ELÉTRICA e uso de
Produção
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óleos vegetais isolantes
no setor elétrico
HELENA MARIA WILHELM*
LUCIANE TULIO**
WILSON UHREN***
O óleo vegetal isolante (OVI) além de
atender às características dielétricas e
refrigerantes apresenta algumas vantagens
em relação ao óleo mineral isolante (OMI),
principalmente por ser considerado fluido
de segurança, ser biodegradável e ser
proveniente de fonte renovável. Por
estas razões, pode-se considerar o OVI
para uso em transformadores como o
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“óleo do futuro” em aplicações aonde
tais vantagens são requeridas. No caso
de vazamentos/derramamentos deste
fluido, por exemplo, é esperada uma
diminuição nos custos financeiros
inerentes à remediação dos sistemas
impactados, como solo e lençol freático,
em função da sua fácil
biodegradabilidade.
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história dos transformadores teve
início em 1885 com a construção
de um transformador nos Estados Unidos,
com projeto a seco e utilização de ar como
dielétrico. A ideia de que transformadores
usando óleo mineral como dielétrico pudessem ser menores e mais eficientes foi
patenteada em 1882, pelo professor Elihu
Thompson, mas levou uma década até que
fosse colocada em prática (figura 1). Em
1892, a General Electric produziu a primeira
aplicação reconhecida de óleo mineral em
um transformador. Então, a indústria focou
sua atenção em determinar quais as propriedades ideais para o óleo mineral para
aplicações como dielétrico e, também, no
desenvolvimento de processos para a produção de um óleo mineral isolante (OMI) de
melhor qualidade. As principais propriedades de desempenho foram identificadas e
por volta de 1899 pelo menos uma refinaria
começou a produzir óleo mineral especialmente desenvolvido para transformadores
(McShane, 2002). Hoje, o OMI é o fluido
dielétrico mundialmente mais utilizado no
setor elétrico.
Experimentos utilizando óleos vegetais
como dielétrico foram conduzidos na mesma época de realização dos primeiros testes
com óleo mineral. Porém, os óleos vegetais
demonstraram ser menos atrativos que o
mineral devido à sua estabilidade à oxida-
A
(A)
ção, ponto de fluidez, permissividade e viscosidade distintas (McShane, 2002).
No entanto, impulsionado principalmente pela questão ambiental que tem sido
motivo de preocupação da comunidade
mundial de forma crescente, foram desenvolvidos, por volta de 1999, óleos vegetais
apropriados para uso em equipamentos elétricos (Lewand, 2004). Para fins de utilização
como dielétrico, o óleo vegetal é adequado
às características necessárias para sua utilização, por meio de processos específicos e
recebe aditivos antioxidantes e depressores
de ponto de fluidez, por exemplo. Os primeiros produtos comerciais de OVIs lançados no mercado nacional foram o Biotemp®
e o Envirotemp® FR3™. Recentemente, em
2007, foram lançados, no mercado nacional,
os óleos BIOVOLT® (Wilhelm, 2008).
Atualmente no Brasil, o fluido Envirotemp® FR3™, comercializado pela Cooper
Power Systems, é fabricado pela Cargill,
enquanto que o Biotemp® é importado da
Suécia pela ABB Brasil. Os óleos BIOVOLT®
são produzidos e comecializados a partir de
uma tecnologia 100% nacional, por uma
empresa paranaense, a Mineraltec, instalada
na cidade de Pato Branco (PR).
Os óleos vegetais isolantes (OVIs) apresentam alta degradabilidade, sendo que
95% ou mais destes produtos biodegradam
no ensaio de 28 dias.
DESCRIÇÃO DE ALGUMAS
CARACTERÍSTICAS, PROPRIEDADES
E BENEFÍCIOS DOS OVIs
O OMI é um produto derivado do petróleo, que é uma fonte finita, enquanto que o
OVI é obtido a partir de oleaginosas, como
milho, girassol, soja etc., que são fontes renováveis (Wilhelm et al., 2006).
Quando ocorrem vazamentos, o OMI
contamina o solo e os sistemas hídricos
em virtude de seu lento processo de biodegradação. Por ser formulado a partir de
matérias-primas naturais, o OVI é facilmente biodegradável no meio ambiente, sendo,
portanto, uma excelente opção para as empresas que se preocupam com a preservação do meio ambiente.
Durante a utilização do óleo isolante no
equipamento, este está sujeito a um processo
de oxidação, formando ácidos como produtos
finais da degradação que podem ser mensurados por meio do índice de neutralização ou
índice de acidez. No caso do OMI, estes compostos, a partir de certa concentração, são
indesejáveis, pois agridem os materiais do
equipamento, principalmente o papel Kraft
isolante, diminuindo, consequentemente, a
sua vida útil. Tais compostos podem, ainda,
polimerizar e formar borra, que ao se depositar na parte ativa ou nos trocadores de calor,
dificulta a transferência de calor para o meio
ambiente (Granato, Levy e Tulio, 2001).
(B)
Figura 1 - Ilustração de transformadores de distribuição (A) e de potência (B)
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ELÉTRICA
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Os índices de neutralização típicos dos
OVIs são normalmente mais altos do que
os do OMI. OVIs oxidados tendem a formar
longas cadeias de ácidos graxos enquanto
que o OMI tende a formar ácidos orgânicos
de cadeia curta, sendo estes muito mais
agressivos em comparação aos primeiros
(Wilhelm et al., 2006). Adicionalmente, a
literatura reporta que os produtos de oxidação do OVI não são nocivos ao papel
Kraft isolante, ao contrário, evitam a sua
degradação precoce (Rapp et al, 2005). E,
se eventualmente os produtos de oxidação
do OVI polimerizarem, esta polimerização
não gera borra ou depósitos sobre os materiais internos do transformador.
A umidade sempre está presente nos
líquidos isolantes, em quantidades que variam com a estrutura química dos mesmos,
isto é, fluidos polares apresentam maior afinidade com a água (exemplo: óleo vegetal)
que os apolares (exemplo: óleo mineral), e
varia, também, com as condições de tratamento, manipulação e de armazenamento
as quais os fluidos foram submetidos.
A rigidez dielétrica do OMI e do OVI
começa a diminuir quando a saturação
relativa de água no óleo atinge aproximadamente 50%. Para o OMI, 50% da
saturação a temperatura ambiente corresponde ao intervalo entre 30 a 35 mg/kg de
água e para o OVI, de 500 a 600 mg/kg
de água (California Environmental Protection Agency, 2003). Ou seja, a quantidade
de água exigida para saturar o OVI à temperatura ambiente é aproximadamente 20
vezes a do OMI (IEEE, 2008).
A umidade no OMI atua como agente
catalisador na decomposição da celulose, diminuindo, consequentemente, a vida
útil do equipamento elétrico. Devido a sua
natureza química, o OVI apresenta grande
afinidade com a água. Esta propriedade
contribui para o aumento da vida útil da
isolação sólida. Os resultados de estudos de
envelhecimento mostraram que o papel isolante tem sua vida estendida na presença de
óleos de base vegetal em comparação aos
transformadores isolados com óleo mineral
(Claiborne e Cherry, 2006). Segundo Rapp
e colaboradores a água no óleo vegetal é
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consumida no processo de hidrólise do triacilglicerol (molécula do OVI) gerando ácidos
graxos livres de cadeia longa (Rapp et al,
2001; Rapp et al, 2002 e Rapp et al, 2005).
Este mecanismo de hidrólise favorece o
deslocamento de mais moléculas de água
do papel para o fluido isolante para manter
o equilíbrio químico, ou seja, indiretamente
este deslocamento promove a secagem do
papel Kraft isolante e, consequentemente, a
extensão da sua vida útil.
Em aplicações onde os riscos de incêndio e de explosão devem ser minimizados
é recomendado o uso de fluidos de segurança. Para ser considerado fluido de segurança, o líquido isolante deve apresentar
um ponto de combustão de no mínimo
300 0 C. Como os OVIs apresentam pontos
de combustão superiores a 300 0 C estes
são considerados fluidos de segurança, ao
contrário do OMI que possui um ponto de
combustão em torno de 150 0 C. Resultados
mostraram que a adição do OMI ao OVI reduz significativamente os pontos de fulgor
e de combustão das misturas em relação
ao OVI puro. Para ser considerado fluido de
segurança, o OVI pode assumir teores de
OMI em torno de 7% (Uhren, 2007).
Durante o uso, o fluido isolante está continuamente em contato com material metálico, que está sujeito à corrosão. Visto que a
presença de compostos de enxofre corrosivo
pode resultar na deterioração do metal dependendo da natureza química destes compostos, da temperatura de operação do equipamento e do tempo de contato, a detecção
destes compostos indesejáveis se faz necessária para conhecer o potencial corrosivo
do óleo, mesmo que de forma qualitativa. O
método de detecção de enxofre corrosivo em
óleo é aplicado para óleos novos.
O OMI possui compostos orgânicos à base
de enxofre que, segundo a literatura, são termicamente estáveis e inibidores naturais do
processo de oxidação e, consequentemente, do seu envelhecimento térmico. A partir
de 2004, começaram a surgir problemas de
falhas em transformadores com maior incidência, no Brasil, em reatores (Cigré, 2005
e Cigré, 2006). Até o momento no Brasil já
falharam mais de uma dezena de equipa-
mentos, de diferentes fabricantes e usuários.
Quando da abertura destes equipamentos,
foi diagnosticado que o problema era de curto direto entre espiras, concentrado no terço
superior das bobinas. Durante as inspeções
foi encontrada uma substância de coloração
preta aderida nas superfícies dos barramentos de cobre, dos condutores das espiras e
do papel de recobrimento destas, deixando
as superfícies enegrecidas e de aparência
corroída. As análises realizadas em diversos
laboratórios indicaram que esta substância
era predominantemente formada por enxofre e cobre, mais especificamente sulfeto de
cobre, material este oriundo da deterioração
por corrosão direta da superfície do cobre.
Ficou constatado a partir das pesquisas, que
o enxofre corrosivo era proveniente do OMI
utilizado. Rastreando a origem dos diferentes óleos, foi observado que a totalidade dos
equipamentos que falharam utilizava óleo
fornecido por um único fabricante, em várias
denominações, contendo altas concentrações de um composto à base de enxofre, o
dibenzildissulfeto ou DBDS (Cigré do Brasil,
2005 e Cigré do Brasil, 2006). Atualmente,
trabalhos estão sendo realizados no setor
elétrico visando à remoção ou “inativação”
do DBDS nos óleos em uso, para minimizar
o fator de baixa confiabilidade no sistema de
fornecimento de energia (Trindade, 2007 e
CIGRÉ INTERNACIONAL, 2009).
Equipamentos elétricos isolados a OVI
não apresentam risco de falhas devido ao
enxofre corrosivo, pois, este fluido é isento
de compostos de enxofre.
Até o presente momento, não existe
metodologia normalizada a nível nacional e
internacional para avaliação da estabilidade
a oxidação de OVIs novos. O período de permanência de óleos e gorduras vegetais em
prateleira é determinado a partir da estabilidade a oxidação, determinada pelo método
condutivimétrico. Na força-tarefa de “Óleos
vegetais isolantes” do Grupo de Materiais
Isolantes e Novas Tecnologias (GT D1.01) do
Comitê Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica (Cigré do Brasil) foi
apresentado um relatório técnico onde foi
utilizado o método condutivimétrico para
avaliar a estabilidade a oxidação de OVIs
UTILIZAÇÃO DE OVI EM
EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS
A utilização de OVIs iniciou com a substituição do OMI (retrofilling ou reenchimento) em transformadores em operação. O primeiro teste, sob este enfoque, foi realizado
em dois transformadores de 225kVA, tipo
pad–mounted, alimentando fornos, instalados no início de 1970, sujeitos a um carregamento contínuo com 80% da corrente
nominal (McShane, Luksich, Rapp, 2003).
Em outubro de 2001 a empresa Alliant
Energy fez o reenchimento do primeiro
transformador de potência (fabricante:
Pennsylvania; dados de placa do equipamento: trifásico, 50MVA, 69kV, NBI 350kV,
7 000 galões de óleo, fabricado em 1957)
com óleo vegetal isolante (McShane, Luksich, Raap, 2003).
Até maio de 2007, encontravam-se em
operação, na América do Sul, cerca de 410
transformadores isolados com Envirotemp®
FR3™ (figura 2), nas tensões primárias de
440 a 230 000 V e de potência nominal entre 10 a 40 000 kVA (Uhren, 2007).
No Brasil, duas concessionárias de energia elétrica estão realizando testes utilizando o OVI em equipamentos elétricos de
potência. A Companhia Energética de Minas
Gerais (Cemig) colocou em operação o primeiro transformador do mundo que funciona totalmente a OVI. O transformador, que
foi desenvolvido em parceria com o fabricante de equipamentos, utiliza OVI também
nas buchas de alta tensão, que isolam externamente os controladores de energiza-
ção do aparelho, assim como os cabos de
entrada da energia, com tensão elevada. O
mesmo OVI é utilizado na chave comutadora, responsável pela regulação dos níveis
de tensão entregue pelo equipamento aos
consumidores. A combinação do OVI com a
avançada tecnologia de materiais isolantes
possibilitou que esse transformador, que
inicialmente foi projetado para 25MVA em
138kV, segundo informação da Cemig, seja
sobrecarregado até 43MVA, durante quatro
horas consecutivas, sem perda de sua vida
Figura 2 - Transformadores isolados a óleo vegetal isolante
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novos, a partir da determinação do período
de indução (Wilhelm e Stocco, 2007). Neste trabalho, os autores concluíram que este
método condutivimétrico pode ser utilizado como ferramenta analítica para análise
comparativa da estabilidade à oxidação de
OVIs novos. A título de informação, os óleos
Biotemp®, Envirotemp® FR3™ e BIOVOLT®A
apresentam períodos de indução de aproximadamente 28, 03 e 12 horas, respectivamente, quando o ensaio é realizado no
equipamento Rancimat, a 130 0C, sob borbulhamento de oxigênio a uma vazão de 10l/h
(Wilhelm, 2008).
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útil. Este equipamento está em operação
desde agosto de 2006, na subestação de
Contagem, na Região Metropolitana de Belo
Horizonte (Cemig, 2008).
As Centrais Elétricas do Norte (Eletronorte) e a filial brasileira da estatal francesa Areva desenvolveram em conjunto, o
primeiro reator de 242kV no mundo à base
de OVI. Em obtendo êxito, a Eletronorte tem
interesse em colocar mais equipamentos
desse porte nas linhas que atendem a região
Amazônica (Eletronorte, 2008).
Em dezembro de 2006, a Centrais Elétricas
de Santa Catarina, Celesc (Celesc Distribuição), instalou em Porto Belo (SC), o primeiro
transformador móvel a utilizar óleo vegetal
isolante no Brasil, com potência instalada de
30MVA e tensão de 138kV (Celesc, 2008).
A Companhia Paranaense de Energia (Copel) também colocou em operação esta nova
tecnologia no projeto da rede subterrânea de
Foz do Iguaçu. O projeto da rede subterrânea
de distribuição de eletricidade na Avenida
Brasil, em Foz do Iguaçu (PR) incorpora algumas inovações técnicas que estão sendo
introduzidas pela Copel de forma pioneira no
sistema elétrico brasileiro. Inaugurada em junho de 2006, uma delas é a adoção de trans-
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formadores que usam óleo vegetal como
isolante elétrico em lugar do óleo mineral
(Copel, 2006). A rede subterrânea da Avenida Brasil tem 18 transformadores desse tipo,
com potência individual de 500kVA e operando confinados em câmaras especiais na
tensão de 13,8kV e com saídas de 220/127V.
A rede elétrica subterrânea atenderá cerca de
650 consumidores, como grandes edifícios e
galerias, hotéis, bancos e lojas (Copel, 2006).
Desde 2005, o LACTEC vem desenvolvendo
projetos de pesquisa e de desenvolvimento
em parceria com a Copel, visando avaliar o
desempenho de transformadores preenchidos com OVI, tanto por meio de ensaios de
laboratório, como por avaliações periódicas
dos equipamentos instalados em campo.
CONCLUSÃO
O uso do OVI é uma realidade no setor
elétrico nacional. Seu uso em transformadores de distribuição está consolidado. O
uso em equipamentos de potência está sendo investigado por várias concessionárias
de energia e instituições de pesquisa. Com a
expansão de seu uso, o setor elétrico estará
contribuindo para a manutenção do meio
ambiente e para a sustentabilidade do país.
Agradecimentos
Ao CNPq, pela concessão da bolsa de
produtividade em pesquisa a Dra. Helena
Maria Wilhelm e ao PRODETEC.
* Helena Maria Wilhelm possui graduação em Química
pela Universidade Federal do Paraná, mestrado em
Química pela Universidade Federal de Santa Catarina e
doutorado em Química pela Universidade Estadual de
Campinas. Foi pesquisadora do Instituto de Tecnologia
para o Desenvolvimento. Atualmente é consultora da
empresa Mineraltec Tecnologia em Óleos Minerais,
professora do Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento de Tecnologia (PRODETEC) e de Engenharia
em Materiais (PIPE) da Universidade Federal do Paraná,
e coordenadora da Comissão de Estudos de Líquidos
Isolantes Sintéticos e Naturais (CE-03:010.02) do Comitê Brasileiro de Eletricidade, Eletrônica, Iluminação e
Telecomunicação (COBEI).
E-mail: [email protected]
** Luciane Túlio é engenheira química e pesquisadora do
Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC),
especialista em Engenharia de Materiais pela Universidade
Federal do Paraná e mestre pelo PRODETEC
E-mail: [email protected]
*** Wilson Uhren possui graduação em Engenharia
Elétrica pela Universidade Federal do Paraná, graduação
em matemática pela Pontifícia Universidade Católica
do Paraná, especialização em metodologia do ensino
superior pela Fundação de Apoio à Universidade do Rio
Grande do Sul, especialização em gerência de engenharia de manutenção pela Universidade Tecnológica do
Paraná (UTFPR) e mestrado pelo PRODETEC. Atualmente
é engenheiro eletricista da Companhia Paranaense de
Energia (COPEL).
E-mail: [email protected]
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