Análise de Gases Dissolvidos em Transformadores Imersos em Óleo: Uma Visão Geral

A Análise de Gases Dissolvidos (DGA) é uma técnica de diagnóstico vital empregada para avaliar a saúde dos transformadores imersos em óleo. Ao examinar os gases dissolvidos no óleo isolante, os engenheiros podem detectar possíveis falhas e prevenir falhas catastróficas. Este artigo explora a natureza, o propósito e a aplicação da DGA, enfatizando os principais gases usados na identificação de falhas e outros gases relacionados, com base na Seção 4 do padrão IEEE Std C57.104-2019.

A Natureza da Análise de Gases Dissolvidos em Transformadores

A DGA envolve identificar, medir e interpretar gases dissolvidos no óleo isolante do transformador. Os gases primários, chamados de "gases de falha", são críticos para diagnosticar a condição do transformador. Estes incluem: Hidrogênio (H₂), Metano (CH₄), Etano (C₂H₆), Etileno (C₂H₄), Acetileno (C₂H₂), Monóxido de Carbono (CO) e Dióxido de Carbono (CO₂). Além disso, Oxigênio (O₂) e Nitrogênio (N₂) são medidos e usados no processo de interpretação, embora não sejam subprodutos de falhas.

O Propósito da DGA

A DGA tem como objetivo detectar e diagnosticar condições anormais que podem levar à falha do transformador. Ao analisar tipos e concentrações de gases, os engenheiros podem:

• Confirmar a presença de uma falha.

• Identificar o tipo de falha (térmica, elétrica ou combinada).

• Avaliar a gravidade da falha.

• Acompanhar a progressão da falha ao longo do tempo.

Este método não invasivo permite a intervenção precoce, aumentando a confiabilidade do transformador e reduzindo os custos de manutenção.

A Aplicação da DGA

A DGA é aplicada em vários cenários para garantir o desempenho do transformador:

1. Monitoramento de Rotina:

   • Testes regulares rastreiam tendências dos gases, identificando mudanças graduais indicativas de falhas emergentes.

2. Análise Pós-Falha:

   • Após um incidente, a DGA revela a natureza e a gravidade da falha, ajudando nas decisões de reparo ou substituição.

3. Teste de Comissionamento e Aceitação:

   • Transformadores novos ou recondicionados são testados para verificar a operação sem falhas antes de colocá-lo em serviço.

4. Pesquisa e Desenvolvimento:

   • Os dados da DGA informam a melhoria das técnicas de diagnóstico e do projeto do transformador.

Mecanismos de Formação de Gás

Os gases são gerados através de vários processos dentro do transformador:

1. Decomposição Térmica:

   • Decomposição de Óleo: Óleos minerais, compostos de moléculas de hidrocarbonetos, se decompõem sob estresse térmico, quebrando ligações de carbono-hidrogênio e carbono-carbono. Isso produz hidrogênio, metano, etano, etileno e acetileno, dependendo da temperatura e energia envolvidas.

   • Decomposição Celulósica: O isolamento de celulose se degrada termicamente, produzindo monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO₂), juntamente com pequenas quantidades de hidrogênio e metano.

2. Descargas Elétricas:

   • Descargas Parciais: Estes ocorrem em bolhas de gás ou vazios de isolamento, gerando principalmente hidrogênio, com pequenas quantidades de metano e etano.

   • Arco: Descargas de alta energia produzem uma gama mais ampla de gases, principalmente acetileno, sinalizando falhas elétricas graves.

A produção desses gases varia com a temperatura, distribuição de energia e duração do estresse, refletindo a complexidade da química do óleo do transformador.

Figura 1. Porcentagem relativa de concentrações de gases dissolvido em óleo mineral em função da temperatura e do tipo de falha, extraído de [1]. Nota: A Tabela 1 descreve os tipos típicos de falhas e sua abreviação.

Tabela 1. Tipos típicos de falhas

Abreviação	Descrição
Tipos Básicos de Falhas (Tabela C.1)
PD	Descargas parciais
D1	Descargas de baixa energia
D2	Descargas de alta energia
T1	Falha térmica, t < 300 °C
T2	Falha térmica, 300 °C ≤ t < 700 °C
T3	Falha térmica, t ≥ 700 °C
Subtipos Adicionais de Falhas (Tabela C.2)
S	Gaseamento disperso
O	Superaquecimento de papel ou óleo mineral
C	Possível carbonização do papel
R	Reações catalíticas

Os Gases e a Identificação de Falhas

Os gases de falha são fundamentais para identificar problemas específicos do transformador, enquanto não indicadores de falha, o oxigênio e o nitrogênio desempenham papéis de apoio:

Tabela 2. Gases e problemas dos transformadores

Gases	Descrição
Hidrogênio (H₂)	Gerado por descargas parciais e falhas de baixa energia; também pode indicar gaseificação dispersa ou reações catalíticas.
Metano (CH₄)	Produzido por decomposição de óleo em baixa temperatura ou descargas parciais, sinalizando estresse térmico precoce.
Etano (C₂H₆)	Formado durante a decomposição de óleo em temperatura moderada, sugerindo exposição térmica sustentada.
Etileno (C₂H₄)	Indica falhas térmicas de temperatura mais alta, muitas vezes ligadas a superaquecimento grave.
Acetileno (C₂H₂)	Uma marca registrada do arco de alta energia, sua presença exige atenção urgente devido ao risco de falhas graves.
Monóxido de Carbono (CO)	Surge do superaquecimento do isolamento de celulose, refletindo a degradação do isolamento sólido.
Dióxido de Carbono (CO₂)	Produzido a partir da quebra de celulose; sua proporção com CO ajuda a avaliar a gravidade da condição do isolamento sólido.
Oxigênio (O₂)	Acelera o envelhecimento do óleo e do isolamento sólido; seus níveis avaliam a integridade do sistema de vedação. Não é um indicador de falha.
Nitrogênio (N₂)	Usado como um gás de cobertura em transformadores selados; sua concentração monitora a eficácia da vedação. Não é um indicador de falha.

Conclusão

A Análise de Gases Dissolvidos (DGA) é uma prática essencial para a manutenção de transformadores imersos em óleo mineral. Ao utilizar os gases de falha - hidrogênio, metano, etano, etileno, acetileno, monóxido de carbono e dióxido de carbono - juntamente com oxigênio e nitrogênio, os engenheiros obtêm insights críticos sobre a saúde do transformador. Isso permite a manutenção proativa, garantindo confiabilidade operacional e longevidade. Para uma exploração mais profunda, consulte o padrão IEEE Std C57.104-2019 e os recursos técnicos relacionados.

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Referências

[1] "IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Mineral Oil-Immersed Transformers," in IEEE Std C57.104-2019 (Revision of IEEE Std C57.104-2008) , vol., no., pp.1-98, 1 Nov. 2019, doi: 10.1109/IEEESTD.2019.8890040.