DegradaçÃo do papel isolante em óleo vegetal isolante



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DEGRADAÇÃO DO PAPEL ISOLANTE EM ÓLEO VEGETAL ISOLANTE

H. M. Wilhelma; M. B. C. Stoccoa; A. Cabrinoc; P. Fernandesa



aRua México, 1053, Curitiba – PR, CEP: 82510-060 helenaw@diagno.com.br

aDiagno Materiais e Meio Ambiente e Análises Químicas LTDA.

cElektro – Eletricidade e Serviços S.A

RESUMO
O objetivo da pesquisa é avaliar a migração da umidade do papel isolante para o óleo vegetal isolante (OVI) e a possível reação de esterificação entre a celulose e os ácidos graxos formados na degradação do OVI. O OVI utilizado foi o BIOVOLT A na presença de cobre e papel Kraft neutro e termoestabilizado. Ensaios de envelhecimento acelerado foram realizados. As amostras tiveram o teor de água determinado por uma nova metodologia desenvolvida para o OVI, pois até então a técnica utilizada é a normatizada para óleo mineral isolante (OMI). As amostras passaram por ensaios de determinação do grau de polimerização (GP). Os resultados obtidos demonstraram o aumento da umidade no OVI, indicando que o óleo BIOVOLT A mostrou-se eficiente na remoção de água dos papéis Kraft, e o decréscimo do GP da celulose.
Palavras-chave: Óleo vegetal isolante, Papel isolante, Biovolt A, migração da umidade.
INTRODUÇÃO
Os transformadores elétricos tem um sistema de isolamento constituído por um líquido isolante e uma isolação sólida, o papel Kraft. O OMI vem sendo largamente utilizado como fluido isolante e refrigerante por mais de um século devido à sua grande disponibilidade, baixo custo e por apresentar ótimas características dielétricas e refrigerantes.

O OMI, por ser um derivado do petróleo, pode provocar impactos ambientais graves no caso de acidentes com vazamentos ou derramamentos, além de ter sua disponibilidade questionável devido à crise de escassez de petróleo que assola o mundo. Visando minimizar estes problemas, novos fluidos isolantes vêm sendo desenvolvidos à base de ésteres vegetais, chamados de óleos vegetais isolantes (OVIs) que apresentam características biodegradáveis, renováveis e de fluidos de segurança.

Devido sua composição química, os ésteres naturais apresentam maior afinidade com a água se comparados ao OMI, o que pode lhes conferir a propriedade de "secar" a celulose que compõe o papel Kraft isolante (1).

O envelhecimento da isolação sólida é um processo acelerado pelos efeitos combinados de temperatura, umidade e oxigênio. A umidade é, então, um agente poderoso no envelhecimento precoce do papel, pois, promove a degradação da celulose com consequente perda da sua massa molar. Remover o máximo de umidade pelo emprego de métodos de secagem é uma das metas dos fabricantes de transformadores (1).

Segundo WILHELM e colaboradores a migração da umidade do papel para o OVI é um dos parâmetros que deve ser considerado na avaliação da extensão da vida útil do papel isolante. Não existem dados na literatura, até o presente, comprovando a taxa de migração da umidade presente no papel isolante para o óleo vegetal isolante em função da temperatura e do tempo (2).

A literatura também reporta que uma das principais vantagens do OVI frente ao OMI é a ocorrência de uma reação de esterificação da celulose presente no papel Kraft com os produtos de oxidação do OVI (3-6). Segundo fabricantes de OVI esta reação é responsável pela extensão da vida útil do transformador de 2 a 10 vezes a mais em comparação ao equipamento isolado com OMI. A comprovação desta reação de transesterificação, na literatura, se deu em condições atípicas de operação de um transformador. Resta investigar se essa reação ocorre de fato em condições normais de operação e qual é a sua dependência com a temperatura e o tempo (7) (8).

Elucidar essas questões é um dos objetivos dessa pesquisa desenvolvida pela ELEKTRO em parceria com o DIAGNO.
MATERIAIS E MÉTODOS
Adaptação do método de determinação de teor de água em fluidos vegetais isolantes
A norma ABNT NBR 5758 para determinação do teor de água contemplada na norma ABNT NBR 15422 (que trata da especificação de fluido vegetal isolante), é empregada com sucesso para o OMI. Porém para o OVI, viram-se necessárias algumas adaptações e considerações para obtenção de um resultado mais efetivo: Mudança da quantidade volumétrica de óleo isolante utilizada no ensaio: para o OMI, a norma recomenda 3 mL do fluido isolante. Este volume foi alterado para 5mL no caso do OVI; mudança do tempo de extração do óleo no equipamento Karl Fischer de 30s para 60s; número máximo de análises utilizando a mesma Solução Karl Fischer igual a 10 ensaios; não reaproveitamento da Solução Karl Fischer para ensaios com OVI e OMI.
Adaptação do método de determinação de teor de água em materiais celulósicos isolantes
O método “D” da norma ASTM 3277:1995, norma esta não mais vigente, foi usado como base para o desenvolvimento da metodologia para a determinação da umidade nos papeis isolantes.

Os parâmetros utilizados nestes ensaios são: quantidade mássica de papel isolante utilizada no ensaio igual a 2,0±0,5 g; papel isolante picado em pequenos pedaços, com área por pedaço de aproximadamente 1 cm2; tempo de extração do papel no equipamento Karl Fischer igual a 15 min; número máximo de análises utilizando a mesma Solução Karl Fischer e mesmo tipo de papel igual a 10 ensaios; não reaproveitamento da Solução Karl Fischer para ensaios com outros papéis impregnados em OVI ou OMI.


Ensaios de envelhecimento acelerado em laboratório
Foram realizados envelhecimentos acelerados a 140 oC, com base no apêndice A do guia da IEEE ANSI C57.100:1992, com o intuito de verificar a migração da água do papel isolante para o OVI e investigar a ocorrência da reação de esterificação na superfície do papel. As proporções adotadas entre BIOVOLT A e papel nos experimentos realizados foram baseadas na real proporção que um transformador apresenta de isolante líquido e de isolação sólida (10:1, m/m). O envelhecimento foi conduzido na presença de cobre metálico, cuja quantidade adicionada também seguiu a mesma proporção utilizada em um transformador, 20 cm2 de superfície de contato para cada 1 g de isolação sólida.

Estes materiais foram acondicionados em frascos de aço inox com tampa esmerilhada de acordo com a Fig. 1: Materiais utilizados no ensaio de envelhecimentoFig. 1: Materiais utilizados no ensaio de envelhecimento. Foi borbulhado gás nitrogênio no óleo para a retirada de oxigênio. Cada tubo foi cheio com OVI BIOVOLT A com 500 ppm de água e inserido o cobre. Foi utilizado papel Kraft neutro e papel Kraft Termoestabilizado.

Fig. 1: Materiais utilizados no ensaio de envelhecimento acelerado.

Ao término do envelhecimento, que teve duração de 360 h, foi determinado o teor de água nos óleos pelo método Karl Fischer (ABNT NBR 5758) e nos papéis isolantes (metodologia adaptada da norma ASTM 3277).

Os papéis Kraft e Termoestabilizado tiveram determinados o Grau de Polimerização (GP) de acordo com a norma ABNT NBR 8148.


RESULTADOS E DISCUSSÃO
Adaptação do método de determinação de teor de água em fluidos vegetais isolantes
Por se tratar de um líquido isolante relativamente novo no mercado, o OVI não possui normatização própria que abranja todos os ensaios necessários para sua completa caracterização. Os ensaios utilizados são, na sua grande maioria, os ensaios padrões usados na caracterização do OMI.

O método para determinação do teor de água no OMI que vem sendo aplicado para o OVI apresentou valores com desvio padrão muito altos, o que caracteriza respostas aos ensaios com pouca confiabilidade.

A padronização do método consiste indicar a massa a ser analisada no aparelho Karl Fischer como a correspondente a 5 mL de OVI e aumentar o tempo de extração para 60 s.

O OVI apresenta uma afinidade com a água muito maior que o OMI. Esta característica hidrófila deste isolante é constatada na diferença média do teor de água nestes dois tipos de fluidos isolantes, enquanto o OMI, segundo a resolução n˚36 da ANP, deve apresentar valor máximo de teor de água de 35 ppm, o OVI tem como parâmetro máximo o valor igual a 200 ppm, estipulado na ABNT NBR 15422.

Por esta maior quantidade de umidade no OVI, faz-se necessário o aumento da amostragem (de 3 mL do OMI para 5 mL do OVI) e o dobro do tempo de extração.

Devido a maior miscibilidade do OVI na solução Karl Fischer do que no OMI, o indicado é realizar, no máximo 10 ensaios de OVI e, após, trocar a solução de Karl Fischer. A grande diferença do método para OVI e OMI provém da densidade dos mesmos comparada à densidade da solução de Karl Fischer. O OMI apresenta densidade menor que a solução, logo o OMI, após descanso da solução se acumula na camada superior, enquanto o OVI por ser mais denso que a solução, decanta no frasco. Este fato é de suma importância na predileção que a mesma solução de Karl Fischer não pode ser usada para os dois tipos de óleo.

Os resultados alcançados mostrados na Fig. 2: Teor de água de amostras de OVI de acordo com a norma ABNT NBR 5758 e com modificações sugeridas e desvio padrão dos resultados obtidos apresentaram desvio padrão mínimos, com total repetitividade, o que torna a técnica confiável.

Fig. 2: Teor de água de amostras de OVI de acordo com a norma ABNT NBR 5758 e com modificações sugeridas e desvio padrão dos resultados obtidos.



Adaptação do método de determinação de teor de água em materiais celulósicos isolantes
A Fig. 3: Teor de água e desvio padrão de resultados nas amostras de Papel isolante Kraft neutro e papel isolante Kraft termoestabilizado de acordo com as adaptações realizadas na norma ASTM 3277 mostra os resultados de repetitividade dos ensaios de determinação do teor de água no papel Kraft e papel Kraft termoestabilizado adotando a metodologia desenvolvida.

Fig. 3: Teor de água e desvio padrão de resultados nas amostras de Papel isolante Kraft neutro e papel isolante Kraft termoestabilizado de acordo com as adaptações realizadas na norma ASTM 3277.


Ensaios de envelhecimento acelerado em laboratório
Devido a sua natureza química, o óleo vegetal pode apresentar dez vezes mais moléculas de água na sua composição que o óleo mineral. A umidade é tida como inimigo número um da isolação sólida do transformador (5). Por causa da sua grande capacidade de saturação de água e outras características químicas, o óleo vegetal isolante pode prolongar a vida útil do papel isolante absorvendo a água do papel.

Esta transferência das moléculas de água do papel isolante para o BIOVOLT A pôde ser comprovada nos ensaios de envelhecimento acelerado realizados a 140 °C por 360 h, cujos resultados estão apresentados na . Pode-se observar uma diminuição do teor de água nos papéis Kraft neutro e Kraft termoestabilizado e um aumento na quantidade de água no BIOVOLT A.

Fig. 4: Teor de água no óleo isolante após envelhecimento acelerado a 140 oC.


Os dados obtidos para os ensaios de Grau de Polimerização GP estão dispostos na Fig. 5.

Figura 5: Grau de Polimerização nos papéis isolantes após envelhecimento acelerado a 140 oC.


Os valores do grau de polimerização de todas as amostras apresentaram um comportamento de diminuição do GP proporcional ao tempo de envelhecimento. Este fato indica que houve a degradação do papel, ficando os valores do papel termoestabilizado abaixo do permite pela norma, onde o valor mínimo de um papel utilizável é igual a 200.
CONCLUSÃO
O procedimento descrito na norma ABNT NBR 5758 precisa ser revisado e adaptado para análise do teor de água em óleos vegetais isolantes.

A água migra preferencialmente do papel isolante para o óleo BIOVOLT A.



Estudos adicionais estão sendo realizados neste projeto para correlacionar a diminuição do GP do papel isolante com a provável reação de esterificação entre a celulose e o ácido graxo livre do OVI.
REFERÊNCIAS


  1. WILHELM, H.M.; STOCCO, M.B.C; GALDEANO, C.A; et. al. Avaliação da extensão da vida útil do papel kraft isolante em ésteres naturais; XXI SNPTEE - Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica; Florianópolis: 2011.

  2. WILHELM, H.M.; GRANATO, R.C.; TÚLIO, L.; et. al. Aspectos relacionados com a utilização de óleo vegetal isolante no Brasil; IV WORKSPOT - International Workshop on Power Transformers; Recife: 2006.

  3. RAAP, J. L. K, McSHANE, C. P., CORKRAN, J. L., GAUGER, G.A., LUKSICH, J. Aging of paper insulation in natural ester dielectric fluid. IEEE/PES Transmission & Distribution Conference & Exposition. Atlanta, nov, 2001.

  4. RAAP, J. L. K., McSHANE, C. P., CORKRAN, J. L., GAUGER, G. A., LUKSICH, J. Aging of paper insulation in natural ester dielectric fluid. Proceedings of 14th International Conference on Dieletric Liquids (ICDL). Austria, jul, 173-177, 2002.

  5. RAAP, J. L. K., McSHANE, C. P., LUKSICH, J. Interaction mechanisms of natural ester dielectric fluid and Kraft paper. 15th International conference on dielectric liquids, Coimbra, Portugal, Jun, 2005.

  6. CLAIBORNE, C. C., CHERRY, D. B. A status update on the use of natural ester (vegetable oil) dielectric fluids in transformers. Doble, 2006.

  7. MARTINS, M. M.; Óleo Vegetal Isolante Envirotemp® FR3™ e sua Influência no Envelhecimento de Transformadores: Superação de Equipamentos – Aspectos conceituais, critérios e procedimentos. Cigré Brasil, Cepel. Rio de Janeiro, 2008.

  8. MENDES, J. C.; Biotemp®: Óleo Vegetal da ABB – Aplicação em Transformadores de potência em alta tensão; Workshop: Superação de Equipamentos – Aspectos conceituais, critérios e procedimentos. Cigré Brasil, Cepel. Rio de Janeiro, 2008.


DEGRADATION OF INSULATING PAPER IN INSULATING VEGETABLE OIL
ABSTRACT
The joint research project of Diagno and Elektro aims to evaluate the migration of moisture and the occurrence of esterification reactions between cellulose and the fatty acids produced by degradation of VIO. For this purpose, accelerated aging tests were carried out in the laboratory. The VIO used was Biovolt A, in the presence of copper and neutral and thermostabilized kraft paper. The water content of both the VIO and the insulating paper were measured by a new method developed in this study, due to the inexistence of a specific standard for this fluid (previous studies have used the standard established for mineral oils). The paper samples were tested to determine their degree of polymerization. The results obtained demonstrated an increase in moisture of the VIO, indicating that the Biovolt A oil is efficient in removing water from both neutral and thermostabilized kraft paper; and a decrease in the degree of polymerization of the cellulose.


Key words: insulating vegetable oil, insulating paper, Biovolt A, migration of moisture.



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