Fluido Envirotemp™ FR3™
Guia de Análise de Gases Dissolvidos
R2070P
Agosto 17, 2006
Cargill Industrial Specialties
9320 Excelsior Blvd
Hopkins, MN 55343-3444
www.envirotempfluids.com
P: 800-842-3631
Envirotemp™ e FR3™ são marcas valiosas da Cargill, Incorporated.
Normas IEEE C57.104™ e IEEE C57.147™ são marcas do Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc (IEEE).
IEC® é uma marca registrada do International Electrotechnical Commission (IEC).
©2013 Cargill, Incorporated. Todos Direitos Reservados.
1
Análise de Gases Dissolvidos e Fluido Envirotemp™ FR3™
Quão confiável é a interpretação dos dados de
gás?
Embora alguns defeitos possam ser diagnosticados
com consistência usando a análise de gases
dissolvidos (defeitos com produção de arcos, por
exemplo), muitas vezes avaliar os dados requer os
históricos operacionais, de manutenção e de teste
do transformador. Mesmo assim, a interpretação
pode não ser nítida. A seção “Limitações” do guia
de gás IEEE [1] o sintetiza desta maneira:
O que é análise de gases dissolvidos?
A análise de gases dissolvidos (DGA) é uma
técnica de diagnóstico muito útil na manutenção
preventiva, avaliação das condições e identificação
de defeitos de transformadores a óleo (equivale a
um exame de sangue dos transformadores como
parte de um exame físico de rotina). A análise
determina a quantidade de gases dissolvidos no
óleo: hidrogênio, gases hidrocarbonetos (metano,
etano, etileno, acetileno, e às vezes propano,
propileno, n-butano e isobutano), óxidos de
carbono (monóxido e dióxido de carbono), oxigênio
e nitrogênio.
“No entanto, deve ser reconhecido que a
análise desses gases e a interpretação
de seu significado não é, neste
momento, uma ciência, mas uma arte
sujeita a variações.”
Por que é útil?
Os tipos de gases dissolvidos no óleo, juntamente
com suas quantidades, proporções relativas e
alterações com o tempo nos fornecem pistas sobre
o que está acontecendo com o transformador.
Onde posso encontrar uma apostila clara e
concisa sobre DGA?
Excelentes discussões sobre a teoria de gases
dissolvidos e sua aplicação prática podem ser
encontradas nos manuais Facilities Instructions,
Standards, and Techniques publicados pelo Bureau
of Reclamation [2,3] dos EUA.
De onde vêm os gases?
Os gases se formam durante os processos normais
de envelhecimento, degradação térmica, operação
de fusíveis ou chaves, por defeitos elétricos ou
durante eventos anormais.
- Os gases formados durante a decomposição
do óleo são tipicamente hidrogênio e gases
hidrocarboneto.
- Os gases formados pela decomposição do
isolamento do papel (celulose) são tipicamente
hidrogênio, óxidos de carbono e metano.
- Tipos diferentes de defeitos formam gases com
sua própria marca característica e proporção.
DGA pode ser utilizada com o fluido Envirotemp
FR3?
Finalmente alcançamos o ponto principal. A
resposta é SIM.
INTRODUÇÃO
Os dados de gases dissolvidos de milhares de
transformadores a óleo mineral em operação
normal e com defeitos, coletados, examinados e
ponderados em décadas formam a base empírica
de um método para ajudar a avaliar a condição de
um determinado transformador. O IEEE, IEC, U.S.
Bureau of Reclamation e outros, publicam guias
para ajudar na interpretação dos dados de gases
dissolvido para diagnósticos de defeitos [1-4].
Devido ao fato de transformadores que usam
™
ésteres naturais tais como o fluido Envirotemp
™
FR3 serem um desenvolvimento relativamente
recente,
as
oportunidades
para
avaliar
transformadores
realmente
defeituosos
vão
aparecendo vagarosamente. A minoria disponível,
juntamente com dados de transformadores em
operação normal e uma variedade de estudos
laboratoriais ajuda a validar a aplicação de DGA no
fluido Envirotemp FR3.
Como os resultados são utilizados?
A análise de gás determina a quantidade de gases
dissolvidos no óleo. Embora todos os dados de gás
sejam informativos, os gases combustíveis
dissolvidos são mais úteis para diagnósticos de
defeitos. Os guias para ajudar na interpretação dos
gases dissolvidos usam vários métodos para extrair
informações sobre as condições do transformador.
As quantidades, as proporções, e as taxas de
geração de gás são usadas para ajudar a
determinar se uma falha existe e identificar qual é o
tipo da falha.
Mais importante do que os dados de uma simples
amostra de gás são as taxas de geração de gás
(como os gases se transformam com o tempo). O
esforço expendido para interpretar e atuar nos
dados de gás é quase sempre em proporção direta
à taxa de geração.
2
RESUMO
Envirotemp FR3 usam as taxas de geração de
gases combinadas com o método “Gás Chave” do
IEEE ou o método Duval da IEC.
Amostras do fluido Envirotemp FR3 para
determinações dos gases dissolvidos foram
coletadas e analisadas usando os mesmos
procedimentos e técnicas que os aplicados para
óleo mineral [5-7]. Os dados são interpretados de
maneira bastante similar aos gases no óleo mineral.
Os gases combustíveis gerados pelos defeitos nos
ésteres naturais são similares àqueles no óleo
mineral: altos níveis de hidrogênio podem ser uma
indicação de ocorrência de descarga parcial; óxidos
de carbono em certas proporções sugere
sobreaquecimento do papel; gases hidrocarbonetos
poderiam resultar de um defeito térmico no óleo;
acetileno aponta para a ocorrência de arcos.
Sempre, o primeiro passo é determinar se existe um
defeito usando as quantidades e taxas de geração
de gases dissolvidos antes de tentar maiores
interpretações dos dados de gás. Os métodos mais
usados para análise de gases dissolvidos no fluido
DIFERENÇAS DO ÓLEO MINERAL
Solubilidade do Gás
A solubilidade dos gases no fluido Envirotemp FR3
difere levemente da solubilidade no óleo mineral
(Tabela 1). O volume de gases gerado por alguns
defeitos, mais notavelmente defeitos com
ocorrência de arco, pode ser também diferente.
Defeitos com arco de baixa corrente geram
volumes menores de gás no fluido Envirotemp FR3
(testes
produzem
volumes
de
gás
de
aproximadamente 75% do volume gerado no óleo
mineral). Essas diferenças podem afetar a utilidade
de alguns métodos de análises de taxa e
estimativas de gases combustíveis contido no
headspace.
Tabela 1. Coeficientes de solubilidade de gás (Ostwald) para fluido Envirotemp FR3 e óleo mineral
Gases
25°C
Fluido Envirotemp FR3 [8] óleo mineral [1]
Hidrogênio H2
Oxigênio O2
Nitrogênio N2
Monóxido de Carbono CO
Dióxido de Carbono CO2
Metano CH4
Etano C2H6
Etileno C2H4
Acetileno C2H2
Propano C3H8
Propileno C3H6
0.05
0.15
0.07
0.09
1.33
0.30
1.45
1.19
1.63
-
0.05
0.17
0.09
0.12
1.08
0.43
2.40
1.70
1.20
-
Etano e Hidrogênio
Muitos (mas não todos) transformadores em
operação normal com fluido Envirotemp FR3
possuem conteúdo de etano maior que seus
equivalentes a óleo mineral. Outros gases
hidrocarbonetos se mantêm baixos – apenas o
etano é elevado. Ocasionalmente, um nível
constante, porém um pouco elevado, de hidrogênio
é encontrado em transformadores em operação
normal com fluido Envirotemp FR3. Isto pode
indicar incorretamente um defeito de descarga
parcial. Essas anomalias requerem estudos
adicionais para serem explicadas de maneira
adequada.
70°C
Fluido Envirotemp FR3 [8] óleo mineral [8]
0.097
0.255
0.141
0.148
1.187
0.387
1.677
1.389
1.763
4.041
4.078
0.092
0.208
0.127
0.143
0.921
0.432
2.022
1.419
0.992
6.844
5.369
se observa um pico (não identificado) com tempo de
eluição próximo ao tempo do acetileno. Às vezes
esse pico não é mais do que uma elevação da linha
base que se estabiliza rapidamente, podendo
facilmente ser distinguido do acetileno (Fig. 1a). Em
outros casos, o pico parece ser genuíno (mais que
uma elevação da linha base) e elui tão próximo do
acetileno que pode ser confundido com o acetileno
(Fig. 1b). Como a presença de pequenas
quantidades de acetileno sugere um exame mais
minucioso do transformador, o responsável pela
cromatografia deve estar ciente da possível
ocorrência de picos enganosos. Mais estudos e
trabalhos devem ser realizados no sentido de
identificar esta substância e desenvolver critérios
para distingui-lo de maneira confiável do acetileno.
Acetileno
Durante a adaptação da cromatografia e análise de
gases para fluido Envirotemp FR3, frequentemente
3
30
25
etileno
20
pA
pico
suspeito
acetileno
15
etano
10
5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
Figura 1a. Cromatografia exibindo um pequeno pico de “acetileno falso” eluindo antes do acetileno
60
50
etileno
40
pA
pico
suspeito
30
acetileno
20
10
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
Figura 1b. Cromatografia mostrando um pico maior de “acetileno falso” que poderia ser confundido com acetileno
MÉTODOS DE INTERPRETAÇÃO
IEEE
A tabela 2 mostra os gases gerados por tipo de
defeito do guia de gás IEEE para óleo mineral. A
tabela 3 fornece os métodos IEEE de interpretação
de dados de gás de óleo mineral e sua
aplicabilidade ao fluido Envirotemp FR3. Um prérequisito para aplicar os métodos de interpretação
deve ser o de determinar se um defeito existe
usando as quantidades e taxas de geração. O guia
IEEE divide a taxa de geração de gás em três
faixas: <10 ppm/dia, 10-30 ppm/dia, e >30 ppm/dia.
A taxa de formação de gás é usada em conjunto
com a quantidade de gás presente (método
“condição”) para recomendar ações.
O guia de gás IEEE [1] foi escrito levando em conta
grandes transformadores a óleo mineral. Aplicar os
métodos IEEE para transformadores de distribuição
pode requerer alguns desvios do guia: chaves e
fusíveis geram gases durante sua operação
normal; as proporções e quantidades de papel e
óleo diferem em transformadores grandes; volumes
menores de óleo resultam
em maiores
concentrações de gás; tensões mais baixas usadas
na distribuição são menos prováveis de causar
descargas parciais.
4
Tabela 2. Gases por tipo de defeito do guia de gás IEEE
Tipo de Defeito
Térmico
óleo mineral:
Temperatura baixa
Temperatura moderada
Temperatura alta
papel
Elétrico
descargas de baixa energia
arcos de alta energia
Gases Criado
hidrogênio, metano; traços de etano, etileno
hidrogênio > metano; etano, etileno
hidrogênio, etileno; traços de acetileno
monóxido de carbono, dióxido de carbono
hidrogênio, quantidade decrescente de metano, traços de acetileno
acetileno
Tabela 3. Métodos de análises do guia de gás IEEE
Método
Condição
Relação
Rogers
Doerenburg
CO2/CO
Gases Chave
Análise
quantidade de gases combustíveis
Aplicação no fluido Envirotemp FR3
parcialmente aplicável, mas limites para etano, óxidos de
carbono e hidrogênio devem ser baixos (os limites podem ser
baixos para transformadores de distribuição em geral)
combinações de várias relações
de hidrogênio e hidrocarboneto
combinações de várias relações
de hidrogênio e hidrocarboneto
relação de óxidos de carbono
não confiável
relação de gases combustíveis
frequentemente não aplicável; concorda com método IEC Duval
quando este se aplica.
aplicável
aplicável; as relações para fluido FR3 diferem levemente
daquelas de óleo mineral, e normalmente possuem proporção
relativa mais alta de etano.
MÉTODOS DE INTERPRETAÇÃO
IEC
Taxas de aumento de gás
De acordo com o guia IEC, um aumento nas
concentrações de gás maior do que 10% ao mês
acima dos valores típicos de concentração é
geralmente considerado um pré-requisito para
declarar um defeito como ativo, na clara condição
que a precisão dos valores de DGA é melhor que
10% depois de um mês. Taxas mais altas de
aumento de gás, tais como 50% por semana, e/ou
evoluindo para defeitos de maior energia (por ex.
D2 ou T3), são geralmente consideradas muito
graves, especialmente se excederem os valores de
concentração
de
alarme.
No
caso
de
transformadores de potência, taxas específicas de
produções de gás em mililitros por dia são também
registradas (vide tabela A.3). Deve ser dada
atenção especial aos casos onde há aceleração na
taxa de aumento de gás.
Os métodos de relação básica e relação
simplificada do guia de gás IEC [4] usam várias
relações de hidrogênio e gases hidrocarbonetos
para ajudar a identificar tipos de defeito. O método
IEC Duval procura as proporções relativas de
metano, etileno e acetileno para identificar o tipo de
defeito, supondo que uma está presente. O método
Duval esboça os dados num gráfico ternário
dividido em áreas de tipos de defeitos. Até agora
tem sido o método mais confiável de identificação
de defeitos para o fluido Envirotemp FR3.
Conforme o guia IEEE, o usuário deve determinar
se a condição de defeito existe para a interpretação
dos dados ser significativa. O usuário estabelece a
presença de um defeito usando a taxa de geração
de gás e níveis típicos de gás em transformadores
em operação normal. O método Duval revisa o
desenvolvimento e a aplicação dos métodos IEC
[9,10].
A IEC utiliza amplas classes de defeitos
detectáveis: descarga parcial, descargas de alta ou
baixa energia, defeitos térmicos no óleo e/ou papel.
Os métodos básico e Duval subdividem estas em
tipos mais específicos. O método simplificado
identifica somente o tipo de defeito principal.
5
Tabela 4. Métodos de análises do guia de gás IEC
Método
Duval
Relações Básicas
Relações Simplificadas
CO2/CO
Análise
Aplicação no fluido Envirotemp FR3
proporções de metano, etileno e acetileno
aplicável (método mais confiável)
combinações de relações de metano/hidrogênio,
aplicável
etileno/etano, e acetileno/etileno
relações de metano/hidrogênio, etileno/etano e acetileno/etileno
aplicável
relações de óxidos de carbono
aplicável
CONCLUSÕES
EXEMPLOS
As determinações em laboratório dos tipos e
quantidades de gases gerados no fluido
Envirotemp FR3, assim como suas características
de absorção, vista juntamente com dados atuais de
campo, confirmam que os métodos “Gases chave”
e “Condição” do IEEE e os métodos IEC podem
ajudar a identificar tipos de defeitos em
transformadores
preenchidos
com
fluido
Envirotemp FR3. O método IEC Duval tem sido até
agora o mais confiável. Os dois guias de gás, IEEE
e IEC, requerem que o defeito realmente exista
antes de aplicar os métodos de interpretação. As
quantidades de gases dissolvidos e as taxas de
gás no fluido Envirotemp FR3 são utilizadas para
ajudar a determinar se existe um defeito ativo
similar ao óleo mineral.
Talvez, a melhor maneira de se familiarizar com a
análise de gases dissolvidos (DGA) do fluido
Envirotemp FR3 é verificar alguns exemplos. A
seguir dados de gás de vários transformadores
com defeitos, em operação normal e protótipos.
Transformadores em Serviço com Defeitos
A. defeito de fábrica
B. descarga de raio
C. comutador de derivações sem carga –
contatos carbonizados (reenchimento)
Transformadores em Operação Normal
D. reenchimento tipo pedestal
E. pedestal novo #1
F. pedestal novo #2
Estudos de Engenharia e Laboratório
G. vida operacional do regulador
6
REFERENCIAS
[1]
“IEEE Guide for the Interpretation of Gases
Generated in Oil-Immersed Transformers”, IEEE
Std. C57.104-1991, Institute of Electrical and
Electronics Engineers, New York, USA
(http://www.ieee.org)
[6]
“Oil-filled electrical equipment - Sampling of gases
and of oil for analysis of free and dissolved gases Guidance”, IEC Standard 60567, Edition 3.0, 200506, International Electrotechnical Commission,
Geneva, Switzerland (http://www.iec.ch)
[2]
“Transformer Maintenance”, Facilities Instructions,
Standards, and Techniques, Vol. 3-30, pp. 35-53,
Hydroelectric Research and Technical Services
Group, Bureau of Reclamation, U.S. Dept. of
Interior, Denver, CO, October 2000
(http://www.usbr.gov/power/data/fist_pub.html)
[7]
“Standard Test Method for Analysis of Gases
Dissolved in Electrical Insulating Oil by Gas
Chromatography”, D3612, ASTM International,
West Conshohocken, USA (http://www.astm.org)
[8]
Jalbert, J., Gilbert, R., Tétreault, P., El Khakani,
M.A., “Matrix Effects Affecting the Indirect
Calibration of the Static Headspace-Gas
Chromatographic Method Used for Dissolved Gas
Analysis in Dielectric Liquids”, Analytical Chemistry,
Vol. 75, No. 19, October 1, 2003
[9]
Duval, M., "Interpretation of Gas-In-Oil Analysis
Using New IEC Publication 60599 and IEC TC 10
Databases", IEEE Electrical Insulation, Vol. 17, No.
2, March/April 2001, pp. 31-41
[3]
[4]
[5]
“Transformer Diagnostics”, Facilities Instructions,
Standards, and Techniques, Vol. 3-31, pp. 5-13,
Hydroelectric Research and Technical Services
Group, Bureau of Reclamation, U.S. Dept. of
Interior, Denver, CO, June 2003
(http://www.usbr.gov/power/data/fist_pub.html)
“Mineral oil-impregnated electrical equipment in
service – Guide to the interpretation of dissolved
and free gases analysis”, IEC Standard 60599,
Edition 2.0, 1999-03, International Electrotechnical
Commission, Geneva, Switzerland
(http://www.iec.ch)
[10] Duval, M., "A Review of Faults Detectable by Gasin-Oil Analysis in Transformers", IEEE Electrical
Insulation, Vol. 18, No. 3, May/June 2002, pp. 8-17
“Standard Practice for Sampling Insulating Liquids
for Gas Analysis and Determination of Water
Content”, D3613, ASTM International, West
Conshohocken, USA (http://www.astm.org)
7
Exemplo A
Transformador defeituoso de fábrica
Um transformador de subestação novo, a óleo mineral (1,5MVA, 13,2kV-480V), apresentou rápido aumento nos
níveis de gases logo após sua instalação (Figuras A1, A2). Após verificar duas vezes os resultados, o cliente
tratou o óleo mineral para diminuir os níveis de gases. Isto não corrigiu o defeito conforme demonstrado pela
taxa de geração de gases subsequentes (Figura A3). O transformador foi drenado e reenchido com fluido
Envirotemp FR3 (na esperança de, talvez, o fluido FR3 remediar o defeito). O fluido FR3 inicialmente limpo
desenvolveu os mesmos gases hidrocarbonetos característicos e grandes quantidades vistas no óleo mineral
(Figura A4, A5). A figura A6 mostra as proporções de “Gases Chave” do IEEE e mostra os mesmos gases
característico de defeito para óleo mineral e fluido Envirotemp FR3. A figura A7 mostra o diagrama ternário IEC
(Duval). Novamente o mesmo tipo de defeito é apontado para ambos . Resultados de outros métodos são
mostrados nas Tabelas A1 (IEEE) e A2 (IEC). Uma autópsia do transformador revelou uma cinta metálica de
19cm dentro da janela da bobina da fase B, causando a carbonização de um furo através da isolação de 2mm.
100000
antes de energizar
Gases Dissolvidos (ppm)
10000
1000
100
10
1
hidrogênio
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetylene
acetileno
gás
combustível
total
dióxido de
carbono
Figura A1. Níveis de gases dissolvidos do óleo mineral antes de energizar o transformador
Gases Dissolvidos (ppm)
100000
10000
Antes de energizar
em serviço
1000
100
10
1
hidrogênio
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
Gás
Combustível
total
dióxido de
carbono
Figura A2. Níveis de gases após 7, 8, e 9 meses de serviço (barras vermelhas) indicam defeito térmico no óleo
mineral.
Página A1
100000
Gases Dissolvidos (ppm)
Antes de energizar
em serviço
após tratamento do óleo
10000
1000
100
10
1
hidrogênio
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gás
combustível
total
dióxido de
carbono
Figura A3. Níveis de gases após tratamento do óleo mineral (barras verdes) mostram um declínio inicial devido
à retirada de gás do óleo, mas taxas de gás significativas após processamento indicam um defeito ativo.
100000
Gases Dissolvidos (ppm)
Antes de energizar
Em serviço
após tratamento do óleo
após reenchimento com FR3
10000
1000
100
10
1
hidrogênio
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gás
combustível
total
dióxido de
carbono
Figura A4. O óleo mineral no transformador foi substituído pelo fluido Envirotemp FR3 (barras amarelas). O
fluido inicialmente livre de gás apresentou altos níveis de gases combustíveis após 4 meses do reenchimento.
As quantidades de gases gerados pelo defeito no fluido Envirotemp FR3 são equivalentes àquelas geradas no
óleo mineral.
Página A2
100
Proporção Relativa (%)
antes de energizar
em serviço
após tratamento do óleo
após reenchimento com fluido FR3
80
60
40
20
0
hidrogênio
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
Figura A5. Proporções de gases combustíveis no fluido Envirotemp FR3 e no óleo mineral são similares e
típicas de um defeito de metal quente.
Figura A6. Exemplo de proporções de “Gases Chave” do
IEEE em defeito térmico no óleo. Os produtos da
decomposição incluem etileno e metano, junto com
quantidades menores de hidrogênio e etano. Traços de
acetileno podem se formar se a defeito for severo ou
envolver contatos elétricos. Gás Principal: etileno.
Proporções Relativa (%)
100
80
60
40
20
0
H2
CO
CH4
óleo mineral – em serviço
óleo mineral – após tratamento
20
80
Térmico
Misto
T < 300ºC (ponto quente no papel)
300ºC < T < 700ºC (ponto quente no papel)
T > 700ºC (ponto quente no óleo)
30
70
T2
40
60
% CH 4
40
% C 2H4
50
50
T1
T2
T3
60
D1
70
30
DT
C2H2
10 T1
90
após reenchimento com fluido FR3
Designação
PD
D1
D2
C2H4
PD
100 0
óleo mineral – antes de energizar
Tipo de Defeito
Descarga
parcial
baixa energia
alta energia
C2H6
20
80
D2
T3
DT
90
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
100
0
% C 2H 2
Figura A7. Um diagrama Duval determina o mesmo tipo de defeito para óleo mineral e fluido Envirotemp FR3.
Página A3
Tabela A1. Métodos IEEE aplicados num transformador a óleo mineral com defeito de fábrica, reenchido
com fluido Envirotemp FR3. Indicações de Defeito são similares para óleo mineral e fluido Envirotemp FR3.
Método
Condição
Óleo Mineral
Fluido FR3
Antes Instalação
Em Serviço
Após Tratamento do Óleo
Após Reenchimento
Jan '02
Out '02 Nov '02 Dez '02
Fev `03 Mai `03 Jul `03 Out `03 Jan `04
Mai `04
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
a
TDCG
Relação
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
1
1
1
1
1
1
1
1
3
4
4
4
4
1
1
4
3
4
4
4
4
1
1
4
3
4
4
4
3
1
1
4
1
2
3
4
1
1
1
2
1
2
4
4
1
1
1
2
1
3
4
4
1
1
1
2
1
3
4
4
1
1
1
2
1
3
4
4
2
1
1
3
3
4
4
4
2
4
2
4
n/a defeito térmico →
c
d
Caso 5 Caso 5 Caso 4 Caso 5 Caso 5
Caso 5
n/a
Caso 5 Caso 5 Caso 5
n/a →
Gases Chave
n/a defeito térmico-óleo→
b
a
TDCG: gás combustível dissolvido total
n/a: não aplicável
c
Caso 5: defeito térmico > 700 °C
d
Caso 4: defeito térmico < 700 °C
b
Tabela A2. Métodos IEC aplicados num transformador com defeito de fábrica produzem os mesmos resultados
para o transformador com óleo mineral e após reenchimento do transformador com fluido Envirotemp FR3.
Óleo mineral
Fluido FR3
Antes Instalação
Em Serviço
Após Tratamento do Óleo
Após Reenchimento
Método
Jan '02
Out '02 Nov '02 Dez '02
Fev `03 Mai `03 Jul `03 Out `03 Jan `04
Mai `04
a
b
Duval
T2 /T3
T3
T3
T3
T3
T3
T2
T3
T3
T3
Básico
T2
T3
T3
T3
T3
T3
T2
T2
T2
T2
c
Simplificado
T →
a
T2: defeito térmico, 300°C < T < 700°C
T3: defeito térmico, T > 700°C
c
T: defeito térmico
b
Página A4
Exemplo B
Descarga Elétrica
Um transformador de poste de 25 kVA enchido com Envirotemp FR3 falhou após uma descarga de raio
próxima. Retornou à fábrica para análise. Os gases dissolvidos encontrados no fluido Envirotemp FR3 estavam
consistentes com aqueles esperados para um transformador a óleo mineral com defeito similar. O método de
“Gases Chave" do IEEE foi o único método de guia de gás a indicar o defeito. Os métodos IEC Duval e de
Relação Simplificada indicaram um defeito de descarga.
Gases Dissolvidos (ppm)
10000
1000
100
10
1
hidrogênio
Monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gás
combustível
total
dióxido de
carbono
Figura B1. Altos níveis de gases hidrocarbonetos dissolvidos, principalmente etileno e acetileno.
Proporção Relativa (%)
100
80
60
40
20
0
hidrogênio
monóxido
de Carbono
metano
etano
etileno
acetileno
Figura B2. Proporções de “Gases Chave” do IEEE indicam combinação de defeitos: arco elétrico e defeito
térmico no óleo
Página B1
Proporções Relativas (%)
100
80
60
40
20
0
H2
CO
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
(a)
Proporções Relativas (%)
100
80
60
40
20
0
H2
CO
CH4
C2H6 C2H4 C2H2
(b)
Figura B3. Marcas típicas dos “Gases Chave” IEEE para defeito térmico em óleo (a) e arco elétrico (b).
PD
100 0
após descarga elétrica
10 T1
90
Tipo de Defeito
Descarga
parcial
baixa energia
alta energia
Térmico
Misto
Designação
PD
D1
D2
T < 300ºC (ponto quente no papel)
300ºC < T < 700ºC (ponto quente no papel)
T > 700ºC (ponto quente no óleo)
20
80
30
70
T1
T2
T3
T2
40
60
% CH 4
% C 2 H4
50
50
DT
40
60
D1
70
30
20
80
D2
T3
DT
90
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
%C2H2
Figura B4. Diagrama IEC Duval indica descarga de alta energia, consistente com descarga de raio.
Página B2
100
0
Tabela B1. Resultados dos métodos IEEE e IEC
Método IEEE
Relação
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
Gases Chave
Condição
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
e
TDCG
b
fni
n/a
n/a
defeito térmico - óleo, arco elétrico
Método IEC
a
Duval
D2
c
Básico
n/a
d
Simplificado
D
1
2
3
4
4
1
1
3
a
D2: descarga de alta energia
fni: relação é aplicável, defeito não identificável
c
n/a: não aplicável
d
D: descarga
e
TDCG: gás combustível dissolvido total
b
Página B3
Exemplo C
Transformador reenchido c/ contatos carbonizados (comutador derivação s/ carga)
Um transformador com óleo mineral de 28 anos foi reenchido com fluido Envirotemp FR3 em maio de 1998. Não
havia disponível histórico de gás dissolvido do transformador. Durante o processo de reenchimento, percebeu-se
que os contatos do comutador de derivação apresentavam significante carbonização. Após um ano em serviço,
foram encontrados grande aumento nas taxas de gás e altos níveis de acetileno (Figura C1). Após verificar os
níveis de gases dissolvidos, uma interrupção foi programada para examinar o transformador. Os contatos do
comutador de derivação estavam muito carbonizados. A chave foi substituída e um novo fluido Envirotemp FR3 foi
adicionado. Após esta manutenção, os gases retornaram aos níveis estáveis normais (Figura C2).
100000
Gases Dissolvidos (ppm)
contatos carbonizados (Jul 1998 - Ago 1999)
10000
1000
100
10
hidrogênio
Monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gás
combustível
total
dióxido de
carbono
Figura C1. Níveis de gás combustível dissolvido em transformador com óleo mineral de 28 anos após
reenchimento com fluido Envirotemp FR3. A grande quantidade de acetileno encontrada durante amostra de
rotina em julho de 1999 foi ratificada ao retirar uma segunda amostra. Uma interrupção foi programada, durante
a qual os contatos do comutador de derivações foram encontrados muito carbonizados. O comutador de
derivações foi substituído.
Gases Dissolvidos (ppm)
100000
contatos carbonizados (Jul 1998 - Ago 1999)
após substituição da chave (Jul 2000 - Set 2005)
10000
1000
100
10
hidrogênio
Monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gás
combustível
total
dióxido de
carbono
Figura C2. Após substituir o comutador de derivações e reencher com fluido Envirotemp FR3, os níveis de
gases dissolvidos subsequentes voltaram ao normal (barras verdes claras).
Página C1
100
Proporção Relativa (%)
contatos carbonizados (Jul 1998 - Agog 1999)
80
60
40
20
0
hidrogênio
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
Proporções Relativas (%)
Figura C3. Proporções de gases combustíveis no fluido Envirotemp FR3 antes da manutenção da chave são
típicos daquelas vistas em defeito de metal quente no óleo mineral.
100
80
60
40
20
0
H2
CO
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
Figura C4. Exemplo de “Gases Chave” do IEEE das proporções de gases vistas num defeito térmico típica em
óleo mineral. Produtos da decomposição incluem etileno e metano, junto com quantidades menores de
hidrogênio e etano. Traços de acetileno podem ser formados se o defeito for severo ou envolver contatos
elétricos. Gás principal: etileno.
Página C2
Proporção Relativa (%)
100
Contatos carbonizados (Jul 1998 - Ago 1999)
após substituição da chave (Jul 2000 - Set 2005)
80
60
40
20
0
hidrogênio
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
Figura C5. Proporções de gases combustíveis no fluido Envirotemp FR3 retornam ao normal após manutenção
do transformador. Note que a proporção de etano seria atípica para um transformador com óleo mineral em
operação normal, mas é frequentemente visto em transformadores com fluido Envirotemp FR3 em operação
normal.
Tipo de Defeito
Descarga parcial
baixa energia
alta energia
Térmico
Misto
contatos carbonizados do
comutador de derivações
chave nova
Designação
PD
D1
D2
PD
100 0
10 T1
90
20
80
T < 300ºC (ponto quente no papel)
T1
300ºC < T < 700ºC (ponto quente papel) T2
T > 700ºC (ponto quente no óleo)
T3
30
70
DT
T2
40
60
% CH 4
40
% C 2 H4
50
50
60
D1
70
30
20
T3
D2
80
DT
90
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
% C2H2
Figura C6. O diagrama Duval indica defeito T3, ou defeito de metal quente no fluido Envirotemp FR3. Esta
indicação é consistente com contatos carbonizados.
Página C3
100
0
Tabela C1. Resultados dos métodos IEEE: os métodos “Gases Chave” e “Condição” indicam neste exemplo
o tipo correto de defeito no fluido Envirotemp FR3.
Método
Condição
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
a
TDCG
Relação
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
Gases Chave
Jul '98
Fev '99
Jul '99
Ago '99
Jul `00
Jul `01
Jul `02
Jul `03
Set ‘05
1
1
4
4
1
1
2
2
1
1
4
4
1
1
1
2
2
4
4
4
4
3
3
4
1
2
4
4
4
1
1
4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
1
1
1
1
1
1
1
3
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
n/a
n/a
fnic sem indicação
n/a →
d
e
Caso 4 Caso 4
n/a
n/a
n/a
n/a
Caso 0
n/a
Caso 0
n/a→
b
defeito térmico – óleo -→sem defeito
→
a
TDCG: gás combustível dissolvido total
n/a: não aplicável 
c
fni: relação é aplicável, defeito não identificável
d
Caso 4: defeito térmico < 700 °C
e
Caso 0: sem falta
b
Tabela C2. Quando a defeito existir, os métodos IEC indicam tipo correto de defeito neste exemplo. Note
que a presença de uma defeito deve ser conhecida. As relações indicam um tipo de defeito quando não
houver defeito.
Método
Duval
Básico
Simplificado
Jul '98
Fev '99
Jul '99
Ago '99
Jul `00
Jul `01
Jul `02
Jul `03
Set ‘05
a
b
T3
T3
T3
DT
T3
T3
T3
T3
T2
c
d
e
T2
T2
T3
n/a
T1
T1
T1
T1
T1
f
T →
a
T3: defeito térmico, T > 700°C
DT: defeitos mistos
c
T2: defeito térmico, 300°C < T < 700°C
d
n/a: não aplicável
e
T1: defeito térmico, T < 300°C
f
T: defeito térmico
b
Página C4
Exemplo D
Transformador Pedestal Reenchido
Um transformador trifásico de 25 anos, com óleo mineral, tipo pedestal, de 225 KVA, foi reenchido com fluido
Envirotemp FR3 em maio de 1998. Não havia disponível histórico de gases dissolvidos do transformador. O
transformador foi monitorado rotineiramente desde seu reenchimento. As quantidades de gases combustíveis
dissolvidos se mantiveram inalteradas, indicando operação estável. A proporção de etano comparada ao
metano e etileno é mais alta que a normalmente vista no óleo mineral, mas comum em transformadores com
Envirotemp FR3 em operação normal.
10,000
Jul `98
Fev `99
Gases Dissolvidos (ppm)
1,000
Ago `99
Jul `00
100
Jul `01
10
Jul `02
Jul `03
1
Mai `04
0
hidrogênio H2 monóxido de
carbono CO
metano CH4
etano C2H6
etileno C2H4
acetileno C2H2
gás
dióxido de
combustível carbono CO2
total
Set '05
Figura D1. Quantidades de gases combustíveis dissolvidos estão estáveis durante todo o tempo. Hidrogênio é
um pouco mais alto do que o típico para um transformador com óleo mineral em operação normal, mas é
ocasionalmente encontrado em transformadores com fluido Envirotemp FR3.
100
Jul `98
Fev `99
Proporções Relativas (%)
80
Ago `99
60
Jul `00
Jul `01
40
Jul `02
20
Jul `03
Mai `04
0
H2
CO
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
Set '05
Figura D2. Proporções de “Gases Chave” mostram a proporção mais alta de etano normalmente visto em
transformadores com Envirotemp FR3.
Página D1
Tabela D1. Métodos IEEE aplicados num transformador a óleo mineral em operação normal
reenchido com fluido Envirotemp FR3.
Método
Condição
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
a
TDCG
Relação
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
Gases Chave
Jul
1998
2
1
1
1
1
1
1
1
Fev
1999
Ago
1999
Jul
2000
Jul
2001
Jul
2002
Jul
2003
Mai
2004
Set
2005
2
2
1
2
2
1
2
2
→
→
→
→
→
→
2
→
n/a →
c
d
Caso 1 Caso 1 Caso 1 Caso 1 Caso 1 Caso 1 Caso 0 Caso 1 Caso 1
n/a →
b
n/a →
a
TDCG: gás combustível dissolvido total
n/a: não aplicável
c
Caso 1: descarga parcial
d
Caso 0: sem defeito
b
Tabela D2. Métodos IEC aplicados num transformador a óleo mineral em operação normal
reenchido com fluido Envirotemp FR3. Note que as relações indicam um tipo de defeito
independente da condição do transformador.
Método
Duval
Básico
Simplificado
Jul
Fev
Ago
Jul
Jul
Jul
Jul
Mai
Set
1998
1999
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
a
b
T3
T3
T3
T3
T3
T3/T2
T2
T2
T2
c
d
T1 /PD T1/PD T1/PD T1/PD T1/PD T1/PD
T1
T1/PD T1/PD
e
T /PD →
a
T3: defeito térmico, T > 700°C
T2: defeito térmico, 300°C < T < 700°C
c
T1: defeito térmico, T < 300°C
d
PD: descarga parcial
e
T: defeito térmico
b
Página D2
Exemplo E
Transformador Tipo Pedestal Novo
Um transformador trifásico novo, tipo pedestal, de 225 KVA preenchido com Envirotemp FR3 foi instalado em
junho de 1996 e monitorado periodicamente desde então. As taxas de geração de gás combustível são zero,
indicando operação estável. Notar o aumento dos gases de óxido de carbono devido ao envelhecimento normal
do transformador.
após
enchim.
10,000
Set `96
Dez `96
Gases Dissolvidos (ppm)
1,000
Jan `97
Mai `97
100
Mar `98
Fev `99
10
Jul `99
Jul `00
1
Jul `01
Jul `02
0
hidrogênio H2
monóxido de
carbono CO
metano CH4
etano C2H6
etileno C2H4
acetileno C2H2
gás
combustível
total
Jul `03
dióxido de
carbono CO2
Mai `04
Set '05
Figura E1. Os níveis de gases combustíveis permanecem essencialmente inalterados, indicando operação
estável.
após enchim.
100
Set `96
Dez `96
Proporções Relativas (%)
80
Jan `97
Mai `97
60
Mar `98
Fev `99
40
Jul `99
Jul `00
Jul `01
20
Jul `02
Jul `03
0
H2
CO
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
Mai `04
Figura E2. Proporções de “Gases Chave” não combinam com um defeito característico. Notar que a proporção
de etano seria atípica para um transformador com óleo mineral em operação normal, mas é frequentemente
vista em transformadores com fluido Envirotemp FR3 em operação normal.
Página E1
Tabela E1. Métodos IEEE aplicados num transformador com fluido Envirotemp FR3 em operação normal.
após
Set
Dez Jan
Mai Mar
Fev
Jul
Jul
Jul
Jul
Jul
Mai Set
Método
enchim. 1996 1996 1997
1997 1998
1999 1999
2000 2001
2002 2003
2004 2005
Condição
1 →
H2
CH4
1 →
C2H6
1 →
C2H4
1 →
C2H2
1 →
CO
1 →
CO2
1 →
a
TDCG
1 →
Relação
b
Doerenburg n/a →
c
n/a Caso 0
n/a
n/a
n/a
n/a
Rogers n/a
n/a
n/a
n/a
n/a
n/a
Caso 0 n/a
CO2/CO n/a ··
Gases Chave n/a →
a
TDCG: gás combustível dissolvido total
n/a: não aplicável
c
Caso 0: sem defeito
b
Tabela E2. Métodos IEC aplicado num transformador com fluido Envirotemp FR3 em operação normal.
Método
após
Set
Dez Jan
enchim. 1996 1996 1997
a
Duval
n/a
Básico
n/a
Simplificado n/a
Mai Mar
1997 1998
b
Fev
Jul
1999 1999
c
Jul
Jul
2000 2001
Jul
Jul
2002 2003
Mai Set
2004 2005
d
n/a
n/a
n/a
D1
D1
T2
T2
T2
T2
T2
T2
T1
T1
T1→
e
f
n/a
n/a
n/a
D
D
T →
a
n/a: não aplicável
D1: descarga de baixa energia
c
T2: defeito térmico, 300°C < T < 700°C
d
T1: defeito térmico, T < 300°C
e
D: descarga
f
T: defeito térmico
b
Página E2
Exemplo F
Transformador Tipo Pedestal Novo #2
Um transformador trifásico novo, tipo pedestal, de 225 KVA preenchido com Envirotemp FR3 foi instalado em
junho de 1996 e monitorado periodicamente desde então. As taxas de geração de gás combustível são zero,
indicando operação estável. Este transformador exibe tanto a proporção mais alta de etano comumente vista,
quanto o conteúdo de hidrogênio um pouco elevado, ocasionalmente visto em transformadores com fluido
Envirotemp FR3 em operação normal. Notar o aumento dos gases de óxido de carbono devido ao
envelhecimento normal do transformador.
após
enchim.
Out `96
1,000
Nov `96
Gases Dissolvidos (ppm)
10,000
Jan `97
Jan `97
100
Mar `98
Jul `99
10
Jul `00
Jul `01
1
Jul `02
Jul `03
0
hidrogênio H2 monóxido de metano CH4
carbono CO
etano C2H6
etileno C2H4 acetileno C2H2
gás
combustível
total
dióxido de
carbono CO2
Mai `04
Set '05
Figura F1. As quantidades de gases combustíveis dissolvidos permanecem essencialmente inalteradas. A
quantidade de hidrogênio é mais alta do que a esperada num transformador com óleo mineral, mas é vista, às
vezes, no fluido Envirotemp FR3.
Após enchim.
100
Proporções Relativas (%)
Out `96
Nov `96
80
Jan `97
Jan `97
60
Mar `98
Jul `99
40
Jul `00
Jul `01
20
Jul `02
Jul `03
0
Mai `04
H2
CO
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
Set '05
Figura F2. Proporções de “Gases Chave” compatíveis com um defeito por descarga parcial característico. A
taxa de formação de gás baixa indica que nenhum defeito ativo está presente. Notar a alta proporção de etano
para metano e etileno, normalmente vista em transformadores com fluido Envirotemp FR3 em operação normal.
Página F1
Tabela F1. Métodos IEEE aplicados num transformador com fluido Envirotemp FR3 em operação normal. O
conteúdo de hidrogênio levemente elevado está refletido nos resultados de Condição e Rogers.
Método
Condição
H2
CH4
C2 H6
C2 H4
C2 H2
CO
CO2
a
TDCG
Relação
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
Gases Chave
Jun Out
1996 1996
Nov Jan
1996 1997
Mar
Jul
1998 1999
Jul
Jul
2000 2001
Jul
Jul
2002 2003
Mai Set
2004 2005
2
2
2
1
2 →
→
→
→
→
→
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→
1
1
1
1
1
1
1
1
b
n/a
n/a
n/a
→
c
n/a
n/a
n/a
n/a Caso 1 Caso 1Caso 1 Caso 1Caso 1 Caso 1 n/a
→
corona →
a
TDCG: gás combustível dissolvido total
n/a: não aplicável
c
Caso 1: descarga parcial
b
Tabela F2. Métodos IEC aplicados num transformador com fluido Envirotemp FR3 em operação normal.
Método
Duval
Básico
Simplificado
Jun Out
1996 1996
a
n/a
n/a
n/a
n/a
n/a
PD
Nov Jan
Mar
Jul
Jul
Jul
Jul
Jul
Mai Set
1996 1997
1998 1999
2000 2001
2002 2003
2004 2005
b
c
n/a
n/a
D1
DT
T2
T1
T2
T2
T2
DT
n/a PD/T1 →
e
PD
PD
PD/D PD/T
PD/T PD/T
PD/T PD/T
PD/T PD/D
a
n/a: não aplicável
D1: descarga de baixa energia
c
T2: defeito térmico, 300°C < T < 700°C
d
T1: defeito térmico, T < 300°C
e
D: descarga
f
T: defeito térmico
b
Página F2
Exemplo G
Teste de Vida Operacional do Regulador
Dois reguladores de tensão idênticos foram submetidos a um teste de vida operacional. Um regulador foi
preenchido com óleo mineral, e outro com fluido Envirotemp FR3. Amostras de fluido foram coletadas após
60.000, 120.000 e 173.000 operações. Cada operação consistiu de um ciclo completo através dos taps do
regulador. Os dois fluidos geraram os mesmos tipos e quantidades de gases. Os métodos “Gases Chave” do
IEEE e IEC Duval indicaram corretamente descarga de baixa energia nos dois fluidos.
Gases Dissolvidos (ppm)
100000
Fluido Envirotemp FR3
óleo mineral
10000
1000
100
10
hidrogênio
Monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gás
combustível
total
dióxido de
carbono
Figura G1. Gases dissolvidos gerados nos testes de vida do regulador. As barras verdes escuras são do fluido
Envirotemp FR3, as verdes claras são do óleo mineral. Amostras foram coletadas após 60.000, 120.000 e
173.000 operações. Uma operação do regulador consistiu de um ciclo completo através dos taps. Notar a
semelhança entre os gases gerados no óleo mineral e no fluido Envirotemp FR3 durante a operação do
regulador.
Proporção Relativa (%)
100
80
Envirotemp FR3 fluid
mineral oil
60
40
20
0
hidrogênio
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
Figura G2. Proporções de “Gases Chave” do IEEE são as mesmas para os dois fluidos e corresponde à marca
característica IEEE de arcos elétricos.
Página G1
Tipo de Defeito
Descarga parcial
baixa energia
alta energia
Térmico
Designação
PD
D1
D2
óleo mineral
10 T1
90
T < 300ºC (ponto quente no papel)
T1
300ºC < T < 700ºC (ponto quente papel) T2
T > 700ºC (ponto quente no óleo)
T3
Misto
PD
100 0
fluido Envirotemp FR3
20
80
30
70
DT
T2
40
60
% CH 4
40
% C 2 H4
50
50
60
D1
70
30
20
80
D2
T3
DT
90
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
% C 2 H2
Figura G3. Método IEC Duval indica corretamente descarga de baixa energia nos dois fluidos.
Tabela G1. Métodos IEEE aplicado aos gases gerados durante testes de vida do regulador. Os métodos
Doerenburg e Gases Chave indicaram corretamente a presença de arcos elétricos nos dois fluidos.
Método
Condição
H2
CH4
C2 H6
C2 H4
C2 H2
CO
CO2
a
TDCG
Relação
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
Gases Chave
Número de Ciclos Completos
Fluido Envirotemp FR3
Óleo Mineral
60,000
120,000 173,000
60,000
120,000 173,000
2
2
1
4
4
2
1
4
b
DA
c
n/a
n/a
d
A
3
2
3
4
4
2
1
4
2
2
4
4
4
2
1
4
4
4
4
4
4
1
1
4
4
4
4
4
4
1
1
4
4
4
4
4
4
1
1
4
DA
n/a
n/a
A
DA
n/a
n/a
A
DA
n/a
n/a
A
DA
n/a
n/a
A
DA
n/a
n/a
A
a
TDCG: gás combustível dissolvido total
DA: descarga de arcos elétricos
c
n/a: não aplicável
d
A: arcos elétricos
b
Página G2
100
0
Tabela G2. Métodos IEC aplicados aos gases gerado durante testes de vida do regulador. Todos os métodos
indicaram corretamente para o fluido Envirotemp FR3. O método Básico não identificou consistentemente os
arcos elétricos dos taps no óleo mineral.
Método
Duval
Básico
Simplificado
Número de Ciclos Completos de Regulação
Fluido Envirotemp FR
Óleo Mineral
60,000
120,000 173,000
60,000
120,000 173,000
a
D1
D1
D1
D1
D1
D1
b
D1
D1
D1
D1
n/a
n/a
c
D
D
D
D
D
D
a
D1: descarga de baixa energia
n/a: não aplicável
c
D: descarga
b
Página G3