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GASES DISSOLVIDOS NO �LEO.doc GASES DISSOLVIDOS NO ÓLEO 1 - OBJETIVO: A presente recomendação técnica tem por objetivo servir como guia prático para interpretação e diagnóstico do estado de um transformador, através da análise das concentrações dos gases dissolvidos no óleo isolante. 2 - INTRODUÇÃO: Durante a operação de um transformador, o óleo isolante e outros materiais dielétricos sofrem, sob a ação normal de temperatura e de tensões elétricas ou falhas, processos de decomposição química que resultam na formação de gases, normalmente combustíveis. Estudos realizados ao longo do tempo indicam ser possível relacionar a existência de determinados gases com o material isolante envolvido na falha, tipo de falha elétrica e localização e pela determinações da taxa de geração destes gases pode-se avaliar a gravidade da falha. Os gases formados pela decomposição dos materiais isolantes são total ou parcialmente dissolvidos no óleo, sendo diluídos e transportados à todas as partes do tanque do transformador. Assim, o gás extraído de uma amostra de óleo tomada do dreno do radiador pode fornecer um aviso inicial de uma falha no interior de uma bobina. Com as modernas técnicas de análise de gás, dentre as quais se destaca a cromatografia, capazes de separar do óleo e processar pequenas amostras com grande sensibilidade e precisão, tornou-se possível a detecção de falhas incipientes, onde a quantidade de gases geradas são pequenas. 3 - GERAÇÃO DOS GASES E ORIGENS: O óleo e a celulose são usados em transformadores de potência como material de implantes. A celulose é usada em forma de papel, papelão, molduras, etc. Tanto o óleo com a celulose são constituídos de moléculas complexas, mas para efeito prático pode-se dizer que o isolamento é composto de carbono, hidrogênio e oxigênio, agrupados em muitas estruturas diferentes. Os gases gerados são constituídos desses elementos e os gases utilizados em uma análise são: HIDROGÊNIO (H2) METANO (CH4) ACETILENO (C2H2) ETILENO (C2H4) ETANO (C2H6) MONÓXIDO DE CARBONO (CO) DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) OXIGÊNIO (O2) NITROGÊNIO (N2) As causas das falhas, que geram gases, podem ser agrupadas em três categorias. A) Descargas parciais (corona) B) Aquecimento térmico C) Arco A) As descargas parciais (corona) dentro do óleo são classificadas como descargas de baixa energia. Quando o corona é apenas no óleo(não envolve celulose) os gases produzidos são basicamente o hidrogênio e metano . Se a celulose é envolvida, então o monóxido de carbono e o dióxido de carbono também estarão presentes e podem aparecer traços de etano e etileno. Este tipo de falha perde pequenas quantidades de gás e pode permanecer por um longo período de tempo antes do transformador falhar. B) A decomposição do óleo devido ao aquecimento térmico gera quantidade significativa de hidrogênio, metano e etileno e em alguns casos, pequenas quantidades de acetileno. Quando a celulose é envolvida são geradas quantidades significativas de dióxido de carbono e quantidade significativa de carbono. decomposição térmica é normalmente provocada por: - Equipamento em sobrecarga (celulose); - Bloqueio da circulação de óleo (celulose); - Conexões ruins (óleo); - Defeito intermitente (óleo e celulose); - Aterramento do núcleo (corrente de circulação). A extensão da decomposição térmica é função da temperatura e conseqüentemente a quantidade dos diferentes gases gerados também depende da temperatura atingida. O óleo, por exemplo, começa a se decompor acerca de 200ºC e esta decomposição cresce acima de 500ºC. C) Um arco é classificado como uma descarga de alta energia. Neste caso são geradas grandes quantidades de hidrogênio e acetileno e quantidades menores de metano e etileno. Se a celulose é envolvida na falha também surgem grandes quantidades de dióxido de carbono e monóxido de carbono. Falhas com arco atingem temperaturas da ordem de 3000ºC. Em adição as condições de geração de gás pelos três tipos de falha acima descritos, também são gerados gases em um período de tempo devido a: - Envelhecimento normal da isolação; - Liberação de hidrogênio da água pela oxidação; Dissolução do ar e outros gases em contato com a superfície do óleo. Quando existe excessiva umidade dentro do transformador, a ferrugem no núcleo e a dissolução da água (eletrolise) podem provocar a produção de grandes quantidades de hidrogênio e oxigênio. O dióxido de carbono é naturalmente encontrado no ar e estará presente em amostras de transformadores de conservador aberto. Por outro lado, não aparece na atmosfera uma quantidade significativa de monóxido de carbono. Este fato é útil no diagnóstico da análise. 4 - INTERPRETAÇÃO DOS DADOS Podem ser formado gases pelo processo de envelhecimento normal do transformador e também podem-se esperar que a concentração de todos os gases gerados durante a vida do transformador, quando um transformador é energizado pela primeira vez é aconselhável fazer uma análise que servirá como base para as análises subseqüentes. Os valores normais de concentração de gases variam largamente devido a diferentes projetos e condições de carga, todavia mostramos abaixo uma tabela de valores típicos, adotados pela GE, de concentração de gás em unidades em serviço de zero a três anos e de quatro a seis anos. TABELA I IDADE DO TRANSFORMADOR GÁS 0 - 3 ANOS 4 - 6 ANOS HIDROGÊNIO (H2) 200 500 METANO (CH4) 50 100 ACETILENO (C2H2) 15 25 ETILENO (C2H4) 100 200 ETANO (C2H6) 50 400 MONÓXIDO DE CARBONO (CO) 200 500 DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) 3.000 5.000 NOTA: Os valores desta tabela são baseadas em um tanque de 20.000 galões (75.600 litros) em tanques menores e mesmo volume de gás dará uma razão maior em PPM. A tabela II mostra os níveis padrões de gases em transformadores adotados por várias empresas do mundo. TABELA II NÍVEIS “PADRÕES” DE GASES EM TRANSFORMADORES EM PPM PPM A B C D E F G H2 240 100 250 150 80 800 200 CO 580 350 850 1.000 1.000 900 1.000 CH4 160 120 33 200 200 200 50 C2H6 115 65 15 200 200 100 15 C2H4 190 30 40 100 100 200 60 C2H2 11 35 25 100 5 250 15 A - CEGB (Inglaterra) - Transformadores elevadores de usina B - CEGB (Inglaterra) - Transformadores de transmissão C - Hydro-Quebec (Canadá) D - LCIE ( Bélgica) - Transformadores elevadores de distribuição E - LCIE (Bélgica) - Transformadores elevadores Subestação Unitária F - LCIE (Bélgica) - Transformadores de transmissão G - BBC (Suíça) - Brown Boveri Co A tabela III mostra um diagrama dos gases chaves para identificação da falha. TABELA III FALHA GASES CHAVES ARCO ACETILENO (C2H2) ÓLEO CORONA HIDROGÊNIO (H2) METANO (CH4) SUPERAQUECIMENTO ETILENO (C2H4) CORONA HIDROGÊNIO (H2)MONÓXIDO DE CARBONO (CO) PAPEL SUPERAQUECIMENTO MONÓXIDO DE CARBONO (CO) DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) ÁGUA ELETROLISE HIDROGÊNIO (H2) 4.1 - DETERMINAÇÃO DA TAXA DE PRODUÇÃO DE GÁS Uma quantidade significativa de gás pode ser gerada em um longo período de tempo por uma falha relativamente pequena ou num curto período de tempo por uma falha de grandes proporções. Portanto com uma única medida não é possível afirmar muita coisa sobre a gravidade da falha. Uma vez que é detectada alguma condição anormal, torna-se importante a determinação da taxa de geração de gás. A taxa de produção de gás é normalmente calculada para o total dos gases combustíveis (isto é, todos os gases exceto CO2, O2 e N2). Uma taxa de produção de gás superior a 0,1 pés-cubículo por dia razão suficiente para suspeitar que a falha que gerou os gases está ativa. A fórmula para cálculo da taxa de produção é a seguinte: R= (ST - SO x V x 10) ______________ 7,5 x T Onde: SO = soma dos gases combustíveis da primeira amostra (em PPM) ST = soma dos gases combustíveis da segunda amostra (em PPM) V = volume do tanque em galões (1galão = 3,78 litros) T = número de dias entre as amostras Nota: O cálculo da taxa de produção independe do tamanho do tanque. 4.2 - MÉTODOS DE RAZÃO DE INTERPRETAÇÃO DE DADOS Existem vários métodos de interpretação de dados que tomam a razão de pares de gases e igualam os resultados a tipos de falha. Alguns desses métodos são descritos a seguir: A - DORNENBERG RATIO METHOD CH4 > 1,0 < 0,75 > 0,4 < 0,3 Descargas Elétricas (exceto Corona) > 0,1 < 1,0 > 0,75 < 0,4 > 0,3 Corona < 0,1 Não signif. > 0,4 < 0,3 - ROGERS RATIO METHOD CH4 _____ H2 C2H6 ________ CH4 C2H4 ________ C2H6 C2H2 ________ C2H4 DIAGNÓSTICO < 0,5 Normal < 0,5 Descarga parcial Corona < 0,1 < 1,0 < 1,0 > 0,5 < 3,0 ou > 3,0 Descarga parcial Corona com descarga superficial > 0,1 < 1,0 < 1,0 > 3,0 >3,0 Centelhamento Contínuo ao potencial variável > 3,0 > 0,5 < 3,0 ou >3,0 Arco com corrente posterior > 3,0 < 1,0 < 1,0 < 0,5 Ligeiro sobreaquecimentos abaixo de 150ºC > 1,0 < 3,0 ou > 3,0 > 1,0 < 1,0 < 0,5 Sobreaquecimentos 150 - 200 ºC > 0,1 < 1,0 > 1,0 < 1,0 < 0,5 Sobreaquecimentos 200 - 300 ºC > 0,1 < 1,0 < 1,0 > 1,0 < 3,0 < 0,5 Aquecimentos geral dos]condutores < 1,0 > 1,0 < 3,0 < 0,5 Correntes circulantes no enrolamento s uniões superaquecidas < 3,0 < 1,0 > 3,0 < 0,5 Correntes circulantes no núcleo e tanque sobre carga nos contatos C - ROGERS BINART, 4 RATIO METHOD RAZÃO MAIOR QUE 1 = 1 RAZÃO MENOR QUE 1 = 0 CH4 _____ H2 C2H6 ________ CH4 C2H4 ________ C2H6 C2H2 ________ C2H4 DIAGNÓSTICO 0 0 0 0 Se CH4 / H2 < 0,1 descarga parcial qualquer outra forma - normal 0s 0 0 1 Flaschover 0 0 1 0 Condutor sobreaquecidos 0 0 1 1 Arco com potência centelhamento persistente 0 1 0 0 Sobreaquecimento 250 - 300 ºC 0 1 0 1 Seletor do comutador 0 1 1 0 Indeterminado 0 1 1 1 Indeterminado 1 0 0 0 Sobreaquecimento abaixo de 150 ºC 1 0 0 1 Indeterminado 1 0 1 0 Corrente de circulação mau contato 1 0 1 1 Indeterminado 1 1 0 0 Sobreaquecimento 200 - 300 ºC 1 1 0 1 Indeterrminados 1 1 1 0 Indeterminado 1 1 1 1 Indeterminado D - ROGERS BINARY 4 RATIO METHOD FAIXA DE RELAÇÃO C2H2 C2H4 CH4 H2 C2H4 C2H6 0,1 0 2 0 0,1 - 0,3 1 0 0 0,3 - 1 2 0 0 1 - 3 3 1 1 3 3 1 2 C2H6 CÓDIGO VER TABELA ACIMA EXEMPLOS TÍPICOS 1 Descargas parciais de pouca energia Não significativo 0,1 0,3 2 0 Impregnação incompleta e/ou umidade provocando vazios gasosos 2 Descargas parciais de alta energia 0,1 - 0,3 0,1 0,3 1 2 0 Como acima, provocando lâminas ou perfuração do isolante sólido? 3 Descargas de baixa energia 0,3 - 1 0,1-1 1-3 2 0 1 Decomposição do óleo no caminho entre isolantes sólidos. Arco no óleo de uma parte metálica e baixa potência ou entre duas conexões de potenciais diferentes D - ROGERS BINARY 3 RATIO METHOD TIPO DA FALHA CARACT. DA FALHA PROP.CARACTERÍSTICAS DOS GASES CÓDIGO VER TABELA: ACIMA EXEMPLOS TÍPICOS C2H6 4 Descargas de alta energia 1 0,1 - 1 3 3 0 2 Arco no óleo entre dois condutores e/ou terra. Descargas contínuas. Corrente de interrupção no seletor 5 Faltas térmicas de baixas temperaturas 100 - 250 ºC 0,3 1 1 - 3 1 0 1 Aquecimento generalizados condutores 6 Faltas térmicas de médias temperaturas 250 - 300 ºC 0,3 1 1 - 3 1 1 1 Crescentes temperaturas de pontos quentes, variando de pequenos pontos quentes no núcleo, pontos de curto circuito no núcleo, 7 Faltas térmicas de altas temperaturas 700 ºC 0,3 1 3 1 2 Aquecimento do cobre devido a correntes circulantes no núcleo e no tanque 8 Envelhecimento normal 0,1 0,1 - 1 1 0 0 0 E - MÉTODO ADOTADO PELO CEPEL RAZÃO DE GAZES INTERVALO CÓDIGO CH4 _____ H2 Não maior do que 0,1 Entre 0,1 e 1,0 Entre 1,0 e 3,0 Não menos de 3,0 (<0,1 ) (>0,1<1) (> 1 <3) (> 3) 5 0 1 2 C2H6 ____ CH4 Menos que 1,0 Não menos que 1,0 (< 1) (> 1) 0 1 2 C2H2 _____ C2H4 Menos que 0,5 Entre 0,5 e 3,0 Não menos que 3,0 (< 0,5) (> 0,5 <3) (>3) 0 1 2 E - MÉTODO ADOTADO PELO CEPEL (CONTINUAÇÃO) CH4 _____ H2 C2H6 ____ CH4 C2H4 ____ C2H6 C2H2 _____ C2H4 DIAGNÓSTICO 0 0 0 0 Deterioração normal 5 0 0 0 Descarga parcial 1/2 0 0 0 Ligeiro superaquecimento, abaixo de 150 ºC 1/2 1 0 0 Ligeiro superaquecimento 150 - 200 ºC 0 1 0 0 Ligeiro superaquecimento 200 - 300 ºC 0 0 1 0 Aquecimento geral dos condutores 1 0 1 0 Correntes circulantes nos enrolamentos (uniões superaquecidas) 1 0 2 0 Correntes circulantes no núcleo e tanque 0 0 0 1 Descarga sem corrente posterior 0 0 1/2 1/2 Arco com corrente posterior 0 0 2 2 Centelhamento contínuo ao potencial variável 5 0 0 1/2 Descarga parcial com descarga superficial F - CRITÉRIO ADOTADO PELA ABNT C2H6 EXEMPLOS TÍPICOS A Sem Falha 0 0 0 Envelhecimento normal B Descargas parciais de pequena densidade de energia 0 Mas não significativo. 1 0 Descargas nas bolhas de gás resultantes de impregnação incompleta, de super saturação ou de alta umidade C Descargas parciais de alta densidade de energia 1 1 0 Como acima, porém provocando arvorejamentos ou perfuração da isolação sólida. D Descargas de energia reduzida 1 - 2 0 1 - 2 Centelhamento contínuo no óleo e nas conexões de diferentes potenciais ou potencias flutuantes. Ruptura dielétrica do óleo entre materiais sóLidos E Descargas de alta energia 1 0 2 Descargas de potência. Arco ruptura dielétrica do óleo entre enrolamentos, entre espira ou entre espira e massa, corrente de interrupção no seletor. F Falha térmica baixa temp. < 150ºC 0 0 1 Aquecimento generalizado de condutor isolado G Falha térmica baixa temp. 150 - 300ºC 0 2 0 Sobreaquecimento local do núcleo devido a concentrações de fluxo. Pontos quentes de temperatura crescente, desde pequenos pontos no núcleo. Sobreaquecimento do cobre devido a correntes de Foucalt, maus contatos (formação de carbono por pirólise) até pontos quentes devido a correntes de circulação entre o núcleo e a carcaça. H Falha térmica média temp. 300-700ºC zero 2 1 I Falha térmica alta temp.> 700 ºC 0 2 2 Nota: O código utilizado para as relações é dado abaixo, sendo que, para efeito de codificação, as relações com denominador igual a zero consideradas iguais a zero. RELAÇÃO ENTRE OS GASES CARACTERÍSTICOS (R) C2H2 ______ C2H4 CH4 ______ H2 C2H4 _____ C2H6 0,1 > R 0 1 0 0,1 < R < 1 1 0 0 1 < R < 3 1 2 1 3 < R 2 2 2 Antes de aplicar qualquer um dos métodos de análise é necessário assegurar que as concentrações de gases são significativas, ou seja, que um determinado nível de gás esteja presente para evitar a influência dos erros dos métodos de detecção de gás. A G.E. Recomenda que as razões só sejam calculadas quando os níveis dos gases forem superiores a: (em PPM). H2 - 200 CH4 - 50 C2H2 - 15 C2H4 - 60 C2H6 - 15 CO - 1000 CO2 - 11.000 A ABNT recomenda que o nível seja no mínimo dez vezes as correspondentes sensibilidade dos métodos analíticos. O CEPEL nos dá a seguinte sensibilidade da determinação da concentração de gases. GÁS - Sensibilidade em PPM de volume de gás por volume de óleo Hidrogênio (H2) 0,5 Oxigênio (O2) 0,7 Nitrogênio (N2) 1,0 Metano (CH4) 2,0 Monóxido de carbono (CO) 3,0 Dióxido de carbono (CO2) 3,0 Etileno ( C2H4) 1,0 Etano (C2H6) 2,0 Acetileno (C2H2) 3,0 Gases não combustíveis Em um transformador podem existir problemas de diferentes tipos simultaneamente e/ou em sucessão, isto junto com o fato de que os gases provenientes do envelhecimento normal está também presente, torna mais difícil a interpretação dos dados. Portanto é essencial progredir ao trabalho de interpretação dos dados de maneira ordenada. Temos abaixo uma dessas maneiras. 1 - Rever a história do transformador em consideração: Existem dados prévios de gás no óleo? Existem outros resultados de teste? Qual a idade do transformador? Quando ele foi energizado pela primeira vez? Foi feito algum reparo? O óleo foi reciclado? Existem uns histórico da falha? Foi feito algum reparo no tanque? Qual o histórico de carga? 2 - Compare a quantidade de gases presentes com os valores normais do transformador sob investigação. Se não existirem dados anteriores ou normas para um dado transformador, então uma comparação com valores típicos pode ser feita como critério. Lembre o fator do tamanho do tanque. 3 - Analise a natureza dos gases presentes para se ter uma idéia da fonte de geração de gás. Por exemplo, se existe acetileno (C2H2) presente então provavelmente existiu em algum momento arco elétrico. Quantidade excessiva de monóxido de carbono e dióxido de carbono indica aquecimento elevado da isolação celulótica. 4 - Analise os gases existentes por todos os vários métodos de razão de interpretação de dados anteriormente descritos. É pouco provável que, após percorrer todos os métodos acima, se obtenha um quadro claro da natureza do problema. Entretanto haverá uma tendência a uma direção e este fato junto com outras informações permitirá uma tomada de decisão. 5 - Determine a razão de produção de gás. Isto é importante para se tomar uma decisão quanto à operação do equipamento. Este cálculo pode requerer a retirada de outra amostra para análise. Notas: A razão CO2/CO excedendo o valor 11, indicará que em alguma área próxima ao isolamento celulótico está ocorrendo oxidação. Deve-se observar se a razão O2/N2 é menor que 0,1 o que confirmará que um processo que consome oxigênio está ocorrendo. Alto CO e CO2 (deterioração do papel e papelão) - Procure sobreaquecimentos nos enrolamentos. - Verifique se existem sinais de sobreaquecimento dos cabos e conexões dos cabos. - Pode ser causado por circulação de corrente e/ou altas resistências aquecidas ou conexões com solda. Alto C2H2 e H2 (corrosão metálica) - Inspecione o alinhamento do seletor de TAP's. - Procure por contatos parcialmente abertos(descargas de metal para metal). - Procure por pedaços de metal no fundo do tanque ou grampos. Alto H2, CH4, C2H4 (deterioração do óleo) - Inspecione nas paredes do tanque e nas partes visíveis dos grampos por sinais de sobreaquecimento. - Examinar as paredes metálicas descobertas (vivas) do seletor de TAP´s conexões e linhas. - Procure por múltiplos aterramentos do núcleo (corrente de circulação). - Verifique as conexões dos thyrites. Alto H2, CH4, C2H4, mais CO e CO2 (deterioração da celulose e do óleo). - Verifique se há espiras em curto. - Procure por conexões ruins nos cabos. Altos O2 > 10.000 PPM - Possível vazamento no tanque. - Procedimento de amostragem mal feito. Altas concentrações de oxigênio possibilitam que sejam produzidos gases combustíveis em maiores quantidades. Embora não exista necessidade de maiores preocupações quando o oxigênio é muito elevado, a exatidão da análise dos gases combustíveis é questionável. Centelhas entre metais no óleo causarão quantidades de H2 e C2H2 incomuns. Quando envolver correntes de potência existirão grandes quantidades de C2H2. Quando tem lugar apenas correntes capacitivas, H2 será predominante juntamente com CH4. Freqüentemente esta condição de centelhamento acarretará que partes tornem-se sobreaquecidas. Isto explica a presença de C2H4 tanto quanto CO2 quando existe celulose próxima.
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