2012 IEEE International Symposium on Electrical Insulation (ISEI), June 10-13, 2012, Ritz Carlton Hotel, San Juan, PR, USA

Os PCBs, do inglês Polychlorinated Biphenyls (bifenilas policloradas), é o nome genérico dado à classe de compostos organoclorados resultante da reação do grupo bifenila com cloro anidro na presença de catalisador. São tóxicos, persistentes, bioacumulativos e representam o risco de provocar efeitos nocivos à saúde humana e ao meio ambiente. Grandes quantidades de PCBs foram produzidos em vários países entre 1927 e 1977. Nos Estados Unidos a proibição ocorreu em 1977. Utilizados como fluidos dielétricos em transformadores elétricos e capacitores em todo o mundo, comercialmente conhecidos como Ascarel, dentre outras denominações, tais como Aroclor, Pyralene, Clorophen, Inerteen, Asbestol e Kneclor. Devido à alta toxicidade, a produção e comercialização dos PCBs foram proibidas no mundo todo a partir de 1980. No Brasil, transformadores que tiveram o óleo mineral isolante, contaminado por PCBs, estando em uso ou em armazenamento, segundo os critérios da Norma ABNT NBR 13882, a destinação final do óleo isolante deverá ser feita por incineração e ou descontaminação a valores inferiores a 50mg/kg. Neste trabalho realizado no Instituto de Química de São Carlos - Universidade de São Paulo, desenvolveu-se um procedimento para a descontaminação de óleo contaminado com valor conhecido acima de 50mg/kg, por percolação em coluna contendo espuma de poliuretano derivada de óleo de mamona, produzida pelo Laboratório de Química Analítica e Tecnologia de Polímeros (GQATP), obtendo-se uma redução de 55% dos níveis de PCBs em óleo contaminado. As espumas foram funcionalizadas com tiodiglicol e polissulfeto de amônio, obtendo-se respectivamente 24% e 11% de redução dos níveis de PCBs em óleo contaminado. Observou-se que a espuma de poliuretano produzida pelo GQATP, funciona como um adsorvente eficaz na remoção de PCBs, e que a utilização de n-hexano na dessorção da espuma, permite remover praticamente todos os PCBs adsorvidos. Portanto, esses tipos de espumas podem servir como adsorventes altamente eficazes na remoção dos PCBs presentes nos óleos minerais isolantes e, portanto, contribuir significativamente para a proteção do meio ambiente. / PCBs, (polychlorinated biphenyls), is the generic name given to the class of organochlorine compounds resulting from the reaction of the biphenyl group with anhydrous chlorine in the presence of catalyst. They are toxic, persistent, bioaccumulative and pose the risk of causing harm to human health and the environment. Large quantities of PCBs were produced in several countries between 1927 and 1977. In the United States the prohibition occurred in 1977. Used as dielectric fluids in electrical transformers and capacitors in the world, commercially known as Ascarel, among other names such as Aroclor, Pyralene, Clorophen, Inerteen, and Asbestol Kneclor. Due to high toxicity, production and marketing of PCBs have been banned worldwide since 1980. In Brazil, transformers that had insulating mineral oil, contaminated with PCBs, while in use or in storage, according to the criteria of the Standard NBR 13,882, the final destination of insulating oil should be by incineration or decontamination and the values below 50mg/kg. In a previous work carried out at the Chemistry Institute of Sao Carlos - University of Sao Paulo, a procedure was developed for the decontamination of oil contaminated with known value above 50 mg / kg of percolation column containing polyurethane foam derived from castor oil produced Laboratory of Analytical Chemistry and Technology of Polymers (GQATP), resulting in a 55% reduction in the levels of PCBs in contaminated oil. Foams were functionalized with thiodiglycol and Ammonium polysulfide, yielding respectively 24% and 11% reduction in the levels of PCBs in contaminated oil. It was observed that the polyurethane foam produced by GQATP function as an effective adsorbent for removal of PCBs, and that the use of n-hexane desorption of the foam allows to remove virtually all PCBs adsorbed. So these types of foam can serve as highly efficient adsorbents for the removal of PCBs present in the insulating mineral oil, and thus contribute significantly to environmental protection.

Os PCBs, do inglês Polychlorinated Biphenyls (bifenilas policloradas), é o nome genérico dado à classe de compostos organoclorados resultante da reação do grupo bifenila com cloro anidro na presença de catalisador. São tóxicos, persistentes, bioacumulativos e representam o risco de provocar efeitos nocivos à saúde humana e ao meio ambiente. Grandes quantidades de PCBs foram produzidos em vários países entre 1927 e 1977. Nos Estados Unidos a proibição ocorreu em 1977. Utilizados como fluidos dielétricos em transformadores elétricos e capacitores em todo o mundo, comercialmente conhecidos como Ascarel, dentre outras denominações, tais como Aroclor, Pyralene, Clorophen, Inerteen, Asbestol e Kneclor. Devido à alta toxicidade, a produção e comercialização dos PCBs foram proibidas no mundo todo a partir de 1980. No Brasil, transformadores que tiveram o óleo mineral isolante, contaminado por PCBs, estando em uso ou em armazenamento, segundo os critérios da Norma ABNT NBR 13882, a destinação final do óleo isolante deverá ser feita por incineração e ou descontaminação a valores inferiores a 50mg/kg. Neste trabalho realizado no Instituto de Química de São Carlos - Universidade de São Paulo, desenvolveu-se um procedimento para a descontaminação de óleo contaminado com valor conhecido acima de 50mg/kg, por percolação em coluna contendo espuma de poliuretano derivada de óleo de mamona, produzida pelo Laboratório de Química Analítica e Tecnologia de Polímeros (GQATP), obtendo-se uma redução de 55% dos níveis de PCBs em óleo contaminado. As espumas foram funcionalizadas com tiodiglicol e polissulfeto de amônio, obtendo-se respectivamente 24% e 11% de redução dos níveis de PCBs em óleo contaminado. Observou-se que a espuma de poliuretano produzida pelo GQATP, funciona como um adsorvente eficaz na remoção de PCBs, e que a utilização de n-hexano na dessorção da espuma, permite remover praticamente todos os PCBs adsorvidos. Portanto, esses tipos de espumas podem servir como adsorventes altamente eficazes na remoção dos PCBs presentes nos óleos minerais isolantes e, portanto, contribuir significativamente para a proteção do meio ambiente. / PCBs, (polychlorinated biphenyls), is the generic name given to the class of organochlorine compounds resulting from the reaction of the biphenyl group with anhydrous chlorine in the presence of catalyst. They are toxic, persistent, bioaccumulative and pose the risk of causing harm to human health and the environment. Large quantities of PCBs were produced in several countries between 1927 and 1977. In the United States the prohibition occurred in 1977. Used as dielectric fluids in electrical transformers and capacitors in the world, commercially known as Ascarel, among other names such as Aroclor, Pyralene, Clorophen, Inerteen, and Asbestol Kneclor. Due to high toxicity, production and marketing of PCBs have been banned worldwide since 1980. In Brazil, transformers that had insulating mineral oil, contaminated with PCBs, while in use or in storage, according to the criteria of the Standard NBR 13,882, the final destination of insulating oil should be by incineration or decontamination and the values below 50mg/kg. In a previous work carried out at the Chemistry Institute of Sao Carlos - University of Sao Paulo, a procedure was developed for the decontamination of oil contaminated with known value above 50 mg / kg of percolation column containing polyurethane foam derived from castor oil produced Laboratory of Analytical Chemistry and Technology of Polymers (GQATP), resulting in a 55% reduction in the levels of PCBs in contaminated oil. Foams were functionalized with thiodiglycol and Ammonium polysulfide, yielding respectively 24% and 11% reduction in the levels of PCBs in contaminated oil. It was observed that the polyurethane foam produced by GQATP function as an effective adsorbent for removal of PCBs, and that the use of n-hexane desorption of the foam allows to remove virtually all PCBs adsorbed. So these types of foam can serve as highly efficient adsorbents for the removal of PCBs present in the insulating mineral oil, and thus contribute significantly to environmental protection.

O objetivo deste trabalho de pesquisa foi de fazer a modelagem por meio de sistemas de inferência Fuzzy da análise da concentração dos gases dissolvidos no óleo mineral isolante e desta forma diagnosticar defeitos elétricos internos em transformadores de Potência. Assim sendo o sistema proposto deve fornecer respostas que auxiliem no diagnóstico de falhas e avarias nos interiores dos transformadores e no processo de tomada de decisões no acompanhamento da evolução destas falhas de forma a aumentar a confiabilidade em relação à utilização dos métodos individualmente. O sistema desenvolvido baseou-se na pesquisa acadêmica de normas e técnicas mais utilizadas na literatura que relacionam o gás dissolvido no óleo mineral isolante com a falha. O sistema proposto foi validado por meio de dados reais de dois transformadores pilotos e vários sistemas Fuzzy foram construídos, cada um especialista em um determinado método. Os resultados encontrados mostraram-se compatíveis com aqueles obtidos pelos métodos convencionais comprovando que a ferramenta pode ser utilizada como suporte para uma análise rápida e confiável do estado do óleo isolante dos transformadores. / The objective of this research was to model by analyzing the fuzzy inference systems the concentration of gases dissolved in the insulating oil and diagnosing thereby internal defects in electrical power transformers. Therefore the proposed system should provide answers that help in the diagnosis of faults and malfunctions in the interiors of the transformers and in the decision-making process in monitoring the evolution of these failures in order to increase the reliability regarding the use of the methods individually. The system developed was based on academic research standards and techniques commonly used in the literature relating the gas dissolved in the insulating oil with failure. The proposed system was validated by real data of two pilots transformers and various Fuzzy systems were built, each an expert in a particular method. The results were compatible with those obtained by conventional methods proving that the tool can be used as support for quick and reliable analysis of the insulating oil condition of transformers.

Esta pesquisa apresenta uma metodologia, baseada em duas técnicas não invasivas para identificação e diagnóstico de pontos quentes em transformadores de potência durante plena operação ou em fase de projeto. A primeira técnica é baseada na medição de radiação infravermelha, emitida pelo equipamento em funcionamento e registrada por meio de análise termográfica. A segunda técnica é possível a partir do conhecimento prévio das características construtivas do transformador, fazendo uso do Método dos Elementos Finitos (MEF). A segunda técnica pode ser validada a partir das medições realizadas utilizando a primeira técnica. A formação de gases no interior dos transformadores de potência, devido à elevação da temperatura do óleo isolante em função dos pontos quentes, é discutida em detalhes com base nas normas técnicas estabelecidas pelo IEEE e IEC. As técnicas e procedimentos abordados ao longo dessa pesquisa foram obtidos a partir de um transformador com potência nominal de 120 MVA e relação de tensão 13,8/230 kV, projetado para integrar uma fazenda eólica ao Sistema Interligado Nacional (SIN). / This research presents a methodology based on two noninvasive techniques for identification and diagnostic of hot spots in power transformers during operation or project development. The first is based on measurements of infrared radiation from the equipment during operation and recording by thermography. The second technique is possible from the previous knowing of the constructive characteristics of the power transformer, by using the Finite Element Method (FEM). The second technique can be validated from measurements obtained using the first technique. The gas formation into the power transformers, because of the high temperatures in the insulating oil due to the hot spots, is discussed in details based on normative recommendations well established by the IEEE and IEC. All techniques and procedures to be approached in this research were obtained using a 120-MVA power transformer with voltage relationship of 13.8/230 kV that was projected to interconnect a wind farm to the Interconnected Brazilian System (Sistema Interligado Nacional - SIN).

Esta pesquisa apresenta uma metodologia, baseada em duas técnicas não invasivas para identificação e diagnóstico de pontos quentes em transformadores de potência durante plena operação ou em fase de projeto. A primeira técnica é baseada na medição de radiação infravermelha, emitida pelo equipamento em funcionamento e registrada por meio de análise termográfica. A segunda técnica é possível a partir do conhecimento prévio das características construtivas do transformador, fazendo uso do Método dos Elementos Finitos (MEF). A segunda técnica pode ser validada a partir das medições realizadas utilizando a primeira técnica. A formação de gases no interior dos transformadores de potência, devido à elevação da temperatura do óleo isolante em função dos pontos quentes, é discutida em detalhes com base nas normas técnicas estabelecidas pelo IEEE e IEC. As técnicas e procedimentos abordados ao longo dessa pesquisa foram obtidos a partir de um transformador com potência nominal de 120 MVA e relação de tensão 13,8/230 kV, projetado para integrar uma fazenda eólica ao Sistema Interligado Nacional (SIN). / This research presents a methodology based on two noninvasive techniques for identification and diagnostic of hot spots in power transformers during operation or project development. The first is based on measurements of infrared radiation from the equipment during operation and recording by thermography. The second technique is possible from the previous knowing of the constructive characteristics of the power transformer, by using the Finite Element Method (FEM). The second technique can be validated from measurements obtained using the first technique. The gas formation into the power transformers, because of the high temperatures in the insulating oil due to the hot spots, is discussed in details based on normative recommendations well established by the IEEE and IEC. All techniques and procedures to be approached in this research were obtained using a 120-MVA power transformer with voltage relationship of 13.8/230 kV that was projected to interconnect a wind farm to the Interconnected Brazilian System (Sistema Interligado Nacional - SIN).

O objetivo deste trabalho de pesquisa foi de fazer a modelagem por meio de sistemas de inferência Fuzzy da análise da concentração dos gases dissolvidos no óleo mineral isolante e desta forma diagnosticar defeitos elétricos internos em transformadores de Potência. Assim sendo o sistema proposto deve fornecer respostas que auxiliem no diagnóstico de falhas e avarias nos interiores dos transformadores e no processo de tomada de decisões no acompanhamento da evolução destas falhas de forma a aumentar a confiabilidade em relação à utilização dos métodos individualmente. O sistema desenvolvido baseou-se na pesquisa acadêmica de normas e técnicas mais utilizadas na literatura que relacionam o gás dissolvido no óleo mineral isolante com a falha. O sistema proposto foi validado por meio de dados reais de dois transformadores pilotos e vários sistemas Fuzzy foram construídos, cada um especialista em um determinado método. Os resultados encontrados mostraram-se compatíveis com aqueles obtidos pelos métodos convencionais comprovando que a ferramenta pode ser utilizada como suporte para uma análise rápida e confiável do estado do óleo isolante dos transformadores. / The objective of this research was to model by analyzing the fuzzy inference systems the concentration of gases dissolved in the insulating oil and diagnosing thereby internal defects in electrical power transformers. Therefore the proposed system should provide answers that help in the diagnosis of faults and malfunctions in the interiors of the transformers and in the decision-making process in monitoring the evolution of these failures in order to increase the reliability regarding the use of the methods individually. The system developed was based on academic research standards and techniques commonly used in the literature relating the gas dissolved in the insulating oil with failure. The proposed system was validated by real data of two pilots transformers and various Fuzzy systems were built, each an expert in a particular method. The results were compatible with those obtained by conventional methods proving that the tool can be used as support for quick and reliable analysis of the insulating oil condition of transformers.

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The objective of this thesis to propose analytical methodologies to evaluate the oxidation process of the insulation system, both in naturally and accelerated degraded oil samples, using Image Analysis and spectroscopic techniques combined with methods of Multivariate Calibration (Partial Least Squares - PLS), Resolution Multivariate Curve and Data Fusion. Spectra of Moleculular Fluorescence (MF), Nuclear Magnetic Resonance of 1H (1H NMR), Fourier Transform Near Infrared (FT-NIR) and RGB images were obtained for a set of 268 oil samples provided by CELG Distribuição S.A. (CELG D). Subsequently, spectra in the Ultraviolet-Visible (UV-Vis) region, FM and RGB images were obtained for a set of 24 oil samples subjected to an accelerated degradation. PLS models were obtained in order to predict the IT and color parameters for the set of samples provided by CELG D. For the set of degraded samples PLS models were obtained for prediction of degradation time. PARAFAC and MCR-ALS models were obtained to evaluate the oxidation process of the insulating system and too identify the pure spectra of possible compounds formed during this process. Furthermore, low level data fusion combined with variable selection using the Variables Importance in the Projection (VIPs) was used in this study to obtain PLS models. The best PLS model for the set of samples provided by CELG D was obtained for the fused spectroscopic data using variable selection by VIPS. This model provided a mean square error of prediction (RMSEP) of 2.9 mN/m for IT and 0.3 for the color parameter (dimensionless units). PARAFAC and MCR-ALS models allowed to assess the process of system degradation. The proposed methodologies are fast and non-destructive, showing great advantages over traditional methods, which take a long time, and generate a lot of waste. This work opens perspectives for an online monitoring to assess the degradation of the insulating system besides having permitted a more detailed study on the compounds formed during the degradation process. / A vida útil de um transformador de potência é determinada pelo estado de degradação de seu sistema isolante. Esse sistema é constituído pelo papel tipo Kraft imerso em óleo mineral isolante (OMI). Para evitar que um transformador chegue ao seu fim de vida de forma abrupta é necessário que seja realizado o monitoramento do seu estado de oxidação. Esse monitoramento é feito através de ensaios físico-químicos e cromatográficos. O parâmetro físico-químico de maior importância é a tensão interfacial (TI), pois é uma medida que avalia indiretamente o estado de oxidação do papel. O objetivo deste trabalho foi propor metodologias analíticas para avaliar o processo de degradação do sistema isolante tanto em amostras degradadas naturalmente quanto em amostras degradadas aceleradamente, usando Análise de Imagens e técnicas espectroscópicas aliadas a métodos de Calibração Multivariada (Mínimos Quadrados Parciais - PLS), Resolução de Curva Multivariada e Fusão de Dados. Foram obtidos espectros de Fluorescência Molecular (FM), Ressonância Magnética Nuclear de 1H (RMN de 1H), Infravermelho na região do próximo (FT-NIR) e imagens RGB de um conjunto de 268 amostras de OMI fornecidas pela CELG Distribuição S.A. (CELG D). Posteriormente, foram obtidos espectros de UV-Vis, FM e imagens RGB de um conjunto de 24 amostras degradadas aceleradamente. Modelos PLS foram construídos para prever os parâmetros TI e cor para o conjunto de amostras fornecidas pela CELG D. Para as amostras degradadas aceleradamente modelos PLS foram obtidos para previsão do tempo de degradação. Modelos PARAFAC e MCR-ALS foram construídos com objetivo de avaliar o processo de oxidação do sistema isolante e identificar os espectros puros de possíveis compostos formados durante esse processo. Além disso, Fusão de Dados de baixo nível aliada à seleção de variáveis usando as Variáveis de Importância na Projeção (VIPs) foram utilizadas neste trabalho para a obtenção de modelos PLS. O melhor modelo PLS para o conjunto de amostras fornecidas pela CELG D foi obtido para os dados espectroscópicos fundidos usando seleção de variáveis por VIPS. Esse modelo forneceu um erro médio quadrático de previsão (RMSEP) de 2,9 mN/m para previsão da TI e 0,3 para o parâmetro cor (unidade adimensional). Os modelos PARAFAC e MCR-ALS permitiram avaliar o processo de degradação do sistema isolante. As metodologias propostas são rápidas e não destrutivas, mostrando grandes vantagens sobre os métodos tradicionais, os quais demandam muito tempo, além de gerar uma grande quantidade de resíduos. Este trabalho abre perspectivas para um monitoramento direto (on-line) para avaliar a degradação do sistema isolante, além de ter permitido um estudo mais aprofundado a respeito dos compostos formados durante o processo de degradação.

There is always a need for more compact designs of power transformers free of partial discharges, in order to save cost on the construction and required material resources. The physical geometric constrictions inside the transformer tank would demand field-grading techniques to homogenise the field strength distribution on oil-solid interfaces, when required. Standard filler materials such as carbon black or silicon carbide (SiC) have a too high electrical conductivity yielding an appropriate grading field strength values for air-related applications. Because insulation oil has a higher electrical breakdown strength, the electrical conductivity must be engineered to lower values in order to reach a higher effective grading field strength. This paper presents the investigation of a new material system based on a phenolic resin Lerg FL-500 and the electrically functionalized ceramic filler particles Merck Iriotec®7550 that enable a resistive electrical field grading in insulation oil. In order to verify the principle functionality of the proposed field grading system, a layer is applied on a substrate surface representing possible oil-solid-interface inside oil-filled power transformers. First, the manuscript describes the methods of specimen preparation and the measurement of the nonlinear current-time behaviour under AC voltage stress for different filler contents. Second, a concurring optical and electrical determination of the partial discharge inception and extinction voltage of a modified Toepler arrangement allows the indirect determination of the electrical field strength distribution along the functionalized layer without the need of direct measurement. To do so, the radius of the circular functional layer is varied and with it the specific grading length. In analogy to state of the art SiC-filled systems, a linear dependency between the effective grading length and the PD inception voltage is observed. The quotient of voltage drop over a varied radius yields the effective graded electric field strength.

Os transformadores de potência são alguns dos elementos mais importantes dos sistemas elétricos. A confiabilidade e o bom funcionamento destes equipamentos são vitais para que as companhias de energia forneçam eletricidade com qualidade e segurança. Um dos principais parâmetros que envolvem a normalidade da operação dos transformadores é o estado da isolação interna formada pelo óleo mineral e o papel que cobre as bobinas. Danos nessa isolação resultam na degradação destes dielétricos e, por conseqüência, na diminuição da vida útil dos transformadores. Essa degradação, que advém de processos elétricos, térmicos, ou mesmo mecânicos, geram gases combustíveis cujas quantidades individuais podem indicar o tipo de falha e a gravidade do problema. Desta forma, é importante detectar os principais gases envolvidos. O objetivo deste trabalho é realizar análises e estudos quantitativos da presença de gases inflamáveis dissolvidos no óleo, surgidos através da degradação deste líquido isolante. O cerne deste trabalho está em elaborar ensaios de formação de arco no óleo e, posteriormente, aquecer o fluido para medir a quantidade dos gases combustíveis antes dissolvidos nele. Este estudo visa à melhoria na confiabilidade dos equipamentos projetados para detectar e monitorar o surgimento de gases inflamáveis no interior de transformadores de potência existentes em subestações de companhias de eletricidade. / Power transformers are some of the most important elements of electrical systems. The trustworthiness and the good functioning of this equipment permit power utilities to supply electricity with quality and security. One of the main parameters for transformer\'s operation normality is the state of the internal insulation formed by the mineral oil and the paper that covers the bobbins. Damages in this insulation cause its dielectric degradation and, consequently, the reduction of the equipment useful life. This degradation which originates from electrical, thermal, or even mechanical processes generates chemical products such as gases whose individual amounts may indicate the type of imperfection and gravity of the problem. That\'s why the detection of the main involved gases is important. This work intends to elaborate analyses and studies of the presence of inflammable gases dissolved in oil through the degradation of the insulating liquid. The principal topic of this work is the arc formation elaboration in the oil and later the heating of the oil to measure the amount of gases previously dissolved in it. This study also aims to improve the trustworthiness of the projected equipments in order to detect and monitor the sprouting of existing inflammable gases in the interior of power transformers in substations of power utilities.