Devido aos investimentos feitos no Brasil durante processo de desenvolvimento ocorrido nas décadas de 60 e 70, hoje temos grande número de transformadores com idade acumulada de 30 ou mais anos de operação. Uma alta confiabilidade de operação do sistema é esperada pelos consumidores e transformadores são partes vitais de um grande número de sistemas em hospitais, transportes públicos, grandes indústrias, etc. Falhas em transformadores podem causar danos devido à incêndios, poluição ambiental ou explosão na área da subestação ou em áreas adjacentes.

No sistema de isolação de transformadores, o óleo mineral em associação ao papel isolante é o conjunto utilizado em 95% da quantidade total de equipamentos. Este fato pode parecer estranho, face aos recentes avanços na área de materiais sintéticos que, a primeira vista deveriam substituir a velha dupla papel-óleo , que vem sendo utilizada em transformadores desde 1890. Esta aparente indiferença deve-se às excelentes características, face às solicitações elétricas, mecânicas e térmicas no transformador.(1)

No processo de fabricação de equipamentos elétricos, ou mesmo durante a operação, a isolação sólida pode adquirir umidade, o que contribui para a diminuição de sua vida útil, caso não seja reduzida a níveis satisfatórios. A umidade presente na celulose, em níveis elevados, pode ser originada no processo de fabricação dos equipamentos ou adquirida pelo óleo e, posteriormente transferida para a celulose durante a operação do equipamento.

A presença de oxigênio atua como poderoso agente acelerador da degradação do óleo ou do papel. A atuação de um sistema de preservação do equipamento é importante para isolar a umidade e o oxigênio provenientes do ar atmosférico do sistema papel-óleo.

O controle da umidade da isolação sólida contribui sobremaneira, para a minimização dos efeitos do oxigênio e da umidade sobre a degradação da celulose e, como consequência, da obtenção de uma significativa extensão da vida útil dos equipamentos.(2)

Pode-se dizer que a vida útil de um transformador é a vida útil de sua isolação sólida.

Temos, em um transformador, um sistema de isolação composto de 2 materiais completamente diferentes. Enquanto um, o óleo, flui através do transformador, podendo ser facilmente acessível, substituído e/ou recondicionado de forma a manter valores de umidade o mais baixo possíveis, a isolação sólida, não somente está posicionada internamente ao transformador, como tem acesso extremamente difícil, e os processos de remoção de umidade utilizados para o óleo isolante (usualmente tratamento termovácuo) apresentam uma eficiência muito menor em relação ao papel.

A causa desta baixa eficiência deve-se ao fato do papel isolante, além ser cerca de 800 vezes mais higroscópico que o óleo isolante, transfere, sob tratamento, a umidade nele retida para uma atmosfera de alto vácuo de forma extremamente lenta, principalmente porque esse procedimento e´ feito com a parte ativa na temperatura ambiente. Procedimentos realmente efetivos de remoção de umidade somente são possíveis, através de um processo de vapour-phase, que conjuga temperatura, vácuo e vapor de solvente, mas essas condições não podem ser reproduzidas no campo.

Na busca de um método de remoção de umidade que prescindisse da necessidade de aquecimento e vácuo, optou-se pela utilização de um sistema de filtragem envolvendo elementos filtrantes do tipo cartucho, desenvolvido pela Velcon Systems, figuras 1 e 2, especificamente para desidratação de óleo de transformadores.

1) a possibilidade de se tratar o transformador energizado, ou seja, o sistema de filtragem deve ser provido de dispositivos que permitam a circulação do óleo de forma segura com o transformador em operação;
2) Permitir a substituição dos cartuchos sem necessidade de desligamento do transformador;
3) Não remoção de inibidores de oxidação porventura presentes no óleo;
4) Não remoção de gases dissolvidos, de forma a não mascarar qualquer evolução do teor de gases que pudesse prejudicar o diagnóstico de defeitos incipientes por cromatografia;
5) Custo final do processo igual ou inferior ao obtido pelo processo tradicional de tratamento (termovácuo);
6) Teor de água final do óleo isolante abaixo de 15 ppm.

Antes de se iniciar o processo era necessário escolher qual o método de medição da eficiência do secagem seria adotado.

Os métodos mais tradicionais de avaliação envolvem um grande número de ensaios em óleo isolante, que é então física e quimicamente testado. Os ensaios mais conhecidos são Rigidez Dielétrica, Fator de Dissipação, Tensão Interfacial, Índice de Neutralização, Teor de Água em Óleo e Análise de Gases Dissolvidos. Contagem de partículas e a Análise de Produtos de Decomposição do Papel dissolvidos no óleo são também utilizados.

A maior vantagem destes ensaios, baseados em amostras de óleo, é que eles não interferem com a operação normal do equipamento. Seu maior problema é que esta amostra de óleo pode não representar a real situação da isolação sólida, já que em condições de operação, dificilmente teremos uma situação de equilíbrio do sistema papel-óleo, principalmente considerando o fato de que o papel é cerca de 800 vezes mais higroscópico que o óleo.

O método tradicionalmente utilizado por Empresas 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 medida com o preenchimento do transformador com Nitrogênio ou Ar Sintético super-seco e após um período de equilíbrio de, no mínimo 24 horas, mede-se ponto de orvalho do gás para, juntamente com a temperatura da parte ativa, através de um diagrama obter-se a umidade do papel. As restrições ao método são, além de exigir a retirada do óleo isolante, como o próprio nome já diz, avalia apenas a umidade da superfície e não de toda a massa do papel,. Este ensaio foi originariamente desenvolvido por um fabricante de transformadores para ensaios de campo em transformadores recém saídos de fábrica, onde devido ao processo de secagem, após montagem, em que corpos de prova são inseridos junto com a parte ativa na estufa e posteriormente ensaiados, tem-se a garantia de que a parte ativa está 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, esta será superficial e nestas condições, em particular, a medição por URSI é satisfatório.

A Tettex, fabricante suíço de instrumentos de medição desenvolveu um método para determinação do teor de umidade da isolação sólida de transformadores através da determinação do Índice de Polarização pela Medição da Tensão de Retorno (Recovery Voltage Method – RVM) (3)

Polarização é um processo de orientação. Neste caso vamos considerar somente a polarização da isolação causada pela orientação do campo elétrico. O efeito de polarização requer 2 componentes: Um campo elétrico para prover a energia necessária e moléculas que fornecem o meio ao qual o fenômeno se manifesta. O exemplo mais simples de descrever o 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 2 elétrons adicionais provenientes do Hidrogênio atômico e os 2 íons H+ do outro lado, que “cedeu” estes elétrons para o Oxigênio e tem uma carga positiva. Esta molécula com uma carga positiva de um lado e negativa de 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, sobre condições elétricas e geométricas balanceadas, o dipolo apresentaria tendência a orientar-se na direção do campo elétrico.

Este processo inclui uma troca de energia, pois a orientação direcional (mecânica) por si mesma é Trabalho. Esta energia provem do campo elétrico através da Corrente. Este processo precisa obviamente de alguns portadores de carga (elétrons ou íons). E finalmente o processo de orientação requer algum tempo.

Finalmente o dipolo no campo elétrico tem, após completa orientação no campo, armazenada a energia necessária que ele precisa para esse processo. Quando retirado o campo elétrico, a molécula pode então retornar à sua posição arbitrária (aquela com mais baixo nível de energia) e a energia armazenada pode então 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.

A próxima consideração a ser feita é que o processo de polarização em um sistema isolado à óleo não 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 R-C, e as várias constantes dos processos de polarização serão consideravelmente diferente umas das outras. (4)

O Método da Tensão de Retorno aplicado à transformadores fornece um espectro obtido por ciclos. Cada ciclo consiste de 3 passos e por um período de relaxação. A aplicação de uma tensão DC (UC) por um tempo fixo de carga (tC); um curto circuito parcial aplicado na metade do tempo de aplicação da carga (tD). Esta etapa remove a polarização da isolação para que se possa obter a energia armazenada nos dipolos; na terceira etapa os terminais do circuito são abertos e um voltímetro é aplicado, obtendo-se então um valor de tensão de retorno (UR) para um dado tempo de carga (tC).

A partir das considerações acima, em termos práticos, podemos relacionar o teor de umidade da isolação celulósica com a constante de tempo tC,, quanto mais baixo 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 URmax .

A influência da temperatura da isolação na constante de tempo é um parâmetro importante no ensaio de RVM. Lembre-se que a temperatura é uma expressão do nível de energia contido na isolação. Quanto maior esta energia, mais facilmente os efeitos da polarização se manifestam.

A obtenção do teor de umidade contida na isolação sólida a partir dos valores de URmax e da temperatura da isolação requer a obtenção de um fator de correlação, obtido empiricamente já que o processo de polarização de isolação papel-óleo, sob condições reais ainda não é completamente compreendido e matematicamente descrito.

Baseado nas considerações acima, optou por se utilizar do RVM como método de avaliação da umidade do papel e de medições de umidade no óleo por Coulometria (Karl Fisher) para se determinar o momento de exaustão do set de cartuchos e sua conseqüente substituição.

A tabela I mostra a quantidade de cartuchos (segundo a Velcon) necessária para a secagem do transformador para um valor final de umidade de 1% (norma EPRI - USA).

O processo iniciou-se em 10/10/99 com o primeiro set de cartuchos exaurindo-se após 861 h ou 274889 gal circulados, o segundo set após 770 h ou 249643 gal e o processo foi interrompido quando o terceiro set apresentava 252 h ou 75221 gal.

O processo de secagem foi interrompido durante os meses de dez/99 e jan/00 devidos aos procedimentos de segurança adotados em função do "bug do milênio”. Todo o processo foi executado com o transformador em operação.

O resultado final de RVM mostra que o valor de umidade da parte ativa decresceu de 2,09 para 1,6% e apresenta-se uniformemente distribuído pela isolação, comprovando a eficiência do processo de secagem. Os valores finais de umidade no óleo isolante situaram-se em 10 ppm. Os custos do processo, em relação ao tradicional, ainda não foram completamente calculados mas uma estimativa coloca-o como 50% inferior ao processo tradicional.

O processo de secagem da parte ativa de transformadores de potência, energizados, utilizando filtros absorvedores de água apresenta-se como um grande avanço no controle de umidade da parte ativa e vem de encontro à necessidade de processos de manutenção que não exijam impedimento do equipamento, aumentando, por consequência a disponibilidade do Sistema.

(2) GCOI, Comissão de Estudos Físicos – SCM 093 Metodologia da Avaliação da Umidade da Superfície do Isolamento Ago/91;

(3) Schlag, Alexander G. – The Recovery Voltage Method for Transformer Diagnosis;

(4) Galdeano, Claudio A. e Nunes Jr, Jayme L. - Diagnose do Estado da Isolação Sólida de Transformadores através do Ensaio de Índice de Polarização (RVM) – II SEMASE Seminário Nacional de Manutenção do Setor Elétrico, Curitiba Nov/98.