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
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.
Ana Patrícia Simões
iii
Resumo
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.
iv
Ana Patrícia Simões Polido
Abstract
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.
Ana Patrícia Simões
v
Abstract
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
vi
Ana Patrícia Simões Polido
Índice
Índice
1.
Introdução ................................................................................................................................ 1
1.1.
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.
2.
SIEMENS ........................................................................................................................... 1
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
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
Ana Patrícia Simões
vii
Índice
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
viii
Ana Patrícia Simões Polido
Índice
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
Ana Patrícia Simões
ix
Índice
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
x
Ana Patrícia Simões Polido
Índice
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
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. ................................ 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
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. ............................ 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
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. ............................. 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
Ana Patrícia Simões
xi
Índice
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
aplicação da equação determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos. .... 100
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
aplicação da equação determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos. .... 101
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. .... 102
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
xii
Ana Patrícia Simões Polido
Índice
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
Tabela 4.6: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA (em ppm) para as amostras
dos sete ciclos de silicone purgado com árgon, contendo material bem tratado. ........................ 76
Tabela 4.7: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA (em ppm) para as amostras
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
Ana Patrícia Simões
xiii
Índice
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
Tabela E.2: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco
ciclos de midel purgado com ar, contendo material bem tratado, em ppm. .............................. 131
Tabela E.3: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco
ciclos de midel purgado com ar, contendo material mal tratado, em ppm. ............................... 132
Tabela E.4: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco
ciclos de midel purgado com árgon, em ppm. ............................................................................. 132
Tabela E.5: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco
ciclos de midel purgado com árgon, contendo material bem tratado, em ppm. ........................ 133
Tabela E.6: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco
ciclos de midel purgado com árgon, contendo material mal tratado, em ppm. ......................... 133
Tabela E.7: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco
ciclos de silicone purgado com ar, em ppm. ................................................................................ 134
xiv
Ana Patrícia Simões Polido
Índice
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
Tabela E.9: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco
ciclos de silicone purgado com ar, contendo material mal tratado, em ppm. ............................ 135
Tabela E.10: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco
ciclos de silicone purgado com árgon, em ppm. .......................................................................... 135
Tabela E.11: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco
ciclos de silicone purgado com árgon, contendo material bem tratado, em ppm. ..................... 136
Tabela E.12: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco
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
Ana Patrícia Simões
xv
Índice
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
xvi
Ana Patrícia Simões Polido
Abreviaturas
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
Ana Patrícia Simões
xvii
Capítulo 1 – Introduçao
Introdução
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).
Ana Patrícia Simões Polido
1
Capítulo 1
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
Figura 1.3: Dínamo elétrico, 1866
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).
2
Ana Patrícia Simões Polido
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
território
lançamento
nacional
da
foi
SIEMENS
fomentado
em
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
Figura 1.4: Elétrico da Linha de Sintra, 1902.
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
Ana Patrícia Simões Polido
3
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
4
Ana Patrícia Simões Polido
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
Ana Patrícia Simões Polido
de SIEMENS, S.A., 2009)
5
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).
SIEMENS S.A.
Comité Corporativo Executivo
Sector de
Energia
Fábrica do Sabugo
(Transformadores)
Sector de
Indústria
Healthcare
SIEMENS IT
Soluções e
Serviços
Centros
Corporativos
Fábrica de Corroios
(Quadros Elétricos)
Laboratório
de Materiais
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.
6
Ana Patrícia Simões Polido
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.
Ana Patrícia Simões Polido
7
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
8
Ana Patrícia Simões Polido
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
Ana Patrícia Simões Polido
9
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
Figura 1.7: Representação de um corte
transversal de uma bobine com o objetivo de
convecção, o calor formado. O ar circula em espaços
se observarem os espaços para circulação do
livres entre as bobines, o que faz com que os
gás.
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
10
Ana Patrícia Simões Polido
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,
Ana Patrícia Simões Polido
11
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).
12
Ana Patrícia Simões Polido
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 αcelulose 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
Figura 1.9: Mecanismos de degradação do papel
degradação no óleo aumentem e o grau de
(Martins, 2009).
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
Ana Patrícia Simões Polido
13
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.
14
Ana Patrícia Simões Polido
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.
Ana Patrícia Simões Polido
15
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
Outros
Flash Point, extração de compostos de dimetilsulfóxido
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)
16
Ana Patrícia Simões Polido
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-pcresol (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).
Compostos
Compostos Nafténicos
Compostos
Aromáticos (%)
(%)
Parafínicos (%)
Naftalénico
11
47
42
Parafínico
8
29
63
Tipo de Óleo
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).
Ana Patrícia Simões Polido
17
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)
18
Ana Patrícia Simões Polido
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).
Ana Patrícia Simões Polido
19
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.
20
Ana Patrícia Simões Polido
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
Ana Patrícia Simões Polido
21
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.
22
Ana Patrícia Simões Polido
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
Aspeto
Cor
Óleo Novo
Óleo Usado
IEC 60296
Limpo e sem sedimentos ou
Limpo e sem sedimentos ou
(2012-11)
partículas em suspensão
partículas em suspensão
Máximo 2
Máximo 2
ISO 2049
(1996-07)
IEC 60814-2
água
(1997-08)
Rigidez
IEC 60156
Dielétrica
(1995-07)
Perdas Tan
(δ) a 90ᵒC
IEC 60247-12
(2004-02)
Índice de
IEC 62021-1
Acidez
(2003-06)
Viscosidad
ISO 3104
e a 40ᵒC
(1994-10)
Massa
Volúmica a
20ᵒC
Unidades
Ensaio
Teor de
Fator de
Valor Limite
Norma de
ISO 3675
(1998-06)
U<72,5 kV
<20
----
U<72,5 kV
<25
72,5kV<U<170 kV <10
72,5 kV<U<170 kV
<15
U>170 kV
<10
U>170 kV
<10
U<72,5 kV
>55
U<72,5 kV
>30
72,5 kV<U<170 kV
>60
72,5 kV<U<170 kV >40
U>170 kV
>60
U>170 kV
U<72,5 kV
≤0,015
U<72,5 kV
≤0,5
72,5 kV<U<170 kV ≤0,015
72,5 kV<U<170 kV
≤0,5
U>170 kV
U>170 kV
≤0,2
≤0,010
Máximo 0,03
-----
>50
U<72,5
≤0,30
72,5kV<U<170
≤0,20
U>170
≤0,15
Máximo 12
Máximo 12
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.
Ana Patrícia Simões Polido
23
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
Aspeto
Cor
Teor de água
Valor Limite
Norma de
Ensaio
IEC 60296
Midel Novo
Midel Usado
Limpo e sem sedimentos
Limpo e sem sedimentos
ou partículas em
ou partículas em
suspensão
suspensão
Máximo 200
-----
≤200
≤400
≥45
≥30
(2012-11)
ISO 2211
(1973-10)
IEC 60814-2
(1997-08)
Rigidez
IEC 60156
Dielétrica
(1995-07)
Fator de
IEC 60247-12
≤0,03
≤0,01
Perdas Tan (δ)
(2004-02)
(ensaio a 90ᵒC)
(ensaio à Tamb)
Resistividade
IEC 60247-14
≥2,0
≥6
DC
(2004-02)
(ensaio a 90ᵒC)
(ensaio à Tamb)
Índice de
IEC 62021-1
Acidez
(2003-6)
Máximo 0,03
Máximo 2,0
Viscosidade a
ISO 3104
40ᵒC
(1994-10)
Máximo 35
-----
Máximo 1,000
-----
Massa
Volúmica a
20ᵒC
ISO 3675
(1998-06)
Unidades
-----
----
---
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.
24
Ana Patrícia Simões Polido
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
Aspeto
Cor
Teor de água
Ensaio
Silicone Novo
Silicone Usado
IEC 60296
Limpo e sem sedimentos ou
Limpo e sem sedimentos ou
2012-11)
partículas em suspensão
partículas em suspensão
Máximo 35
-----
≤50
-----
≥40
≥30
ISO 2211
(1973-10)
IEC 60814-2
(1997-08)
Rigidez
IEC 60156
Dielétrica
(1995-07)
Fator de
IEC 60247-
Perdas Tan
12 (2004-
(δ)
02)
Permitividade
a 90ᵒC
Resistividade
DC
13 (2004-
IEC 6024714 (200402)
Acidez
(2003-6)
Viscosidade a
ISO 3104
40ᵒC
(1994-10)
20ᵒC
(ensaio a 90ᵒC)
-----
----
-----
---
2,55±0,05
-----
---
02)
IEC 62021-1
Volúmica a
≤0,001
Unidades
IEC 60247-
Índice de
Massa
Valor Limite
Norma de
ISO 3675
(1998-06)
novo:
Mínimo 100
≥1x10
11
(ensaio a 90ᵒC)
(ensaio à Tamb)
Máximo 0,01
-----
40±4
-----
0,955-0,970
-----
usado:
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.
Ana Patrícia Simões Polido
25
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.
26
Ana Patrícia Simões Polido
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).
Ana Patrícia Simões Polido
27
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.
28
Ana Patrícia Simões Polido
Capítulo 2 – Técnicas analíticas
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 AnalysisDGA). 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),
Ana Patrícia Simões Polido
31
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 KarlFischer 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.
32
Ana Patrícia Simões Polido
Técnicas analíticas
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.
Ana Patrícia Simões Polido
33
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
34
Ana Patrícia Simões Polido
Técnicas analíticas
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.
Ana Patrícia Simões Polido
35
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.
36
Ana Patrícia Simões Polido
Técnicas analíticas
∑
√
(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
Ana Patrícia Simões Polido
37
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).
Figura 2.5: BAUR DTL.
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
38
Ana Patrícia Simões Polido
Técnicas analíticas
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.
Ana Patrícia Simões Polido
39
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
Figura 2.7: Exemplo de Compact
aditivos adicionados para prolongar a longevidade do
Titrator com Rodolino.
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 2propanol 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
40
Ana Patrícia Simões Polido
Técnicas analíticas
do elétrodo. Mais uma vez, a temperatura volta a ser importante dado que as soluçõestampão 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.
Ana Patrícia Simões Polido
41
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 devese 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 SCHOTTGERÄTE, 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
Figura 2.8: Viscosímetro
Capilar (GERÄTE).
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
42
Ana Patrícia Simões Polido
Técnicas analíticas
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).
Ana Patrícia Simões Polido
43
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 HeadSpace 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.
44
Ana Patrícia Simões Polido
Técnicas analíticas
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).
Ana Patrícia Simões Polido
45
Capítulo 3 – Simulaçao do Impacto
Térmico 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
Ana Patrícia Simões Polido
49
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.
50
Ana Patrícia Simões Polido
Simulação do Impacto Térmico num Transformador
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
Papel Isolante
(psp)
Cobre em banda
9,0 x 3,5
19,0 x 4,9
4,5 x 0,5
7,0 x 1,0
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
Ana Patrícia Simões Polido
51
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.
52
Ana Patrícia Simões Polido
Simulação do Impacto Térmico num Transformador
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.
Óleo Isolante
Gás de purga
Gás de purga + Material
Bem Tratado
Gás de purga + Material
Mal Tratado
Figura 3.5: Esquema de preparação de amostras para a primeira simulação.
Ana Patrícia Simões Polido
53
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.
Material Bem Tratado
Óleo Isolante + árgon
Material Mal Tratado
Figura 3.6: Esquema de preparação de amostras para a segunda simulação.
54
Ana Patrícia Simões Polido
Simulação do Impacto Térmico num Transformador
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.
Ana Patrícia Simões Polido
55
Capítulo 4 – Résultados é discussao
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.
Ciclo
1º
2º
3º
4º
5º
Ana Patrícia Simões Polido
Tempo (min)
Aquecimento
Arrefecimento
5153
2047
10390
4925
13265
8345
18545
11217
23807
11713
Total
7200
15315
21610
29762
35520
59
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)
Midel+Árgon
Silicone+Ar
Gás
Midel+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
60
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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
Ana Patrícia Simões Polido
61
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.
62
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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
Ana Patrícia Simões Polido
63
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.
64
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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.
Ana Patrícia Simões Polido
65
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
66
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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
Ana Patrícia Simões Polido
67
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.
Ciclo
1º
2º
3º
4º
5º
6º
7º
68
Tempo (min)
Aquecimento Arrefecimento
9866
5848
19902
15804
29482
26368
42469
33444
52670
43412
62927
53433
69935
60714
Total
15714
35706
55850
75913
96082
116360
130649
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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
Ana Patrícia Simões Polido
69
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.
70
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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).
Ana Patrícia Simões Polido
71
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).
72
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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.
Ana Patrícia Simões Polido
73
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)
Gases
0
11
25
39
53
67
81
91
Referência1)
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
---
1)
Valores referência retirados da norma IEC 60599, 1999 (Tabela A.4).
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.
74
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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.
Ana Patrícia Simões Polido
75
Capítulo 4
Tabela 4.6: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA (em ppm) para as amostras dos sete ciclos de
silicone purgado com árgon, contendo material bem tratado.
Tempo (dias)
Gases
0
11
25
39
53
67
81
91
Referência1)
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
---
1)
Valores referência retirados da norma IEC 60599, 1999 (Tabela A.4).
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.
76
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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.
Ana Patrícia Simões Polido
77
Capítulo 4
Tabela 4.7: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA (em ppm) para as amostras dos sete ciclos de
silicone purgado com árgon, contendo material mal tratado.
Tempo (dias)
Gases
0
11
25
39
53
67
81
91
Referência1)
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
---
1)
Valores referência retirados da norma IEC 60599, 1999 (Tabela A.4).
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.
78
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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.
Ana Patrícia Simões Polido
79
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)
Midel +
MBT
Midel +
MMT
Silicone
+ MBT
Silicone
+ MMT
0
11
25
39
53
67
81
91
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
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
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
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.
80
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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.
Ana Patrícia Simões Polido
81
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
82
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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
que serão denominadas por
e
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
R2
0,000
0,000
2,590
0,724
0,000
0,405
0,000
0,632
0,301
0,613
0,000
0,569
0,820
0,266
0,674
0,381
Midel com material
mal tratado
R1
R2
0,000
0,000
5,723
0,866
0,000
0,478
0,000
0,653
0,557
0,636
0,977
0,582
1,534
0,337
1,184
0,456
Silicone com material
bem tratado
R1
R2
0,888
0,000
2,856
0,223
0,000
0,139
0,000
0,211
1,413
0,191
0,651
0,221
4,659
0,054
1,805
0,086
Silicone com material
mal tratado
R1
R2
0,888
0,000
5,218
0,194
0,000
0,142
0,000
0,200
1,358
0,166
0,580
0,161
2,232
0,143
1,054
0,108
Ana Patrícia Simões Polido
83
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.
84
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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 CO 2/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
16,000
14,000
CO2/CO
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0,000
0
20
40
60
80
100
Tempo (dias)
Midel com material bem tratado
Midel com material mal tratado
Silicone com material bem tratado
Silicone com material mal tratado
Figura 4.17: Representação gráfica da razão entre os óxidos de carbono ao logo da experiência e representação
do limite.
Ana Patrícia Simões Polido
85
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.
86
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
0,550
0,500
O2/N2
0,450
0,400
0,350
0,300
0,250
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Tempo (dias)
Midel com material bem tratado
Midel com material mal tratado
Silicone com material bem tratado
Silicone com material mal tratado
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
Ana Patrícia Simões Polido
87
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).
88
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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
Teor Água (ppm)
Tensão disruptiva (kV)
Tg delta (90ᵒC)
Acidez (mg/g)
92,4
65,1
0,0441
0,1307
111
65,7
0,0461
0,1323
71,8
60,9
0,0404
0,1687
115,6
50,0
0,0725
0,1812
171,0
62,6
0,0559
0,4750
130,6
-------
Teor Água (ppm)
Tensão disruptiva (kV)
Tg delta (90ᵒC)
61,2
77,1
0,0382
101,0
77,7
0,0513
76,4
74,9
0,0504
90,4
41,9
---
91,8
73,0
0,0515
115,7
40,3
0,0597
Acidez (mg/g)
0,1200
0,1536
0,1621
0,2355
0,4320
0,5117
Silicone+MBT
Teor Água (ppm)
Tensão disruptiva (kV)
Tg delta (90ᵒC)
Acidez (mg/g)
12,1
68,5
0,0010
0,0050
17,2
58,4
0,0007
0,0022
32,3
55,1
0,0010
0,0048
26,3
52,0
0,0010
0,0019
16,9
50,9
0,0005
0,0022
29,5
65,3
0,0006
0,0083
Silicone+MMT
Teor Água (ppm)
Tensão disruptiva (kV)
Tg delta (90ᵒC)
Acidez (mg/g)
14,0
54,0
0,0010
0,0150
18,3
64,4
0,0007
0,0081
15,7
52,9
0,0012
0,0067
13,8
57,3
0,0010
0,0033
19,5
65,2
0,0004
0,0000
28,1
59,5
0,0004
0,0017
Midel+MBT
Midel+MMT
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.
Ana Patrícia Simões Polido
89
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
90
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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
Ana Patrícia Simões Polido
91
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.
92
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
Tabela 4.12: Viscosidade cinemática a 40ᵒC das amostras correspondentes aos 91 dias de ensaio.
νóleo (cSt)
Midel
Silicone
Material bem tratado
Material mal tratado
Material bem tratado
Material mal tratado
35,29
29,33
37,10
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.
Ana Patrícia Simões Polido
93
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.
94
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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
Ana Patrícia Simões Polido
95
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 apresentase 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
H2
-0,796
-
-
-
-
-
-
0,914
0,808
0,890
CH4
0,910
-
-
-
0,934
C 2H 6
-
-
0,524
-0,567
0,746
C 2H 4
-
-0,795
-
-
0,908
C 3H 8
-
-
0,848
-
0,945
C 3H 6
CO
CO2
-
-
0,776
-
0,899
-
-
-
0,894
-
-
-
0,694
0,938
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
96
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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.
12,0
10,0
y = 0,9467x
R² = 0,8828
H2_MLR
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
-2,0
0
2
4
6
8
10
12
H2_ EXP
Figura 4.21: Representação dos valores de hidrogénio experimental vs. hidrogénio obtido por MLR.
Ana Patrícia Simões Polido
97
Capítulo 4
35,0
30,0
y = 0,9691x
R² = 0,9318
CH4_MLR
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
CH4_EXP
Figura 4.22: Representação dos valores de metano experimental vs. metano obtido por MLR.
5,0
C2H4_MRL
4,0
y = 0,9729x
R² = 0,9009
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
C2H4_EXP
Figura 4.23: Representação dos valores de etileno experimental vs. etileno obtido por MLR.
20,0
y = 0,9951x
R² = 0,942
C3H8_MLR
15,0
10,0
5,0
0,0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
C3H8_EXP
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,
98
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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).
Concentração (ppm)
12
10
Midel com MBT
Midel com MMT
Silicone com MBT
Silicone com MMT
8
6
4
2
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
0
H2_Exp
H2_MLR
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.
35
Midel com MBT
Midel com MMt
Silicone com MBT
30
Silicone com MMT
25
20
15
10
5
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
0
CH4_Exp
CH4_MLR
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.
Ana Patrícia Simões Polido
99
Capítulo 4
Mais uma vez é possível afirmar que os valores experimentais e determinados por
aplicação da reta obtida por MRL são semelhantes.
Midel com MBT
Midel com MMT
Silicone com MBT
Silicone com MMT
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
C2H4_eXP
C2H4_MLR
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.
Na Figura 4.27 comprova-se mais uma vez a boa correlação obtida a partir da
regressão linear multivariável para as amostras de etileno.
20
Midel com MBT
Midel com MMT
Silicone com MBT
15
10
5
Silicone com MMT
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
0
C3H8_Exp
C3H8_MLR
Figura 4.28: Variação da concentração de propano obtida experimentalmente e através da aplicação da equação
determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos.
Na Figura 4.28 é possível observar que as linhas quase se sobrepõem, provando
uma vez mais a eficácia do método utilizado.
100
Ana Patrícia Simões Polido
Resultados e discussão
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.
Concentração (ppm)
600
500
Midel com MBT
Midel com MMT
Silicone com MBT
Silicone com MMT
400
300
200
100
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
0
CO_MLR
CO_exp
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.
12
Midel com MBT
Midel com MMT
10
Silicone com MBT
Silicone com MMT
8
6
4
2
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
0
C2H6_Exp
C2H6_MLR
Figura 4.30: Variação da concentração de etano obtida experimentalmente e através da aplicação da equação
determinada por regressão linear multivariável, ao longo dos ciclos.
Ana Patrícia Simões Polido
101
Capítulo 4
14
Midel com MBT
Midel com MMT
Silicone com MBT
12
Silicone com MMT
10
8
6
4
2
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
0
C3H6_Exp
C3H6_MLR
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.
102
Ana Patrícia Simões Polido
Capítulo 5 – Conclusoés
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.
Ana Patrícia Simões Polido
105
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.
106
Ana Patrícia Simões Polido
Capítulo 6 – Sugéstoés 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.
Ana Patrícia Simões Polido
109
Capítulo 7 – Référéncias Bibliograficas
Referências Bibliográficas
7. Referências Bibliográficas
Arifianto, I. e Cahyono, B. 2009. Power Transformer Cooling System Optimization. 9th
International Conference. Harbin.
Bolhuis, J. P. van, Gulski, E. e Smit, J.J. 2002. Monitoring and Diagnostic of
Transformer Solid Insulation. IEEE Transaction on Power Delivery.
Camilli, G. 1960. Gas-insulated Power Transformers. Proceeding of the IEEE- Part A:
Power eneneering.
Carvalho, J. F. dos S. 2011. Máquinas Eléctricas - Transformadores. ISEC. Coimbra.
Chapman, S. J. 2005. Electric Machinery Fundamentals. McGrawHill. 4ª Edição.
Cookson, A. H. 1990. Influence of Electrical Insulation on Design and Performance of
Power Equipment. IEEE Electric Insulation Magazine.
Damelin,
D.
2000.
Chemsite.
[Online].
[Cited:
Maio
17,
2013]
http://chemsite.1srhs.net/HomepageStuff/email.html.
Department of the Army. 1998. Power Transformer Maintenance and Acceptance
Testing.TM 5-686 Washington, Headquarters Department of the Army.
Field, A. 2000. Discovering Statistics using SPSS for Windows: advanced techiques for
the beginner. SAGE Publication. 1ª Edição.
Flanagam, W. M. 1993. Handbook of Transformer - Design and applications.
McGrawHill. 2ª Edição.
Fuhr, J.; Haessig, M.; Boss, P.; Tschudi, D. e King, R.A. 1993. Detection and
Localization of Internal Defects in Insulating System of Power Transformers. Baden.
IEEE.
Godinho, M.. 2009. Determinação da tensão interfacial de óleos isolantes usando
análise de imagens e espectrosocopia no infravermelho próximo. Dissertação de
Mestrado da Universidade Estadual de Goiás. Anápolis.
Gonçalves, M. L. S. S. 2001. Métodos Instrumentais Para Análise de Soluções - Análise
Quantitativa. Fundação Calouste Gulbenkian. Lisboa. 4ª Edição.
Ana Patrícia Simões Polido
113
Capítulo 7
Goodman, E. A. 1972. Today's Transformer Insulation Systems. IEEE Transactions on
Industry Applications. IEEE.
Hill, D.J.T.; Le, T.T.; Darveniza, M. e Saha, T. 1995. A Study of Degradation of
Cellulosic Insulation Materials in a Power Transformer, Part 1- Molecular Weight Study
os Cellulose Insulation Paper. Polymer Degradation and Stability. Elsevier.
Homagk, C., Mössner, K. e Leibfried, T. 2008. Investigation on Degradation of Power
Transformer Solid Insulation Material. Karlsruhe. IEEE.
IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed
Transformers, 1992. Transformers Committee of the IEEE Power Engineering Society.
IEC 60156. 1995. Insulating Liquids- Determination of the breakdown voltage at power
frequency-Test method. IEC.
IEC 60296. 2003. Fluids for Electrotechnical Applications - Unused Mineral Insulating
Oils for Transformers and Switchgear. IEC.
IEC 60422. 2013. Mineral Insulating oils in Electrical Equipment - Supervision and
maintenance guide. IEC.
IEC 60505. 2004. Evaluation and Qualification of Electrical Insulation Systems. IEC.
IEC 60567. 2005. Oil-filled electrical equipment - Sampling of gases and of oil for
analysis of free and dissolved gases – Guidance. IEC.
IEC 60599. 1999. Mineral oil impregnated electrical equipment in service - Guide to the
interpretation of dissolved and free gases analysis. IEC.
IEC 60814. 1997. Insulating liquids-Oil-impregnated paper and pressboardDetermination of water by automatic coulometric Karl Fischer titration. IEC.
IEC 60836. 2005. Specifications for unused silicone insulating liquids for
electrotechnical purposes. IEC.
IEC 60944. 1988. Guide for the maintenance of silicone transformer liquids. IEC.
IEC 61099. 2010. Insulating liquids - Specifications for unused synthectic organic esters
for electrical purposes. IEC.
IEC 61181. 2007. Mineral oil-filled electrical equipment - Application of dissolved gas
analysis (DGA) to factory tests on electrical equipment. IEC.
114
Ana Patrícia Simões Polido
Referências Bibliográficas
IEC 61203. 1992. Synthetic organic esters for electrical purposes: guide for maintenance
of transformer esters in equipment. IEC.
IEC 62021-1. 2003. Insulating Liquids- Determination of acidity - Part 1: Automatic
Potentiometric Titraton. IEC.
Janssen, H.G. 2010. Chromedia- Chromatography Knowledge Media.[Cited: Maio 17,
2013.] http://www.chromedia.org/chromedia?waxtrapp=iqhbhDsHqnOxmOlIEqDfD .
Kovacevic, D. S., Skundric, S. P. e Lukic, J. M. 2006. Monitoring and Diagnostics of
Power Transformer Insulation. Thermal Science Volume 10.
Leijon, M., Dalilgren, M., Walfridsson, L. Ming, L. e Jaksts, A. 2001. A Recent
Development in the Electrical Insulation Systems of Generators and Transformers. IEEE
Electric Insulation Magazine Volume 17.
Lipstein, R. A. e Shakhnovich, M. I. 1970. Transformer Oil.
M&I Materials. 2011. Retrofilling with Ester Based Transformer Dielectric Fluid to
Improve Fire Safety, Moiture Tolerance and Environmental Behaviour. M&I Materials,
Lda.
Martins, M. A. G. 2009. Gestão da Vida Útil dos Transformadores. Ciência &
Tecnologia dos Materiais. Volume 21.
Milash, M. 1984. Manutenção de transformadores em líquido isolante. Edgard
Blücher,Lda.
Ming, L. e Jaksts, A. 2000. Recent Trends Within Insulation Systems for Transmission
and Distribution Apparatus. Proceeding of the 6th International Conference on Properties
and Applications of Dielectric Materials Volume 2. Xi’an.
Oliva, E. R. 1977. Transformadores de Potência, de Medida e de Protecção. Coimbra.
Livraria Almedina.
Perry, R. e Green, D. 1997. Perry's Chmical Engineers' Handbook. McGraw-Hill
International Editions.
Saruhashi, D., Arazoe, S., Yanabu, S., Okabe, S. e Kiyama, I. 2011. Thermal
Degradation Characteristics of Insulating Paper and Oils. IEEE International Conference
on Dielectric Liquids.
SCHOTT GERÄTE. Manufacturer's Certificate for Capillary Viscometer.
Ana Patrícia Simões Polido
115
Capítulo 7
Siemens. 2005. 100 Anos a Projectar o Futuro- Portugal 1905-2005. Amadora.
Siemens, S.A. 2009. Manual de Gestão da Qualidade.
Smolka, J. e Nowak, A. J. 2011. Shape Optimization of Coils and Cooling Ducts in DryType Transformers Using Computaional Fluid Dynamics and Genetic Algorithm. IEEE
Transactions on Magnetics Volume 47.
Wang, J., Zheng, J. e Hu, S. 2008. Monitoring and Diagnostic Techniques of Power
Transformer Solid Insulation. Center for International Cooperation in Education
Development.
Wang, Y., Zhang, G., Xing, W., Li, K. e Wang, X. 2010. Simulation of Oil FLow
Process of Insulation Struture for High Efficiency Cooling Shell Transformers.
Willard, H., Merritt Junior, L. e Dean, J. 1979. Análise Instrumental. Fundação
Caloute Gulbenkian. Lisboa. 2ªEdição.
Yoshida, H., Ishioka, Y., Suzuki, T., Yanari, T. e Teranishi, T. 1987. Degradation of
Insulating Materials of Transformers. IEEE Transactions on Electrical Insulation.
Volume EI-22.
Zheng, Q., Zhang, Y. Xiaoroug, W., Wensheng, G. e Chengmu, L.. 2001. Synthectic
Evaluation for Aging of Solid Insulation in Power Transformer. Proceedings of 2001
International Symposium on Electrical Insulating Materials.
116
Ana Patrícia Simões Polido
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
Ana Patrícia Simões Polido
119
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.
120
Ana Patrícia Simões Polido
.
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
Ana Patrícia Simões Polido
121
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 KarlFisher. Para tal deve-se proceder de forma idêntica à indicada para análise de amostras
122
Ana Patrícia Simões Polido
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.
Ana Patrícia Simões Polido
123
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.
Amostra 1
Amostra 2
Teor de água (ppm)
SIEMENS
ISEC
311,174
309,115
503,259
496,305
Validação
Valor 1
10,566
13,414
Valor 2
2,059
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).
.
124
Ana Patrícia Simões Polido
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)
25,0±0,5
30,0±0,5
35,0±0,5
mpicnómetro (g)
34,0887
34,0887
34,0887
Vpicnómetro (mL)
45,4118
45,4118
45,4118
msacarose (g)
58,4266
58,3641
58,2466
ρsacarose (g/mL)
1,287
1,285
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.
Ana Patrícia Simões Polido
125
Anexos
Tabela B.2: Valores necessários à determinação da constante do viscosímetro.
T (ᵒC)
25,0±0,5
30,0±0,5
35,0±0,5
tescomamento (s)
404
405
298
298
242
242
µsacarose bibliográfica
(kg/(m.s))
ρsacarose
(g/mL)
0,0440
1,286
0,0340
1,285
0,0266
1,283
Kviscosímetro
(m2/s2)
8,469E-08
8,448E-08
8,880E-08
8,880E-08
8,576E-08
8,576E-08
Kmédio
(m2/s2)
8,638E-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.
Midel + material bem
tratado
Midel + material mal
tratado
Silicone + material bem
tratado
Silicone + material mal
tratado
126
tescomamento (s)
408
409
407
408
340
339
340
340
429
430
430
428
463
460
462
459
νóleo (stoke)
0,3524
0,3533
0,3516
0,3524
0,2937
0,2928
0,2937
0,2937
0,3706
0,3714
0,3714
0,3697
0,3999
0,3974
0,3991
0,3965
νóleo (cst)
35,287
29,327
37,101
39,865
Ana Patrícia Simões Polido
Anexos
C.
Ficha Técnica do Midel
Ana Patrícia Simões Polido
127
Anexos
128
Ana Patrícia Simões Polido
Anexos
Ana Patrícia Simões Polido
129
Anexos
D.
130
Ficha Técnica do Silicone
Ana Patrícia Simões Polido
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.
Gás
5
11
Tempo (dias)
15
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
21
25
Tabela E.2: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de midel
purgado com ar, contendo material bem tratado, em ppm.
Tempo (dias)
Gás
5
11
15
21
25
H2 - Hidrogénio
3
6
4
4
4
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
CO - Monóxido de Carbono
530
518
519
621
808
Ana Patrícia Simões Polido
131
Anexos
CO2 - Dióxido de Carbono
8261
6000
5552
5361
7026
O2 - Oxigénio
18134
20802
17244
18709
14939
N2 - Azoto
62021
59401
49137
56434
52117
TOTAL
88977
86776
72499
81176
74938
Tabela E.3: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de midel
purgado com ar, contendo material mal tratado, em ppm.
Tempo (dias)
Gás
5
11
15
21
25
H2 - Hidrogénio
10
3
3
4
5
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
C3H6 - Propileno
4
6
7
9
11
CO - Monóxido de Carbono
404
499
516
581
688
CO2 - Dióxido de Carbono
5932
6718
5578
5503
6037
O2 - Oxigénio
20837
21971
18702
26869
16399
N2 - Azoto
63847
60890
51043
73028
53143
TOTAL
91069
90113
75885
106038
76315
Tabela E.4: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de midel
purgado com árgon, em ppm.
Tempo (dias)
132
Gás
5
11
15
21
25
H2 - Hidrogénio
7
6
3
3
4
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
Ana Patrícia Simões Polido
Anexos
C3H6 - Propileno
<1
<1
<1
<1
1
CO - Monóxido de Carbono
121
122
109
118
156
CO2 - Dióxido de Carbono
897
927
898
937
1067
O2 - Oxigénio
17092
21911
17804
21636
22466
N2 - Azoto
37117
46882
38642
49741
55186
TOTAL
55241
69872
57473
72458
78906
Tabela E.5: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de midel
purgado com árgon, contendo material bem tratado, em ppm.
Tempo (dias)
Gás
5
11
15
21
25
H2 - Hidrogénio
15
5
4
6
4
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
C3H6 - Propileno
3
6
7
6
9
CO - Monóxido de Carbono
358
477
443
589
643
CO2 - Dióxido de Carbono
6194
5620
5339
5895
5370
O2 - Oxigénio
17969
23534
16020
21866
15497
N2 - Azoto
48489
63965
44220
61356
51679
TOTAL
73064
93647
66069
89762
73232
Tabela E.6: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de midel
purgado com árgon, contendo material mal tratado, em ppm.
Tempo (dias)
Gás
5
11
15
21
25
H2 - Hidrogénio
3
4
5
5
4
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
Ana Patrícia Simões Polido
133
Anexos
C3H8 - Propano
4
6
8
9
9
C3H6 - Propileno
4
6
9
9
11
CO - Monóxido de Carbono
361
374
482
569
675
CO2 - Dióxido de Carbono
6203
5498
6374
5833
5668
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
H2 - Hidrogénio
8
13
2
4
5
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
C3H6 - Propileno
3
3
3
2
2
CO - Monóxido de Carbono
7
7
5
4
5
CO2 - Dióxido de Carbono
647
549
543
459
374
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)
134
Gás
5
11
15
21
25
H2 - Hidrogénio
43
13
3
7
4
CH4 - Metano
56
35
20
24
16
C2H6 - Etano
3
5
6
8
11
C2H4 - Etileno
3
2
2
2
2
Ana Patrícia Simões Polido
Anexos
C2H2 - Acetileno
<1
<1
<1
<1
<1
C3H8 - Propano
4
8
12
15
14
C3H6 - Propileno
12
18
16
16
16
CO - Monóxido de Carbono
427
449
526
379
481
CO2 - Dióxido de Carbono
7235
5593
5321
3859
4185
O2 - Oxigénio
33436
29967
32427
32891
32730
N2 - Azoto
93771
78935
79929
81205
84963
TOTAL
134990
115023
118267
118406
122424
Tabela E.9: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de silicone
purgado com ar, contendo material mal tratado, em ppm.
Tempo (dias)
Gás
5
11
15
21
25
H2 - Hidrogénio
32
16
5
6
6
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
CO - Monóxido de Carbono
496
428
436
533
564
CO2 - Dióxido de Carbono
8890
5278
4751
5271
5203
O2 - Oxigénio
32470
35776
35990
34408
31632
N2 - Azoto
92192
91008
87398
86290
84585
TOTAL
134168
132610
128643
126574
122058
Tabela E.10: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de silicone
purgado com árgon, em ppm.
Tempo (dias)
Gás
5
11
15
21
25
H2 - Hidrogénio
6
12
3
7
3
CH4 - Metano
8
32
6
18
8
C2H6 - Etano
<1
<1
<1
1
<1
Ana Patrícia Simões Polido
135
Anexos
C2H4 - Etileno
2
1
1
<1
<1
C2H2 - Acetileno
<1
<1
<1
<1
<1
C3H8 - Propano
<1
2
2
2
<1
C3H6 - Propileno
3
3
3
2
2
CO - Monóxido de Carbono
5
5
4
5
4
CO2 - Dióxido de Carbono
556
590
599
594
453
O2 - Oxigénio
29480
39793
36197
40862
34605
N2 - Azoto
58815
81586
74769
88385
77475
TOTAL
88874
122023
111584
129878
112551
Tabela E.11: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de silicone
purgado com árgon, contendo material bem tratado, em ppm.
Tempo (dias)
Gás
5
11
15
21
25
H2 - Hidrogénio
6
13
6
5
3
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
CO - Monóxido de Carbono
5
584
402
383
347
CO2 - Dióxido de Carbono
557
7403
4148
3898
3164
O2 - Oxigénio
29641
35081
35897
36966
32638
N2 - Azoto
59152
86296
85253
88421
81737
TOTAL
89374
129472
125770
129741
117934
Tabela E.12: Valores obtidos por tratamento dos resultados de DGA para as amostras dos cinco ciclos de silicone
purgado com árgon, contendo material mal tratado, em ppm.
136
Gás
5
11
Tempo (dias)
15
H2 - Hidrogénio
20
6
4
7
3
CH4 - Metano
44
24
22
41
18
C2H6 - Etano
3
5
6
36
13
21
25
Ana Patrícia Simões Polido
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
CO - Monóxido de Carbono
386
419
401
509
596
CO2 - Dióxido de Carbono
7339
5335
4653
4034
5226
O2 - Oxigénio
27776
35587
36789
39865
30669
N2 - Azoto
67398
85767
89724
103583
81793
TOTAL
102986
127174
131632
148125
118357
Ana Patrícia Simões Polido
137
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
138
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
Ana Patrícia Simões Polido
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.
Midel com material
bem tratado
Midel com material mal
tratado
Silicone com material
bem tratado
Silicone com material
mal tratado
MLR
1º Ciclo
FS1
1,44923
FS2
-0,96078
FS3
-1,24087
FS4
0,11418
2º Ciclo
0,63701
-0,94051
-0,27366
-1,51172
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
-0,22179
-0,21149
-0,42052
-1,25413
-0,77365
-0,25365
-0,4251
-0,41379
-1,4065
-0,57308
2,37104
-0,16772
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
-0,45213
-0,62441
1,32067
0,50027
-0,45217
-0,99656
-0,20865
-1,39774
-1,32654
-1,5178
-0,78433
0,28391
0,41666
1,21244
0,01597
0,24028
1,21707
0,08822
-1,11047
-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
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
-0,63755
2,36103
0,20267
-0,12664
-0,51349
1,17559
0,48616
0,51109
1,88054
-0,77319
-0,61581
-0,94432
0,84146
0,75073
-1,80092
-1,06968
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
1º Ciclo
2º Ciclo
3º Ciclo
4º Ciclo
5º Ciclo
6º Ciclo
7º Ciclo
-0,63575
-0,47509
-0,7414
-0,74519
3,2152
0,50369
-0,38926
-0,50905
-0,67554
-0,92271
-1,01459
0,42577
0,8579
0,47259
2,12279
1,35557
0,66422
0,36624
0,93934
0,68518
0,70795
1,48975
-1,12098
-1,65673
-0,91348
0,41636
0,76679
1,85922
0,25361
0,44963
-1,01992
0,34642
1,60734
-0,12358
0,6282
-0,8769
-0,03812
0,84907
-1,72156
-1,27642
0,0539
0,74209
-0,05384
0,41499
Ana Patrícia Simões Polido
139
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)
Unstandardized
Coefficients
Std.
B
Error
Model
1
Standardized
Coefficients
t
Sig.
Beta
(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 2 for analysis 1
0,274
0,173
0,109
1,580
0,128
REGR factor score 3 for analysis 1
-0,011
0,173
-0,005
-0,066
0,948
REGR factor score 4 for analysis 1
2,287
0,173
0,914
13,205
0,000
(F.1)
Tabela F.5: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o metano.
Coefficients (Dependent Variable methane)
Model
1
Unstandardized
Coefficients
Std.
B
Error
Standardized
Coefficients
t
Sig.
Beta
(Constant)
6,000
0,302
-
19,879
0,000
REGR factor score 1 for analysis 1
5,229
0,307
0,910
17,012
0,000
REGR factor score 2 for analysis 1
1,523
0,307
0,265
4,955
0,000
REGR factor score 3 for analysis 1
1,096
0,307
0,191
3,567
0,002
REGR factor score 4 for analysis 1
0,013
0,307
0,002
0,043
0,966
(F.2)
140
Ana Patrícia Simões Polido
Anexos
Tabela F.6: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o etileno.
Coefficients (Dependent Variable ethylene)
Unstandardized
Coefficients
Std.
B
Error
Model
1
Standardized
Coefficients
t
Sig.
Beta
(Constant)
1,807
0,074
-
24,480
0,000
REGR factor score 1 for analysis 1
0,410
0,075
0,345
5,449
0,000
REGR factor score 2 for analysis 1
-0,943
0,075
-0,795
-12,543
0,000
REGR factor score 3 for analysis 1
0,459
0,075
0,387
6,100
0,000
REGR factor score 4 for analysis 1
-0,097
0,075
-0,082
-1,293
0,209
(F.3)
Tabela F.7: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o propano.
Coefficients (Dependent Variable propane)
Model
1
Unstandardized
Coefficients
Std.
B
Error
Standardized
Coefficients
t
Sig.
Beta
(Constant)
10,786
0,165
-
65,352
0,000
REGR factor score 1 for analysis 1
-0,160
0,168
-0,047
-0,952
0,351
REGR factor score 2 for analysis 1
1,623
0,168
0,472
9,658
0,000
REGR factor score 3 for analysis 1
2,913
0,168
0,848
17,335
0,000
REGR factor score 4 for analysis 1
0,080
0,168
0,023
0,476
0,639
(F.4)
Tabela F.8: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o monóxido de carbono.
Coefficientsa
Model
1
Unstandardized
Coefficients
Std.
B
Error
Standardized
Coefficients
t
Sig.
Beta
(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)
Ana Patrícia Simões Polido
141
Anexos
Tabela F.9: Valores dos coeficientes obtidos por ANOVA para o etano.
Coefficientsa
Model
1
Unstandardized
Coefficients
Std.
B
Error
Standardized
Coefficients
t
Sig.
Beta
(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 C3H6
0,347
0,134
0,498
2,582
0,017
REGR factor related to CH3
0,206
0,065
0,494
3,146
0,005
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
1
Unstandardized
Coefficients
Std.
B
Error
Standardized
Coefficients
t
Sig.
Beta
(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 C3H6
0,736
0,153
0,828
4,796
0,000
REGR factor related to CH3
0,253
0,075
0,476
3,389
0,003
REGR factor related to N2
0,000
0,000
-0,573
-3,196
0,004
(F.7)
142
Ana Patrícia Simões Polido