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Produção e uso de

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

óleos vegetais isolantes no setor elétrico

O óleo vegetal isolante (OVI) além deatender às características dielétricas erefrigerantes apresenta algumas vantagens em relação ao óleo mineral isolante (OMI), principalmente por ser considerado fluido de segurança, ser biodegradável e serproveniente de fonte renovável. Porestas razões, pode-se considerar o OVI para uso em transformadores como o

“óleo do futuro” em aplicações aonde tais vantagens são requeridas. No caso de vazamentos/derramamentos deste fluido, por exemplo, é esperada umadiminuição nos custos financeirosinerentes à remediação dos sistemas impactados, como solo e lençol freático, em função da sua fácilbiodegradabilidade.

O óleo vegetal isolante (OVI) além deatender às características dielétricas erefrigerantes apresenta algumas vantagens em relação ao óleo mineral isolante (OMI), principalmente por ser considerado fluido de segurança, ser biodegradável e serproveniente de fonte renovável. Porestas razões, pode-se considerar o OVI para uso em transformadores como o

“óleo do futuro” em aplicações aonde tais vantagens são requeridas. No caso de vazamentos/derramamentos deste fluido, por exemplo, é esperada umadiminuição nos custos financeirosinerentes à remediação dos sistemas impactados, como solo e lençol freático, em função da sua fácilbiodegradabilidade.

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592história dos transformadores teve

início em 1885 com a construção de um transformador nos Estados Unidos, com projeto a seco e utilização de ar como dielétrico. A ideia de que transformadores usando óleo mineral como dielétrico pu-dessem ser menores e mais eficientes foi patenteada em 1882, pelo professor Elihu Thompson, mas levou uma década até que fosse colocada em prática (figura 1). Em 1892, a General Electric produziu a primeira aplicação reconhecida de óleo mineral em um transformador. Então, a indústria focou sua atenção em determinar quais as pro-priedades ideais para o óleo mineral para aplicações como dielétrico e, também, no desenvolvimento de processos para a pro-dução de um óleo mineral isolante (OMI) de melhor qualidade. As principais proprieda-des de desempenho foram identificadas e por volta de 1899 pelo menos uma refinaria começou a produzir óleo mineral especial-mente desenvolvido para transformadores (McShane, 2002). Hoje, o OMI é o fluido dielétrico mundialmente mais utilizado no setor elétrico.

Experimentos utilizando óleos vegetais como dielétrico foram conduzidos na mes-ma época de realização dos primeiros testes com óleo mineral. Porém, os óleos vegetais demonstraram ser menos atrativos que o mineral devido à sua estabilidade à oxida-

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A ção, ponto de fluidez, permissividade e vis-cosidade distintas (McShane, 2002).

No entanto, impulsionado principal-mente pela questão ambiental que tem sido motivo de preocupação da comunidade mundial de forma crescente, foram desen-volvidos, por volta de 1999, óleos vegetais apropriados para uso em equipamentos elé-tricos (Lewand, 2004). Para fins de utilização como dielétrico, o óleo vegetal é adequado às características necessárias para sua utili-zação, por meio de processos específicos e recebe aditivos antioxidantes e depressores de ponto de fluidez, por exemplo. Os pri-meiros produtos comerciais de OVIs lança-dos no mercado nacional foram o Biotemp® e o Envirotemp® FR3™. Recentemente, em 2007, foram lançados, no mercado nacional, os óleos BIOVOLT® (Wilhelm, 2008).

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

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

DESCRIÇÃO DE ALGUMASCARACTERÍSTICAS, PROPRIEDADES

E BENEFÍCIOS DOS OVIsO OMI é um produto derivado do petró-

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

Quando ocorrem vazamentos, o OMI contamina o solo e os sistemas hídricos em virtude de seu lento processo de bio-degradação. Por ser formulado a partir de matérias-primas naturais, o OVI é facilmen-te biodegradável no meio ambiente, sendo, portanto, uma excelente opção para as em-presas que se preocupam com a preserva-ção do meio ambiente.

Durante a utilização do óleo isolante no equipamento, este está sujeito a um processo de oxidação, formando ácidos como produtos finais da degradação que podem ser mensu-rados por meio do índice de neutralização ou índice de acidez. No caso do OMI, estes com-postos, a partir de certa concentração, são indesejáveis, pois agridem os materiais do equipamento, principalmente o papel Kraft isolante, diminuindo, consequentemente, a sua vida útil. Tais compostos podem, ainda, polimerizar e formar borra, que ao se deposi-tar na parte ativa ou nos trocadores de calor, dificulta a transferência de calor para o meio ambiente (Granato, Levy e Tulio, 2001).

Figura 1 - Ilustração de transformadores de distribuição (A) e de potência (B)

(A) (B)




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consumida no processo de hidrólise do tria-cilglicerol (molécula do OVI) gerando ácidos graxos livres de cadeia longa (Rapp et al, 2001; Rapp et al, 2002 e Rapp et al, 2005). Este mecanismo de hidrólise favorece o deslocamento de mais moléculas de água do papel para o fluido isolante para manter o equilíbrio químico, ou seja, indiretamente este deslocamento promove a secagem do papel Kraft isolante e, consequentemente, a extensão da sua vida útil.

Em aplicações onde os riscos de incên-dio e de explosão devem ser minimizados é recomendado o uso de fluidos de segu-rança. Para ser considerado fluido de se-gurança, o líquido isolante deve apresentar um ponto de combustão de no mínimo 3000C. Como os OVIs apresentam pontos de combustão superiores a 3000C estes são considerados fluidos de segurança, ao contrário do OMI que possui um ponto de combustão em torno de 1500C. Resultados mostraram que a adição do OMI ao OVI re-duz significativamente os pontos de fulgor e de combustão das misturas em relação ao OVI puro. Para ser considerado fluido de segurança, o OVI pode assumir teores de OMI em torno de 7% (Uhren, 2007).

Durante o uso, o fluido isolante está con-tinuamente em contato com material metá-lico, que está sujeito à corrosão. Visto que a presença de compostos de enxofre corrosivo pode resultar na deterioração do metal de-pendendo da natureza química destes com-postos, da temperatura de operação do equi-pamento e do tempo de contato, a detecção destes compostos indesejáveis se faz neces-sária para conhecer o potencial corrosivo do óleo, mesmo que de forma qualitativa. O método de detecção de enxofre corrosivo em óleo é aplicado para óleos novos.

O OMI possui compostos orgânicos à base de enxofre que, segundo a literatura, são ter-micamente estáveis e inibidores naturais do processo de oxidação e, consequentemen-te, do seu envelhecimento térmico. A partir de 2004, começaram a surgir problemas de falhas em transformadores com maior inci-dência, no Brasil, em reatores (Cigré, 2005 e Cigré, 2006). Até o momento no Brasil já falharam mais de uma dezena de equipa-

Os índices de neutralização típicos dos OVIs são normalmente mais altos do que os do OMI. OVIs oxidados tendem a formar longas cadeias de ácidos graxos enquanto que o OMI tende a formar ácidos orgânicos de cadeia curta, sendo estes muito mais agressivos em comparação aos primeiros (Wilhelm et al., 2006). Adicionalmente, a literatura reporta que os produtos de oxi-dação do OVI não são nocivos ao papel Kraft isolante, ao contrário, evitam a sua degradação precoce (Rapp et al, 2005). E, se eventualmente os produtos de oxidação do OVI polimerizarem, esta polimerização não gera borra ou depósitos sobre os ma-teriais internos do transformador.

A umidade sempre está presente nos líquidos isolantes, em quantidades que va-riam com a estrutura química dos mesmos, isto é, fluidos polares apresentam maior afi-nidade com a água (exemplo: óleo vegetal) que os apolares (exemplo: óleo mineral), e varia, também, com as condições de trata-mento, manipulação e de armazenamento as quais os fluidos foram submetidos.

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

A umidade no OMI atua como agente catalisador na decomposição da celulo-se, diminuindo, consequentemente, a vida útil do equipamento elétrico. Devido a sua natureza química, o OVI apresenta grande afinidade com a água. Esta propriedade contribui para o aumento da vida útil da isolação sólida. Os resultados de estudos de envelhecimento mostraram que o papel iso-lante tem sua vida estendida na presença de óleos de base vegetal em comparação aos transformadores isolados com óleo mineral (Claiborne e Cherry, 2006). Segundo Rapp e colaboradores a água no óleo vegetal é

mentos, de diferentes fabricantes e usuários. Quando da abertura destes equipamentos, foi diagnosticado que o problema era de cur-to direto entre espiras, concentrado no terço superior das bobinas. Durante as inspeções foi encontrada uma substância de coloração preta aderida nas superfícies dos barramen-tos de cobre, dos condutores das espiras e do papel de recobrimento destas, deixando as superfícies enegrecidas e de aparência corroída. As análises realizadas em diversos laboratórios indicaram que esta substância era predominantemente formada por enxo-fre e cobre, mais especificamente sulfeto de cobre, material este oriundo da deterioração por corrosão direta da superfície do cobre. Ficou constatado a partir das pesquisas, que o enxofre corrosivo era proveniente do OMI utilizado. Rastreando a origem dos diferen-tes óleos, foi observado que a totalidade dos equipamentos que falharam utilizava óleo fornecido por um único fabricante, em várias denominações, contendo altas concentra-ções de um composto à base de enxofre, o dibenzildissulfeto ou DBDS (Cigré do Brasil, 2005 e Cigré do Brasil, 2006). Atualmente, trabalhos estão sendo realizados no setor elétrico visando à remoção ou “inativação” do DBDS nos óleos em uso, para minimizar o fator de baixa confiabilidade no sistema de fornecimento de energia (Trindade, 2007 e CIGRÉ INTERNACIONAL, 2009).

Equipamentos elétricos isolados a OVI não apresentam risco de falhas devido ao enxofre corrosivo, pois, este fluido é isento de compostos de enxofre.

Até o presente momento, não existe metodologia normalizada a nível nacional e internacional para avaliação da estabilidade a oxidação de OVIs novos. O período de per-manência de óleos e gorduras vegetais em prateleira é determinado a partir da estabili-dade a oxidação, determinada pelo método condutivimétrico. Na força-tarefa de “Óleos vegetais isolantes” do Grupo de Materiais Isolantes e Novas Tecnologias (GT D1.01) do Comitê Nacional de Produção e Transmis-são de Energia Elétrica (Cigré do Brasil) foi apresentado um relatório técnico onde foi utilizado o método condutivimétrico para avaliar a estabilidade a oxidação de OVIs

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de indução (Wilhelm e Stocco, 2007). Nes-te trabalho, os autores concluíram que este método condutivimétrico pode ser utiliza-do como ferramenta analítica para análise comparativa da estabilidade à oxidação de OVIs novos. A título de informação, os óleos Biotemp®, Envirotemp® FR3™ e BIOVOLT®A apresentam períodos de indução de apro-ximadamente 28, 03 e 12 horas, respecti-vamente, quando o ensaio é realizado no equipamento Rancimat, a 1300C, sob borbu-lhamento de oxigênio a uma vazão de 10l/h (Wilhelm, 2008).

UTILIZAÇÃO DE OVI EMEQUIPAMENTOS ELÉTRICOS

A utilização de OVIs iniciou com a subs-tituição do OMI (retrofilling ou reenchimen-to) em transformadores em operação. O pri-meiro teste, sob este enfoque, foi realizado em dois transformadores de 225kVA, tipo pad–mounted, alimentando fornos, insta-lados no início de 1970, sujeitos a um car-regamento contínuo com 80% da corrente nominal (McShane, Luksich, Rapp, 2003).

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

Até maio de 2007, encontravam-se em operação, na América do Sul, cerca de 410 transformadores isolados com Envirotemp® FR3™ (figura 2), nas tensões primárias de 440 a 230 000 V e de potência nominal en-tre 10 a 40 000 kVA (Uhren, 2007).

No Brasil, duas concessionárias de ener-gia elétrica estão realizando testes utili-zando o OVI em equipamentos elétricos de potência. A Companhia Energética de Minas Gerais (Cemig) colocou em operação o pri-meiro transformador do mundo que funcio-na totalmente a OVI. O transformador, que foi desenvolvido em parceria com o fabri-cante de equipamentos, utiliza OVI também nas buchas de alta tensão, que isolam ex-ternamente os controladores de energiza-

ção do aparelho, assim como os cabos de entrada da energia, com tensão elevada. O mesmo OVI é utilizado na chave comuta-dora, responsável pela regulação dos níveis de tensão entregue pelo equipamento aos consumidores. A combinação do OVI com a

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

Figura 2 - Transformadores isolados a óleo vegetal isolante




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* Helena Maria Wilhelm possui graduação em Química pela Universidade Federal do Paraná, mestrado em Química pela Universidade Federal de Santa Catarina e doutorado em Química pela Universidade Estadual de Campinas. Foi pesquisadora do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento. Atualmente é consultora da empresa Mineraltec Tecnologia em Óleos Minerais, professora do Programa de Pós-Graduação em Desen-volvimento de Tecnologia (PRODETEC) e de Engenharia em Materiais (PIPE) da Universidade Federal do Paraná, e coordenadora da Comissão de Estudos de Líquidos Isolantes Sintéticos e Naturais (CE-03:010.02) do Co-mitê Brasileiro de Eletricidade, Eletrônica, Iluminação e Telecomunicação (COBEI).E-mail: [email protected]** Luciane Túlio é engenheira química e pesquisadora do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC), especialista em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal do Paraná e mestre pelo PRODETECE-mail: [email protected]*** Wilson Uhren possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Paraná, graduação em matemática pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná, especialização em metodologia do ensino superior pela Fundação de Apoio à Universidade do Rio Grande do Sul, especialização em gerência de engenha-ria de manutenção pela Universidade Tecnológica do Paraná (UTFPR) e mestrado pelo PRODETEC. Atualmente é engenheiro eletricista da Companhia Paranaense de Energia (COPEL). E-mail: [email protected]

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

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

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útil. Este equipamento está em operação desde agosto de 2006, na subestação de Contagem, na Região Metropolitana de Belo Horizonte (Cemig, 2008).

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

Em dezembro de 2006, a Centrais Elétricas de Santa Catarina, Celesc (Celesc Distribui-ção), instalou em Porto Belo (SC), o primeiro transformador móvel a utilizar óleo vegetal isolante no Brasil, com potência instalada de 30MVA e tensão de 138kV (Celesc, 2008).

A Companhia Paranaense de Energia (Co-pel) também colocou em operação esta nova tecnologia no projeto da rede subterrânea de Foz do Iguaçu. O projeto da rede subterrânea de distribuição de eletricidade na Avenida Brasil, em Foz do Iguaçu (PR) incorpora al-gumas inovações técnicas que estão sendo introduzidas pela Copel de forma pioneira no sistema elétrico brasileiro. Inaugurada em ju-nho de 2006, uma delas é a adoção de trans-

formadores que usam óleo vegetal como isolante elétrico em lugar do óleo mineral (Copel, 2006). A rede subterrânea da Aveni-da Brasil tem 18 transformadores desse tipo, com potência individual de 500kVA e ope-rando confinados em câmaras especiais na tensão de 13,8kV e com saídas de 220/127V. A rede elétrica subterrânea atenderá cerca de 650 consumidores, como grandes edifícios e galerias, hotéis, bancos e lojas (Copel, 2006). Desde 2005, o LACTEC vem desenvolvendo projetos de pesquisa e de desenvolvimento em parceria com a Copel, visando avaliar o desempenho de transformadores preenchi-dos com OVI, tanto por meio de ensaios de laboratório, como por avaliações periódicas dos equipamentos instalados em campo.

CONCLUSÃO O uso do OVI é uma realidade no setor

elétrico nacional. Seu uso em transforma-dores de distribuição está consolidado. O uso em equipamentos de potência está sen-do investigado por várias concessionárias de energia e instituições de pesquisa. Com a expansão de seu uso, o setor elétrico estará contribuindo para a manutenção do meio ambiente e para a sustentabilidade do país.

AgradecimentosAo CNPq, pela concessão da bolsa de

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

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