Avanços na Medição de Umidade para Transformadores de Potência: A Mudança para o Monitoramento Baseado em Sensor
- Augusto Moser
- 7 de abr.
- 6 min de leitura
Atualizado: 27 de abr.
Os transformadores de energia são componentes críticos em redes elétricas, e sua confiabilidade depende muito da condição de seus sistemas de isolamento, particularmente do teor de umidade dentro da isolamento de papel e óleo. O excesso de umidade e temperatura pode acelerar o envelhecimento, reduzir a resistência dielétrica e levar à formação de bolhas, o que compromete o desempenho e a longevidade do transformador (conforme a tabela 1). Tradicionalmente, a medição de umidade para transformadores de potência dependia da amostragem manual de óleo, seguida pela titulação de Karl Fischer e pela aplicação de diagramas de equilíbrio. No entanto, um estudo inovador de Maik Koch, Diagnostic Application of Moisture Equilibrium for Power Transformers, destaca as limitações desse método e defende uma abordagem mais eficaz usando medições de saturação de umidade baseadas em sensores.
Tabela 1 - Vida útil do papel e conteúdo de água
Conteúdo de Água no Papel (% em peso) | Vida Útil do Papel à 80 °C (anos) | Vida Útil do Papel à 90 °C (anos) |
0.5 | 485 | 151 |
1.0 | 243 | 76 |
2.0 | 121 | 38 |
4.0 | 61 | 19 |
8.0 | 30 | 8 |
Fonte: Doble
Definições
O teor de água ou água em relação ao peso (W) é a massa de água em um material relacionado ao seu peso. Para a umidade na celulose, a medida é uma porcentagem de peso (%) e para a umidade no óleo, é partes por milhão de peso (ppm).
O teor de água de saturação (Ws) é a quantidade máxima de água que um material, como óleo ou celulose, pode manter a uma temperatura e pressão específicas antes que a água livre (por exemplo, gotículas em óleo ou excesso de umidade em sólidos) comece a se formar. Representa a capacidade total do material de absorver ou dissolver a água sob essas condições.
A saturação da água ou saturação relativa (RS) é a razão entre o teor real de água (W) em um material (como óleo ou celulose) para seu teor de água de saturação (Ws) a uma determinada temperatura e pressão, expressa como uma porcentagem. Um valor de 100% indica saturação da água (gotículas em óleo), enquanto zero indica a ausência total de moléculas de água.
A umidade relativa (RH) é definida como a razão entre a pressão parcial de vapor de água (p) em uma mistura gasosa de ar e água para a saturação da pressão de vapor de água (ps) a uma determinada temperatura e pressão.
As isotermas de sorção de umidade relacionam a umidade em relação ao peso (W) de um material à umidade relativa (RH) do ar circundante sob condições de equilíbrio a uma temperatura específica.
As Limitações dos Métodos Tradicionais
A técnica convencional envolve três etapas: amostragem de óleo sob condições de serviço, medição do teor de água via titulação de Karl Fischer¹ e derivação do teor de umidade no papel usando diagramas de equilíbrio. Embora amplamente utilizado, este método está repleto de desafios. Erros surgem durante os processos de amostragem, transporte e titulação, enquanto as condições de equilíbrio raramente são alcançadas devido a variações de temperatura e constantes de tempo prolongados nos transformadores. Além disso, a precisão diminui em regiões de baixa umidade, e os diagramas de equilíbrio existentes - muitas vezes são baseados em dados desatualizados ou extrapolações - não levam em consideração o envelhecimento do material. O envelhecimento altera significativamente a capacidade de adsorção de umidade da celulose (por exemplo, papel Kraft e pressboard) e a solubilidade da água no óleo, levando a superestimações do teor de umidade. Por exemplo, um teor de umidade de 20 ppm em óleo pode sugerir 2,8% de umidade em papel novo, mas apenas 1,5% em pressboard envelhecida (figura 1), ressaltando a necessidade de ferramentas de diagnóstico atualizadas.
Fig. 1. Diagramas de equilíbrio de umidade com a influência do envelhecimento (óleo novo e papel Kraft novo [New KP], óleo envelhecido com papel Kraft termicamente degradado [Aged KP] e óleo envelhecido com pressboard envelhecida [Aged PB]).
Medição de Saturação de Umidade Baseada em Sensor
O estudo propõe uma mudança significativa para a medição através da saturação relativa da umidade usando sensores capacitivos, tanto em óleo quanto em celulose, oferecendo uma alternativa mais confiável e prática.
"O método é baseado na lei da termodinâmica, de que a umidade relativa à saturação é a mesma para materiais em contato uns com os outros em condições de equilíbrio."
Ao usar isotermas de saturação de umidade² - desenvolvidas a partir de medições extensas de celulose nova e antiga (placa de pressão, papel Kraft e papel termicamente atualizado) e óleos (tipos minerais e vegetais) - a abordagem elimina muitas das incertezas associadas aos métodos tradicionais. As principais vantagens incluem:
Impacto Negligenciável do Envelhecimento e do Tipo de Óleo: Ao contrário do teor de água (ppm), a saturação relativa leva em consideração as mudanças na solubilidade do óleo devido ao envelhecimento ou ao uso de óleos vegetais, que podem conter 20-50 vezes mais água do que óleos minerais.
Dependência da Temperatura é Reduzida: Os gráficos baseados em saturação são menos afetados pelas flutuações de temperatura em comparação com os diagramas baseados no teor de água.
Eliminação de Erros de Amostragem: A implantação de sensores evita erros de amostragem, transporte e titulação, com sondas capacitivas oferecendo alta precisão (±0,2% de umidade relativa em temperatura ambiente, ±2% em temperaturas elevadas).
Capacidade de Monitoramento Online: Sensores integrados aos sistemas de monitoramento podem fornecer dados contínuos, com médias de longo prazo compensando as variações do ciclo de carga, garantindo uma avaliação de umidade estável.
Ligação Direta com a Deterioração: A saturação de umidade se correlaciona melhor com efeitos destrutivos (por exemplo, degradação dielétrica, hidrólise de celulose e formação de bolhas) do que o conteúdo de àgua baseado em peso, pois reflete moléculas de água ativas disponíveis.
Implementação Prática e Benefícios
O estudo demonstra a aplicação prática através de um sistema de monitoramento on-line equipado com uma sonda capacitiva instalada no fluxo de óleo quente perto dos enrolamentos do transformador ou na parte superior (óleo do topo), instalado em uma válvula de enchimento de óleo ou em uma válvula auxiliar - onde os efeitos de envelhecimento e umidade são mais pronunciados (figura 2). Por exemplo, uma sonda medindo 10% de saturação relativa a 60°C corresponde à aproximadamente 3% de teor de umidade em papel Kraft novo e 2,8% em papel termicamente degradado (figura 3). Esta configuração fornece um nível médio de umidade confiável, equilibrando os ciclos diários de carga ao longo do tempo.
Fig. 2. Distribuição de temperatura em um grande transformador de acordo com a IEC 60354.
Fig. 3. Determinação do teor de água em papel Kraft novo e termicamente degradado por meio de isotermas de absorção de umidade.
Conclusão
A transição da amostragem manual de óleo, teor de água em óleo (ppm), para medição baseada em sensor, saturação relativa à umidade (RS%), representa um avanço significativo no diagnóstico de transformadores. Este método oferece maior precisão, monitoramento em tempo real e uma correlação direta com a degradação relacionada à umidade, tornando-o ideal para manutenção baseada na condição. À medida que os transformadores envelhecem e operam sob condições variadas, a adoção dessa tecnologia garante melhor confiabilidade e longevidade, atendendo à necessidade crítica de medição e gerenciamento eficazes de umidade para transformadores de energia.
Nossas Soluções
A HV Assets tem uma solução completa para monitorar a água em transformadores usando um sensor avançado de água e hidrogênio, o Sensor Basic Care, conexão IoT flexível e plataforma de análise de dados e diagnósticos. Clique aqui para verificar os detalhes.
¹ "A titulação de Karl Fischer é um método da química analítica que determina traços de água em uma amostra usando titulação volumétrica ou coulométrica. O químico alemão Karl Fischer (1901-1958) introduziu este método de titulação em 1935. A titulação basicamente significa adicionar um reagente de concentração conhecida (título) a uma substância desconhecida até que as concentrações sejam equilibradas."
² As isotermas de adsorção de umidade mostram quanta água um material (como a celulose) absorve do ar circundante em diferentes níveis de umidade relativa, sob condições de equilíbrio em uma temperatura específica.
Referências
Koch, Maik. Diagnostic Application of Moisture Equilibrium for Power Transformers, IEEE Transactions on Power Delivery (Vol. 25, No. 4, October 2010).
Koch, Maik. Reliability and Improvements of Water Titration by the Karl Fischer Technique (2007).
