Avaliação da presença de indicadores de oxidação do papel isolante termoestabilizado em equipamentos de subestação

Abstract

Resumo: O sistema de isolamento compõe uma das partes mais importantes do transformador elétrico. Uma vez que a tecnologia desenvolvida até hoje não permite a regeneração do papel Kraft durante a operação do equipamento, a qualidade deste material é elemento chave na manutenção, com a análise do furfuraldeído (2-FAL) dissolvido em óleo mineral isolante (OMI). Ao longo dos últimos anos, pesquisas investiram no desenvolvimento de materiais capazes de suportar condições mais severas de temperatura e esforço mecânico, como o papel Kraft termoestabilizado. Paralelamente a esta iniciativa, surge a necessidade de desenvolvimento de estudos que visem diagnosticar de forma rápida, direta ou indiretamente, os processos degenerativos envolvidos. Assim, neste trabalho, pelo envelhecimento em estufas de sistemas contendo óleo e papel isolante, foi possível simular o estresse térmico ao qual um transformador de potência está sujeito, verificando as alterações nas propriedades dos materiais envolvidos, de modo a comparar o envelhecimento dos sistemas de isolamento sólido termoestabilizado e convencional. Para tal, foram realizados ensaios sob OMI e papel envelhecidos termicamente, permitindo não somente o estudo destes sujeitos a uma única condição, como também a interação de ambos, a influência de um incremento de temperatura e a comparação de dois materiais diferentes. Em um primeiro momento foram realizados os ensaios físico-químicos em OMI, para verificar a alteração das propriedades do material, bem como a presença de apenas estresse térmico, sendo realizada uma comparação com os dados de equipamentos de campo. Notou-se uma diminuição gradativa da tensão interfacial, bem como aumento leve do fator de potência do óleo, o que comprovou o envelhecimento do material. Paralelamente, foi realizado o estudo da degradação do isolamento sólido, por meio de ensaios de grau de polimerização (GP), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e Resistência à Tração sob as amostras envelhecidas em laboratório. Os resultados obtidos comprovaram a menor resistência do papel convencional em relação ao termoestabilizado, devido ao decaimento do GP, aparecimento de falhas e diminuição da densidade de fibras e com o aumento da fragilidade mecânica do material. Produtos indicadores da degradação do papel isolante em equipamentos elétricos, os compostos furânicos (CF) foram avaliados frente à diminuição do GP do isolamento sólido, de modo a desenvolver um estudo comparativo entre ambos os tipos de materiais existentes e que propiciasse uma análise diferenciada dos ensaios de manutenção de transformadores. O 2-FAL apresentou um comportamento padrão, com o aumento de sua concentração com o tempo de envelhecimento para o papel convencional. Porém, para o isolamento termoestabilizado, confirmando algumas pesquisas da literatura, o único composto que apresentou resultado foi o álcool furfurílico (2-FOL), sendo verificada a dissolução do composto em óleo para GP a partir de 900 e a formação de curvas de evolução de aumento suave, porém pouco gradual ou constante. Tal resposta do óleo em relação à degradação térmica do papel termoestabilizado se mostrou interessante para a manutenção, uma vez que foi verificado que o acompanhamento desenvolvido deverá ser realizado de forma diferente daquele aplicado ao papel convencional de modo a visar diminuição da possibilidade de ocorrência de falhas.

Abstract: The insulating system is the most important part of an electric transformer. Since the technology developed up-to-date is not capable to regenerate Kraft paper during the machine operation, its quality is a key element to perform predictive maintenance, which is evaluated through the analysis of 2-FAL dissolved in insulating mineral oil (OMI). In the last years, researchers has invested in the development of materials capable of supporting more severe conditions such as temperature and mechanical stress, like the thermally upgraded Kraft paper. Simultaneously, researchers have been studying manners to direct or indirectly diagnose the degenerative processes involved. In this project, the thermal ageing of OMI and insulating paper was used to simulate the thermal stress to which the electric transformer is susceptible. By the verification of alterations in its materials, the ageing of solid isolation systems (conventional and thermally upgraded paper) can be evaluated and compared. In order to achieve that, thermally aged OMI and paper were analyzed to allow: the study of them separately, of the interaction between liquid and solid insulations, the influence of temperature increments on the systems, and the comparison between the two different kinds of materials. First of all, physical-chemical analyses were realized in OMI samples to verify the simulation of an electric equipment life cycle and the existence of thermal effects alone. This results were analyzed considering data collected from field electric transformers. It has been noted a gradual reduction of the interfacial tension and light increasement of oil dielectric losses which confirmed the ageing of the material. Simultaneously, the study assessed the paper degradability, measuring the degree of polymerization (GP), mechanical resistance and the micro structural conditions (by MEV) of samples aged in laboratory. The results confirmed the greater resistance of thermally upgraded paper in comparison to the conventional one, as the GP decay, the failure and the fiber density decreasement (MEV) and with the lower values for mechanical fragility. Products that indicates the degradability of insulating paper in electric equipments, the oil furanic compounds were evaluated simultaneously with the paper GP decay, to developed a comparative study between solid insulation and to provide innovatory way to perform the predictive maintenance of transformers. The 2-FAL presented standard behavior, increasing the concentration in oil with the ageing time for conventional insulation. But, for thermally upgraded paper, confirming the information collected from literature, the unique compound that presented results was the 2-FOL, that was founded dissolued in oil as the GP dacay lowered from 900 and the formation of smooth, less gradual and less constant evolution curves. That answer of the oil in the thermal degradation of paper is really interesting to the maintenance activities, because was verified that the monitoring of the both kinds of paper are different and it have to be considered in order to try to decrease the occurrence of failures.