Calculadora de gases dissolvidos no óleo: triângulos e pentágonos de Duval, IEC 60599 e IEEE

O que faz esta calculadora

Recebe as concentrações do cromatógrafo em ppm e aplica cada método de interpretação no seu próprio separador, para que se possam comparar sem os misturar:

• Resumo: o resultado de todos os métodos numa tabela.
• Triângulos de Duval 1 a 7 e pentágonos de Duval 1 e 2, com o ponto desenhado sobre a figura.
• IEC 60599:2022: tabela 1 segundo o tipo de equipamento, esquema simplificado da tabela 2, valores típicos do anexo A, velocidades de aumento, CO₂/CO, O₂/N₂ e C₂H₂/H₂.
• IEEE C57.104-2019: estado DGA 1, 2 ou 3 com as tabelas 1 a 4 segundo a idade do transformador e a relação O₂/N₂, variações entre análises e taxas por regressão de várias análises.
• IEEE C57.104-2008: condições 1 a 4, intervalo de amostragem da tabela 3, litros de gás por dia as relações de Rogers e de Doernenburg e o método dos gases-chave.
• IEEE C57.146-2005: limiares e gases-chave para transformadores em silicone.

Se introduzir as análises anteriores com a respetiva data (até cinco), a calculadora acrescenta as variações e as velocidades de geração, que são os dados que realmente decidem. Se a amostra for de gás livre do relé Buchholz, converte-a no equivalente dissolvido com os coeficientes de Ostwald da IEC 60599.

De onde vêm os gases

Cada mecanismo de degradação dentro do transformador quebra umas moléculas e não outras, e por isso a mistura de gases identifica a avaria:

• Hidrogénio (H₂): aparece com quase tudo, e é o primeiro a surgir em descargas parciais.
• Metano e etano (CH₄, C₂H₆): aquecimentos moderados do óleo.
• Etileno (C₂H₄): aquecimentos fortes, acima de 300 °C.
• Acetileno (C₂H₂): arco elétrico. Precisa de temperaturas acima de 700 °C e não se gera de outro modo.
• Monóxido e dióxido de carbono (CO, CO₂): degradação da celulose, ou seja, do papel isolante.

Estado DGA da IEEE C57.104-2019

A edição de 2019 já não classifica o transformador com limites fixos: classifica a análise em três estados a partir da estatística de uma grande população de transformadores.

• Estado 1: níveis baixos e sem indícios de geração. Amostragem habitual.
• Estado 2: algum gás entre as tabelas 1 (percentil 90) e 2 (percentil 95), ou um aumento confirmado entre análises. É preciso investigar e amostrar com mais frequência.
• Estado 3: algum gás acima da tabela 2, ou uma taxa de geração acima da tabela 4. Geração ativa provável.

As tabelas 1 e 2 dependem da idade do transformador (desconhecida, 1 a 9, 10 a 30 ou mais de 30 anos) e da relação O₂/N₂ (até 0,2 ou acima); sem O₂ e N₂ usa-se a secção acima de 0,2. A tabela 3 fixa a variação máxima entre duas análises consecutivas: se for ultrapassada, é necessária uma análise de confirmação no prazo de um mês. A tabela 4 fixa a taxa máxima em ppm/ano, calculada por regressão linear das últimas 3 a 6 análises nos dois últimos anos, com pelo menos quatro meses de histórico; para o acetileno basta qualquer aumento.

A calculadora aplica ainda os critérios do anexo D.8 sobre o CO e o CO₂ (um CO alto sem hidrocarbonetos aponta para oxidação do óleo, não para uma falha no papel) e lembra que, com todos os gases abaixo da tabela 1, a norma desaconselha identificar o tipo de falha.

Condições da IEEE C57.104-2008

A calculadora classifica a análise em quatro condições com a tabela 1 da edição de 2008, que corrigiu os valores de 1991 e continua a ser a referência de campo mais usada para unidades sem histórico. A condição é a do pior gás ou a do gás combustível total, não a média.

Com a análise anterior, a tabela 3 dá o intervalo de amostragem e o procedimento segundo o gás combustível total e a sua velocidade de geração (menos de 10, de 10 a 30 ou mais de 30 ppm por dia). Com o volume de óleo aplica-se também a equação (1): mais de 2,8 litros de gás combustível por dia apontam para uma falha ativa.

A edição de 2019 substituiu esta abordagem pelo estado DGA descrito na secção anterior. A calculadora aplica as duas edições, cada uma no seu separador.

IEC 60599

A norma usa três quocientes — C₂H₂/C₂H₄, CH₄/H₂ e C₂H₄/C₂H₆ — e uma tabela que os traduz em seis tipos de falha: PD (descargas parciais), D1 e D2 (descargas de baixa e de alta energia) e T1, T2 e T3 (falhas térmicas abaixo de 300 °C, entre 300 e 700 °C e acima de 700 °C). Quando as relações não encaixam em nenhuma linha, a calculadora indica-o e aplica o esquema simplificado da tabela 2, que pelo menos distingue descargas parciais, descargas e falhas térmicas.

O limite de CH₄/H₂ para descargas parciais depende do equipamento: 0,1 em transformadores, 0,2 em transformadores de medida e 0,07 em travessias, que têm ainda o seu próprio esquema simplificado (tabela A.10). No compartimento de um comutador a tabela 1 não se aplica: aí usam-se o triângulo de Duval 2 e a relação C₂H₄/C₂H₂.

A calculadora compara cada gás com os valores típicos a 90 % do anexo A e, com a análise anterior, a velocidade de aumento com a tabela A.3. Se todos os gases estiverem no extremo inferior dos valores típicos, a análise é normal e a norma desaconselha diagnosticar com as relações. Três relações auxiliares completam a leitura: CO₂/CO (envolvimento do papel), O₂/N₂ (consumo de oxigénio, abaixo de 0,3) e C₂H₂/H₂ (acima de 2, contaminação a partir do comutador).

Triângulos de Duval

Cada triângulo usa três gases, expressa-os em percentagem da sua soma e coloca o ponto num diagrama ternário dividido em zonas. A calculadora desenha cada triângulo a partir das mesmas desigualdades com que classifica o ponto, por isso o desenho e o diagnóstico não podem divergir.

• Triângulo 1 (CH₄, C₂H₄, C₂H₂): o clássico da IEC 60599 para óleo mineral. Fronteiras: 98 % de CH₄ para PD; 4, 13, 15 e 29 % de C₂H₂; 20, 23, 40 e 50 % de C₂H₄. A zona DT reúne as misturas de falhas térmicas e elétricas.
• Triângulo 2 (os mesmos gases): para o óleo dos comutadores em carga do tipo óleo, onde o arco faz parte do funcionamento normal. Zona N de funcionamento normal e zonas D1, X1, X3, T2 e T3 de funcionamento anormal.
• Triângulo 3: o triângulo 1 com três fronteiras deslocadas para cada fluido alternativo.
• Triângulos 4 e 5: para falhas de baixa temperatura em óleo mineral. O 4 usa H₂, CH₄ e C₂H₆; o 5, CH₄, C₂H₄ e C₂H₆. Separam a gaseificação parasita do óleo (S), o sobreaquecimento abaixo de 250 °C (O) e os pontos quentes com carbonização do papel (C). A IEEE C57.104-2019 indica aplicar o 4 a falhas que o triângulo 1 identifica como PD, T1 ou T2, e o 5 a falhas T2 ou T3.
• Triângulos 6 e 7: os equivalentes do 4 e do 5 para o éster natural FR3, cuja gaseificação parasita produz muito mais etano.

Fontes: IEC 60599:2022 (figuras B.3 e B.4) e M. Duval, The Duval Triangle for LTCs, alternative fluids and other applications (2009). Os triângulos 4 e 5 seguem as tabelas D.3 e D.4 da IEEE C57.104-2019.

Pentágonos de Duval

O pentágono (Duval e Lamarre, 2014) usa os cinco hidrocarbonetos ao mesmo tempo. Cada gás tem o seu eixo, do centro (0 %) ao vértice (100 %), por esta ordem: H₂, C₂H₆, CH₄, C₂H₄ e C₂H₂. As cinco percentagens formam um polígono irregular e o ponto da análise é o seu centroide, que nunca passa de 40 % de um eixo. As fronteiras das zonas são as do anexo D da IEEE C57.104-2019.

• Pentágono 1: as seis falhas básicas (PD, D1, D2, T1, T2, T3) e a gaseificação parasita S.
• Pentágono 2: as mesmas descargas, mas divide as falhas térmicas em T3-H (só no óleo), C (com carbonização do papel) e O (sobreaquecimento abaixo de 250 °C).

Não substituem os triângulos 1, 4 e 5. Se pentágonos e triângulos não coincidirem, o mais provável é uma mistura de falhas.

Rogers, Doernenburg e gases-chave

São os dois métodos de relações da IEEE C57.104-2008. Rogers usa CH₄/H₂, C₂H₂/C₂H₄ e C₂H₄/C₂H₆ e atribui um de seis casos, desde unidade normal até falha térmica acima de 700 °C. Doernenburg usa quatro relações (CH₄/H₂, C₂H₂/C₂H₄, C₂H₂/CH₄ e C₂H₆/C₂H₂) e, antes de diagnosticar, verifica se há gás suficiente: se nenhum gás-chave superar o dobro do seu limite L1, ou se nem o etano nem o CO superarem L1, não há falha (figura 4), e se uma relação não tiver gases acima de L1, não é significativa. Com gás livre do relé aplica as colunas de espaço de gás.

O método dos gases-chave (figura 3) compara as proporções dos seis gases combustíveis com quatro perfis típicos — óleo sobreaquecido (etileno), celulose sobreaquecida (CO), descargas parciais (hidrogénio) e arco (acetileno) — e mostra o mais parecido juntamente com o gás principal medido.

Transformadores em silicone

A IEEE C57.146-2005 dá limiares próprios para a silicone: 200 ppm de H₂, 100 de CH₄, 1 de C₂H₂, 30 de C₂H₄ e de C₂H₆, 3000 de CO, 30 000 de CO₂ e 3361 de gás combustível total. Abaixo, vigilância normal; acima, nova amostragem para confirmar e procura do tipo de falha. A calculadora compara ainda as proporções dos gases combustíveis com os quatro perfis de gases-chave do guia (sobreaquecimento do silicone e da celulose, descargas parciais e arco) e mostra o mais parecido. Em silicone, qualquer quantidade de acetileno pode indicar um problema sério.

Exemplo resolvido

Transformador de potência com H₂ 180, CH₄ 95, C₂H₆ 30, C₂H₄ 210, C₂H₂ 4 e CO 320 ppm.

• Gás combustível total: 839 ppm. Condição 2 pelo total, pelo hidrogénio e pelo acetileno, e condição 4 pelo etileno, que passa de 200 ppm: decide o pior gás.
• IEC 60599: C₂H₂/C₂H₄ = 0,02; CH₄/H₂ = 0,53; C₂H₄/C₂H₆ = 7,0. O hidrogénio supera o valor típico mais alto (150 ppm), por isso as relações são significativas, mas não encaixam em nenhuma linha da tabela 1; a tabela 2 dá falha térmica.
• Triângulo de Duval 1: CH₄ 31 %, C₂H₄ 68 %, C₂H₂ 1 %, zona T3. Como não é PD, T1 nem T2, os triângulos 4 e 5 não se aplicam.
• Pentágono 1: zona T3. Pentágono 2: T3-H, falha térmica no óleo sem indícios de carbonização do papel.

Leitura: falha térmica acima de 700 °C, com algum acetileno que obriga a vigiar de perto. A suspeita típica é uma ligação interna em mau estado ou uma corrente de circulação no núcleo ou na cuba.

O que esta calculadora não faz

Não sabe se a amostra foi bem colhida, se o equipamento voltou há pouco ao serviço depois de uma reparação ou de uma desgaseificação, nem conhece a história da unidade além da análise anterior que lhe for dada. Os valores típicos da IEC 60599 são gamas observadas em muitas redes: o recomendável é calcular os da própria população de equipamentos. E todos os métodos gráficos devolvem uma zona mesmo sem geração real; o diagnóstico só faz sentido quando os gases e a sua velocidade de aumento estão acima do típico.

Com que se mede

A análise é feita por um laboratório a partir de uma amostra de óleo, ou por um analisador de óleo dielétrico na própria instalação. Para as unidades críticas, a alternativa é a monitorização em linha: sensores de hidrogénio e de gases dissolvidos que avisam de uma mudança de tendência entre amostragens, em vez de esperar pela análise semestral. O tratamento do óleo — secagem e desgaseificação — é a outra metade do trabalho.