ࡱ> [ bjbj6ΐΐd%((PPPddd8LdV^*"LLL+++UUUUUUU$OXZUP+'+++U((LLKV}(}(}(+" (LPLU}(+U}(}(4RXThUL@S%ԅdM#S(UaV0VS[?&>[PhU[PhU(++}(+++++UU}(+++V++++[+++++++++ :   XVIII Seminrio Nacional de Distribuio de Energia Eltrica SENDI 2008 - 06 a 10 de outubro Olinda - Pernambuco - Brasil Primeira Patente Brasileira de leo Dieltrico Vegetal para Transformadores Carioca, J.O.B.Leite, F.ACorra, R. G. C.Universidade Federal do Cear (UFC)Companhia Energtica do Cear - COELCEUniversidade Federal do Cear (UFC)carioca@ufc.brfleite@coelce.com.brgcorrea@secrel.com.br Carvalho, P.C.M.Coelho Jr., L. G.Arajo, R. F.Universidade Federal do Cear (UFC)Companhia Energtica do Cear - COELCEParque de Desenvolvimento Tecnolgico - PADETECcarvalho@dee.ufc.brluizjunior@coelce.com.brrosafaa@yahoo.com.br Palavras chave leo dieltrico vegetal Sustentabilidade Transformadores Resumo O presente artigo apresenta pesquisas desenvolvidas com leos da biodiversidade brasileira usados como dieltricos em transformadores de distribuio. Uma reviso histrica da evoluo das patentes mundiais de leos isolantes apresentada, destacando a busca a partir do final do sculo XX por produtos ecologicamente corretos. Os testes dos leos so apresentados, assim como o primeiro transformador brasileiro a empregar leo isolante vegetal desenvolvido por patente nacional. Introduo A partir dos anos 60, uma forte preocupao ambiental passou a fazer parte do dia a dia de vrios governos e instituies; estas preocupaes estavam relacionadas com o elevado consumo de petrleo, levando a altas concentraes de CO2 na atmosfera e mudanas climticas indesejveis. Em 1973 a Economic Commission for Europe ECE decidiu estabelecer princpios e elaborar o termo Non-Waste Production System, que possui a seguinte definio: The practical application of knowledge, methods and means so as, within the needs of man, to provide the most rational use of natural resources and energy and to protect the environment [1]. Aps vrias conferncias internacionais sobre o meio ambiente, em 1991 a Environmental Protection Agency EPA [2] nos Estados Unidos buscou as indstrias qumicas e universidades procurando uma combinao entre avanos tecnolgicos e proteo ambiental, formulando a chamada Qumica Verde, Qumica Ambiental ou Qumica para o Desenvolvimento Sustentvel. O esforo industrial para introduzir novos tipos de leos dieltricos verdes no mercado est dentro deste contexto. De acordo com IEE [3], os fluidos dieltricos representam um mercado de aproximadamente 10 bilhes de gales em 2000. Assumido que o Brazil representa aproximadamente 2% da produo de eletricidade mundial em 2004, o mercado estimado brasileiro pode ser avaliado em torno de 750.000 m3. Desde o incio do sculo XX, leos minerais tm sido usados em transformadores eltricos. O setor eltrico consciente dos riscos ambientais decorrentes do uso de tais leos. Desta forma, novos tipos de leos ecolgicos e biodegradveis so demandados visando reduzir impactos ambientais. Os steres naturais possuem um balano desejvel de propriedades no encontrado em outros fluidos dieltricos. steres naturais tm a formula qumica geral apresentada na figura 1, onde R1, R2 e R3 so grupos de cidos graxos saturados e/ou no saturados, tendo o nmero de tomos de carbono variando entre C-12 e C-22. Uma fonte interessante de steres naturais so os leos de semente comestveis. Estes produtos agrcolas so largamente disponveis e, ao contrrio dos leos minerais, so derivados de recursos renovveis [4]. Brasil um pas de grande biodiversidade e um dos maiores produtores mundiais, principalmente de leo de soja.  EMBED ChemWindow.Document  Figura 1: Estrutura qumica de steres naturais O artigo apresenta inicialmente os principais itens exigidos dos leos para transformadores, uma reviso histrica das patentes mundiais e finaliza com uma apresentao dos resultados dos testes do primeiro leo dieltrico vegetal para transformadores desenvolvido no Brasil. Fluidos dieltricos para transformadores Os leos isolantes de transformadores eltricos so um importante elemento que devem ser continuamente avaliados em termos de economia, segurana, proteo ambiental e vida til. Em termos operacionais, os leos de transformadores tm trs funes principais, definidas por normas especficas: Resfriamento Isolamento eltrico Armazenador de informaes De acordo com Nynas Transformer Oil Handbook [5], existem seis tipos de exigncias envolvidas com as especificaes de um leo de transformados como mostrado na tabela 1. Tabela 1: Resumo de propriedades dos leos e exigncias Exigncias Propriedades dos leos Resfriamento Viscosidade, ponto de fluidez, ndice de viscosidade;Isolamento eltricoRigidez dieltrica, fator de dissipao dieltrica, rigidez de impulso, resistividade, contedo de gua;Tempo de vida Estabilidade oxidao, contedo de inibidor, solubilidade;Compatibilidade do materialContedo sulfrico, sulfrico corrosivo, contedo aromtico, acidez;Sade, segurana, meio ambientePonto de fulgor, compostos extrados com DMSO, tendncia carga eletrosttica; Outras Densidade, tenso interfacial, compostos furnicos, tendncia formao de gases; [5] Resfriamento: quando em operao, o leo do transformador sofre um contnuo processo de aquecimento associado taxa de transferncia de potncia. Este calor precisa ser continuamente removido do leo para o ambiente externo. Para isto, o leo deve ter uma boa viscosidade para circular adequadamente dentro do transformador. No estado atual, viscosidades em torno de 9-10 mm2/s a 40C so comuns. Adicionalmente, os leos devem apresentar uma pequena mudana na viscosidade com o aumento da temperatura, o que significa um alto ndice de viscosidade. Duas outras propriedades esto relacionadas com a viscosidade: ponto de fluidez e ponto de fulgor. Um valor satisfatrio do ponto de fluidez em torno de -30C. O ponto de fulgor normalmente est associado com a capacidade de iniciar ignio espontaneamente em uma dada temperatura. Para leos minerais, o ponto de fulgor em torno de 140C. Isolamento eltrico: o resultado dos testes de rigidez dieltrica fornece informaes importantes sobre a capacidade de isolamento eltrico do leo. O valor depende principalmente do contedo de gua e de partculas do leo. A maior parte das normas estabelece 30 kV como um nvel mnimo para os leos. Os mtodos de medio para a rigidez dieltrica esto especificados nas normas IEC 60156 e ASTM D1816. Outro importante fator associado com o isolamento eltrico o fator de dissipao (ou fator de potncia). O valor depende da quantidade de molculas ionizveis e polares no leo, que do uma pequena contribuio ao aumento de temperatura do leo em servio. Mesmo a nvel de ppm, partculas dispersas no leo causam elevao deste fator. A solubilidade da gua no leo depende da temperatura e da quantidade de molculas polares / aromticas no leo. Em geral, solubilidade da gua no leo aumenta com a temperatura e altera consideravelmente o fator de potncia. A tenso interfacial um mtodo apropriado para medir a fora da interface entre o leo e gua. Novos leos devem ter um valor de aproximadamente 40 mN/m, no mnimo, mas normalmente o valor permanece entre 45 e 50. Acidez tambm possui uma grande importncia na capacidade de isolamento. Normalmente esperado um valor abaixo de 0,01 mg/g [5]. Tempo de vida: a oxidao do leo do transformador o principal processo associado com o ciclo do tempo de vida. O processo de oxidao que ocorre nos leos de transformadores so causados pela presena de oxignio, pela temperatura do leo que acelera o processo de desgaste e pela presena de metal que atua como catalysts para a reao de oxidao. Para minimizar o processo de oxidao, o leo recebe aditivos anti-oxidantes em pequenas propores, 0,1 a 1,0%. O teste de estabilidade oxidao pode ser realizado de acordo com a IEC 61125 [5]. Compatibilidade do material: o processo de corroso uma importante reao que ocorre no interior dos transformadores devido incompatibilidade de materiais diferentes. Normas com procedimentos so a IEC 60296 e ASTM D3487. Acidez tambm possui uma grande importncia em relao compatibilidade do material. Normalmente esperado um valor abaixo de 0,01 mg/g [5]. Sade, segurana e meio ambiente: os leos minerais so materiais complexos e tanto o impacto ambiental e a segurana exigem cuidados. No caso dos leos, o grau de refinamento decide o nvel de risco sade. Vazamento de leo no solo ou na gua outra importante questo. O ponto de fulgor uma importante propriedade do leo associada sade e segurana, e conseqentemente ao meio ambiente. Os testes so descritos pelas normas IEC 60296 e ASTM D3487. Adicionalmente, cuidado especial deve ser dado durante a operao para evitar exploso devido formao de gases e produo de chamas no interior dos transformadores [5]. Outras : para atender completamente s especificaes dos leos vrias outras propriedades so exigidas, tais como densidade, tenso interfacial, tipo e concentrao de contaminantes, tendncia formao de gases [5]. A densidade do leo necessria para calcular o peso total do transformador. Grupos qumicos de fluidos dieltricos 3.1 leos tradicionais Desde 1890 vrios tipos de leos tm sido introduzidos no mercado, como parafnicos, isoparafnicos, halogenados, naftnicos, aromticos, poliaromticos e steres naturais. Uma breve descrio das principais patentes abrangendo um perodo de aproximadamente 100 anos apresentada a seguir. Patente de Elihu, em 1892: pioneiro na introduo dos leos minerais como isolantes para transformadores, apesar de anteriormente terem sido usados steres naturais [6]. Melamid Meilach [7]: proposio do tratamento de hidrocarbonetos pesados com agentes oxidantes, tais como cromatos, bicromatos ou cido crmico atravs da patente britnica n 143.193 de 1921. Howard Cyrus et all [8]: proposio de um novo processo de purificao e desidratao de leos de transformador usando continuamente centrfugas e conseqentemente, melhorando as propriedades eltricas dos leos minerais (patente dos EUA n 1.425.645). Wasson [9]: proposio de um mtodo de produo de leo de transformador feito de uma mistura de um cido ou um destilado naftnico tratado com cido sulfrico concentrado e um destilado naftnico refinado apresentando uma resistncia superior oxidao (patente dos EUA n 3.000.807. Schieman [10]: descobriu que um leo de transformador com uma quantidade significativa de um leo decantado refinado e o resduo de um leo lubrificante altamente naftnico do tipo normalmente obtido a partir de leo bruto possui geralmente uma boa estabilidade oxidao (patente dos EUA n 3.095.366). Wyntkoop et all. [11]: descobriu que uma frao de petrleo naftnico que destila na faixa de 238 - 413C, tendo uma viscosidade na faixa de 50-65 S.U.S a 38C, uma densidade especfica de cerca de 0,84 0,92, um contedo de nitrognio inferior a 4 ppm quando testado sobre condio de teste de dupla oxidao na ausncia de inibidores, apresenta boas propriedades de isolamento (patente dos EUA n 3.406.111. Akira Miyoshi and Nagaoka [12]: descobriu que um equipamento eltrico indutivo com uma mistura de leos tipo hidrocarbonetos policclicos tendo um ponto de fulgor de mais de 150C, e consistindo de hidrocarbonetos naftnicos policclicos tendo de 2 a 5 anis e hidrocarbonetos aromticos policclicos tendo de 2 a 4 anis, em cada lado uma cadeia de grupos alqulicos unidos a tais anis no tendo mais de 4 tomos de carbono, tendo uma bobina eletro condutiva e isolantes de celulose combinados, menor e mais leve do que os convencionais (patente dos EUA n 3.753.188, de 1973). Link Edwin A. [13]: proposio do uso de hidrocarbonetos saturados tendo um alto peso molecular, de cerca de 500 a 700, e um ponto de combusto superior a 200C (patente dos EUA n 4.082.866, de 1978). Patente britnica n 370.020 de 1932 [14]: proposio do uso de mistura de xido de difenila e tetracloreto de carbono. Alm desta, compostos gasosos, tais como hexa-fluoreto de enxofre (SF6), perfluorpropano (C3F8) e perfluorbutano (C4F10) tm apresentado possibilidades promissoras para tais usos, de acordo com patente britnica n 805.772 [15] de 1955 (figura 2).  EMBED ChemWindow.Document  Figura 2: Estruturas qumicas halogenadas Um importante grupo de compostos dieltricos so do tipo Ascarel, que consistem de uma mistura de policlorobifenlicos (PCB) com triclorobenzeno, onde estes compostos representam 40 a 50% da mistura. Estes compostos apresentam uma frmula qumica geral como indicado na figura 3. Em geral, o nmero de tomos de cloro varia de 1 a 10 unidades por molcula.  EMBED ChemWindow.Document  Figura 3: Estrutura qumica dos policlorobifenlicos (PCB) Os leos isolantes do tipo hidrocarbonetos aromticos bicclicos (BAH) so excelentes nas caractersticas de descarga parcial em comparao aos PCB e compostos tendo uma elevada constante dieltrica. Estes leos representam um outro grupo de compostos sintticos com frmula geral como a indicada na figura 4, que foram propostos para substituir os PCB, como descrito na patente dos EUA n 5.017.733 [16], de 1991. Nesta frmula, R pode representar 6 diferentes tipos de grupos, tais como metila, dimetila, etila, isopropila, ter-butila e ter-amila. Como um exemplo tpico destes compostos sintticos podem ser mencionados: 1-fenil-1-xililetano (PXE), monoisopropil-bifenila (MIPB), que preferencialmente usado em capacitores.  EMBED ChemWindow.Document  Figura 4: Estrutura qumica dos hidrocarbonetos aromticos bicclicos (BAH) Patente dos EUA n 3.696.137 [17] de 1972: aborda o grupo de copolmeros tendo segmentos de xido de polifenileno e polidimetilsiloxano, que so teis como redutores de tenso para fluidos dieltricos, particularmente para fluidos dieltricos do tipo ascarel, como indicado na frmula geral da figura 5.  EMBED ChemWindow.Document  Figura 5: Estrutura qumica dos copolmeros polifenilenos Fluidos dieltricos a base de steres sintticos apresentam boas propriedades isolantes e so significativamente mais biodegradveis do que os hidrocarbonetos de alto peso molecular (HMWH), alm do fato de possurem boa estabilidade trmica e propriedades dieltricas em temperaturas baixas. No entanto, o custo elevado em comparao com outros fluidos dieltricos menos inflamveis, limitam a aplicao para usos especficos e mveis. Patente dos EUA n 6.444.626 B1 [18] de 2002: aborda composies de steres sintticos baseadas em misturas de steres poli(neopentil) poliol e um ster de poliol contendo no mnimo 2 grupos hidroxilas, inibido com uma combinao de aditivos. Patente dos EUA n 5.658.864 [19] de 1997: relata o uso de poli-alfa-olefinas (PAO) para tratar fluidos industriais biodegradveis tais como lubrificantes, fluidos hidraulicos, leos combustveis e semelhantes para reduzir o ponto de fluidez, melhorar o desempenho de estabilidade de oxidao e/ou melhorar o desempenho de estabilidade hidroltico. 3.2 steres naturais O processamento e os fundamentos qumicos associados com os steres naturais, ou triglicerdeos, so bem conhecidos e esto disponveis na literatura clssica como Bailey [20], Boyd [21] e outros. No entanto, o uso de triglicerdeos como leos isolantes uma questo abordada em patentes recentes, apesar do fato do uso ter sido sugerido no final do sculo XIX quando transformadores eltricos foram introduzidos para as redes eltricas de distribuio. Patente dos EUA n 5.949.017 de setembro de 1999 [22]: descreve o uso de composio de triglicerdeos com alto teor de cido olico como fluido dieltrico, reivindicada pela companhia ABB Power, com as seguintes caractersticas: contedo de cido olico mnimo de 75%, menos de 10% cidos graxos di-insaturados, 3% de cidos graxos tri-insaturados e 8% de cidos graxos saturados, apresentando as seguintes propriedades fsico-qumicas descritas na seqncia: rigidez dieltrica mnima de 35 KV, um fator de potncia menor que 0,05% a 25C, acidez menor que 0,03 mg KOH/g, condutividade eltrica menor que 1 pS/m a 25 C, um ponto de fulgor mnimo de 250C e um ponto de fluidez mnimo de -15C. Uma mistura de steres naturais com anti-oxidantes dissolvidos neste leo enchem um novo tipo de transformador, conforme patente dos EUA n 6.037.537 de maro de 2000 [23]. Patentes dos EUA n 5.958.851 de setembro de 1999 [24] e n 6.159.913 de dezembro de 2000 [25]: registradas pela companhia Waverly Light and Power se refere ao uso de um fluido isolante baseado em um leo de soja biodegradvel. Patente dos EUA n 6.583.303 B1 de junho de 2003 [26]: aborda o processo para produzir um leo a partir de sementes de canola (Brassica sp.) contendo, aps moagem e extrao, mais de 86% de cido olico e menos de 2,5% de cido -linolnico. O leo tambm contm menos de 7% de cido linoleico. Uma publicao da Universidade de Moratuwa [27] apresenta um estudo utilizando leo de coco como fluido isolante em transformadores eltricos. Para obteno de melhores resultados, as propriedades do leo foram melhoradas, tais como: reduo da umidade, neutralizao, clareamento e desodorizao. 4. Resultados Numa primeira etapa, a pesquisa concentrou esforos em misturas de leo mineral (naftnico) e leo vegetal (soja): mistura 1 (10% de leo de soja, 90% de leo mineral), mistura 2 (30% de leo de soja, 70% de leo mineral), mistura 3 (50% de leo de soja, 50% de leo mineral) [28]. Importante mencionar que o leo de soja usado no possui aditivos. Tabela 2 apresenta dados sobre os parmetros fsico-qumicos e eltricos medidos em laboratrio para estas misturas e os valores de acordo com normas internacionais (ASTM D3487) e brasileiras (ABNT 5357). Os dados revelam que para misturas de at 10% de leo de soja todos os parmetros estudados esto de acordo com as normas internacionais. A pesquisa evoluiu para o desenvolvimento de um novo fluido dieltrico vegetal baseado na biodiversidade brasileira, indito na literatura mundial. Tabela 3 apresenta dados obtidos em laboratrio sobre o uso deste novo fluido dieltrico. Tabela 2: Testes para mistura 1, 2 e 3 e os valores dados pela ASTM D3487 e ABNT 5357 TESTESASTM D3487ABNT 5357MISTURA 1MISTURA 2MISTURA 3ELTRICOSRigidez dieltrica (kV)e" 35e" 3540,2041,0143,18Fator de potncia (%) 25oC d" 0,05 d" 0,05 0,044 1,1 1,50 QUMICOSContedo de gua (ppm)d" 35d" 354,804,343,87Acidez d" 0,03d" 0,030,016940,015610,01124FSICOSCorincolorincolor / amareladoincolorincolorincolor / amareladoExame visualLimpo & brilhante-limpo & brilhantelimpo & brilhantelimpo & transparenteDensidade relativad" 0,91d" 0,860,88140,88790,8962Ponto de fulgor ( C) e" 145e" 140150160172Viscosidade (cSt)100oC d" 15,0d" 3,00,50,51,040oC d" 50d" 12,010,413,517,2Ponto de fluidez (oC)d" -40d" -12-44-38-26[28] De acordo com os resultados dos testes, alguns comentrios podem ser feitos: - O teste de rigidez dieltrica apresentou um aumento dos valores medidos acompanhando o incremento da participao do leo vegetal nas misturas. Um comportamento similar foi observado para os testes de fator de potncia; este aumento do fator de potncia no desejado, o que faz a mistura 1 a nica a seguir as normas; - Nos testes fsico-qumicos, todas as misturas obedeceram a norma ASTM D3487, com exceo do teste de ponto de fluidez para as misturas 2 e 3; - Mistura 1 a nica a estar de acordo com a ASTM D3487. Tabela 3: Testes para o novo fluido dieltrico desenvolvido CaractersticaExperimento 1Experimento 2Experimento 3Aspecto visual (-)limpolimpolimpoCor (Gardner)3,0 (limpo e esverdeado)3,0 (limpo e esverdeado)3,0 (limpo e esverdeado)Densidade (g/dm3)0,930,930,93Viscosidade (cP)157157157Ponto de fulgor (C)222222222Ponto de fluidez (C)-24-24-24Rigidez dieltrica (kV)48,84861,3Fator de potncia (%)0,6100,75Enxofre corrosivo (%)--0,0237Nmero de acidez (mg KOH/g)0,030,0350,084Contedo de gua (ppm)13,0313,007,82Nmero de iodo (mg I2 / g)110133117,6Nmero de hidroxila (mg KOH/g)201814,4Nmero de saponificao (mg KOH/g)182180189 5. Concluses Numa primeira etapa da pesquisa, foi apresentada a possibilidade da mistura de leos minerais isolantes com leos vegetais, comuns a nvel mundial. Para a anlise da mistura de leo isolante aplicada no estudo de caso, as normas utilizadas foram as mesmas para leos minerais, uma vez que a melhor mistura encontrada possui 90% de sua composio formada por leo mineral e 10% de leo de soja. Um fato importante a se ressalvar o comportamento da mistura escolhida ser muito parecido com a de um leo mineral isolante, mas com algumas vantagens de um leo vegetal. Esta observao muito relevante, uma vez que o produto, ao ser misturado com uma pequena proporo de leo de soja, obteve ndices semelhantes aos dos leos minerais. Isto pode permitir o uso da mistura escolhida em transformadores que possuem leo isolante mineral. Adicionalmente, permite ao usurio da mistura escolhida obter economia no custo inicial do leo do transformador, pois o leo de soja possui um custo, em mdia, seis vezes menor que o leo isolante mineral. Numa segunda etapa da pesquisa, um novo fluido dieltrico renovvel e biodegradvel foi desenvolvido e protegido pelo Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI). A principal caracterstica deste fluido ser um produto com alto contedo de cido olico, baseado em um leo produzido por uma planta que cresce em todo o territrio brasileiro, especialmente na regio Nordeste. No presente momento, este fluido dieltrico est em testes em um transformador conectado rede da COELCE. 6. Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer Companhia Energtica do Cear COELCE pelo financiamento da pesquisa e contnuo incentivo aos pesquisadores. Os agradecimentos so tambm para a Companhia de Lubrificantes do Nordeste - LUBNOR e para Construes Eletro-mecnicas S.A. - CEMEC pelo apoio tcnico dado para este desenvolvimento. 7. Bibliografia 1. Non-Waste Technology and Production; A Seminar of the United Nations Economic Commission for Europe; Published by Pergaman Press for the United Nations, 1978. 2. Editor; Piero Tundo; Green Chemistry Series N 1, Collection of Lectures of the Summer Schools on Green Chemistry; Venice , Italy, (2001); 3. Oommen, T.V et al. A New Vegetable Oil Based Transformer Fluid: Development and Verification. Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2000. 4. McShane, P.; Vegetable-Oil based Dielectric Coolants, IEEE Industry Applications Magazine, May/June, 34 (2002), 5. Nynas, Transformer Oil Handbook, Nynas Naphthenics AB, Sweden, 2004. 6. Lewand, L. R.; Natural Ester Dielectric Liquids, 1 (2004). 7. 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