GUSTAVO ALVES ANTONELLI

Anlise de Mtodos de Secagem de

Transformadores de Potncia

So Carlos

2013

GUSTAVO ALVES ANTONELLI

Anlise de Mtodos de Secagem de

Transformadores de Potncia

Trabalho de Concluso de Curso apresentado

Escola de Engenharia de So Carlos, da

Universidade de So Paulo

Curso de Engenharia Eltrica com nfase em

Sistemas de Energia e Automao

ORIENTADOR: Prof. Jos Carlos de Melo Vieira Jnior

So Carlos

2013

Dedicatria

Aos meus pais Luis Carlos e Mariana, minha irm

Laura, meu irmo Frederico e minha namorada

Luciana com todo amor.

Agradecimentos

Aos companheiros da Companhia de Transmisso de Energia Eltrica

Paulista (CTEEP), em especial ao Carlos Guilherme Gonzales, pela orientao e

superviso do trabalho.

A Luciana, por todo amor, carinho, pacincia e ajuda durante a elaborao

desse projeto.

A todos os meu amigos de turma pelo apoio nos momentos difceis durante o

curso, e tambm os bons momentos vividos.

Ao Professor Jos Carlos de Melo Vieira Jnior, pela orientao, ateno,

apoio e incentivo na elaborao do trabalho.

A todos os professores e funcionrios do Departamento de Engenharia

Eltrica, que colaboraram durante minha graduao.

Ao Departamento de Engenharia Eltrica da Escola de Engenharia de So

Carlos (EESC) Universidade de So Paulo.

A Deus, por toda minha famlia e amigos.

SUMRIO

1 INTRODUO .................................................................................................................... 1

1.1 Objetivos ...................................................................................................................... 2

1.2 Organizao do Trabalho ............................................................................................. 2

2 TRANSFORMADORES ...................................................................................................... 3

2.1 Partes de um Transformador ........................................................................................ 3

2.1.1 Parte Ativa ............................................................................................................. 3

2.1.2 Buchas ................................................................................................................... 5

2.1.3 Tanque .................................................................................................................. 7

2.1.4 Radiadores ............................................................................................................ 8

2.1.5 leo Isolante .......................................................................................................... 9

2.1.6 Papel Craft ........................................................................................................... 11

2.2 Defeitos em Transformador ........................................................................................ 12

3 UMIDADE ......................................................................................................................... 15

3.1 Mtodos de Ingresso de Umidade .............................................................................. 15

3.2 Principais Problemas Causados pela Umidade .......................................................... 17

3.3 Mtodos de Medio de Umidade Interna de Transformadores ................................. 20

4 MTODOS DE SECAGEM DE TRANSFORMADORES ................................................... 23

4.1 Secagem Energizada ................................................................................................. 23

4.1.1 Mtodo de Circulao de leo Quente ................................................................ 23

4.1.2 Mtodo de Filtro Absorvente ................................................................................ 25

4.2 Secagem desenergizada ............................................................................................ 26

4.2.1 Mtodo por Alto Vcuo......................................................................................... 26

4.2.2 Mtodo de Circulao de leo Quente Desenergizado........................................ 28

4.2.3 Mtodo por asperso de leo Quente ................................................................. 30

4.2.4 Mtodo criognico ................................................................................................ 31

4.2.5 Mtodo por Vapor Phase ..................................................................................... 32

4.2.6 Mtodo por circulao de corrente com baixa frequncia(LFH) ........................... 33

5 AVALIAO DOS MTODOS UTILIZADOS E PROPOSTA DE MELHORIA ................... 35

5.1 Propostas De Melhoria Para o Mtodo De Alto Vcuo ............................................ 32

5.2 Propostas De Melhoria Para o Mtodo De Circulao De leo Quente .................. 32

6 CONCLUSO ................................................................................................................... 41

Resumo

Antonelli, G. A. (2013) Anlise de Mtodos de Secagem de Transformadores de Potncia.

So Carlos, 2013. Trabalho de Concluso de Curso Escola de Engenharia de So Carlos,

Universidade de So Paulo.

Os transformadores so um dos principais equipamentos no contexto dos Sistemas Eltricos

de Potncia (SEP). Assim, o estudo de tcnicas de manuteno deste equipamento

importante para aumentar seu tempo de funcionamento e confiabilidade. A umidade interna

nos transformadores um grave problema, j que alm de possibilitar falhas eltricas dentro

do transformador, acelera o processo de envelhecimento diminuindo a vida til do

equipamento. Dessa forma a secagem de transformadores uma tcnica importante para

garantir a longevidade dos mesmos, sendo a nica tcnica utilizada para aumentar a vida

til da isolao slida. Portanto o objetivo desse trabalho estudar as tcnicas de secagem

alm de avaliar as duas tcnicas utilizadas na Companhia de Transmisso de Energia

Eltrica Paulista (CTEEP), e aps essa anlise propor melhorias prticas para os mtodos

avaliados.

Palavras-Chaves: Sistema eltrico de Potncia (SEP), Secagem, Transformadores,

Manuteno Preditiva, Umidade.

Abstract

Antonelli, G. A. Analysis of Power Transformers Drying Methods. End of Course Project

Engineering School of So Carlos, University of So Paulo.

The transformers are one of the most important equipment of electric power systems (EPS).

Thus, the study of maintenance techniques is important to increase their lifetime and

reliability. The indoor humidity in transformers is a serious problem, because it causes

electrical faults within the transformer, accelerates the aging process and decreases their life

time. Therefore, drying the transformer is an important technique to ensure its longevity, and

it is the only technique used for extending the useful life of the solid insulation. In this context,

this work aims at studying the drying techniques and at evaluating the two techniques used

in Company Electrical Energy Transmission Paulista (CTEEP), and after this study we

propose practical improvements to the methods evaluated.

Keywords: Electrical Power System (EPS), Drying, Transformers, Predictive Maintenance,

humidity.

1

1 INTRODUO

Este trabalho de concluso de curso vem abordar a importncia da secagem de

transformadores, com nfase nos de transmisso de energia que trabalham com potncias e

tenses elevadas.

Os transformadores de potncia so fundamentais para o sistema eltrico, pois

permitem a elevao da tenso gerada nas usinas, a transmisso e distribuio da energia

eltrica em tenses diferentes. Esta flexibilidade nas tenses permite reduzir as perdas na

transmisso da energia eltrica, devido ao fato de no ter que gerar e transmitir em tenso

fixa. Portanto deve se tomar cuidado especial com os transformadores de transmisso, que

trabalham com extra-alta tenso e altas potncias.

Os transformadores de potncia so os equipamentos mais caros empregados no

campo da transmisso de energia, devendo receber ateno especial para garantir seu

funcionamento pelo maior tempo possvel antes de serem substitudos. Alm do alto custo

referente troca desse equipamento existe outra motivao para esse trabalho, que o fato

das empresas transmissoras de energia terem sua receita vinculada ao tempo de

disponibilidade do sistema. Assim quando a concessionria necessita fazer manuteno em

um transformador ou linha que deixar parte do sistema indisponvel e avisa a ANEEL

pedindo a liberao desse sistema, a concessionria deixa de receber o valor que seria

pago pela disponibilidade daquele sistema durante o perodo de manuteno multiplicado

por 30. Caso a indisponibilidade ocorra por uma emergncia sem liberao da ANEEL, o

multiplicador passa para 150.

Dessa forma, com o objetivo de maximizar o tempo de funcionamento dos

transformadores, alm de aumentar a confiabilidade do sistema, diminuindo o tempo gasto

com manutenes, foram criados vrios equipamentos cujo objetivo verificar possveis

problemas no transformador ou no Sistema Eltrico de Potncia (SEP).

Entre os equipamentos criados para verificar possveis problemas no transformador

podem se destacar os Transformadores de Corrente (TC), Transformadores de Potencial

(TP), rels e termmetros. Com esses equipamentos possvel medir tenso, corrente e

outras grandezas de entrada e sada do transformador, detectar presena de gs gerado

dentro do transformador, e medir a temperatura interna.

Com todos esses equipamentos conectados ao transformador consegue-se analisar

as condies de operao do mesmo, encontrar os defeitos em fase inicial, assim programar

manutenes e reparos a fim de garantir o melhor funcionamento do equipamento.

Entre as manutenes realizadas em um transformador, a sua secagem uma das

mais importantes, com o objetivo de reduzir a umidade interna ao equipamento, aumentar

2

sua vida til, melhorar seu funcionamento e evitar falhas de isolao. Portanto, a secagem

de transformadores a tcnica de manuteno preventiva que permite maximizar a sua vida

til, reduzindo gastos com compra de novos equipamentos.

1.1 Objetivos

O objetivo deste trabalho fazer um estudo da importncia da secagem de

transformadores, compreendendo grande parte dos mtodos de secagem utilizados para

transformadores de linhas de transmisso.

Posteriormente a esse estudo, alguns casos prticos e reais sero discutidos por

meio de uma anlise dos principais mtodos de secagem utilizados na Companhia de

Transmisso de Energia Eltrica Paulista (CTEEP), avaliando sua eficincia, vantagens e

desvantagens.

1.2 Organizao do trabalho

Este trabalho est organizado como segue:

Captulo 1: o captulo de introduo, contextualizao e informaes

fundamentais para o entendimento da necessidade de estudar o tema

secagem de transformadores.

Captulo 2: Esse captulo apresentar as principais partes do transformador,

bem como seus funcionamentos.

Captulo 3: Esse captulo mostrar os problemas ocasionados pelos elevados

teores de umidade dos transformadores, alm dos mtodos de anlise da

umidade dentro dos transformadores.

Captulo 4: Nesse captulo sero apresentados os mtodos de secagem mais

utilizados para transformadores com elevadas potncias instaladas.

Captulo 5: Nesse captulo os seguintes mtodos de secagem sero

avaliados: alto clculo e circulao de leo quente desenergizado. Ser

tambm abordado um mtodo de avaliao da eficincia.

Captulo 6: Esse captulo apresenta todas as concluses obtidas nos estudos

sobre secagem e sobre o mtodo de anlise de eficincia.

3

2 TRANSFORMADORES

Este captulo apresenta as principais partes do transformador, com destaque para a

isolao slida que o foco deste estudo, bem como os defeitos que podem ocorrer.

2.1 Partes de um transformador

Esta seo apresenta as partes em que se dividem um transformador de potncia,

com o objetivo de possibilitar a compreenso dos tipos de manuteno que podem ser

efetuados em cada parte do transformador, alm do tempo necessrio para o reparo. Essa

seo referente ao documento WEG (2013).

2.1.1 Parte Ativa

Nesta seo sero apresentados os componentes da parte ativa do transformador,

como sua necessidade para o sistema. Assim um transformador contm em sua parte ativa

um conjunto formado por enrolamentos primrios, secundrios e tercirios, o ncleo alm da

prensagem, isolamento e calos.

Os enrolamentos do transformador so fios de cobre ou alumnio isolados com

esmalte ou papel. Os enrolamentos j vm com a razo de relao pr-estabelecida, assim

as tenses no secundrio e tercirio (se houver) do transformador dependem da tenso

alternada aplicado no primrio. Contudo existem limites para os valores de tenso e corrente

que se podem aplicar nos enrolamentos do transformador a fim de no danific-lo. Esses

limites variam com a seo transversal do fio de cobre e isolao (papel mais leo) utilizado

no transformador. Os problemas relacionados com a seo transversal do cobre ou

isolamento sero estudados no final captulo.

Outro componente contido na parte ativa do transformador o ncleo, o qual

constitudo de material ferromagntico contendo silcio em sua fabricao, resultando em

elevada permeabilidade magntica e reduzindo as perdas magnticas (histerese e correntes

parasitas). Alm disso, o ncleo laminado para reduzir as correntes parasitas. A laminao

consiste no empilhamento de vrias chapas finas isoladas por carlite.

Necessita-se tambm de uma ateno especial para no permitir o contato de

nenhuma parte metlica da prensagem ou calo com o ncleo, mantendo todas as partes

metlicas isoladas para reduzir as perdas por correntes parasitas. O material que constitui o

ncleo recebe um tratamento especial com a finalidade de orientar os seus gros, visando

4

diminuir as perdas especificas do material para torna-lo mais adequado para uso em

transformadores.

Pertencente parte ativa tambm tem-se a prensagem, isolao e calos, dessa

forma a prensagem serve para que o ncleo se torne um conjunto rgido. Isto feito por

meio de dispositivos de prensagem de chapas, que so vigas dispostas na posio

horizontal sendo fixadas por tirantes horizontais e verticais.

A isolao se faz necessria para isolar pontos da parte ativa onde a diferena de

potencial seja relevante. Com isso isolam-se os condutores, contatos eltricos, as camadas

dos enrolamentos, primrio e secundrio, as fases e at enrolamento e ncleo. Esse

isolamento construdo com papel Craft, que ao ser impregnado com o leo isolante um

dos melhores isolantes j construdos. Para transformadores de potncia utilizados no

sistema de transmisso com tenso superior a 138kV, empregam-se aproximadamente dez

toneladas de papel Craft para construir a sua isolao interna.

Finalizando a parte ativa do transformador, existem os calos que so utilizados com

vrias finalidades, tais como apoio da parte ativa, suporte das derivaes e dispositivo de

fixao da parte ativa do tanque. Alm disso, os calos so usados para construir as vias de

circulao do leo, fazer o travamento dos enrolamentos do transformador para que eles

no se movam. O calo pode ser feito de vrios materiais, sendo os principais papelo

(Presspan), fenolite, madeira e madeira laminada. Na Figura 2 pode-se ver a parte ativa de

um transformador de 230kV trifsico com potncia de 45MVA, utilizado no sistema de

transmisso da CTEEP.

5

Figura 2: Transformador Trifsico de Transmisso

2.1.2 Buchas

Neste tpico apresenta-se o funcionamento e a necessidade das buchas para

transformadores. Os transformadores trabalham convertendo a tenso no primrio para

outra tenso que sai no secundrio, dessa forma necessrio fazer uma conexo segura

entre a rede eltrica e o enrolamento. Esta conexo deve isolar a tenso de rede da carcaa

do transformador. A conexo feita atravs das buchas, as quais so constitudas de um

corpo isolante de porcelana vitrificada, um condutor passante de cobre eletroltico ou lato

que utilizado para transmitir a tenso e corrente com menor perda possvel. Os terminais

de conexo so constitudos de lato ou bronze e a vedao de borracha ou papelo

hidrulico.

Assim existem vrias metodologias para a montagem de uma bucha, variando das

que precisam trabalhar com grandes correntes e uma tenso relativamente baixa, utilizadas

para a distribuio de energia, at buchas que tralham com tenses elevadssimas, acima

6

de 250kV e correntes de at 1250A. As buchas utilizadas na transmisso de energia eltrica

seguem a metodologia condensiva, utilizada para potncias superiores a 2,5MVA e tenses

superiores a 36,5kV. A Figura 3 apresenta um esquema de uma bucha condensiva.

Figura 3: Esquemtico de uma bucha condensiva (ABB, 2013)

As buchas condensivas devem suportar elevadas potncias e tenses, dessa forma

necessitam de um sistema de isolao eficiente para isolar a tenso do condutor passante

at a porcelana. Tambm necessrio isolar o conector superior ao flange (suporte que

preso ao transformador para dar sustentao a bucha). A isolao do conector superior ao

flange feita pela porcelana, por esse motivo as porcelanas das buchas so produzidas

com esse tipo de saias, para aumentar a distncia por onde o arco eltrico passaria at

atingir o flange. Essas distncias so padronizadas para cada classe de tenso.

A isolao entre o condutor passante at a porcelana, pela metodologia de buchas

condensivas, ocorre por um papel isolante que enrolado ao condutor passante. Esse papel

isolante disposto alternadamente com papel alumnio, dessa forma sempre aps um

nmero pr-determinado de voltas de papel isolante coloca-se uma volta de papel alumnio.

Assim, essa isolao trabalha pelo princpio de vrios capacitores em srie, dessa forma a

isolao feita por declnio uniforme da tenso, saindo da tenso de trabalho da bucha no

condutor passante e chegando a zero na porcelana onde o sistema a aterrado. A figura 4

apresenta a forma de uma bucha condensiva.

7

Figura 4: Buchas de alta tenso

Esse sistema de isolao necessita que o enrolamento de papel fique imerso no leo

para melhorar as caractersticas isolantes, sendo um mtodo extremamente eficiente para

isolar altas tenses. Dessa forma a tenso induzida em cada capacitor da isolao

relativamente pequena, comparada tenso de trabalho da bucha. Assim a tenso que

cada capacitor vai decrescer ser igual tenso total dividida pelo nmero de capacitores.

Esse sistema tem o problema que caso um capacitor se rompa (ocorra uma ligao entre

duas lminas de alumnio) por qualquer motivo, a tenso que esse capacitor rompido

decrescia ser dividida uniformemente entre os outros capacitores, aumentando a chance

dele se romperem e consequentemente levar exploso da bucha.

2.1.3 Tanque

Esta seo apresenta o funcionamento e a necessidade dos tanques. O tanque o

invlucro da parte ativa e recipiente do lquido isolante. Ele constitudo de trs partes,

tampa, corpo e fundo. A NBR5440 que limita espessura mnima da chapa de ao para cada

parte do tanque dependendo da potncia do transformador. Porm essa norma s para

transformadores de potncia at 300kVA. A Tabela 1 apresenta os valores mnimos dessa

legislao:

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Potncia do transformador

[kVA]

Espessura [mm]

Tampa Corpo Fundo

P>=10 1,90 1,90 1,90

10=150 2,65 2,65 3,00

150= 300 3,00 3,00 4,75

Tabela 1: Espessuras mnimas da chapa de ao. Adaptado de (NBR5440).

Para transformadores maiores de 300kVA a legislao no prev espessura para as

partes do tanque, ficando por conta do fabricante a escolha das espessuras utilizadas.

Os tanques de transformador podem ser selados ou com conservador de leo. Os

tanques selados tm uma separao total entre meio interno e meio externo do

transformador, dessa forma ele no pode ser completamente preenchido com leo isolante,

pois com o aumento da temperatura o leo expandiria mais que a chapa de ao, causando

uma presso relativa positiva dentro do transformador. Os transformadores selados so

usados para potncias at 750kVA.

Os transformadores com conservador de leo so usados para potncias maiores

que 750kVA, sendo o tipo de transformador utilizado no sistema de transmisso de energia

eltrica. Esses transformadores trabalham com seu tanque principal completamente

preenchido de leo isolante, assim com a variao de temperatura o excesso de leo vai

para o conservador de leo.

2.1.4 Radiadores

A parte ativa dos transformadores aquece por efeito Joule nos enrolamentos e

ncleo (correntes parasitas), e este aquecimento propagado pelo leo at as chapas de

ao do tanque, onde o calor dissipado para o meio externo. Contudo o leo isolante e a

isolao de papel Craft no podem ter sua temperatura muito elevada, pois altas

temperaturas deterioram esses meios isolantes.

Desse modo quando a rea do tanque no suficiente para dissipar o aquecimento

gerado pela parte ativa, utilizam-se radiadores para aumentar a rea de troca de calor do

transformador. Para transformadores de potncias elevadas esse aquecimento alto, assim

a parte ativa fica com temperaturas maiores que o resto do transformador. Nesses casos,

utiliza-se um sistema de circulao de leo para resfriar a parte ativa, normalizando a

temperatura do transformador. O leo circulado passa pelos radiadores que aumenta a troca

de calor com o meio e refrigera o transformador. A figura 5 mostra um conjunto de

radiadores.

9

Figura 5: Conjunto de radiadores

2.1.5 leo Isolante

O leo isolante tem duas finalidades dentro dos transformadores, facilitar a troca de

calor da parte interna do transformador com a parte externa e melhorar a isolao da parte

ativa do transformador. Como o leo facilita a troca de calor da parte interna do

transformador, ele permite que o transformador trabalhe a uma potncia mais alta do que

poderia trabalhar se no utilizasse leo isolante. Isso ocorre, pois o resfriamento o

transformador mantm sua parte ativa a uma temperatura mais baixa, assim ele pode operar

com uma potncia maior para chegar mesma temperatura que teria sem o leo isolante.

A outra utilidade do leo isolante a melhora de isolao da parte ativa do

transformador. O meio papel Craft e leo isolante tem um alto poder de isolao, alm disso,

o leo isolante melhora a resistncia mecnica do papel Craft. O leo mineral isolante tem

extrema capacidade de isolao, conseguindo isolar tenses superiores a 60kV em uma

distncia de 2,5 milmetros, quando o leo est bom.

Como a parte ativa est imersa no leo, qualquer irregularidade ou anomalia que

acontea dentro do transformador, acontecer em uma regio com leo, dessa forma a sua

anlise fsico qumica extremamente importante para avaliar se o transformador est bom

ou no. Alm disso, a anlise do leo no a nica anlise feita em transformadores, so

realizados testes de resistncia de isolao, relao de transformao, anlise de perdas na

parte ativa, mas com transformadores energizados a anlise do leo a principal anlise

10

feita no transformador. Por esse motivo as anlises fsico qumicas so feitas de maneira

peridica, em todos os transformadores do sistema de transmisso de energia eltrica.

A tabela 2 mostra os tipos de ensaios fsicos realizados nas amostras de leo

isolante.

Caractersticas

Normas Que

Regulamenta o

Ensaio

Unidade

Valores

Garantidos

Mnimo Mximo

Densidade, 20/4C NBR 7148 - 0,861 0,900

Viscosidade cinemtica

20C

NBR 10441 Mm2/s -

25,0

40C 11,0

100C 3,0

Ponto de fulgor NBR 11341 C 140 -

Ponto de fluidez NBR 11349 C - -39

ndice de neutralizao ASTM D 974 MgKOH/g - 0,03

Tenso Interfacial a 25C NBR 6234 MN/m 40 -

Cor ASTM ASTM D 1500 - - 1,0

Teor de gua NBR 5755 Mg/Kg - 35

Cloretos e Sulfatos NBR 5779 - Ausentes

Enxofre corrosivo NBR 10505 - Ausente

Ponto de anilina NBR 11343 C 63 84

ndice de refrao a 20C NBR 5778 - 1,485 1,500

Rigidez dieltrica NBR 6869 KV 30 -

Fator de perdas dieltricas

Fator de dissipao

100C ASTM D 924 % -

0,5

90C IEC 247 0,4

Teor de inibidor de oxidao

DBPC/DBP ASTM D 2668 %massa - 0,08

Porcentagem de carbonos ASTM D 2140 % Anotar

Estabilidade oxidao:

-ndice de neutralizao

-Borra

-Fator de dissipao a 90C

IEC 74

MgKOH/g

%massa

%

0,4

0,10

20

Tabela 2: Anlises fsicas feitas em leo isolante. Adaptado de (ABNT NBR 15422).

Alm da anlise fsico-qumica do leo, realizada tambm uma anlise

cromatogrfica, que consiste na anlise dos gases dissolvidos no leo, tais como o dixido

11

de carbono, etileno, acetileno, etano, hidrognio, oxignio, metano e monxido de carbono.

A anlise das quantidades de cada gs, alm da relao de um gs para outro e a evoluo

de cada gs permitem reconhecer a maior parte dos problemas que podem ocorrer dentro

do transformador. Esse reconhecimento pode ser feito por vrias tabelas e mtodos. Os

mais renomados mundialmente aceitos pelo IEEE utilizam a relao dos gases para verificar

a existncia de um problema bem como o tipo de problema. Dos mtodos que utilizam a

relao de gases um dos mais utilizados a tabela 3 (IEEE C57.104; 1991).

C2H2/C2H

4 CH4/H2 C2H4/C2H6 Diagnstico

< 0,1 0,1 a 1,0 < 1,0 Envelhecimento

normal

0,1 0,1 a 1,0 >1,0 Arco descarga de

baixa energia

0,1 a 3,0 0,1 a 1,0 >3,0 Arco Descarga de

alta energia

1,0 < 1,0 Sobreaquecimento

150C < T > 300C

1,0 1,0 a 3,0 Sobreaquecimento

300C < T > 700C

1,0 >3,0 Sobreaquecimento

T < 700C

Tabela 3: Relao de Gases Dissolvidos (IEEE C57.104; 1991)

Como se pode observar na Tabela 3, a anlise dos gases dissolvidos pode identificar

vrios problemas que ocorrem dentro dos transformadores, por esse motivo a anlise dos

gases o melhor mtodo de identificao de problemas em transformadores energizados.

No prximo tpico sero apresentados os problemas mais comuns que ocorrem em

transformadores do sistema de transmisso e seus possveis reparos.

2.1.6 Papel Craft

O papel Craft composto por uma celulose formada por longas cadeias de anis de

glucose ou monmeros. Cada molcula possui de 1000 a 1400 anis de glucose interligados

quando nova, sendo ligadas conforme a figura 7 (Vasconcellos, 2008).

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Figura 7: Molcula do papel Craft

A quantidade de anis de glucose interligados nessa cadeia apresentada o que

determinar o grau de polimerizao molecular. Sendo assim o grau de polimerizao do

papel ser igual ao nmero de anis de glucose interligados por molcula. Quando o papel

Craft chega a um grau de polimerizao de 200 (200 anis de glucose por molcula), ele j

no oferece a resistncia mecnica necessria para a isolao da parte ativa do

transformador, o que acarretar no seu descarte. O tempo utilizado pelo transformador para

que seu papel passe de um grau de polimerizao de 1400 anis interligados a 200

equivalente ao tempo de sua vida til. E os dois principais fatores que contribuem para essa

reduo no grau de polimerizao do papel so a umidade e temperatura.

2.2 Defeitos em Transformadores

Um dos problemas que pode afetar um transformador de potncia a descarga

parcial. Este efeito ocorre quando uma h uma descarga eltrica localizada, resultante de

ionizao de um sistema de isolamento quando o estresse dieltrico exceder o valor crtico.

Dessa forma essa descarga atravessa parcialmente o isolamento entre eletrodos. Esse

efeito ocorre prximo ao pico da senoide de tenso, devido a algum defeito na isolao,

segundo IEEE. Para o meio isolante papel e leo esse defeito pode ser desde um rasgo no

papel at bolhas no leo que ficaram presas entre as camadas do papel. A Figura 6

exemplifica onde essa descarga formada.

13

Figura 6: Local onde a descarga parcial se forma (Spressola, 2013).

Outro problema so as descargas de baixa energia, que ocorrem quando um arco

eltrico formado entre dois eletrodos por falha de isolao, ou por deteriorao excessiva

desta isolao por descargas parciais. Esse efeito, se no for diagnosticado rapidamente e

devidamente tratado, pode se tornar uma descarga de alta energia.

Os problemas de descargas podem ser recuperados com a manuteno da parte

danificada e com a troca da isolao deteriorada, entretanto para transformadores que

apresentem indcios de descargas de baixa e principalmente alta energia, necessrio

retira-lo de operao imediatamente.

Outro problema que ocorre nos transformadores o sobreaquecimento, que pode

ser causado por vrios motivos, entre eles a sobrecarga dos transformadores, danos do

sistema de circulao de leo, descargas internas, danos nos enrolamento ou ncleo, at

mesmo seo transversal do enrolamento ser pequena e gerar aquecimento exagerado pela

sua resistncia. Dessa forma o aquecimento anormal do transformador causa deteriorao

das caractersticas do leo isolante e do papel Craft.

O sobreaquecimento causa a diminuio da rigidez dieltrica devido deteriorao

do leo isolante, logo as propriedades de resfriamento tambm so afetadas. J para o

papel Craft, o sobreaquecimento causa a despolimerizao das suas molculas, diminuindo

sua resistncia mecnica e acelerando o seu envelhecimento. A composio do papel Craft

em seu nvel molecular, bem como o estudo de sua resistncia sero assuntos do prximo

captulo.

Para resolver o problema do sobreaquecimento, primeiramente necessita-se

descobrir tanto causa, quanto o ponto de aquecimento. Dessa forma, para diferentes causas

haver diferentes problemas, assim tambm ocorrer em se tratando de distintos pontos de

aquecimentos descobertos.

Como os transformadores do sistema de transmisso de energia eltrica tm suas

partes bem dimensionadas para sua classe de tenso, os problemas de sobreaquecimento

do transformador normalmente ocorrem por descargas internas. Portanto, para resolver o

problema de sobreaquecimento, s com um reparo de isolao afetada.

14

Como foi visto nesta seo, todos os problemas de um transformador podem ser

reparados, desde que sejam identificados no incio, com exceo do envelhecimento do

transformador, que no pode ser reparado. O envelhecimento do transformador afeta

principalmente a isolao das suas bobinas (papel Craft), o que far com que o papel perca

sua polimerizao, j que justamente essa propriedade do papel que permite sua

resistncia mecnica.

Tal problema acarreta um nico tipo de manuteno, que seria a substituio de todo

papel isolante contido dentro do transformador, o que invivel, considerando a grande

quantidade de papel existente dentro dos transformadores (cerca de dez toneladas), quanto

a condio em que alocado, ou seja, enrolado em toda parte ativa do transformador. Por

esse motivo para aumentar a vida til do transformador necessrio combater o

envelhecimento precoce do equipamento.

O principal causador desse envelhecimento precoce do transformador a umidade,

que ser abordada no prximo captulo.

15

3 UMIDADE

Neste captulo ser estudado o problema alvo deste presente trabalho: a umidade.

Primeiramente ser apresentado como ela ingressa dentro dos transformadores, bem como

os principais problemas que acarreta e os mtodos de deteco de umidade no

transformador. prudente ressaltar que em transformadores novos o teor de umidade

mxima de 0,5%.

3.1 Mtodos de Ingresso da Umidade

Nesse tpico sero apresentados os mtodos de ingresso de umidade dentro dos

transformadores, sendo eles: microporos, falha na vedao, respiro de slica gel e abertura

para manuteno. Alm dessas formas de ingresso, o prprio envelhecimento natural do

papel gera umidade.

A primeira forma de ingresso citada se trata da entrada de umidade pelos microporos

existentes nas chapas de ao, que formam o invlucro do transformador. A quantidade de

umidade ingressante depende do estado de conservao da chapa de ao e da pintura do

transformador, contudo, por se tratarem de microporos, a quantidade de gua no grande.

J as vedaes de transformadores do SEP so feitas por anis de ORING, que so

constitudos de uma borracha especial para evitar o vazamento do leo isolante. Porm,

com o passar o tempo a borracha perde a sua elasticidade e at sua integridade, o que

diminui a presso exercida nas chapas de ao, ou seja, nas escotilhas, podendo surgir

fissuras, ocasionando a entrada de umidade.

Nos transformadores com potncia maior que 750kVA, h conservador de leo.

Existe um ponto para entrada e sada de ar do conservador de leo, que necessrio para

manter a presso constante e igual atmosfrica. Para tentar evitar a deteriorao do leo

do transformador por conta de partculas e umidade, utilizado um respiro de slica gel e um

copo com leo na sada de ar. A figura apresenta um sistema de respiro.

16

Figura 8: Respiro de slica gel (http://www.veretra.com.mx)

O sistema de respiro de slica gel montado como a figura 8, no qual o ar entra pelo

recipiente de vidro que contm leo, filtrando as partculas suspensas no ar. O ar, aps ser

filtrado, entra em um compartimento que contm slica gel, que utilizada para sec-lo

antes de entrar contato com o leo do transformador.

Esse sistema eficiente para impedir o ingresso de umidade e partculas dentro do

leo, porm satura aps retirar uma quantidade limite de umidade do ar, perdendo sua

propriedade de secagem. Simultaneamente, o leo utilizado para filtrar o ar tambm vai se

deteriorando ao absorver partculas dispersas e umidade, necessitando de substituio.

Desse modo, esse respiro de slica gel permite o ingresso de umidade ao aproximar

da saturao da slica gel. Por esse motivo, a manuteno peridica com secagem da slica

e substituio do leo utilizado para o filtro a melhor forma de minimizar a quantidade de

umidade que entra no transformador, neste mtodo.

O ultimo mtodo de ingresso de umidade apresentado a abertura do transformador

realizada para qualquer tipo de manuteno. Como o teor de umidade ambiente

normalmente superior a 50% e dentro do transformador menor que 1,5%, a umidade do

ambiente migra para as bobinas do transformador enquanto ele fica aberto, sendo assim,

necessrio utilizar um mtodo de secagem aps o fechamento do transformador.

17

3.2 Principais Problemas Causados pela Umidade

A umidade dentro do transformador causa trs problemas principais: diminui a rigidez

dieltrica do meio isolante; emite bolhas em altas temperaturas; acelera o envelhecimento

do papel Craft. Segundo (Paulino, 2010).

O primeiro problema citado a diminuio da rigidez dieltrica do meio isolante. Os

transformadores do SEP trabalham em extra-alta tenso, sendo que alguns transformadores

chegam a trabalhar com tenses superiores a 440kV. Para trabalhar com esse nvel tenso,

as boas condies de isolao so fundamentais para o correto funcionamento dos

transformadores, pois eles precisam isolar elevadas diferenas de potenciais em curtas

distncias.

Assim sendo, a diminuio da rigidez dieltrica nesses transformadores

extremamente problemtica, pois possibilita a existncia de arcos eltricos dentro do mesmo

e a ocorrncia de descargas parciais.

Outro problema relacionado umidade interna nos transformadores do SEP so as

bolhas emitidas em altas temperaturas, o que envolve trs problemas simultaneamente: o

aquecimento exagerado de um ponto dentro do transformador; as bolhas geradas desse

aquecimento; a rigidez dieltrica reduzida do meio isolante.

O resultado do aquecimento de um ponto dentro do transformador degrada o meio

isolante, provocando o surgimento de partculas advindas de sua degradao, assim como

bolhas geradas pelo aquecimento da umidade presente no leo, agregando-se ao papel

Craft.

Devido elevada tenso na parte ativa desses transformadores, existe uma tenso

induzida na isolao de papel e leo. As partculas, bolhas e partculas de leo degradadas,

existentes no meio do papel, funcionaro como cavidades possibilitando a ocorrncia de

descargas parciais.

Entretanto, esses dois primeiros problemas causados pela umidade no transformador

podem ser totalmente resolvidos. A diminuio de rigidez dieltrica do meio isolante pode

ser resolvida com a regenerao do leo isolante, em conjunto com a secagem do

transformador. J as bolhas, geradas em altas temperaturas, tambm podem ser retiradas

com uma secagem eficiente, e os problemas oriundos das bolhas como descargas parciais

podem ser reparados. Com a correta manuteno, esses problemas sero totalmente

solucionados.

O ltimo problema se trata da acelerao do envelhecimento do papel Craft.

Provavelmente, esse o problema mais grave causado pela umidade no transformador,

pois todas as caractersticas j perdidas pelo papel, devido ao envelhecimento, no podem

18

ser recuperadas. Assim, a manuteno feita nesses casos para desacelerar o

envelhecimento do papel. A Figura 9 mostra a acelerao de envelhecimento que a

umidade ocasiona ao transformador.

Figura 9: Curvas de expectativa de vida do transformador por teor de umidade e

temperatura (Koch, Paulino, Krueger, 2009)

Como possvel observar na Figura 9, a expectativa de vida de um transformador

para uma mesma temperatura cai bruscamente com o aumento do teor de umidade dentro

dele. Observa-se que a expectativa de vida de um transformador com 4% de umidade e

temperatura mdia de funcionamento de 70C de apenas 10 anos, enquanto em um

transformador com 1% de umidade e mesma temperatura de 70C, a expectativa de vida

de 100 anos. Portanto, possvel entender a necessidade de retirar a umidade do

transformador.

O envelhecimento acelerado do transformador ocorre por conta da quebra dos anis

de glucose, o que se d por via de trs mecanismos principais: hidrlise, oxidao e pirlise.

Embora esses trs mecanismos estejam inter-relacionados, o nico que no est

relacionado com a gua a pirlise.

O primeiro mecanismo de degradao das molculas da celulose a hidrlise, no

qual a gua quebra a interligao das cadeias de glucose ao se juntar com o oxignio que

interliga as cadeias de glucose. Portanto, ficam dois OH- ligados um em cada cadeia, logo a

hidrlise reduz o grau de polimerizao da celulose, enfraquecendo sua fibra. A figura 10

19

ilustra a quebra das molculas de celulose pelo processo de hidrlise.

Figura 10: Molculas de celulose aps a quebra por hidrlise.

O segundo mecanismo de degradao da celulose a oxidao, por meio da qual o

oxignio reage atacando as molculas de carbono da celulose, formando aldedos e cidos.

Essa ligao deixa a unio entre os anis enfraquecida, o que reduz o grau de

polimerizao da molcula de celulose. Esse processo libera gua, monxido de carbono e

dixido de carbono, sendo que a gua liberada intensificar o processo de hidrlise,

acelerando o processo de deteriorao da celulose.

O oxignio no reage somente com a celulose, mas tambm deteriora o leo isolante

que, na oxidao forma cidos, steres e outras substncias que voltam a reagir com o

prprio leo isolante.

A presena de oxignio em contato com o leo isolante extremamente prejudicial,

acelerando drasticamente o envelhecimento do papel, o que apontado pelas pesquisas

como as de Fabre (1960) e Lampe et al (1978), que mostram o envelhecimento do papel

sendo acelerado quatro vezes mais em transformadores no selados em comparao com

os selados.

Tratando do ltimo processo de degradao da celulose, a pirlise ocorre

exclusivamente pelo aquecimento da isolao (papel e leo). Quando o aquecimento

exagerado causa a carbonizao das fibras de celulose e consequentemente a diminuio

da rigidez dieltrica da isolao.

Para aquecimentos mais moderados, a pirlise provoca a quebra individual das

cadeias de celulose, formando resduos slidos, monxido de carbono, dixido de carbono e

vapor dgua. O vapor de gua intensifica o processo de hidrlise, enquanto os resduos

slidos podem se prender na isolao slida, possibilitando o aparecimento de descargas

parciais.

20

O efeito da pirlise reduz o grau de polimerizao da molcula de celulose,

diminuindo sua resistncia mecnica. Na figura 11 pode-se constatar os efeitos do elevado

teor de umidade dentro dos transformadores.

Figura 11: Efeito do elevado teor de umidade dentro dos transformadores

(http://www.mecatronicaatual.com.br)

As setas na foto indicam pedaos do papel que se degradaram excessivamente e

caram sobre o ncleo do transformador.

3.3 Mtodos de medio de umidade interna de transformadores

Existem dois mtodos para medir o teor de umidade de um transformador: medio

da quantidade de gua em uma amostra de leo e medio do prprio teor de umidade do

papel pelo teste de Umidade Relativa Superficial Interna (URSI). O primeiro mtodo feito

quando o transformador est cheio de leo, e o segundo mtodo feito com o

transformador sem leo.

Como foi comentado no captulo anterior, a anlise do leo do transformador de

grande importncia para saber as condies do transformador. Assim para fazer uma

anlise mais precisa das reais condies do equipamento, preciso tomar um cuidado

21

especial com a amostragem do leo isolante, impedindo que ela se contamine e assim crie

falsos resultados, segundo a NBR 8840 (ABNT, 2012).

Devido grande importncia da anlise do leo isolante, a CTEEP coleta duas vezes

ao ano amostras de leo de todos os transformadores. Estas amostras so submetidas

anlise cromatogrfica e anlise do teor de umidade. O resultado da anlise do teor de

umidade expressa em partculas por milho (ppm) de gua no leo.

Entretanto, importante ressaltar que a umidade no se distribui uniformemente pelo

meio isolante (papel e leo isolante), mas se concentra no papel. A temperatura influencia

na porcentagem de umidade que ficar impregnada em cada meio isolante, logo, quanto

maior a temperatura interna do transformador, maior ser a porcentagem de umidade diluda

no leo.

A Figura 12 aponta a migrao da umidade do papel para o leo isolante, com a

variao da temperatura. Por esse motivo, registrar a temperatura interna do transformador,

no momento da retirada da amostra de leo, de fundamental importncia para calcular o

teor de umidade do transformador.

Figura 12: Fornece o teor de umidade pela quantidade de gua a uma dada temperatura

(CIGRE, 2013)

O outro mtodo de medio do teor de umidade chama-se URSI, que realizado

com o transformador em vazio. Portanto, esse mtodo utilizado em transformadores aps

22

alguma manuteno que necessitou a sua abertura, tendo como objetivo saber quanta

umidade ingressou nele. Esse mtodo de medio utilizado aps as secagens

desenergizadas, para verificar se as mesmas foram eficientes e se necessrio fazer uma

nova secagem no equipamento.

Para realizar esse teste, primeiramente o transformador sem leo preenchido com

um gs seco, acarretando na previso de um dia para que a umidade do papel impregne o

gs que foi introduzido no transformador. Ento, conectado o aparelho que analisa a

umidade do gs. Esse procedimento chamado de Umidade Relativa Superficial Interna,

pois a umidade que impregna o gs a umidade que estava na superfcie do papel isolante.

23

4 MTODOS DE SECAGEM DE TRANSFORMADORES

Existem vrios mtodos de secagem de transformadores, sendo estes divididos em

dois tipos: os mtodos de secagem com o transformador energizado e os mtodos de

secagem com o transformador desenergizado.

Os mtodos de secagem com o transformador energizado tm uma clara vantagem

econmica em relao aos mtodos de secagem com o transformador desenergizado,

devido aos altos custos para se tirar os transformadores de funcionamento, embora no

sejam to eficientes na remoo de gua. Sendo assim, se a umidade do transformador

estiver muito elevada a utilizao de um mtodo de secagem desenergizado mais

aconselhvel.

Todos os mtodos de secagem apresentados nesse captulo foram baseados

documento do CIGRE (2013), sendo que alguns tambm foram baseados em outras

referncias que sero citadas em seus respectivos mtodos.

4.1 Secagens Energizadas

Neste item, sero explicitados alguns mtodos de secagem com o transformador

energizado, de modo a compreender detalhadamente seu funcionamento.

4.1.1 Mtodo de circulao de leo quente

Nesse procedimento utilizada uma mquina que aquece o leo e que contm uma

cmara de vcuo, de onde se retira a umidade contida nele. Essa mquina de tratamento de

leo isolante conectada ao transformador, retirando-se, assim a umidade, os gases

dissolvidos, alm de realizar filtragem para remoo de partculas. A mquina que executa

esse tratamento mostrado na figura 13.

24

Figura 13: Maquina de secagem

Como o transformador est energizado necessrio tomar um cuidado especial com

a vazo do leo que circula, de modo a no gerar fluxo reverso no rel de gs (rel

Buchholz). Portanto, segundo o CIGRE (2013) recomenda-se que a vazo no deve

exceder a 10% do volume do transformador. Essa vazo no gera grandes movimentaes

no leo dentro do transformador, dessa forma evita-se a gerao de bolhas na parte ativa do

transformador, bem como um fluxo de leo reverso no rel Buchholz, que atua quando isso

ocorre, retirando o transformador da rede.

Para retirar a umidade do papel isolante, aquece-se o leo a uma temperatura de

60C, para que parte da umidade da isolao slida migre para o leo isolante. Assim, ao se

retirar a umidade contida no leo, retira-se tambm a umidade contida no papel. Quanto

mais alta for a temperatura do transformador, maior ser o volume de gua retirado do

papel.

A temperatura do leo a 60C com o vcuo na cmara o limite para que o leo no

comece a se deteriorar (ABNT NBR 15422).

O tempo de secagem de um transformador por esse mtodo varia com a quantidade

de papel do mesmo, bem como o seu teor de umidade e volume. Assim, segundo o CIGRE

(2013) e Milasch (1984), o tempo de secagem pode variar de 1 at 3 meses.

Esse mtodo tem a grande vantagem de fazer a secagem com o transformador

energizado, alm de ter um baixo custo de operao. Possibilita a filtragem das partculas

dispersas no leo, melhorando as condies do meio isolante. um mtodo com um custo

alto dos equipamentos, porm de baixo custo operacional. Entretanto retirar os gases do

25

leo pode mascarar um problema em evoluo durante o perodo de secagem, como a

ocorrncias descargas parciais.

4.1.2 Mtodo de Filtro Absorvente

Nesse processo de secagem, conecta-se um cartucho de filtro absorvente no registro

inferior do transformador, que conectado a uma bomba de leo para fazer a circulao

pelo cartucho de filtro. Esse cartucho tem a propriedade de filtrar somente a gua do lquido

isolante deixando assim os gases intactos. Na figura 14 mostra o filtro absorvente utilizado

nessa secagem.

Figura 14: Cartuchos Velcon Superdri (Nunes Jr, Jayme L)

Assim como no processo de circulao de leo quente, a secagem por filtros

absorventes tem uma baixa vazo para evitar turbulncia no lquido isolante, evitando

criao de turbulncia na parte ativa do transformador. Com isso, a vazo normalmente

utilizada para esse processo deve ser tambm inferior a 10% do volume de leo do

transformador (CIGRE, 2013).

Nesse conjunto de bomba e cartucho deve-se controlar a umidade do leo, antes e

depois do sistema para analisar a reduo de umidade durante o processo, e quando essas

amostras no apresentarem variao o indicativo da saturao do filtro. Esses filtros

normalmente tm a capacidade de reter at 6 litros de gua. Saturado ele no remove mais

gua do leo isolante. Assim, para continuar o processo haver necessidade de substitu-lo.

O tempo de secagem de um transformador por esse mtodo varia de acordo com a

sua quantidade de papel, bem como com o teor de umidade e volume de leo nele. Assim, o

tempo de secagem deve variar de 1 at 3 meses, segundo CIGRE (2013) e (Nunes Jr.,

2013).

26

Esse mtodo tambm tem a grande vantagem de fazer a secagem com o

transformador energizado, assim como conta com um baixo investimento inicial e detecta

qualquer problema ocorrido durante o processo. Mas um mtodo com um custo

relativamente alto de aplicao, pois cada filtro tem um custo elevado. Assim, o custo do

processo sobe muito para elevados teores de umidade do transformador, e sua eficincia

comprometida.

Esse mtodo tambm apresenta um problema com o teor de gua final, que mais

elevado em relao com o primeiro mtodo. Isso ocorre porque o leo est a uma

temperatura de operao abaixo dos 60C, desse modo uma menor porcentagem da

umidade interna est dissolvida no leo, o que permitir que esse transformador tenha uma

vida til menor.

4.2 Secagens desenergizadas

Neste item, sero apresentados vrios mtodos de secagem com o transformador

desenergizado.

4.2.1 Mtodo por Alto Vcuo

O mtodo de secagem por Alto Vcuo consiste em conectar o transformador a um

conjunto de alto vcuo, formado por uma bomba mecnica e uma bomba Buster. Esse

procedimento aplicado para transformadores com o teor de umidade abaixo de 2,5%

(CIGRE, 2013). A figura 15 mostra esse sistema de bombas.

Figura 15: Sistema de bombas de vcuo

27

Antes de se iniciar o processo necessrio verificar se os componentes interligados

do transformador suportam vcuo pleno.

Esse mtodo trabalha com a diminuio da presso dentro do transformador, desse

modo diminui-se a temperatura de ebulio da gua. Assim, quando se atinge o vcuo

pleno, a presso no interior do transformador torna-se menor que a presso de vapor

dgua. Com essa presso interna aplicada, a temperatura de ebulio dgua ser menor

que a ambiente.

O tempo de durao desse mtodo varivel, dependendo do volume interligado do

transformador que ser feito vcuo, e da quantidade de gua contida no transformador.

Assim o tempo de vcuo varia de um a trs dias, aps esse ciclo deve-se pressurizar o

transformador com gs inerte seco, a uma presso de 0,2 kg/cm3, repousar por um dia e

voltar a avaliar o teor de umidade do transformador. Esse ciclo pode ser repetido at se

averiguar um teor de umidade previamente estipulado.

Uma importante caracterstica do vcuo que ele um excelente isolante trmico,

assim aps sua aplicao a temperatura interna do transformador no mudar. Dessa forma

a temperatura inicial do processo definir qual a presso de vcuo que ser necessrio

alcanar. A Tabela 4 contm valores de presso e a temperatura de ebulio da gua para

esses valores de presso (CIGRE, 2013).

28

Presso

Absoluta

(Bar)

Presso Relativa

(mBar)

Temperatura de Vapor

(C)

0,01 10 6,7

0,015 15 12,7

0,02 20 17,2

0,025 25 20,8

0,03 30 23,8

0,04 40 28,6

0,05 50 32,5

0,06 60 35,8

0,08 80 41,2

0,10 100 45,4

0,12 112 49,1

0,15 115 53,6

0,20 200 59,7

0,25 250 64,6

0,30 300 68,7

0,35 350 72,2

0,40 400 75,4

0,50 500 80,9

0,60 600 85,5

0,70 700 89,5

0,80 800 92,9

0,90 900 96,2

1,00 1.000 99,1

Tabela 4: Relao da presso de vapor com a temperatura do sistema (CIGRE, 2013).

Esse mtodo tem a grande vantagem de fazer a secagem de maneira bem mais

rpida do que os mtodos energizados e conta com um investimento total baixo. Sua

desvantagem o fato de ser feito com o transformador desenergizado e no ser muito

eficiente para elevados teores de umidade, segundo CIGRE (2013) e Milasch (1984).

Esse mtodo um dos mtodos mais utilizados pela CTEEP hoje, e por experincia

dos colaboradores da empresa pode-se perceber que um mtodo muito eficiente para

retirar a umidade que ingressou no transformador aps abertura para manuteno. Isso

29

ocorre por se tratar de um mtodo menos custoso e com bons resultados para baixos teores

de umidade.

Como nesse mtodo feito vcuo dentro do transformador, necessrio assegurar

que todos os compartimentos internos que sofrero o vcuo aguentem essa presso. Em

transformadores do SEP comum o vcuo atingir nveis abaixo de 50 milibar, dessa forma

necessrio se certificar sobre a resistncia do transformador para essa presso.

4.2.2 Mtodo de Circulao de leo Quente Desenergizado

Nesse item o mtodo de circulao de leo quente ser apresentado. Esse processo

consiste em aquecer a parte ativa do transformador e aplicar o mtodo de secagem por alto

vcuo. Para aquecer a parte ativa utiliza-se do lquido isolante. Esse mtodo

recomendvel para transformadores com elevados teores de umidade, acima de 2,5%.

Desse modo primeiramente se enche o transformador com leo isolante at cobrir a

parte ativa, entre 70% e 80% de seu volume total. Bloqueiam-se as vlvulas dos radiadores

para diminuir a troca de calor com o meio, conecta-se a mquina de tratamento de leo ao

transformador, que ir aquecer o isolante em sua cmara de vcuo.

Nesse processo o leo poder ser aquecido at 60C na cmara com vcuo ou 80C

se no for feito vcuo na cmara. Essas so as temperaturas limites para no degradar o

leo, tendo em vista sua utilizao posterior secagem. O sistema de aquecimento com

cmara de vcuo pode ser visto na figura 16.

Figura 16: Sistema de aquecimento do leo

30

Aps o aquecimento espera-se a estabilizao trmica, quando a diferena de

temperatura de entrada e sada da mquina se torna constante. Aps atingida a

estabilizao trmica, aguarda-se um dia, circulando o leo aquecido. Depois retira-se o

leo isolante do transformador e imediatamente aplica-se vcuo dentro do mesmo. Aps a

aplicao do vcuo, faz-se todo o procedimento do mtodo por alto vcuo.

Esse mtodo tem as mesmas caractersticas do mtodo por alto vcuo, com a

vantagem de que a temperatura inicial do transformador no influencia no resultado final da

secagem. Outra vantagem que esse mtodo mais eficiente sendo recomendvel para

teores de umidade maiores (Milasch, 1984).

um mtodo amplamente utilizado na CTEEP para secagem de transformadores

com teor de umidade elevado, se mostrando muito eficiente. O bom desempenho desse

mtodo fez com que a CTEEP para-se de utilizar outros mtodos mais complicados de se

aplicar, como o prximo mtodo apresentado asperso de leo quente.

Caso o teor de umidade do transformador seja muito elevado, pode-se aquecer o

leo a temperaturas superiores a 80C para elevar a temperatura da parte ativa do

transformador, contudo esse elevado aquecimento deteriorar o leo isolante

impossibilitando sua utilizao posterior para o enchimento do transformador.

4.2.3 Mtodo por Asperso de leo Quente

Nesse processo instalam-se bicos aspersores dentro do transformador, os quais

ficaro voltados para a isolao slida. Com isso se aspergir leo isolante aquecido na

isolao, enquanto o transformador estiver sobre vcuo (Milasch, 1984; Silva, 2008).

Esse mtodo utiliza um volume de leo equivalente a 10% do volume do

transformador, e necessita de uma bomba auxiliar para retirar o leo de dentro do

transformador aps a asperso. A figura 17 demonstra o mtodo em que os bicos

aspersores so colocados dentro do transformador.

31

Figura 17: Bicos aspersores instalados dentro do transformador

Para esse processo a temperatura do leo no deve passar 60C no interior do

transformador, caso queira reutilizar o leo no enchimento do transformador. Entretanto, se

o leo no for reutilizado, sua integridade no importante, pode-se aspergi-lo a uma

temperatura de at 80C dentro do transformador com vcuo, que no se deteriorar o

papel.

Para melhorar a eficincia desse mtodo as vlvulas dos radiadores devero estar

bloqueadas. Assim, deve-se aspergir leo isolante nas bobinas sobre vcuo at atingir

equilbrio trmico entre eles. Aps a estabilidade o sistema dever permanecer funcionando

dessa mesma forma por um perodo que varia de 5 a 8 dias.

Aps esse perodo deve-se retirar a estrutura e o leo no transformador e deix-lo

sobre vcuo por um dia. Aps esse ciclo deve-se pressurizar o transformador com gs inerte

seco, a uma presso de 0,2 kg/cm3, repousar por um dia e voltar a avaliar o teor de umidade

do transformador.

Esse mtodo j foi amplamente utilizado na CTEEP, e alguns problemas na sua

execuo fizeram com que os colaboradores parassem de utiliz-lo. Um dos problemas

ocorridos a dificuldade de montagem da estrutura dentro do transformador. O

transformador, por maior que seja, no tem grandes espaos vazios em seu interior,

principalmente perto das suas bobinas. Dessa forma, era muito trabalhoso montar a

estrutura e normalmente um dos lados da bobina era inacessvel, sendo que este no seria

aspergido de leo quente.

Outro problema que o mtodo apresentava era a dificuldade de vedar o

transformador e a tubulao de leo que seria aspergido na bobina. Essa vedao era muito

32

importante para conseguir um nvel de vcuo eficiente, j no caso da tubulao a vedao e

proteo eram essenciais para impedir que a umidade do meio externo contaminasse o leo

quente. Assim, este processo, ao invs de retirar a umidade do transformador, aumentava

sua concentrao.

Um ltimo problema decorrente do mtodo era que para montar a estrutura

mantinha-se o transformador muito tempo aberto, sendo que o teor de umidade aumentava

consideravelmente, assim boa parte do tempo de secagem era gasto para retirar essa

umidade, necessitando de um maior tempo de secagem.

4.2.4 Mtodo Criognico

Nesse item ser mostrado o mtodo de secagem criognica. Para a utilizao desse

procedimento faz-se necessrio um condensador, com uma mistura de gelo seco e acetona,

bem como um equipamento para gerar alto vcuo. Desse modo o transformador,

condensador e a mquina de vcuo devem ser conectados em srie, e com a menor

distncia entre elas (Milasch, 1984).

Com essa montagem cria-se vcuo no sistema interligado. O condensador contm

uma cmara fria com temperatura de -80C e nessa situao a presso de vapor dgua

de 0,0004mmHg. Como o vcuo isolante trmico, a temperatura das bobinas do

transformador no se altera de maneira relevante. Considerando que a isolao slida se

mantenha a uma temperatura superior a 18C, a presso de vapor ser maior que

0,04mmHg. Assim, a presso de vapor da cmara fria ser 100 vezes menor, desse modo

uma grande quantidade da umidade que estiver dispersa no gs nesse sistema se

condensar na cmara fria, e a diminuio do teor de umidade no gs far com que parte da

gua contida no papel se vaporize, para voltar o equilbrio do sistema.

Esse mtodo de grande eficincia, contudo para teores de umidades muito altos,

acima de 2,5%, exigiria uma grande quantidade de gelo seco e acetona, que no so

produtos de fcil acesso, pois essas duas substncias em grandes quantidades so

utilizadas no processo de destilao da cocana. Alm disso, necessita de uma grande

estrutura de condensador e tubos para a interligao. Assim o mtodo se torna invivel para

elevados teores de umidade.

4.2.5 Mtodo por Vapor Phase

O mtodo Vapor Phase o procedimento mais comum utilizado para a secagem de

transformadores novos na fbrica. Embora seja o mtodo mais eficiente para a remoo da

33

umidade do papel, este procedimento necessita que o transformador seja retirado de

campo, e levado at a fabrica onde alocado dentro de uma cmara especfica, j

preparada para sua realizao. A cmara onde ocorre esse processo mostrada pela figura

18.

Figura 18: Cmara especifica para secagem por Vapor Phase

Esse mtodo consiste na asperso de vapores de solvente, querosene ou

isoparafina, no papel Craft que est nas bobinas dentro do transformador. Esses vapores

sero aquecidos at a temperatura de 130C e posteriormente aspergidos na isolao slida

da bobina. Com esse mtodo o papel Craft poder atingir a temperatura de at 115C. Por

ser um solvente, esse vapor tem alto poder de penetrao na isolao slida, levando o

calor at as suas partes mais internas. A elevada temperatura do solvente evapora a

umidade que est impregnada no papel, dessa forma ela sai da isolao junto com ele.

Esse mtodo tem o menor tempo de durao de todos os procedimentos de

secagem, sendo amplamente utilizado no processo de fabricao do transformador. Todavia

necessita de um cuidado especial para que o solvente no condense dentro do

transformador, pois o solvente facilmente inflamvel.

Por essa razo, o mtodo de secagem por vapor phase pode ser considerado o

melhor processo de secagem, mais rpido e eficiente. No entanto, sua grande e custosa

aparelhagem lhe deixa invivel de aplicar em campo. Outro problema desse mtodo que

34

as altas temperaturas atingidas por esse processo deterioram o papel, diminuindo o grau de

polimerizao da celulose e diminuindo a vida til do mesmo.

4.2.6 Mtodo por Circulao de Corrente com Baixa Frequncia (LFH)

O mtodo de secagem por circulao de corrente com baixa frequncia mais

recente, sendo proposto como complemento para outros mtodos tradicionais a fim de

melhorar o seus rendimentos. Para utilizao desse procedimento faz-se necessria uma

fonte de corrente capaz de alimentar as bobinas do transformador frequncia de 0,05 a

0,0015 Hz.

Esse mtodo consiste no aquecimento das bobinas do transformador com uma

corrente de baixa frequncia, justamente porque a tenso necessria para aquecer o

transformador nessa faixa de frequncia baixa. Esse procedimento consegue aquecer a

parte ativa do transformador a temperaturas superiores a 110C. Assim, necessrio

controlar o aquecimento para que isso no acontea, j que a elevao da temperatura

acima de 110C pode causar a deteriorao do conjunto papel e leo.

Esse mtodo se mostrou muito eficiente como mtodo auxiliar, sendo utilizado em

conjunto com outros procedimentos, como circulao de leo quente ou mtodo de

asperso de leo quente, tornando-os mais eficientes. Mas, o alto custo dos equipamentos

comparados a outros mtodos inviabiliza sua utilizao.

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5 AVALIAO DOS MTODOS UTILIZADOS

Neste captulo sero avaliados os mtodos de secagem de transformadores

utilizados na CTEEP, a qual utiliza dois mtodos principais para a secagem de

transformadores: o Alto Vcuo; Circulao de leo quente com o transformador

desenergizado.

Para esses dois mtodos, a eficincia da secagem depende diretamente da

eficincia do vcuo que a bomba consegue gerar dentro do transformador. Essa presso de

vcuo pode ser afetada por trs motivos principais: volume do transformador, no qual ser

feito vcuo; capacidade da bomba de efetuar o vcuo; vazamento nas chapas e emendas

do transformador.

O equipamento de vcuo formado por duas mquinas, uma bomba mecnica

Stokes com vazo de 2700 m3/h, e uma bomba Buster Stokes com vazo de 255 m3/h. Esse

sistema foi conectado ao transformador por uma tubulao de quatro polegadas, conforme a

figura 13.

Figura 13: Conexo da bomba de vcuo

Outro equipamento utilizado nessa secagem foi um medidor de vcuo da Edwards,

que foi conectado vlvula superior, sendo esta indicada com uma seta na figura 13. O

medidor da Edwards composto por um sensor que conectado vlvula e por um visor

este visor pode mostrar a presso em milibar, pascal ou torr. O equipamento da Edwards

apresentado na figura 14.

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Figura 14: Medidor de vcuo da Edwards

Antes da anlise do levantamento dos dados, importante ressaltar que o

transformador estudado no apresentava problema de elevado teor de umidade, sendo que

o processo de secagem por alto vcuo foi realizado nele por motivos de abertura de sua

tampa lateral, decorrente da montagem da bucha de alta tenso. Por esse motivo, o tempo

de vcuo foi de apenas 16 horas. Se esse transformador apresentasse problemas com

elevado teor de umidade, o tempo de vcuo seria de 48 horas, que o tempo padronizado

para a classe de tenso desse transformador de 440/ 3 kV.

Para se fazer uma anlise da eficincia dos mtodos de secagem, levantou-se a

curva de nvel de vcuo obtido em relao temperatura interna e tempo de funcionamento

da bomba de vcuo. Os valores comearam a ser coletados uma hora depois da bomba ser

ligada.

Com os valores obtidos foi construdo o grfico apresentado na Figura 15.

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Figura 15: Nvel de vcuo por tempo

Este grfico permite observar o valor de presso de vcuo de um transformador, no

qual o processo de secagem por alto vcuo foi realizado, compreendendo que a

temperatura interna desse transformador se manteve a 33C, dado fornecido por seu

termmetro.

O grfico tambm permite observar que os valores de presso obtidos foram

satisfatrios, com base no estudos do CIGRE(2013), sendo que na estabilizao ficou em

30 milibar. Utilizando a Tabela 4 possvel concluir que a temperatura de vapor dgua

nessa presso de 23,8C, inferior constatada no interior do transformador.Com base nos

valores de presso e temperatura obtidos, conclui-se que o nvel de vcuo alcanado nesse

transformador foi suficiente para se efetuar a secagem pelo mtodo de alto vcuo.

O transformador, no qual foi efetuado o vcuo, tinha um volume de 20 m3. Esse

volume interno considerado mediano para transformadores do SEP, podendo chegar at

trs vezes esse volume em transformadores maiores. Tendo em vista essa premissa, o

vcuo foi gerado em um volume relativamente pequeno, comparado a outros

transformadores utilizados na CTEEP, o que aumenta a eficincia do processo, pois a

bomba precisa de uma vazo menor para alcanar um favorvel nvel de vcuo.

Outra caracterstica do sistema estudado a vazo da bomba de vcuo, que neste

levantamento era de 2700 m3/h. Essa vazo suficiente para diminuir a presso interna do

transformador at 30 milibar. Segundo estudos realizados pelo CIGRE (2013), necessria

uma vazo de 1000 m3/h para a realizao de vcuo em transformadores com volume maior

que 10 m3.

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Por ltimo, apresentada a diminuio da eficincia de vcuo ocasionada por conta

dos micro vazamentos que as chapas e vedaes podem apresentar. As vedaes e chapas

do transformador ficam constantemente sujeitas a variaes climticas. Essas variaes ao

longo dos anos degradam esse material, que nas vedaes formada por uma borracha

especial chamada de ORING. A deteriorao dessa borracha a torna quebradia, e nesse

estado ela permite a passagem de ar por pequenas fissuras que se formam por ela.

Entretanto, o transformador estudado era novo e, com isso, os micro vazamentos no

atrapalharam a eficincia do processo de vcuo.

5.1 Propostas De Melhoria Para o Mtodo De Alto Vcuo

Como a eficincia do mtodo foi comprovada pela anlise do nvel de vcuo

conseguido no transformador, o projeto de melhoria para tal mtodo se baseia em trs

princpios: iniciar o vcuo na hora mais quente do dia; fazer um controle peridico do nvel

de vcuo e da temperatura do transformador durante a secagem; garantir dimetro

suficiente do tubo que levar o vcuo para o transformador.

A preocupao em comear o vcuo na hora mais quente do dia se deve ao fato

deste ser timo isolante trmico, assim, a temperatura da parte ativa durante a secagem

ser igual temperatura no incio do vcuo, maximizando a eficincia do processo. Tal

afirmao comprovada nesse levantamento, j que ao iniciar o vcuo, as temperaturas,

tanto a interna como a externa do transformador, eram de 33C. Enquanto a temperatura

interna se manteve constante durante todo levantamento, a externa variou.

O controle do nvel de vcuo e temperatura permite avaliar se a secagem ser

eficiente, como possvel observar na Figura 15 e na Tabela 4. A temperatura de ebulio

da gua, mesmo atingindo uma presso de vcuo satisfatria dentro do transformador, de

24C. Por esse motivo, importante sempre medir a presso de vcuo atingida na

secagem, bem como a temperatura interna do transformador.

Como j foi explicado, o nvel de vcuo gerado dentro desse transformador foi

eficiente, sendo que essa presso de vcuo no ser alcanada em transformadores

maiores e/ou mais velhos, nos quais a temperatura de ebulio da gua ser maior que

24C.

A temperatura inicial nesse levantamento tambm foi alta, 33C, e no possvel

atingir esse valor elevado de temperatura em todas as secagens. Assim, essa anlise, de

temperatura e presso interna, serve para, em conjunto com o resultado da URSI, auxiliar

na escolha do mtodo de secagem mais adequado para cada transformador, bem como

demonstrar ineficincia do processo caso a temperatura e presso interna no sejam

suficientes para a secagem.

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Outro fator interessante desse levantamento que a presso de vcuo de 30 milibar

demorou 14 horas para ser alcanada, o que leva a contar o tempo til de secagem e

descontar o tempo que a bomba de vcuo demora para atingir esse valor.

A preocupao com o dimetro do tubo de vcuo ocorre, porque se foi constatado

que quando so utilizados tubos com seco transversal pequena, inferiores a 4 polegadas,

mesmo atingindo uma presso de vcuo baixas, menor que 50 milibar, a secagem perde

eficincia. Dessa forma, com intuito de maximizar sua eficincia, preciso utilizar um tubo

de quatro polegadas.

4.2.5 Propostas De Melhoria Para o Mtodo De Circulao De leo

Quente

J no mtodo de circulao de leo quente com o transformador desenergizado,

como o leo aquecido a 60C ou 80C, no necessrio se preocupar com a temperatura

de incio do processo. Esse aquecimento da parte ativa permite efetuar a secagem de modo

eficiente para presses de vcuos mais elevadas. A eficincia desse mtodo tambm

melhorada com o controle peridico do nvel de vcuo e da temperatura do transformador

durante a secagem, e a garantia de um dimetro suficiente do tubo que levar o vcuo para

o transformador.

Assim o mtodo de circulao de leo quente indicado para transformadores mais

velhos, que contenham micro vazamentos por suas chapas e vedaes, pois como pode se

observar na Tabela 4, para presses de vcuos menores que 200 milibar a temperatura de

ebulio da gua menor que 60C.

Esse mtodo tem outra clara vantagem em relao ao Alto Vcuo: o tempo til de

secagem maior. Caso os enrolamentos tivessem sido aquecidos a 60 antes de iniciar a

secagem, o tempo til de secagem seria contado a partir do momento que a presso de

vcuo atingisse um valor inferior a 200 milibar, que nesse caso ocorreu 14 horas antes da

presso atingir o valor de 30 milibar.

E esse processo ainda pode ser melhorado utilizando um mtodo auxiliar como o por

circulao de corrente de baixa frequncia, tomando o cuidado de aquecer de modo inferior

a parte ativa, para que o leo que estiver circulando no passe de 80C, j que essa a

temperatura limite para no deteriorar o leo. Assim, ele mantm suas caractersticas

isolantes e de refrigerao, alm de poder ser utilizado no preenchimento do transformador.

Caso o leo no seja reutilizado, a temperatura mxima desse processo deve ser menor

que 120C, pois a essa temperatura a celulose se deteriora. Utilizando a Tabela 4 verifica-se

que na temperatura de 80C possvel efetuar uma secagem eficiente com presses de

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vcuo inferiores a 400 milibar. J para temperaturas superiores a 100C, a secagem pode

ser efetuada a presso atmosfrica.

Contudo mesmo com elevadas temperaturas superiores a 60C, recomendvel

sempre se atingir a menor presso possvel para se efetuar a secagem. Isso ocorre porque

a eficincia do processo aumenta com o aumento da diferena entre temperatura interna e

temperatura de ebulio.

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6 CONCLUSO

O desenvolvimento desse projeto concentrou-se na elaborao de um estudo sobre

os processos de secagem de transformador, que so aplicados em transformadores de

transmisso de energia eltrica, e posteriormente uma anlise de dois mtodos que foram

aplicados a um transformador de 440/138KV e 50MVA.

Primeiramente, foi necessrio um estudo sobre transformadores, detalhando seu

funcionamento, partes principais e possveis defeitos que necessitem de manuteno. Esse

estudo foi necessrio para compreender os problemas que podem ocorrem em um

transformador e as manutenes possveis. Esse estudo possibilitou compreender a

importncia da secagem para transformadores de transmisso de energia.

Aps esse estudo sobre transformadores em geral, foi necessrio um estudo

detalhado sobre os problemas causados pelo excesso de umidade dentro dos

transformadores, para compreender os mtodos de ingresso de umidade, os problemas

relacionados umidade e como detectar essa umidade dentro dos transformadores.

Com todas essas informaes, finalmente foi feito um estudo sobre parte dos

mtodos de secagem utilizados em transformadores do sistema de transmisso de energia

eltrica.

Por fim, dois mtodos de secagem foram executados e avaliados detalhadamente de

forma que melhorias nos procedimentos foram sugeridas. Foi concludo que, ambos os

mtodos utilizados foram eficientes para o caso levantado, porm o processo de circulao

de leo quente desenergizado foi comprovadamente mais eficiente que o mtodo de alto

vcuo, alm de ter um tempo til de secagem maior. As vantagens do mtodo de alto vcuo

se restringem a sua facilidade de execuo (menos maquinrio) e tempo total de execuo

ser menor.

Assim com as melhorias propostas possvel minimizar o tempo de manuteno dos

transformadores, reduzindo os gastos da concessionria com a manuteno, e

principalmente reduzindo a perda de receita referente indisponibilidade do sistema.

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