Calculadora de humidade no óleo: ppm, saturação relativa, IEC 60422:2024 e IEEE C57.106-2015

O que faz esta calculadora

Converte o teor de água de um óleo mineral entre miligramas por quilograma (o que dá um Karl Fischer) e saturação relativa em percentagem (o que dá uma sonda capacitiva em linha), à temperatura indicada. Calcula duas coisas que quase nunca vêm no relatório: a solubilidade do óleo a essa temperatura e a temperatura de saturação, abaixo da qual essa mesma água começa a aparecer como água livre. E avalia o óleo com a norma escolhida, em dois separadores: a IEC 60422:2024, que o classifica como bom, aceitável ou deficiente segundo a categoria do equipamento, para a água e para outros cinco ensaios de rotina; e a IEEE C57.106-2015, que dá os limites da água e dos restantes ensaios por classe de tensão para óleo em serviço, novo ou recondicionado e para comutadores de tomadas, e estima com o seu anexo B quanto desce a rutura quando o óleo arrefece.

Porque é que os ppm enganam

A água dissolvida no óleo não importa pela sua quantidade absoluta, mas sim pela proximidade da saturação. E a solubilidade depende muito fortemente da temperatura. Para óleo mineral novo:

log₁₀(Ws) = 7,0895 − 1567 / T

com T em kelvin e Ws em mg/kg. É a fórmula 1 da IEEE C57.106-2002 (de Bruce, Christie e Griffen), conhecida como curva de Oommen, e uma das curvas da literatura reunidas na figura 1 da IEC 60422:2024 (A = 7,09; B = 1567). Essa figura mostra quanto diferem entre si: a sua média é A = 7,11 e B = 1585, e a norma não fixa nenhuma. Dá cerca de 55 mg/kg a 20 °C, 243 a 60 °C e 449 a 80 °C.

A consequência prática: uma análise de 25 mg/kg colhida com o transformador quente parece tranquilizadora — 10 % de saturação a 60 °C —, mas essa mesma água, quando a máquina arrefece para 20 °C, está a 45 % de saturação. Por isso, uma amostra sem a temperatura do óleo registada pouco serve, e por isso as sondas em linha dão saturação relativa e não ppm.

A fórmula é para óleo mineral novo. Um óleo envelhecido ou oxidado dissolve mais água, e a IEC 60422:2024 adverte que em óleos muito oxidados a diferença pode ser grande e que não há fórmula universal. Partindo dos mg/kg de um Karl Fischer, a saturação real seria algo menor do que a calculada: o resultado fica do lado conservador. Partindo da saturação de uma sonda, acontece o contrário: os mg/kg reais seriam algo maiores e a avaliação por mg/kg fica do lado otimista.

A temperatura de saturação

É o número mais útil desta calculadora e o que raramente se calcula. Dado o teor de água medido, indica a que temperatura esse óleo atingiria 100 % de saturação. Abaixo dela pode surgir água livre, que é o que realmente faz cair a rigidez dielétrica e o que provoca falhas em arranques a frio ou após uma paragem prolongada no inverno.

Um transformador com 40 mg/kg satura por volta dos 12 °C. Se estiver num local cuja temperatura desce abaixo desse valor, o risco não é teórico.

Classificação segundo a IEC 60422:2024

A IEC 60422:2024 é o guia de supervisão e manutenção de óleos minerais isolantes em equipamentos elétricos. A calculadora aplica a edição 5.0 de 2024, que dá limites de bom, aceitável e deficiente por categoria de equipamento, segundo a sua tensão mais elevada (Um) e com uma tabela para cada tipo de equipamento:

• Transformadores e reatâncias (tabela 5): A, mais de 170 kV ou qualquer tensão se a continuidade de serviço for vital; B, mais de 72,5 kV até 170 kV; C, até 72,5 kV (distribuição) e de tração. Água boa abaixo de 15, 20 e 30 mg/kg e deficiente acima de 20, 30 e 40; rigidez boa acima de 60, 50 e 40 kV e deficiente abaixo de 50, 40 e 30; além disso, acidez, fator de dissipação e resistividade a 90 °C e tensão interfacial, diferente para óleo inibido e não inibido.
• Transformadores de medida e proteção (tabela 7): D, mais de 170 kV, e E, até 170 kV. Só água (cortes em 20 e 30 mg/kg, e em 30 e 40) e fator de dissipação (0,01 e 0,10, e 0,10 e 0,30).
• Ruptor dos comutadores de tomadas em carga (tabela 6), categoria F: água boa abaixo de 15 mg/kg e deficiente acima de 40 em ligação em estrela ou de 30 em triângulo ou extremo de linha; a rigidez só é boa (pelo menos 30 ou 40 kV) ou deficiente.
• Disjuntores e aparelhagem (tabela 8): G, mais de 72,5 kV, e H, até 72,5 kV. Água, rigidez e acidez.
• Travessias (tabela 9): K, mais de 170 kV, e L, até 170 kV. Água, rigidez e fator de dissipação.

As tabelas 6 a 9 não detalham todos os ensaios: para os restantes remetem para a categoria correspondente da tabela 5, e a calculadora marca-os como «Ver tabela 5». Face à edição de 2013, a categoria O desaparece dentro da A, o fator de dissipação dos transformadores de medida de mais de 170 kV passa a 0,01 e 0,10, e os comutadores, os disjuntores e as travessias entram com tabelas próprias.

O que significa cada estado: bom, basta a amostragem e os ensaios com a frequência normal; aceitável, a deterioração já é detetável e convém ensaiar mais vezes; deficiente, há uma deterioração anormal e é preciso avaliar uma ação corretiva, como a secagem, o recondicionamento ou a regeneração do óleo. A calculadora classifica só os ensaios preenchidos e resume com o pior deles. Um valor exatamente no extremo de um intervalo conta como aceitável.

Quatro cautelas. A água é dada à temperatura de serviço, lê-se sempre com a rigidez e a norma pede que não se atue com base num só resultado, mas que se repita a amostra. Abaixo de 35 °C a água difunde-se demasiado devagar para se aproximar do equilíbrio com o papel, e a calculadora avisa; com o óleo muito quente em transformadores muito carregados, a troca rápida de humidade pode dar valores mais altos. Para seguir a tendência do mesmo equipamento, o anexo C, informativo e apresentado como prática histórica, normaliza a água a 20 °C com f = 2,24·e^(−0,04·ts): 10 mg/kg medidos a 40 °C equivalem a 4,5. Só vale com a amostra a 35 °C ou mais e não se compara com as tabelas. E a estimativa da humidade do papel fica fora da norma.

Para a saturação relativa, a tabela B.1 dá um guia para a medição em linha à temperatura de serviço: abaixo de 10 %, transformador seco; entre 10 % e 20 %, humidade elevada face a um novo, com risco de a rigidez baixar num arranque a frio ou ao arrefecer após uma carga elevada; e acima de 20 %, húmido, com a rigidez reduzida, e convém ponderar a secagem do isolamento sólido. A norma dá-a para um acompanhamento de pelo menos um mês; a calculadora aplica-a à saturação à temperatura do óleo, e com uma só amostra é indicativa.

Avaliação segundo a IEEE C57.106-2015

A IEEE C57.106-2015 é o guia do IEEE para a aceitação e manutenção do óleo mineral isolante, a referência habitual na América do Norte. A calculadora aplica a edição de 2015, que reviu a de 2006 e mudou o critério da água: já não há um máximo segundo a temperatura média do óleo, como na tabela 5 da edição de 2002, mas um máximo fixo em mg/kg por classe de tensão, e desaparece a estimativa da humidade do papel.

O separador permite escolher a tabela segundo o estado do óleo:

• Tabela 3, óleo em serviço: água máxima de 35, 25 e 20 mg/kg até 69 kV, de 69 a 230 kV e a partir de 230 kV; rutura ASTM D1816 de pelo menos 23, 28 e 30 kV com 1 mm ou 40, 47 e 50 kV com 2 mm; fator de potência máximo de 0,5 % a 25 °C e de 5 % a 100 °C; tensão interfacial mínima de 25, 30 e 32 mN/m; e acidez máxima de 0,20, 0,15 e 0,10 mg KOH/g. A rutura ASTM D877 (25 kV) aplica-se só a reatâncias e reguladores, não a transformadores.
• Tabela 4, óleo recondicionado ou regenerado, após o enchimento e antes de energizar: água de 35, 20 e 15 mg/kg (desejável abaixo de 10 a partir de 230 kV), rutura de 25, 30 e 35 kV com 1 mm ou 45, 55 e 60 kV com 2 mm, tensão interfacial de 35 mN/m e acidez de 0,05 mg KOH/g.
• Tabela 2, óleo novo em equipamento novo ou após o enchimento, antes de energizar: água de 20, 10 e 10 mg/kg, fator de potência de 0,05 % a 25 °C, tensão interfacial de 38 mN/m e acidez de 0,03 mg KOH/g.
• Tabelas 6 e 7, comutadores de tomadas: óleo novo antes de energizar e óleo em serviço, com limites próprios para o extremo de neutro e para o de linha até 69 kV e acima de 69 kV (em serviço, água de 40, 30 e 25 mg/kg).

Com o óleo em serviço, a calculadora aplica a classificação da secção 4.2.1: classe I se cumpre tudo; classe II se falham apenas a rutura ou a água, e então o guia propõe recondicioná-lo por filtração ou desidratação a vácuo; e classe III se falha mais alguma coisa, caso em que propõe regenerá-lo com terra de Fuller ou substituí-lo, e repor o inibidor. A rutura ASTM D1816 não é comparável com a da IEC 60156:2025 a 2,5 mm, pelo que um valor não passa de um separador para o outro.

A norma avisa em cada tabela que esses mg/kg podem ser excessivos a baixa temperatura, porque a saturação sobe quando o óleo arrefece. Para isso, o seu anexo B (informativo, para óleo novo) relaciona a saturação com a rutura ASTM D1816 a 2 mm: calcula a saturação com Ws = 10^(7,42 − 1670/(273,16 + t)) e a rutura relativa com 0,95·e^(−(%RS/63,15)²) + 0,05. No exemplo da norma, 15 mg/kg são 18 % de saturação a 30 °C e 74 % a 0 °C, e uma rutura de 50 kV medida a 30 °C desceria para cerca de 15 kV ao energizar a 0 °C. O separador IEEE faz esse cálculo com a segunda temperatura; para energizar a frio, a norma remete para a IEEE C57.93-2019.

Exemplo resolvido

É o caso em serviço publicado pela CIGRE (tabela 3 do mesmo artigo): transformador com 15 anos, amostra de 21,5 mg/kg colhida com o óleo a 57 °C e 57 kV de tensão de rutura. São os valores que a calculadora apresenta ao abri-la.

• Solubilidade a 57 °C: 220 mg/kg → saturação 9,8 %: seco segundo a tabela B.1 da IEC 60422:2024 (abaixo de 10 %), embora no limite.
• Solubilidade a 20 °C: 55,5 mg/kg → saturação 38,8 %: se a unidade arrefecer, muito acima dos 20 % da tabela B.1.
• Temperatura de saturação: −1,0 °C.

A CIGRE indica 38,7 % e 9,7 %; a diferença é apenas de arredondamento. A sua conclusão é a que a ferramenta mostra: medido em laboratório a 20 °C, o óleo parece muito mais húmido do que está na máquina.

Com a classificação IEC 60422:2024: num transformador de categoria A, os 21,5 mg/kg são deficiente (o limiar está em 20) e os 57 kV, aceitável; na categoria B, a água passa a aceitável e a rutura a boa; em C, as duas são boas. O mesmo óleo muda de estado consoante a máquina em que está. Com a IEEE C57.106-2015 e o óleo em serviço (tabela 3), o máximo a partir de 230 kV é de 20 mg/kg: a água não cumpre e, se for a única falha, o óleo é de classe II e tem de ser recondicionado. Entre 69 e 230 kV (25 mg/kg) e até 69 kV (35 mg/kg) cumpre. Segundo o anexo B, a saturação passa de 9,3 % a 57 °C para 41 % a 20 °C, e a rutura desceria para cerca de 69 % do valor medido se a unidade arrefecer.

O que esta calculadora não faz

Não diz quanta água há no papel, que é onde está a maior parte e o que é preciso secar; a IEC 60422:2024 deixa essa estimativa fora da norma. O equilíbrio entre papel e óleo demora dias ou semanas a estabelecer-se e depende da temperatura e do histórico de carga, por isso estimar a humidade do papel a partir de uma só amostra de óleo é pouco fiável. A correção da rigidez pela temperatura do separador IEEE é a do anexo B da IEEE C57.106-2015, informativo e obtido com óleo novo: serve para ver a tendência, não substitui um ensaio a essa temperatura. Não abrange ésteres nem óleos de silicone, cuja solubilidade e cujos limites são diferentes, nem substitui o relatório do laboratório.

Com que se mede

O teor de água é determinado por titulação Karl Fischer em laboratório, e a saturação relativa com sondas capacitivas instaladas no circuito de óleo, o que permite ver a evolução em vez de uma imagem estática. O analisador de óleo dielétrico e os restantes equipamentos de medição em óleo cobrem a parte de ensaio; a secagem e a desgaseificação, a parte de tratamento. Se o óleo estiver húmido, convém consultar também a análise de gases dissolvidos: a degradação do papel deixa rasto no CO e no CO₂.