UUNNIIOOEESSTTEE -- UUnniivveerrssiiddaaddee EEssttaadduuaall ddoo OOeessttee ddoo PPaarraannáá CCaammppuuss UUnniivveerrssiittáárriioo ddee FFoozz ddoo IIgguuaaççuu CCuurrssoo SSuuppeerriioorr ddee EEnnggeennhhaarriiaa EEllééttrriiccaa

Rafael Campagnaro de Mendonça Gustavo José Barbosa Rodrigo Miyabayashi

Novembro, 2000

Introdução

Muitos avanços da história da civilização, grandes e pequenos, foram precedidos por progressos na química. Não é acidental, por exemplo, que algumas das épocas da história do homem – como a Idade do Bronze e a do Ferro – tenham recebido tais nomes devido ao aprimoramento das habilidades humanas em transformar esses metais. De fato, a descoberta de processos de refinação dos metais modificou a face da civilização, desde pequenos edifícios e carretas de tração animal até os arranha-céus e as ferrovias. Sem esses acontecimentos, ou sem os avanços da tecnologia de materiais como o concreto e o vidro, não existiriam automóveis, aviões ou qualquer outra maravilha tecnológica atual.

Para completar a revolução metalúrgica que acompanhou os séculos dezessete e dezoito houve a revolução da química orgânica, no século vinte. Quando os técnicos descobriram a abundância de produtos orgânicos – isto é, produtos químicos que contêm carbono – obtidos do refino de carvão e petróleo, surgiram novos produtos em profusão. Entre eles estavam os plásticos, como o politeno e o teflon, ou as fibras sintéticas, como o náilon e o poliéster. De fato, os avanços da química industrial invadem tanto nosso dia-a-dia que é praticamente impossível passar um dia inteiro longe de suas aplicações.

Uma das aplicações é a utilização do papel, que mesmo sendo composto de fibras naturais e produzido desde o início da escrita, há cerca de 5 mil anos, possui um processo de fabricação e utilização muito complexo.

PPaappééiiss –– FFaabbrriiccaaççããoo ee uuttiilliiddaaddeess nnaa EEnnggeennhhaarriiaa EEllééttrriiccaa Cerca de um terço da Terra é coberto por árvores, de onde vem a matéria-prima para a

produção de papel. As linhas que vemos em um pedaço de madeira são chamadas veios, que são utilizadas pelas árvores para fazer os transportes dos líquidos necessários para a sua sobrevivência. Além desses veios, há ainda as fibras, em maior quantidade, cuja função é a sustentação da planta. Na indústria de papel, as fibras são separadas, e então unidas novamente em um padrão de entrelaçado para fazer folhas finas, que são os papeis que usamos no dia-a-dia.

Processo de fabricação Desde o início da escrita, há cerca de 5 mil anos, as principais matérias-primas para fabricação de papel eram fibras como o algodão, o linho e o cânhamo; mas atualmente quase todo o papel vem da madeira. Geralmente essa madeira é tirada de árvores como o eucalipto. Há ainda fontes alternativas que levam em conta os problemas ambientais. Uma dessas fontes, o cânhamo, como já foi dito, é uma das mais antigas. Existe até uma polêmica em relação a obtenção do cânhamo da cannabis sativa, a maconha. Mas já existe alguns países, como a França, que plantam legalmente a planta baseando-se em argumentos econômicos e ecológicos para fazer papel. Afinal, a canabis rende quatro vezes mais do que o eucalipto, com a vantagem de ter menos lignina, substância nociva ao meio ambiente. Itália e Espanha também estão processando fibras para fazer papel do mesmo jeito.

O ingrediente que torna a madeira uma boa fonte de papel é uma longa e fibrosa molécula chamada celulose. Ao longo de cada molécula de celulose existe uma certa quantidade de grupos de hidroxila – átomos de oxigênio ligados a átomos de hidrogênio –, que interliga os filamentos de celulose numa malha rija.

As hidroxilias da celulose têm um átomo de

oxigênio (azul) e um de hidrogênio (vermelho). O isolamento e a preparação das fibras de madeira em forma adequada para fabricar

papel requerem processos de polpação (polpa de papel), alvejamento e refinação. A madeira é constituída principalmente por três substâncias típicas: celulose, lignina e hemiceluloses, junto com pequenas quantidades de matérias estranhas, que constituem as partes insolúveis do extrato. Biologicamente, compõem-se de um sistema de células unidas entre si por uma substância. O processo de polpação, isto é, transformação da madeira em polpa, consiste principalmente em separar as células da matéria intersticial, células essas que são, geralmente, do sistema longitudinal. O componente celulótico da madeira está situado nas paredes celulares em forma de pequenos cristais de moléculas de fórmula estrutural bem complicada; a lignina é um constituinte importante da substância intercelular, e, em menor quantidade, encontra-se na membrana celular. As hemiceluloses são amorfas e encontram-se tanto nas células como na substância celular.

Malha de celulose, foto tirada por

um microscópio eletrônico.

Cadeia polimérica da celulose, um exemplo da estrutura da

celulose do algodão.

Os métodos industriais utilizados para obtenção de polpa (pasta) são: processo de bissulfito, que usa o bissulfito de cálcio, amônio ou magnésio; processo sulfato ou kraft, que emprega uma mistura de sulfureto de sódio e hidróxido de sódio; e, mais modernamente, o processo semiquímico do sulfito neutro, que utiliza uma dissolução de sulfito de sódio tamponado com carbonato ou bicarbonato de sódio. Podem-se obter também pequenas quantidades de polpa com carbonato de sódio. Os processos do sulfito e do sulfato são utilizados quando há que eliminar uma grande percentagem de lignina durante a obtenção da polpa, ao passo que o processo semiquímico do sulfito neutro deixa praticamente a metade da lignina na polpa.

A pasta de madeira pode ser também obtida por processos mecânicos, sendo então chamada pasta mecânica.

Obtêm-se pelo desfibrilamento de blocos de madeira, que são pressionados longitudinalmente em presença da água e por meio de pressão hidráulica contra pedras que giram rapidamente, sendo essas máquinas chamadas desintegradores, onde se separam as fibras dos feixes de fibras e outras impurezas. Para o fabrico de papel de imprensa essa pasta é pré-branqueada. Existem várias outras modificações desses diversos processos.

Não são conhecidas totalmente as reações químicas que ocorrem no equipamento de digestão (desagregação). A reação mais importante, a da lignina, é difícil de interpretar, por se desconhecer a sua estrutura.

No processo sulfito, os polissacarídeos dissolvidos se recuperam nos líquidos residuais como açucares simples. No processo Kraft ou sulfato, os polissacarídeos, uma vez dissolvidos, transformam-se em ácidos sacarínicos. A lignina no líquido sulfito está sob forma de sal cálcio básico do ácido lignossulfônico. Esses ácidos lignossulfônicos ou seus sais lignossulfonatos de sódio, estão sendo estudados com o fito de se obterem produtos tais como vanilina e dispersantes, pois as quantidades de lignossulfonato são enormes na industria do papel. A lignina obtida no processo alcalino está mais condensada e se denomina lignina alcalina.

As fibras em bruto, produzidas durante o processo de obtenção da pasta, podem ser utilizadas diretamente para fabricar o papel depois de uma preparação adequada, isto é, lavagem para retirar os reagentes químicos e depois depuração; entretanto, freqüentemente a polpa que procede do digestor sofre uma clarificação (alvejamento). Isso se faz principalmente com a pasta semiquímica do sulfato neutro e, para fins específicos, com a pasta mecânica. O alvejamento das pastas é feito por coloração, por oxidação ou por redução da substância corada até eliminar ou descorar a lignina residual, os derivados corados dos hidratos de carbono e os indícios de outras substâncias que se encontram na pasta. O agente redutor, nesse caso, é o hidrossulfito de zinco.

Geralmente, a polpa é alvejada em distintas fases, utilizando-se uma mistura de agentes alvejantes. Na primeira é utilizada a cloração. A fase seguinte consiste em uma oxidação da pasta clorada, uma vez lavada com uma solução de hipoclorito alcalina; nova lavagem segue ao tratamento de hipoclorito. O produto assim obtido alcança um alvejamento satisfatório e tem sido usado em muitas aplicações. Quando se necessita de uma polpa mais branca, ela é submetida a uma segunda lavagem de hipoclorito ou é tratada com dióxido de cloro ou peróxido de sódio, e submetida, depois, a uma lavagem alcalina e outra aquosa. Durante o alvejamento, não se obedece a nenhum sistema definido; utilizam-se modificações das fases anteriores, com o que se obtém uma pasta melhor para determinados fins. A pasta mecânica pode ser alvejada com hipocloritos ou peróxidos, que oxidam a lignina, ou, ainda, com hidrossulfito que reduz os constituintes corados. O branqueamento de celulose é feito modernamente com dióxido de cloro, alternado com estágios de extração alcalina e lavagem interestágios.

A última fase requer uma redução da pasta e refino, conhecida por preparação da pasta.

As fibras da polpa, ao saírem do digestor e do alvejamento, são levadas diretamente à maquina de fabricação do papel, formando um papel de pouca resistência e de grande poder absorvente. Por este modo, elabora-se também papel de embrulho. Obtém-se maior resistência das fibras, submetendo-as a processos que estão bastante relacionados com a redução da pasta e refinação. Há anos atrás acreditava-se que o processo da redução e refino “hidratava” a polpa, porém, hoje se considera mais intimamente relacionada com a destruição parcial da estrutura da fibra em microfibras que, por sua vez, têm a faculdade de reter água em conseqüência do aumento de superfície que experimentam.

A preparação da polpa para a maquina de papel se faz em diversos tipos de batedoras e refinadoras. A batedora é o lugar onde se podem juntar outras substâncias à pasta, como aditivos do tipo sabão de resina, que serve para comunicar maior resistência à água; amido ou gomas especiais, para torná-la resistente; material de enchimento branco, para torná-la opaca; tintas para colori-la; alumens (sais duplos), para ajustar o pH e ajudar a retenção dos aditivos na folha. Após isto, a pasta já está em condições de ser convertida em papel.

Setor de polpação numa fábrica de papel da Finlândia

Para se fabricar papel a partir da suspensão preparada, são necessárias ainda outras fases.

A primeira delas, chamada processo de fiação, é a formação de uma folha úmida com as fibras arbitrariamente orientadas, o que se consegue pelo escoamento na parte úmida da máquina de preparação do papel. Na fase seguinte, chamada drenagem da água, a folha úmida é prensada para retirar mais água e torná-la mais compacta, melhorando, assim, as características físicas do papel. A fase final consiste na eliminação, pelo calor, da maior parte da água ainda existente.

Alguns grupos de hidroxila ainda aderem a

moléculas de água após o processo de fiação.

As moléculas de água diminuem na drenagem.

Os grupos de hidroxila da celulose ficam

ligados entre si, no papel seco na fase final.

A folha úmida se forma, seja suportando a suspensão aquosa diluída das fibras sobre uma tela metálica sem-fim em movimento (máquina de Fourdrinier), seja fazendo passar a suspensão das fibras sobre um cilindro revestido com tela metálica (máquinas cilíndricas). No caso da máquina de Fourdrinier, parte da água escorre das fibras por gravidade, parte se extrai por sucção (vácuo) e, ainda, se elimina algo mais pela pressão de um conjunto de dois cilindros metálicos, um dos quais é revestido com borracha ou feltro (manchon). No segundo caso, ao manter-se o vácuo por baixo da superfície da pasta do cilindro, forma-se a folha sobre a tela metálica por sucção. Este processo se realiza a uma velocidade de 850 metros por minuto e, às vezes, mais.

Máquina de papel, fabricada na Finlândia para uma indústria da Noruega;

Produz uma folha com 6,65m de largura, a uma velocidade de 1.000 metros por minuto. No extremo da tela metálica, a folha úmida, com cerca de 80% de água, é colocada sobre

um feltro que a transporta através de vários grupos de cilindros-prensas, que retiram cerca de 10 a 20% da umidade inicial. A folha com este teor de umidade extra, finalmente, na seção de secagem da máquina de papel com suficiente solidez e resistência para suportar o próprio peso. Ali passa primeiro entre dois cilindros alisadores, onde se prensam suas irregularidades superficiais. Desses cilindros, dirige-se aos de secagem, cujo número depende da velocidade da máquina e da quantidade de água que se extrai. Varia de uma dezena a uma centena. Os cilindros de secagem são metálicos, aquecidos internamente por vapor e movidos por engrenagens. Reduzem o teor de umidade da folha, de 60 ou 70%, a cerca de 4 a 7%. É muito grande o volume de água que se elimina nos secadores. Grosso modo, pode-se dizer que, para 100 toneladas de papel seco que saem pelo extremo da máquina de papel, são extraídas umas 200 toneladas de água, quando o papel entra na seção de secagem com um teor de 66% e sai com uns 7%.

A descrição feita dá pequena idéia da amplitude e complexidade dessa indústria. Numa fábrica de celulose de sulfito, por exemplo, os cozinhadores tem 5 ou 5,5m de diâmetro a 12m e às vezes mais, de altura. As máquinas de fabricação fazem um papel de uns 7,5m de largura.

Diagrama geral de uma fábrica de produção de papel.

Fábrica de sulfato de polpa em Kotka, Finlândia.

Utilização do papel na engenharia elétrica

Os papéis têm um vasto campo de aplicação, nas formas mais diversas e impregnados

com os mais diversos isolantes líquidos e pastosos. Dielétricos, como também são chamados os isolantes, tem como função, não conduzir corrente elétrica, ou, em outras palavras, opor-se ao deslocamento dos elétrons. Como o papel é de origem orgânica e sua produção, como já foi vista, é feita usando como matéria-prima a celulose, ele pertence à classe dos isolantes fibrosos. Fibras isolantes podem ser orgânicas ou inorgânicas. As orgânicas mais encontradas são a celulose, o papel, o algodão, a seda e outras fibras sintéticas ou naturais. Já as inorgânicas são representadas sobretudo pelo amianto e fibra de vidro.

Nesse estudo, focalizaremos nossa atenção às fibras orgânicas, da qual faz parte o papel. É muito freqüente até os dias atuais o uso do papel para finalidades elétricas, sobretudo devido à grande flexibilidade, capacidade de obtenção em espessuras pequenas, preço geralmente razoável e estabilidade térmica em torno de 100°C, o que é também razoável. O maior problema de papel está em sua elevada higroscopia, o que condiciona o seu uso na eletrotécnica a uma impregnação adequada com óleos ou resinas. Essa elevada higroscopia é conseqüência da disposição irregular e cruzada das fibras, deixando grande número de aberturas ou interstícios no seu interior, que, na impregnação, são ocupados por isolante adequado. Geralmente apenas 40% do volume do papel é de fibras, o restante são espaços livres. Além das favoráveis propriedades elétricas do papel, ele se destaca por uma elevada resistência mecânica, tanto ao longo da fibra quanto transversalmente. Esse comportamento é importante, por exemplo, no uso do papel como isolante de cabos, onde, tanto na fabricação quanto no uso, os papeis ficam sujeitos a acentuados esforços de tração e de compressão, quando o cabo é tracionado e dobrado. A tração é mais acentuada durante a própria aplicação do papel como camada isolante sobre o material condutor. Nesse processo, aplica-se uma acentuada força de tração, para se evitar ao máximo a existência de bolhas de ar entre o condutor e o papel e entre as camadas de papel entre si. Quando papéis são preparados para serem utilizados como isolantes, a celulose (no processo de fabricação) é fervida junto com reagentes alcalinos. A celulose alcalina (como é chamada depois desse processo) é mais cara do que a ácida (normal) e tem uma característica interessante: ela dissolve facilmente tintas amareladas, o que torna esse tipo de papel inadequado

para escrever. O papel feito à partir da celulose alcalina tem uma resistência mecânica, ou esforço de tração mais elevado.

Em todos os papéis, o esforço de tração é maior no sentido horizontal (como se tentassemos puxar em cada ponta de uma folha) do que no sentido vertical (como se tentassemos furar). Além disso, esse esforço depende muito de como está a umidade do papel. Papéis muito secos ou muito úmidos têm um esforço de tração menor.

Esforço de tração de um papel para cabos de 0,08 mm de espessura.

A tração é medida em quilogramas para um papel de 15 mm no sentido vertical (curva 1) e horizontal (curva 2).

O papel também permite um dobramento acentuado sem “quebrar” suas fibras, característica importante quando o diâmetro da peça a ser isolada é pequeno ou quando existem ângulos de pequeno valor. Conforme já mencionado, o papel é altamente higroscópico devido à presença de grupos polares (hidroxilas - OH) na molécula de celulose, o que torna sua aplicação problemática para aplicações elétricas devido à saturação por umidade, que ocupa os vazios, ou interstícios, entre as fibras. Ensaios feitos nesse sentido demonstram que, de um dado volume de papel, em geral apenas cerca de 40% é composto de fibras, o restante são vazios que devem ser preenchidos com material isolante líquido, tal como o óleo ou o askarel, ou, senão, por dielétricos sólidos aplicados no estado líquido, como é o caso dos vernizes. Sob esses aspectos, o papel se destaca por uma elevada capacidade de impregnação ou absorção. O comportamento térmico do papel é outro aspecto. Nesse sentido, a propriedade de suportar ou não certos níveis de temperatura depende acentuadamente da natureza da fibra. Celulose sulfitada não pode ser solicitada, por exemplo, a 100oC por um tempo razoavelmente longo, ao contrário de celulose sulfatada, que não apresenta maior modificação de propriedades quando exposta a 100oC, durante uma semana. O envelhecimento da fibra desse papel de celulose ainda é mínimo a 120oC se forem aplicados durante 48 horas, ou a 135oC durante algumas hora. Acima desses valores, procede-se a uma modificação molecular da celulose devido à ação do vapor de água e de outros gases prejudiciais. Pelas razões expostas, um papel ao ser utilizado eletricamente, deve ser seco a vácuo, quando então fica livre da umidade que penetra no material durante o seu próprio manuseio na fabricação das camadas isolantes.

Aplicações Papéis são utilizados ainda hoje em grande número de casos, apesar de ser um produto em uso desde longa data e dos problemas e cuidados que devem ser tomados. Observa-se porém, que a tendência é substituí-lo por materiais fibrosos sintéticos, que permanentemente estão sendo desenvolvidos e produzidos. O papel na forma mais simples isola espiras de fios, caso em que vem impregnado com óleo ou vernizes. Este é também basicamente o caso de capacitores, onde o papel isola entre si as placas condutoras. Em outra forma, o papel que é flexível por natureza, é impregnado com verniz que ao secar, se torna rígido; é o caso de placas usadas como base de suporte de outros componentes ou mesmo como separadores dielétricos, no caso de barramentos ou de base de suporte de núcleos de transformadores ou dos enrolamentos de motor, dentro da ranhura.

Resultam, três grandes grupos de papéis que se diferenciam entre si pelo processo de fabricação e, consequentemente, de propriedades físicas, elétricas e mecânicas. Distinguem-se, assim, os tipos dados a seguir: a) Papel para capacitores

São os de melhor qualidade, maior compactação e menos espessura. Esses papéis de celulose sulfatada suportam uma elevada densidade de campo elétrico. Sua pequena espessura influi decisivamente na obtenção de capacitores de pequeno tamanho.

Estes papéis suportam temperaturas até 100°C, sendo que se carbonizam a 160°C. Sua espessura nunca é superior a 0,025 mm. A densidade varia entre 1 e 1,25 g/cm3, enquanto a rigidez dielétrica do papel impregnado normalmente é da ordem de 3.000 kV/cm. Tal valor porém, devido ás irregularidades do papel não deve servir de base para cálculo, recomendando-se valores não superiores á metade deste valor. b) Papel para cabos

Comparados com os anteriores apresentam características isolantes menos elevadas, são porém de menor custo e suportam bem as solicitações mecânicas que não existem nos capacitores. Sua espessura é geralmente maior, sendo menor o seu peso específico (densidade). Isso demonstra menor compactação e características isolantes menos elevadas.

Tais como os papéis destinados aos capacitores, também os aplicados em cabos apresentam a mesma limitação térmica, sendo sua densidade de 0,7 a 0,8 g/cm3. Sua rigidez dielétrica, seca, é de no máximo 100 kV/cm, valor este que pode ser levado de 8 vezes mediante uma impregnação adequada. A espessura normalmente é de 0,1 a 0,2 mm.

A base desse papel é celulose sulfatada. A sua densidade pode ser elevada a até 1 g/cm3, com o qual suas propriedades melhoram.

Na fabricação de cabos, as características mecânicas são de grande importância, tanto na tração quanto na flexão. A camada de papel, aplicada para garantir isolação entre fios com potenciais diferentes deve representar também uma proteção mecânica, no alto da instalação do cabo. O setor mais crítico, porém, é a eventualidade de camadas de ar que permanecem entre as camadas de papel, e que são o ponto de partida para descargas entre camadas de fios, sempre que não se usam recursos de impregnação pode ser destruído pela ação do ar ionizado (presença de oxigênio nascente O3) ionização essa que pode atacar outras partes do cabo. O problema da ação do O3 é, entretanto, bem mais crítico quando o isolante é de plástico.

Ao impregnarmos o papel de um cabo, seja com óleo ou com outros materiais, as propriedades elétricas, mecânicas e químicas logicamente dependerão das propriedades correspondentes do meio impregnante.

Justificado pelos fatores já analisados anteriormente, quanto a quantidade de ar incluso nas fibras, do qual permanecem resíduos mesmo após uma impregnação, cabos isolados com

papéis, quando não imersos em óleos, não são recomendados para tensões acima da classe 34,5 kV.

Industrialmente, os seguintes casos apresentam vantagens com dielétricos de papel: condutores destinados à enrolamentos de transformadores em banho de líquidos (óleo ou ascarél), cabos telefônicos e cabos de alta tensão com óleo.

c) Papéis para Transformadores

Num transformador, o papel é utilizado no núcleo e na base, como isolante entre as espiras. Primeiro é enrolado na espira e em seguida mergulhado num recipiente cheio de óleo isolante. O que é sempre dito é que a vida útil de um transformador é a vida do seu papel isolante pois em um transformador de grande porte, sai muito caro fazer a troca do papel velho. Por isso é preciso que o papel seja como os de capacitores, de alta qualidade. d) Aglomerado de papel

Papéis são aglomerados com mica e outros materiais, com a finalidade de atender a casos onde o isolamento isento de papel deve também suportar esforços mecânicos elevados.

No caso papel com mica, as plaquetas de mica são colocadas com verniz de colagem sobre o papel, que nesse caso tem uma função predominantemente mecânica, já que a mica é melhor isolante que o papel, nos aspectos elétricos e térmicos. O papel para essas aplicações deve ter fibras compridas, suportando ao longo da fibra esforços de tração da ordem de 750Kg/cm2; transversalmente à fibra, esse valor é sete vezes menor.

e) Papel impregnado

É um papel semelhante ao usado em cabos, porém, com menor densidade e, por isso, com maior capacidade de absorção de verniz, impregnando-se, assim, mais profundamente. O papel desse tipo é produzido geralmente em espessuras de até 0,1mm, com uma rigidez dielétrica de 8kV/mm. De um modo geral, esse papel é inferior ao papel para cabos.

f) Papelão isolante

Esses papelões podem ser fabricados a partir da fibra de celulose ou das fibras de trapos, caracterizando-se por uma função predominantemente mecânica, sem perder porém sua função isolante. São particularmente encontradas na isolação de ranhuras, fabricação de carretéis, suportes isolantes etc.

A fibra é igualmente de origem orgânica, bastante porosa e, por isso, em geral, tratada com um verniz adequado, que cola as fibras entre si.

A espessura é bem maior que a dos demais papeis, variando entre 0,1mm até alguns milímetros, quando não na forma de camadas de papel colocadas entre si. Deve suportar esforços de tração da ordem de 750Kg/cm2 no sentido longitudinal e, transversalmente, aproximadamente a metade desse valor. A rigidez dielétrica se move acima de 8 kV/mm, sem impregnação. Quando impregnado, esse valor costuma ser três vezes superior. Diversos são os nomes comerciais de produtos dessa área.

Análise da isolação sólida de transformadores

pelo ensaio de Índice de Polarização

Nos últimos anos tem havido um crescente interesse nos diagnósticos de transformadores por diversas razões. Primeiro pelo alto custo de operação das concessionárias de energia, onde o processo de privatização dessas empresas dá grande ênfase ao custo dos equipamentos e segundo pelo processo de envelhecimento dos equipamentos do sistema elétrico instalados na década de 60 e 70. Hoje temos um grande número de transformadores com idade acumulada de 30 anos ou mais de operação.

Os transformadores têm essencial importância na rede elétrica, pois alimentam hospitais, transportes públicos, grandes empresas, etc. Além disso, falhas em transformadores podem causar danos como incêndios, poluição ambiental ou explosão nas áreas de subestações.

No sistema de isolação de transformadores, o óleo mineral em associação ao papel isolante é o conjunto utilizado em 95% do total dos equipamentos. Esse fato parece estranho, face aos recentes avanços na área materiais sintéticos, que substituiriam essa dupla papel-óleo, utilizados em transformadores desde 1890. Essa aparente indiferença deve-se as suas excelentes características em relação às solicitações mecânicas e térmicas do transformador.

Durante a fabricação ou operação dos equipamentos, a isolação sólida pode adquirir umidade, o que contribui para a diminuição da vida útil do equipamento, caso não seja reduzida a níveis satisfatórios. Essa umidade pode ser originada no processo de fabricação ou adquirida pelo óleo e posteriormente transferida para a celulose durante a operação do transformador.

A presença de oxigênio atua como poderoso agente acelerador da degradação do óleo ou papel isolante. A preservação do equipamento consiste em isolar a umidade e o oxigênio, provenientes do ar atmosférico do sistema papel-óleo, resultando numa extensão significativa da vida útil dos equipamentos.

Esse controle possibilita o estabelecimento de normas e procedimentos para a montagem, inspeção interna, desmontagem e demais operações que expõe a parte interna dos equipamentos às condições atmosféricas.

Temos, portanto, um sistema de isolação composto de materiais deferentes: o óleo, que flui através do transformador e pode ser facilmente substituído; e o papel, que é de acesso extremamente difícil. Pode-se dizer que a vida útil de um transformador é a vida útil de sua isolação sólida. Métodos Tradicionais de avaliação

Os métodos mais tradicionais de avaliação envolvem um grande número de ensaios

físico-químicos do óleo isolante. Os ensaios mais conhecidos são os de: • rigidez dielétrica; • fator de dissipação; • tensão interfacial; • índice de neutralização; • teor de água; e • análise de gases envolvidos.

A maior vantagem desses ensaios é não interferir na operação normal desses equipamentos. Seu maior problema é que a amostra de óleo pode não representar a real situação da isolação sólida, pois em condições de operação dificilmente teremos uma situação de equilíbrio do sistema papel-óleo.

Não existem muitos métodos diretos de avaliação do estado do papel. O maior obstáculo, além da retirada do transformador de operação, é a acessibilidade limitada, já que uma amostra de papel pode não representar as condições gerais de toda a isolação sólida.

Umidade relativa da superfície da isolação (URSI) O método tradicionalmente usado pelas concessionárias de energia para a medição do teor de umidade da isolação sólida é conhecido como URSI – Umidade Relativa da Superfície da Isolação. A URSI é mediada por meio do preenchimento do transformador com nitrogênio ou ar sintético super seco. Após um período de equilíbrio, de no mínimo 24 horas, mede-se o ponto de orvalho do gás para, juntamente com a temperatura da parte ativa, obter-se a umidade do papel através de um diagrama. As restrições ao método são, além da exigência de retirada do óleo isolante, como o próprio nome já diz, o fato de avaliar apenas a umidade da superfície e não de toda a massa do papel. Esse ensaio foi originariamente desenvolvido por um fabricante de transformadores para ensaio de campo em equipamentos recém-saídos de fábrica. No processo de secagem, após a montagem, corpos de prova são inseridos junto com a parte ativa na estufa e posteriormente ensaiados, para garantir que a parte ativa esteja com baixos valores de umidade. Se durante a instalação em campo, com a montagem de radiadores, buchas e outros acessórios, alguma contaminação por umidade ocorrer, ela será superficial. Nessas condições, em particular, a medição por URSI é satisfatória. Já para equipamentos em operação, mesmo após sofrerem tratamento termo-vácuo – que apresenta uma eficiência relativa para remoção da umidade, pois remove a umidade apenas das camadas superficiais da isolação -, a medição por URSI pode levar a falsas interpretações quanto ao real estado da isolação celulósica. Determinação da polarização do material isolante por RVM Polarização é um processo bem conhecido em Física. Na área elétrica, existe algum histórico em relação a cabos de alta tensão isolados a óleo. Em ensaios com corrente contínua foi descoberto que, mesmo após a descarga da capacidade do cabo, alguma tensão residual era encontrada. Essa tensão é identificada como tensão de contorno, devido à polarização do material isolante. Esse efeito era descrito, mas não avaliado como indicador das características da isolação, até que um grupo de estudos húngaro começou a pesquisa-lo há cerca de 25 anos.

Polarização é um processo de orientação. Nesse caso, vamos considerar somente a polarização da isolação causada pela orientação do campo elétrico. O efeito de polarização requer dois componentes: • um campo elétrico para remover a energia necessária; e • moléculas que fornecem o meio ao qual o fenômeno se manifesta.

O exemplo mais simples de descrição do fenômeno é o alinhamento de dipolos em um campo elétrico. A molécula de água forma um dipolo distinto com os íons O- em um lado, negativamente carregados por dois elétrons adicionais provenientes do hidrogênio atômico, e os dois íons H+ do outro lado, que “cedeu ” esses elétrons para o oxigênio e tem uma carga positiva. Essa molécula com uma carga positiva de um lado e negativa do outro é considerada um dipolo.

Assumindo que um dipolo isolado seria exposto a um campo elétrico constante, podemos imaginar que as cargas negativas serão atraídas pelo eletrodo positivo e vice-versa. Assim, sob condições elétricas e geométricas balanceadas, o dipolo apresenta tendência a orienta-se na direção do campo elétrico.

Esse processo inclui uma troca de energia, pois a orientação direcional (mecânica) por si mesma é trabalho. A energia provém do campo elétrico através da corrente e o processo precisa de alguns portadores de carga (elétrons ou íons). Além disso, o processo de orientação requer algum tempo. Esse tempo é influenciado por dois fatores, ambos relacionados com o nível de

energia da molécula. A energia interna inerente à própria molécula é expressa pela temperatura e a quantidade de energia que pode ser transformada pela molécula em um dado tempo, influenciada pela concentração de portadores de carga.

Finalmente, após completa orientação do campo elétrico, o dipolo tem armazenada a energia necessária de que precisa pra esse processo. Quando é retirado o campo elétrico, a molécula pode então retornar a sua posição arbitrária (aquela com mais baixo nível de energia) e a energia armazenada pode ser devolvida ao ambiente.

Medições mostram que o efeito de polarização segue uma função exponencial e apresenta saturação após todos os dipolos terem completado a orientação no campo elétrico. Um circuito equivalente pode ser montado para representar o processo, pela simples combinação de elementos resistivos e capacitivos. A característica dominante é dada pela constante de tempo formada pelo produto dos valores do capacitor e do resistor.

Deve-se ter em conta, também, que o processo de polarização em um sistema isolado a óleo pode ser considerado como um único dipolo, mas como um grande número de dipolos distribuídos através de uma larga geometria. Desde que os valores característicos de polarização estejam cobertos pela constante de tempo, parece ser possível a medição desses valores.

Podemos assumir que os valores das constantes de tempo de polarização são muito diferentes de uma constante de tempo formada por um circuito equivalente RC, a as várias constantes dos processos de polarização serão consideravelmente uma das outras.

Em aplicações práticas, encontraremos um grande número de diferentes comportamentos de polarização através da isolação. Entretanto, essas diferenças são muito pequenas. É seguro considerar esse comportamento como pequenas variações de uma única constante de tempo, embora isso possa inibir um erro estatístico. Somente substanciais diferenças formarão uma segunda ou terceira constante de tempo, criando uma situação não-homogênea.

Aplicação do método RVM a transformadores O método da tensão de retorno fornece um espectro obtido por ciclos. Cada ciclo consiste

em três passos e um período de relaxação: • a aplicação de uma tensão de corrente contínua (Uc) por um tempo fixo de carga (tc); • um curto-circuito parcial aplicado na metade do tempo de aplicação da carga (tD).

Essa etapa remove a polarização da isolação para que se possa obter a energia armazenada nos dipolos; e

• na terceira etapa, os terminais de circuito são abertos e um voltímetro á aplicado, obtendo-se então a tensão de retorno (UR) para um dado tempo de carga (tc).

O processo inicia-se com tc=0,02 s, obtendo-se o correspondente UR, e repete-se o cilclo

em tempos de carga cada vez maiores até que se um valor máximo de tensão de retorno é obtido (URmáx) A partir daí, tempos de cargas maiores vão gerar valores de tensão de retorno menores que URmáx, até um tc de 1 000 s, quando se encerra o processo. Ao final do ensaio obtemos uma curva UR x tc em escala logarítmica.

Em termos práticos, podemos relacionar o teor de umidade da isolação celulósica com a constante de tempo tc:

Quanto mais baixo for o teor de umidade da isolação, são necessários tempos de aplicação de carga – ou seja, constantes de tempo – proporcionalmente maiores, até que se atinja o valor máximo de tensão de retorno URmáx.

Característica do papel isolante Para um transformador provido de sistema de preservação selado (manta/bolsa de

borracha ou pulmão com N2), operando em boas condições, seria possível assumir que nenhum incremento significativo do teor de umidade ocorreria com o tempo. Entretanto, pode-se observar um aumento constante do teor de umidade, que pode ser atribuído unicamente à reação química de envelhecimento do papel isolante, que tem a água como um de seus subprodutos. Papel é um material celulósico composto pelos elementos orgânicos carbono, hidrogênio e oxigênio, compondo a molécula de celulose, que por sua vez forma cadeias – figura abaixo (cadeias de polimeração das cadeias de celulose):

O envelhecimento causa a quebra dessas cadeias. Como resultado, encontramos um

comprimento médio das cadeias reduzido, expresso como um decréscimo do grau de polimerização. Como a ligação entre as moléculas de celulose consiste de íons H+ e O-. sua ruptura irá formar H2O molecular – “água”. Essa água incrementa o teor de umidade do papel e a cinética do processo depende diretamente das condições de operação do transformador.

O óleo envolve e impregna o papel. Naturalmente, haverá uma troca de umidade entre o óleo e o papel. Entretanto, como o óleo somente pode absorver uma fração da água que o papel contém, o teor de água no óleo será muito menor que no papel. De fato, somente uma pequena parte da água da isolação sólida passa para o óleo. O processo depende, novamente, da temperatura. Óleo “quente” pode absorver mais umidade que óleo “frio”. Além disso, a troca de umidade entre o óleo e o papel é um processo extremamente lento. A tabela abaixo mostra uma situação hipotética para um transformador com 25 anos de operação.

Tabela: Teor de umidade em um transformador de 133 MVA, 345 kV, monofásico

Teor de umidade após comissionamento Massa papel 7,4 t 0,5% 37,5 L Massa óleo 32 t 5 ppm 0,16 L

A conclusão é que a umidade do sistema papel-óleo, medida pelo método da tensão de

retorno, representa basicamente o teor de umidade do papel. Enquanto o teor de umidade no papel mostra o estado de envelhecimento da isolação sólida, o teor de água no óleo é muito mais um indicador do estado atual da rigidez dielétrica do sistema. Ambos os parâmetros são necessários para uma avaliação representativa da isolação.

Qualquer método de ensaio seria dúbio se não houvesse meio de verificação dos resultados encontrados. No caso RVM, temos afirmado que a principal fonte de polarização do sistema de isolação é a água presente no papel, e que com a análise da constante de tempo de polarização teremos um indicador do teor de umidade do papel. Esses resultados podem ser verificados por métodos físicos ou eletroquímicos em amostras de papel. Além da produção de água, o processo de envelhecimento gera outros produtos de decomposição, solúveis no óleo isolante, que podem ser checados por alguns ensaios, tais como: teor de furfuraldeido, Karl Fisher e cromatografia de gases dissolvidos.

Finalmente, a resistência mecânica do papel depende do comprimento da cadeia molecular, ou, em outras palavras, do grau de polimeração. Portanto, papel “envelhecido” irá apresentar muito baixa resistência mecânica e, após a retirada de operação do transformador, esses parâmetros podem ser comparados com os obtidos pelo RVM.

Bibliografia B. M. Tareev – Materials for Electrical Engineering, pág 97. Prof. Walfredo Schmidt – Materiais Aplicados em Eletricidade Vol. 2, pág 67. Revista Time Life – Estrutura da Matéria, pág 104. Enciclopédia Barsa – Vol 12, pág 47. Revista Super Interessante – Nº 8, Ano 9, Agosto 1995.