AGLEISON RAMOS OMIDO MONITORAMENTO DA … · Neste trabalho verificamos o potencial das técnicas...
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AGLEISON RAMOS OMIDO
MONITORAMENTO DA DEGRADAO TRMICA DE LEO
MINERAL ISOLANTE DE TRANSFORMADOR UTILIZANDO
ESPECTROSCOPIA DE ABSORO E FLUORESCNCIA UV-Vis.
Ilha Solteira SP
2014
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AGLEISON RAMOS OMIDO
MONITORAMENTO DA DEGRADAO TRMICA DE LEO
MINERAL ISOLANTE DE TRANSFORMADOR UTILIZANDO
ESPECTROSCOPIA DE ABSORO E FLUORESCNCIA UV-Vis.
Ilha Solteira SP
2014
Trabalho apresentado ao Programa de Ps-graduao em Engenharia Eltrica da Faculdade de Engenharia - UNESP - Campus de Ilha Solteira para obteno do ttulo de doutor em Engenharia Eltrica. rea de conhecimento: Automao.
Orientador: Prof. Dr. Aparecido Augusto de Carvalho
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minha esposa Telma Eliane Vieira Omido,
A Thais, Mariana e Gabriel,
Ao Clayton e Bill.
Aos meus pais:
Reginaldo Omido
e
Abigail Mazarelo Ramos Omido
Dedico.
Aos meus irmos:
Agnaldo, Cleidson e Jnior,
minha famlia,
Aos meus amigos
Ofereo.
-
Se um dia a razo te pedir para desistir e o
corao te mandar lutar, lute, pois no a
razo que bate para voc viver.
Cello Menezes
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AGRADECIMENTOS
Agradeo a todos que me apoiaram durante o doutorado. Em primeiro lugar a
DEUS, pois Dele que tiramos fora quando necessitamos.
minha esposa Telma Eliane Vieira Omido, que durante todo o tempo esteve ao
meu lado e ajudou a formar uma linda famlia me dando trs joias raras: Thais, Mariana e
Gabriel.
Aos meus pais, Reginaldo Omido e Abigail Mazarelo Ramos Omido, de quem
herdei valores que o tempo no apaga.
Ao saudoso professor Mauro Henrique de Paula, orientador durante o mestrado e
parte desse doutorado. Perdi esse amigo com quem muito aprendi de forma prematura, mas
que me uniu a um grupo de pessoas to valorosas quanto ele. Um cientista, um gnio, uma
dessas pessoas que voc encontra poucas vezes na vida.
Ao meu orientador, professor Aparecido Augusto de Carvalho, por acreditar em
mim e ser esse porto seguro que encontrei em Ilha Solteira. Mais que um professor, amigo,
que mesmo com o pouco contato aprendi a respeitar e reconhecer como a pessoa evoluda
que e que busca sempre uma palavra de incentivo e um gesto de apoio.
Ao professor Samuel Leite Oliveira, responsvel direto por este ttulo. No momento
em que tudo parecia perdido, quando o doutorado tornava-se inatingvel, sua presena,
orientao e colaborao reacenderam a chama, tornando o sonho novamente possvel. Sua
viso, disponibilidade, experincia e conhecimento foram fundamentais para o sucesso
deste trabalho. Agradeo tambm a sua esposa Luciana, pela convivncia, pacincia e
desprendimento ao abrir mo da companhia de seu esposo durante todo o tempo em que
necessitei de sua ajuda.
Ao meu irmo Cleidson Ramos Omido, guerreiro, companheiro, e que, com a graa
de Deus e a ajuda de todos os envolvidos em meu trabalho, tambm termina esta etapa que
iniciamos juntos ele realmente merece. Viagens, estudos, noites em claro, tudo serviu de
incentivo e fortalecimento da relao. cunhada Rosa, sua esposa, que tambm nos
acompanhou desde o tempo de mestrado. So mais de doze anos de acolhida e partilha.
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Ao professor Claudio Kitano, que tambm foi envolvido em nosso trabalho e cujas
sugestes, palavras de incentivo e auxlio com as equaes durante a fase de estudos
especiais foram fundamentais. Uma mente brilhante com quem tive a honra de conviver.
Ao amigo doutorando em qumica Keurison Magalhes, pela ajuda com os
equipamentos no laboratrio, anlise inicial dos dados e orientao na conduo das
medidas executadas na UFGD em Dourados - MS.
Aos professores do Programa de Ps Graduao em Engenharia Eltrica da
Universidade Estadual Paulista Jlio de Mesquita Filho UNESP Campus de Ilha
Solteira, Carlos Roberto Minussi e Ricardo Tokio Higuti pelo perodo de convivncia
durante o programa.
Aos professores Anderson Caires, Herbert e Rozanna da UFGD pela
disponibilizao dos equipamentos para medies realizadas na cidade de Dourados - MS.
Aos companheiros de laboratrio Ricardo Shiraishi, Silvano, Luis Felipe, Juliete,
Fagner e Thamyres pelo ambiente de trabalho que, mesmo srio, no deixava de apresentar
momentos descontrados.
Ao tcnico William Falco do Departamento de Fsica da UFGD pela ateno e
companheirismo durante o perodo em que utilizei os laboratrios desse departamento.
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RESUMO
Neste trabalho verificamos o potencial das tcnicas de absoro UV-Vis e de
fluorescncia para o monitoramento da degradao do leo mineral isolante (OMI),
utilizado em transformadores em funo do seu aquecimento. Foram realizadas medies e
anlise de mapas de contorno (excitao emisso) de amostras de leo mineral isolante
novo e regenerado no diludas e diludas em hexano aps aquecimento sistemtico das
mesmas e retorno temperatura ambiente. Tambm foram obtidos espectros de absoro
das amostras diludas. As medies citadas foram realizadas para monitorar a degradao
de amostras no diludas de leos minerais isolantes novos e regenerados, de forma a
verificar a aplicabilidade das tcnicas sem um preparo inicial das amostras. Os resultados
mostraram que os valores de absoro e fluorescncia sofrem mudanas sistemticas a
partir de cerca de 150C, temperatura na qual a degradao do leo se torna mais
pronunciada. Foram observados comportamentos similares de absoro e fluorescncia,
tanto para o leo novo quanto para o regenerado, o que indica que esta tcnica ptica
simples pode ser usada para o monitoramento contnuo da qualidade do leo,
independentemente da sua fonte. Os possveis mecanismos responsveis pelas alteraes
tambm so discutidos, tal como o efeito da geometria da configurao experimental das
medies de fluorescncia. Os resultados fornecem informaes para o desenvolvimento
de dispositivos portteis, simples e de custo potencialmente baixo, capazes de verificar a
qualidade do leo mineral isolante em laboratrios e ambientes remotos sem a necessidade
de qualquer preparao prvia da amostra.
Palavras-chave: leo Mineral Isolante, Transformadores Eltricos, Absoro UV-Vis,
Fluorescncia.
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ABSTRACT
In this study we verify the potential of the UV-Vis absorption and fluorescence
techniques to monitor the degradation of the insulating mineral oil (IMO) used in
transformers depending on their heating. Measurement and analysis of contour maps
(excitation - emission) were taken from samples of new and regenerated insulating mineral
oils diluted and undiluted in hexane after systematically heating and bringing them back to
room temperature. Absorption spectra were also obtained from diluted samples. The
mentioned measurements were performed to monitor the degradation of new and
regenerated insulating mineral oil undiluted samples in order to verify the applicability of
the techniques without prior sample preparation. The results showed that the values of
absorption and fluorescence underwent systematic changes starting at about 150 C,
temperature at which oil degradation becomes more pronounced. Similar absorption and
fluorescence behaviors for both new and regenerated oils were observed, indicating that
this simple optical approach may be used for continuous monitoring of oil quality,
regardless of its source. The possible mechanisms responsible for the changes are also
discussed, and the effect of the geometry of the experimental setup of the fluorescence
measurements was investigated as well. The results provide the basis for the development
of portable, simple and potentially inexpensive devices, able to check the insulating
mineral oil quality in laboratories and remote environments without the need of any prior
preparation of the sample.
Keywords: Insulating Mineral Oil, Power Transformers, UV-Vis Absorption,
Fluorescence.
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LISTA DE ILUSTRAES
Figura 1: Comparao das caractersticas de transformadores a leo e a seco. .................. 27
Figura 2: (a) Carcaa do transformador. (b) O leo isolante. (c) e (d) Isolamento papel
Kraft e Presspahn. .................................................................................................... 28
Figura 3: Esquema de refrigerao do transformador por conveco. ............................... 29
Figura 4: Classificao dos hidrocarbonetos. .................................................................... 37
Figura 5: Variao de propriedades fsico-qumicas de acordo com o grupo de
hidrocarbonetos. ....................................................................................................... 38
Figura 6: Transio de estado provocada pela absoro de um quantum de energia
(fton). ..................................................................................................................... 50
Figura 7: Processo de excitao e desexcitao de uma partcula. ..................................... 51
Figura 8: Ente geomtrico para determinao da lei de Lambert-Beer. ............................. 52
Figura 9: Representao esquemtica de nveis de energia de excitao eletrnica. .......... 56
Figura 10: Exemplos de transio * para ligao dupla isolada, dieno e trieno. ....... 59
Figura 11: Sistemas massa-mola. ..................................................................................... 60
Figura 12: Modos de vibrao de uma molcula. .............................................................. 63
Figura 13: Diagrama de blocos de um espectrofotmetro FTIR. ....................................... 64
Figura 14: Esquema de funcionamento do interfermetro de Michelson. .......................... 65
Figura 15: Interferograma obtido para uma radiao policromtica. ................................. 66
Figura 16: Esquema de uma clula de Refletncia Total Atenuada. .................................. 67
Figura 17: tomo absorvendo e emitindo radiao eletromagntica. ................................ 68
Figura 18: Spin eletrnico dos estados fundamental, singleto e tripleto. ........................... 69
Figura 19: Diagrama de Jablonski. ................................................................................... 70
Figura 20: Esquema representativo de emisso e espalhamento de radiao em uma
amostra. ................................................................................................................... 72
Figura 21: Exemplo de diagramas gerados a partir de uma matriz de excitao-emisso
com viso tridimensional (inferior) e mapa de contorno (superior). .......................... 72
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Figura 22: Mecanismo correspondente ao efeito de filtro interno. (a) efeito de filtro
interno primrio (PIFE) e (b) efeito de filtro interno secundrio (SIFE). ................... 75
Figura 23: Representao das formas de desexcitao de uma partcula. .......................... 76
Figura 24: Diagrama de blocos de um fluormetro. ........................................................... 79
Figura 25: Exemplo de cubeta utilizada nas medies de fluorescncia. ........................... 80
Figura 26: Esquema de funcionamento de uma fotomultiplicadora. .................................. 81
Figura 27: Diagrama de blocos com o delineamento experimental. .................................. 82
Figura 28: Diagrama de aquecimento das amostras em funo do tempo. ......................... 84
Figura 29: Amostras de leo novo e regenerado aps o tratamento trmico. ..................... 84
Figura 30: (a) Forno. (b) leo isolante. (c) Armazenamento das amostras. ....................... 85
Figura 31: Espectrmetro utilizado nas medies de absoro no infravermelho. ............. 85
Figura 32: Acessrio para medies com ATR. ................................................................ 86
Figura 33: Espectrofotmetro Cary 50 da Varian.............................................................. 87
Figura 34: (a) Esquema do aparato experimental das medies de absoro. (b) Viso da
cubeta durante a medio. ........................................................................................ 88
Figura 35: (a) Espectrofluormetro. (b) Suporte da cubeta no aparelho. ............................ 89
Figura 36: (a) Esquema do aparato experimental das medies de fluorescncia. (b)
Vista superior da cubeta durante a medio. ............................................................. 90
Figura 37: Posies A, B, C e D para excitao e coleta da fluorescncia. ........................ 90
Figura 38: Espectro de absoro no infravermelho para amostras de leo mineral
isolante novo sem adio de celulose e gua. ............................................................ 93
Figura 39: Espectro de absoro no infravermelho para amostras de leo mineral
isolante regenerado sem adio de celulose e gua. .................................................. 94
Figura 40: Espectro de absoro IR do leo mineral isolante novo sem adio de
celulose e gua. Os detalhes destacam as bandas associadas ao estiramento C C
dos aromticos. As setas mostram o sentido do crescimento da temperatura de
tratamento. ............................................................................................................... 95
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Figura 41: Espectro de absoro IR do leo mineral isolante novo sem adio de
celulose e gua. Os detalhes destacam as bandas associadas ao estiramento C H
dos compostos alifticos. As setas indicam o aumento da temperatura de
tratamento trmico. .................................................................................................. 96
Figura 42: Espectro de absoro IR do leo mineral isolante novo sem adio de
celulose e gua: estiramento C O dos alcois (~1150 cm-1), estiramento C O
dos cidos carboxlicos (~ 1310 cm-1) e estiramento C C do anel aromtico de
fenis (~1600 cm-1). As setas mostram o sentido do crescimento da temperatura de
tratamento. ............................................................................................................... 97
Figura 43: Espectro de absoro IR para o leo regenerado sem adio de celulose e
gua destacando as diferentes regies espectrais. As setas mostram o sentido do
crescimento da temperatura de tratamento. ............................................................... 98
Figura 44: ndice de acidez das amostras de leo novo e regenerado em funo da
temperatura de tratamento trmico.......................................................................... 100
Figura 45: Espectro de absoro do hexano grau HPLC. ................................................ 101
Figura 46: Espectros de absoro de amostras diludas de leo mineral isolante novo:
sem adio de celulose e gua (a), contendo celulose (b) e contendo celulose e
gua (c). As setas mostram o sentido do crescimento da temperatura de
tratamento. ............................................................................................................. 102
Figura 47: Espectros de absoro de amostras diludas de leo mineral isolante
regenerado: sem adio de celulose e gua (a), contendo celulose (b) e contendo
celulose e gua (c). As setas mostram o sentido do crescimento da temperatura de
tratamento. ............................................................................................................. 102
Figura 48: Mapa de contorno de excitao-emisso de amostra no diluda de leo novo
sem adio de celulose e gua. ............................................................................... 104
Figura 49: Mapas de contorno de excitao-emisso do leo mineral isolante novo sem
adio de celulose e gua em funo da temperatura............................................... 106
Figura 50: Mapas de contorno de excitao-emisso do leo mineral isolante novo
contendo celulose em funo da temperatura. ......................................................... 107
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Figura 51: Mapas de contorno de excitao-emisso do leo mineral isolante novo
contendo celulose e gua em funo da temperatura. .............................................. 108
Figura 52: Espectros de emisso dos leos novo sem adio de celulose e gua (N),
contendo celulose (NC) e contendo celulose e gua (NCA), com excitao em 365
nm em funo da temperatura de tratamento trmico. As setas mostram o sentido
do crescimento da temperatura de tratamento. ........................................................ 109
Figura 53: Intensidade de fluorescncia normalizada com excitao em 365 nm. ........... 110
Figura 54: Razo das intensidades de fluorescncia com excitao em 365 nm. ............. 111
Figura 55: Espectros de emisso dos leos novo sem adio de celulose e gua (N),
contendo celulose (NC) e contendo celulose e gua (NCA), com excitao em 385
nm em funo da temperatura de tratamento trmico. As setas mostram o sentido
do crescimento da temperatura de tratamento. ........................................................ 112
Figura 56: Intensidade de fluorescncia normalizada com excitao em 385 nm. ........... 113
Figura 57: Razo das intensidades de fluorescncia normalizadas em 425 nm/415 nm
com excitao em 385 nm. ..................................................................................... 113
Figura 58: Mapas de contorno de excitao-emisso para as amostras de leo mineral
isolante novo sem adio de celulose e gua no degradadas e a 210 C para regio
de excitao entre 440 e 500 nm. ............................................................................ 114
Figura 59: Espectros de emisso dos leos novo sem adio de celulose e gua (N),
contendo celulose (NC) e contendo celulose e gua (NCA), com excitao em 450
nm em funo da temperatura de tratamento trmico. As setas mostram o sentido
do crescimento da temperatura de tratamento. ........................................................ 115
Figura 60: Intensidade de fluorescncia normalizada com excitao em 450 nm. ........... 115
Figura 61: Razo das intensidades de fluorescncia normalizadas em 456 nm/490 nm
com excitao em 450 nm. ..................................................................................... 116
Figura 62: Espectros de fluorescncia das amostras de leos novos sem adio de
celulose e gua (N), contendo celulose (NC) e contendo celulose e gua (NCA)
com comprimento de onda de excitao igual a 380 nm. As setas mostram o
sentido do crescimento da temperatura de tratamento. ............................................ 117
-
Figura 63: Intensidade de fluorescncia do leo novo em 405 nm (a), 425 nm (b) e razo
entre essas intensidades (c) com comprimento de onda de excitao igual a 380
nm. ......................................................................................................................... 118
Figura 64: Mapa de contorno de excitao-emisso para amostra no diluda de leo
regenerado sem adio de celulose e gua. ............................................................. 119
Figura 65: Mapas de contorno de excitao-emisso do leo mineral isolante regenerado
sem adio de celulose e gua em funo da temperatura. ...................................... 121
Figura 66: Mapas de contorno de excitao-emisso do leo mineral isolante regenerado
contendo celulose em funo da temperatura. ......................................................... 122
Figura 67: Mapas de contorno de excitao-emisso do leo mineral isolante regenerado
contendo celulose e gua em funo da temperatura. .............................................. 123
Figura 68: Espectros de fluorescncia do leo regenerado sem adio de celulose e gua
em funo da temperatura de degradao, com excitao em 390 nm e 455nm. As
setas mostram o sentido do crescimento da temperatura de tratamento. .................. 124
Figura 69: Intensidade de fluorescncia em (a) 415 nm e (b) 450nm em funo da
temperatura de tratamento das amostras de leo regenerado com excitao em 390
nm. ......................................................................................................................... 125
Figura 70: Intensidade de fluorescncia em (a) 460 nm e (b) 490 nm em funo da
temperatura de tratamento das amostras de leo regenerado com excitao em 450
nm. ......................................................................................................................... 125
Figura 71: Espectros de fluorescncia para amostras de leos regenerados sem adio de
celulose e gua (R), contendo celulose (RC) e contendo celulose e gua (RCA)
com comprimento de excitao em 380 nm. As setas mostram o sentido do
crescimento da temperatura de tratamento. ............................................................. 126
Figura 72: Intensidades de fluorescncia normalizadas dos leos regenerado com
comprimento de onda de emisso em 456 nm (a) e 468 nm (b) e razo entre essas
intensidades (c) obtidas com comprimento de excitao igual a 380 nm. ................ 127
Figura 73: Mapa de contorno de excitao-emisso do hexano grau HPLC. ................... 128
-
Figura 74: Mapa de contorno de excitao-emisso de amostra de leo novo diludo sem
adio de celulose e gua........................................................................................ 129
Figura 75: Mapas de contorno de excitao-emisso para amostras de leo novo sem
adio de celulose e gua diludas em hexano grau HPLC. ..................................... 130
Figura 76: Mapas de contorno de excitao-emisso para amostras de leo novo
contendo celulose diludas em hexano grau HPLC. ................................................ 131
Figura 77: Mapas de contorno de excitao-emisso para amostras de leo novo
contendo celulose e gua diludas em hexano grau HPLC. ...................................... 132
Figura 78: Espectros de fluorescncia com comprimento de onda de excitao em 280
nm para amostras diludas de leos novo sem adio de celulose e gua (N),
contendo celulose (NC) e contendo celulose e gua (NCA). As setas mostram o
sentido do crescimento da temperatura de tratamento. ............................................ 133
Figura 79: Intensidade de fluorescncia de amostras diludas de leo novo sem adio
de celulose e gua, com comprimento de onda de emisso em 315 nm (a), em 325
nm (b) e razo entre as intensidades (c), utilizando comprimento de excitao de
280 nm. .................................................................................................................. 134
Figura 80: Mapa de contorno de excitao-emisso do leo regenerado sem adio de
celulose e gua diludo em hexano grau HPLC. ...................................................... 135
Figura 81: Mapa de contorno de excitao-emisso: das amostras de leos novo sem
diluio (a) e diluda (b); das amostras de leos regenerados sem diluio (c) e
diluda (d) no submetidas ao tratamento trmico. .................................................. 136
Figura 82: Mapas de contorno de excitao-emisso para amostras diludas em hexano
grau HPLC de leo regenerado sem adio de celulose e gua. ............................... 137
Figura 83: Mapas de contorno de excitao-emisso para amostras diludas em hexano
grau HPLC de leo regenerado contendo celulose. ................................................. 138
Figura 84: Mapas de contorno de excitao-emisso para amostras diludas em hexano
grau HPLC de leo regenerado contendo celulose e gua. ...................................... 139
-
Figura 85: Espectros de fluorescncia para amostras de leos regenerados sem adio de
celulose e gua diludas (R), contendo celulose (RC) e contendo celulose e gua
(RCA), com excitao em 280 nm. As setas mostram o sentido do crescimento da
temperatura de tratamento. ..................................................................................... 140
Figura 86: Intensidade de fluorescncia do leo regenerado com comprimento de onda
de emisso em 315 nm (a), intensidade de fluorescncia com comprimento de onda
de emisso em 325 nm (b) e razo entre as intensidades de fluorescncia (c), com
comprimento de excitao igual a 280 nm. ............................................................. 141
Figura 87: Espectro de absoro leo novo no diludo, sem adio de celulose e gua
(a) e grfico da absorbncia em 380 nm em funo da temperatura de aquecimento
(b). A seta indica a direo de aumento da temperatura de aquecimento. ................ 142
Figura 88: Espectro de absoro leo regenerado no diludo, sem adio de celulose e
gua (a) e grfico da absorbncia em 380 nm em funo da temperatura de
aquecimento (b). A seta indica a direo de aumento da temperatura de
aquecimento. .......................................................................................................... 143
Figura 89: Esquema de anlise do efeito do filtro interno nas medies de fluorescncia.144
Figura 90: Espectros de fluorescncia do leo novo sem adio de celulose e gua
obtidos: (a) com excitao no centro e coleta de fluorescncia no centro da cubeta ,
(b) com excitao no centro e coleta de fluorescncia na borda da cubeta, (c) com
excitao na borda e coleta de fluorescncia no centro da cubeta e (d) com
excitao a borda e coleta de fluorescncia na borda da cubeta. As setas indicam o
sentido do aumento da temperatura de aquecimento. .............................................. 146
-
Figura 91: Razo das intensidades de fluorescncia em 438 e 490 nm do leo novo
como uma funo da temperatura de aquecimento: (a) com excitao no centro e
coleta de fluorescncia no centro da cubeta, (b) com excitao no centro e coleta de
fluorescncia na borda da cubeta, (c) com excitao na borda e coleta de
fluorescncia no centro da cubeta e (d) com excitao a borda e coleta de
fluorescncia na borda da cubeta. ........................................................................... 148
Figura 92: Espectros de fluorescncia do leo regenerado sem adio de celulose e gua
obtidos: (a) com excitao no centro e coleta de fluorescncia no centro da cubeta,
(b) com excitao no centro e coleta de fluorescncia na borda da cubeta, (c) com
excitao na borda e coleta de fluorescncia no centro da cubeta e (d) com
excitao na borda e coleta de fluorescncia na borda da cubeta. As setas indicam o
sentido do aumento da temperatura de aquecimento. .............................................. 150
Figura 93: Razo das intensidades de fluorescncia em 438 e 490 nm do leo
regenerado como uma funo da temperatura de aquecimento: (a) com excitao
no centro e coleta de fluorescncia no centro da cubeta, (b) com excitao no
centro e coleta de fluorescncia na borda da cubeta, (c) com excitao na borda e
coleta de fluorescncia no centro da cubeta e (d) com excitao na borda e coleta
de fluorescncia na borda da cubeta. ....................................................................... 150
Figura 94: (a) Espectros de fluorescncia do leo isolante novo sem adio de celulose e
gua sob excitao de 380 nm e com excitao e coleta de fluorescncia no centro
da cubeta. (b) Razo das intensidades de fluorescncia de 438 e 490 nm como uma
funo da temperatura de aquecimento. A seta indica a direo de aumento da
temperatura de aquecimento. .................................................................................. 153
Figura 95: Espectros de fluorescncia do leo isolante novo contendo celulose (a) e leo
novo contendo celulose e gua (b), sob excitao em 380 nm e excitao e coleta
de fluorescncia no centro da cubeta. ...................................................................... 155
-
Figura 96: (a) Espectros de fluorescncia do leo isolante regenerado sem adio de
celulose e gua com excitao de 380 nm e excitao e coleta de fluorescncia no
centro da cubeta. (b) Razo das intensidades de fluorescncia de 438 e 490 nm
como uma funo da temperatura de aquecimento. A seta indica a direo de
aumento da temperatura de aquecimento. ............................................................... 156
Figura 97: Componentes bsicos de um prottipo de dispositivo para monitoramento da
degradao trmica do leo mineral isolante utilizado em transformadores. ............ 159
-
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Reao em cadeia da degradao do leo mineral isolante. ............................... 40
Tabela 2: Hidroperxido de origem e produtos de oxidao. ............................................ 41
Tabela 3: Mtodos espectroscpicos e sua faixa de operao. ........................................... 49
Tabela 4: Ilustrao de transies eletrnicas envolvendo eltrons n, e . ...................... 58
Tabela 5: Escala de tempo dos processos envolvidos na transio de eltrons. ................. 71
Tabela 6: Solventes comuns e seus comprimentos de onda limite. .................................... 73
Tabela 7: Valores do ndice de acidez para amostras de leo mineral novo e regenerado
sem adio de celulose e gua submetidas ao tratamento trmico. ............................ 99
Tabela 8: Identificao e funo dos componentes do prottipo do dispositivo de
monitoramento do leo mineral isolante utilizado em transformadores. .................. 159
-
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas
ANP Agncia Nacional de Petrleo
ASTM American Society for Testing and Materials
ATR Refletncia Total Atenuada
cps Ciclos por Segundo
DBPC 2-6 Ditercirio Butil Para Cresol
ddp Diferena de Potencial
DGA Anlise de Gases Dissolvidos
EC Converso Externa
EEM Matriz de Excitao-Emisso
f.e.m. Fora Eletromotriz
FER Taxa de Fluorescncia Intrnseca
FIR Infravermelho Longnquo
FTIR Espectroscopia de Absoro por Transformada de Fourier
HOMO Orbital Molecular Mais Alto Ocupado
HPLC Cromatografia a Lquido de Alto Desempenho
IC Converso Interna
ICP-OES Espectroscopia de Emisso Atmica por Plasma Acoplado Indutivamente
IEC Comisso Eletrotcnica Internacional
IFE Efeito de Filtro Interno
ISC Cruzamento Entre Sistemas
IV Infravermelho
KBr Brometo de Potssio
KOH Hidrxido de Potssio
-
LaFeO3 Ferrita de Lantnio
LED Diodo Emissor de Luz
LUMO Orbital Molecular Mais Baixo Ocupado
MIR Infravermelho Mdio
m/m Massa/massa
m/V Massa/Volume
ML/SPA Regresso Linear Mltipla com Sucessiva Projeo de Algoritmo
N Amostra de leo Novo Sem Adio de Celulose e gua
NBR Denominao de Norma da Associao Brasileira de Normas Tcnicas
NC Amostra de leo Novo Contendo Celulose
NCA Amostra de leo Novo Contendo Celulose e gua
NIR Infravermelho Prximo
OMI leo Mineral Isolante
PA-ACS Para Anlise American Chemical Society
PIFE Efeito de Filtro Interno Primrio
R Amostra de leo Regenerado Sem Adio de Celulose e gua
RC Amostra de leo Regenerado Contendo Celulose
RCA Amostra de leo Regenerado Contendo Celulose e gua
SIFE Efeito de Filtro Interno Secundrio
UV-Vis Ultravioleta e Visvel
-
LISTA DE SMBOLOS
Fora eletromotriz induzida Nmero de partculas
Nmero de espiras da bobina Superfcie infinitesimal
Variao de fluxo magntico Intensidade infinitesimal de radiao
Intervalo de tempo Nmero infinitesimal de partculas
Tenso eltrica Volume
Corrente eltrica Concentrao
Relao de transformao Coeficiente de absoro molar
Potncia aparente Absorbncia
c Velocidade da radiao luz Fora
Comprimento de onda Massa
Frequncia Acelerao
Nmero de onda Constante elstica
Energia do estado Deslocamento
Constante de Planck Massa reduzida
Intensidade da radiao ngulo de incidncia
Espessura da amostra Rendimento quntico de fluorescncia
rea de seco transversal .. ndice de acidez
Espessura infinitesimal Fator de correo da soluo de NaOH
-
SUMRIO
1 INTRODUO GERAL ................................................................................................ 27
1.1 INTRODUO ..................................................................................................... 27
1.2 ESTADO DA ARTE ............................................................................................... 29
1.3 OBJETIVOS .......................................................................................................... 33
1.3.1 Objetivo geral .................................................................................................. 33
1.3.2 Objetivos especficos ....................................................................................... 33
1.4 ORGANIZAO DOS CAPTULOS .................................................................... 34
2 FUNDAMENTAO TERICA .................................................................................. 35
2.1 TRANSFORMADORES ELTRICOS .................................................................. 35
2.2 ISOLAMENTO ELTRICO E DISSIPAO TRMICA ...................................... 36
2.3 LEO MINERAL ISOLANTE ............................................................................... 36
2.3.1 Composio ..................................................................................................... 36
2.3.2 Caractersticas do leo mineral isolante ........................................................... 37
2.3.3 Mecanismos de oxidao do leo mineral isolante ........................................... 39
2.3.4 Recondicionamento e regenerao do leo mineral isolante ............................. 41
2.3.5 Ensaios para o leo mineral isolante (ARAJO, 1999; GUIMARES, 2006;
COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010) ............................ 43
2.4. ESPECTROSCOPIA MOLECULAR .................................................................... 48
2.4.1 Introduo ....................................................................................................... 48
2.4.2 Absoro de radiao eletromagntica. ............................................................ 49
2.4.3 Princpios da espectroscopia de absoro Lei de Lambert-Beer ..................... 51
2.4.4 Fatores que influenciam as transies eletrnicas ............................................. 55
2.4.5 A importncia da conjugao ........................................................................... 57
2.5 ESPECTROSCOPIA DE ABSORO NO INFRAVERMELHO .......................... 59
2.5.1 Introduo ....................................................................................................... 59
2.5.2 Lei de Hooke e a absoro de radiao: ........................................................... 60
-
2.5.3 Modos de vibrao molecular. ......................................................................... 62
2.5.4 Espectrofotmetros .......................................................................................... 64
2.5.5 Instrumentao ................................................................................................ 64
2.6 ESPECTROSCOPIA DE FLUORESCNCIA UV-VIS .......................................... 67
2.6.1 Introduo ....................................................................................................... 67
2.6.2 Fotoluminescncia ........................................................................................... 68
2.6.3 Medidas espectrais. .......................................................................................... 73
2.6.4 Instrumentao ................................................................................................ 78
3 MATERIAIS E MTODOS ........................................................................................... 82
3.1 DELINEAMENTO EXPERIMENTAL .................................................................. 82
3.2 OBTENO E PREPARO DAS AMOSTRAS ....................................................... 83
3.3 APARATO PARA VERIFICAO DA EFICINCIA DO PROCEDIMENTO
DE DEGRADAO TRMICA.................................................................................. 85
3.3.1 Espectroscopia de absoro no infravermelho .................................................. 85
3.3.2 Medies do ndice de acidez .......................................................................... 86
3.4 ESPECTROSCOPIA DE ABSORO UV-VIS (AMOSTRAS DILUDAS) ................. 87
3.5 ESPECTROSCOPIA DE ABSORO UV-VIS (AMOSTRAS NO DILUDAS) .......... 88
3.6 ESPECTROSCOPIA DE FLUORESCNCIA MOLECULAR ............................... 88
3.7 ESPECTROSCOPIA DE FLUORESCNCIA MOLECULAR INDUZIDA COM
LED UV ....................................................................................................................... 89
4 RESULTADOS E DISCUSSO ..................................................................................... 92
4.1 INTRODUO ..................................................................................................... 92
4.2 VERIFICAO DA EFICINCIA DO PROCEDIMENTO DE DEGRADAO
TRMICA ................................................................................................................... 92
4.2.1 Espectroscopia de absoro no infravermelho .................................................. 92
4.2.1 Medidas do ndice de acidez. ........................................................................... 99
4.3 ESTUDO DA DEGRADAO DO LEO MINERAL ISOLANTE
UTILIZANDO PTICA APLICADA. ....................................................................... 100
4.3.1 Espectroscopia de absoro UV-VIS (Amostras diludas) .............................. 100
-
4.3.2 Espectroscopia de fluorescncia molecular .................................................... 104
4.4 BASES DE UM SISTEMA PORTTIL PARA AVALIAO DA
DEGRADAO TRMICA DO LEO MINERAL ISOLANTE .............................. 141
4.4.1 Espectroscopia de absoro UV-VIS ............................................................. 141
4.4.2 Influncia da posio de excitao e coleta da radiao nos espectros de
fluorescncia .......................................................................................................... 144
4.4.3 Espectroscopia de fluorescncia molecular induzida com LED UV ............... 152
5 CONCLUSES ............................................................................................................. 157
5.1 PERSPECTIVAS PARA TRABALHO FUTUROS .............................................. 159
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................ 161
-
27
1 INTRODUO GERAL
1.1 INTRODUO
O uso da energia eltrica em regies distantes do local de produo s possvel pela
utilizao do transformador eltrico, cuja principal caracterstica a transformao de tenso,
impedncia e corrente eltrica entre seus acessos de entrada e sada. Ainda que os avanos
tecnolgicos propiciem a mudana e evoluo dos equipamentos utilizados pelo homem, at
os dias de hoje os transformadores mantm as caractersticas do prottipo apresentado por
Michael Faraday em 1831, ou seja, baseado na bobina de induo de Faraday
(COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010).
O perfeito funcionamento desses equipamentos fundamental para o fornecimento de
energia eltrica com qualidade. As concessionrias de energia necessitam, ento, de
equipamentos confiveis, de maneira a proporcionar segurana e evitar prejuzos financeiros
aos usurios, j que a retirada de um ou mais desses equipamentos acarreta transtornos tanto
na linha de produo da energia quanto no consumo.
Os transformadores podem ser construdos com isolamento a leo ou a seco cujas
principais caractersticas podem ser visualizadas na Figura 1. Independentemente do tipo, a
manuteno necessria e muito importante.
Figura 1: Comparao das caractersticas de transformadores a leo e a seco.
Fonte: WEG Equipamentos Eltricos S.A. Transformadores (Manual).
-
28
Existem trs tcnicas de manuteno que podem ser utilizadas para os
transformadores: corretiva que deve ser evitada, pois executada quando o equipamento
falha e, como consequncia, ocorre a interrupo do fornecimento de energia; preventiva
que uma tcnica baseada na interveno em equipamentos, corrigindo preventivamente
situaes ou componentes nos quais a deteriorao ou o desgaste so previamente conhecidos;
preditiva que a mais moderna tcnica de manuteno atualmente em uso e que consiste em
acompanhar, periodicamente, as caractersticas e propriedades dos diversos componentes de
um sistema e proceder a uma interveno quando verificado que o mesmo se encontra na
iminncia de falhar. A Figura 2 mostra detalhes do transformador a leo.
Figura 2: (a) Carcaa do transformador. (b) O leo isolante. (c) e (d) Isolamento papel Kraft e
Presspahn.
Fonte: Do prprio autor.
Os transformadores eltricos, quando em operao, apresentam vrios parmetros
indicativos de normalidade de funcionamento. Um dos principais o estado da isolao
interna do conjunto leo papel isolante. O leo mineral isolante (OMI) proporciona
-
29
isolamento e refrigerao e est em contato com todos os elementos do equipamento como
mostra a Figura 3. Alteraes nos parmetros fsicos e/ou qumicos do mesmo podem indicar
uma falha iminente do aparelho.
Fonte: WEG Equipamentos Eltricos S.A. Transformadores (Manual)
1.2 ESTADO DA ARTE
H mais de um sculo, o conjunto papel-leo tem sido utilizado como material de
isolao. Em um transformador, possvel encontrar aproximadamente 12 kg de celulose
(papel, carto, etc.) imersos e 40 kg de leo mineral isolante (GODINHO, OLIVEIRA E
SENA, 2010; VRSALJKO, HARAMIJA, HADZI-SKERLEV, 2012). Entretanto, o
envelhecimento do sistema provoca quebra de cadeias de celulose que o fragilizam. Alguns
estudos utilizam o leo apenas como veculo para anlise do envelhecimento do papel
isolante.
Testes regulamentados so utilizados para verificao do grau de envelhecimento do
sistema isolante de transformadores, ou trafos. Os mtodos de ensaio para leo isolante
constam na norma NBR- 10576 - leo mineral isolante de equipamentos eltricos - Diretrizes
para superviso e manuteno e no Regulamento Tcnico ANP N 4/2008, anexo Resoluo
ANP N 36 de 05/12/2008 (COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010).
Esses testes apresentam o inconveniente de, em sua maioria, serem efetuados em
laboratrios, o que exige coleta e transporte de amostras para locais onde so efetuadas as
anlises, demandando custo financeiro e consumo de tempo. Vrias tcnicas vm sendo
testadas na expectativa de se desenvolver um dispositivo por meio do qual se possam realizar
diagnsticos em locais remotos, com confiabilidade e baixo custo. Muitos desses dispositivos
Figura 3: Esquema de refrigerao do transformador por conveco.
-
30
se baseiam na deteco de alguns produtos da degradao que so caractersticas de materiais
especficos, os chamados marcadores (VRSALJKO, HARAMIJA, HADZI-SKERLEV,
2012).
A cromatografia gasosa foi proposta por Tamura R. et al. (1981) na dcada de 80 para
a medio do nvel de xido de carbono dissolvido no leo isolante, indicativo de degradao
do papel isolante. A limitao do mtodo est na possibilidade de o xido de carbono ser
produto tanto da oxidao do leo quanto da degradao do papel. Alm disto, aps a
desgaseificao do equipamento, ou aps a regenerao do leo, os xidos de carbono so
removidos e o papel isolante, apesar de degradado, no apresenta mais esse marcador.
A cromatografia lquida tambm foi apresentada na tentativa de monitoramento de
degradao do sistema, j que a mesma permite verificar a presena de compostos de furano,
um composto orgnico que est diretamente ligado degradao do papel. Apesar de a
correspondncia dos compostos de furano com o grau de viscosidade do leo ter sido
verificada em amostras de laboratrios, isso no foi verificado a contento em amostras de
leos reais (CHEIM ET AL., 2012; CONSEIL INTERNATIONAL DES GRANDS
RSEAUX LECTRIQUES. COMIT D'TUDES, 2012).
Em 2004, em sua tese de doutorado, Silva (2004) apresentou um prottipo de sensor
capacitivo para medir teor de gua em leo (outro marcador), com sensibilidade para
determinar concentraes abaixo de 0,1% (em volume) de gua em leo (nvel tolerado por
norma de 40 ppm). Em 2001, houve o desenvolvimento de uma metodologia com o objetivo
de medir a quantidade de gua em leo atravs de tcnicas ultrassnicas (HIGUTI, 2001).
Um micro sensor capacitivo para a determinao de umidade foi implementado em
2003 (LEE E LEE, 2003). E em 2004, foram desenvolvidos dois sensores de umidade, sendo
um construdo com material compsito nano cristalino constitudo de LaFeO3, e o outro, com
resina de acrlico com polmero quaternrio (WANG et al., 2004).
A presena de fenol em leo de transformador outro marcador indicativo de
iminncia de falha e sua origem est relacionada com a degradao do papel isolante.
Bosworth et al. (2003) apresentaram dois sensores para medio de fenol em leo de
transformador. O mtodo apresentado tem potencial para o monitoramento do fenol nos
transformadores in-situ.
Outro parmetro importante utilizado para avaliar a degradao do sistema a tenso
interfacial do leo. Foi utilizada a anlise de imagens digitais de amostras de leo que foram
tratadas e analisadas em uma escala de cinza j que, apesar de os leos degradados tenderem a
escurecer, as primeiras mudanas so imperceptveis visualmente. A anlise destas imagens,
-
31
aps calibrao, foi relacionada com medidas efetuadas com um tensimetro, obtendo
resultados com erros entre -14% e 16%, aceitveis pela empresa de energia eltrica da regio
onde foi desenvolvida a pesquisa (GODINHO, OLIVEIRA E SENA, 2010). Em 2012 um
pesquisador patenteou um sensor que utiliza um elemento semicondutor para medir a
concentrao de hidrognio no leo isolante. Esse dispositivo foi construdo de maneira que
pode ser instalado no transformador em operao (HERZ, 2012).
Como dito, alguns produtos de degradao so caractersticos de materiais especficos.
Fenis e cresis so marcadores para a degradao de resinas fenlicas presentes no verniz
das bobinas. Foi confirmado que fenol, m-cresol e o-cresol no esto presentes em leos
novos e sua presena pode estar indicando a degradao do sistema isolante. A cromatografia
a lquido de alto desempenho (HPLC do ingls High Performance Liquid Cromatograph)
foi utilizada para a determinao de fenol, m-cresol e o-cresol em leo de transformador
(VRSALJKO, HARAMIJA, HADZI-SKERLEV, 2012).
Metanol e etanol tambm podem ser utilizados como marcadores da degradao do
conjunto papel-leo, apesar da dificuldade de sua deteco devida complexa composio do
leo isolante. Jalbert et al, (2012) apresentou um procedimento que utiliza um mostrador
esttico associado a um cromatgrafo de fase gasosa equipado com um espectrmetro de
massa para a deteco de metanol e etanol em leo isolante. Esse mtodo permite monitorar a
degradao do papel isolante sem a necessidade de retirada de linha do equipamento.
Chatterjee et al. (2013) desenvolveram um dispositivo porttil de diagnstico online
para medir a temperatura e a concentrao de alguns dos gases dissolvidos no leo do
transformador, utilizando um sensor no invasivo baseado em nanopartculas de xido de
zinco. O uso de nanopartculas aumenta a sensibilidade, reduz o tempo de resposta e
miniaturiza o sensor. Dados de cinco gases diferentes foram utilizados para monitorar as
condies do equipamento. O dispositivo desenvolvido utiliza a tcnica da anlise de gases
dissolvidos (DGA do ingls Dissolved Gas Analysis). O sensor foi desenvolvido para ser
acoplado ao equipamento com vlvulas que controlam a vazo do leo para entrada e sada do
mesmo. No intervalo de tempo em que o leo fica no dispositivo, feita a leitura das
concentraes dos gases.
Tcnicas pticas tambm foram relatadas na literatura para anlise da degradao de
leos, como o trabalho apresentado por Arregui et al. (2003) que realizaram um estudo sobre
a sensibilidade ptica de quatro diferentes hidrogis, em relao umidade, para a fabricao
de sensores de umidade baseados em fibra ptica.
-
32
Em 2006, a fluorescncia sincronizada foi utilizada para identificao de leos
isolantes, associada com tratamento quimiomtrico dos dados (ABBAS et al., 2006). Tambm
nesse ano, o mesmo mtodo ptico foi utilizado para monitorar a degradao do leo isolante
comparando-se os resultados obtidos com medidas no infravermelho (DEEPA, SARATHI E
MISHRA, 2006). Um detector utilizando espectroscopia de fluorescncia apresentado por
Ossia et al. (2008), em 2008, como dispositivo para monitorar a degradao do leo
hidrulico, aplicando um conceito definido como razo de fluorescncia intrnseca (FER do
ingls Fluorescence Emission Ratio). Segundo os testes apresentados, a tcnica mostrou-se
suficiente para monitorar a degradao do leo hidrulico.
A variao do ndice de refrao do leo foi o indicador utilizado por pesquisadores
para o desenvolvimento de um sensor de fibra ptica trabalhando no infravermelho prximo
para acompanhamento in situ da formao de etileno, metano, propano e butano no leo
isolante evitando, assim, o risco de exploso do equipamento (BENOUNIS et al., 2008).
A espectrometria de infravermelho prximo (NIR do ingls Near Infrared
Spectroscopy) tambm foi utilizada em 2011 para determinao da tenso interfacial e
densidade relativa dos leos isolantes (PONTES et al., 2011). A avaliao de cinco estratgias
diferentes de regresso apontou para a regresso linear mltipla com sucessiva projeo de
algoritmo (MLR/SPA do ingls Multiple Linear Regression/Successive Projections
Algorithm) como melhor mtodo de modelagem.
A perda da rigidez dieltrica do sistema isolante em transformadores pode ser
provocada tambm pela presena de cobre, tanto no leo quanto no papel isolante. Outros
estudiosos apresentaram um mtodo de determinao do cobre que melhora o limite de
deteco utilizando micro-ondas (BRUZZONITI et al., 2012). A tcnica aplicada foi
Espectrometria de Emisso Atmica por Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-OES do
ingls Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry).
Em 2011, a espectroscopia de fluorescncia foi utilizada para medir a fluorescncia em
leos minerais brutos diludos em Nujol. O diferencial adotado foi a utilizao de um
solvente no voltil nas medies (STEFFENS et al., 2011). No ano de 2013 um grupo de
pesquisadores reportou a aplicao de vrias tcnicas, sendo algumas pticas, para identificar
compostos indicativos do envelhecimento do papel isolante presentes no leo isolante,
utilizando leos coletados de transformadores com idades de uso diferentes (OKABE, UETA
E TSUBOI, 2013). A tcnica de espectroscopia no ultravioleta e visvel (UV Vis do ingls
Ultraviolet-Visible) associada com lgica Fuzzy para analisar o aumento da concentrao de
furano no leo mineral tambm foi reportada nesse ano (ABU-SIADA, LAI E ISLAM, 2012).
-
33
Neste trabalho, realizamos um criterioso estudo do processo de degradao do leo
mineral isolante aps aquecimento sistemtico. Buscamos entender o que acontece com o
material, como a absorbncia e fluorescncia do mesmo se comportam com a progressiva
degradao. Amostras diludas foram utilizadas para a compreenso do fenmeno e, em
seguida, amostras no diludas foram analisadas com a finalidade de usarmos o efeito para
propormos um dispositivo de monitoramento.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo geral
Avaliar o potencial das tcnicas de espectroscopia de absoro e fluorescncia UV
Vis para investigar a degradao induzida termicamente de leos minerais isolantes utilizados
em transformadores e equipamentos eltricos. Verificar como a absoro e a fluorescncia
desse material se alteram medida que o mesmo vai se degradando em virtude de tratamento
trmico.
1.3.2 Objetivos especficos
a) Investigar o efeito da termo oxidao induzida nos leos minerais isolantes, novos e
regenerados puros, com adio de celulose e com adio de celulose e gua nas amostras por
meio de diferentes tcnicas pticas.
b) Avaliar o potencial das tcnicas de absoro UV Vis e de fluorescncia com anlise de
mapas de contorno (excitao emisso), para o monitoramento da degradao do leo
mineral isolante (OMI) utilizado em transformadores, em funo do seu aquecimento.
c) Avaliar a degradao de leos minerais isolantes, novos e regenerados, provocada por
aquecimento, utilizando absoro UV Vis e fluorescncia induzida por um diodo emissor de
luz LED (do ingls Light Emitting Diode).
-
34
d) Fornecer informaes para a aplicao de tcnicas pticas em dispositivos portteis para
serem utilizados no monitoramento da degradao trmica do OMI tanto em ambientes
remotos quanto em laboratrios.
1.4 ORGANIZAO DOS CAPTULOS
Este trabalho foi organizado em cinco captulos. No captulo 1, apresentamos a
relevncia do tema, abordando a necessidade de pesquisa na rea escolhida, com uma reviso
bibliogrfica na qual so apresentados trabalhos relacionados com o tema da pesquisa
desenvolvida. Ao final do captulo, um escopo, delimitando o campo desta pesquisa,
apresentado.
No captulo 2, trazemos a fundamentao terica, na qual o equipamento detentor das
atenes deste trabalho, o transformador, apresentado. O sistema isolante desse
equipamento contm nosso elemento de estudo, o leo Mineral Isolante (OMI). Ainda nesse
captulo, discusses tericas sobre esse material so tambm realizadas. As tcnicas pticas
de espectroscopia moleculares utilizadas so fundamentadas, sendo abordados conceitos
tericos de espectroscopia de absoro na regio do infravermelho, e, de absoro e
fluorescncia nas regies do ultravioleta e visvel (UV Vis).
No captulo 3 trazemos a descrio dos trabalhos realizados com o delineamento do
experimento, a rotina do preparo das amostras e detalhes dos equipamentos com os quais
foram realizadas as medies.
No captulo 4, mostramos os resultados obtidos e realizamos a discusso dos mesmos.
No captulo 5 apresentamos as concluses e mostramos a perspectiva de trabalhos futuros.
-
35
2 FUNDAMENTAO TERICA
2.1 TRANSFORMADORES ELTRICOS
O centro consumidor de energia eltrica encontra-se, geralmente, afastado das usinas
produtoras, gerando a necessidade de transmisso dessa energia. Logo, coexistem pequenos e
grandes fluxos de energia em um sistema de gerao, transmisso e distribuio.
As perdas oriundas do transporte dessa energia por longas distncias podem ser
minimizadas com a elevao da tenso. Essa elevao de tenso necessria obtida com o uso
de transformadores ou trafos.
O transformador definido pela Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT),
como um dispositivo que, por meio de induo eletromagntica, transfere energia eltrica de
um ou mais circuitos (primrio) para outro ou outros circuitos (secundrio), usando a mesma
frequncia, mas, geralmente, com tenses e intensidades de correntes diferentes.
(SAMBAQUI, 2008).
Os transformadores so constitudos, basicamente, de acessrios complementares e
uma parte responsvel pela transformao, que composta de um ncleo ferromagntico e
bobinas (enrolamento primrio e secundrio).
As bobinas so constitudas de fios de cobre isolados com esmalte ou papel, e, o
ncleo, construdo com lminas de material ferromagntico que reduzem a relutncia
magntica, contendo em sua composio silcio, que reduz a perda por variao de
temperatura e histerese no ferro (NEVES, 1999). As lminas que constituem o ncleo so
prensadas isoladamente entre si de modo a evitar as correntes parasitas.
Os acessrios complementares contam com o tanque; buchas, que permitem a
passagem de condutores para o meio externo; radiadores, que auxiliam na refrigerao do
sistema; comutador, que permite variar o nmero de espiras dos enrolamentos de alta tenso e
placa de identificao, que contm todas as informaes caractersticas do equipamento
(NEVES, 1999).
-
36
2.2 ISOLAMENTO ELTRICO E DISSIPAO TRMICA
A partir de 1890, com a elevao das tenses e potncias dos transformadores, foi
necessrio o desenvolvimento de um isolante capaz de fornecer maior isolao interna e
tambm maior dissipao do calor gerado no ncleo e nos enrolamentos. A escolha desse
material no seria fcil, j que elevada condutividade eltrica normalmente acompanhada de
alta condutividade trmica (COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP , 2010).
Seria necessrio o desenvolvimento de um material que apresentasse baixa
condutividade eltrica, de modo a isolar os componentes em carga do equipamento, e alta
condutividade trmica, capaz de conduzir e dissipar o calor gerado no ncleo do equipamento,
proveniente da perda de energia nos fios de cobre, por histerese e devido a correntes parasitas.
Aproveitando-se do fenmeno trmico da conveco, foi desenvolvido, a partir do
petrleo, um isolante lquido que at hoje vem sendo aperfeioado de maneira a atender as
necessidades de refrigerao trmica e isolamento eltrico: o leo mineral isolante (OMI).
Esse lquido associado com o papel isolante representa, considerando-se a relao custo-
benefcio, o melhor sistema dieltrico conhecido para a aplicao pretendida.
Amplamente utilizado, o OMI apresenta o problema do descarte aps seu perodo de
vida til. Mtodos de reaproveitamento do produto (recondicionamento e regenerao) foram
desenvolvidos (THOMAZ et al., 2005). Tambm existe no mercado o leo isolante de origem
vegetal, mas cujo custo financeiro ainda inviabiliza sua aplicao em larga escala.
2.3 LEO MINERAL ISOLANTE
2.3.1 Composio
Como produto derivado do petrleo, o OMI formado basicamente por tomos de
carbono e hidrognio (hidrocarboneto). Apesar dessa aparente simplicidade, as propriedades
fsico-qumicas dos hidrocarbonetos sofrem sensveis alteraes, tanto quando se altera a
forma de ligao dos tomos de carbono, quanto quando se altera o nmero de tomos de
hidrognio e carbono da molcula.
Dizemos que o hidrocarboneto saturado quando na cadeia carbonada s existem
ligaes covalentes simples. Se existirem ligaes covalentes duplas ou triplas entre os
tomos de carbono, trata-se de um hidrocarboneto insaturado.
-
37
Os hidrocarbonetos dividem-se em dois grandes grupos, como se pode observar na
Figura 4: os alifticos, que podem ser de cadeias cclicas (fechadas) ou acclicas (abertas) e
que no possuem anis benznicos em sua composio, e, os aromticos, que so aqueles que
possuem em sua composio pelo menos um anel benznico, ou anel aromtico (C6H6).
Figura 4: Classificao dos hidrocarbonetos.
Fonte: Do prprio autor.
Na indstria petrolfera os hidrocarbonetos saturados de cadeia aberta so conhecidos
como parafinas, enquanto os saturados de cadeia fechada so chamados naftenos. Os
hidrocarbonetos no saturados de cadeia aberta so conhecidos como oleofnicos e os alcinos,
como acetilnicos. Esses dois ltimos so indesejveis no leo isolante sendo eliminados no
refino (COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010).
2.3.2 Caractersticas do leo mineral isolante
Uma vez que o leo entra em contato com os elementos que compem o
transformador, sua composio deve ser quimicamente pouco ativa. Com isto, opta-se pelos
hidrocarbonetos saturados (parafnicos e naftnicos). Contudo, compostos aromticos so
Alcanos1 ligao simples
CnH2n+2
Alcenos1 ligao dupla
CnH2n
Alcinos1 ligao tripla
CnH2n-2
Ciclo - alcanosLigaes simples
CnH2n
Ciclo - alcenos1 Ligao dupla
CnH2n-2
Ciclo - alcinos1 ligao tripla
Cadeia aberta Cadeia fechada
ALIFTICOS AROMTICOS
HIDROCARBONETOS
Alcadienos2 ligaes duplas
-
38
adicionados buscando aumentar a estabilidade trmica do leo, conferindo-lhe melhor
desempenho e maior vida til (COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP,
2010). Portanto, as propriedades fsico-qumicas do leo isolante sero dadas por uma mdia
ponderada das propriedades das substncias que o compe, quais sejam os hidrocarbonetos
parafnicos, naftnicos e aromticos.
Na Figura 5, verificamos algumas propriedades dessas substncias, de maneira a
justificar a opo pela proporo de hidrocarbonetos adotada na composio qumica do leo
isolante utilizado nos transformadores.
Figura 5: Variao de propriedades fsico-qumicas de acordo com o grupo de
hidrocarbonetos.
Fonte: Dados dispostos pelo autor retirados de (CESP, 2010).
O leo isolante deve, com o auxlio do papel, isolar os componentes submetidos
diferena de potencial (ddp) e dissipar o calor interno, impedindo a degradao. Ele no pode
ter baixa rigidez dieltrica, formar borras, sedimentos, deixar de circular convectivamente a
baixas temperaturas, atacar materiais do transformador, ter baixo ponto de combusto nem
acumular umidade (COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010).
Ficou comprovado, atravs do uso e aplicao de leos isolantes em equipamentos
eletromecnicos por mais de 5 dcadas de operao, que a composio ideal do leo isolante
de 12% de aromticos, 36% de parafinas e 52% de naftnicos (COMPANHIA ENERGTICA
DE SO PAULO - CESP, 2010).
Com o uso, o leo isolante pode sofrer alteraes indesejveis em algumas
propriedades fsico-qumicas, sendo ento necessrio efetuar um tratamento adequado para
que o mesmo apresente condies prximas s iniciais, de maneira que possa ser reutilizado.
Se ocorrer contaminao por gua e/ou impurezas slidas, que diminuem a capacidade de
isolamento do leo, sem alterar a sua composio qumica, basta efetuar uma secagem e uma
filtrao. Este processo chamado recondicionamento do leo, sendo esta a manuteno
Parafnicos
Naftnicos
Aromticos
Ponto de ebulioPoder de solvncia
DensidadeSolubilidade da gua no leo
SaturaoOxidao/Envelhecimento
Ponto defluidezFormao de gases
Aromticos
Naftnicos
Parafnicos
-
39
mais comum que se efetua no leo isolante. Se ocorrer oxidao do leo, ou seja, alterao em
sua composio qumica, o simples recondicionamento no resolver o problema.
necessrio efetuar tratamento qumico do leo para restituir-lhe parte das propriedades
naturais. Este tratamento poder ser uma nova extrao por solvente seletivo ou, o que mais
comum, o contato com argila especial, a chamada terra fuller (COMPANHIA
ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010). O tratamento com argila objetiva a
regenerao do leo e propicia a eliminao dos produtos da oxidao por filtragem,
absoro (fator principal) e atividades catalticas por parte da terra fuller (PILUSKI E
HOTZA, 2008).
O grau de oxidao do leo avaliado por ensaios fsico-qumicos que procuram a
presena de indicadores de oxidao tais como presena de gua, resduos ou lama, alta perda
dieltrica e acidez, alm de baixos valores de tenso interfacial e rigidez dieltrica. A
oxidao forma cidos, borras, gua e outras impurezas que afetam as propriedades dieltricas
do leo. Ela caracterizada por valores baixos de tenso interfacial e altos de acidez, j que os
demais indicadores citados podem sofrer alterao com a diminuio da capacidade de
isolao do leo, por exemplo, atravs de contaminao de partculas slidas e umidade,
mesmo sem ocorrncia de oxidao.
Para resistir oxidao, tanto o leo envelhecido regenerado, ou mesmo o leo novo,
porm com baixo teor de aromticos, so acrescidos de inibidores (antioxidantes). Os
processos de regenerao devolvem ao leo todas as suas propriedades fsico-qumicas
desejadas, exceto a estabilidade a oxidao, por isso a necessidade de adicionar inibidores ao
leo (COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010).
2.3.3 Mecanismos de oxidao do leo mineral isolante
Durante a utilizao do leo mineral isolante, o processo normal de envelhecimento
provocado pelas reaes de oxidao acelerado devido presena de elementos
catalisadores, tais como gua, oxignio, calor, cobre e outros compostos metlicos
(LIPSTEIN E SHAKNOVICH, 1970). Como consequncia, os leos tm suas propriedades
dieltricas afetadas, h formao de cidos, alterao na cor e, em casos extremos,
precipitao de borra.
Existe uma diferena entre o leo contaminado e o leo deteriorado. O primeiro
apresenta substncias que no fazem parte de sua composio, tais como gua, partculas
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40
slidas, etc. O segundo aquele que apresenta produtos oriundos da oxidao (ROCHA,
2007).
O leo mineral sofre o processo de degradao em trs etapas distintas. Primeiro
formam-se perxidos instveis quimicamente que liberam oxignio e reagem com o papel
isolante formando compostos oxi-celulsicos. A segunda etapa caracterizada pela formao
de gases, e, a ltima etapa consiste na formao de borra que, normalmente, consiste em uma
substncia resinosa que surge da polimerizao a partir de cidos e outros compostos (SILVA
et al., 2001).
A seguir, na Tabela 1, mostramos o mecanismo de peroxidao, a primeira das trs
etapas do processo de degradao do leo, que comanda a oxidao dos hidrocarbonetos.
Tabela 1: Reao em cadeia da degradao do leo mineral isolante.
Etapa Descrio Reao
1 Formao de radical
livre
2 Formao de radical
perxido
3 Formao de
hidroperxido
4
Transformao de
radical hidroperxido
em radical perxido
Fonte: Dados dispostos pelo autor.
As etapas apresentadas na Tabela 1 formam uma reao em cadeia. Para uma
temperatura constante, a velocidade dessa reao cresce exponencialmente com o tempo.
Muitos produtos da oxidao so formados aps os hidroperxidos. A tabela 2 mostra que,
dependendo da espcie de hidroperxido de origem, o produto formado diferente
(LIPSTEIN E SHAKNOVICH, 1970).
R HO2
R*
R* + O2 R O O*
R O O* + R H R O O H + R*
ROOH + O2 ROO* + *OH
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41
Tabela 2: Hidroperxido de origem e produtos de oxidao.
Hidroperxido de origem Produto Estrutura
Primrio Aldedo e
cido
Secundrio Cetona e cido
Tercirio lcool e
cetona
Fonte: Dados dispostos pelo autor.
Os produtos intermedirios da oxidao (lcoois, aldedos e cetonas) formam cidos
carboxlicos na presena de oxignio (LIPSTEIN E SHAKNOVICH, 1970). Colaborando
com o processo de degradao, o aumento da acidez do leo ataca os constituintes do
equipamento, o que contribui para a formao de radicais livres. Forma-se gua, que contribui
para o processo de deteriorao. Finalmente, a reao de vrias molculas leva formao de
um composto com massa molecular elevada, higroscpica, insolvel e com caractersticas
cidas a borra (MILASH, 1984).
2.3.4 Recondicionamento e regenerao do leo mineral isolante
O recondicionamento consiste em retirar, por processos fsicos, certos contaminantes
que podem comprometer o equipamento, tais como slidos em suspenso, gua dissolvida
e/ou livre, ar e outros gases dissolvidos atravs da circulao do mesmo em uma mquina
purificadora (COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010). Esta mquina
R CH2 OOH
R C
O
H+ H2O
R C
O
OH
+ H2
CH OOHR
R
C
O
RR
+ H2O
R C
O
OH+ RH
R C OOH
R
R
R C COOH + O*
R
R
C
O
RR
+ R OH
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42
deve possuir dispositivos de filtragem e de aquecimento, alm de uma cmara de vcuo para
executar a desgaseificao e secagem do leo.
Esse recondicionamento pode ser realizado em purificadoras mveis ou fixas. No
primeiro caso, leva-se a purificadora at o local de instalao do transformador e o leo pode
ser recondicionado por bombeamento direto para a purificadora, retornando em seguida ao
trafo, ou, pode ser retirado do mesmo, acondicionado em um tanque para receber o
recondicionamento e, em seguida, retornar ao transformador. No segundo caso, a carga de
leo a ser tratada transportada at o local de instalao da purificadora, recebe o
recondicionamento e retorna ao local de utilizao.
A regenerao o processo responsvel pela retirada de produtos de oxidao e
contaminantes cidos ou coloidais, de maneira a garantir a total eliminao desses
contaminantes, tornando o leo usado em condies de reutilizao (COMPANHIA
ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010).
A regenerao pode ser dividida em dois grupos:
I. Processo fsico-qumico de regenerao:
Processo que se baseia na propriedade que um slido apresenta de reter em sua
superfcie fina camadas de coloides, vapores, solutos, gases e lquidos a adsoro. Essa
propriedade pode ser inerente ao material ou obtida aps tratamento especfico.
So utilizados como materiais adsorventes no tratamento do leo mineral isolante as
terras fuller materiais terrosos com propriedades adsorventes naturais, bentonita fraco
adsorvente e atapulgita, alm da bauxita ativada que adquire propriedades adsorventes aps
tratamento e carvo ativado que resduo da destilao destrutiva de ossos e certos vegetais
(COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010).
A adsoro pode ser feita por contato ou percolao. No processo de adsoro por
contato, tritura-se o adsorvente que ento misturado ao leo, sendo essa mistura aquecida e
agitada. Nesse processo, as impurezas so adsorvidas pelo adsorvente que, na sequncia,
eliminado do leo por um processo complementar de recondicionamento.
A adsoro por percolao consiste em filtrar o leo atravs de um material
adsorvente. Essa percolao pode ser por gravidade ou presso. Na percolao por gravidade
o material passa por trs tanques instalados em nveis diferentes, sendo a inicial (mais alta)
com o leo a tratar, o intermedirio, com o material adsorvente, e, o ltimo (mais baixo), para
reservao do leo tratado. O leo se movimenta entre os tanques por foras gravitacionais. O
processo de percolao por presso se diferencia do anterior por utilizar uma presso positiva
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43
para fazer o leo circular dentro do sistema (COMPANHIA ENERGTICA DE SO
PAULO - CESP, 2010).
II. Processo qumico de regenerao;
Consiste em uma operao qumica suficiente para remover as impurezas no
removveis por qualquer outro processo de tratamento. Algumas impurezas reagem com
certos reagentes qumicos e formam substncias que, sendo insolveis em leo e em gua ou
solveis em gua, podem ser eliminados por centrifugao e decantao. Caso as substncias
formadas sejam solveis em leo, devem receber tratamento qumico adequado para se
enquadrarem na condio anterior.
Para a realizao do processo qumico de regenerao, trs reagentes podem ser
utilizados: silicato de sdio, fosfato trissdico e cido sulfrico, sendo o ltimo evitado por
questes ambientais. O processo qumico de regenerao no pode ser realizado isoladamente.
Ele necessita de tratamento complementar de regenerao por adsoro e operaes de
recondicionamento (COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010).
Aps processos de regenerao o leo mineral isolante apresenta resistncia
oxidao mais baixa que os leos novos. Tal fato tem origem na deteriorao ocorrida durante
o tempo de utilizao, e tambm, por perda de antioxidantes naturais durante o processo de
regenerao. Para contornar esse problema, leos regenerados recebem, na proporo de 3%
em volume, adio do produto 2-6 ditercirio-butil-para-cresol, o DBPC, que um excelente
antioxidante e no interfere nas caractersticas dieltricas do leo (COMPANHIA
ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010).
2.3.5 Ensaios para o leo mineral isolante (ARAJO, 1999; GUIMARES, 2006;
(COMPANHIA ENERGTICA DE SO PAULO - CESP, 2010)
Para atestar as qualidades do leo, so utilizados ensaios cujos mtodos constam na
norma NBR-10576 - leo mineral isolante de equipamentos eltricos - Diretrizes para
superviso e manuteno e no Regulamento Tcnico ANP N 4/2008, anexo Resoluo
ANP N 36 de 05/12/2008.
A Associao Brasileira de Normas Tcnicas ABNT apresenta valores de referncia
para a verificao das caractersticas do leo atravs de mtodos especficos, que so
apresentados juntos s caractersticas consideradas. So empregadas as NBR (Normas
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Brasileiras Registradas), IEC que se referem s normas brasileiras que possuem
compatibilidade com as diretrizes criadas pela Comisso Eletrotcnica Internacional (IEC
do ingls International Electrotechnical Commission). Tambm podem ser utilizados mtodos
padronizados pela ASTM (do ingls American Society for Testing and Materials).
i) Ensaios fsicos.
a) Cor: Reflete a pureza do produto. Variaes na cor so um indicativo rpido e de razovel
preciso do estado de envelhecimento ou oxidao do leo. O resultado obtido por
comparao com cores padro e expresso em um nmero na faixa de 0,5 a 8.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 14483.
Limite: mximo 1,0.
b) Inspeo visual: Permite a otimizao nas anlises laboratoriais quanto frequncia de
execuo, pois se trata de uma determinao rpida, no campo, das condies aproximadas de
oxidao ou contaminao do leo isolante.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: visual.
Limite: Deve ser claro, lmpido e isento de impurezas.
c) Ponto de fulgor: Permite avaliar a inflamabilidade do leo. um indicativo da volatilidade
do leo e tambm permite determinar a contaminao por materiais inflamveis, estando
associado, ento, segurana no armazenamento. definido como a menor temperatura, sob
condies controladas, na qual o produto se vaporiza em volume suficiente para, junto com o
ar, formar uma mistura capaz de inflamar-se momentaneamente quando se aplica uma chama
piloto sobre a mesma.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 11341.
Limite: mnimo de 140 oC.
d) Tenso interfacial: um indicativo claro e preciso do estado de degradao do leo usando
o conceito de contaminao do leo por substncias polares.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 6234.
Limite: mnimo de 40 mN/m a 25 oC.
e) Ponto de fluidez: Para estabelecermos o desempenho nas condies de uso em que o leo
submetido a baixas temperaturas ou em climas frios, necessrio o conhecimento da
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temperatura mnima segura para operao de equipamentos eletromecnicos o ponto de
fluidez do leo. Ele definido como a menor temperatura na qual o leo lubrificante flui
quando sujeito a resfriamento sob condies controladas de teste.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 11349.
Limite: -39 oC para leo isolante tipo A e -12 oC para leo isolante tipo B.
f) Densidade: Propriedade determinada com auxlio de instrumentos chamados densmetros,
auxilia na caracterizao do leo quanto composio da cadeia carbnica. Juntamente com
os ensaios de viscosidade e ndice de refrao, determina relativamente a qualidade do
produto.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 7148.
Limite: mximo de 861,0 a 900,0 Kg/m para leo isolante tipo A e 860,00 Kg/m para leo
isolante tipo B.
g) Viscosidade: a resistncia de um fluido ao escoamento. Para este ensaio utilizado o
viscosmetro de tubos capilares. O seu conhecimento extremamente importante para se
equacionar, quando do projeto, a circulao do fluido nos equipamentos. O conhecimento da
sensibilidade da viscosidade temperatura importante nos leos lubrificantes. Geralmente,
desejvel uma pequena alterao de viscosidade com a temperatura. Esta grandeza est
relacionada tambm com a capacidade de transferncia de calor do leo.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 10441.
Limite: mximo na temperatura de 20 oC de 25,0 mm/s (centistokes cSt). Para
temperatura de 40 oC o limite mximo 12,0 mm/s e na temperatura de 100 oC, o valor
mximo admitido 3,0 mm/s.
h) ndice de Refrao: possvel, com este ensaio, determinar a presena de contaminantes
no leo atravs de comparao de resultados antes e depois, ou mesmo identificar uma
carga de leo, porm sem quantizar os contaminantes e/ou componentes.
uma caracterstica sem requisitos normativos, de carter informativo em relao ao
lote analisado.
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ii) Ensaios eltricos.
a) Rigidez dieltrica: O menor valor de tenso eltrica capaz de formar um arco voltaico no
leo, sob condies determinadas de ensaio recebe o nome de rigidez dieltrica. o mais
difundido ensaio para leo isolante, e indica a contaminao por gua ou partculas slidas
condutoras.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: Para eletrodo de disco 6869; Para eletrodo de calota
601560.
Limite: Mnimo de 30 KV para eletrodo de disco e 42 KV para eletrodo de calota.
b) Tendncia evoluo de gases: caracterstica que mede a tendncia de um leo absorver ou
desprender gases (normalmente o hidrognio), sob determinadas condies controladas de
teste. Um valor positivo indica desprendimento de gases, enquanto um valor negativo
significa absoro de gases, importante para a operao segura do equipamento.
Mtodo ASTM: D 2300.
Limite: Deve-se anotar a tendncia em L/min.
c) Perdas dieltricas: Teoricamente, os testes de rigidez dieltrica deveriam apresentar
resultados iguais aos de perdas dieltricas. No entanto, na prtica, a sensibilidade do ensaio de
rigidez dieltrica no suficiente para detectar as perdas dieltricas no seu incio, quando se
deseja acompanhar sua evoluo.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 12133.
Limite: mximo na temperatura de 25 oC de 0,05%. Para temperatura de 90 oC o limite
mximo 0,40% e na temperatura de 100 oC, o valor mximo admitido 0,50%.
iii) Ensaios qumicos.
a) Carbono aromtico: Utilizando resultados de ensaios padronizados de viscosidade,
densidade e ndice de refrao, podemos determinar a composio da cadeia carbnica que
atribuem as propriedades ao OMI. Proporciona-se informao suficiente para chegarmos ao
percentual, em peso, dos tomos de carbono combinados em cadeias parafnicas, anis
naftnicos e anis benznicos.
Mtodo ASTM: D 2140.
Limite: Anotar o valor em % da massa total.
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b) Cloretos e sulfatos inorgnicos: O surgimento de ons dissolvidos pode afetar a qualidade
do leo, piorando sua condio dieltrica e tornando-o corrosivo. A norma indica que o OMI
deve ser livre de cloretos e sulfatos inorgnicos.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 5779.
Limite: ausente.
c) ndice de acidez: O fenmeno da degradao ou oxidao sofrido pelo leo devido
operao em temperaturas superiores ambiente provoca um aumento no seu teor de cidos.
O acompanhamento da acidez de um leo permite realizar inferncias sobre sua qualidade:
uma medida da quantidade de substncias cidas presentes no leo e indica a eficincia do
processo de neutralizao dos resduos cidos resultantes do tratamento do leo. O resultado
expresso em mg KOH/g.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 14248.
Limite: mximo de 0,03 mg KOH/g.
d) Teor de inibidor de oxidao: Para os leos regenerados, os inibidores de oxidao passam
a ter importncia fundamental, j que o processo de regenerao restitui ao leo todas as
propriedades perdidas, com exceo da estabilidade oxidao. Os inibidores de oxidao
normalmente empregados so o 2,6 diterciario-butil-paracresol (DBPC) e o 2,6 diterciario-
butil-fenol (DBP).
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 12134 A.
Limite: Para leo no inibido no detectvel. Para leo inibido, o valor mximo admitido
de 0,33% em massa.
e) Estabilidade Oxidao: Aplica-se um conjunto de provas em uma amostra de leo (novo
ou regenerado), submetida a um envelhecimento acelerado em laboratrio e extrapolam-se os
resultados para se obter valores correspondentes ao envelhecimento natural nas condies
reais de operao. Indica a capacidade de resistncia oxidao do leo quando submetido a
longos perodos de estocagem ou condies dinmicas de uso e define a vida til do leo. O
resultado expresso em aumento do ndice de acidez total (mg KOH/g) e formao de borra.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 10504.
Limite: Para o ndice de acidez total, aumento de no mximo 0,40 mg KOH/g e para a
formao de borra, o limite 0,10% em massa.
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f) Enxofre corrosivo: O petrleo bruto, origem do leo isolante, apresenta em sua
composio, alm de hidrocarbonetos, pequena frao de enxofre, nitrognio e oxignio.
Esses elementos so polares e, portanto, no desejveis no leo isolante. Por ser um teste
qualitativo, como resultado, obtemos apenas corrosivo e no corrosivo.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 10505.
Limite: No corrosivo.
g) Teor de gua: A presena de gua no leo acelera o processo de degradao. Essa gua
pode vir como subproduto de reaes qumicas ou por fontes externas. Testes devem ser
executados de forma a detectar a contaminao por gua em limites acima do estabelecidos
em norma, pois sua presena est relacionada a perdas nas propriedades dieltricas.
Mtodo ABNT NBR e NBR/IEC: 10710 B.
Limite: Mximo de 35,0 mg H2O/Kg.
2.4. ESPECTROSCOPIA MOLECULAR
2.4.1 Introduo
A primeira anlise da luz refletida a partir de um slido ou lquido feita pelo olho
humano, que, pode-se dizer, faz o papel de um detector. Mesmo que percebamos a luz branca
como homognea e uniforme, ela , na verdade, composta de uma mistura de comprimentos
de onda que vo do ultravioleta at o infravermelho. Alm das radiaes citadas, uma srie de
outras podem ser encontradas na natureza. So radiaes constitudas pela oscilao de
campos eletromagnticos que se movem com a mesma velocidade, quando se encontram no
mesmo meio, e que diferem por suas frequncias e comprimentos de onda. Esse conjunto de
campos eletromagnticos constitui o chamado espectro eletromagntico. A luz visvel
apenas uma frao desse espectro, sendo que sua composio pode ser observada por meio de
experimentos simples, tais como incidir em um prisma um estreito feixe de luz branca, ou,
ainda, observar a formao do arco ris quando a luz solar atravessa gotas dgua.
A espectroscopia molecular o estudo da interao entre a radiao eletromagntica e
a matria. Diferentes tcnicas de espectroscopia tm sido desenvolvidas, dependendo da
-
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regio do espectro utilizada para excitao da substncia. A Tabela 3 apresenta alguns desses
mtodos.
Tabela 3: Mtodos espectroscpicos e sua faixa de operao.
Fonte: Disponvel em http://www.cursosavante.com.br/cursos/curso547/conteudo7893.pdf. Acesso em
10/08/2013.
2.4.2 Absoro de radiao eletromagntica.
A absoro de uma quantidade discreta de energia o processo fundamental na
espectroscopia de absoro, embora seja diferente o efeito da absoro nas regies
ultravioleta, visvel e infravermelho. A energia da radiao eletromagntica que provoca uma
transio de um estado de menor energia (E1) para um estado de maior energia (E2) deve ser
exatamente igual diferena de energia entre os estados envolvidos.
A Figura 6 mostra a transio de estado provocada pela absoro de um quantum de
energia (fton) com energia , onde h a constante de Planck e sua frequncia.
Absoro de
microondas0,75 375 mm 13 a 0,03Rotao de molculas
Ressonncia Magntica
Nuclear0,6 10 m 1,7 x 10
-2 a 1 x 10
-3Spin de ncleos em um
campomagntico
Absoro, emisso e
fluorescncia no UV-Vis180 780 nm 5 x 10
4 a 1,3 x 10
4Eltrons ligados
Absoro no IV e
espalhamento Raman0,78 300 m 1,3 x 10
4 a 33
Rotao/vibrao de
molculas
Absoro, emisso,
fluorescncia e difrao
de raios-x
0,1 100 Eltrons internos
Absoro de ultravioleta
de vcuo10 180 nm 1 x 10
6 a 5 x 10
4Eltrons ligados
Emisso de raios gama 0,005 1,4 Nuclear
Tipo de transio
quntica
Tipo de
espectroscopia
Faixa de comprimento
de onda usual
Faixa de nmero de
onda usual, cm-1
-
50
Figura 6: Transio de estado provocada pela absoro de um quantum de energia (fton).
Fonte: Dados dispostos pelo autor.
Logo:
= = =
(1)
onde e so as energias dos estados envolvidos na transio, a energia da radiao
eletromagntica que est sendo absorvida, a constante de Planck (6,624 . 10-27 erg.s-1),
a frequncia da luz incidente em Hz, a velocidade da luz (2,998 . 1010 cm.s-1) e o
comprimento de onda em cm.
Essa equao indica que, quanto maior a frequncia, maior a energia e menor o
comprimento de onda. medida que avanamos das micro-ondas em direo ao
infravermelho, ultravioleta e raios csmicos, estamos gradualmente nos movendo para regies
de energia mais alta.
Para a investigao da matria, podem ser utilizadas todas as regies do espectro
eletromagntico. Em nosso trabalho, analisaremos apenas as absores nas regies do
infravermelho mdio, visvel e ultravioleta.
A espectroscopia de absoro UV Vis aplicada ao estudo de compostos orgnicos
estuda as transies envolvendo nveis de energia eletrnicos associados a orbitais ligantes e
antiligantes * (PAVIA, LAMPMAN E KRIZ, 2010).
A espectroscopia no infravermelho se basei