar início à experiência. Esta ação é

fundamental pois, caso não se coloquem as alavancas para a direita ou esquerdas antes da

ação pretendida, entrará ar no sistema, contaminando-o. Ligar o agitador (12) regulando a

agitação no botão apropriado (13) para a posição 2-3.

Colocar cerca de 15 mL de metanol no vaso de reação (14) com o auxílio do

comando (16). Pressionando o batão vermelho deste, o caudal de reagente que sai do

sistema (2) para o vaso é constante. Pode-se regular o caudal deste fluxo no botão ⁄

do Multi-Dosomat. É necessário ter em conta a cinética da reação na regulação da

velocidade. Caso a velocidade de adição seja muito rápida é possível que o ponto de

equivalência seja ultrapassado, inviabilizando a análise. O oposto também pode

acontecer. Em casos em que a cinética não seja rápida, pode ocorrer o prolongamento

desnecessário da titulação. Assim deve optar-se por valores entre o 3 e os 5.

Regular o temporizador (9) e o seletor (10) para se poder iniciar a titulação. O

temporizador deverá ser colocado na posição 30s e o seletor deverá ser rodado para a

direita, para a titulação direta, posicionando-se em 1s. Esta seleção irá indicar que a

posição do temporizador irá corresponder ao período de tempo no qual a diferença de

potencial não deve variar. Esta diferença de potencial poderá ser observada no elemento

Anexos


(8) e, só quando o ponteiro não indicar diferença de potencial é que a titulação se dá por

concluída.

Figura A.2: Esquema do 633 Karl-Fisher Automat.

Antes de proceder à titulação do metanol é necessário neutralizar a humidade

presente no sistema. Para tal deve-se carregar no botão que dará início à titulação (11).

Quando está a ocorrer uma titulação, a luz por cima deste botão apaga-se. Quando o

ponto de equivalência é atingido, ou seja, a titulação acaba, a luz acende-se novamente.

Deve-se registar o consumo de reagente.

Encher uma seringa com o líquido a analisar e pesá-la. Injetar o líquido pelo septum

próprio no vaso, perto do elétrodo (3) tendo cuidado para não colocar líquido nas paredes

do vaso. Voltar a pesar a seringa para determinar a massa de líquido injetado.

Certificar-se que o elétrodo (3) se encontra ao nível das saídas do sistema (2).

Regular o fluxo de reagente de Karl-Fisher no botão do Multi-Dosomat. Inicia-se a

titulação no botão (11).

Para poder validar os resultados deve-se analisar o mesmo líquido em duplicado.

Após a análise do líquido é necessário determinar o título do reagente de Karl-

Fisher. Para tal deve-se proceder de forma idêntica à indicada para análise de amostras

Anexos


porém a amostra injetada será água (cerca de 5 μL). Sempre que se analisa uma amostra é

necessário determinar o título do reagente de Karl-Fisher.

A determinação dos resultados através deste aparelho é mais complexa. O valor do

titulo é determinada a partir da Equação A.3

(A.3)

Na Equação A.3, representa a massa de água injetada e é o volume de

reagente utilizado. Após esta determinação, passa-se ao cálculo do teor de água em ppm.

(A.4)

Na Equação A.4, (mL) é o volume de reagente utilizado para titular a amostra de

massa de óleo em mg.

De forma a validar e comprovar que a utilização dos dois aparelhos é possível

utilizara-se as Equações A.1 e A.2. Fizeram-se as médias dos dois resultados obtidos na

SIEMENS e dos dois resultados do ISEC, trabalhando-se com os valores médios. Com

estes valores determinaram-se os parâmetros de validação da SIEMENS, ou seja,

determinou-se o valor 1 e valor 2, validando assim os resultados.

Comparação entre os aparelhos de Karl-Fisher

Com o objetivo de comparar os aparelhos de deteção do teor de água existentes no ISEC e

na Fábrica do Sabugo, compararam-se os resultados obtidos nos dois locais.

Após a obtenção dos teores de água utilizando os dois aparelhos, utilizaram-se as

equações (A.1) e (A.2) presentes no Anexo A, de forma a validar os resultados obtidos.

Na Tabela A.1 estão presentes os valores obtidos para a comparação entre os dois

aparelhos. Os valores de validação, devem obedecer ao pressuposto referido na Anexo A,

ou seja, o valor 2 deve ser menor que o valor 1 para os resultados serem aceites.

Anexos


Tabela A.1: Valores de teor de água obtidos na Fábrica do Sabugo da SIEMENS S.A. e no ISEC e respetivos

valores para validação.

Teor de água (ppm) Validação

SIEMENS ISEC Valor 1 Valor 2

Amostra 1 311,174 309,115 10,566 2,059

Amostra 2 503,259 496,305 13,414 6,954

Como é possível observar, os valores obtidos respeitam o pressuposto, sendo assim

válido utilizar qualquer um dos aparelhos.

É de referir que quanto menor o teor de água na amostra mais difícil é a obtenção de

resultados satisfatórios no aparelho 831 KF Coulometer (ISEC).

.

Anexos


B. Calibração do Viscosímetro de Cannon-Fenske-Routine e determinação da viscosidade cinemática dos óleos

Para determinar a constante K do viscosímetro utilizado, foi necessário determinar a

massa volúmica da solução aquosa de sacarose a 60%, visto que os valores de viscosidade

dinâmica desta solução se encontram tabelados (Figura B.1), o que torna possível

determinar a constante aplicando a equação 2.8, visto se ter determinado o tempo de

escoamento da solução.

Figura B.1: Viscosidade dinâmica de soluções de sacarose (Perry et al., 1997)

A determinação das massas volúmicas a diferentes temperaturas foi feita recorrendo

à técnica de picnometria. Na Tabela B.1 encontram-se os valores da massa volúmica

determinados.

Tabela B.1: Valores necessários para a obtenção da massa volúmica da solução aquosa de sacarose a 60% e

respetiva massa volúmica.

T (ᵒC) mpicnómetro (g) Vpicnómetro (mL) msacarose (g) ρsacarose (g/mL)

25,0±0,5 34,0887 45,4118 58,4266 1,287

30,0±0,5 34,0887 45,4118 58,3641 1,285

35,0±0,5 34,0887 45,4118 58,2466 1,283

Após a determinação da massa volúmica da sacarose determinou-se a constante K

do viscosímetro. Na Tabela B.2 encontram-se os valores para a obtenção da constante.

Anexos


Tabela B.2: Valores necessários à determinação da constante do viscosímetro.

T (ᵒC) tescomamento (s) µsacarose bibliográfica

(kg/(m.s)) ρsacarose (g/mL)

Kviscosímetro (m2/s2)

Kmédio (m2/s2)

25,0±0,5 404

0,0440 1,286 8,469E-08

8,638E-08

405 8,448E-08

30,0±0,5 298

0,0340 1,285 8,880E-08

298 8,880E-08

35,0±0,5 242

0,0266 1,283 8,576E-08

242 8,576E-08

Por fim, registam-se os tempos de escoamento das amostras de forma a obter os

valores de viscosidade cinemática. Na Tabela B.3, estão registados os tempos de

escoamento observados e as viscosidades determinadas a partir destes.

Tabela B.3: Valores de tempo de escoamento e viscosidade cinemática obtidas para as amostras de óleo.

tescomamento (s) νóleo (stoke) νóleo (cst)

Midel + material bem tratado

408 0,3524

35,287 409 0,3533

407 0,3516

408 0,3524

Midel + material mal tratado

340 0,2937

29,327 339 0,2928

340 0,2937

340 0,2937

Silicone + material bem tratado

429 0,3706

37,101 430 0,3714

430 0,3714

428 0,3697

Silicone + material mal tratado

463 0,3999

39,865 460 0,3974

462 0,3991

459 0,3965

Anexos


C. Ficha Técnica do Midel

Anexos


Anexos


Anexos


D. Ficha Técnica do Silicone

Anexos


E. Resultados Experimentais da 1ª Simulação

Nas Tabelas E.1 a E.12 estão presentes os resultados de DGA efetuadas para as

amostras correspondentes à 1ª simulação.

Tabela E.1: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de midel

purgado com ar, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25

H2 - Hidrogénio 5 5 6 4 4

CH4 - Metano 2 10 21 8 6

C2H6 - Etano <1 <1 <1 10 3

C2H4 - Etileno 2 5 8 11 17

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano <1 <1 <1 1 <1

C3H6 - Propileno <1 <1 <1 1 1

CO - Monóxido de Carbono 99 146 147 136 151

CO2 - Dióxido de Carbono 647 1036 1157 1010 942

O2 - Oxigénio 11604 21086 20501 20243 18843

N2 - Azoto 31832 49341 47231 47443 47170

TOTAL 44191 71630 69070 68868 67139


purgado com ar, contendo material bem tratado, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 12 29 20 9 12

C2H6 - Etano 3 5 4 15 9

C2H4 - Etileno 4 4 4 5 6

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano 5 6 8 9 9

C3H6 - Propileno 5 6 7 8 9


Anexos



O2 - Oxigénio 18134 20802 17244 18709 14939

N2 - Azoto 62021 59401 49137 56434 52117

TOTAL 88977 86776 72499 81176 74938


purgado com ar, contendo material mal tratado, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 25 13 21 14 12

C2H6 - Etano 3 4 4 16 7

C2H4 - Etileno 3 4 4 4 5

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano 2 6 7 10 7




O2 - Oxigénio 20837 21971 18702 26869 16399

N2 - Azoto 63847 60890 51043 73028 53143

TOTAL 91069 90113 75885 106038 76315


purgado com árgon, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 5 19 10 3 5

C2H6 - Etano <1 <1 <1 10 3

C2H4 - Etileno 2 4 5 9 18

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano <1 1 2 2 <1

Anexos


C3H6 - Propileno <1 <1 <1 <1 1



O2 - Oxigénio 17092 21911 17804 21636 22466

N2 - Azoto 37117 46882 38642 49741 55186

TOTAL 55241 69872 57473 72458 78906


purgado com árgon, contendo material bem tratado, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 26 22 21 15 11

C2H6 - Etano 4 5 4 16 7

C2H4 - Etileno 3 6 4 4 5

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano 3 6 8 8 8




O2 - Oxigénio 17969 23534 16020 21866 15497

N2 - Azoto 48489 63965 44220 61356 51679

TOTAL 73064 93647 66069 89762 73232


purgado com árgon, contendo material mal tratado, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 10 18 29 14 12

C2H6 - Etano 3 5 5 15 8

C2H4 - Etileno 3 3 5 4 5

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

Anexos


C3H8 - Propano 4 6 8 9 9




O2 - Oxigénio 16457 19765 16995 19750 17079

N2 - Azoto 46468 50729 47393 55826 55308

TOTAL 69517 76409 71305 82034 78678

Tabela E.7: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de silicone

purgado com ar, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 11 28 7 9 11

C2H6 - Etano <1 <1 <1 <1 7

C2H4 - Etileno 1 1 1 <1 <1

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano <1 1 2 2 <1




O2 - Oxigénio 31163 34687 33552 31554 29456

N2 - Azoto 73851 77345 73134 69695 66630

TOTAL 105691 112635 107249 101729 96488

Tabela E.8:Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de silicone

purgado com ar, contendo material bem tratado, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 56 35 20 24 16

C2H6 - Etano 3 5 6 8 11

C2H4 - Etileno 3 2 2 2 2

Anexos


C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano 4 8 12 15 14

C3H6 - Propileno 12 18 16 16 16



O2 - Oxigénio 33436 29967 32427 32891 32730

N2 - Azoto 93771 78935 79929 81205 84963

TOTAL 134990 115023 118267 118406 122424


purgado com ar, contendo material mal tratado, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 60 67 27 29 21

C2H6 - Etano 3 5 6 9 12

C2H4 - Etileno 3 2 2 2 3

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano 5 8 10 12 14

C3H6 - Propileno 17 19 18 14 20



O2 - Oxigénio 32470 35776 35990 34408 31632

N2 - Azoto 92192 91008 87398 86290 84585

TOTAL 134168 132610 128643 126574 122058


purgado com árgon, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 8 32 6 18 8

C2H6 - Etano <1 <1 <1 1 <1

Anexos


C2H4 - Etileno 2 1 1 <1 <1

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano <1 2 2 2 <1




O2 - Oxigénio 29480 39793 36197 40862 34605

N2 - Azoto 58815 81586 74769 88385 77475

TOTAL 88874 122023 111584 129878 112551


purgado com árgon, contendo material bem tratado, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 8 60 29 25 13

C2H6 - Etano <1 6 5 9 4

C2H4 - Etileno 2 3 2 2 2

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano 1 9 11 15 11

C3H6 - Propileno 3 17 17 17 14



O2 - Oxigénio 29641 35081 35897 36966 32638

N2 - Azoto 59152 86296 85253 88421 81737

TOTAL 89374 129472 125770 129741 117934


purgado com árgon, contendo material mal tratado, em ppm.

Tempo (dias)

Gás 5 11 15 21 25


CH4 - Metano 44 24 22 41 18

C2H6 - Etano 3 5 6 36 13

Anexos


C2H4 - Etileno 2 2 2 6 3

C2H2 - Acetileno <1 <1 <1 <1 <1

C3H8 - Propano 4 8 11 17 15

C3H6 - Propileno 12 20 21 26 21



O2 - Oxigénio 27776 35587 36789 39865 30669

N2 - Azoto 67398 85767 89724 103583 81793

TOTAL 102986 127174 131632 148125 118357

Anexos


F. Análise Multivariável

No seguimento do estudo efetuado no ponto 4.2.5 deste trabalho, seguem-se os resultados

globais antes e depois a rotação e a matriz dos factor scores.

Tabela F.1: Matriz dos valores globais antes da rotação.

Component Matrixa

Componente

1 2 3 4

tempo -0,684 0,324 -0,005 0,485

H2 0,140 0,158 0,798 0,456

CH4 0,874 0,238 0,219 -0,258

C2H6 0,588 0,163 -0,591 -0,156

C2H4 0,549 -0,639 -0,282 0,344

C3H8 0,293 0,742 -0,364 0,420

C3H6 0,611 0,194 -0,370 0,381

CO 0,930 -0,027 0,265 0,042

CO2 0,886 -0,172 0,311 0,017

O2 0,017 0,975 0,072 -0,146

N2 0,074 0,973 0,073 -0,167

Extraction Method: Principal Component Analysis.

a. 4 components extracted.

Tabela F.2: Matriz dos valores globais após a rotação.

Rotated Component Matrixa

Componente

1 2 3 4

tempo -0,796 0,201 0,125 0,345

H2 0,206 0,109 -0,005 0,914

CH4 0,910 0,265 0,191 0,002

C2H6 0,383 0,061 0,524 -0,567

C2H4 0,345 -0,795 0,387 -0,082

Anexos


C3H8 -0,047 0,472 0,848 0,023

C3H6 0,293 -0,051 0,776 -0,062

CO 0,899 -0,076 0,292 0,199

CO2 0,894 -0,192 0,182 0,209

O2 0,004 0,963 0,218 0,046

N2 0,062 0,964 0,228 0,031

Extraction Method: Principal Component Analysis.

Rotation Method: Varimax with Kaiser Normalization.

a. Rotation converged in 6 iterations.

Tabela F.3: Valores dos factor scores para todas as amostras e ciclos.

MLR FS1 FS2 FS3 FS4

Midel com material bem tratado

1º Ciclo 1,44923 -0,96078 -1,24087 0,11418

2º Ciclo 0,63701 -0,94051 -0,27366 -1,51172

3º Ciclo -0,22179 -1,25413 -0,4251 -0,57308

4º Ciclo -0,21149 -0,77365 -0,41379 2,37104

5º Ciclo -0,42052 -0,25365 -1,4065 -0,16772

6º Ciclo -0,45213 -0,99656 -0,78433 0,24028

7º Ciclo -0,62441 -0,20865 0,28391 1,21707

Midel com material mal tratado

1º Ciclo 1,32067 -1,39774 0,41666 0,08822

2º Ciclo 0,50027 -1,32654 1,21244 -1,11047

3º Ciclo -0,45217 -1,5178 0,01597 -0,56893

4º Ciclo -0,36132 -0,69795 0,61038 1,32769

5º Ciclo -0,17888 -0,45055 0,10456 0,93398

6º Ciclo -0,39434 -0,96818 1,36483 0,32004

7º Ciclo -0,63755 -0,51349 1,88054 0,84146

Silicone com material bem tratado

1º Ciclo 2,36103 1,17559 -0,77319 0,75073

2º Ciclo 0,20267 0,48616 -0,61581 -1,80092

3º Ciclo -0,12664 0,51109 -0,94432 -1,06968

4º Ciclo -0,63575 0,42577 -1,12098 -0,12358

5º Ciclo -0,47509 0,8579 -1,65673 0,6282

6º Ciclo -0,7414 0,47259 -0,91348 -0,8769

7º Ciclo -0,74519 2,12279 0,41636 -0,03812

Silicone com material mal tratado

1º Ciclo 3,2152 1,35557 0,76679 0,84907

2º Ciclo 0,50369 0,66422 1,85922 -1,72156

3º Ciclo -0,38926 0,36624 0,25361 -1,27642

4º Ciclo -0,50905 0,93934 0,44963 0,0539

5º Ciclo -0,67554 0,68518 -1,01992 0,74209

6º Ciclo -0,92271 0,70795 0,34642 -0,05384

7º Ciclo -1,01459 1,48975 1,60734 0,41499

Anexos


Nas Tabelas F.4 a F.10 encontram-se os valores obtidos por ANOVA para os

coeficientes que vão ser utilizados para determinar as concentrações previstas. Com as

Equações F.1 a F.4 obtiveram-se os valores para as concentrações de gás obtidas por

MRL utilizando aos valores da Tabela F.3. As Equações F.5 a F.7 também vão permitir

determinar os valores de concentração previstos, contudo não se relacionam os

coeficientes com os valores de FS mas sim com as concentrações experimentais dos gases

mais correlacionados com cada uma das componentes (metano com a componente 1,

azoto com a componente 2, propano com a componente 3 e hidrogénio com a

componente 4)

Tabela F.4: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o hidrogénio.

Coefficients (Dependent Variable: hydrogen)

Model

Unstandardized Coefficients

Standardized Coefficients

t Sig.

B Std. Error

Beta

1

(Constant) 2,539 0,170 - 14,929 0,000

REGR factor score 1 for analysis 1 0,515 0,173 0,206 2,975 0,007


REGR factor score 3 for analysis 1 -0,011 0,173 -0,005 -0,066 0,948


(F.1)

Tabela F.5: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o metano.

Coefficients (Dependent Variable methane)

Model



t Sig.

B Std. Error

Beta

1

(Constant) 6,000 0,302 - 19,879 0,000





(F.2)

Anexos


Tabela F.6: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o etileno.

Coefficients (Dependent Variable ethylene)

Model



t Sig.

B Std. Error

Beta

1

(Constant) 1,807 0,074 - 24,480 0,000





(F.3)

Tabela F.7: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o propano.

Coefficients (Dependent Variable propane)

Model



t Sig.

B Std. Error

Beta

1

(Constant) 10,786 0,165 - 65,352 0,000





(F.4)

Tabela F.8: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o monóxido de carbono.

Coefficientsa

Model



t Sig.

B Std. Error

Beta

1

(Constant) 129,616 25,870 - 5,010 0,000

REGR factor related to H2 6,735 2,930 0,192 2,298 0,031

REGR factor related to C3H6 6,589 2,755 0,258 2,391 0,025

REGR factor related to CH3 13,764 1,340 0,902 10,268 0,000

REGR factor related to N2 -0,002 0,001 -0,447 -3,990 0,001

(F.5)

Anexos


Tabela F.9: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o etano.

Coefficientsa

Model



t Sig.

B Std. Error

Beta

1

(Constant) 3,596 1,261 - 2,851 0,009

REGR factor related to H2 -0,392 0,143 -0,410 -2,745 0,012



REGR factor related to N2 -3,645E-05 0,000 -0,264 -1,318 0,201

(F.6)

Tabela F.10: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o propileno.

Coefficientsa

Model



t Sig.

B Std. Error

Beta

1

(Constant) 1,627 1,440 - 1,130 0,270

REGR factor related to H2 -0,069 0,163 -0,056 -0,421 0,678



REGR factor related to N2 0,000 0,000 -0,573 -3,196 0,004

(F.7)

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