Um engenheiro de utilidade localizado no norte do Canadá está projetando uma especificação para um transformador de 25 MVA que operará em uma subestação com níveis de temperatura abaixo de -40°C durante o mês de janeiro. Os transformadores possuem grandes dispositivos de resfriamento, seu tanque é especialmente construído para suportar as pesadas cargas de vento e neve, então a única coisa que preocupa o engenheiro é o tipo de óleo utilizado para o tanque. A pessoa sabe o que significa selecionar o errado óleo de transformador para operação em clima frio. O óleo irá engrossar quando as temperaturas caírem, a bomba começará a cavitar e o óleo parará de fluir através dos dispositivos de resfriamento, fazendo com que os enrolamentos se aqueçam mesmo que a temperatura externa seja de -30°C. O transformador que passou nos testes com sucesso funcionará como um gerador de alarme na primeira temporada de inverno.
Este artigo discute tudo o que deve ser conhecido por um comprador ou engenheiro de especificação sobre a seleção de óleo de transformador em transformadores preenchidos com óleo para áreas de clima frio, incluindo as principais características, normas, vantagens e desvantagens do uso de óleos parafínicos e naftênicos, diferenças de preço e o algoritmo de seleção de óleo.
Por que o óleo para transformadores se torna problemático
O óleo de transformador tem dois propósitos principais — ele resfria os enrolamentos do transformador por meio da remoção de calor para as paredes do tanque e isola os enrolamentos do estresse elétrico. Embora ambas as funções dependam da capacidade do óleo de fluir, em climas frios a viscosidade do óleo aumentará e a circulação será retardada, resultando no aquecimento dos enrolamentos do transformador enquanto a temperatura externa estiver baixa. Durante temperaturas muito baixas, o óleo mineral pode atingir seu ponto de fluidez — temperatura em que o óleo para completamente de fluir, o que significa que o resfriamento para.
Há mais um desafio relacionado ao óleo no inverno: condensação de umidade. O óleo em um transformador com o conservador se move durante sua operação, e quando o ar que é mais quente e mais úmido entra pelo tanque frio, a água irá esfriar e se juntar ao óleo. A água no óleo do transformador destrói as propriedades dielétricas do óleo; várias centenas de partes de água reduzirão a tensão de ruptura do óleo de 60 kV para menos de 30 kV, então os desafios da seleção de óleo de transformador para clima frio consistem na compreensão tanto da fluidez quanto do gerenciamento de umidade.
A última característica peculiar da operação no inverno é a partida. O óleo que é utilizado no transformador deve ser energizado no ponto de congelamento do óleo sem aquecê-lo primeiro, porque imediatamente após a energização o óleo deve circular e criar as condições de temperatura necessárias em cada parte do transformador.
Principais Propriedades em Baixa Temperatura
| Propriedade | O que Mede | Alvo para Região Fria | Grau Padrão (Temperado) |
|---|---|---|---|
| Ponto de fluidez | Menor temperatura na qual o óleo flui | -40°C a -60°C | -30°C |
| Viscosidade cinemática @ 40°C | Fluidez base na temperatura de operação | 8-12 mm²/s | 9-12 mm²/s |
| Viscosidade cinemática @ -30°C | Fluidez a frio; o número chave de baixa temperatura | Abaixo de 1.500 mm²/s (limite típico) | Não especificado |
| Ponto de fulgor | Segurança contra incêndios; quanto maior, melhor | > 135°C (mineral), > 250°C (éster) | > 135°C |
| Tensão de ruptura (BDV) | Resistência dielétrica após condicionamento | > 70 kV (novo, IEC 60156) | > 70 kV |
| Teor de água | Nível de umidade; deve ser mínimo | < 30 ppm (óleo novo) | < 30 ppm |
Quando se trata de zonas de clima frio, o ponto de fluidez e a viscosidade a baixa temperatura desempenham um papel importante. Um valor de -30 graus Celsius é apropriado para climas com temperaturas de -10 graus Celsius; no entanto, é completamente ineficaz em temperaturas de -40 graus Celsius. O óleo em questão deve permanecer acima de seu ponto de fluidez, mesmo na temperatura mínima registrada.
Tipos de Óleo para Regiões Frias
| Tipo de Óleo | Ponto de Fluidez | Ponto de Fulgor | Preço por Litro | Melhor Uso |
|---|---|---|---|---|
| Óleo mineral padrão (IEC 60296) | -30°C | > 135°C | $1.5-$2.5 | Climas temperados |
| Óleo mineral naftênico de baixo ponto de fluidez | -40°C a -60°C | > 135°C | $2.5-$4 | Regiões frias até -50°C |
| Hidrocarboneto de alto peso molecular | Varia | > 250°C | $4-$8 | Locais propensos a incêndios e frios |
| Éster sintético (IEC 61099) | -40°C a -60°C | > 250°C | $6-$15 | Frio + segurança contra incêndios + biodegradabilidade |
| Fluido de silicone | -50°C ou inferior | > 300°C | $15-$30 | Aplicações especiais de segurança contra incêndios |
Na maioria dos processos industriais e de utilidade em regiões frias, óleos minerais naftênicos com baixo ponto de fluidez representam o trabalho pesado. Eles fornecem a fluidez necessária a aproximadamente metade do preço dos ésteres sintéticos. Ésteres sintéticos são usados quando necessário em resposta a códigos de incêndio e legislação ambiental que rege o desempenho em frio e fornece ponto de fulgor acima de 300°C. O fluido de silicone representa a escolha que oferece alto desempenho a um custo muito elevado.
Óleo naftênico vs. Óleo parafínico
| Característica | Óleo naftênico | Óleo parafínico |
|---|---|---|
| Teor de cera | Muito baixo | Mais alto; forma cristais de cera em frio |
| Ponto de fluidez | Naturalmente baixo (-40°C a -60°C alcançável) | Mais alto; necessita de deswaxing pesado |
| Fluidez em baixa temperatura | Excelente | Degrada-se acentuadamente próximo ao ponto de fluidez |
| Estabilidade à oxidação | Boa | Boa (base ligeiramente melhor) |
| Comportamento de absorção de gás | Melhor absorção de gás | Geralmente bom, mas a cera é o problema |
| Disponibilidade em graus frios | Padrão para especificações de regiões frias | Raramente usado para regiões frias |
Há um acordo proeminente entre engenheiros sobre o uso de óleos naftênicos em zonas frias. O fato de que os óleos parafínicos contêm cera causa um grande problema no inverno, pois a cera solidifica quando está frio, levando ao aumento da viscosidade e subsequente falha do óleo em fluir — que é precisamente o problema que torna o resfriamento de transformadores ineficaz no inverno. A baixa temperatura de fluidez do óleo naftênico e sua boa capacidade de trabalhar em condições frias o tornam formalmente aceito para toda especificação séria em regiões frias, com muitos fabricantes de transformadores realmente especificando a graduação naftênica preferida no desenho do sistema de óleo.
Parâmetros e Limites de Especificação
é essencial incluir os seguintes valores:
Normas: IEC 60296 para óleos minerais; IEC 61099 para ésteres sintéticos; ASTM D3487 para a América do Norte.
Ponto de fluidez: Mínimo -40°C para temperaturas em torno de -30°C; mínimo -60°C para temperaturas abaixo de -35°C.
Viscosidade cinemática a 40°C: 8 a 12 mm²/s e verificar a viscosidade a -30 °C para garantir que esteja abaixo do limite máximo de circulação estabelecido pelos fabricantes; esse limite geralmente é em torno de 1.500 mm²/s.
Ponto de fulgor: Superior a 135 °C para óleos minerais; consulte o valor exato indicado no certificado.
Resistência à ruptura dielétrica: Superior a 70 kV para óleo novo de acordo com as normas IEC 60156.
Teor de água: 30 ppm máx; a descarga de óleo deve cumprir este requisito.
Resistência dielétrica e concentração de ácido: Cumprir as propriedades declaradas na IEC 60296 para óleos novos.
Não se esqueça de mencionar o ponto de fluidez nos contratos. “Óleo de região fria” não é claro o suficiente. Óleo de região fria é às vezes referido como óleo de baixa temperatura, e você pode acabar comprando óleo de grau padrão -30°C sem que o contrato mencione o ponto de fluidez.
A seguinte matriz pode ajudá-lo a decidir sobre a temperatura mínima para o local específico:
| Local Mínimo Extremo | Ponto de Fluidez Requerido | Família de Óleo | Preço aproximado por litro | Observações |
|---|---|---|---|---|
| Acima de -20°C | -30°C | Mineral padrão (IEC 60296) | $1.5-$2.5 | Grau padrão é suficiente |
| -20°C a -35°C | -40°C | Naftênico de baixo ponto de fluidez | $2.5-$3.5 | Especificação mais comum para regiões frias |
| -35°C a -50°C | -50°C a -60°C | Éster naftênico ou sintético | $3.5-$15 | Verifique a viscosidade em baixa temperatura |
| Abaixo de -50°C | -60°C ou inferior | Éster sintético ou silicone | $8-$30 | Confirme as classificações da bomba e do vedante |
O Processo de Seleção
Determine a temperatura mais baixa no local. Leve em consideração a temperatura extrema mais baixa em vez da temperatura média do inverno, adicione também uma margem de segurança de 10 ou 15 K.
Determine o ponto de fluidez necessário. No caso de uma temperatura no local de -40°C, por exemplo, especifique óleo com ponto de fluidez de -55°C ou -60°C para que o óleo permaneça líquido.
Verifique a viscosidade em baixa temperatura. Consulte o fabricante do transformador sobre a viscosidade do óleo em caso de -30°C, pois esta é a informação que garantirá a eficácia do sistema de resfriamento.
Escolha o tipo de óleo. Se a economia for o objetivo, use óleo mineral naftênico; éster sintético em caso de incêndio e regulamentações ambientais; e silicone apenas em caráter obrigatório.
Verifique a compatibilidade do transformador. Certifique-se de que os vedantes, bombas e respiradouros sejam compatíveis com o óleo e suportem a temperatura extrema; para o local de -40°C, pode ser necessário escolher vedantes especiais projetados para tais baixas temperaturas.
Certifique-se de obter o certificado. Ele deve cobrir o ponto de fluidez, viscosidade, BDV, teor de água e ponto de fulgor conforme suas exigências.
Aplicação por Região e Clima
- Norte da China, Mongólia, áreas no norte dos EUA (-30°C a -40°C): óleo naftênico de baixo ponto de fluidez com ponto de fluidez de -40°C.
Canadá, Sibéria, Escandinávia setentrional (abaixo de -40°C): óleos com pontos de fluidez de -55°C a -60°C utilizados, frequentemente ésteres sintéticos para os locais mais frios.
Locais de alta altitude (Andes, Tibete, Alpes): combinação de ambiente frio e menos resfriamento em altitudes, exigindo redução de capacidade e uso de óleo de classe fria.
Condições marinhas frias e offshore: uso de óleos naftênicos e ésteres com controle rigoroso de umidade.Altitudes aumentam as dificuldades do frio: a 3.000 metros, a densidade do ar é aproximadamente 30% menor, tornando menos eficiente o resfriamento natural de transformadores, que precisam ser reduzidos ou atribuídos a uma fase de resfriamento mais alta antes que a temperatura comece a ser abordada.
Comparação de Marcas e Preços
| Marca | Origem | Ofertas para Regiões Frias | Preço aproximado por litro |
|---|---|---|---|
| Shell | Países Baixos/Reino Unido | Diala S4 ZX-I, Diala AX (naftênico de baixo ponto de fluidez) | $2-$4 |
| ExxonMobil | EUA | Mobil 3910-60 (parafínico, ponto de fluidez -60°C), Unvolt | $2.5-$4.5 |
| Nynas | Suécia | Nytro Libra, Nytex 620 (especialistas naftênicos) | $2-$4 |
| Ergon | EUA | Hyvolt III, óleos naftênicos de grau frio | $2-$3.5 |
| MIDEL (M&I Materials) | Reino Unido | MIDEL 7131 éster sintético (ponto de fluidez -56°C) | $8-$15 |
| Jiangsu Subian Electric Power (com óleo de marca) | China | Transformadores fornecidos preenchidos com óleo de grau frio especificado | Óleo agrupado; unidades com preços competitivos |
A indústria de óleo é dominada por empresas globais especializadas em lubrificantes e ésteres, incluindo Shell, ExxonMobil, Nynas, Ergon e MIDEL, cujos produtos frios têm sido utilizados em todo o mundo. No caso do transformador, o tipo de óleo é geralmente especificado no contrato, e empresas como Jiangsu Subian Electric Power fornecem o transformador com o óleo frio especificado conforme o contrato e indicam o preenchimento de óleo no certificado. De fato, isso é crítico para lugares frios porque o óleo não é um item consumível e não pode ser substituído; ele faz parte do projeto térmico do transformador. Os transformadores de região fria da Subian são fornecidos com o certificado indicando o ponto de fluidez e a viscosidade do óleo, e os preços para o transformador preenchido são geralmente 40-60% menores do que os preços cotados para unidades similares produzidas por fabricantes europeus.
Como Escolher o Óleo Certo
Aplique a temperatura mínima de suposição do pior cenário do site mais a tolerância para escolher o requisito para o ponto de fluidez.
Selecione óleos naftênicos para ambientes frios e evite produtos parafínicos, a menos que tenham sido desparafinizados para atender ao parâmetro do ponto de fluidez.
Indique o limite de viscosidade em baixas temperaturas para garantir que o sistema de resfriamento esteja operacional.
Encontre a família de óleo compatível com os códigos de incêndio e ambientais, não apenas com o termômetro.
Verifique se os materiais da junta e da bomba são apropriados para as condições extremas de temperatura.
Exija do certificado que mostre o ponto de fluidez, viscosidade, BDV, teor de água e ponto de fulgor.
Manuseio, Armazenamento e Partida a Frio
O manuseio de óleo em regiões frias tem uma disciplina particular. Barris, tanques e tubos de transferência de calor precisam estar localizados acima do ponto de fluidez do óleo para que o óleo permaneça bombeável; muitos locais recorrem ao armazenamento aquecido e linhas de transferência. Antes do preenchimento, o óleo deve ser desgasificado a vácuo e seco até abaixo de 30 ppm de teor de água devido ao fato de que o ar frio contém muito pouca umidade, enquanto o óleo quente vindo do armazenamento a condensaria. Normalmente, instala-se filtros com 1-5 micrômetros e um secador a vácuo ao preencher transformadores com óleo em regiões frias.
Ao iniciar o equipamento em condições frias, é muito importante seguir a sequência – ligue o transformador e deixe o óleo circular por 10-30 minutos antes de colocar carga significativa para evitar a formação de pontos quentes no óleo frio estagnado. Alguns operadores mantêm as bombas em operação durante as noites mais frias, em vez de configurar o sistema de controle na temperatura do óleo sendo bombeado. As regras de operação devem ser incluídas no manual de manutenção do site, não apenas em suas especificações.
Perguntas Frequentes
Qual óleo de transformador é apropriado para locais frios?
Para uso em aplicações em regiões frias, o uso de óleo mineral naftênico de baixo ponto de fluidez aprovado pela IEC 60296 é a melhor opção: o óleo permanece líquido em temperaturas de -40°C a -60°C e custa aproximadamente $2.5-$4 por litro. Ésteres sintéticos, com preço em torno de $8-$15 por litro, oferecem tanto segurança contra incêndios melhorada quanto biodegradabilidade, mas com os mesmos níveis de desempenho no frio. O óleo padrão, com um ponto de fluidez de -30°C, não é suficiente para locais que experimentam temperaturas abaixo de aproximadamente -25°C.
O que se entende por ponto de fluidez do óleo de transformador?
Ponto de fluidez é definido como a temperatura na qual o óleo ainda está fluindo. Nessa temperatura, a circulação para, e, consequentemente, o transformador não esfria, resultando em superaquecimento do enrolamento, independentemente do clima congelante. O óleo padrão do transformador tem um ponto de fluidez de -30°C; o óleo para regiões frias é classificado em -40°C, -45°C ou -60°C, dependendo do local.
O óleo de transformador naftênico ou parafínico é melhor para o inverno?
Definitivamente naftênico. Os óleos parafínicos contêm parafina que cristaliza em temperaturas frias, aumentando a viscosidade a ponto de impedir que o óleo flua, o que significa que o transformador não pode ser resfriado nessas temperaturas. O óleo naftênico tem naturalmente um baixo ponto de fluidez e flui bem no frio, razão pela qual as especificações de óleo para regiões frias quase sempre exigem óleo de grau naftênico.
Quanto custa o óleo de transformador para regiões frias?
O óleo mineral padrão é precificado em $1.5-$2.5 por litro, o óleo naftênico de baixo ponto de fluidez custa $2.5-$4 por litro, os ésteres sintéticos custam $6-$15 por litro, e o óleo de silicone custa $15-$30 por litro. A diferença de preço do óleo é em torno de $10,000–$20,000 para um transformador de 10,000 litros, o que não é grande comparado ao custo de falhas no inverno.
Posso usar óleo de transformador padrão se eu apenas reduzir a carga do transformador?
A redução de carga ajuda com o calor, não com a fluidez do óleo em frio. Se o ponto de fluidez do óleo estiver acima do mínimo do local, o óleo parará de fluir, independentemente de quão pouca carga o transformador suporte. A especificação deve ser determinada pela temperatura do local, e o transformador e o óleo selecionados como um único sistema térmico. O óleo de grau frio não é opcional para locais genuinamente frios.
Referências
- IEC 60296 — Fluidos para Aplicações Eletrotécnicas, Óleos Isolantes Minerais Não Utilizados — O padrão mestre para graus de óleo mineral de transformador e pontos de fluidez.
- IEC 61099 — Ésteres Orgânicos Sintéticos para Fins Elétricos — O padrão para óleos isolantes de éster sintético.
- ASTM D3487 — Especificação Padrão para Óleo Isolante Mineral Usado em Aparelhos Elétricos — Especificação de óleo mineral da América do Norte.
- IEC 60156 — Líquidos Isolantes, Determinação da Tensão de Quebra — O método de teste dielétrico para BDV.
- IEEE C57.106 — Guia para Aceitação e Manutenção de Óleo Mineral Isolante — Critérios de aceitação do óleo e limites de umidade.
- Nynas — Soluções de Óleo de Transformador — Graus de óleo naftênico especializados e orientações de aplicação.
- M&I Materials — Fluidos de Éster MIDEL — Produtos de éster sintético com dados publicados de baixa temperatura.
Conclusão
Isso significa que, ao comprar óleo para transformadores para condições frias, não se trata apenas do lubrificante em si, mas também do design térmico. O ponto de fluidez, a viscosidade a baixa temperatura e o teor de água determinam se o sistema de resfriamento funcionará durante a noite mais fria, enquanto o tipo de óleo define o risco de incêndio e ambiental. Com as informações corretas no papel, o transformador servirá por anos; caso contrário, pagará caro no inverno.
- Especifique o ponto de fluidez a partir do mínimo extremo do local mais uma margem, não a partir de um padrão de catálogo.
- Escolha óleo naftênico para regiões frias; use ésteres apenas onde o fogo ou o meio ambiente exigirem.
- Verifique a viscosidade a baixa temperatura em relação ao limite de circulação do fabricante.
- Compre o óleo e o transformador como um único sistema e coloque o certificado no contrato.
Para transformadores imersos em óleo preenchidos com o óleo de grau frio correto e certificados de acordo com a IEC 60296, entre em contato Jiangsu Subian Electric Power decidem www.subian-electric.com — especifique a temperatura mínima do seu local e o requisito do ponto de fluidez, e eles cotarão a unidade preenchida com o certificado incluído.