aplicação de nanofluidos no isolamento elétrico de transformadores

APLICAÇÃO DE NANOFLUIDOS NO ISOLAMENTO ELÉTRICO DE TRANSFORMADORES – DETERMINAÇÃO DA SUPORTABILIDADE DIELÉTRICA DE UM FERROFLUIDO A IMPULSO ATMOSFÉRICO

Rafael de Almeida Garcia

Rio de Janeiro, RJ - Brasil

Agosto de 2014

Projeto de Graduação apresentado ao curso de

Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte

dos requisitos necessários à obtenção de grau de

Engenheiro Eletricista.

Orientador: Jorge Nemésio Sousa, M. Sc.

APLICAÇÃO DE NANOFLUIDOS NO ISOLAMENTO ELÉTRICO DE TRANSFORMADORES – DETERMINAÇÃO DA SUPORTABILIDADE DIELÉTRICA DE UM FERROFLUIDO A IMPULSO ATMOSFÉRICO


PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA

ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE

JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO

GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Examinada por:

_____________________________________ Prof. Jorge Nemésio Sousa, M. Sc.

(Orientador)

_____________________________________

Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D.Sc.

_____________________________________

Prof. Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

AGOSTO DE 2014

iii

Garcia, Rafael de Almeida

Aplicação de nanofluidos no isolamento elétrico de transformadores: determinação da suportabilidade dielétrica de um ferrofluido a impulso atmosférico / Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica / Departamento de Engenharia Elétrica, 2014.

XII, 80 p.: il. 29,7 cm.

Orientador: Jorge Nemésio Sousa Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica / Departamento de Engenharia Elétrica, 2014.

Referências Bibliográficas: p. 72 – 77.

1. Transformadores elétricos. 2. Isolamento elétrico. 3. Nanofluidos. 4. Ferrofluidos. 5. Suportabilidade dielétrica. 6. Equipamentos Elétricos.

I. Nemésio Sousa, Jorge. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro. III. Escola Politécnica. IV. Departamento de Engenharia Elétrica. V. Título

1

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte dos

requisitos para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

Aplicação de nanofluidos no isolamento elétrico de transformadores – Determinação da

suportabilidade dielétrica de um ferrofluido a impulso atmosférico


Agosto / 2014

Orientador: Jorge Nemésio Sousa

Curso: Engenharia Elétrica

Este trabalho visa estudar a interação de um ferrofluido - nanofluido composto de

nanopartículas ferromagnéticas (magnetita – Fe3O4), do ponto de vista dielétrico, em

um transformador. Para tal, será determinada a suportabilidade dielétrica do

ferrofluido para 4 situações (óleo isolante mineral e 3 concentrações distintas do

ferrofluido), aplicando-se ondas de impulso atmosférico padronizadas (1,2/50 µs).

Dentre os tópicos abordados nesse material, podem ser destacadas a utilização do

equipamento gerador de impulsos, a utilização da célula de ensaios e avaliação

estatística dos resultados.

As informações contidas neste trabalho foram coletadas da literatura vigente sobre o

assunto, publicações de fabricantes e sites especializados.

Palavras-Chave:1. Transformadores elétricos. 2. Isolamento elétrico. 3. Nanofluidos. 4.

Ferrofluidos. 5. Suportabilidade dielétrica. 6. Equipamentos Elétricos

2

Sumário

1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 7

1.1 Apresentação ..................................................................................................... 7 1.2 Proposta ............................................................................................................. 7 1.3 Motivação ........................................................................................................... 8 1.4 Objetivo do estudo ............................................................................................. 8 1.5 Relevância do estudo ......................................................................................... 8 1.6 Limitações do estudo ......................................................................................... 9 1.7 Organização do estudo ...................................................................................... 9

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 11

2.1 Isolamento Elétrico ........................................................................................... 11 2.1.1 Dimensionamento do equipamento ........................................................... 14

2.1.1.1 Esforços de curto-circuito ................................................................... 15 2.1.1.2 Estresses no dielétrico ........................................................................ 17 2.1.1.3 Efeitos térmicos .................................................................................. 18

2.2 Isolantes gasosos ............................................................................................ 19 2.3 Isolantes líquidos ............................................................................................. 20

2.3.1 Óleo isolante mineral ................................................................................. 20 2.3.1.1 Ensaios em óleo isolante e seus significados ..................................... 22

2.4 Isolantes sólidos ............................................................................................... 25 2.4.1 Papel ......................................................................................................... 25 2.4.2 Cerâmicas .................................................................................................. 26

2.5 Nanofluidos ...................................................................................................... 27 2.5.1 Ferrofluidos ................................................................................................ 29 2.5.2 Magnetização ............................................................................................ 30

2.6 Geração da onda padrão 1,2/50 µs .................................................................. 33 2.6.1 Princípio de funcionamento ....................................................................... 36 2.6.2 Forma de onda para impulso atmosférico ................................................. 36 2.6.3 Principais componentes ............................................................................. 39

2.6.3.1 Resistor de frente de impulso ou resistor série (Rs) ........................... 39 2.6.3.2 Resistor de cauda de impulso ou resistor paralelo (Rp) ..................... 40 2.6.3.3 Capacitância do gerador de impulso (CS) .......................................... 40 2.6.3.4 Capacitor de frente (Cf) ...................................................................... 40 2.6.3.5 Capacitância do objeto sob ensaio (Cie) ............................................ 41 2.6.3.6 Capacitância do divisor de tensão (Cdt) ............................................. 41

2.6.4 Polaridade positiva e negativa da onda de impulso pleno ......................... 42 2.6.4.1 Polaridade positiva .............................................................................. 43 2.6.4.2 Polaridade negativa ............................................................................ 43

3. METODOLOGIA DE PESQUISA .......................................................................... 44

3.1 Delineamento de pesquisa ............................................................................... 44 3.2 Definição de pesquisa ...................................................................................... 44 3.3 Classificação e tipos de pesquisa .................................................................... 45

3

4. PESQUISA REALIZADA ....................................................................................... 50

4.1 Objetivo ............................................................................................................ 50 4.2 Procedimento para obtenção da suportabilidade dielétrica do nanofluido ....... 50 4.3 Método de acréscimo e decréscimo (up & down) ............................................ 54 4.4 Tratamento estatítico dos resultados dos ensaios ........................................... 56

4.4.1 Média aritmética ........................................................................................ 56 4.4.2 Variância populacional ............................................................................... 57 4.4.3 Desvio padrão populacional ....................................................................... 57 4.4.4 Coeficiente de variação populacional ........................................................ 57

4.5 Análie dos resultados ....................................................................................... 58 4.5.1 Óleo isolante mineral ................................................................................. 58

4.5.1.1 Polaridade positiva .............................................................................. 58 4.5.1.2 Polaridade negativa ............................................................................ 59

4.5.2 Ferrofluido 1 ............................................................................................... 60 4.5.2.1 Polaridade positiva .............................................................................. 60 4.5.2.2 Polaridade negativa ............................................................................ 61



4.6 Síntese dos resultados ..................................................................................... 66

5. CONCLUSÕES ..................................................................................................... 70

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 72

4

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1: Representação esquemática da isolação elétrica [5] ......................................... 12

Figura 2.2: Representação das Correntes na Isolação [5] ............................................... 1313

Figura 2.3: Forças verticais entre os enrolamentos de alta e baixa tensão em um

transformador de núcleo envolvido exposto a um curto circuito [6]. ..................................... 16

Figura 2.4: Força de repulsão horizontal (radial) entre os enrolamentos de alta e baixa

tensão em um transformador de núcleo envolvido exposto a um curto circuito [6] ............... 17

Figura 2.5: Nanopartículas misturadas ao surfactante com o seu domínio (MD) de

magnetização orientado na mesma direção e sentido ao campo magnético aplicado [31]. .. 29

Figura 2.6: Esquemática do modelo do transformador utilizado no experimento e as forças

atuantes no fluido [33] .......................................................................................................... 31

Figura 2.7: Localização dos termopares dentro do transformador utilizado no experimento

[33] ...................................................................................................................................... 32

Figura 2.8: Gerador de impulso de Marx com 4 estágios [43] .............................................. 34

Figura 2.9: Circuito equivalente do gerador de impulsos [42] ............................................... 34

Figura 2.10: Gerador de Impulsos do LabDig [42] ................................................................ 36

Figura 2.11: Onda plena de impulso atmosférico 1,2/50 µs [40] ........................................... 37

Figura 2.12: Curvas exponenciais −e [41] ........................................................... 38

Figura 2.13: Circuito de medição utilizado durante os experimentos .................................... 41

Figura 4.1: Célula de ensaio utilizada, CEPEL [42] .............................................................. 51

Figura 4.2: Parte superior da célula de ensaio, estrutura de teflon, acrílico e metal com

eletrodo (agulha). CEPEL [42] ............................................................................................. 52

Figura 4.3: Parte inferior da célula de ensaio, estrutura de teflon e eletrodo (esfera). Cepel

[42] ...................................................................................................................................... 52

Figura 4.4: Célula para ensaios de acordo com a norma ASTM [1] ..................................... 53

Figura 4.5: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade positiva no OIM ........................ 58

Figura 4.6: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade negativa no OIM ....................... 59

Figura 4.7: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade positiva no Ferrofluido 1 ........... 60

Figura 4.8: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade negativa no Ferrofluido 1 .......... 61

Figura 4.9: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade positiva no Ferrofluido 2 ........... 62

Figura 4.10: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade negativa no Ferrofluido 2 ........ 63

Figura 4.11: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade positiva no Ferrofluido 3 ......... 64

Figura 4.12: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade negativa no Ferrofluido 3 ........ 65

Figura 4.13: Gráfico da suportabilidade dielétrica dos fluidos submetidos a aplicações de

impulsos atmosféricos de polaridade negativa ..................................................................... 68

5

Figura 4.14: Gráfico da suportabilidade dielétrica dos fluidos submetidos a aplicações de

impulsos atmosféricos de polaridade positiva ...................................................................... 69

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Classificação Térmica de Materiais Isolantes [4]. .............................................. 14

Tabela 2.2: Especificação dos óleos minerais isolantes tipo A e tipo B [10]. ........................ 22

Tabela 2.3: Características dos Métodos de Ensaio de Rigidez Dielétrica de Óleo [22] ....... 24

Tabela 2.4: Siglas e valores dos componentes do divisor de tensão ................................... 41

Tabela 4.1: Probabilidades de descarga em ensaio de acréscimo e decréscimo [2] ............ 55

Tabela 4.2: Dados estatísticos para OIM submetido a impulso atmosférico de polaridade

positiva ................................................................................................................................ 59

Tabela 4.3: Dados estatísticos para OIM submetido a impulso atmosférico de polaridade

negativa ............................................................................................................................... 60

Tabela 4.4: Dados estatísticos para ferrofluido 1 submetido a impulso atmosférico de

polaridade positiva ............................................................................................................... 61


polaridade negativa ............................................................................................................. 62









Tabela 4.10: Tabela completa com todos os resultados dos ensaios ................................... 67

6

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

°C grau Celsius – Unidade de temperatura

Ω Ohm – Unidade de resistência

A Ampère – Unidade de corrente elétrica

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

AC ou CA Corrente alternada

ANSI American National Standards Institute

ASTM American Society for Testing and Materials

atm. Atmosfera – Unidade de pressão

bar Bar – Unidade de pressão correspondente a 0,987 atm

DC ou CC Corrente contínua

Hz Hertz – Unidade de frequência

kHz Quilohertz - Unidade de frequência – 10³ Hz

MHz Megahertz - Unidade de frequência – 106 Hz

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

SF6 Hexafluoreto de enxofre

V Volt – Unidade de tensão elétrica

W Watt – Unidade de medida de potência

pH Potencial de hidrogênio. Indica acidez, neutralidade ou

alcalinidade da solução.

OIM Óleo isolante mineral

FF Óleo isolante mineral com nanopartículas ou ferrofluido

Cepel Centro de Pesquisas de Energia Elétrica

LabDig Laboratório de Diagnóstico de Equipamentos Elétricos

p.u. Sistema por unidade

7

1. INTRODUÇÃO

1.1 Apresentação

O trabalho descreve resultados do estudo de suportabilidade dielétrica de isolantes

líquidos - óleo isolante mineral e três concentrações diferentes de ferrofluidos ou

nanofluidos, que são óleos isolantes minerais com nanopartículas de magnetita - à

aplicação de ondas plenas de impulso atmosférico padronizadas (1,2/50 µs) geradas

em laboratório. Foi realizado a partir de um estudo estatístico para a determinação

da tensão de ruptura do dielétrico.

1.2 Proposta

O estudo teve por objetivo testar a viabilidade do uso de um ferrofluido em

transformadores como possível substituto ao isolante normalmente empregado, o

óleo isolante mineral naftênico.

A considerar ainda o objetivo de aprofundar os conhecimentos na área de

equipamentos elétricos, isolantes utilizados em transformadores elétricos e o uso de

ferrofluidos como líquidos isolantes em transformadores.

Os ensaios, realizados no LabDig - Laboratório de Diagnósticos de Equipamentos

Elétricos do Cepel - Centro de Pesquisa de Energia Elétrica, seguiram as normas

regentes sobre o assunto: ASTM D3300-00 [1] e ABNT NBR IEC 60060-1:2013 [2].

Foram testados quatro tipos de fluidos: óleo isolante mineral naftênico da Petrobras

AV60IN; e ferrofluido 1, ferrofluido 2 e ferrofluido 3, com concentrações de

nanopartículas ferromagnéticas diferentes. O ferrofluido 2 possui metade da

concentração do ferrofluido 1; e o ferrofluido 3, metade da concentração do

ferrofluido 2. Os fluidos foram ensaiados sob impulso atmosférico de onda plena

(1,2/50 µs), para verificação de sua suportabilidade dielétrica.

8

1.3 Motivação

O trabalho foi motivado pela possibilidade de utilização de ferrofluidos como isolante

em transformadores. A partir dos ensaios, foi analisada a probabilidade do ferrofluido

se tornar um substituto viável ao óleo isolante mineral. Nesta análise foram

observados o aspecto econômico, a eficácia na transferência de calor (refrigeração

do transformador) e sua capacidade de isolamento. Caso o ferrofluido também

apresente, nos ensaios de alta tensão, desempenho aceitável sob o ponto de vista

dielétrico, este poderá ser avaliado como um possível substituto para o óleo isolante

mineral.

Espera-se que este projeto possa servir como referência na área de aplicação de

alta tensão e suportabilidade dielétrica dos ferrofluidos quando submetidos a

impulsos atmosféricos.

1.4 Objetivo do Estudo

Como o objetivo deste trabalho foi analisar a viabilidade do uso de ferrofluidos como

líquido isolante em transformadores de potência, era necessário determinar a sua

suportabilidade dielétrica comparando-se quatro situações: a de referência (óleo

normal) e as relativas a três concentrações distintas de um ferrofluido. A

metodologia utilizada na avaliação foi definida em consonância com as normas

citadas, resultando na aplicação de ondas de impulso atmosférico padronizadas

(1,2/50 µs), com início em 60 kV e, pelo menos, 3 aplicações em cada caso, sendo

que um deles envolve descarga disruptiva, em degraus de 10 kV. Os resultados

foram tratados estatisticamente.

1.5 Relevância do estudo

Resultados positivos nos ensaios podem levar ao desenvolvimento de projetos de

transformadores mais leves, bem como o aumento da capacidade de carga dos

equipamentos atuais.

9

Este estudo apresenta característica inovadora para o Cepel, uma vez que poucos

centros de pesquisa possuem a tecnologia e a disponibilidade de equipamentos de

alta tensão apropriados para realização dos ensaios.

1.6 Limitações do Estudo

A melhoria das características de refrigeração de um ferrofluido é conseguida com a

maior adição das nanopartículas. Porém, há um limite que, se ultrapassado, pode

resultar em redução ou perda total do poder dielétrico do fluido. Esta região de

equilíbrio ainda é objeto de pesquisa.

Além da região de equilíbrio ser desconhecida, existem outras limitações como o

uso de modelo reduzido (célula de ensaio): (i) disponibilidade de número limitado de

amostras de Óleo Isolante Mineral (OIM) e dos ferrofluidos, levando-se em conta o

custo, tempo de fabricação e a disponibilidade do laboratório de química do Cepel

para a sua produção; (ii) e o comportamento desconhecido do ferrofluido sob tensão

impulsiva.

Além das características acima referidas, o ferrofluido necessita de uma avaliação

físico-química (ponto de fulgor, viscosidade, interação com os outros materiais

isolantes como o papel, densidade, ponto de fluidez etc.) para determinar se sua

utilização em transformadores pode ser viabilizada.

1.7 Organização do Estudo

O presente trabalho está organizado em 5 capítulos, compostos da seguinte

maneira:

Capítulo 1 – INTRODUÇÃO: apresenta os aspectos gerais dos assuntos

contemplados no estudo, incluindo a proposta, a motivação, as considerações

iniciais, o objetivo, a relevância e as limitações do estudo.

10

Capítulo 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: apresenta o conteúdo teórico

necessário para compreensão do trabalho como um todo, tendo como referência a

literatura vigente sobre o assunto.

Capítulo 3 – METODOLOGIA DE PESQUISA: descreve as etapas de

elaboração do estudo, fundamenta e descreve a metodologia utilizada na pesquisa,

classificando-a segundo sua natureza, objetivos e procedimentos técnicos,

especificando o que foi realizado para a sua elaboração.

Capítulo 4 – PESQUISA REALIZADA: descreve todo o procedimento que foi

realizado em laboratório durante a pesquisa e os seus respectivos resultados.

Capítulo 5 – CONCLUSÃO: apresenta uma análise conclusiva a respeito do

trabalho desenvolvido e comentários a ele relacionados.

11

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Isolamento Elétrico

O transformador é um equipamento de operação estática que por meio de indução

eletromagnética transfere energia de um circuito, chamado primário, para um ou

mais circuitos denominados, respectivamente, secundário e terciário, sendo, no

entanto, mantida a mesma frequência, porém com tensões e correntes diferentes [3].

A disponibilidade de energia elétrica é indispensável para uma boa qualidade de

vida. Nesse contexto temos, a geração, transmissão e distribuição de energia

elétrica, que forma o sistema elétrico como um todo. O transformador elétrico, pelas

suas características construtivas, possui alto rendimento e baixas perdas e é um

equipamento essencial para que esse sistema funcione em perfeitas condições.

Na parte interna do transformador elétrico há o núcleo, composto por material

ferromagnético, enrolamentos feitos de cobre ou alumínio, e algum tipo de material

dielétrico de característica isolante (óleo isolante, papel, silicone, epóxi, SF6 -

hexafluoreto de enxofre etc.). Segundo a ABNT IEC 60085/2012 [4], o Material

Isolante Elétrico (MIE), é um sólido com baixa condutividade elétrica, ou uma

simples combinação desses materiais, usado para separar partes condutoras de

diferentes potenciais elétricos em equipamentos elétricos. O termo ‘material isolante’

pode ser usado, de forma mais ampla, para também designar os líquidos e gases

isolantes. Um sistema isolante contendo um ou mais MIE e/ou combinações simples

destes, associados com partes condutoras, utilizado em equipamentos elétricos é

conhecido como um Sistema Isolante Elétrico (SIE). O material isolante pode

desempenhar duas funções distintas: dissipação de calor e a criação de um meio

isolante entre as partes ativas do transformador.

O isolamento elétrico possui uma representação esquemática na literatura regente

[5]. O circuito representativo de um sistema de isolação real (Figura 2.1) é

constituído por uma resistência (R1) em série com um capacitor (C), ambos em

paralelo com outra resistência (R2). Quando este circuito é alimentado por uma fonte

12

de corrente alternada, no ramo do capacitor circulará uma corrente Ic denominada de

corrente de carga, que estará adiantada de 90º em relação à tensão aplicada ao

circuito. Pelo ramo da resistência R2 circulará uma corrente chamada de Ir em fase

com a tensão aplicada, originando fuga de potência ativa através da isolação

manifestando se pelo aquecimento devido ao efeito Joule.

Figura 2.1: Representação esquemática da isolação elétrica [5]

Componentes do circuito acima e seus significados:

• C – representa a capacitância da isolação

• R1 – resistência que corresponde às perdas dielétricas da isolação - I ∗ R

• R2 – resistência do isolamento

• IR – corrente de fuga da isolação que atravessa a resistência R2

• IC – corrente de carga que atravessa a capacitância C e a resistência R1

Para dielétricos reais em bom estado, a resistência R1 é considerada como

desprezível e a corrente que circula pelo ramo da capacitância (IC) pode ser

considerada capacitiva e, portanto, defasada de 90º da tensão aplicada V. A relação

(IR/IC) é denominada de fator de perdas dielétricas ou fator de dissipação, e

apresentará valores crescentes com a degeneração do dielétrico, sendo utilizada

para determinar a qualidade da isolação.

Pela Figura 2.2 pode se notar a disposição das correntes e a tensão aplicada ao

circuito da Figura 2.1. A tg δ, por definição é considerada o fator de perdas da

isolação e é representada pela relação IR/IC. O fator de potência da instalação

elétrica é cos φ, e representa a defasagem angular entre a corrente e a tensão. Da

trigonometria, sabe-se que quando o ângulo é muito pequeno (menor que 5º) o seno

13

deste ângulo é igual a sua tangente, então, cos φ = sen (90 - φ) = sen δ = tg δ. A

partir desses dados, pode se concluir que o fator de potência do isolamento é

aproximadamente igual ao fator de perdas da isolação.

Figura 1.2: Representação das Correntes na Isolação [5]

Segundo NEMÉSIO SOUSA (2013), as substâncias isolantes podem ser dividas

quanto à sua natureza ou segundo as suas classes de temperatura. Analisando a

sua natureza, elas podem ser classificadas como: (i) gases (ar natural e comprimido,

azoto, SF6); (ii) líquidos (óleos minerais, dielétricos sintéticos, óleos vegetais,

solventes empregados nos vernizes e compostos isolantes); (iii) sólidos aplicados

em estado líquido ou pastoso (resinas e plásticos naturais, materiais asfálticos,

goma laca, ceras, vernizes e lacas, esmaltes, resinas sintéticas, borracha sintética,

silicone, compostos de celulose, acetato de celulose, plástico moldados a frio); (iv)

sólidos (minerais, cerâmicas, porcelana, vidro, materiais da classe da borracha,

materiais fibrosos, algodão, papel, papel de mica e de vidro, madeira, celofane).

A temperatura, juntamente com a oxidação e umidade, são os principais fatores que

aceleram o envelhecimento dos materiais isolantes elétricos. A partir desse

conhecimento, foram definidas classes térmicas básicas reconhecidas

internacionalmente. A classe térmica representa a temperatura máxima (em ºC) para

o qual o MIE/SIE é apropriado. A Tabela 2.1 apresenta a classificação térmica

(classe térmica), expressa em graus Celsius (ºC), de materiais isolantes elétricos

(MIE).

14

Tabela 2.1: Classificação Térmica de Materiais Isolantes [4].

DTR1 (ºC) Classe Térmica Designação

Anterior (IEC 60085:2004)

DTR < 90 70 90 ≤ DTR < 105 90 Y 105 ≤ DTR < 120 105 A 120 ≤ DTR < 130 120 E

130 ≤ DTR < 155 130 B 155 ≤ DTR < 180 155 F 180 ≤ DTR < 200 180 H 200 ≤ DTR < 220 200 N 220 ≤ DTR < 250 220 R

DTR ≥ 250 250 C

A escolha correta do isolante que será empregado no transformador elétrico não

depende somente se este possui propriedades elétricas (rigidez dielétrica, baixas

perdas e alta resistividade) superiores a outros. Suas propriedades físicas e

químicas têm que ser avaliadas para o tipo de serviço solicitado.

Quanto ao meio isolante os transformadores elétricos são divididos em dois grandes

grupos: transformadores em líquido isolante e transformadores a seco. Os

transformadores em líquido isolante são utilizados em sistemas de distribuição, força

e plantas industriais. Os líquidos isolantes que são utilizados são óleo mineral e

sintéticos. Os transformadores a seco são equipamentos de uso específico, por

possuírem custo elevado se comparados com os transformadores de líquido isolante

[3]. Sua utilização é direcionada a locais onde o risco de incêndio ou explosões é

elevado (refinarias de petróleo, indústrias petroquímicas, grandes centros

comerciais).

2.1.1 Dimensionamento do equipamento

1 DTR – Durabilidade Térmica Relativa: valor numérico da temperatura (em ºC) no qual o tempo estimado para o ponto final do material candidato é o mesmo tempo estimado para o ponto final do material de referência, que é o DTE – Durabilidade Térmica Estimada, isto é, o valor numérico de temperatura (em ºC) para o qual o material de referência possui desempenho satisfatório conhecido em serviço, para a aplicação especificada.

15

Os transformadores de potência estão entre os componentes de maior porte e valor

onde são instalados (usinas, subestações etc.). A ocorrência de qualquer tipo de

falha nesse equipamento, gera transtornos operacionais e financeiros elevados,

visto que, possuem custo de aquisição elevado, nem sempre se dispõe de uma

unidade reserva, são equipamentos voltados para uso muito específico e

apresentam prazos longos na sua fabricação, transporte e eventuais serviços de

reparos.

Para minimizar a ocorrência de falhas neste tipo de equipamento, este deve ser

dimensionado corretamente levando em conta a sua aplicação. Existem fatores que

determinam o dimensionamento do transformador de potência. Esses fatores são de

característica térmica: efeitos térmicos suportáveis pelo isolamento; mecânica:

esforços de curto-circuito aos quais o equipamento será exposto ao longo de sua

vida útil; química e elétrica: estresses ao qual o dielétrico será exposto [6].

2.1.1.1 Esforços de curto-circuito

Durante a sua vida útil, os enrolamentos de transformadores são regularmente

solicitados mecanicamente. Estas solicitações são de origem elétrica, motivo pelo

qual as bobinas são montadas e prensadas de forma que se extraia a maior

resistência mecânica do conjunto.

Além dos esforços normais de operação, o transformador está sujeito a esforços

eletrodinâmicos de grande intensidade devido a curtos-circuitos no sistema por ele

alimentado. A principal causa de falha de um transformador que tenha sido afetado

por um curto-circuito não está diretamente ligado a danos térmicos à isolação, mas

sim aos danos mecânicos transmitidos aos enrolamentos [3]. As forças mecânicas

que atuam no transformador durante um curto-circuito são diretamente proporcionais

à potência nominal do transformador. Essas forças, de origem eletromagnética e que

podem ser verticais ou horizontais, geram interações entre os enrolamentos.

A força vertical, também chamada de axial, faz com que os enrolamentos de baixa

tensão e os de alta tensão se desloquem uns aos outros, e isto se chama

‘telescoping’ (Figura 2.3). Essas forças fazem com que os enrolamentos assumam

16

posições que aumentam o fluxo magnético do sistema. Caso dois enrolamentos

estejam em série, a força eletromagnética varia com o quadrado da corrente.

Embora a força horizontal, conhecida como radial, seja a mais forte (Figura 2.4), a

força vertical gera maiores preocupações durante a fabricação e design do

transformador devido à sua complexidade.

Figura 2.2: Forças verticais entre os enrolamentos de alta e baixa tensão em um transformador de núcleo envolvido exposto a um curto-circuito [6].

17

Figura 2.3: Força de repulsão horizontal (radial) entre os enrolamentos de alta e baixa tensão em um transformador de núcleo envolvido exposto a um curto-circuito

[6]

Os dados referentes à suportabilidade do transformador aos fenômenos como o

curto-circuito são definidos pelo fabricante, a partir de normas que estabelecem os

limites máximos de sua amplitude e duração. Portanto, em função do tipo de falha, o

sistema ao qual o transformador foi conectado e as proteções utilizadas, durante a

ocorrência de uma falha no sistema, estes limites podem ser facilmente excedidos.

Os esforços ao qual o transformador será submetido provocam deformações nos

enrolamentos. Do ponto de vista mecânico, essas deformações podem ser divididas

em dois grupos: (i) deformações elásticas que são reversíveis e não implicam em

mudança estrutural das bobinas. Esse tipo de deformação não deve trazer

implicações ao funcionamento do transformador; (ii) deformações plásticas que são

mecanicamente irreversíveis, provocando a alteração permanente da estrutura dos

condutores, bem como o deslocamento e quebra de suportes isolantes e calços.

Neste caso há deformação das bobinas, fragilização do sistema isolante por atrito e

esforços mecânicos, podendo resultar em curto-circuito entre espiras [7].

18

2.1.1.2 Solicitações no dielétrico

Os estresses no dielétrico do transformador são causados por sobretensões,

fenômenos transitórios que aumentam a solicitação dielétrica dos materiais isolantes

dos enrolamentos, podendo causar danos irreversíveis, caso excedam os limites de

suportabilidade previstos. O dano principal causado pela sobretensão se caracteriza

pela formação de arco elétrico na parte interna do transformador, sendo que os

principais tipos de sobretensão podem ser divididos em [7]:

• Sobretensões de manobra são causadas por: energização e

reenergização da linha, ocorrência e extinção de faltas, manobra de

cargas capacitivas ou de banco de capacitores, e manobra de cargas

indutivas (transformadores e reatores). Para efeitos de norma, são

ensaiadas por ondas de 250/2500 µs (ABNT/IEC) de frequência

elevada, que podem atingir níveis expressivos de magnitude (até 4

p.u.). As condições de chaveamento e a configuração do sistema ao

qual o transformador está conectado influenciam diretamente na

duração e na magnitude desse tipo de surto. Os danos ao

transformador causados por esse tipo de sobretensão podem ocorrer

no início do enrolamento (devido à própria característica da frente de

onda) ou entre partes da bobina em pontos diversos do enrolamento

(devido à manifestação do efeito ressonante), podendo haver ruptura

do dielétrico.

• Sobretensões transitórias muito rápidas (Very Fast Transient – VFT)

são eventos de ocorrência mais comum em sistemas isolados com

SF6, conhecidos como Gas Insulated Substation (GIS). São

caracterizadas por frentes de onda muito rápidas (da ordem de

nanosegundos), possuem frequências muito elevadas (kHz a MHz) e

amplitude típica de 1,5 a 2,5 p.u. Os VFT são consequência de

mudanças instantâneas na tensão da GIS, que são causadas por

ocorrência de faltas e operação de dispositivos de manobra. De uma

forma geral, pode-se dizer que os VFT e as sobretensões de manobra

afetam de forma semelhante os enrolamentos do transformador.

• Sobretensões por descarga atmosférica (surtos atmosféricos) podem

ocorrer em função de uma descarga direta em um terminal do

19

transformador ou pela limitação das proteções instaladas nas linhas.

Este tipo de sobretensão é ensaiado em laboratório utilizando ondas

de 1,2/50 µs (ABNT/IEC/ANSI) conhecidas como ondas plenas. Os

danos causados por esse tipo de sobretensão podem se dar a partir

da ruptura da isolação entre espiras de um mesmo enrolamento,

normalmente próximo ao terminal; entre bobinas; ou até mesmo contra

partes aterradas, como o núcleo e partes do tanque.

2.1.1.3 Efeitos Térmicos A potência nominal do transformador de potência está diretamente ligada à sua

capacidade de refrigeração interna de seus componentes. Quanto maior for a sua

potência nominal, mais complexo será o seu sistema de refrigeração. O sistema de

refrigeração pode ser passivo, utilizando somente o poder de convecção do óleo

isolante mineral e radiadores externos para dissipação de calor; ou pode ser ativo,

utilizando um sistema de bombas para realizar um movimento interno do óleo mais

eficaz.

Ao longo de sua vida útil, os enrolamentos do transformador serão solicitados

termicamente, devido a sua operação normal e eventuais falhas no sistema as quais

poderão gerar curtos-circuitos. Essa solicitação térmica possui efeito direto na

isolação do equipamento, causando desgaste tanto no isolante líquido (óleo) quanto

no sólido (celulose). O desgaste do isolamento pode ser caracterizado pela

diminuição da sua rigidez dielétrica e perda da resistência mecânica.

2.2 Isolantes Gasosos

O isolante gasoso em maior utilização é o ar, porém em situações especiais utiliza-

se o SF6. Os motivos principais para utilizar o SF6 ao invés de um isolante líquido

são: não é tóxico, inflamável e explosivo; não reage com outros componentes do

transformador; apresenta estabilidade na faixa de operação e preço aceitável.

20

Características do SF6:

• Peso molecular: 146,05

• Condutividade térmica à pressão atmosférica: 1,4 W/cmK a 40ºC

• Viscosidade (em CP) à pressão atmosférica: 0,015 a 25ºC

• Capacidade de ruptura: 100 A à 1 atm. de pressão

• Fator de perdas: tg δ < 10-3 a -50ºC

tg δ < 2 x 10-7 a 25ºC

• Tensão de ruptura: 125 kV a 2 atmosferas de pressão com afastamento de 10

mm.

A utilização do hexafluoreto de enxofre como isolante se torna uma solução quando

sistemas que utilizam óleo como isolante não são permitidos por causa do risco de

incêndio e quando sistemas que utilizam ar não são factíveis por causa de seu

tamanho e potência [6].

2.3 Isolantes Líquidos

2.3.1 Óleo Isolante Mineral

Os isolantes líquidos desempenham quatro papéis fundamentais quando utilizados

em transformadores elétricos. O primeiro papel é o de refrigeração, pois o isolante

líquido retira o calor das partes condutoras e o transmite ao radiador ou para as

paredes do tanque, mantendo assim níveis admissíveis de temperatura interna. O

segundo papel é o de isolação das partes condutoras. O terceiro, é a sua

capacidade de preencher os espaços vazios da isolação, ajudando assim a

preservar o conjunto núcleo e enrolamento. Segundo NEMÉSIO SOUSA (2013) esta

função do óleo isolante é chamada de 'barreira de proteção ao isolamento sólido

estrutural do transformador'. O quarto papel está em minimizar o contato do oxigênio

com a celulose e outros materiais susceptíveis à oxidação. O isolante líquido de

maior utilização pela indústria de equipamentos elétricos é o óleo de origem mineral.

21

O óleo mineral é produzido a partir do petróleo e outros produtos sedimentares,

sendo basicamente uma mistura de hidrocarbonetos. Sua composição depende de

onde foi extraído, possui coloração preto-azulada ou marrom e cheiro desagradável.

Os óleos minerais passam por um processo rigoroso de purificação (refino), e seu

uso se concentra em transformadores, disjuntores, cabos, capacitores e chaves a

óleo. Por serem usados pelas suas características dielétricas e pela sua capacidade

de transmissão de calor, necessitam ser altamente estáveis, ter baixa viscosidade

(óleos densos causariam problemas na refrigeração de transformadores elétricos a

partir das variações de sua temperatura de operação), estarem livres de impurezas,

tais como umidade, poeira e partículas, e devem possuir um poder dielétrico superior

a 118,1 kV/cm, de acordo com a norma NBR 6869 [8].

No uso de equipamentos com óleo mineral, uma das providências de manutenção é

uma sistemática verificação da tensão de ruptura (rigidez dielétrica), face à

possibilidade de um envelhecimento anormal, relativamente rápido. Como resultado,

os próprios sistemas de planejamento manutenção preveem a retirada periódica de

amostras de óleo, e a verificação de suas características isolantes. Dependendo do

valor obtido, é necessário aplicar processos de recondicionamento e regeneração

ou, em caso extremo, fazer a substituição do óleo envelhecido por outro novo [9] [5].

A deterioração do óleo pode ocorrer por diversas razões: como resultado das

solicitações térmicas (ação da temperatura), oxidativas (ação do oxigênio) e

hidrolíticas (ação da umidade); e devido ao contato com outros componentes

estruturais, principalmente metálicos. Resultante desses processos, surgem líquidos,

sólidos e gases que influenciam negativamente as propriedades do óleo,

necessitando, assim serem eliminados por processos distintos como

recondicionamento e regeneração, por exemplo.

Existem dois tipos de óleos minerais isolantes sendo empregados atualmente no

Brasil. Óleo tipo A (predominância naftênica) e o óleo tipo B (predominância

parafínica). O óleo tipo A é utilizado em transformadores e equipamento de manobra

em qualquer classe de tensão. O óleo tipo B é utilizado em transformadores até a

22

classe de tensão de 145 kV. As suas características principais estão apresentadas

na Tabela 2.2.

Tabela 2.2: Especificação dos óleos minerais isolantes tipo A e tipo B [10].

Característica Unidade Óleo tipo A (naftênico)

Óleo tipo B (parafínico)

Aspecto - Claro, limpo, isento de material em suspensão ou sedimentado

Cor - 1,0

Massa específica a 20ºC kg/m³ 861 – 900 860 máx.

Viscosidade a 20ºC mm²/s 25,0 máx.

Ponto de fulgor ºC 140 mín.

Ponto de fluidez ºC -39 máx. -12 máx.

Índice de neutralização mg KOH/g 0,03 máx.

Enxofre corrosivo - Não corrosivo

Enxofre total % massa - 0,30 máx.

Fator de potência a 25ºC % 0,05 máx.

Rigidez dielétrica - Eletrodo de disco - Eletrodo de calota

kV

30 mín. 42 mín.

Rigidez Dielétrica a impulso (Eletrodos

agulha/esfera) kV

145 mín. -

Tensão interfacial a 25ºC mN/m 40 mín.

2.3.1.1 Ensaios em Óleo Isolante e seus Significado s

Seguem os principais ensaios físico-químicos em óleo isolante, suas descrições e

significados.

• Cor – A cor de um óleo isolante é determinada pela luz transmitida e é

expressa por um valor numérico baseado na comparação com uma série de

padrões de cores. Um número de cor que aumenta rapidamente ou muito alto

pode ser uma indicação de deterioração, contaminação ou oxidação do óleo

[11].

23

• Massa específica – É a razão entre a massa de uma porção compacta e

homogênea de uma substância e o volume ocupado por ela. A massa

específica não é afetada pela deterioração do óleo.

• Viscosidade – É a resistência do óleo em fluir. Óleos destinados para uso em

transformadores possuem viscosidade baixa. A viscosidade é afetada

diretamente pela temperatura, envelhecimento e oxidação do óleo que

tendem a aumentá-la afetando a eficiência da refrigeração do equipamento.

Valores típicos segunda a norma ABNT NBR 10441 [12]:

25 x 10-6 m2/s a 20° C, no máximo.

11 x 10-6 m2/s a 40° C, no máximo.

3 x 10-6 m2/s a 100° C, no máximo.

• Ponto de fulgor – O óleo na presença de temperaturas mais elevadas

começa a produzir vapores. Ponto de fulgor se caracteriza pela temperatura

na qual, aproximando-se uma fonte de ignição, forma-se uma chama, porém

afastando-a dos vapores, se apaga rapidamente. Esta temperatura pode ser

afetada por descargas elétricas ou exposição prolongada do óleo às

temperaturas muito altas. O abaixamento do valor do ponto de fulgor indica a

presença de perigosos contaminantes combustíveis voláteis no óleo. Valores

típicos:

≥ 140° C - ABNT NBR 11341 [13]

≥ 145º C - ASTM D92 [14]

• Ponto de fluidez – Sob condições específicas, é a temperatura a partir da

qual o óleo isolante flui. É usado na identificação e determinação do tipo de

equipamento para o qual óleo pode ser usado. Essa característica não é

afetada pela deterioração normal do óleo. Valores típicos:

≤ - 39° C - ABNT NBR 11349 [15]

- 40° C, no máximo - ASTM D97 [16]

• Índice de neutralização – É a medida de componentes ácidos presentes no

óleo, indicando a quantidade de miligrama de hidróxido de potássio KOH

necessária para neutralizar a acidez de 1 g de óleo. A formação de ácidos no

interior de um transformador indica deterioração do óleo e tem impacto na

degradação dos materiais celulósicos e podem corroer peças de metal.

Valores típicos pela ABNT/MB 101/1968 [17] ou ASTM D974 – D664 [18]:

24

Limite aceitável para transformadores em operação:

0,4 mg KOH/g

Limite aceitável para óleo novo: 0,03 mg KOH/g

• Enxofre corrosivo – A presença de enxofre pode ser resultante de refino

deficiente e produz formação de borra afetando diretamente a capacidade de

refrigeração do equipamento, gerando ataque corrosivo aos metais do

transformador e queda das características dielétricas. O ensaio é executado

pelo método ABNT NBR 10505 [19] OU ASTM D1275 [20], estas normas

determinam um valor típico de: não presença de enxofre corrosivo.

• Fator de potência – É a relação entre a potência dissipada no óleo (perdas

ativas), em watts (W), e o produto da tensão pela corrente em VA (potência

total), quando testado com uma tensão senoidal e condições prescritas. Este

ensaio detecta a presença de contaminantes ou produtos de deterioração no

óleo, tais como água, oxidação, sabões, colóides etc. O óleo novo apresenta

fator de potência baixo e o seu aumento indica início do seu processo de

deterioração. Valores típicos pela ASTM D924 [21]:

0,05 % a 25º C no máximo.

0,3 % a 100º C no máximo.

• Rigidez dielétrica – Propriedade dos materiais em suportar solicitações

elétricas quando submetido a um dado valor de tensão. Exprime o valor (V/m)

do campo elétrico para o qual se dá a ruptura do meio isolante. O óleo

apresenta uma rigidez dielétrica alta, porém contaminantes como partículas

sólidas e água reduzem drasticamente este valor. Valores típicos para este

ensaio são apresentados na tabela 3.

Tabela 2.3: Características dos Métodos de Ensaio de Rigidez Dielétrica de Óleo [22]

Método ASTM D877 e NBR 6869 ASTM D1816 VDE 370

Tipo de Eletrodo Disco Calota Calota Espaçamento 0,1” 0,04” ou 0,08” 2,5 mm Elevação de

Tensão (kV/s) 3 0,5 2

Agitador Não Sim Sim

25

• Rigidez dielétrica a impulso – Tensão na qual um arco elétrico ocorre em

um óleo sob condições de impulso. Indica a capacidade do óleo de suportar

esforços de transitórios da tensão elétrica [23]. Valor limite: ≥ 145 kV (ASTM

D3300) [1].

• Tensão interfacial – Medida da força necessária para romper a película de

óleo na interface água-óleo. Examinando se a tensão interfacial pode se

determinar o grau de deterioração do óleo e contaminação por materiais

sólidos. Valor típico pela ABNT NBR 6234 [24]:

Óleo novo e livre de aditivos: ≥ 0,04 N/m a 25º C (mínimo).

Óleo após contato com o equipamento: ≥ 0,032 N/m a 25° C

(mínimo).

2.4 Isolantes Sólidos

2.4.1 Papel

Segundo ROLIM (2002) [9], o papel é classificado como um isolante fibroso orgânico

possuindo como matéria prima básica a celulose. É utilizado extensamente na

indústria elétrica como isolante devido à sua grande flexibilidade, capacidade de

obtenção em espessuras pequenas, preço geralmente razoável, estabilidade térmica

em torno de 100 ºC (o comportamento térmico depende acentuadamente da

natureza da fibra) e elevada resistência mecânica, tanto ao longo da fibra quanto

transversalmente. Possui elevada higroscopia2 e é facilmente impregnado com

algum isolante adequado. Sua degradação é irreversível, não sendo recomendada a

sua substituição [9].

Conforme OSTERMANN (2006) [11], é evidente o efeito maléfico da presença da

umidade dentro do transformador elétrico - o envelhecimento da celulose ocorre

mais rapidamente na presença de água, oxigênio, calor e borra3. Por esse motivo,

quando o papel é utilizado eletricamente, deve ser seco a vácuo, ficando assim livre

da umidade, que penetra no material durante as etapas de fabricação das camadas

isolantes, a despeito de todas as precauções dos fabricantes. 2Higroscopia – é a propriedade que certos materiais possuem de absorver água. 3Borra – composto de alto peso molecular, insolúvel e ácido formado pela polimerização do óleo na sua etapa final de degradação.

26

O envelhecimento de transformadores está diretamente ligado à deterioração de seu

sistema isolante. Levando em consideração que a parte líquida do isolamento (óleo)

pode ser tratada, recondicionada, regenerada ou substituída, o fator predominante

na determinação do seu envelhecimento é a degradação do isolamento sólido

(materiais produzidos a partir da celulose) dado que esta deterioração é irreversível

e a sua substituição somente é viável com a abertura do equipamento e a troca das

bobinas.

O estado de conservação dos materiais a base de celulose se baseiam no grau de

polimerização (GP), parâmetro que mede o comprimento das moléculas de celulose

que se relaciona diretamente com a resistência mecânica do material [11]. Uma

diminuição do GP indica degradação da celulose devido ao aquecimento natural do

transformador combinado com a presença de umidade e oxigênio. Segundo a IEEE

(Std. C57.91-2011) [25], o final da vida útil da isolação é definido por um GP com

valor de 200 ou redução de 75% da resistência à tração. Papel Kraft novo, por

exemplo, aplicado no isolamento de condutores, geralmente apresenta um GP de

1.000 (97.905 kPa).

O papel é utilizado em forma de fitas para isolar as espiras do transformador elétrico,

sendo impregnado com óleo ou vernizes para aumentar sua rigidez dielétrica. Os

condutores são enrolados em cilindros de prespan (material a base de celulose com

maior densidade que o papel), que proporcionam fixação mecânica e isolamento

entre enrolamentos de fase e entre estes e o núcleo [26]. Quando impregnado com

verniz, o papel pode ser encontrado sendo usado como suporte de núcleos de

transformadores.

Sua utilização na indústria elétrica ainda é feita em larga escala, apesar dos

problemas e cuidados com seu manuseio. Porém, materiais fibrosos sintéticos vêm

sendo produzidos e estudados e, naturalmente, surge uma tendência de substituí-lo

por estes [9].

2.4.2 Cerâmicas

27

As cerâmicas pertencem a um grupo de materiais com elevado ponto de fusão, são

produzidas a frio na forma plástica e sofrem processos de queima para adquirirem

as características que permitem seu uso na indústria elétrica. As matérias primas

principais utilizadas na produção das cerâmicas são o quartzo, o feldspato, o caolim

e a argila. Cada um desses componentes possui uma influência direta nos aspectos

térmico, mecânico ou dielétrico do produto final. Para a produção de uma cerâmica,

deve-se estabelecer primeiramente a sua aplicação, para então, em função das

condições elétricas ou dielétricas, mecânicas e térmicas que o material deve

suportar, estabelecer a porcentagem de cada componente.

É utilizada pela sua função isolante e capacidade de proteção contra agentes

externos como invólucro de buchas nos transformadores elétricos.

2.5 Nanofluidos

O conceito de nanofluido foi introduzido em 1995 por STEPHEN CHOI [27] e seu

grupo de pesquisa do Argonne National Laboratory nos Estados Unidos. Através de

pesquisas aplicadas, CHOI demonstrou melhorias na troca térmica obtida a partir da

adição de nanopartículas de cobre ou alumínio em água e outros líquidos.

Segundo MATT, C. F. T. et al. [28], nanofluidos são definidos como colóides

estáveis. O termo colóide refere-se a um sistema aparentemente homogêneo, mas

constituído por duas fases, em que a fase dispersa é composta de partículas, cujas

dimensões variam de 1 nm a 500 nm, misturadas homogeneamente na fase

dispersora [29]. O número de átomos de cada partícula vai de 103 até 109, em

ordem de grandeza. Abaixo deste limite o sistema é considerado uma solução e

acima, uma suspensão. A dispersão de nanopartículas em fluidos de resfriamento

como água, óleos e etileno glicol tem sido objeto de intensa investigação científica.

As propriedades do nanofluido estão intimamente ligadas às propriedades das

nanopartículas nele inseridas. A estabilidade da suspensão é alterada devido à

concentração, grau de cristalinidade, nível de oxidação superficial (no caso de

28

nanopartículas metálicas), distribuição de tamanho, formas geométricas e

propriedades reológicas4 das nanopartículas.

A síntese do nanofluido é o passo mais importante para um estudo bem sucedido

dessas suspensões. Algumas exigências são essenciais tais como: homogeneidade,

estabilidade, durabilidade, pouca aglomeração de nanopartículas e não alteração

química do fluido-base. O principal problema encontrado nos laboratórios é a

aglomeração das nanopartículas. SINGH [30] afirma que ainda não existe um

método de preparação padrão para nanofluidos. Segundo MATT, C. F. T. et al. [28],

existem basicamente dois métodos de preparação dos nanofluidos: (i) método de

passo único; e (ii) método de dois passos – o mais usado atualmente.

No método de dois passos, as nanopartículas previamente produzidas por algum

método físico ou químico e disponíveis como pó seco são misturadas ao fluido-base

e a sua dispersão é feita por meio de ultrassom (sonicação) ou agitação mecânica.

Segundo EASTMAN et al. [31] e SINGH [30], esse método funciona bem com

nanopartículas oxídicas5, mas com nanopartículas metálicas o grau de aglomeração

tem se mostrado inaceitável. Para minimizar a formação de aglomerados técnicas

como mudança de pH e adição de surfactantes6 também têm sido usadas. As

principais vantagens do método de dois passos são a sua simplicidade e facilidade

de produção de nanofluidos em larga escala.

No método de passo único, o processo de produção e dispersão das nanopartículas

no fluido-base é realizado em uma única etapa. Suas principais vantagens são a

estabilidade da suspensão produzida, o controle do tamanho das nanopartículas e a

minimização da formação de aglomerados. A principal desvantagem desse método é

a dificuldade de síntese de nanofluidos em larga escala.

4Propriedades reológicas - propriedades físicas que influenciam o transporte de quantidade de movimento em um fluido. 5Nanopartículas oxídicas - nanopartículas ferromagnéticas como a magnetita (Fe3O4) e hematita (Fe2O3). 6Surfactante - são tipicamente moléculas de cadeia longa que ajudam a manter as nanopartículas separadas no colóide, evitando aglomeração.

29

No setor elétrico os nanofluidos se destacam pela sua possível aplicabilidade em

transformadores. As nanopartículas são adicionadas ao OIM visando a melhoria nas

suas propriedades dielétricas e transporte de calor. Espera-se que resultados

positivos nos estudos e ensaios resultem em projetos de transformadores mais leves

e compactos e que ocorra uma melhora no dimensionamento dos transformadores

atuais - diminuição do tamanho e aumento de potência.

2.5.1 Ferrofluidos

Apesar do conceito de nanofluido surgir em 1995, o ferrofluido (FF) era conhecido

pelos físicos desde a década de 1960, quando foram sintetizados pela primeira vez.

Ferrofluidos são nanofluidos constituídos por nanopartículas ferromagnéticas ou

ferrimagnéticas, como a magnetita (Fe3O4) e a hematita (Fe2O3), dispersas em

líquido polar ou não polar (apolar), que se caracterizam por sua forte magnetização

na presença de campo magnético externo. Este tipo de nanofluido é considerado

como um material superparamagnético, isto é, na ausência de campo magnético

externo ele não permanece magnetizado. Por possuírem elevada estabilidade e

propriedades únicas, os ferrofluidos podem ser empregados como selantes, fluidos

de resfriamento e dielétricos.

De acordo com a literatura [32] eles têm uma magnetização de saturação baixa. A

magnetização de saturação, medida em Gauss (G), é o valor máximo do momento

magnético7 por unidade de volume, quando todos os domínios estão alinhados

(Figura 2.5). Pode-se dizer que é o quão forte a atração será entre uma dada

substância e um ímã de uma determinada força. Este valor da magnetização de

saturação para o ferrofluido é de 400 G, em comparação com 17.000 G do ferro. É

importante ressaltar que as equações de Maxwell definem o comportamento do

campo magnético apenas no nível macroscópico, possuindo um limite inferior de

cerca de 0,1 mm [50].

7Momento magnético - grandeza vetorial que se pode associar a uma espira percorrida por uma corrente ou a um dipolo magnético.

30

Figura 2.4: Nanopartículas misturadas ao surfactante com o seu domínio (MD) de magnetização orientado na mesma direção e sentido ao campo magnético aplicado

[31].

A estabilidade do ferrofluido não é facilmente obtida. O tamanho das nanopartículas

a ser utilizado deve ser cuidadosamente controlado e, além disso, surfactantes

químicos, como o ácido oléico8, são usados para assegurar a estabilidade coloidal.

As moléculas de ácido oléico se organizam em torno das nanopartículas

ferromagnéticas evitando que elas se aproximem umas das outras (aglomeração de

moléculas) a ponto de permitir a atuação das forças de Van der Waals9.

Uma diferença notável entre os ferrofluidos e os nanofluidos não magnéticos é a

dimensão das nanopartículas dispersas no fluido base. Nos ferrofluidos a dimensão

das nanopartículas não ultrapassa 10 nm, pois, para diâmetros maiores a interação

magnética entre as partículas se sobrepõe à energia térmica que as mantêm

dispersas e há a formação de aglomerados. Nos nanofluidos não magnéticos o

diâmetro das nanopartículas encontra-se entre 20 e 50 nm.

A aplicação de maior interesse para engenharia elétrica de ferrofluidos é a sua

utilização como fluidos de resfriamento em transformadores elétricos para o

isolamento elétrico das suas partes condutoras e para dissipação do calor gerado no

enrolamento e núcleo, para as paredes do tanque.

8Ácido oléico - surfactante utilizado para evitar a aglomeração das nanopartículas ferromagnéticas. 9Força de Van der Waals - Designação genérica da força de interação entre moléculas neutras. Em geral é a força de curto alcance, que decresce rapidamente com uma potência elevada da distância que separa as moléculas.

31

2.5.2 Magnetização

Um dos aspectos mais importantes desse trabalho, além da suportabilidade

dielétrica do nanofluido, é a sua interação com o campo magnético presente dentro

no transformador elétrico. O estudo dessa interação, nanofluido/campo magnético,

se torna extremamente importante, pois o conhecimento prévio da movimentação

das nanopartículas dentro do transformador elétrico pode evitar uma eventual falha

de operação.

Um transformador elétrico apresenta um fluxo convectivo de fluido magnético devido

ao seu campo magnético não uniforme e ao gradiente de temperatura estabelecido

dentro do tanque. A corrente alternada que passa através do enrolamento gera o

calor e o campo magnético não uniforme estabelecido dentro do transformador. Dois

dos fatores que determinam o peso e o tamanho de um transformador elétrico para

uma dada potência nominal são: (i) a velocidade de transferência do calor interno

para as paredes do transformador; e (ii) a sua dissipação subsequente para meio

externo. Porém, enquanto a troca e a transferência de calor com o meio ambiente

sejam de extrema importância para a eficiência de um transformador, a

suportabilidade dielétrica do ferrofluido, é que determina se ele será adequado para

a utilização em equipamentos de elevada potência.

Ensaios realizados por VLADIMIR SEGAL e K RAJ [33] demonstram a eficiência da

utilização de ferrofluido em transformadores elétricos. Na Figura 2.6 podemos

observar o modelo de transformador que foi utilizado no experimento e as forças

atuantes no fluido utilizado. Este modelo possui dois enrolamentos concêntricos

compostos por fio de cobre retangular com seção de 0,2 cm² que foram inseridos

dentro de um cilindro com capacidade de 3.000 cm³. O cilindro foi preenchido com

óleo isolante mineral ou ferrofluido. Com a ajuda de um transformador de corrente,

os enrolamentos foram supridos de 250 A em corrente alternada, a 60 Hz. A

densidade de corrente atingida foi de 10³ A/cm².

32

Figura 2.5: Esquemática do modelo do transformador utilizado no experimento e as forças atuantes no fluido [33]

Cinco pares termoelétricos foram inseridos no cilindro contendo o fluido e o modelo

do transformador (Figura 2.6). O óleo utilizado foi o Exxon Univolt 60 e o ferrofluido

foi o FF200 com uma saturação por magnetização de 200 G.

Figura 2.6: Localização dos termopares dentro do transformador utilizado no experimento [33]

A distribuição de temperatura dentro do modelo foi distinta para o óleo e o

ferrofluido. Para o óleo, os termopares 1 e 2 apresentaram as temperaturas mais

altas e o termopar 5, do lado de fora dos enrolamentos na parte de baixo do cilindro,

33

apresentou a temperatura mais baixa. Essas temperaturas registradas são similares

a de um transformador elétrico típico, com as temperaturas mais altas na parte de

cima dos enrolamentos e as mais baixas na parte de baixo do tanque. Para o

ferrofluido, o termopar 1 demonstrou a temperatura mais baixa, enquanto que o

termopar 5 apresentou uma temperatura mediana.

Com este ensaio, VLADIMIR SEGAL e K RAJ [33] demonstraram que o fluido

magnético (ferrofluido) alterou a distribuição de calor dentro do modelo de

transformador elétrico de uma forma benéfica. A convecção magnética durante o

experimento foi forte o suficiente para fazer com que o líquido do lado de fora dos

enrolamentos se tornasse mais quente do que na seção de cima do enrolamento

exterior. Vale constatar que a temperatura máxima e média permaneceram

inalteradas para o óleo e o ferrofluido. Os limites impostos pelo calor gerado pela

densidade de corrente nos enrolamentos podem ser contornados com a utilização

de ferrofluidos, resultando em um transformador elétrico menor para uma mesma

potência nominal, e um design mais eficiente com um rendimento mais elevado.

Durante o experimento realizado [33], técnicas especiais de produção de nanofluidos

foram empregadas para melhorar seu desempenho dielétrico e resistividade elétrica.

Ferrofluidos com magnetização de até 50 G obtiveram os melhores resultados

aplicados em transformadores de alta tensão, combinando bom desempenho de

resfriamento e propriedades dielétricas.

Podemos concluir, a partir do experimento de VLADIMIR SEGAL e K RAJ [33], que

ferrofluidos podem ser usados em vários tipos de transformadores elétricos com

trocas de calor passivas10 ou ativas11. Por muito tempo acreditava-se que o óleo

isolante mineral era tão bom quanto o seu nível de ausência de partículas de

impureza, porém foi provado que um fluido composto por óleo isolante mineral e até

1% (em volume) de partículas de magnetita possui o desempenho em corrente

alternada do óleo puro e características dielétricas a impulso atmosférico superiores.

10Troca de calor passiva - ocorre pela convecção natural do óleo e ar pelo radiador do transformador. 11Troca de calor ativa - utiliza-se de equipamentos como bombas e ventiladores para forçar a passagem do óleo e do ar pelo radiador, aumentando-se assim a eficiência do sistema de refrigeração.

34

2.6 Geração da Onda Padrão 1,2/50 µs

O principal equipamento envolvido nos ensaios descritos neste trabalho foi o gerador

de impulso de tensão (GI). O circuito do gerador de impulso de tensão composto de

quatro estágios (Figura 2.8) foi desenvolvido por Erwin Otto Marx no início do século

XX, podendo ser utilizado na geração de impulsos atmosféricos ou de manobra.

Figura 2.8: Gerador de impulso de Marx com 4 estágios [43]

No circuito da Figura 2.8, RL é denominada de resistência de carga, RS a resistência

de frente, RP a resistência de cauda, CS a capacitância de cada estágio do gerador,

Cie a capacitância representativa do objeto sob ensaio e SG representa as esferas

centelhadoras (‘gap’). Cada um desses componentes e suas funções serão

discutidos posteriormente neste capítulo. Como a célula de ensaio que foi utilizada

durante os experimentos é considerada um corpo simples, pode-se usar, para

análise, o circuito equivalente da Figura 2.9.

35

Figura 2.9: Circuito equivalente do gerador de impulsos [42]

A capacitância total do gerador:

1C = 1C

(1)

a resistência série total:

R = R

(2)

e a resistência em paralelo total:

R = R

(3)

36

2.6.1 Princípio de Funcionamento

O gerador de impulso de tensão é caracterizado por capacitores (Cs) que são

carregados em paralelo com uma tensão pré-determinada pelo operador. A

disrupção intencional das esferas centelhadoras (SG) dos estágios do gerador

viabiliza que os capacitores sejam colocados em série, aplicando assim a energia

armazenada no gerador de impulso no terminal de alta tensão do objeto sob ensaio.

A tensão total aplicada no objeto sob ensaio será, então, a soma da tensão de todos

os estágios individuais do gerador. O gerador que foi utilizado neste trabalho

pertencente ao LabDig (Figura 2.10) é formado por 7 estágios, cada um de 100 kV,

totalizando 700 kV de tensão máxima que poderá ser aplicada ao objeto sob ensaio.

Figura 2.10: Gerador de Impulsos do LabDig [42]

2.6.2 Forma de Onda para Impulso Atmosférico

A onda de impulso de tensão utilizada foi a onda padronizada [2] de impulso

atmosférico (1,2/50 µs), conhecido como impulso de tensão pleno (Figura 2.11).

37

Figura 2.11: Onda plena de impulso atmosférico 1,2/50 µs [40]

Os parâmetros mais importantes da onda de impulso pleno precisam ser

identificados.

Tempo de frente (T f) – É igual a 1,67 vezes o intervalo de tempo

compreendido entre os instantes de 30% (t30) a 90% (t90) do valor da tensão

de crista, ou seja:

T = 1,67 ∗ (t#$ − t%$) (4)

A utilização do parâmetro 1,67 baseia-se na relação de triângulos (O’1T30%,

O’2T90% e O’VPTP);

Tempo de cauda (T C) – É o intervalo de tempo medido a partir do zero virtual

(O’) até o valor de 50% do valor da tensão de crista;

Tempo de pico (T P) – Tempo correspondente ao valor da tensão de pico;

Zero virtual (O’) – É determinado pelo encontro da reta que une os pontos

que representam 30 e 90% do valor de crista com o eixo dos tempos;

Tensão de pico (T P) – É o valor máximo da tensão atingido pelo impulso,

conhecido também como tensão de crista;

Origem (O) – Instante em que o impulso de tensão começa a ser registrado;

38

Em uma análise simplificada, o impulso de tensão pleno pode ser considerado como

a soma de duas curvas exponenciais: −e'ee( (Figura 2.12).

Figura 2.12: Curvas exponenciais −e'ee( [41]

O disparo das esferas centelhadoras é dado pelo operador quando o carregamento

das capacitâncias do gerador de impulso (CS) atinge o nível de tensão desejado

para o ensaio. Isso resulta na liberação da energia armazenada nesses capacitores

em forma de corrente, sendo que a maior parte da corrente do circuito passa pelo

capacitor de frente (Cf), pois esse age como um curto-circuito, enquanto que a

menor parcela passa pelo resistor em paralelo. Esse processo de descarga dos

capacitores do gerador de impulso (CS) continua até que o seu nível de tensão se

iguale ao nível da tensão de carga, formado pelo objeto sob ensaio, capacitância de

frente e divisor de tensão. O ponto máximo de energia acumulada pelo capacitor de

frente e sua eventual descarga é denominada crista do impulso e o valor da tensão

neste ponto é a tensão de crista de impulso. A porção do impulso compreendida

entre a origem e a crista é denominada a frente de onda e o intervalo de tempo

correspondente é chamado de tempo de frente de onda [41].

O tempo de frente da onda é ajustado respeitando T ± 30%(0,84μsaté1,56μs) [2].

Esse ajuste é possível fazendo uso do resistor de frente de impulso ou resistor série

39

do gerador de impulsos adequado. Quanto maior seu valor ôhmico, maior será a

duração do tempo da frente de onda.

A cauda da onda é caracterizada pela descarga em paralelo para a terra de todos os

elementos capacitivos que estavam com o mesmo nível de tensão. O tempo de

cauda é ajustado respeitando T ± 20%(40μsaté60μs) [2]. Esse ajuste é possível

fazendo uso do resistor de cauda de impulso ou resistor paralelo (Rp) adequado.

Quanto maior seu valor ôhmico, mais lento será o decaimento da onda.

2.6.3 Principais Componentes

Os principais componentes responsáveis pela formação do sinal de tensão gerado

pelo GI quando o disparo é realizado pelas esferas centelhadoras são: as

resistências em série (Rs) e paralelo (Rp), os capacitores de cada estágio do gerador

(CS), o capacitor de frente (Cf) e a capacitância do objeto sob ensaio (Cie).

2.6.3.1 Resistor de Frente de Impulso ou Resistor S érie (R s) Este resistor está diretamente ligado à indutância do circuito de impulso e à sua

carga capacitiva (Cf + Cdt). Caso seja verificada a existência de oscilações na forma

de impulso atmosférico poderá ser utilizado adicionalmente um resistor de frente

externo (Rse) ao gerador de impulso com nível de isolamento nominal de 300 kV por

metro. O cálculo exato do resistor de frente (Rs) é descrito a seguir.

Rs = T53,25 ∗ C67

(5)

T5 = tempodefrentedaonda = 1,2μs C67 = C ∗ (C6 + C@ + C)C6 + C@ + C + C (6)

A C6 − capacitânciadoitemsobensaioC@ − capacitânciadodivisordetensãoC − capacitânciadefrenteC − capacitânciaporestágiodogeradorJ

40

2.6.3.2 Resistor de Cauda de Impulso ou Resistor Pa ralelo (R p) Este resistor está diretamente ligado à capacitância do gerador de impulso. É

responsável por auxiliar uma melhor distribuição da tensão entre os estágios do

gerador durante o seu carregamento [40]. O cálculo exato do resistor de cauda (Rp)

é descrito a seguir.

Rp = TK0,7 ∗ C67 (7)

TK = tempodecaudadaonda = 50μs C67 = C6 + C@ + C + C (8)

A C6 − capacitânciadoitemsobensaioC@ − capacitânciadodivisordetensãoC − capacitânciadefrenteC − capacitânciaporestágiodogeradorJ

2.6.3.3 Capacitância do Gerador de Impulso (C S) Responsável pelo carregamento da tensão desejada que será aplicada ao objeto de

ensaio. Por operar com alta carga na aplicação do impulso, possui baixíssima

resistência e indutância. São impregnados a óleo, colocados em tanques metálicos e

à prova de água, necessitam de suporte isolante, pois são geralmente ligados em

série por sua carcaça em cada estágio do gerador de impulso.

2.6.3.4 Capacitor de Frente (C f) Este dispositivo se comporta como um curto-circuito, assim que ocorre o disparo das

esferas centelhadoras, acumulando tensão devida à alta taxa de corrente que passa

pelo mesmo. Quando o seu nível máximo de energia é alcançado, descarrega

gradativamente.

41

2.6.3.5 Capacitância do Objeto sob Ensaio (C ie) Todos os objetos de ensaio expostos aos impulsos aplicados pelo gerador de

impulso são representados por uma capacitância. Essa capacitância é denominada

de capacitância do objeto sob ensaio (Cie).

2.6.3.6 Capacitância do divisor de tensão (C dt) O divisor de tensão é representado como uma capacitância no circuito equivalente

da Figura 2.9. Este equipamento de característica mista (capacitivo e resistivo)

possibilita a medição da tensão durante a aplicação do impulso, transmitindo à

central de medição uma tensão de saída proporcional à tensão de entrada. O seu

circuito pode ser visualizado na Figura 2.13.

Figura 2.13: Circuito de medição utilizado durante os experimentos [49]

Tabela 2.4: Siglas e valores dos componentes do divisor de tensão

Sigla Descrição Valor

CHV Capacitor para medição de alta tensão

1 nF

CLV Capacitor pata medição de baixa tensão 990 nF

Rd Resistor de amortecimento 100 Ω

RZ Resistor de terminação 50 Ω

CC Cabo para medição 50 Ω, 2,5 nF

42

Existem sete tipos de descargas atmosféricas (flashes) na natureza. Cada uma

dessas descargas possui características e parâmetros diferentes. Dentre essas sete

descargas, somente quatro delas são importantes entre nuvem e solo. Foi

constatado por COORAY (2010) [44] e HILEMAN (1999) [45] que, em torno de 85 a

95 % das vezes em estruturas menores que 100 m, como, por exemplo, linhas de

transmissão, o flash é descendente12 de polaridade negativa [47]. Neste trabalho

foram aplicadas ondas de tensão de impulso pleno de polaridades positiva e

negativa. As ondas de impulso pleno, aplicadas no laboratório, simulam a ocorrência

de surtos atmosféricos (sobretensões decorrentes de descargas artmosféricas -

sobretensões externas) provenientes de descargas atmosféricas.

2.6.4 Polaridade Positiva e Negativa da Onda de Imp ulso Pleno

A configuração dos eletrodos utilizada durante os ensaios descritos neste trabalho é

do tipo ponta-esfera. Neste tipo de configuração, o campo é fortemente não uniforme

e a ionização se inicia na região de campo elétrico mais intenso, situada próxima do

eletrodo, a ponta. A distorção causada pelo volume de cargas ao longo do

espaçamento é diferente para a polaridade positiva e negativa [46].

Nas configurações reais, a parte aterrada (plano terra e estrutura) são uma massa

condutora grande e a parte energizada (condutores), uma massa menor. Guardadas

as proporções, esta condição é a simulada pela câmara de testes, com um eletrodo

tipo agulha; e outro representando o plano (esfera muito maior que a agulha). A

distribuição de campo não é uniforme, sendo mais concentrada nos condutores de

menor dimensão.

Para haver a disrupção do meio isolante é necessário haver um início de descarga,

formação de streamers13, ionização14 etc. Esse processo, portanto, sempre começa

nos condutores, onde o campo é mais intenso. O principal agente de ionização são

os elétrons livres.

12Flash descendente - descarga atmosférica com origem na nuvem e término no solo. 13 Streamers - são canais de ionização formados a partir da avalanche de elétrons livres. 14 Ionização - processo pelo qual ocorre a formação de íons.

43

A formação de descarga num eletrodo sob polaridade positiva sempre é mais

'eficiente' do que para o mesmo eletrodo sob polaridade negativa. No caso do

eletrodo sob polaridade positiva, os elétrons estão sendo atraídos para o eletrodo,

indo para regiões de campo cada vez mais intenso, acelerando e ionizando por

impacto. No caso do eletrodo sob polaridade negativa, os elétrons estão se

afastando do condutor e perdendo 'força', dificultando a formação da descarga.

2.6.4.1 Polaridade Positiva A onda de polaridade positiva é obtida quando o eletrodo estilo ponta (agulha)

possui polaridade positiva e o eletrodo estilo esfera, polaridade negativa durante a

aplicação do impulso de tensão. Nesta polaridade, a agulha é considerada como

sendo o anodo e a esfera, o catodo.

2.6.4.2 Polaridade Negativa A onda de polaridade negativa é obtida quando o eletrodo estilo ponta (agulha)

possui polaridade negativa e o eletrodo estilo esfera, polaridade positiva durante a

aplicação do impulso de tensão. Nesta polaridade, a agulha é considerada como

sendo o catodo e a esfera, o anodo.

44

3. METODOLOGIA DA PESQUISA

Neste capítulo é apresentada a metodologia de pesquisa implementada na

elaboração do estudo. É exposta uma classificação da pesquisa quanto aos fins e

aos meios de investigação.

3.1 Delineamento da pesquisa

Este estudo visa apresentar os resultados dos ensaios de diferentes concentrações

de ferrofluido em transformadores de potência e desta forma verificar a possibilidade

de uso deste como isolante em transformadores de potência em substituição ao óleo

mineral isolante.

3.2 Definição de pesquisa

MINAYO (1993, p.23) [34], vendo por um prisma mais filosófico, considera a

pesquisa como “atividade básica das ciências na sua indagação e descoberta da

realidade. É uma atitude e uma prática teórica de constante busca que define um

processo intrinsecamente inacabado e permanente. É uma atividade de

aproximação sucessiva da realidade que nunca se esgota, fazendo uma combinação

particular entre teoria e dados”.

DEMO (1996, p.34) [35] insere a pesquisa como atividade cotidiana considerando-a

como uma atitude, um “questionamento sistemático crítico e criativo, mais a

intervenção competente na realidade, ou o diálogo crítico permanente com a

realidade em sentido teórico e prático”.

Para GIL (1999, p.42) [36], a pesquisa tem um caráter pragmático, é um “processo

formal e sistemático de desenvolvimento do método científico. O objetivo

fundamental da pesquisa é descobrir respostas para problemas mediante o emprego

de procedimentos científicos”.

45

A pesquisa pode buscar o conhecimento pelo próprio desejo de investigar

determinada área por motivação de ordem intelectual ou ainda a aspiração de

descobrir uma aplicação prática para a solução de um problema. Pesquisar significa,

de forma bem simples, procurar respostas para indagações propostas.

3.3 Classificação e Tipos de Pesquisas

Quanto à natureza, as pesquisas podem ser classificadas [37] [38], em básicas e

aplicadas; quanto à forma de abordagem, em quantitativa e qualitativa; quanto aos

seus objetivos, em exploratória, descritiva e explicativa e quanto aos procedimentos

técnicos, em bibliográfica, documental, experimental, levantamento, estudo de caso,

ex post facto, pesquisa ação e participante.

SILVA E MENEZES (2005) [37] explicam que a pesquisa básica é aquela que gera

conhecimentos novos, úteis para o avanço da ciência sem aplicação prática prevista.

Envolve verdades e interesses universais; e a aplicada é a que tem como objetivo

gerar conhecimentos dirigidos à aplicação prática e solução de problemas

específicos, envolvendo verdades e interesses locais.

Conforme GIL (1991) [38], do ponto de vista dos seus objetivos a pesquisa pode ser:

• Exploratória: visa proporcionar maior familiaridade com o problema com

vistas a torná-lo explícito. Envolve levantamento bibliográfico. Assume, em

geral, as formas de Pesquisas Bibliográficas e Estudos de Caso.

• Descritiva: visa descrever as características de determinada população ou

fenômeno. Assume, em geral, a forma de Levantamento.

• Explicativa: visa identificar os fatores que determinam ou contribuem para a

ocorrência dos fenômenos. Aprofunda o conhecimento da realidade porque

explica a razão, o 'por quê' das coisas. Quando realizada nas ciências sociais

requer o uso do método observacional. Assume, em geral, as formas de

pesquisa Experimental e Ex post facto.

46

Do ponto de vista dos seus objetivos, o presente estudo é classificado como uma

pesquisa explicativa .

SILVA E MENEZES (2005) [37] afirmam que, do ponto de vista da forma de

abordagem dos problemas, a pesquisa pode ser:

• Quantitativa: significa traduzir em números, opiniões e informações para

classificá-las e analisá-las. Requer o uso de recursos e de técnicas

estatísticas.

• Qualitativa: há uma relação dinâmica entre o mundo real e o sujeito não

traduzido em números, o ambiente natural é a fonte direta para coleta de

dados e o pesquisador é o instrumento-chave. A interpretação dos fenômenos

e a atribuição de significados são básicas no processo de pesquisa

qualitativa. É descritiva e não requer métodos e técnicas estatísticas.

Esta pesquisa é classificada como quantitativa do ponto de vista da abordagem dos

problemas.

Do ponto de vista dos procedimentos teóricos (GIL, 1999) [36], a pesquisa pode ser:

• Bibliográfica: quando elaborada a partir de material já publicado, constituído

principalmente de livros, artigos de periódicos e atualmente com material

disponibilizado na internet.

• Documental: quando elaborada a partir de materiais que não receberam

tratamento analítico.

• Experimental: quando se determina um objeto de estudo, selecionam-se as

variáveis de influência, definem-se as formas de controle e de observação dos

efeitos que a variável produz no objeto.

• Levantamento: quando a pesquisa envolve a interrogação direta das

pessoas cujo comportamento se deseja conhecer.

• Estudo de Caso: quando envolve o estudo profundo e exaustivo de um ou

poucos objetos de maneira que se permita o seu amplo e detalhado

conhecimento.

47

• Ex Post Facto: quando o experimento se realiza depois dos fatos.

• Ação: realizada em estreita associação com a resolução de um problema

coletivo. Os pesquisadores e participantes representativos da situação ou de

problemas estão envolvidos de modo cooperativo ou participativo.

• Participante: quando se desenvolve a partir da interação entre

pesquisadores e membros das situações investigadas.

Por sua vez, VERGARA (2003) [39], apresenta dois critérios básicos para definir e

classificar as pesquisas: quanto aos fins e quanto aos meios. Segundo a autora, sob

esses aspectos os diversos tipos de pesquisa não são mutuamente excludentes,

podendo ser, ao mesmo tempo, de tipos e finalidades diversas.

Do ponto de vista de procedimentos teóricos, este trabalho é considerado uma

pesquisa bibliográfica, experimental, de ação, part icipante e um estudo de

caso .

Quanto à sua finalidade, uma pesquisa pode ser:

• Exploratória: aquela que possui uma natureza de sondagem em uma área

com pouco conhecimento acumulado.

• Descritiva: a pesquisa que expõe características de determinada população

ou fenômeno, não possuindo compromisso de explicar os fenômenos que

descreve.

• Explicativa: tem como objetivo principal tornar um fato ou fenômeno

compreensível, justificando os motivos e esclarecendo quais fatores

contribuem para a sua ocorrência.

• Metodológica: é aquele que se refere aos instrumentos de captação ou de

manipulação da realidade e está, portanto, associada a caminhos, formas e

maneiras para se atingir um determinado fim.

• Aplicada: a que é motivada pela necessidade de resolver problemas

concretos e existentes no ambiente da pesquisa. A pesquisa aplicada tem,

portanto, finalidades práticas, diferentes da pesquisa pura, a qual é

basicamente motivada pela curiosidade e desejo de pesquisar.

48

• Intervencionista: tem como principal objetivo interpor e interferir na realidade

estudada, de forma a modificá-la.

No caso do presente estudo, e com base na taxionomia apresentada por VERGARA

[39] e GIL [38], quanto à sua finalidade, esta pesquisa é classificada como

exploratória, explicativa e aplicada .

A pesquisa é exploratória , tendo em vista que não existem muitos estudos

realizados na área de aplicação de impulso atmosférico em fluidos contendo

nanopartículas ferromagnéticas.

A pesquisa é explicativa , pois tem a finalidade de verificar a eficácia da substituição

do óleo isolante mineral pelo ferrofluido.

Por outro lado, a pesquisa também é aplicada pois poderá ser usada no

desenvolvimento de projetos de transformadores mais leves e com maior potência

nominal que os atuais.

Quanto aos meios de investigação, a pesquisa pode ser:

• de Campo: pesquisa de investigação empírica, realizada no local onde

ocorreu um fenômeno ou que dispõe de elementos para explicá-lo.

• de Laboratório: é aquela realizada em local circunscrito, normalmente

envolvendo simulações.

• Documental: aquela na qual a investigação é realizada com base no

conteúdo dos documentos.

• Bibliográfica: é o estudo sistematizado desenvolvido mais fortemente com

base nos materiais publicados por outros pesquisadores.

• Experimental: investigação empírica na qual o pesquisador manipula e

controla as variáveis independentes e observa as mudanças nas variáveis

dependentes.

• Ex post facto: pesquisa referente a um fato já ocorrido, o qual o pesquisador

não pode controlar ou manipular as variáveis.

49

• Participante: pesquisa que não se esgota na figura do pesquisador e da qual

tomam parte pessoas implicadas no problema.

• Pesquisa ação: é um tipo específico de pesquisa participante que supõe

intervenção participativa na realidade social.

• Estudo de caso: é o circunscrito a uma ou poucas unidades, com caráter de

profundidade e detalhamento.

Quanto aos meios de investigação, classifica-se esta pesquisa como de laboratório,

documental, experimental e bibliográfica .

Conforme VERGARA [39], a pesquisa bibliográfica é desenvolvida com base em

material acessível ao público em geral, isto é, publicado em livros, revistas, relatórios

técnicos e mídia eletrônica.

Em resumo, pode-se afirmar que este trabalho foi desenvolvido por meio de

pesquisa exploratória, explicativa e aplicada, sendo classificada como quantitativa

do ponto de vista da abordagem dos problemas. Foram utilizados procedimentos

teóricos de característica bibliográfica, experimental, de ação, participante e estudos

de caso. Quanto aos meios de investigação, classifica-se esta pesquisa como de

laboratório, documental, experimental e bibliográfica.

50

4. A PESQUISA REALIZADA

4.1 Objetivo

O objetivo principal dos experimentos realizados no laboratório de diagnósticos de

equipamentos elétricos do Cepel é determinar a suportabilidade dielétrica de um

nanofluido com 3 concentrações distintas – ferrofluido 1, ferrofluido 2 e ferrofluido 3

e compará-los ao comportamento quando submetido ao impulso atmosférico de um

fluido base conhecido, como o óleo isolante mineral naftênico AV60IN, da Petrobras.

Para tal, os principais componentes envolvidos foram um gerador de impulsos de

700 kV, do fabricante HighVolt; sistema de medição e divisor de tensão, fornecidos

pelo fabricante HighVolt; e célula de ensaios de acordo com a norma ASTM D 3300–

00 (2006) [1]. Os resultados serão avaliados estatisticamente de acordo com a sua

média de disrupções, variância populacional, desvio padrão populacional, coeficiente

de variação populacional, e método de acréscimo e decréscimo.

4.2 Procedimento para Obtenção da Suportabilidade D ielétrica do Nanofluido

O atributo mais importante dos nanofluidos, do ponto de vista elétrico é a sua

suportabilidade dielétrica quando exposto a descargas atmosféricas de polaridade

negativa e positiva. Para determinar a sua suportabilidade dielétrica foi utilizada a

norma ASTM D 3300–00 (2006) [1] e ABNT NBR IEC 60060-1 [2].

As características mais relevantes da norma ASTM em relação a este trabalho são:

(i) a onda a ser aplicada na célula de ensaio será plena de polaridade negativa e

positiva de 1,2/50 µs, com tolerância de 30 % (0,84 µs até 1,56 µs) para frente de

onda e 20 % (40 µs até 60 µs) para cauda; (ii) o gerador de impulsos de tensão

precisa de no mínimo uma tensão nominal de 300 kV ajustáveis para passos de 10

kV; (iii) o erro aceito para o equipamento de medição é 5% em relação ao pico da

onda de tensão; (iv) os eletrodos serão compostos por uma esfera de aço ou latão

com 12,7 mm de diâmetro e uma agulha de aço utilizada em gramofones; (v) a

51

célula de ensaio será feita de material de alta resistência dielétrica e de certa

dimensão que faça com que a descarga elétrica ocorra no espaçamento (gap)

apropriado (Figura 4.1); (vi) o espaçamento (gap) entre a agulha e a esfera será de

25,4 mm; (vii) a cada descarga a esfera será trocada de posição e a agulha

substituída; (viii) a cada descarga o fluido também será substituído por um novo.

Figura 4.1: Célula de ensaio utilizada. Cepel [42]

52

Figura 4.2: Parte superior da célula de ensaio, estrutura de teflon, acrílico e metal com eletrodo (agulha). Cepel [42]

Figura 4.3: Parte inferior da célula de ensaio, estrutura de teflon e eletrodo (esfera). Cepel [42]

53

Figura 4.4: Célula para ensaios de acordo com a norma ASTM [1]

Procedimentos adotados de acordo com a norma ASTM para os ensaios: (i)

posicionar os eletrodos com o espaçamento correto; (ii) lavar a célula de ensaio com

parte do nanofluido e descartar este líquido. Preencher a célula com o nanofluido

novo evitando a formação de bolhas; (iii) conectar o eletrodo fixo à 'terra' e o

eletrodo móvel ao gerador de impulsos de tensão; (iv) iniciar o ensaio aplicando uma

onda com no mínimo 40 kV a menos que o nível esperado para descarga. Aplicar,

no mínimo, 3 ondas por nível de tensão e esperar 30 segundos entre elas; (v)

aumentar o nível de tensão aplicada em passos de 10 kV até que ocorra descarga.

É necessário a ocorrência de três níveis de suportabilidade antes da ocorrência da

descarga; (vi) fazer a medição da descarga utilizando as técnicas especificadas na

IEEE standard 4; (vii) depois de qualquer descarga substituir os eletrodos e o fluido

de ensaio e recomeçar os ensaios.

Durante os ensaios foi observado que algumas descargas ocorriam por fora da

célula invalidando o ensaio. Devido a este fato, a célula foi colocada dentro de um

54

recipiente com óleo isolante mineral, uma vez que ele possui uma rigidez dielétrica

maior que o ar, evitando assim a ocorrência de novas descargas por fora da célula

de ensaio.

4.3 Método de Acréscimo e Decréscimo ( Up & Down) O ensaio de acréscimo e decréscimo, de acordo com a norma ABNT NBR IEC

60060-1:2013 [2], é caracterizado como Classe 2.

Em um ensaio de Classe 2, m grupos aceitos de n essencialmente iguais

solicitações de tensões são aplicadas em níveis de tensão Vi (i = 1,2,...,i). O nível

de tensão para cada grupo sucessivo de solicitações é aumentado ou diminuído por

uma pequena parcela ∆V, de acordo com o resultado do grupo anterior de

solicitações.

Dois procedimentos de ensaio são comumente utilizados de acordo com esta norma

[2]: (i) o procedimento suportável , com objetivo de encontrar níveis de tensão

correspondentes às menores probabilidades de descarga disruptiva e; (ii) o

procedimento disruptivo , que encontra níveis de tensão correspondentes às

maiores probabilidades de descarga disruptiva. No procedimento suportável, o nível

de tensão é acrescido por uma parcela ∆V, se nenhuma descarga disruptiva ocorrer

em um grupo de aplicações de tensão n; caso contrário o nível de tensão é

diminuído pela mesma quantidade. No procedimento disruptivo, o nível de tensão é

aumentado de ∆V se uma ou mais suportabilidades ocorrerem; caso contrário, é

reduzido na mesma proporção.

Ensaios com valores distintos de n são também utilizados para determinar tensões

correspondentes a outras probabilidades de descarga disruptiva. Podem ser

observados pela Tabela 5 os valores de p associados aos seus respectivos valores

de n. Os resultados são o número de grupos de solicitações ki aplicados nos níveis

de tensão Vi. O primeiro nível Vi a ser levado em conta é aquele no qual pelo menos

dois grupos precedentes de solicitações foram aplicados. O número total de grupo

úteis é dado pela equação 9.

55

M = NOPO

(9)

O procedimento suportável descrito, fornece uma estimativa de Vp para uma

probabilidade de descarga disruptiva dada por:

P = 1 − 0,5RS

(10)

Enquanto o processo disruptivo resulta Vp:

p = 0,5RS

(11)

Tabela 4.1: Probabilidades de descarga em ensaio de acréscimo e decréscimo [2]

n = 70 34 14 7 4 3 2 1 Procedimento

P = 0,01 0,02 0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,50 Suportável

p = 0,99 0,98 0,95 0,90 0,85 0,80 0,70 0,50 Disruptivo

Neste trabalho, o foco será voltado para determinar V20 e V80 para n = 3. De acordo

com a norma ABNT NBR IEC 60060-1:2013 [2], o cálculo ideal seria para V10 (tensão

aplicada com 10% de chance de disrupção) e V90 (tensão aplicada com 90% de

chance de disrupção). Isso ocorre pelo fato dos equipamentos fornecerem o seu BIL

(Basic Impulse Level) baseado no V10. Durante os ensaios foi constatada a

impossibilidade da obtenção do V10 que refletiria em n = 7 aplicações por nível Vi de

tensão.

56

Após analisar os gráficos obtidos a partir dos resultados dos ensaios foi constatado

que o método estatístico de acréscimo e decréscimo (up & down) não apresentaria

aplicabilidade para o caso específico de ensaios com nanofluidos. A inviabilidade do

método descrito nesta norma [2] para ensaios com óleo isolante mineral e

nanofluidos ocorreu devido a fatores como: (i) disponibilidade de nanofluido e óleo

isolante mineral pequena para um número muito grande de aplicações; (ii)

disponibilidade de tempo da equipe envolvida no projeto; (iii) os nanofluidos

possuem uma suportabilidade dielétrica imprevisível quando submetidos a impulsos

atmosféricos plenos.

4.4 Tratamento Estatístico dos Resultados dos Ensai os

A partir da obtenção dos resultados dos ensaios foi possível avaliá-los

estatisticamente. O dado mais importante dos ensaios foi a ocorrência de disrupções

dentro da célula de ensaio, os procedimentos estatísticos adotados avaliarão

somente as disrupções usando a média aritmética, variância populacional, desvio

padrão populacional, coeficiente de variação populacional em percentual. As

equações utilizadas são descritas a seguir.

4.4.1 Média Aritmética

Calcula-se a média aritmética somando-se todos os valores das disrupções e

dividindo o total pelo número de disrupções.

μT = 1N ∗XW

(12)

XN − númerototaldedisrupçõesX − valordeumadisrupção J

57

4.4.2 Variância Populacional

Indica quão 'longe' os valores se encontram da média aritmética. Calcula-se a

variância populacional fazendo a diferença entre a os valores das disrupções e a

média aritmética dos valores obtidos ao quadrado, dividindo o resultado pelo número

total de disrupções.

σT = 1N ∗(X − μT)²W

(13)

_N − númerototaldedisrupçõesX − valordeumadisrupçãoμT −médiaaritmética J 4.4.3 Desvio Padrão Populacional

Fornece o grau de dispersão em torno da média aritmética. É calculado extraindo a

raiz quadrada da variância populacional.

σT = `σT

(14)

σT − variânciapopulacional 4.4.4 Coeficiente de Variação Populacional

Representa o desvio padrão expresso como porcentagem da média, possui

capacidade de comparação de distribuições diferentes.

CV = σTμT

(15)

XσT − desviopadrãopopulacionalμT −médiaaritmética J

58

4.5 Análises dos resultados

Um total de quatro fluidos foram analisados durante os experimentos, óleo isolante

mineral, ferrofluido 1, ferrofluido 2 com metade da concentração de nanopartículas

do ferrofluido 1 e ferrofluido 3, este com metade da concentração de nanopartículas

do ferrofluido 2. Todos os fluidos foram submetidos a impulsos atmosféricos de

polaridade negativa e positiva.

4.5.1 Óleo Isolante Mineral

4.5.1.1 Polaridade Positiva

O óleo isolante mineral AV60IN foi submetido a impulso atmosférico de polaridade

positiva, com início da aplicação em 60 kV. O gráfico da Figura 4.5 foi construído

baseando-se na primeira disrupção, a qual ocorreu em 120 kV. Em aplicações de

tensão menores que 120 kV, o fluido suportou as aplicações iniciais, porém puderam

ser observadas disrupções em 70 kV nas aplicações de número 4, 6, e 7.

Figura 4.5: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade positiva no OIM

59

Tabela 4.2: Dados estatísticos para o OIM submetido a impulso atmosférico de polaridade positiva

Fluido Média (bc) das

disrupções (kV)

Variância populacional def (kV)

Desvio padrão populacional de (kV)

Coeficiente de variação

populacional (%)

Óleo Isolante Mineral /

Polaridade Positiva

88,33 380,56 19,51 22,09

4.5.1.2 Polaridade Negativa

O óleo isolante mineral AV60IN foi submetido a impulso atmosférico de polaridade

negativa, com início da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.6) foi construído

baseando-se na primeira disrupção, a qual ocorreu em 230 kV. Em aplicações de

tensão menores que 230 kV o fluido suportou as descargas iniciais, porém puderam

ser observadas disrupções em níveis de tensão menores que 230 kV para as

aplicações subsequentes. Pôde ser observado também que as disrupções oscilaram

em torno de um valor médio.

Figura 4.6: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade negativa no OIM

60

Tabela 4.3: Dados estatísticos para o OIM submetido a impulso atmosférico de polaridade negativa


disrupções (kV)




populacional (%)

Óleo Isolante Mineral /

Polaridade Negativa

212,5 193,75 13,91 6,55

4.5.2 Ferrofluido 1


O ferrofluido 1 foi submetido a impulso atmosférico de polaridade positiva, com início

da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.7) foi construído baseando-se na

primeira disrupção, a qual ocorreu em 120 kV. Em aplicações de tensão menores

que 120 kV o fluido suportou as aplicações iniciais, porém puderam ser observadas

disrupções em níveis de tensão menores que 120 kV para as aplicações

subsequentes.

Figura 4.7: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade positiva no Ferrofluido 1

61

Tabela 4.4: Dados estatísticos para o ferrofluido 1 submetido a impulso atmosférico de polaridade positiva


disrupções (kV)




populacional (%)

Ferrofluido 1 / Polaridade

Positiva 104,0 64,0 8,0 7,69


O ferrofluido 1 foi submetido a impulso atmosférico de polaridade negativa, com

início da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.8) foi construído baseando-se na

primeira disrupção, a qual ocorreu na segunda aplicação da descarga pelo GI em

110 kV. Em aplicações de tensão menores que 110 kV o fluido suportou as

aplicações iniciais, porém puderam ser observadas disrupções em níveis de tensão

menores e maiores que 110 kV para as aplicações subsequentes.

Figura 4.8: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade negativa no Ferrofluido 1

62

Tabela 4.5: Dados estatísticos para o ferrofluido 1 submetido a impulso atmosférico de polaridade negativa


disrupções (kV)




populacional (%)

Ferrofluido 1 / Polaridade Negativa

108,9 170,05 1,56 1,43

4.5.3 Ferrofluido 2




primeira disrupção, a qual ocorreu em 120 kV. Em aplicações de tensão menores

que 120 kV o fluido suportou as aplicações iniciais, porém puderam ser observadas

disrupções em níveis de tensão menores e maiores que 120 kV para as aplicações

subsequentes.


63



disrupções (kV)




populacional (%)


Positiva 112,5 143,75 11,99 10,66



início da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.10) foi construído baseando-se na

primeira disrupção, a qual ocorreu na terceira aplicação da descarga pelo GI em 100

kV. Em aplicações de tensão menores que 100 kV o fluido suportou as aplicações

iniciais, porém puderam ser observadas disrupções em níveis de tensão maiores

que 100 kV para as aplicações subsequentes.


64



disrupções (kV)




populacional (%)


105,0 25,0 5,0 4,76

4.5.4 Ferrofluido 3




primeira disrupção, a qual ocorreu na segunda aplicação de descarga pelo GI em



maiores e menores que 110 kV para as aplicações subsequentes.


65



disrupções (kV)




populacional (%)


Positiva 112,86 77,55 8,81 7,80



início da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.12) foi constituído baseando-se na

primeira disrupção, a qual ocorreu na segunda aplicação de descarga pelo GI em



menores que 130 kV para as aplicações subsequentes.


66



disrupções (kV)




populacional (%)


120,0 66,67 8,16 6,80

4.6 Síntese dos Resultados

A partir da Tabela 4.10, que mostra a síntese dos resultados, deve ser ressaltado

que ocorreu uma inversão na média das disrupções (Xc) para o ferrofluido 3. Em

outras palavras, em todos os outros ensaios, a disrupção, quando a onda possui

polaridade positiva, ocorre em tensões menores em relação a disrupção da onda de

polaridade negativa. Isso reforça a ideia da imprevisibilidade da suportabilidade

dielétrica dos nanofluidos quando submetidos a impulsos atmosféricos, contrariando

a teoria do item 2.6.4, que explica que a formação de descarga ocorre em tensões

menores sob polaridade positiva. Outro dado importante foi o elevado coeficiente de

variação populacional (%) do OIM sob polaridade positiva. Este ensaio poderia ser

descartado e refeito, porém, a disponibilidade de tempo da equipe envolvida e de

fluido para novos ensaios inviabilizou o processo.

67

Tabela 4.10: Tabela completa com todos os resultados dos ensaios

Fluido e polaridade da

descarga

Média (bc) das

disrupções (kV)

Variância Populacional def (kV)

Desvio padrão

populacional de (kV)


populacional (%)

OIM polaridade

positiva 88,33 380,56 19,51 22,09

OIM polaridade negativa

212,5 193,75 13,91 6,55

Ferrofluido 1 polaridade

positiva 104,0 64,0 8,0 7,69

Ferrofluido 1 polaridade negativa

108,9 170,05 1,56 1,43


positiva 112,86 77,55 8,81 7,80


120,0 66,67 8,16 6,80


positiva 112,5 143,75 11,99 10,66


105,0 25,0 5,0 4,76

Analisando a Figura 4.13, deve ser ressaltado que a suportabilidade dielétrica dos

nanofluidos não diminuiu proporcionalmente com a sua concentração. Nota-se um

aumento da suportabilidade dielétrica do ferrofluido 1 para o ferrofluido 2, e esta

região de concentração é chamada de região ideal do ponto de vista dielétrico. Mais

estudos precisam ser realizados para melhor avaliar a região ideal, determinando

assim a concentração ideal de nanopartículas presentes no nanofluido levando em

conta a sua suportabilidade dielétrica.

68

Figura 4.13: Gráfico da suportabilidade dielétrica dos fluidos submetidos a aplicações de impulsos atmosféricos de polaridade negativa

Analisando a Figura 4.14, pode ser observado que ocorreu o inverso para aplicações

de polaridade positiva se comparado a aplicações de polaridade negativa. Quanto

menor a concentração de partículas ferromagnéticas no nanofluido maior foi a sua

suportabilidade dielétrica. Este gráfico foi construído somente com o intuito de

monstrar a diferença entre as polaridades e não apresenta aplicabilidade no meio

científico, pois como citado no item 2.6, em torno de 85 a 95% das vezes, em

estruturas menores que 100 m, como, por exemplo, linhas de transmissão, o flash é

descendente de polaridade negativa.

69

Figura 4.14: Gráfico da suportabilidade dielétrica dos fluidos submetidos a aplicações de impulsos atmosféricos de polaridade positiva

70

5. CONCLUSÃO

Este trabalho estudou o comportamento do ponto de vista dielétrico de nanofluidos

submetidos a impulsos atmosféricos de polaridades positiva e negativa utilizando as

normas regentes sobre o assunto – ASTM D3300-00 [1] e ABNT NBR IEC 60060-

1:2013 [2] e, como principal equipamento, um gerador de impulsos de 700 kV.

Antes da análise dos resultados, apresentada no capítulo 4, este estudo

proporciona, no capítulo 2, uma visão do isolamento elétrico de transformadores de

potência e conhecimentos sobre os aspectos físicos, químicos e elétricos dos fluidos

utilizados nos ensaios, como o óleo isolante mineral e os nanofluidos.

Foram avaliados quatro tipos de fluidos – óleo isolante mineral AV60IN fabricado

pela Petrobras, e os ferrofluidos 1, 2 e 3, com concentrações diferentes de

nanopartículas magnéticas - o ferrofluido 2 possui metade da concentração do

ferrofluido 1 e o ferrofluido 3, metade da concentração do ferrofluido 2.

O objetivo deste trabalho foi determinar a viabilidade do uso destes fluidos em

transformadores de potência como possível substituto ao óleo isolante mineral.

Após a análise dos resultados deve ser ressaltado que foi notado um

comportamento imprevisível da suportabilidade dielétrica dos nanofluidos, e nenhum

padrão foi constatado. Essa imprevisibilidade tornou a aplicação do método

estatístico de acréscimo e decréscimo descrito pela norma ABNT NBR IEC 60060-

1:2013 [2] inviável. A partir desse conhecimento outros métodos foram utilizados

para avaliação estatística das disrupções, tais como: cálculo da média aritmética,

desvio padrão populacional, variância populacional e coeficiente de variação

populacional. Todos os resultados de descarga para os nanofluidos, com ambas

polaridades, ocorreram em tensões menores de 164 kV citado na literatura vigente

[48].

Os resultados da Tabela 4.10 mostram duas ocorrências de interesse. A primeira foi

a inversão das médias de disrupção das polaridades positiva e negativa para o

71

ferrofluido 3, contrariando o conhecimento sobre física da descarga citada no item

2.6.4, que descreve a ocorrência de descargas com polaridade negativa em tensões

maiores que as descargas com polaridade positiva. A segunda foi o coeficiente de

variação populacional alto do óleo isolante mineral submetido a aplicações de

polaridade negativa, fazendo com que um outro ensaio se torne de interesse para

melhor avaliá-lo.

O Gráfico 4.13 - suportabilidade dielétrica dos fluidos submetidos a aplicações de

polaridade negativa, mostra uma região de concentração denominada de região

ideal, localizada nas proximidades do ferrofluido 2 em questão de concentração e

120 kV de suportabilidade dielétrica.

Analisando todos os resultados, inclusive a região ideal, conclui-se que os

nanofluidos testados ainda não são um substituto viável para óleo isolante mineral

em transformadores de potência. O óleo AV60IN, com suportabilidade dielétrica de

até 230 kV e perfil mais estável quando submetido a aplicações de impulso

atmosférico de polaridade negativa, ainda é a melhor opção dentre os fluidos

analisados.

Contudo, as propostas iniciais deste projeto - testar a viabilidade do uso de um

ferrofluido como possível substituto ao óleo mineral, aprofundar os conhecimentos

na área de isolantes líquidos utilizados em transformadores elétricos, e da utilização

de ferrofluidos como isolante em transformadores - foram alcançadas.

Para trabalhos futuros, indica-se um estudo mais aprofundado da região ideal

utilizando um número maior de amostras de nanofluidos, determinando assim a

concentração ideal de nanopartículas para se obter o melhor resultado do ponto de

vista da suportabilidade dielétrica. Recomendam-se também, estudos ligados a

física da descarga direcionados a nanofluidos, para melhor compreensão da

inversão de valores de disrupção quando submetidos a diferentes polaridades de

aplicação de impulso atmosférico.

72

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Documents

aplicação de nanofluidos no isolamento elétrico de transformadores