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Avaliação espectroscópica, cromatográfica e quimiométrica da degradação de óleos isolantes de transformador
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.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