LÍQUIDOS ISOLANTES ELÉTRICOS, Pesquisas de Materiais. Universidade Regional de Blumenau (FURB)
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LÍQUIDOS ISOLANTES ELÉTRICOS, Pesquisas de Materiais. Universidade Regional de Blumenau (FURB)

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Estudo completo sobre todas as características dos líquidos isolantes utilizados para fins elétricos. Análise técnico-econômica e prática inclusa.
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Microsoft Word - MONOGRAFIA - LÓQUIDOS ISOLANTES

MARCELO JOSÉ GARCIA

LÍQUIDOS ISOLANTES ELÉTRICOS

Estudo comparativo das características físico-químicas, elétricas e aplicativas dos líquidos

isolantes elétricos, minerais e sintéticos para uso em transformadores de potência

Monografia apresentada ao Curso de Pós-

Graduação em Transformadores de Potência,

convênio FURB/WEG, Departamento de

Engenharia Elétrica, Centro de Ciências

Tecnológicas, Universidade Regional de Blumenau,

como requisito parcial à obtenção do título de

Especialista em Transformadores de Potência.

Orientador: Prof. Dr Eng. Eduardo Deschamps

BLUMENAU

2001

ii

TERMO DE APROVAÇÃO

LÍQUIDOS ISOLANTES ELÉTRICOS

Estudo comparativo das características físico-químicas, elétricas e aplicativas dos líquidos

isolantes elétricos, minerais e sintéticos para uso em transformadores de potência

Monografia aprovada com conceito A como requisito parcial para a obtenção do título de

Especialista em Transformadores de Potência, Centro de Ciências Tecnológicas,

Universidade Regional de Blumenau – FURB, pela Banca Examinadora formada pelos

professores:

Orientador: Prof. Eng. Dr. Eduardo Deschamps

Centro de Ciências Tecnológicas

Ms. Elisabeth Okada

Laboratório Químico WEG

Ms. Kátia Elisa de Castro

Laboratório Químico WEG

Blumenau, 25 de julho de 2001.

iii

DEDICATÓRIA

“Dedico este trabalho, a minha mãe Adelina, meu pai José, e principalmente, minha

esposa Rosana, pelo apoio e incentivo dados, e por serem as razões do meu viver, e minhas

maiores alegrias”.

iv

AGRADECIMENTOS

Agradeço a todos que direta ou indiretamente, me ajudaram na elaboração deste trabalho,

fornecendo informações sobre o presente conteúdo, em especial ao pessoal do LACTEC-Instituto

de Tecnologia para o Desenvolvimento, na pessoa do Sr. Romeu Granato.

Agradeço à FURB, especialmente, ao Prof. Dr. Eng. Eduardo Deschamps, orientador

deste trabalho, o qual contribuiu consideravelemente para este trabalho.

Agradeço ainda, à WEG pelo oportunidade disponibilizada para promover o crescimento

profissional e de conhecimento.

Agradeço também a Deus, pela força de vontade de vencer que tem me dado, para que eu

possa continuar, nesta dura jornada.

v

EPÍGRAFE

“O tempo se perde, em grande parte, quando não se faz nada; quando a mente divaga ou

não pensa. Tempo que se perde é vida estéril, que não merece sequer a honra de ser recordada.”

“Como as montanhas, o homem guarda dentro de si riquezas ignoradas, que haverá de

descobrir e utilizar se quiser alcançar os elevados fins destinados à sua existência.”

“O esforço é vida: é um constante provar a capacidade de produzir, de fazer, de realizar.”

González Pecotche

vi

SUMÁRIO

TERMO DE APROVAÇÃO ........................................................................................................ ii

DEDICATÓRIA ........................................................................................................................... iii

AGRADECIMENTOS ................................................................................................................. iv

EPÍGRAFE .................................................................................................................................... v

SUMÁRIO ..................................................................................................................................... vi

LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................... x

LISTA DE TABELAS .................................................................................................................. xi

RESUMO ...................................................................................................................................... xii

INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 1

LÍQUIDOS ISOLANTES ELÉTRICOS PARA TRANSFORMADORES ............................. 3

1 ESTUDO DAS PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS ISOLANTES .................................. 3

1.1 PROPRIEDADES FÍSICAS................................................................................................ 4 1.1.1 Massa volúmica (densidade volumétrica) ................................................................... 4 1.1.2 Condutividade térmica ................................................................................................. 5 1.1.3 Viscosidade cinemática ............................................................................................... 6 1.1.4 Ponto de escoamento (ponto de fluidez)...................................................................... 9 1.1.5 Ponto de fulgor .......................................................................................................... 10 1.1.6 Ponto de inflamação .................................................................................................. 11 1.1.7 Ponto de auto-ignição ................................................................................................ 12

1.2 PROPRIEDADES QÚIMICAS ......................................................................................... 12 1.2.1 Índice de neutralização (índice de acidez) ................................................................. 12 1.2.2 Tensão interfacial ...................................................................................................... 14 1.2.3 Teor de água .............................................................................................................. 16 1.2.4 Estabilidade à oxidação ............................................................................................. 23 1.2.5 Tendência à absorção de gases .................................................................................. 29 1.2.6 Teste de cloretos e sulfatos inorgânicos .................................................................... 30 1.2.7 Teste de enxofre corrosivo ........................................................................................ 30

vii

1.2.8 Coloração ................................................................................................................... 31 1.2.9 Índice de refração ...................................................................................................... 32

1.3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS........................................................................................ 32 1.3.1 Rigidez dielétrica ....................................................................................................... 32 1.3.2 Perdas dielétricas (fator de potência)......................................................................... 34 1.3.3 Resistividade volumétrica.......................................................................................... 38

1.4 INFLUÊNCIAS E VARIÁVEIS DAS CARACTERÍSTICAS .............................................. 39 1.4.1 Relação entre tg  e a resistividade ........................................................................... 39 1.4.2 Influência da água na rigidez dielétrica ..................................................................... 40 1.4.3 Influência de partículas sólidas na rigidez dielétrica ................................................. 42 1.4.4 Influência da temperatura na viscosidade .................................................................. 43 1.4.5 Influência da temperatura na absorção de água pelo dielétrico ................................. 44 1.4.6 Efeito da freqüência na tg  ....................................................................................... 45 1.4.7 Influência da intensidade do campo elétrico na tg  ................................................. 46 1.4.8 Interesse da medida da tg  e fatores influentes ........................................................ 47 1.4.9 Reatividade do dielétrico líquido com os materiais internos do transformador ........ 49

2 CARACTERÍSTICAS E ESTRUTURA DE UM LÍQUIDO ISOLANTE IDEAL ........ 50

3 ESTRUTURA DOS LÍQUIDOS ISOLANTES DISPONÍVEIS NO MERCADO .......... 54

3.1 ÓLEO MINERAL ISOLANTE .......................................................................................... 54 3.1.1 Óleo isolante mineral de origem naftênica (tipo A) .................................................. 56 3.1.2 Óleo isolante mineral de origem parafínica (tipo B) ................................................. 58

3.2 ÓLEO MINERAL DE ALTO PESO MOLECULAR (R-TEMP) ....................................... 58 3.2.1 Substituição do óleo mineral comum pelo óleo de alto ponto de fulgor ................... 59 3.2.2 Ensaios elétricos realizados ....................................................................................... 60

3.3 SILICONE ........................................................................................................................ 60

3.4 ASCAREL ......................................................................................................................... 62

3.5 ÉSTERES ORGÂNICOS ................................................................................................... 64

3.6 FLÚOR-CARBONO (FREON) ......................................................................................... 66

3.7 NOVOS TIPOS DE LÍQUIDOS ISOLANTES .................................................................. 68 3.7.1 Tetraclorobenziltolueno (Ugilec) .............................................................................. 68 3.7.2 Tetracloroetileno ........................................................................................................ 68

3.8 COMPARATIVO GERAL DAS CARACTERÍSTICAS APRESENTADAS ........................ 68

4 USO DAS CARACTERÍSTICAS PARA AVALIAÇÃO DO ÓLEO .............................. 71

4.1 LÍQUIDOS ISOLANTES NOVOS .................................................................................... 71 4.1.1 Ensaios comuns no recebimento (óleo mineral) ........................................................ 71 4.1.2 Rejeição de líquidos isolantes.................................................................................... 72

viii

4.1.3 Ensaios especiais (fluídos de segurança) ................................................................... 72

4.2 LÍQUIDOS ISOLANTES EM OPERAÇÃO ...................................................................... 72 4.2.1 Condições imediatas de isolamento, presença de água e contaminantes .................. 73 4.2.2 Aquecimento e/ou curto-circuito interno ................................................................... 73 4.2.3 Envelhecimento precoce ............................................................................................ 73 4.2.4 Prevenção de envelhecimento ................................................................................... 73

5 CRITÉRIOS PARA ESCOLHA DO TIPO DE LÍQUIDO ISOLANTE ......................... 74

5.1 ASPECTOS TÉCNICOS ................................................................................................... 74 5.1.1 Desempenho térmico ................................................................................................. 74 5.1.2 Limites de temperatura .............................................................................................. 75 5.1.3 Estabilidade térmica .................................................................................................. 76 5.1.4 Estabilidade à oxidação ............................................................................................. 76 5.1.5 Tendência à absorção de gases .................................................................................. 77 5.1.6 Desempenho elétrico ................................................................................................. 77 5.1.7 Desempenho funcional (desempenho global)............................................................ 77

5.2 ASPECTOS DE SEGURANÇA ........................................................................................ 78

5.3 ASPECTOS AMBIENTAIS ............................................................................................... 79

5.4 ASPECTOS PRÁTICOS ................................................................................................... 80 5.4.1 Restrição quanto ao uso ............................................................................................. 80 5.4.2 Uso mais freqüente .................................................................................................... 80 5.4.3 Miscividade ............................................................................................................... 81 5.4.4 Manutenção preventiva.............................................................................................. 81 5.4.5 Manutenção preditiva ................................................................................................ 82 5.4.6 Tratamento e recuperação de óleos minerais isolantes .............................................. 83

5.5 ASPECTOS ECONÔMICOS ............................................................................................ 84 5.5.1 Custo .......................................................................................................................... 84 5.5.2 Relação custo-benefício ............................................................................................. 84 5.5.3 Fornecedores .............................................................................................................. 85 5.5.4 Disponibilidade no mercado ...................................................................................... 85

5.6 APLICAÇÕES .................................................................................................................. 86 5.6.1 Local de instalação do transformador ........................................................................ 86 5.6.2 Limitação pela classe de tensão ................................................................................. 86

5.7 CONSIDERAÇÕES DE PROJETO DO TRANSFORMADOR ........................................ 86 5.7.1 Sistemas de resfriamento ........................................................................................... 87 5.7.2 Espaçadores das bobinas ........................................................................................... 87 5.7.3 Construção da parte ativa (núcleo e bobinas) ............................................................ 87 5.7.4 Construção do tanque ................................................................................................ 87

5.8 COMPARATIVO FINAL DE DESEMPENHO ................................................................ 88

5.9 GUIA DE SITUAÇÕES PRÁTICAS ................................................................................. 89

ix

6 TENDÊNCIAS ...................................................................................................................... 90

6.1 NOVOS MATERIAIS ........................................................................................................ 90

6.2 TRANSFORMADOR SECO ............................................................................................. 90

CONCLUSÃO .............................................................................................................................. 91

BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA ........................................................................................ 93

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................... 95

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Variação da viscosidade V, de óleos novos com a temperatura T ................................... 7

Figura 2: Teor de Água saturante S, em óleo novo em função da temperatura T ......................... 17

Figura 3: Solubilidade de Água S, em Óleo Isolante novo em função da temperatura ................. 17

Figura 4: Teor em água W, de um óleo isolante novo em função da umidade relativa do ar Ha,

em equilíbrio para várias temperaturas  ................................................................................ 19

Figura 5: Teor em água W, de um óleo novo em função da pressão parcial de vapor de água p,

para várias temperaturas ......................................................................................................... 22

Figura 6: Esquema de cadeia de reações de envelhecimento dos óleos isolantes ......................... 26

Figura 7: Diagrama vetorial das correntes num condensador com perdas ................................... 35

Figura 8: Relação entre a resistividade  e a tg  nos óleos isolantes ........................................... 40

Figura 9: Rigidez dielétrica E, de um óleo isolante novo em função de seu teor de água W ....... 42

Figura 10: Relação entre a tg  e a temperatura de medida , para vários óleo isolantes ............. 44

Figura 11: Variação da tg  de óleos isolantes com a freqüência f, do campo aplicado ............... 45

Figura 12: Evolução do valor da tg  em óleos isolantes com o tempo t, decorrido entre a

introdução do óleo na célula e o isolante da medida .............................................................. 48

Figura 13: Estrutura do tetraclorobenziltolueno ............................................................................ 51

Figura 14: Estrutura do poli(dimetilbenzilsiloxano) ..................................................................... 52

Figura 15: Estrutura de parafinas ou alcanos................................................................................. 54

Figura 16: Estrutura de naftenos ou ciclo-alcanos........................................................................ 55

Figura 17: Estrutura de aromáticos ............................................................................................... 55

Figura 18: Estrutura do óleo mineral de alto peso molecular (R-temp) ........................................ 59

Figura 19: Estrutura do silicone.................................................................................................... 62

Figura 20: Estrutura de um PCB ................................................................................................... 63

Figura 21: Estrutura de um policlorobenzeno ............................................................................... 63

Figura 22: Estrutura de um éster orgânico derivado do pentaeritrol ............................................. 65

Figura 23: Éster alifático ............................................................................................................... 66

Figura 24: Éster aromático ............................................................................................................ 66

xi

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Valores típicos de massa volúmica .................................................................................. 5

Tabela 2: Valores típicos de condutividade térmica ........................................................................ 6

Tabela 3: Valores típicos de viscosidade ......................................................................................... 8

Tabela 4: Valores típicos de ponto de escoamento ......................................................................... 9

Tabela 5: Valores típicos de ponto de fulgor ................................................................................. 11

Tabela 6: Valores típicos de ponto de inflamação ......................................................................... 11

Tabela 7: Valores típicos de ponto de auto-ignição ...................................................................... 12

Tabela 8: Valores típicos de índice de neutralização .................................................................... 14

Tabela 9: Valores típicos de tensão interfacial .............................................................................. 16

Tabela 10: Valores típicos de K e X .............................................................................................. 20

Tabela 13: Escala de tendência à absorção de gases ..................................................................... 30

Tabela 14: Padrão de cores segundo a ABNT .............................................................................. 31

Tabela 15: Valores típicos de índice de refração ........................................................................... 32

Tabela 16: Valores típicos de rigidez dielétrica ............................................................................ 33

Tabela 17: Valores típicos de fator de dissipação de perdas dielétricas ........................................ 38

Tabela 18: Valores típicos de resistividade volumétrica ............................................................... 39

Tabela 19: Comparativo de características de líquidos isolantes disponíveis X novos................ 53

Tabela 20 : Características típicas dos líquidos isolantes disponíveis............. Erro! Indicador não

definido.

Tabela 21 : Características típicas e compostos de flúor-carbono................................................. 67

Tabela 22: Comparativo geral das características apresentadas .................................................... 69

Tabela 23: Valores orientativos de preço de líquidos isolantes..................................................... 84

Tabela 24: Comparativo final de desempenho dos líquidos isolantes ........................................... 88

Tabela 25: Situações práticas para uso de líquidos isolantes elétricos .......................................... 89

xii

RESUMO

Os transformadores sofrem um razoável aquecimento devido às perdas, geradas no seu

interior, que precisam ser dissipadas; por outro lado o transformador precisa de um isolante

dielétrico, para se conseguir diminuir distâncias elétricas internas. E o elemento que tem estas

duas importantes funções, é o líquido isolante elétrico. Percebendo-se a importância deste, no

desempenho funcional do transformador, pode-se dizer que o líquido isolante tem influência

direta sobre a vida útil do transformador. Devido a esta importância, tem-se estudado muito sobre

as características dos mesmos. Assim, neste trabalho, serão analisadas e avaliadas todas estas

características e propriedades dos líquidos isolantes elétricos, bem como seus fatores influentes.

Após o estudo destas características, serão apresentadas algumas sugestões de critérios de escolha

dos líquidos isolantes. Há muitos anos, desde que se iniciou a fabricação de transformadores, vem

sendo utilizado o óleo mineral, que é largamente o mais utilizado, e apresenta ótimas

características de desempenho funcional. Com o passar dos anos, foram sendo desenvolvidos

líquidos isolantes especiais, principalmente os fluídos de segurança. Chegou a ser bastante

utilizado, no passado, o ascarel, que hoje em dia tem proibida a sua fabricação e utilização em

transformadores novos. Surgiu também o flúor-carbono (freon), que também encontra-se

proibido. Ambos foram proibidos por problemas de ordem ambiental, pois são considerados

extremamente tóxicos. Surgiram, ainda, outros líquidos, mais recentemente, que serão vistos,

adiante, os aspectos envolvidos. E tem-se a certeza que, em breve ter-se-á outros tipos de líquidos

isolantes disponíveis, que ainda serão desenvolvidos.

1

INTRODUÇÃO

Nos equipamentos elétricos em que se observa a geração de calor devido às perdas

elétricas e/ou naqueles onde existe a possibilidade de formação de arco voltáico entre os

condutores que apresentam uma diferença de potencial, torna-se necessária a presença de um

meio com características apropriadas para isolar e dissipar o calor gerado no interior do

equipamento. Os dielétricos líquidos para uso em transformadores devem possuir: baixo fator de

dissipação dielétrica, baixa viscosidade – para permitir uma fácil circulação, baixo ponto de

solidificação, elevado ponto de inflamação – ou mesmo não inflamável, pequena constante

dielétrica, pequena atividade química, baixo custo, entre outras.

O limitado número de tipos de dielétricos líquidos disponíveis no mercado é devido,

principalmente, à dificuldade de reunir todas estas características num único produto, não

atendendo uma ou outra característica no grau desejado – como é o caso dos óleos minerais

isolantes que possuem um ponto de inflamabilidade relativamente baixo. Além dos óleos

minerais isolantes, são também encontrados no mercado os fluídos de silicone e o óleo parafínico

de alto peso molecular (RTEmp). Um outro tipo também conhecido é o ascarel, entretanto, a sua

comercialização e uso foram proibidos a partir de janeiro de 1981.

Estes dielétricos líquidos não são usados totalmente puros, isso porque a redução do grau

de contaminação abaixo de determinado limite, além de ser inviável, também não pode ser

conseguido com os meios disponíveis nos ciclos normais de produção. Mesmo quase puros, os

dielétricos líquidos atingem valores desejados em suas características, satisfazendo, desta forma,

as exigências impostas para dielétricos a serem usados em transformadores. Por serem produtos

bastante suscetíveis a contaminações, deve-se tomar todo cuidado possível para se evitar estas

ocorrências, pois por menor que seja, serão observadas graves modificações nos valores das suas

características. Os principais meios de contaminação dos dielétricos líquidos utilizados em

2

transformadores são: pela introdução de partículas, água ou produtos que afetam negativamente

nas suas características; por formação de produtos contaminantes na interação com os materiais

construtivos, e por produtos formados pelo processo normal de envelhecimento do dielétrico

líquido.

Desta forma, neste estudo, serão apresentadas as principais características físico-químicas

que interessam no desempenho geral dos líquidos isolantes novos, além das características de

desempenho elétrico. Nesta apresentação detalhada das características, será buscado um razoável

entendimento quanto ao comportamento destas características, bem como fatores que influenciam

nas mesmas. Quanto aos líquidos isolantes em uso serão feitos apenas alguns comentários. A

seguir, será visto o comportamento desta características estudadas para cada tipo de líquido

isolante disponível no mercado. Serão apresentados também o que existe de líquidos novos,

alguns deles que estão sendo desenvolvidos, outros em fase de avaliação prática do desempenho.

Este trabalho tem por objetivo, fornecer subsídios para que, um profissional que trabalha

com especificação do tipo de líquido isolante elétrico a ser utilizado, faça a escolha mais

adequada, levando-se em conta aspectos de características físico-químicas e desempenho elétrico,

além de fatores como grau de segurança requerido pela instalação, custo do líquido isolante

elétrico, aspectos ambientais, aspectos de fornecimento, facilidades de manutenção, entre outros.

Para que seja atingido o objetivo deste trabalho de pesquisa, este será dividido em duas

partes: na primeira parte, serão analisadas com bastante detalhes as características e propriedades

dos líquidos isolantes, de forma geral; em seguida considerações sobre os líquidos isolantes

elétricos disponíveis no mercado, através de uma revisão bibliográfica. Na segunda parte, serão

sugeridos pelo autor deste trabalho, alguns critérios que podem ser utilizados para a escolha do

líquido isolante elétrico, tanto técnicos como práticos, aplicativos, considerações de mercado,

entre outros aspectos importantes.

3

LÍQUIDOS ISOLANTES ELÉTRICOS PARA TRANSFORMADORES

Estudo comparativo das características físico-químicas, elétricas e aplicativas dos líquidos

isolantes elétricos, minerais e sintéticos para uso em transformadores de potência

Então para facilitar o entendimento, será feita uma divisão por itens. No primeiro, será

realizado um estudo teórico isolado das propriedades dos líquidos isolantes; no segundo item, as

características e estrutura de um líquido isolante ideal, uma espécie de exercício teórico; no

terceiro item, a estrutura dos líquidos isolantes disponíveis no mercado; serão citados também o

que existe de líquidos novos, sendo desenvolvidos; no quarto item, será dado um apanhado geral

sobre o uso das características para avaliação do estado do óleo, seria uma espécie de catálogo de

consulta para quem trabalha com manutenção; no quinto item, serão sugeridos critérios para

escolha do tipo de líquido isolante, abordando desde aspectos técnicos, econômicos, práticos, até

critérios de projeto e questões ambientais.

1 ESTUDO DAS PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS ISOLANTES

As principais funções requeridas pelos líquidos isolantes para transformadores, são:

a) isolação: o aspecto mais importante, não esta essencialmente, na isolação das tensões

nominais, pois o próprio verniz ou recobrimento dos condutores, junto com os espaçadores

inter-espiras e inter-bobinas já seriam suficientes para tal. Desta forma a função de isolação, é

importante nas situações de surtos atmosféricos e de surtos de manobra, razão pela qual a

rigidez dielétrica do líquido isolante aos impulsos deve ser adequada às condições existentes

em serviço. Sendo que a característica de isolação é a mais importante de todas.

b) refrigeração: para que seja possível dissipar o calor gerado no interior dos enrolamentos e do

núcleo do transformador, para o meio externo, pela circulação do líquido isolante por entre os

canais de circulação e também pelos dispositivos dissipadores (radiadores).

c) estabilidade à oxidação: para que o líquido isolante não sofra a ação das elevadas

temperaturas, presença de oxigênio, contato com vários materiais de construção interna do

4

transformador, influência das diversas reações químicas (polimerização, condensação,

rupturas de cadeia), e conseqüente, envelhecimento precoce.

Um óleo isolante é especificado por um conjunto de características que têm por fim,

identificar o produto (características físico-químicas gerais), e descrever o seu comportamento

em serviço (características funcionais), isto é, as suas características como dielétrico e

refrigerante. Desta forma, para simplificar, estas características serão divididas da seguinte

maneira: propriedades físicas, químicas e elétricas.

1.1 PROPRIEDADES FÍSICAS

A seguir, serão detalhadas as características próprias do líquido isolante, como a massa

volúmica, que vem a ser uma característica visível, e por vezes serve apenas para conhecimento,

e uso grosseiro, por exemplo, no cálculo da massa total do líquido isolante. Uma avaliação das

características de refrigeração ou troca térmica dos líquidos isolantes pode ser realizada através

de propriedades físicas, tais como condutividade e viscosidade. Serão abordados ainda, questões

de temperaturas de serviço do transformador, que influencia no ponto de escoamento do fluído;

características de segurança, que influenciam em características de ponto de fulgor, inflamação e

auto-ignição.

1.1.1 Massa volúmica (densidade volumétrica)

A massa volúmica de um óleo isolante não deve ultrapassar um valor máximo para evitar

que a baixas temperaturas o gelo formado por água eventualmente presente no transformador

possa subir no seio do óleo (por virtude da impulsão sofrida por parte deste) indo alojar-se em

zonas sob tensão [1]. Este aspecto é particularmente importante em transformadores de medida,

que operam à temperatura ambiente.

Os hidrocarbonetos são menos densos que a água (à mesma temperatura) aumentando a

sua massa volúmica com o número de átomos de carbono crescente (dentro de cada tipo de

5

hidrocarbonetos). Para igual número de átomos de carbono os naftênicos são mais densos que os

parafínicos.

O conhecimento da massa volúmica dos óleos isolantes tem por vezes interesse comercial,

já que não é raro o fornecimento ser feito em unidades de volume e a faturação em unidades de

massa. O procedimento deste ensaio está descrito na norma da ABNT NBR-1748.

Por outro lado, esta característica poderá ter ainda outro interesse técnico, se bem que

apenas grosseiro, para verificação da regularidade de fornecimentos. Também costuma ser usado

para identificar o tipo de óleo, no caso de óleos minerais, se é de base naftênica (tipo A) ou base

parafínica (tipo B).

Tabela 1: Valores típicos de massa volúmica

LÍQUIDO

ISOLANTE

MASSA VOLÚMICA

A 25ºC

Óleo mineral A 0,861 a 0,900

Óleo mineral B 0,860

R-Temp 0,87

Ascarel 1,55

Silicone 0,96

Éster 0,98

1.1.2 Condutividade térmica

Trata-se da medida da capacidade de um material transmitir calor. É através dos líquidos

isolantes que o calor gerado pelo transformador, no interior das bobinas e núcleo, é dissipado

para o meio ambiente. A transferência de calor se dá através das vibrações moleculares e,

portanto, quanto mais polar o fluído, mais rígida será sua estrutura líquida, dificultando a

condutividade térmica.

6

Sendo a polaridade elétrica do óleo mineral nula e a do silicone e dos ésteres sintéticos

praticamente desprezíveis, estes fluídos apresentam condutividade térmica baixa. Esta, porém,

ainda é elevada se comparada à do ascarel, que possui uma polaridade relativamente alta.

Esta característica não é um fator limitante, mas deve ser considerada no projeto do

equipamento.

Tabela 2: Valores típicos de condutividade térmica

Líquido Condutividade térmica

(W/(m°C) a 25°C)

Condutividade térmica [10]

(cal/(seg cm2°C)/cm a 25°C)

Óleo mineral 0,13 2,9 . 10-4

R-Temp 0,13 3,0 . 10-4

Ascarel 0,09 2,8 . 10-4

Silicone 0,14 3,6 . 10-4

Éster 0,15 ---

1.1.3 Viscosidade cinemática

Exige-se de um óleo isolante para transformadores que a sua viscosidade não ultrapasse

um certo valor máximo, para que a sua circulação se dê ainda em boas condições mesmo a baixas

temperaturas, de modo a garantir uma boa evacuação do calor produzido pelas perdas no

transformador.

A viscosidade varia em função do peso molecular e da interação molecular nos líquidos

isolantes; portanto, quanto maior o tamanho das moléculas e maior sua polaridade, maior será sua

viscosidade. (Note-se que esta regra é muito grosseira, pois não leva em conta a isometria). Um

líquido isolante adequado deve permitir uma fácil convecção do óleo no interior do

transformador, a fim de facilitar a troca térmica do mesmo com o meio ambiente.

Na prática não se podem, no entanto, produzir óleos com viscosidades arbitrariamente

baixas, posto que a introdução de hidrocarbonetos de baixas massas moleculares iria afetar

7

desfavoravelmente outras características (como por exemplo, ponto de inflamação, estabilidade à

oxidação, etc.)

Nos países de climas frios é costume as especificações contemplarem óleos especialmente

fluídos, particularmente para utilização em disjuntores e transformadores de medida, isto é,

equipamentos em que o óleo se encontra praticamente à temperatura ambiente.

A viscosidade dos óleos é uma grandeza que depende fortemente da temperatura, sendo a

correspondente lei da variação extremamente complexa: designando por V a viscosidade

cinemática (em cSt) e T a temperatura absoluta (em K), a lei de variação V-T é uma reta [1]

quando representada num diagrama de coordenadas proporcionais a:

y = ar sh ln V (1.1)

x = log T V (1.2)

A – Limite superior para óleos de classe I segundo CEI

B ... G –Diversos óleos do mercado

Figura 1: Variação da viscosidade V, de óleos novos com a temperatura T ( Fonte: [1] )

8

Medidas laboratoriais feitas pelo EFACEC, renomado laboratório de pesquisas da área,

localizado em Portugal, sobre vários óleos isolantes do mercado confirmam este fato e mostram

que, para os diversos óleos a inclinação das “retas V-T” é aproximadamente constante. (ver

figura 1)

Assim se compreende que a viscosidade de um líquido isolante seja sempre especificada a

pelo menos duas temperaturas diferentes.

É freqüente as normas especificadoras contemplarem várias classes de óleos [1] que se

distinguem justamente pelos valores de viscosidade, o que por seu turno acarreta diferenças

noutras características, em particular ponto de inflamação e ponto de escoamento.

A viscosidade do óleo mineral é a mais baixa de todos o fluídos, seguida do éster, do R-

temp e do silicone. A viscosidade do ascarel pode ser modificada através da adição de um

solvente como o triclorobenzeno.

A baixa viscosidade do óleo mineral, aliada à condutividade térmica próxima à dos outros

líquidos, permite que menor volume de óleo seja utilizado para a refrigeração de equipamentos,

tornando-os mais compactos e, portanto, mais baratos [3].

Os valores mais críticos de viscosidade são do R-Temp, do ascarel e do silicone. Neste

caso, o projeto do transformador deve prever maior área de troca térmica.

Tabela 3: Valores típicos de viscosidade

LÍQUIDO ISOLANTE VISCOSIDADE

(cSt) a 40°C

VISCOSIDADE

(cSt) a 100°C

Óleo mineral 11 3

R-Temp 140 14

Ascarel Ver obs. abaixo Ver obs. abaixo

Silicone 40 17

Éster 33 6

9

OBS.: Para o ascarel, por não ser possível aquecê-lo, usa-se a viscosidade somente a

25ºC, que tem como um valor típico 15 cSt.

1.1.4 Ponto de escoamento (ponto de fluidez)

Como já citado anteriormente, os óleos isolantes não são compostos puros, e por isso não

apresentam um ponto de solidificação bem definido. Define-se assim outra grandeza, o ponto de

escoamento, que é a temperatura mais alta em que, em determinadas condições, uma amostra de

óleo deixa de escorrer. Esse ponto corresponde aproximadamente à temperatura a que se começa

a verificar a primeira formação de sólidos. A presença de tais sólidos pode ter influência

desvantajosa sobre as propriedades isolantes (rigidez dielétrica, fator de perdas dielétricas) do

produto, pelo que interessa que os óleos apresentem um baixo ponto de escoamento,

particularmente nas utilizações em que o óleo esteja praticamente à temperatura ambiente

(transformadores de medida e disjuntores). Além disso, o ponto de escoamento dá uma indicação

da temperatura abaixo da qual já não é possível remover o óleo do recipiente em que se encontra

por simples escoamento.

Também esta característica não é independente da viscosidade: em princípio, quanto mais

fluído é um óleo menor é o seu ponto de escoamento.

Tabela 4: Valores típicos de ponto de escoamento

LÍQUIDO ISOLANTE PONTO DE

ESCOAMENTO (°C)

Óleo mineral A -39

Óleo mineral B -12

R-Temp -24 [9]

Ascarel Ver obs. Abaixo

Silicone -50 [10]

10

OBS.: Para o ascarel o ponto de escoamento pode variar de –14 a –44ºC, dependendo da

composição química do mesmo.

1.1.5 Ponto de fulgor

O ponto de fulgor indica a concentração de compostos leves presentes no líquido isolante.

Esta propriedade está relacionada com o peso molecular e com os elementos químicos

constituintes da molécula. É a menor temperatura na qual se observa o aparecimento de uma

faísca instantânea, durante o aquecimento do líquido isolante, quando submetido a uma chama.

Seu método de ensaio está definido pela norma da ABNT NBR-11341.

O óleo mineral apresenta o menor ponto de fulgor entre os líquidos utilizados em

transformadores, pois possui o menor peso molecular e é formado basicamente por carbono e

hidrogênio, que propiciam a reação de combustão. O R-Temp também é formado basicamente

por carbono e hidrogênio, porém seu peso molecular é maior que o óleo mineral, o que lhe

confere um valor de ponto de fulgor mais elevado. O silicone e o éster possuem peso molecular

inferior ao do R-Temp, porém possuem menor quantidade de carbono na molécula, além de

apresentarem outros elementos que não permitem reações de combustão, conferindo-lhes um

elevado ponto de fulgor. O ascarel não apresenta ponto de fulgor, pois tanto o triclorobenzeno

como as policlorobifenilas não são inflamáveis.

Todos os líquidos citados, com exceção do óleo mineral isolante, possuem alto ponto de

fulgor, o que possibilita o uso em instalações abrigadas, onde os riscos de incêndio e explosão

devem ser minimizados. Por isso, são denominados de fluídos de segurança.

11

Tabela 5: Valores típicos de ponto de fulgor

LÍQUIDO ISOLANTE PONTO DE FULGOR (°C)

Óleo mineral 140

R-Temp 284

Ascarel Ver obs. abaixo

Silicone 300

Éster 250

1.1.6 Ponto de inflamação

É a menor temperatura na qual se observa a queima do líquido isolante durante, no

mínimo, cinco segundos. Por razões de segurança, o ponto de inflamação dos óleos não deverá

situar-se abaixo de um valor mínimo. Além disso, é uma medida grosseira para a volatilidade do

óleo (isto é, a pressão de vapor), já que o ponto de inflamação é tanto maior quanto menos volátil

for o óleo. Esta característica não é totalmente independente da viscosidade. Em geral, quanto

menos viscoso for um óleo menor será o seu ponto de inflamação e vice-versa [3].

Tabela 6: Valores típicos de ponto de inflamação

LÍQUIDO ISOLANTE PONTO DE INFLAMAÇÃO (°C)

Óleo mineral 160

R-Temp 312

Ascarel Ver obs. abaixo

Silicone 340

.

12

1.1.7 Ponto de auto-ignição

É a menor temperatura na qual se observa a queima do líquido isolante apenas devido ao

aquecimento do mesmo, sem a presença de fogo algum [10].

Tabela 7: Valores típicos de ponto de auto-ignição

LÍQUIDO ISOLANTE PONTO DE AUTO-IGNIÇÃO (°C)

Óleo mineral 332

R-Temp 540

Ascarel Ver obs. abaixo

Silicone 430

OBS.: Não é possível de se determinar os pontos de fulgor, inflamação e auto-ignição do

ascarel, pois este, não queima, porém o processo de aquecimento produz gases tóxicos e nocivos.

1.2 PROPRIEDADES QÚIMICAS

Através de propriedades químicas, tais como índice de neutralização, tensão interfacial,

teor de água, estabilidade à oxidação e tendência à absorção de gases, pode-se avaliar a

estabilidade química dos líquidos. Serão abordadas também algumas outras características mais

simples, de uso mais grosseiro, que vêm a ser os testes de cloretos e sulfatos inorgânicos e

enxofre corrosivo, coloração e índice de refração que vão dar uma idéia mais geral da qualidade

do líquido isolante, portanto, não podendo serem determinantes, sendo usados apenas como

orientativos.

1.2.1 Índice de neutralização (índice de acidez)

O índice de neutralização determina a concentração de compostos de caráter ácido

presentes no líquido isolante, proveniente de contaminação ou da decomposição do óleo durante

sua utilização. Esses compostos, a partir de certa concentração, são indesejáveis, pois reagem

13

com materiais de construção do transformador, principalmente com o papel e a madeira

(isolamentos sólidos) e ainda polimerizam-se, formando borra. Esta, ao se depositar sobre a parte

ativa ou nos trocadores de calor, dificulta a transferência de calor para o meio ambiente,

diminuindo a vida útil dos transformadores [3].

Os ácidos constituem justamente um tipo de substância cuja presença é apenas tolerada

em muito pequenas quantidades – a acidez normalmente admitida nas especificações para óleos

isolantes novos corresponde a cerca de 1 e 2 moléculas de ácido por cada 10 “moléculas de

óleos”, o que corresponde aproximadamente ao limite de detecção dos métodos vulgares de

determinação de acidez de óleos minerais.

A presença de ácidos nos líquidos isolantes é indesejada pois se trata de substâncias de

atividade química relativamente elevada. A sua presença pode provocar o ataque aos diversos

materiais de construção utilizados nos transformadores, em particular os metais, com conseqüente

formação de produtos que podem piorar consideravelmente as características dielétricas do óleo,

que por sua vez são já afetadas pela simples presença de substâncias ácidas.

Em princípio os ácidos que poderão estar presentes num óleo mineral novo são de duas

origens: ácidos orgânicos, quer provenientes já do petróleo bruto, quer formados durante certos

processos de refinação, e ácidos inorgânicos resultantes de uma deficiente eliminação própria dos

processos de refinação (segundo os processos tradicionais de refinação há uma fase em que o

óleo é tratado com ácido sulfúrico).

Assim se compreende que certas normas, especialmente as mais antigas, especifiquem

dois valores máximos para a acidez: a acidez inorgânica, que deve ser nula (por vezes assinalada

pela abreviatura SAN, “strong acid number”) e a acidez total que compreende pois o conjunto

dos ácidos orgânicos e inorgânicos (por vezes assinalada pela abreviatura TAN, “total acid

number”).

Hoje em dia já não se especifica normalmente uma acidez inorgânica; por outro lado

especifica-se um valor suficientemente baixo para a acidez total que, de acordo com a

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