Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Avaliação espectroscópica, cromatográfica e quimiométrica da degradação de óleos isolantes de transformador
Autor(es): BARBOSA, Nathália Vieira
Primeiro Orientador: SILVA, Flávio Soares
metadata.dc.contributor.advisor-co1: SILVA, Milady Renata Apolinário da
Resumo: Preocupação com questões ambientais, necessidade de instalações empregando fluidos dielétricos de segurança e busca por novas metodologias de manutenção de fluidos de máquinas elétricas de potência empregando tecnologia ambientalmente amigável estão cada vez mais pronunciadas. Embora as características e as variações das propriedades físico-químicas e elétricas dos óleos isolantes sejam bem consolidadas, menos atenção tem sido dada ao nível molecular para entender a natureza dos processos de envelhecimento térmico e elétrico desses fluidos. Assim, o objetivo deste trabalho foi desenvolver um método rápido, simples e ambientalmente seguro para avaliar e monitorar a qualidade do óleo vegetal isolante (OVI) por meio das cartas de controle multivariadas e espectroscopia na região do infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), além de avaliar a evolução de compostos químicos formados durante a degradação do OVI submetido a estresses elétrico e térmico, comparando com o óleo mineral isolante (OMI). Visando simular o ambiente interno de um transformador antes e após a energização, amostras de OVI e OMI foram mantidas em contato com papel e cobre e submetidas a processos de envelhecimentos elétrico e térmico acelerados, nos quais as amostras foram submetidas a descargas disruptivas (de 10 a 1000 descargas) e aquecimento a 130 °C por até 1080 horas, respectivamente. Posteriormente, a composição dos fluidos antes e após tratamentos elétrico e térmico, foi estudada por meio das técnicas de cromatografia a gás acoplada a espectrometria de massas (GC-MS) e espectroscopia FTIR e avaliação do número de acidez total, viscosidade e densidade das amostras. Os resultados obtidos demonstraram que a carta de controle desenvolvida foi capaz de identificar amostras de OVI em níveis de oxidação fora dos padrões de qualidade aceitáveis para fluidos vegetais isolantes em transformadores; e que novos compostos foram formados, devido ao processo de degradação dos óleos mineral e vegetal, sob as condições estudadas. Descargas parciais contribuem para a degradação dos óleos, sendo que esse efeito foi mais pronunciado no OVI; e o fator que mais influencia a degradação desses fluidos é o aquecimento. Papel isolante atua de forma a retardar o envelhecimento dos óleos mineral e vegetal, enquanto o cobre apresentou ação como catalisador da oxidação dos fluidos. A degradação do antioxidante 2,6-di-terc-butil-p-cresol (DBPC) do OMI é dependente do aquecimento, enquanto os antioxidantes tocoferol, estigmasterol e sitosterol do OVI degradaram até mesmo nos sistemas que não foram submetidos ao aquecimento. Os valores de viscosidade e acidez dos óleos aumentaram, demonstrando a degradação nas condições estudadas, sendo que esse efeito foi mais pronunciado no OVI. Dessa forma, a potencialidade da espectroscopia FTIR em conjunto com a estratégia das cartas de controle como ferramenta rápida e simples para monitoramento da qualidade de fluidos isolantes, permitindo guiar o plano de manutenção de transformadores, foi demonstrada. Os resultados contribuem para estudos realizados sobre fluidos isolantes e para as companhias envolvidas na geração de energia, visto que com os resultados obtidos poderá prever o tempo de envelhecimento dos óleos, assim como fazer propostas para aumentar a vida útil dos mesmos e para promover de forma segura a substituição do fluido isolante do tipo mineral dos transformadores pelos óleos vegetais, por serem ambientalmente mais viáveis e possuírem propriedades dielétricas equivalentes aos OMIs.
Abstract: Concern about environmental issues, the need for installations employing safety dielectric fluids, and the search for new methodologies for fluid maintenance of electric power machines using environmentally friendly technology are increasingly pronounced. Although the characteristics and variations of the physicochemical and electrical properties of insulating oils are well established, less attention has been paid to the molecular level to understand the nature of the thermal and electrical aging processes of these fluids. Thus, the objective of this work was to develop a fast, simple, and environmentally safe method to evaluate and monitor the quality of vegetable insulating oil (IVO) through multivariate control charts and Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, in addition to evaluating the evolution of chemical compounds formed during the degradation of IVO subjected to electrical and thermal stresses, comparing with insulating mineral oil (IMO). In order to simulate the internal environment of a transformer before and after energization, samples of IVO and IMO were kept in contact with paper and copper and subjected to accelerated electrical and thermal aging processes, in which the samples were subjected to disruptive discharges (from 10 at 1000 discharges) and heating to 130 °C for up to 1080 hours, respectively. Subsequently, the composition of the fluids before and after electrical and thermal treatments was studied through the techniques of gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC-MS) and FTIR spectroscopy and the evaluation of acidity, viscosity, and density of the samples. The results obtained showed that the developed control chart was able to identify IVO samples at oxidation levels outside the acceptable quality standards for plant insulating fluids in transformers; and those new compounds were formed, due to the degradation process of mineral and vegetable oils, under the conditions studied. Partial discharges contribute to the degradation of oils, and this effect was more pronounced in the IVO and the factor that most influences the degradation of these fluids is heating. The insulating paper acts to delay the aging of mineral and vegetable oils, while copper acts as a catalyst for fluid oxidation. The degradation of the antioxidant 2,6-di tert-butyl-p-cresol (DBPC) from IMO is heating dependent, while the antioxidants tocopherol, stigmasterol, and sitosterol from IVO degraded even in systems that were not subjected to heating. The viscosity and acidity values of the oils increased, demonstrating the degradation under the conditions studied, and this effect was more pronounced in the IVO. In this way, the potential of FTIR spectroscopy, together with the strategy of control charts as a quick and simple tool for monitoring the quality of insulating fluids, allowing to guide the transformer maintenance plan, was demonstrated. The results contribute to studies carried out on insulating fluids and to companies involved in energy generation since with the results obtained, it will be possible to predict the aging time of oils, as well as make proposals to increase their useful life and to promote in a secures the replacement of mineral-type insulating fluid in transformers with vegetable oils, as they are more environmentally viable and have dielectric properties equivalent to IMOs.
Palavras-chave: Descargas parciais
Degradação
PCA
Carta Q
Carta T2 de Hotelling
CNPq: CNPQ::CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA::QUÍMICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IRN - Instituto de Recursos Naturais
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Multicêntrico em Química de Minas Gerais
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3341
Data do documento: 30-Jun-2022
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