ÓLEOS VEGETAIS COMO SUBSTITUTO PARA ÓLEOS MINERAIS ISOLANTES

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1 ÓLEOS VEGETAIS COMO SUBSTITUTO PARA ÓLEOS MINERAIS ISOLANTES Marco Antonio Ferreira Finocchio 1 (Prof. Mestre em Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR, Campus Cornélio Procópio, PR. mafinocchio@utfpr.edu.br) Jeferson Gonçalves Ferreira 2 (Engenheiro Eletricista, Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR, Campus Cornélio Procópio, PR. jefersongf_07@hotmail.com) Dr. Marcio Mendonça 3 Engenheiro Eletricista (Prof. Doutor em Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR, Campus Cornélio Procópio, PR. mmendoncautfpr@gmail.com Resumo: O presente artigo aborda os óleos vegetais com potencial de utilização no setor elétrico. Apresenta as características dielétricas necessárias para um fluído isolante ser aplicado em equipamentos elétricos. Para atender suas diversas aplicações, e diferentes caracterizações dos óleos vegetais e seus derivados químicos. Os resultados dos valores especificados dos ésteres orgânicos sintéticos foram comparados com óleos minerais. As propriedades elétricas dos produtos de origem vegetal são análogas aos fluidos isolantes convencionais. Particularmente, a rigidez dielétrica do óleo vegetal é tão elevada quanto à do óleo mineral. Foram preparadas amostras de óleos misturados à base de óleo de colza refinado e derivados para atender os requisitos de operação em transformadores. O ponto de viscosidade e fluidez pode ser disposto em valores apropriados. Os pontos de inflamação e fogo excedem os requisitos normativos, de longe, e são semelhantes aos de hidrocarbonetos de alta temperatura ou silicones. As propriedades térmicas (calor específico e coeficiente de expansão) também são boas. Contudo, relativamente ao transformador sua vida pode variar de 30 a 50 anos. O envelhecimento do óleo gera problemas que podem limitar o uso de óleos biodegradáveis para equipamentos selados. Há indicativos que os fluidos de colza e ésteres de base possam ser utilizados em transformadores com propriedades ambientais, de segurança e saúde com qualidade superior aos óleos minerais. Palavras-chave: Óleo isolante. Óleo vegetal. Transformador de Distribuição. VEGETABLE OILS AS SUBSTITUTE FOR INSULATING MINERAL OILS Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição Dezembro de página 1 de 10

2 Abstract: This article deals with vegetable oils with potential for use without electric sector. It presents as dielectric characteristics necessary for an insulating fluid to be applied in electrical equipments. To meet its diverse applications, and different characteristics of vegetable oils and their chemicals. The results of the specified values of the synthetic organic esters were compared with mineral oils. The electrical properties of products of plant origin are analyzes of conventional insulating fluids. Particularly, a dielectric rigidity of oils and so on. Samples of mixed oils based on refined glue oil and derivatives were prepared to meet the operation requirements in the transformers. The viscosity and flow point may be set to appropriate values. Fire and flash points exceed regulatory requirements, by far, are high temperature hydrocarbon or silicone proof. As thermal properties (specific heat and coefficient of expansion) are also good. However, for the transformer its life can vary from 30 to 50 years. The aging of oil problems can limit the use of biodegradable oils to sealed equipment. There are indicatives that are harvesting fluids and basic efficiency to be used in transformers with environmental, safety and health assets with superior quality to mineral oils. Keywords: Insulating Oil. Vegetable Oil. Distribution Transformer. 1. INTRODUÇÃO Os óleos minerais isolantes (OMI) são os fluidos mais utilizados para isolação elétrica e transferência de calor em transformadores, capacitores, disjuntores e buchas. Suas características técnicas foram apuradas ao longo do século 20 para atender às exigências do setor elétrico. Os líquidos isolantes atuam geralmente em duas áreas, ou seja, a refrigeração e isolação do transformador (SCHMIDT, 2010). Os líquidos isolantes fazem parte do isolamento elétrico e conduzem o calor do núcleo para a periferia, pois apresentam como finalidade o isolamento e a refrigeração do equipamento (MILASCH,1998). Como os óleos minerais ainda representam uma excelente solução custo versus beneficio, o seu desempenho ambiental deve ser considerado. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição Dezembro de página 2 de 10

3 Os ésteres naturais são líquidos isolantes que comparados aos óleos minerais, apresentam melhores características térmicas e maior vida útil. Isto possibilita construir transformadores mais rentáveis, menores, com maior segurança contra incêndios (FINOCCHIO, 2013). No aspecto do desenvolvimento sustentável, a busca de produtos ecológicos como alternativa aos OMI deve levar em consideração a sua origem não fóssil. Portanto, o óleo vegetal pode ser a solução adequada para problemas ambientais, de segurança, de saúde que podem reduzir os custos de produção do equipamento. Alguns óleos vegetais isolantes (OVI) atendem os requisitos técnicos dos líquidos isolantes convencionais. A sua elevada biodegradabilidade e a toxicidade são outras qualidades que fazem dos óleos naturais interessantes matérias-primas para o desenvolvimento de novos líquidos isolantes que atende a questão ambiental. Apesar de a tecnologia ser recente, o OVI mostra-se como uma alternativa viável ao óleo mineral isolante em aplicações de transformadores elétricos. Além deste uso, outros possíveis mercados para os fluidos vegetais seriam os de capacitores, disjuntores e trocadores de calor, onde os óleos minerais ou sintéticos são atualmente utilizados. O óleo vegetal consiste de triglicéridos, naturalmente, sintetizados por esterificação do tri-álcool, chamado glicerol, com três ácidos graxos. Os ácidos graxos são compostos por cadeias de hidrocarbonetos lineares terminados por uma função carboxílica. Estas moléculas possuem um número par de átomos de carbono (tipicamente de 8 a 22 em triglicéridos) e a cadeia pode ser saturada ou principalmente mono, di e tri-insaturados. O ácido oleico é um exemplo de ácido graxo saturado. Muitos outros compostos, em pequena quantidade, fornecem sua consistência, cor e odor aos óleos vegetais. Os processos de refinação podem eliminar especificamente estas moléculas, de acordo com as propriedades desejadas. 2. ANÁLISE E RESULTADOS Com a finalidade de escolher o melhor material para aplicações em eletrotécnica, mediram-se as principais propriedades de vários óleos de sementes que foram comparadas as exigências das normas para o isolamento de óleos minerais (EC 60296, 1992) e ésteres orgânicos sintéticos (IEC 60465, 1992). Como não existem normas específicas para os óleos vegetais, a aplicabilidade destas duas especificações foi assumida. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição Dezembro de página 3 de 10

4 Alguns óleos apresentaram uma elevada percentagem de ácidos graxos insaturados, resultando em menor viscosidade e melhores propriedades de baixa temperatura. Outros apresentaram uma maior percentagem de ácidos saturados, conhecidos para melhorar a estabilidade oxidativa. Um equilíbrio ideal tem que ser selecionado entre os dois tipos de ácidos graxos contidos nos óleos de sementes. As diferentes plantas cultivadas produzem óleos que podem ser caracterizados pelas quantidades relativas de ácidos graxos, como apresentado na Tabela 1. Tabela 1: A porcentagem (%) do perfil de 3 sementes clássicas de ácido graxos típicos. Ácidos graxos Óleo de girassol Óleo de colza Óleo de mamona Palmítico 5,77 4,29 0,95 Esteárico 3,97 1,57 1,00 Oléico 27,2 55,7 2,29 Mono hidroxila oléico 0,00 0,00 90,0 Linoléico 59,2 19,3 3,48 Linolênico 0,23 10,2 0,35 Araquidico 0,24 0,47 0,00 Gadoléico 0,13 1,20 0,22 Behenico 1,44 0,64 0,00 Erúcico 0,00 0,23 0,00 Outros 1,82 6,40 1,71 Observando as formulações dielétricas exclusivamente à base de produtos vegetais biodegradáveis e não tóxicos, também foram testados alguns derivados químicos desses óleos de sementes. Os ésteres foram preparados a partir de óleos refinados, com diferentes álcoois, tais como metanol e iso-propanol. A reação separa os ácidos graxos associados em todas as triglicérides e cria três ésteres individuais. Isso melhora a qualidade do líquido. Os principais parâmetros e métodos de medição correspondentes que foram considerados em primeiro lugar são: Tensão de ruptura CE Ponto de fluidez ISO 3016 Viscosidade (em 40 o C) ISO 3104 A tensão de ruptura e a frequência de alimentação são vitais no que diz respeito à capacidade de isolamento de um líquido. O ponto de fluidez é a menor temperatura na qual o óleo flui. Para evitar sobreaquecimento local em operações de arranque a frio, recomenda-se que o ponto de Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição Dezembro de página 4 de 10

5 fluidez deve ser de 10 Kelvins abaixo da IEC Lowest Cold Start Energizing Temperature (LCSET), que é padronizada a -30 C. O ponto correspondente é referindo ao derramar, portanto, a 40%. A viscosidade do óleo isolante é também um parâmetro importante para descrever a dissipação de calor no transformador. Em temperaturas de funcionamento, quanto mais fino o óleo, mais fácil ocorrem falhas. Esta característica torna-se importante quando se considera transformadores de circulação não forçada. Tensão de ruptura Os óleos de sementes não tratadas e seus ésteres apresentam valores de tensão de ruptura até 70kV atendendo os requisitos da IEC para óleos minerais e ésteres sintéticos conforme Tabela 2. A tensão de ruptura na frequência de alimentação de um líquido isolante é principalmente sensível ao seu conteúdo de água. As amostras testadas apresentam teor de água absoluta entre 150 e 200ppm. Estes valores são elevados quando comparados com os valores típicos de óleos minerais novos e semelhantes ao observado para ésteres sintéticos. Os óleos e ésteres vegetais devido a sua estrutura química apresentam limites de saturação maiores que os óleos minerais. É comprovado que o efeito da água depende da umidade relativa do líquido (HEMMER, 2002). Assim, uma comparação adequada tem de referir-se a umidade relativa do ar. Na temperatura ambiente, o limite de saturação da água dos óleos vegetais é próximo de 750ppm e 40ppm para óleos minerais, já o limite de saturação leva a uma umidade relativa (UR) de 26,7%. Este valor UR é equivalente a um conteúdo de água de 10ppm absoluta em óleo mineral, que é medida geralmente depois do tratamento de desidratação. Portanto, a força dielétrica medida dos óleos vegetais e seus ésteres podem ser de forma consistente em comparação com o valor especificado para o tratamento de óleos minerais. Este resultado confirma a alta força dielétrica real desses produtos vegetais. Viscosidade e Ponto de Fluidez As medições da Tabela 2 demonstram que os valores de viscosidade, ponto de fluidez dos óleos de sementes não excede os valores especificados. Após esterificação, a viscosidade dos óleos passa abaixo da 35mm 2 /s valor especificado para os ésteres orgânicos sintéticos. O valor medido tende a 12mm 2 /s, ou seja, o valor especificado para óleos minerais. Isto é consistente com o fato da esterificação Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição Dezembro de página 5 de 10

6 corresponder à separação de grandes triglicéridos em moléculas menores que fluem mais facilmente, melhorando a tecnologia do óleo. O ponto de fluidez é menos afetado pela modificação da estrutura molecular do fluido, mas pode-se perceber que quanto maior o álcool, mais baixo o ponto de fluidez. Os ésteres de ácidos graxos, em particular provenientes de álcool (como Xolic na Tabela 2) reage, apresentando um ponto muito próximo ao limite do OMI referindo ao escoamento. O ensaio de rigidez dielétrica é realizado com testador de rigidez calibrado em conformidade com as normas (NBR IEC 60156, 2004) e (NBR 6869, 1989). O presente trabalho permite a seleção das espécies de sementes mais adequadas e os derivados de petróleo a serem utilizados como aplicação em transformador elétrico. Portanto, a matriz que se apresenta mais promissora foi à base de óleo de colza refinado e os seus ésteres derivados. No mundo existem diversos estudos para conseguir uma caracterização mais completa de tais fórmulas, sem a adição de aditivos. A Tabela 2 apresenta as três propriedades dos óleos avaliados. Tabela 2: As propriedades avaliadas dos três óleos de sementes e seus ésteres. Tensão de ruptura [kv] Ponto de fluidez [ 0 C] Viscosidade a 40 0 C, [mm 2 /s] IEC valor limite >70 (1) <-40 (2) <12 (3) Óleo de mamona 86,7±3, ,5 Metílico 74,1±5, ,4 Isopropilico 96,0±5, ,0 Xolic de ésteres 70±13,6 <-35 11,0 Óleo de girassol 58,4±5, ,2 Metílico 79,6±8,2-8 11,1 Isopropilico 82,9±6, ,0 Óleo de colza 97,1±3, ,1 Metílico 67,4±7,8-16 7,2 Isopropilico 85,0±9,8-24 5,2 Xolic de ésteres 89,5±4,9 <-38 8,1 (1) Após tratamento em laboratório (filtração em vidro sinterizado a 60 0 C por meio de vácuo); >45kV de ésteres sintéticos não tratados. (2) Padrão LCSET 10K. (3) <35mm 2 /s para ésteres sintéticos de transformadores Os resultados preliminares demonstram definitivamente a capacidade destes líquidos alternativos em satisfazer as características essenciais para utilização em transformadores. Assim, todos os requisitos para ésteres orgânicos sintéticos não utilizados foram respeitadas nas primeiras formulações. Um resumo dos resultados é apresentado na Tabela 3, juntamente com as propriedades dos líquidos dielétricos existentes. Desempenho Térmico e segurança contra incêndios Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição Dezembro de página 6 de 10

7 Quanto às características de óleos minerais e outros líquidos isolantes, as propriedades térmicas dos óleos vegetais aparecem como equivalente, ou melhor. Graças a melhor transferência calórica comparada com a circulação mais lenta, pode ser estimado que a condutividade térmica e o calor específico possam compensar ligeiramente o elevado ponto de fluidez e viscosidade demasiado a baixa temperatura. A comparação entre os coeficientes de expansão de volume indica que do óleo vegetal é o menor. Esta característica significa que os tanques projetados para transformadores convencionais podem ser utilizados sem problemas quando preenchido com tais líquidos. Além disso, os dados de ensaio mostram que o fluido à base de ésteres e óleo vegetal tem a mais elevada resistência à ignição. O ponto de fulgor e ponto de combustão está acima dos fluidos dielétricos menos inflamáveis da atualidade. Então, os fluidos vegetais naturais surgem como um novo e interessante líquido inflamável, que pode substituir à proibição de PCB s e outros fluidos isolantes halogenados utilizados em transformadores resistentes ao fogo. Estabilidade de oxidação e degradabilidade Os óleos de sementes comestíveis e produtos de grau alimentício não podem ser tão estáveis quanto os óleos à base de petróleo e outros fluidos dielétricos não biodegradáveis. A oxidação e a hidrólise são os principais mecanismos de envelhecimento. Para que o óleo vegetal formulado fique mais estável, inibidores de oxidação e de passivadores metálicos (a presença de cobre e ferro serve para aumentar o processo de degradação) devem ser adicionados ao fluido de base. Estes aditivos deverão ser selecionados exclusivamente entre materiais de grau alimentar. Mas, em pequena escala, pois testes de envelhecimento acelerado já demonstraram o bom comportamento dos produtos selecionados. Outra finalidade para melhorar a vida do óleo vegetal é evitar aplicações com exposição contínua do ar, como em equipamentos de respiração livre. Com essa consideração, a tecnologia dos transformadores de distribuição cheios de líquido com reservatório hermeticamente fechado, parece ser bem adequada a esses líquidos. Como estes equipamentos estão por toda parte, a melhoria da gestão dos riscos de poluição da água e solo por vazamento dielétrico considera o óleo biodegradável uma solução interessante. Exames mais detalhados ajudam a definir combinação e quantidade de aditivos para otimizar a biodegradabilidade contra o equilíbrio de estabilidade à oxidação para cada aplicação diferente. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição Dezembro de página 7 de 10

8 Problemas ambientais e saúde Atualmente, não só o desempenho de técnicas e valores são critérios chave na seleção de materiais, mas também os custos totais do ciclo de vida e ambiente fazem parte da análise. As exigências mínimas a saúde que um fluido isolante deve apresentar é a sua a não toxicidade, sua biodegradabilidade, a produção aceitável com baixo risco térmico, ser reciclável, facilmente descartável, e sua degradação de subprodutos inertes. O líquido não derivado de petróleo é uma proposta que atende a todos esses critérios, com a vantagem adicional de ser renovável, ao contrário dos óleos minerais. Atualmente, as plantas de sementes selecionadas representam uma produção agrícola considerável. A Tabela 3 sintetiza as principais características dos fluídos analisados e seu respectivo método de estudo. Tabela 3: Comparação de fluidos isolantes de transformadores e seus valores típicos. Óleo mineral Óleo silicone Éster sintético Óleo vegetal Tensão de ruptura dielétrica kv Permissividade relativa em 25 0 C 2,1-2,5 2,6-2,9 3,0-3,5 3,1-3,3 Viscosidade para 0 0 C, mm 2 /s < Viscosidade para 40 0 C, mm 2 /s Viscosidade para C, mm 2 /s 2-2, Método de teste IEC IEC ISO 3104 Ponto de fluidez 0 C ISO 3016 Ponto de inflamação 0 C ISO 2592 Ponto de fogo 0 C (1) Densidade para 20 0 C, kg.dm 3 0,83 0,89 0,96-1,10 0,90 1,00 0,87 0,92 ISO 3675 Calor específico, J.g -1.K -1 1,6-2,0 1,5 1,8 2,3 1,5 2,1 ASTM E1269 Condutividade térmica, W.m -1 K -1 0,11-0,16 0,15 0,15 0,16 0,17 (DCS) Coeficiente de expansão, 10-4 K ,5-10 5,5 5,9 (1) Procedimento de Cleveland ASTM D1903 Segundo a estrutura química dos triglicéridos naturais e seus ésteres, a compatibilidade dos óleos vegetais com o isolamento dos materiais do transformador e os componentes convencionais não deve ser um problema. Este ponto deve ser esclarecido com a experimentação real sobre transformadores preenchidos com óleo vegetal. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição Dezembro de página 8 de 10

9 O objetivo é confirmar que nenhuma modificação no projeto dos transformadores é necessária. É óbvio que qualquer mudança terá consequências sobre o preço do equipamento. Atualmente o preço do óleo vegetal pode competir com os óleos minerais e líquidos resistentes a incêndios. A avaliação das propriedades e do comportamento dos transformadores a óleo vegetal em longo prazo vai demonstrar definitivamente suas vantagens com seu uso. Esta fase permitirá definir os testes de manutenção preventiva e operações. 3. CONCLUSÃO Atualmente, é cada vez mais importante que os fluidos isolantes proporcionem um melhor equilíbrio entre os altos desempenhos funcionais dentro do transformador contra o baixo impacto ambiental em caso de liberação. Dentro dos transformadores, é necessário um fluido estável, quimicamente inerte, tendo boas propriedades térmicas e dielétricas. Um fato importante deste fluido está na sua relação ambientalmente correta por não ser tóxico e facilmente biodegradável. A segurança inerente contra incêndio, desempenho ambiental e químico, bem como e as propriedades elétricas dos refrigerantes dielétricos de óleo vegetal natural à base de ésteres são vantajosas. O líquido isolante e refrigerante apresentado neste artigo, produzido de plantas cultivadas para uso em transformadores convencionais de distribuição com tanque selado, oferece um substitutivo interessante para transformadores a óleo mineral, mas também como líquidos não inflamáveis utilizados em aplicações especiais. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR IEC 60156: Líquidos isolantes Determinação da rigidez dielétrica à frequência industrial Método de ensaio. Rio de Janeiro: ABNT, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6869: Líquidos isolantes elétricos - Determinação da rigidez dielétrica (eletrodos de disco). Rio de Janeiro: ABNT, Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição Dezembro de página 9 de 10

10 FINOCCHIO, Marco Antonio Ferreira, MENDONÇA, Márcio, HUCKUCHIMA, Thiago. Óleo de éster natural como isolante de transformadores. Seminário de Extensão e Inovação da UTFPR 3º SEI-UTFPR. Dois Vizinhos, HEMMER, M., BADENT, R. and SCHWAB, A.J.. Electrical properties of rape-seed oil, Annual Report Conference 011 Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, pp , IEC Specifications for unused synthetic organic esters for electrical purposes, Ed. 1, INTERNATIONAL STANDARD. Fluids for electrotechnical applications Unused mineral insulating oils for transformers and switchgear. Ed. 3, Geneva: Switzerland, (IEC 60296). MILASCH, Milan. Manutenção de transformadores em líquidos isolante. São Paulo: Edgard Blücher, SCHMIDT, Walfredo. Materiais Elétricos: isolantes e magnéticos. 3 a ed. ver. e ampl. São Paulo: Blucher, volume 2, Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição Dezembro de página 10 de 10