Calculadora de humidade no óleo: ppm, saturação relativa e classificação IEC 60422
Converta a água de um óleo entre mg/kg e saturação relativa a qualquer temperatura, calcule quando apareceria água livre e classifique o óleo segundo a IEC 60422.
Água no óleo mineral: ppm, saturação relativa e temperatura de saturação
Converta o teor de água entre mg/kg (ppm) e saturação relativa à temperatura do óleo, verifique a que temperatura essa mesma água saturaria o óleo e classifique o óleo segundo a tabela de estado da IEC 60422.
Resultado
Classificação IEC 60422
| Ensaio | Valor | Bom | Aceitável | Deficiente | Estado |
|---|
Limites da tabela de estado da IEC 60422:2013 (4.ª edição), tal como a recolhe o CIGRE (Wang et al., 2015): a água, à temperatura de serviço; a tensão interfacial, em óleo não inibido; o fator de dissipação e a resistividade só distinguem acima e abaixo de 170 kV. Os extremos de cada intervalo contam como aceitável. A edição 5.0 (2024) reviu os limites de ação e fundiu a categoria O na A: para um critério contratual, confirme a edição em vigor.
Solubilidade da água em óleo mineral novo (curva de Oommen): log₁₀(Ws) = 7,0895 − 1567/T, com T em kelvin e Ws em mg/kg. É a curva que o CIGRE usa para passar a água medida a saturação relativa. Um óleo envelhecido ou oxidado dissolve mais água, pelo que a saturação aqui apresentada é conservadora.
Os limiares de saturação relativa (5, 20 e 30 %) são de prática corrente de manutenção, não um valor normativo. O critério normativo, em mg/kg e por classe de tensão, é a classificação IEC 60422 acima.
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O que faz esta calculadora
Converte o teor de água de um óleo mineral entre miligramas por quilograma (que é o que dá um Karl Fischer) e saturação relativa em percentagem (que é o que dá uma sonda capacitiva em linha), à temperatura indicada. Calcula duas coisas que quase nunca constam do relatório: a solubilidade do óleo a essa temperatura e a temperatura de saturação, abaixo da qual essa mesma água começa a surgir como água livre. E classifica o óleo como bom, aceitável ou deficiente com a tabela de condição da IEC 60422, para a água e para os outros cinco ensaios de rotina que forem introduzidos.
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 curva de Oommen, a que a CIGRE utiliza para converter a água medida em saturação relativa. 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 aplica-se a óleo mineral novo. Um óleo envelhecido ou oxidado dissolve mais água, pelo que a saturação real seria algo inferior à que aqui se obtém: o resultado fica do lado conservador.
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
A IEC 60422 é o guia de supervisão e manutenção de óleos minerais em equipamentos elétricos. A sua tabela de condição, na edição de 2013, distribui seis ensaios de rotina por três estados e três classes de tensão:
| Ensaio | Tensão | Bom | Aceitável | Deficiente |
|---|---|---|---|---|
| Água (mg/kg à temperatura de serviço) | > 170 kV | < 15 | 15 – 20 | > 20 |
| 72,5 – 170 kV | < 20 | 20 – 30 | > 30 | |
| ≤ 72,5 kV | < 30 | 30 – 40 | > 40 | |
| Tensão de rutura (kV, 2,5 mm) | > 170 kV | > 60 | 50 – 60 | < 50 |
| 72,5 – 170 kV | > 50 | 40 – 50 | < 40 | |
| ≤ 72,5 kV | > 40 | 30 – 40 | < 30 | |
| Acidez (mg KOH/g) | > 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,15 | > 0,15 |
| 72,5 – 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,2 | > 0,2 | |
| ≤ 72,5 kV | < 0,15 | 0,15 – 0,3 | > 0,3 | |
| Fator de dissipação (90 °C, 40–60 Hz) | > 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,2 | > 0,2 |
| ≤ 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,5 | > 0,5 | |
| Resistividade (GΩ·m, 90 °C) | > 170 kV | > 10 | 3 – 10 | < 3 |
| ≤ 170 kV | > 3 | 0,2 – 3 | < 0,2 | |
| Tensão interfacial (mN/m, não inibido) | todas | > 25 | 20 – 25 | < 20 |
Fonte: IEC 60422:2013, compilada por Wang et al., «Ageing Assessment of Transformers through Oil Test Database Analyses and Alternative Diagnostic Techniques», CIGRE SC A2 Colloquium 2015, tabela 1. As classes de tensão correspondem às categorias de equipamento da norma: O, A e D acima de 170 kV; B e E entre 72,5 e 170 kV; C até 72,5 kV.
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 com mais frequência; deficiente, existe uma deterioração anormal e deve ser avaliada uma ação corretiva, como a secagem, o recondicionamento ou a regeneração do óleo. A calculadora classifica apenas os ensaios preenchidos e resume com o pior deles. Um valor exatamente no extremo de um intervalo conta como aceitável.
Duas precauções. O limite de água é dado à temperatura de serviço: uma amostra colhida a frio ou a quente não se compara diretamente com ele, e é aí que a saturação relativa ajuda. E a norma tem uma edição 5.0 de 2024 que reviu os limites de ação de todos os ensaios e fundiu a categoria O na A; para um critério contratual, é necessário verificar os valores na edição em vigor.
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 %: humidade moderada.
- Solubilidade a 20 °C: 55,5 mg/kg → saturação 38,8 %: se a unidade arrefecer, óleo muito húmido.
- 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: num transformador de mais de 170 kV, os 21,5 mg/kg são deficiente (o corte está em 20) e os 57 kV, aceitável; entre 72,5 e 170 kV, a água passa a aceitável e a tensão de rutura a bom; até 72,5 kV, ambas ficam em bom. O mesmo óleo muda de estado consoante a máquina em que se encontra.
O que esta calculadora não faz
Não indica quanta água existe no papel, que é onde está a maior parte e o que é necessário secar. O equilíbrio entre papel e óleo demora dias ou semanas a estabelecer-se e depende da temperatura e do historial de carga, pelo que estimar a humidade do papel a partir de uma única amostra de óleo é pouco fiável. Também não corrige a tensão de rutura em função da temperatura: o artigo da CIGRE revê-a de 57 para 78 kV a 57 °C a partir da saturação, mas com uma relação entre saturação e rutura que o artigo não detalha. Não abrange ésteres nem óleos de silicone, cuja solubilidade e cujos limites são diferentes, nem as categorias de comutadores de tomadas e disjuntores da IEC 60422, 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.
Perguntas frequentes
- Porque é que dois óleos com os mesmos ppm de água não estão igualmente húmidos?
- Porque o que degrada o isolamento não é a água em termos absolutos, mas sim a proximidade do óleo em relação à sua saturação, e a solubilidade depende muitíssimo da temperatura: cerca de 55 mg/kg a 20 °C face a cerca de 243 a 60 °C. Vinte mg/kg representam 36 % de saturação num óleo frio e pouco mais de 8 % num óleo à temperatura de serviço.
- Que saturação relativa é aceitável?
- A prática de manutenção mais difundida considera seco um óleo abaixo de 5 %, moderadamente húmido entre 5 % e 20 %, húmido entre 20 % e 30 %, e muito húmido acima de 30 %. O critério normativo é outro: a IEC 60422 fixa limites em mg/kg à temperatura de serviço consoante a classe de tensão, e a calculadora aplica-os no seu bloco de classificação.
- Que limites de água estabelece a IEC 60422?
- Na tabela de condição da edição de 2013, acima de 170 kV o óleo é bom com menos de 15 mg/kg, aceitável entre 15 e 20 e deficiente acima de 20; entre 72,5 e 170 kV os cortes são 20 e 30 mg/kg, e até 72,5 kV, 30 e 40 mg/kg. São valores à temperatura de serviço do equipamento. A edição 5.0 de 2024 reviu os limites de ação, pelo que, para um critério contratual, é necessário consultar a edição em vigor.
- De onde vem a água de um transformador?
- De três origens: a que entra do ambiente pelas juntas, pelos respiradouros ou durante uma intervenção; a que o papel isolante liberta ao envelhecer, porque a degradação da celulose produz água; e a que ficou no interior desde o fabrico ou o último tratamento. A maior parte da água de um transformador está no papel, não no óleo: o óleo mostra apenas a parte que está em equilíbrio com ele.