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00:00 III SEMINÁRIO DE P&D+i DA COPEL 11

Óleos ecológicos para transformadores de

distribuição

00:002

• Gerente do projeto: Wilson Uhren, MSc.• Coordenador de pesquisa: Dr. Ricardo José

Ferracin

• Ciclos: 2005/2006 – 2006/2007• Equipe do projeto:

Douglas Antonio Batista - LACTECGuilherme Barrachina Stocco - LACTECHelena Maria Wilhelm - LACTECMarcelo Antonio Ravaglio - LACTECSuely Monteiro de Oliveira - LACTECLuciane Túlio - LACTECSilas Batista Gomes Junior – COPEL

Dados Gerais

00:003

• 1892 - a GE produziu a primeira aplicação reconhecida de óleo mineral para um transformador

• Disponibilidade do petróleo é finita.• Dependência excessiva em sua oferta traz sérios

problemas sócio-econômicos e ambientais.• O setor elétrico vem buscando alternativas para

substituição do óleo mineral.Os óleos sintéticos com custo elevado restringe seu uso.

Problemas

00:004

• 1999-2000 são introduzidos no mercado os óleos vegetais naturais à base de ésteres.

Alternativas

00:005

• São fluídos ecologicamente corretos devido a sua característica biodegradável e renovável.

• O custo elevado tem limitando sua aplicação no setor elétrico.

• Estes óleos são considerados renováveis porque, o gás carbônico (CO2) liberado na sua combustão e/ou degradação por agentes biológicos, é reciclado por absorção durante o próprio crescimento das oleaginosas (fotossíntese).

Problemas e Alternativas

00:006

1. Geral:

Avaliar o potencial de aplicação de óleos vegetais à base de ésteres naturais nacionais, como os de girassol, soja, arroz e da mamona, como fluído isolante de transformadores.

2. Específicos:

2.1 Estudar a sua estabilidade oxidativa

2.2 Avaliar a sua influência no processo de envelhecimento do papel isolante

Objetivos

00:007

3. Avaliar a formação de gases dissolvidos, através de cromatografia em fase gasosa, após submissão do óleo a diferentes níveis de esforço elétrico e térmico.

4. Avaliar a suportabilidade elétrica de novos transformadores de distribuição, isolados a óleos vegetais nacionais

5. Avaliar o custo dos óleos vegetais nacionais

Objetivos

00:008

1. Aquisição dos fluidos isolantes e reagentes.2. Caracterização química, física e físico-química

dos óleos vegetais a serem avaliados como potenciais fluidos isolantes.

3. Ensaios de envelhecimento acelerado dos óleos vegetais em escala laboratorial.

4. Avaliação de aditivos para melhorar a estabilidade térmica dos óleos vegetais nacionais.

5. Ensaios de envelhecimento simulado do papel isolante em óleos vegetais.

Metodologia

00:009

6. Avaliação da formação de gases dissolvidos através de cromatografia em fase gasosa, após submissão do óleo a diferentes níveis de esforços elétrico e térmico.

7. Avaliação da influência do óleo vegetal natural sobre o sistema de refrigeração do transformador de distribuição.

8. Avaliação da influência do óleo vegetal sobre a suportabilidade dielétrica do transformador.

Metodologia

00:0010

1.Aquisição dos fluidos isolantes e reagentes.1. O OMI utilizado AV-60-IN - Petrobrás

2. Óleo vegetais nacionais:1. Girassol

2. Soja

3. Arroz

4. Mamona

3. Óleo vegetal isolante (OVI) comercial:1. Envirotemp®FR3 – soja - Cooper Power System

2. Biovolt® A – milho - Mineraltec

Resultados e Discussões

00:0011

2. Caracterização química, física e físico-química dos óleos vegetais a serem avaliados como potenciais fluidos isolantes e do óleo mineral.


00:00

Tabela 3. Caracterização físico-química dos óleos vegetais

Ensaios Parâmetros

Óleo Vegetal ENVIROTEMP

®FR3® BIOVOLT®

A Soja Girassol Arroz Mamona

Índice de neutralização, (mg KOH/g óleo)

0,06 máx 0,05 0,01 0,08 0,04 0,06 1,51

Teor de água (ppm m/m)

200 64 55 663 581 610 1400

Densidade a 20 ºC, (g/ml )

0,96 máx 0,9200 0,9182 0,9205 0,9198 0,9181 0,9598

Fator de perdas dielétricas a 25ºC, (%)

0,20 máx 0,30 0,03 0,16 0,15 0,36 0,48

Fator de perdas dielétricas a 90ºC, (%)

3,6 máx 3,32 - 2,81 1,95 5,97 28,4

Fator de perdas dielétricas a 100ºC (%)

4,0 máx 4,00 0,70 3,17 2,10 6,96 39,5

Ponto de fulgor, (°C)

275 mín 312 310 318 318 312 290

Ponto de combustão, (°C)

300 mín 346 340 352 357 350 328

Rigidez dielétrica, (kV)

30 mín 55 49 42 37 37 41

Viscosidade a 40ºC, (cSt)

50 máx 36,06 31,53 33,13 32,37 37,53 253,95

Viscosidade a 100ºC, (cSt)

15 máx 8,45 7,66 7,76 7,74 8,45 19,30

Ponto de fluidez, (0C)

- 10 máx -21 -12 -12 -15 -6 -15

Tensão interfacial (dina/cm)*

20,9 - 20,7 26,9 23,2 14,7

Índice de refração* 1,4743 - 1,4749 1,4748 1,4725 1,4787

* Ensaios não previstos na norma ABNT NBR 15422


00:0013

3. Ensaios de envelhecimento acelerado dos óleos vegetais em escala laboratorial.

Foram ensaiados:ENVIROTEMP®FR3, BIOVOLT ®A, soja,

girassol e arroz sem aditivação Foram usados 800 mL, à 95ºC, sob fluxo

constante de oxigênio (1 L/h), na presença de cobre metálico (3 m de fio de 1 mm de diâmetro).


00:00

Figura 3. Efeito do envelhecimento acelerado dos Óleos sobre o Índice de Neutralização: □ Óleo de Soja; □ Óleo de Girassol; □ Óleo de Arroz; □ BIOVOLT®A; □ ENVIROTEMP®FR3.


00:00

Figura 4. Efeito do envelhecimento acelerado dos Óleos sobre a Viscosidade a

40ºC: □ Óleo de Soja; □ Óleo de Girassol; □ Óleo de Arroz; □ BIOVOLT®A; □ ENVIROTEMP®FR3.


00:00

Figura 5. Efeito do envelhecimento acelerado dos Óleos sobre o Fator de Perdas

Dielétricas a 90ºC: □ Óleo de Soja; □ Óleo de Girassol; □ Óleo de Arroz; □ BIOVOLT®A; □ ENVIROTEMP®FR3.


00:0017

4. Avaliação de aditivos para melhorar a estabilidade térmica dos óleos vegetais nacionais.

Tabela 1. Aditivos antioxidantes utilizados nos óleos vegetais:

Aditivo antioxidante Concentração (ppm) Temperatura (ºC)

- tocoferol 3000 130

BHA (2 e 3 terc-butil-4-hidroxianisol) 3000 130

BHT (di-terc-butil metil fenol) 3000 130

TBHQ (butil hidroquinona terceária) 3000 130

Bayox Plus 3000 130

TBHQ + Ácido Cítrico TBHQ = 2000

Ácido Cítrico = 1000 130


00:00

• Após a aditivação dos óleos de soja, girassol e arroz com 3000 ppm de TBHQ, eles foram envelhecidos a 95ºC e comparados com os resultados dos óleos vegetais ENVIROTEMP®FR3 e BIOVOLT®A.


00:00

• Conclusões sobre os parâmetros avaliados:• índice de neutralização, • viscosidade a 40ºC,• e perdas dielétricas a 90ºC• Os resultados mostraram que a aditivação com

3000 ppm de TBHQ não trouxe benefícios para os óleos durante o tempo de envelhecimento estudado (103 h).


00:0026


Foi avaliado o efeito da temperatura no processo de envelhecimento do papel, pelo monitoramento 2-furfuraldeído (2-FAL) e do grau de polimerização da celulose (GP).

Amostras de 800 mL dos óleos vegetais:ENVIROTEMP®FR3, BIOVOLT®A, soja, girassol e arroz

foram colocadas para envelhecer,-à 95ºC - 130ºC - 140ºC -sob fluxo constante de oxigênio (1 L/h) -na presença de cobre metálico (3 m de fio de um 1 mm de diâmetro) -papel Kraft isolante (21,6g).


00:0027


- 95ºC, não foram encontrados traços de 2-fal- 130ºC, também não foram detectados traços de 2-fal- 140 ºC, retiradas amostras em intervalos regulares de tempo

até o aparecimento dos compostos furânicos.Resultados: Os óleos de soja, arroz, girassol e Envirotemp®FR3 em

72h apresentaram 2-fal O óleo Biovolt®A apresentou 2-fal em 144h OMI não apresentou 2-fal dentro dos limites do aparelho


00:0029

6. Avaliar a formação de gases dissolvidos em diferentes matrizes de óleos vegetais nacionais e regionais, através de cromatografia em fase gasosa, após submissão do óleo a diferentes níveis de esforços elétrico e térmico.


00:0030

Tabela 7. Concentração de gases dissolvidos (ppm) para os óleos após submissão dos mesmos ao esforço elétrico.

Óleo

Número de descargas

desruptivas aplicadas

Concentração de gases dissolvidos (ppm)

H2 O2 N2 CH4 CO CO2 C2H4 C2H6 C2H2

OMI

0

nd 37255 75446 nd nd 526 nd nd nd ENVIROTEMP ®FR3 nd 16547 63490 nd 9 684 nd nd nd

Soja nd 16547 63490 nd 9 684 nd nd nd BIOVOLT® A 5 1983 42693 nd 61 863 2 1 nd

Girassol 20 7250 45199 nd 29 553 nd nd nd Arroz 25 3712 43395 nd 50 763 nd nd nd OMI

15

62 36767 71977 8 nd 478 16 nd 122 ENVIROTEMP ®FR3 44 9843 54512 3 23 862 7 nd 75

Soja 44 9843 54512 3 23 862 7 nd 75 BIOVOLT® A 30 6491 32026 1 44 470 5 1 50

Girassol 17 7749 31151 1 18 323 2 nd 18 Arroz 40 9714 35202 1 26 475 5 nd 49 OMI

45

103 37254 71811 13 nd 492 25 nd 200 ENVIROTEMP ®FR3 61 10550 57115 4 31 888 16 1 186

Soja 61 10550 57115 4 31 888 16 1 186 BIOVOLT® A 49 8120 37999 3 66 587 10 0 82

Girassol 38 9411 36971 3 27 423 8 0 89 Arroz 75 13154 47373 4 53 703 22 0 267 OMI

75

115 36146 74719 20 nd 503 36 2 257 ENVIROTEMP ®FR3 69 9517 57719 6 44 848 14 1 158

Soja 69 9517 57719 6 44 848 14 1 158 BIOVOLT® A 45 8897 42480 3 68 626 13 1 123

Girassol 48 7593 33580 3 38 402 12 0 117 Arroz 69 10479 38515 4 38 581 20 1 171 OMI

105

117 34934 70919 22 nd 524 45 4 325 ENVIROTEMP ®FR3 52 9739 54293 5 32 800 7 1 150

Soja 52 9739 54293 5 32 800 7 1 150 BIOVOLT® A 50 8350 43562 4 95 635 15 0 145

Girassol 21 9307 39030 1 21 247 4 0 52 Arroz 58 9412 40475 3 43 584 13 0 123

nd = não detectável


00:0031

Após as descargas disrruptivas:

Nos resultados obtidos, observa-se para o OMI e OVI - óleos vegetais isolantes que:

• Ocorreu a geração dos gases H2, CH4 (metano), C2H4 (etileno) e C2H2 (acetileno);

• Ocorreu aumento no teor dos gases H2, CH4, C2H4 e C2H2 ao longo do tempo de ensaio;

• O teor do gás C2H2 é maior do que o teor dos gases H2, CH4 e C2H4. Este resultado já era esperado, pois o gás C2H2 é indicativo de descarga elétrica no óleo isolante.


00:0033

Após o tratamento térmico:Os resultados obtidos, observa-se para o OMI e OVI que:• Ocorreu a geração dos gases H2, CH4 (metano), CO,

CO2, C2H4 (etileno) e C2H6 (etano);• OMI - O teor de gases H2, CH4, C2H4 e C2H6 depois de

formados não apresentaram aumento significativo.• OMI aumentos mais significativos - CO e CO2.

• OVI - O teor de gases H2, CH4, e C2H4 depois de formados, não apresentaram aumento significativo;

• OVI - aumentos mais significativos - CO, CO2 e C2H6.


00:0034

7. Avaliação da influência do óleo vegetal natural sobre o sistema de refrigeração do transformador de distribuição.

Limites

As elevações de temperatura admissíveis pela norma ABNT NBR 5365/1993 são de:

-50ºC para o óleo isolante -55ºC para a média dos enrolamentos.


00:0035

Tabela 11 – Ensaio de Elevação de Temperatura dos Transformadores de Distribuição

Óleo Isolante Elevação de Temperatura em Relação ao Ambiente (C)

Topo do Óleo

Terminais H1 H2

Terminais H2 H3

Terminais H3 H1

Terminais X1 X0

Terminais X2 X0

Terminais X3 X0

BIOVOLT® A 43,4 47,4 48,1 48,0 47,5 48,4 48,1 Soja 40,1 46,8 46,8 47,3 48, 49,3 46,3

ENVIROTEMP ®FR3

39,2 47,9 48,6 48,9 47,2 47,9 48,4

Arroz 40,0 46,7 47,0 46,2 46,9 48,4 47,5 Mineral 39,7 46,2 44,4 46,6 45,0 45,4 44,4 Girassol 42,3 48,9 48,3 48,3 49,1 48,2 48,9


00:0036

8. Avaliação da influência do óleo vegetal sobre as perdas e corrente de excitação do transformador.

Limites - valores admissíveis de:

-perdas em vazio = 330 W-perdas em carga = 1140W-perdas totais = 1470 W-corrente de excitação = 3,1 %-norma ABNT NBR 5440 de 1999.


00:0037

Os transformadores atenderam aos valores admissíveis de perdas em vazio (330 W), perdas totais, (1470 W), perdas em carga (1140 W) e corrente de excitação (3,1 %).

Tabela 10 – Medição das Perdas em Vazio e em Carga dos Transformadores de Distribuição

Óleo Isolante Perdas em Vazio

(W) Corrente de

Excitação (%) Perdas em Curto-Circuito 75C (W)

Perdas totais 75C (W)

Soja 271,3 0,81 1074,0 1345,3 Girassol 288,9 1,12 1082,7 1371,6

Arroz 282,7 0,80 1084,5 1367,2 ENVIROTEMP

®FR3 278,6 0,98 1091,8 1370,4

BIOVOLT® A 294,6 1,22 1096,5 1391,1 Mineral 282,3 1,22 1088,6 1370,9


00:0038

9. Avaliação da influência do óleo vegetal sobre a suportabilidade dielétrica do transformador.

9.1 – Medição de resistência de isolamento9.2 – Medição de tensão de rádio interferência9.3 – Medição de fator de potência do

isolamento9.4 – Ensaio de impulso atmosférico9.5 – Ensaio de tensão aplicada9.6 – Ensaio de tensão induzida


00:0039

9.1 – Medição de resistência de isolamentoResultado: Os transformadores de distribuição

ensaiados apresentaram índices que poderiam ser classificados como isolamento questionável. No entanto, deve-se observar que os limites foram definidos para transformadores de maior porte.

9.2 – Medição de tensão de rádio interferência e9.3 – Medição de fator de potência do

isolamentoResultado: Todos os transformadores de distribuição

apresentaram níveis abaixo do limite especificado.


00:0040

9.4 – Ensaio de impulso atmosféricoResultados: - Os transformadores com óleo BIOVOLT®A,

SOJA, ENVIROTEMP®FR3 e AV-60-IN não apresentaram descargas disruptivas internas ou evidências de defeito.

- Os transformadores com óleo de ARROZ e GIRASSOL não apresentaram descargas disruptivas internas mas apresentaram indícios de falha incipiente.


00:0041

9.5 – Ensaio de tensão aplicada e

9.6 – Ensaio de tensão induzida

Resultado: Não se observou nenhuma evidência de defeito ou descarga disruptiva interna nos ensaios aplicados.


00:0042

10. Levantamento do custo - $ dos óleos vegetais nacionais em relação aos importados e aos OMI novos.

Os dados apresentados na Tabela 14 foram levantados em abril de 2009.


00:0043

Tabela 14: Preço por litro de óleo isolante.

Óleo Isolante Marca Comercial Fabricante Custo / Litro

Arroz Carreteiro Irgovel - Ind.Riograndense de

Óleos Vegetais Ltda R$ 6,42

Girassol Salada. Bunge Alimentos S/A. R$ 4,20

Soja Soya Bunge Alimentos S/A. R$ 2,24

ENVIROTEMP®FR3 ENVIROTEMP ®FR3 Cooper Power System Inc. R$ 9,30

BIOVOLT®A BIOVOLT®A Mineraltec – Tecnologia em

óleos minerais R$ 8,50

Mineral Lubrax AV-60-IN Petrobras S/A. R$ 7,88


00:0044

• Os resultados mostraram que os óleos vegetais naturais a base de ésteres, tais como, girassol, soja, arroz e mamona não são indicados para uso como fluido isolante porque suas características não atenderam as exigências físico químicas e elétricas solicitadas durante os ensaios.

• Para que esses óleos possam ser utilizados como fluido isolante, devem ser processados adequadamente com o objetivo de ajustar suas características às exigências dos equipamentos elétricos.

• Este estudo mostrou que, somente a aditivação não resultou em melhoria de desempenho dos óleos ensaiados.

Resultados

00:0045

• Convém lembrar que o atendimento a norma ABNT NBR 15422 é necessário, mas não suficiente para garantir a aplicabilidade de um óleo vegetal como fluido isolante em transformadores, seja de distribuição ou de força.

• Ensaios adicionais elétricos, dielétricos e de compatibilidade com materiais precisam ser conduzidos para comprovar a sua aplicabilidade e o seu desempenho.

Resultados

00:0046

•OBRIGADO!Wilson Uhren

•Telefone: (41) 3331-2288

•Curitiba - PR

•E-mail: [email protected]

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