O Sistema de Isolamento de um Transformador de Potência [Parte 1]

Esta será uma série de 5 artigos, aonde iremos apresentar as características do isolamento óleo/papel em transformadores de potência. Os artigos serão divididos da seguinte forma:

1- Introdução / O Óleo Isolante

2- O Isolamento Sólido

3- Os processos de envelhecimento do isolamento – Parte 1

4- Os processos de envelhecimento do isolamento – Parte 2

5- Equipamentos para Secagem de Transformadores e Óleo Isolante

INTRODUÇÃO

Os transformadores de potência são um dos elementos mais importantes dentro de um sistema elétrico de potência. A saída de operação de um transformador pode provocar a paralisação de uma boa parte do sistema, acarretando prejuízos de grande monta à sociedade.

Os transformadores de potência são constituídos basicamente de um núcleo com bobinas de cobre isoladas por papéis especiais e preenchidos com óleo isolante.

O sistema de isolamento elétrico de um transformador consiste em um isolante líquido e um isolante sólido. O líquido geralmente é o óleo mineral isolante e o sólido é o papel isolante do tipo Kraft (papel Kraft, papelão Kraft, papel manilha e papelão com fibra de algodão).

Esse sistema de isolamento de transformadores que associa o óleo mineral isolante e o papel isolante é o conjunto utilizado em 95% da quantidade total de equipamentos. Apesar dos recentes avanços na área de materiais sintéticos que, à primeira vista, deveriam (ou poderiam) substituir o conjunto papel-óleo, que vem sendo utilizados desde 1890, a permanência de sua utilização deve-se às excelentes características deste conjunto, face às solicitações elétricas, mecânicas e térmicas no transformador de potência.

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No sistema de isolamento elétrico de um transformador de potência, o óleo flui através do transformador, podendo ser facilmente acessado, substituído ou recondicionado, de forma a manter valores de umidade o mais baixo possível. 

O ÓLEO ISOLANTE

O óleo isolante mineral é um hidrocarboneto obtido do refino do petróleo a uma fração de 300 °C a 400 °C, composto por cadeias com 19 a 23 átomos de carbono, podendo ser predominantemente naftênico, tipo A (estrutura em anéis), ou parafínico, tipo B (estrutura linear). Este óleo é utilizado como isolante elétrico e refrigerante térmico (troca de calor por convecção) dentro de equipamentos elétricos de potência. Os transformadores existentes nas redes elétricas aéreas de todo o Brasil, bem como outros equipamentos existentes dentro das subestações de energia utilizam este tipo de substância. Calcula-se que 95% dos equipamentos presentes na planta das empresas distribuidoras de energia elétrica no Brasil utilizam óleo isolante mineral. 

Os hidrocarbonetos, que constituem a maior parte do óleo, podem ser divididos em três grupos:

1. hidrocarbonetos parafínicos: compostos por hidrocarbonetos saturados de cadeia aberta, linear ou ramificada;
2. hidrocarbonetos naftênicos: compostos por hidrocarbonetos saturados de cadeia fechada, contendo de um a seis anéis, sendo que estes podem possuir uma ou mais cadeias laterais lineares ou ramificadas;
3. hidrocarbonetos aromáticos: compostos por hidrocarbonetos contendo um ou mais anéis aromáticos, podendo ou não apresentar cadeias laterais [Lipstein, 1970].

Estes óleos devem ser altamente estáveis, ter baixa viscosidade, pois, além de sua função dielétrica de impregnação, devem também transmitir o calor. Este é um dos problemas típicos do transformador, onde o óleo transfere para as paredes do tanque o calor gerado nos enrolamentos. O ponto de chama varia de 130 ºC a 145 ºC. Ao lado do fator de perdas, também a rigidez dielétrica ou a tensão de ruptura são fatores importantes.

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Os hidrocarbonetos que constituem o óleo isolante são pouco ativos quimicamente. Isto se faz necessário para que o óleo não ataque os demais materiais dos equipamentos eletro-mecânicos que entram em contato com o mesmo. Como, entretanto, os hidrocarbonetos saturados apresentam pouca resistência à degradação em presença de oxigênio e calor, uma parcela de hidrocarbonetos não saturados, da família dos aromáticos, é também constituinte do óleo isolante, conferindo-lhe maior estabilidade, ou seja, maior vida útil e melhor desempenho nos equipamentos.

O óleo possui também compostos orgânicos de enxofre termicamente estáveis que são inibidores naturais do processo de oxidação e, conseqüentemente, do envelhecimento.

A função do óleo mineral isolante em um transformador é propiciar isolamento elétrico entre as diversas partes do circuito e permitir a transferência de calor (refrigeração) entre suas partes componentes (bobinas e núcleo). 

Como isolante elétrico, o mesmo substitui o ar entre as partes ativas, preenchendo todos os espaços vazios, oferecendo alta rigidez dielétrica com baixa condutividade.

Próximo artigo: O Isolamento Sólido

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A História da Eletricidade - BBC - Legendado HD

Gostaríamos de trazer a todos o nossos leitores esse excelente documentário da BBC. É obrigatório para os amantes da eletricidade!

Legenda: Para adicionar legenda clique no ícone legendas na barra de opções do vídeo, selecione "ativo", após selecione traduzir legenda e encontre o idioma "Português".

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Documentário da BBC onde o professor Jim Al-Khalili conta a eletrizante história de nossa busca para dominar a força mais misteriosa da natureza -- a eletricidade. Até relativamente pouco tempo atrás, a eletricidade era vista como mágica, mas hoje é a alma do mundo moderno e alicerça todos os nossos avanços tecnológicos. Este primeiro episódio conta a história dos primeiros "filósofos naturais" que começaram a revelar os mistérios da eletricidade. Eles estudaram sua misteriosa ligação com a vida, criaram instrumentos poderosos e estranhos para criá-la e até dominaram o próprio raio. Foram esses homens que estabeleceram as bases do mundo moderno.

Episódio 01 - Faísca:
Este primeiro episódio conta a história dos primeiros "filósofos naturais" que começaram a revelar os mistérios da eletricidade. Eles estudaram sua misteriosa ligação com a vida, criaram instrumentos poderosos e estranhos para criá-la e até dominaram o próprio raio. Foram esses homens que estabeleceram as bases do mundo moderno.

Episódio 02 - A Era da Invenção:

Há menos de 200 anos, os cientistas descobriram algo profundo, que a eletricidade está ligada a outra das forças mais fundamentais da natureza -- o magnetismo. No segundo episódio, Jim descobre como o domínio do elo entre o magnetismo e a eletricidade mudaria completamente o mundo, nos possibilitando gerar uma quantidade aparentemente ilimitada de energia elétrica que podíamos usar para impulsionar máquinas, comunicar-se através dos continentes e iluminar nossas casas. Esta é a história de como cientistas e engenheiros desvendaram a natureza da eletricidade em um século extraordinário de inovação e invenção.

Episódio 03 -- Revelações e Revoluções:

A eletricidade não é apenas algo que produz calor e luz, ela conecta o mundo através de redes e radiodifusão. Após séculos de experiências com a eletricidade, o último episódio conta a história de como uma nova era de conhecimento surgiu -- como descobrimos os campos elétricos e as ondas eletromagnéticas. Hoje, não conseguimos imaginar o mundo sem eletricidade -- ela define nossa era. À medida que nosso conhecimento sobre ela aumentou, igualmente cresceu nossa dependência dela, e hoje estamos prestes a fazer um novo avanço, pois se pudermos entender o segredo da supercondutividade, poderemos, mais uma vez, transformar o mundo.