Como máquina estática, o transformador elétrico é considerado um dos mais eficientes equipamentos produzidos pelo homem. Seu rendimento pode chegar a mais de 98%, dado os projetos e métodos construtivos mais modernos que podem ser obtidos em conformidade com as normas vigentes (leia-se ABNT NBR 5440 e 5356 com suas diversas partes).
Os materiais isolantes utilizados nestes equipamentos devem ter um alto grau de pureza, pois normalmente trabalham com tensões elevadas (no caso de transformadores de média, alta, e extra alta tensão, por exemplo) e devem ser submetidos à ensaios elétricos que demandam até quinze vezes suas tensões e correntes nominais em seu interior.
Os principais isolantes em transformadores a óleo são os papéis, vernizes, madeira e tintas, que se degradam com o tempo devido à diversos fenômenos, principalmente como a eletrólise – “decomposição de um composto em seus componentes mediante a passagem de uma corrente elétrica numa solução”.
Isoladores (buchas) de baixa, média e alta tensão
Os isoladores (também chamados de “buchas”) normalmente são fabricados em porcelana e devem ser isentos de impurezas. São esmaltados nas partes externas, para evitar a absorção de impurezas e facilitar a limpeza. Com distância adequada para evitar a ruptura da tensão para as outras fases, construídos de forma a facilitar a refrigeração dos condutores internos e com “saias” para evitar a passagem de tensão para a massa/terra (carcaça) em dias de umidade extrema ou chuvosos.
Papéis isolantes – finalidade e tipos mais comuns
Os papéis isolantes, utilizados nas bobinas e derivações (chicotes) de alta tensão devem ser quimicamente neutros e mecanicamente resistentes de acordo com o projeto do equipamento. Não são admitidos materiais plásticos e/ou pigmentados. Buscando uma otimização do processo de isolamento do papel, o equipamento deve passar por um processo de secagem da parte ativa – para evitar que o papel absorva umidade excessiva, que será “devolvida” ao transformador durante sua operação – e ventilação, exaustão, controle da temperatura da estufa para secagem, de forma que a maior parte da umidade existente seja eliminada. A temperatura para este processo não deve ser maior que 100°C.
A qualidade do papel pode ser mensurada em laboratório, antes ou após a operação do equipamento; com uma pequena amostra de “sacrifício” do material isolante (isto é, literalmente “arrancar” um pedaço de papel para testes) que pode ser retirada de cada local a ser isolado.
Normalmente, cada amostra de papel que corresponde a uma área de 12 a 24 mm² (ou dependendo da solicitação do laboratório onde serão realizados os testes), sendo uma amostra das bobinas de baixa tensão, uma das bobinas de alta tensão e um dos chicotes de derivação. Estas amostras são submetidas ao teste do grau de polimerização da celulose.
Fonte: Myers, S. D. A guide to transformers maintenance, 1981.
Os tipos mais comuns de papéis isolantes encontrados no mercado para transformadores são o papel kraft e o presspan.
Papel presspan (ou presspahn)
“Presspahn” ou Presspan é a denominação genérica de uma determinada classe de papelões, cujas características básicas são: ter no mínimo 16 camadas por mm de espessura, ter alta compactação, e consequentemente alto peso específico.
São papéis utilizados basicamente para isolamento elétrico, sendo o Isopress um material de alta densidade, e o 3051 de média densidade. Na sua fabricação não se empregam cargas, colas ou corantes. São fortemente prensados no estado úmido e intensamente calandrados no estado seco, obtendo-se assim uma elevada resistência mecânica, dielétrica e estabilidade dimensional. É fabricado de maneira a se obter as especificações técnicas prescritas nas normas DIN 7733, DIN 40600 e IEC 60641-3-1.
Papel kraft
Usualmente para transformadores a óleo, as bobinas fabricadas com papéis revestidos com papel kraft do tipo diamantado são capazes de resistir às forças axiais de curtos-circuitos. O papel kraft comum ou dielétrico é amplamente utilizado para embalagens e outras aplicações onde há presença de fluidos. O revestimento do papel kraft para transformadores combina forte interligação com canais através dos quais o ar é evacuado antes do enchimento de óleo. Isso reduz os bolsões de gás na bobina e diminui muito as falhas por efeito corona quando em serviço.
Óleos dielétricos para transformadores
O óleo dielétrico – dielétrico porque dependendo de suas características pode ser isolante ou condutor – provém a maior parte da refrigeração e a isolação elétrica das partes internas do transformador, suprindo duas funções importantes ao mesmo tempo.
A refrigeração também é facilitada através dos radiadores dos transformadores, no qual o óleo, quando aquecido, faz a troca de calor com o ambiente e realiza um movimento cíclico, onde o fluido quente vai até o ponto mais alto – o topo do óleo – e escorre pelas aletas dos radiadores sendo resfriado pela troca de calor com o ar. Este chega ao fundo do tanque do transformador e reinicia devido a um movimento de convecção novamente.
A isolação líquida da parte ativa do equipamento é de suma importância, visto que as distâncias entre partes energizadas são muito próximas e sujeitas a variações de tensão que podem formar arcos elétricos. As características ideais para fluido isolante para equipamentos elétricos decorrem das funções que lhe são exigidas, como:
- alta rigidez dielétrica
- baixo fator de dissipação
- alta condutividade térmica
- viscosidade adequada
- boa estabilidade química, térmica e elétrica
- absorção de gases
- fluidez a baixas temperaturas
- boa volatilidade
- alto ponto de fulgor
- baixo poder solvente
- extinção do arco voltaico
- baixa inflamabilidade
- não tóxico
- biodegradável (dependendo do tipo do óleo)
Não há óleo dielétrico no mercado que possua todas estas características reunidas, portanto, no projeto do equipamento, as limitações de cada fluido devem ser levadas em consideração.
Os óleos mais comuns utilizados para transformadores são:
Óleo naftênico
De base mineral e sem inibidor (sem antioxidante). Nesse caso, o óleo é de natureza asfáltica e possui pouca parafina em sua composição. Este tipo de fluido é utilizado em transformadores, porém pouco em comparação ao de base parafínica.
Óleo parafínico
De base mineral e natureza parafínica, tendo necessariamente de serem acrescidos antioxidantes para seu uso em equipamentos elétricos. É o mais utilizado em transformadores imersos em óleo isolante, por sua excelente performance principalmente na alta tensão. No mundo há uma maior predominância de petróleo de base parafínica. Este petróleo praticamente não contém asfalto em sua composição e como consequência, os óleos parafínicos gerados da sua refinação, tiveram um maior emprego na fabricação dos lubrificantes.
Óleo de silicone (ésteres)
Compostos conhecidos desde o início do século, mas a partir dos anos 1970 quando problemas ecológicos associados aos PCB (Bifenilas Policloradas), potencialmente carcinogênicas, começam a preocupar estudiosos do mundo todo principalmente quando falamos no óleo conhecido como Askarel. Em 1981 ele é proibido no Brasil por uma Portaria Ministerial, sendo importado até o ano de 1989 por aqui.
Óleo vegetal
Biodegradável, mais viscoso e com alta absorção de umidade, a utilização do óleo vegetal tem sido amplamente discutida, porém pouco utilizada. As especificações para este tipo de fluido dielétrico são bastante diferentes dos óleos minerais e ésteres:
Fonte: NBR 15422 – características do óleo vegetal isolante novo.
Eletrólise, sobreaquecimentos internos e suas consequências no transformador
Como já dito anteriormente, a decomposição dos isolantes dentro do transformador devido à passagem de corrente elétrica, que gera aquecimentos nos compostos, é chamada eletrólise. Este fenômeno, em curto ou longo prazo (dependendo da temperatura de operação interna do transformador) ocasiona desprendimento de pequenas quantidades de água, ferrugem e outros contaminantes polares que se desprendem da tinta, vernizes e do papel. Esta combinação contaminante começa a saturar o óleo isolante, aumentando sua viscosidade e diminuindo sua capacidade de refrigeração e isolamento, provocando um agravante no aumento da temperatura, diminuindo a rigidez dielétrica, colocando o equipamento em risco.
Em transformadores recuperados, a limpeza do tanque e a limpeza e secagem da parte ativa são fundamentais como forma de eliminar depósitos de partículas contaminantes do óleo, evitando assim a diminuição das propriedades físico-químicas do óleo e a formação de gases combustíveis. As partículas contaminantes são carbonizadas com o aquecimento do transformador, que podem ser verificadas em análises laboratoriais devido à formação de Acetileno (C2H2) dentro do óleo isolante.