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Aplicação de Compósito Reciclado de Base Poliéster Como Isolamento Elétrico Alternativo Para Transformadores Imersos Em Óleo - TCC - HELY GALVAO JR

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Este estudo trata de um assunto estratégico para o sistema elétrico nacional, pois aborda a obsolescência programada no atual princípio construtivo de transformadores imersos em óleo. Nestes a isolação sólida (compósito de celulose) envelhece pelos processos de desgaste decorrentes de efeitos das fadigas térmica, química, elétrica e/ou mecânica, tornando-o seu principal e maior ponto crítico, degenerante, não passível de regeneração, fato que define sua durabilidade operacional. Com foco neste princípio, estudou-se a cadeia produtiva deste segmento industrial e a revisão bibliográfica sobre materiais dielétricos salientando-se a notória disponibilidade no mercado de diversos produtos aplicáveis ao fim proposto, contudo verificou-se que esta cadeia produtiva opera maciçamente direcionada ao uso do papel, fazendo com que os produtos alternativos sejam aplicados apenas para a sua proteção, fixação ou contenção. Este foco, por si só, propõe a aplicabilidade e longevidade operacional de um compósito reciclado de base poliéster como uma alternativa isolante. Os ensaios de rigidez dielétrica executados sobre os corpos de prova confirmaram a similaridade de suas propriedades dielétricas às descritas na literatura para o papel isolante. No entanto, todo o processo produtivo deve ser adequado à aplicação do novo material o que tem seu impacto mitigado pela redução dos custos operacionais e pelos ganhos produtivos decorrentes, uma vez que o novo material permite a automatização das atividades.
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  A PLICAÇÃO DE C OMPÓSITO R ECICLADO DE B ASE P OLIÉSTER COMO I SOLAMENTO E LÉTRICO A LTERNATIVO PARA T RANSFORMADORES I MERSOS EM Ó LEO    A PPLICATION OF R ECYCLED P OLYESTER C OMPOSITE AS AN  A LTERNATIVE E LECTRICAL I NSULATION F OR I MMERSED O IL T RANSFORMERS Hely Galvão 1 ; Fabricio Silveira Chaves 2  (Orientador); Adriana dos Reis Silva 3  (Coorientadora) R ESUMO :  Este estudo trata de um assunto estratégico para o sistema elétrico nacional, pois aborda a obsolescência programada no atual princípio construtivo de transformadores imersos em óleo. Nestes a isolação sólida (compósito de celulose) envelhece pelos processos de desgaste decorrentes de efeitos das fadigas térmica, química, elétrica e/ou mecânica, tornando-o seu principal e maior ponto crítico, degenerante, não passível de regeneração, fato que define sua durabilidade operacional. Com foco neste princípio, estudou-se a cadeia produtiva deste segmento industrial e a revisão bibliográfica sobre materiais dielétricos salientando-se a notória disponibilidade no mercado de diversos produtos aplicáveis ao fim proposto, contudo verificou-se que esta cadeia produtiva opera maciçamente direcionada ao uso do papel, fazendo com que os produtos alternativos sejam aplicados apenas para a sua proteção, fixação ou contenção. Este foco, por si só, propõe a aplicabilidade e longevidade operacional de um compósito reciclado de base poliéster como uma alternativa isolante. Os ensaios de rigidez dielétrica executados sobre os corpos de prova confirmaram a similaridade de suas propriedades dielétricas às descritas na literatura para o papel isolante. No entanto, todo o processo produtivo deve ser adequado à aplicação do novo material o que tem seu impacto mitigado pela redução dos custos operacionais e pelos ganhos produtivos decorrentes, uma vez que o novo material permite a automatização das atividades. P  ALAVRAS - CHAVE :  Alternativa; Economia; Poliéster; Resina; Sistema; Transformadores;  A BSTRACT :   This study deals with a strategic issue for the national electric system, since it addresses the programmed obsolescence in the current constructive principle of transformers immersed in oil. In these cases, solid (cellulose composite) insulation ages through the processes of wear resulting from the effects of thermal, chemical, electrical and / or mechanical fatigue, making it its principal and greatest critical point, degenerating, not subject to regeneration, a fact that defines its Operational durability. Focusing on this principle, we studied the production chain of this industrial segment and the literature review on dielectric materials. It should be noted that there is a notable market availability of several products that are applicable to the proposed purpose, but it has been verified that this production chain operates massively directed to the use of paper, making alternative products to be applied only for their protection, fixation or containment. This focus, on its own, proposes the applicability and operational longevity of a recycled polyester based composite as an insulating alternative. The dielectric stiffness tests performed on the test specimens confirmed the similarity of their dielectric properties to those described in the literature for the insulation paper. However, the entire production process must be adequate to the application of the new material, which has its mitigated impact by reducing operational costs and the resulting productive gains, since the new material allows the automation of activities. 1 Graduando em Engenharia Elétrica. Centro Universitário de Belo Horizonte  –  UNIBH. Belo Horizonte, MG. 2016. Estudante do Centro Universitário de Belo Horizonte - UNIBH. Belo Horizonte, MG. helygalvaojr@gmail.com. 2 Pós-Doutor em Sistemas Elétricos de Potência, pela Universidade Federal de Minas Gerais, UFMG 2010. Professor do Centro Universitário de Belo Horizonte Engenharia Elétrica  –  UniBH. Belo Horizonte, MG. fabricio.chaves@prof.unibh.br 3 Doutora em Linguística e Língua Portuguesa pela Universidade Pontifícia de Minas Gerais - PUC/MG, 2014. Professora do Centro Universitário de Belo Horizonte - UniBH. Belo Horizonte, MG. adriana.reis@prof.unibh.br.  K EYWORDS : Alternative; Economy; Polyester; Resin; System; Transformers.   1 I NTRODUÇÃO   O presente trabalho propõe descrever os resultados do estudo de uma alternativa à aplicação de papel isolante (compósito de celulose convencional e/ou suas derivações termoestabilizadas) em transformadores imersos em óleo. Os ensaios realizados visam demonstrar a rigidez dielétrica do material alternativo proposto. Este estudo embasa-se na ampla utilização da eletricidade como fonte energética e motiva-se pela necessidade de melhoramento contínuo da tecnologia atual visando, também, à mitigação dos passivos ambientais existentes inerentes à operação e a garantia dos serviços. Em contraponto aos benefícios da qualidade da vida humana possibilitados pelo uso da eletricidade, tem-se a susceptibilidade do sistema elétrico a falhas. Nesta cadeia produtiva, o equipamento “Transformador” representa elo vital, pois é uma máquina estática que permite a transferência de energia de um circuito para outro, mantendo a frequência de transmissão, podendo variar, se desejado, os valores de corrente e tensão. Torna-se relevante mencionar que há um ponto crítico, degenerante nestes equipamentos (transformadores), especificamente no seu sistema de isolamento interno que é constituído, por um líquido isolador (óleo mineral ou vegetal) e/ou uma isolação sólida (compósito de celulose) não passível de regeneração. Esta degeneração ocorre por uma série de processos de desgaste e envelhecimento decorrentes dos efeitos de fadiga térmica, química, elétrica e mecânica o que define a durabilidade operacional do equipamento. Considerando as limitações impostas pelo componente convencional, propõe-se a possibilidade de substituição do isolante (contendo celulose) por outro material alternativo, visando melhorar sua vida útil e reduzir os custos produtivos e operacionais. Visando contextualizar a hipótese levantada, define-se, por questões práticas e econômicas, estudar e apresentar outro material isolante com rigidez dielétrica similar definindo a que tipo de transformador (mesmo não imerso em óleo) este outro material se aplica. Os dados considerados são de natureza qualitativa por se tratar de uma nova concepção da realidade na aplicação de insumos. Como técnica de coleta de informações, aplicaram-se entrevistas pessoais, questionários e literaturas que discutem a hipótese levantada. Quanto aos métodos de análise dos dados coletados, se utilizou da leitura, análise e interpretação de texto à análise matemática e as fontes consultadas caracterizam-se em primárias quando ligadas aos fabricantes e secundárias quando baseadas na bibliografia estudada. Para se atingir o objetivo proposto, pela hipótese levantada, definiu-se a seguinte ordem de pesquisa e desenvolvimento: 1. Identificação de pesquisas similares alinhadas e divergentes; 2. Apresentação de princípios científicos e funcionais concernentes; 3. Estudo de materiais dielétricos alternativos; 4. Execução de ensaios de rigidez dielétrica sobre um material alternativo identificado; 5. Discussão dos resultados; 6. Conclusão. Assim, pela dependência em relação ao sistema elétrico, e os benefícios do retardo da obsolescência, este trabalho apresenta um assunto atual, real e relevante para o setor industrial envolvido, para a academia e para a sociedade como um todo. Justifica-se, ainda, pela redução de impactos ambientais e, sobretudo, pela busca da garantia de funcionalidade a menores custos, com possibilidade de  projeto de equipamentos mais resistentes e de maior capacidade de carga. A seguir apresenta-se a revisão bibliográfica cujas fontes acadêmicas diversas auxiliam na caracterização e fundamentação do escopo teórico, assim como propicia a discussão sobre a hipótese levantada. 2 R EVISÃO BIBLIOGRÁFICA   Esta secção apresenta a revisão bibliográfica cujas fontes acadêmicas diversas auxiliam na caracterização e fundamentação do escopo teórico, assim como propicia a discussão sobre a hipótese levantada. 2.1 P ESQUISAS S IMILARES   Buscando balizar a pertinência e aplicabilidade da hipótese deste estudo, apresentam-se trabalhos acadêmicos alinhados e conflitantes com este estudo. Transformador isolado a gás hexafluoreto de enxofre: segundo Pestana (2008), foi desenvolvido por Japoneses e apresenta aspectos construtivos próprios cujo núcleo magnético é formado pelo empacotamento de chapas magnéticas que são sustentadas por uma estrutura de perfilado de ferro, substituindo os pernos de aperto. Possui enrolamentos, do tipo bobina ou do tipo em banda de cobre, segundo a potência projetada onde as lâminas de isolantes sintéticos aplicadas são materiais com constante dielétrica superior. O principal isolante elétrico aplicado, substituindo o uso dos isolantes líquido e sólido, é o gás hexafluoreto de enxofre (SF6). Design de Reatores elétricos encapsulados em fibra de   vidro: segundo Lopes (2011), um reator tem seus condutores mecanicamente imobilizados e encapsulados por meio de um enrolamento de resina e fibra de vidro evitando a exposição direta da bobina às condições atmosféricas assegurando sua proteção em procedimentos de manutenção e transporte. Estruturalmente, o conjunto de espiras da bobina envolvido pelo compósito (mistura de fibra de vidro, resina epóxi) denomina-se casca cilíndrica (FIG. 1). Figura 1  –  Vista da Casca Cilíndrica de um Reator Fonte  –  LOPES, 2011, p.55. Segundo Menezes (2007), em reatores a tecnologia FED ( Fiber Encapsuled Design  –  Design  Encapsulado em Fibra) é aplicada onde os enrolamentos são mecanicamente imobilizados e encapsulados por meio de um enrolamento de fibra de vidro, formando cilindros, atendendo a restrições da classe B de isolação, cuja temperatura máxima é de 130 graus Celsius (ºC) (FIG. 2). Figura 2  –  Esquema Construtivo de Reatores Elétricos Fonte  –  LOPES, 2011, p.8.  O autor aponta uma pesquisa conflitante de Frost, McGrath e Burns, (1996), autores americanos que em um estudo sobre a exposição de polímeros termoplásticos aos efeitos de diferentes ambientes químicos, simularam o desempenho destes materiais em ambientes com: a) Baixa umidade; b) Ar ambiente; c) Ar aquecido a 90°C; d) Óleo mineral em temperatura ambiente; e) Óleo mineral em temperatura de 90°C. Os autores após a análise do comportamento dos materiais estudados concluíram que: O Plyetherimide-Ultem  teve resultados negativos a sua aplicação por ganho de peso ou absorção de óleo; O Noryl foi considerado inadequado para utilização em óleo do transformador, pois sofreu substancial degradação física; 2.2 P RINCÍPIOS C IENTÍFICOS   Nesta secção apresentam-se os principais princípios científicos envolvidos na viabilização da hipótese deste estudo. 2.2.1 D URABILIDADE T ÉRMICA Segundo Norma Brasileira de Referência  –  NBR IEC 60085 p.2, (2012), a durabilidade térmica refere-se à unidade de medida que define um valor numérico de temperatura em graus (  C) que, divide-se em: a) Durabilidade térmica avaliada (DTA): Unidade de medida até onde o material ou o sistema de referência possuem eficácia conhecida. b) Durabilidade térmica relativa (DTR): Unidade de medida onde o tempo estimado de fim de vida útil do material ou do sistema é o mesmo do material usado como referência. 2.2.2 C LASSES T ÉRMICAS Classe térmica, segundo NBR IEC 60085 p.4, (2012) é a designação do valor numérico da temperatura máxima de exposição continuada recomendada em graus Celsius para os materiais segundo a TAB. 1. A norma às define segundo a temperatura onde os diferentes materiais sejam capazes de operar mantendo suas características físico/químicas. Tabela 1 Classes Térmicas Durabilidade térmica Classe térmica Letra de designação Avaliada Relativa  C ( graus Celsius)   ≥90  <105 90 Y ≥105  <120 105 A ≥120  <130 120 E ≥130  <155 130 B ≥155  <180 155 F ≥180  <200 180 H ≥200  <220 200 N ≥220  <250 220 R ≥250  <275 250 —  Fonte  –  NBR IEC 60085, 2012, p.4. 2.3 D IELÉTRICOS   Nesta secção são apresentados os principais conceitos funcionais aplicáveis a materiais dielétricos. Segundo NBR IEC 60085 p.2, (2012), este conceito divide-se em: Material Isolante Elétrico (MIE) ou Material Dielétrico (MD): é o material ou compósito, solido ou líquido com condutividade elétrica desprezível, aplicável à
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