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  • Yuri Berwanger

Espectroscopia fotoacústica para monitoramento DGA on-line

Atualizado: Ago 7

A maioria dos grandes transformadores no Brasil possuem núcleos e bobinas imersos em óleo, com os enrolamentos isolados eletricamente por camadas de papel. O óleo serve como agente de dissipação de calor e como meio isolante. Quando esses elementos isolantes são submetidos a condições de temperaturas elevadas, associadas principalmente por sobrecarga ou faltas na rede, ou mesmo em condições normais de operação por longos períodos de tempo, suas moléculas tendem a se romper, formando partículas de gases que imediatamente se dissolvem no óleo.

A análise da concentração dessas moléculas de gás dissolvidas no óleo, denominada Análise de Gases Dissolvidos (DGA – do inglês Dissolved Gas Analysis), é reconhecida há mais de 40 anos como a técnica mais poderosa de detecção e predição de falhas nos tanques dos transformadores.


Com o envelhecimento das frotas de transformadores e iniciativas das concessionárias de energia para otimizar despesas operacionais e de capital, a DGA tornou-se um procedimento ainda mais importante.


DGA em Laboratório


A resolução normativa nº 669 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), que regulamenta os requisitos mínimos de manutenção e monitoramento da manutenção de instalações de transmissão, prevê a análise de gases dissolvidos no óleo isolante do tanque principal de todos os transformadores de potência, autotransformadores e reatores na rede básica com uma periodicidade de 6 meses.


Em geral, o procedimento de DGA realizado pela concessionária se inicia coletando uma amostra de óleo manualmente da válvula do transformador e em seguida é feito o envio a um laboratório para análise.

No laboratório, o processo de desgaseificação das amostras de óleo para a análise tem sido tradicionalmente realizada, utilizando uma forte bomba de vácuo, denominada bomba de Toeplr. Hoje, um método chamado extração de gás por Headspace vem se tornando uma técnica mais comum nos laboratórios, devido à sua praticidade e excelente repetibilidade.


A tecnologia de detecção de gás utilizada no laboratório baseia-se na separação de cada gás em uma mistura. Isso é possível ao introduzir a amostra de gás em um fluxo constante, que chamamos de gás de arraste, para que seja realizada a detecção dos gases. A técnica é denominada cromatografia gasosa e pode ser utilizada para analisar uma enorme variedade de tipos de amostras, líquidas ou gasosas, desde gases dissolvidos em óleo do transformador até a poluição atmosférica e da água.

Cada sistema de cromatografia gasosa é configurado para uma aplicação específica. Um gás de arraste específico é escolhido para determinada aplicação e serve para transportar a amostra gasosa já separada do óleo de seu ponto de injeção até o detector. Durante esse processo, o gás passa por um fino filamento, denominado “coluna” onde será separado em diferentes gases (quanto mais moléculas móveis na mistura, maior a velocidade do transporte). Essa técnica requer um controle muito rígido de vazão de gás, temperaturas e qualidade do gás de arraste. É uma técnica sensível e que permaneceu historicamente restrita ao ambiente laboratorial. Isso se deve, principalmente, porque a cromatografia gasosa responde de forma diferente dependendo das condições de temperatura, pressão, movimento, vazões de gás, etc. Devido a essa sensibilidade, o método requer recalibração diária para manter a qualidade da operação.


DGA em Campo – on-line e portátil


Os avanços tecnológicos dos últimos anos fizeram com que o fosse possível realizar análises DGA também no campo.

Esse tipo de tecnologia iniciou-se com detectores de gases compostos capazes de amostrar gases de falha de forma passiva por meio de uma membrana eletroquímica. Hoje, a tecnologia DGA em campo avançou até um ponto em que é possível realizar análises completas de todos os gases relacionados a falhas no transformador, várias vezes ao dia, e seguindo um cronograma pré-programado, sem qualquer intervenção do usuário. Essa evolução fez com que os profissionais de operação e manutenção fossem alimentados com níveis de informação nunca antes vistos. Ao adicionar a possibilidade de comunicação dos equipamentos com a rede operativa da subestação, os usuários podem monitorar tendências da variação de concentração de diversos gases que estão relacionados com a grande maioria das falhas do transformador, detectando não apenas falhas ativas, como também prevendo o desenvolvimento de futuros problemas. Essas ferramentas também auxiliam as equipes de planejamento da manutenção a otimizar seu trabalho.

Originalmente, os dispositivos para DGA em campo, tanto sistemas on-line quanto equipamentos portáteis, baseavam-se em versões simplificadas dos equipamentos de cromatografia gasosa laboratorial, de modo a permitir que funcionassem no ambiente de campo. Com o passar dos anos, uma nova tecnologia emergiu para fazer frente aos desafios.


Os instrumentos de DGA que usam o método Espectroscopia Fotoacústica (PAS) para detecção dos gases, desenvolvidos especialmente para fazer frente às deficiências da cromatografia, chegaram ao mercado em 2002. Utilizando uma tecnologia de detecção normalmente associada ao monitoramento da poluição urbana, os sistemas de PAS tornaram-se uma das tecnologias mais confiáveis atualmente para aplicações de DGA on-line e portáteis.


Instrumentos de PAS oferecem vantagens consideráveis. Eles são capazes de coletar e extrair todos os gases necessários para realizar diagnóstico e operar em acordo com os princípios da extração por headspace. Com essa tecnologia é possível analisar concentrações muito baixas, de até 0,5 ppm. Hoje, com a PAS aplicada em campo, as análises contam com a precisão e exatidão similares às de laboratório, realizadas a cada hora, sem a necessidade de calibração, itens consumíveis ou manutenções frequentes.


Espectroscopia Fotoacústica - PAS


O conceito de PAS é uma ciência antiga, observada pela primeira vez em 1880, por Alexander Graham Bell, que utilizou o sol como fonte de infravermelho e o ouvido humano como detector do sinal acústico. Nos anos 70, com surgimento da eletrônica moderna, foi renovado o interesse nessa ciência, já que a técnica oferecia um método muito sensível para a identificação e quantificação de vestígios de poluentes de gases atmosféricos, sem a necessidade de recalibrações frequentes no detector.

A PAS funciona com base no princípio de que energia absorvida de uma fonte de luz é transformada em aquecimento, e, consequentemente, em energia cinética nas moléculas de gás expostas à radiação. Essa energia cinética resulta na criação de uma onda de pressão (som), capaz de ser detectada por um microfone.


Pulsando essa fonte de luz, realizam-se repetidas medições em uma única amostra. É possível registrar um espectro fotoacústico de uma amostra ao medir a intensidade do som em diferentes comprimentos de onda, produzidos com a combinação de uma fonte de infravermelho e uma rede de difração (uma espécie de disco que filtra o comprimento de onda da fonte). Esse espectro pode ser usado para identificar os componentes de absorção, uma vez que cada tipo de moléculas da amostra reage diferente dependendo da frequência de onda incidida sobre ela.


A espectroscopia fotoacústica tornou-se uma técnica poderosa para o estudo da concentração de gases no nível de partes por bilhão.


Vantagens


Os detectores fotoacústicos modernos são baseados nos mesmos princípios do equipamento de Bell, porém as seguintes melhorias foram realizadas:

  1. Uso de lasers de infravermelho de alta potência, pois a intensidade do som gerado é proporcional à intensidade da energia do feixe (e à concentração de gás);

  2. Filtros de difração são usados para selecionar o espectro da frequência do feixe do infravermelho, que se relaciona com algum gás alvo específico, e assim não há interferência de outros gases na medição. Isso permite que múltiplos gases sejam detectados, sem a necessidade de utilizar vários lasers de diferentes faixas de frequência, ao mesmo tempo, chegando a níveis de detecção de concentração de gás em partes por milhão.

  3. A detecção de som pelo ouvido foi substituída por microfones bastante sensíveis. Os sinais dos microfones são amplificados e detectados utilizando amplificadores lock-in.

  4. Ao enclausurar a amostra gasosa em uma câmara cilíndrica, o sinal do som é amplificado ao sintonizar-se à frequência da modulação para a ressonância acústica da célula de amostra.

O uso de um analisador com PAS para quantificar os gases de falha em transformadores previne muitos dos problemas associados ao uso da cromatografia para a aplicação em campo:


Conclusão


Os instrumentos de análise de gases dissolvidos por espectroscopia fotoacústica foram desenvolvidos com o objetivo de suprir as limitações de instrumentos de cromatografia em campo. Eles fornecem uma alternativa real e mais adequada à operação autônoma em longo prazo. Sem a necessidade de gases consumíveis ou intervalos de manutenção frequentes, os instrumentos de PAS revolucionaram o cenário da DGA on-line multigás. São muito estáveis, repetíveis e perfeitamente adequados ao ambiente severo e às demandas operacionais, muitas vezes associadas à operação remota de subestações. Tornaram-se o novo padrão de alta qualidade no monitoramento de transformadores importantes para a operação sistema e/ou de alta receita.


Os elementos abordados nesse texto são apenas alguns dos pontos relacionados ao uso em campo de uma tecnologia que é, em essência, laboratorial. Embora os problemas citados sejam de fácil gerenciamento em ambiente de laboratório, onde um sistema de cromatografia gasosa receberá manutenções diárias de um técnico, eles tornam-se consideráveis para um sistema que precisa ser operado de forma autônoma por longos períodos. Sendo assim, a aplicação da tecnologia de PAS para DGA on-line é um salto significativo rumo a um monitoramento autônomo, estável e robusto em campo.

1. Transformer Monitoring Markets 2013-2020: Technologies, Forecasts, and Leading Vendors. Ben Kellison, February 2013, GTM Research, A Greentech Media Company.

2. An analysis of international transformer failures, part 1. William H. Bartley, 1996-2013, the Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Company

3. PAS for DGA online monitoring, Dominique Legrand, GE Digital Energy, 2015.

4. Resolução normativa nº 669. ANEEL, 2015.

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