N˜ao existem d´uvidas de que o envelhecimento da isolac¸˜ao ´e considerado uma ameac¸a em poten- cial `a seguranc¸a operacional dos transformadores, principalmente para as unidades submetidas a elevados gradientes de tens˜ao. A gradual deteriorac¸˜ao da pureza do ´oleo tem um importante papel no sistema de isolac¸˜ao destes equipamentos. Como a relac¸˜ao entre o envelhecimento do ´oleo e a deteriorac¸˜ao da isolac¸˜ao interna dos enrolamentos quase nunca ´e monitorada, o envelhecimento do sistema de isolac¸˜ao ´e analisado pela lenta mudanc¸a das propriedades anal´ıticas dos ´oleos, o que n˜ao ´e, geralmente, considerado como uma ameac¸a `a seguranc¸a operacional dos transformadores. Alguns engenheiros acreditam que as impurezas do ´oleo, devidas ao seu envelhecimento, podem ser seletivamente removidas apenas pela sua manutenc¸˜ao preventiva. A an´alise de aspectos te´oricos deste assunto, bem como novas propostas de um estudo espec´ıfico, sugerem a verificac¸˜ao da relac¸˜ao entre as propriedades anal´ıticas do l´ıquido isolante e as propriedades diel´etricas dos enrolamen- tos. Devido aos esforc¸os dos refinadores durante d´ecadas, a qualidade dos ´oleos minerais usados
CAP´ITULO 3. ENVELHECIMENTO DO SISTEMA DE ISOLAC¸ ˜AO EL ´ETRICA (SIE) 23
como isolantes tem melhorado consideravelmente. Entretanto, fatores econˆomicos e limitac¸˜oes dos ensaios de laborat´orios reduzem a possibilidade da eliminac¸˜ao completa de todos os componentes inst´aveis dos seus hidrocarbonetos, respons´aveis por sua deteriorac¸˜ao em servic¸o. Por causa do calor, do estresse el´etrico gerado pelos enrolamentos e n´ucleo, e do efeito catal´ıtico do cobre na oxidac¸˜ao, os transformadores podem ser comparados a um reator qu´ımico. Uma melhor compre- ens˜ao da relac¸˜ao, entre a pureza do ´oleo e a sua influˆencia no envelhecimento da isolac¸˜ao, podem reduzir os altos custos de uma manutenc¸˜ao inadequada, j´a que a confiabilidade dos transformadores de potˆencia dependem, literalmente, da condic¸˜ao do seu sistema isolante [52].
O envelhecimento de um sistema de isolac¸˜ao el´etrica (SIE) ´e definido como as mudanc¸as irre- vers´ıveis das suas propriedades, devido `a ac¸˜ao de um ou mais fatores de envelhecimento [53]. O envelhecimento e a expectativa de vida de um SIE s˜ao dependentes do comportamento f´ısico dos materiais isolantes, do projeto, da fabricac¸˜ao e das suas condic¸˜oes de emprego.
O envelhecimento el´etrico [54] ´e influenciado pela forc¸a do campo gerado, seja ele devido a uma fonte AC, DC ou a um impulso, e ocasiona:
• descargas parciais, quando a forc¸a do campo local excede o campo m´aximo do l´ıquido ou dos diel´etricos gasosos adjacentes, inclu´ıdos no sistema de isolac¸˜ao el´etrica;
• eletr´olise;
• aumento de temperatura, produzido pelas altas perdas diel´etricas;
• o aparecimento de cargas espaciais.
O envelhecimento mecˆanico ´e influenciado pela taxa de ocorrˆencia de estresse mecˆanico repeti- tivo e pela amplitude de estresses n˜ao repetitivos, e envolve o seguinte [54]:
• a fadiga dos componentes da isolac¸˜ao causada por um grande n´umero de ciclos de estresses de baixo n´ıvel;
• efeitos termomecˆanicos causados pela expans˜ao ou contrac¸˜ao t´ermica;
• ruptura da isolac¸˜ao devido a altos n´ıveis de estresse mecˆanico, que podem ser causados por forc¸as externas ou pela pr´opria operac¸˜ao do equipamento;
• desgaste abrasivo provocado pelo movimento relativo entre os componentes do equipamento;
• perda gradativa da isolac¸˜ao devido ao estresse el´etrico, t´ermico ou mecˆanico.
O envelhecimento ambiental envolve os processos de reac¸˜ao qu´ımica, mencionados no envelhe- cimento t´ermico.
Os fatores ambientais podem influenciar de v´arios modos, o tipo e o grau de degradac¸˜ao aos quais o SIE ´e exposto. Outros aspectos importantes s˜ao a redistribuic¸˜ao dos estresses devido a mudanc¸as no ambiente, a influˆencia do p´o, e outro tipo de contaminac¸˜ao no comportamento el´etrico. Os fatores de acelerac¸˜ao do envelhecimento do SIE, devido ao ambiente, ainda n˜ao s˜ao documen- tados na literatura t´ecnica [54]. Um esquema b´asico representativo do envelhecimento de um SIE ´e representado na figura 3.1. Quando o envelhecimento ´e devido a um ´unico fator, ele ´e referido como
Estresse de Envelhecimento
Elétrico Térmico Mecânico Ambiental
SIE
Elétrico Térmico Mecânico Ambiental Intrínseco/Extrínseco
Mecanismos de Envelhecimento
Interações Diretas / Indiretas
Falha
Figura 3.1: Envelhecimento do SIE.
um fator simples de envelhecimento. Mas multifatores podem ocorrer, ou seja, o envelhecimento de um SIE pode ser complexo e sua falha pode ser causada por uma combinac¸˜ao de mecanismos de envelhecimento, mesmo que exista somente um fator dominante. Na figura 3.2 ´e apresentado
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um diagrama do envelhecimento de um SIE, causado pela combinac¸˜ao de fatores de envelheci- mento [54]. Estresses de Envelhecimento Elétrico Aumento das Perdas no SIE Estresses de Envelhecimento Mecânico Estresses de Envelhecimento Térmico e Ambiental Danos localizados no SIE Mudanças Químicas no SIE Falha Graus de Envelhecimento Estresses predominantes de Envelhecimento Mecanismos Predominantes de Envelhecimento A B C
Figura 3.2: Mecanismos de envelhecimento.
O envelhecimento ou a vida ´util do transformador ´e determinado pela degradac¸˜ao da isolac¸˜ao s´olida (papel isolante), causada pelo aumento do n´ıvel t´ermico do papel isolante, o que provoca a sua decomposic¸˜ao. O envelhecimento n˜ao depende somente do carregamento do transformador, mas ´e influenciado significativamente pelo tipo de papel isolante, composic¸˜ao do papel, teor de umidade e de oxigˆenio, e tamb´em do n´ıvel de acidez do ´oleo [55, 49]. A degradac¸˜ao da celulose foi estudada usando v´arios m´etodos. Oommen e outros [56] estudaram os materiais isolantes de celulose, determinando o seu grau de polimerizac¸˜ao, e diagnosticando os pontos quentes da estrutura isolante. Shroff e outros [5] monitoraram o conte´udo de furfuralde´ıdo no ´oleo, e indicaram o n´ıvel de decomposic¸˜ao do papel isolante, relacionando o grau de polimerizac¸˜ao com o teor de furfuralde´ıdo. Burton e outros [57] avaliaram a isolac¸˜ao do transformador monitorando apenas o conte´udo de furfuralde´ıdo. Carballeira sugeriu o m´etodo do cromat´ografo l´ıquido de alto desempenho, em que o transformador ´e monitorado em operac¸˜ao [58].