BR112015017828B1 - Uso de um fluido de isolamento elétrico e equipamento elétrico - Google Patents
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Abstract
FLUIDO DE ISOLAMENTO COM BASE EM HIDROCARBONETO RENOVÁVEL. A presente invenção refere-se a um equipamento elétrico (1) compreendendo um fluido de isolamento elétrico (3), compreendendo isoparafinas derivadas de uma fonte de carbono renovável, o fluido tendo um ponto de inflamação de pelo menos 210°C e compreendendo pelo menos 70% do peso das isoparafinas. O equipamento elétrico pode ser instalado e operado de modo submarino.
Description
[0001] A presente divulgação refere-se a um fluido de isolamento elétrico utilizado em equipamento elétrico.
[0002] Fluidos de isolamento elétrico gasosos ou líquidos são usados em aparelhos elétricos tais como transformadores, capacitores, comutadores, buchas, etc., e têm uma infinidade de funções. Fluidos de isolamento dielétrico normalmente agem como um meio eletricamente isolante que separa a alta tensão e as partes aterradas dentro do aparelho e funcionam como um meio de arrefecimento para transferir o calor gerado nos condutores portadores de corrente. Além disso, a análise dos fluidos fornece um meio para monitorar a integridade de um equipamento elétrico durante a operação.
[0003] Em adição às funções básicas acima mencionadas, o fluido de isolamento também deve cumprir outros requisitos necessários e desejados. O fluido, quando usado em um equipamento elétrico, deverá contribuir para uma alta eficiência, maior tempo de vida operacional e mínimo impacto ambiental. Além disso, o fluido tem de ser compatível com os materiais utilizados no equipamento elétrico e isso não deve constituir um perigo para a saúde e a segurança do pessoal. Na prática, fluidos de isolamento devem apresentar várias propriedades físicas, elétricas e químicas. Todas essas propriedades são reguladas através de normas e especificações que estipulam os requisitos para cada uma delas. Em particular, os pontos de fulgor e fogo do fluido devem ser altos o suficiente para evitar o fogo durante falhas no aparelho elétrico em que é usado.
[0004] Tradicionalmente, óleos à base de petróleo têm sido utilizados como fluido de isolamento em transformadores preenchidos por líquido, principalmente devido às características vantajosas relacionadas com a baixa viscosidade, o baixo ponto de fluidez, alta rigidez dielétrica, disponibilidade fácil e baixo custo. Durante o último par de décadas, a indústria de transformadores vem passando por várias mudanças. A demanda do mercado para transformadores compactos e eficientes, com desempenho a longo prazo garantido, juntamente com os problemas de questões de qualidade de óleo e enxofre corrosivo tem justificado a necessidade de melhoria nas propriedades dos fluidos de transformador. Além disso, estritas regulamentações ambientais para a saúde e segurança têm evoluído constantemente e os riscos de maior responsabilidade no caso de incêndios de transformadores ou paralisações levantaram um motivo de preocupação. Óleos minerais têm pobre biodegradabilidade, pontos de fogo relativamente baixos e, portanto, eles não são ecológicos e seguros contra incêndio. Considerando estes aspectos, fluidos dielétricos baseados em éster foram ganhando muita atenção para aplicações de transformadores preenchidos por líquido, especialmente para transformadores de classe de distribuição.
[0005] Hoje, a melhor alternativa para o óleo mineral é o líquido de éster. Ésteres são vantajosos devido a sua alta biodegradabilidade e aos altos pontos de fulgor/fogo (>300°C). Algumas de suas propriedades, por exemplo, alta viscosidade cinemática e, de modo mais importante, seu alto custo têm restringido seu uso extenso em aplicações elétricas. Tendo em conta o impulso global para um ambiente limpo, seguro e saudável, há a necessidade de um fluido com propriedades dielétricas/físicas semelhantes aos óleos minerais e biodegradabilidade e ponto de fogo significativamente maiores do que os óleos minerais, mas que também estejam disponíveis a um custo semelhante ao do óleo mineral.
[0006] Em matéria de biodegradabilidade, não há métodos específicos para testar a biodegradabilidade dos líquidos dielétricos. Um dos métodos usados é o OECD 301B, o assim chamado teste de Sturm modificado. O teste baseia-se na degradação de um produto químico em uma solução de nutrientes por meio de uma mistura de microrganismos obtidos a partir do ambiente. O CO2 evoluído quando a substância está completamente oxidada é usado para classificar se uma substância é biodegradável ou biorresistente. Uma substância é considerada facilmente biodegradável se 60% do CO2 evolui da mistura em 10 dias de incubação, que é contada a partir do dia em que se atinge 10% de CO2 evoluído. O teste deve terminar em 28 dias. Uma substância é considerada biodegradável se 60% do CO2 evolui até ao final de 28 dias, usando a mesma metodologia de contagem de dias, como descrito acima. Caso contrário, a substância é considerada biorresistente.
[0007] Isoparafina refere-se a um grupo de hidrocarbonetos saturados ramificados, também conhecido como alcanos.
[0008] Existem processos para a produção de hidrocarbonetos saturados a partir de hidrocarbonetos insaturados, por exemplo, tal como constam do documento dos Estados Unidos abaixo.
[0009] O U.S. 2008/146469 divulga um processo para produzir um hidrocarboneto alifático saturado preparado com a utilização de uma alfa-olefina como uma matéria-prima, incluindo as etapas de: produção de uma olefina de vinilideno por meio da dimerização da alfa-olefina na presença de um catalisador de complexo de metaloceno; além disso, a dimerização da olefina de vinilideno na presença de um catalisador ácido; e a hidrogenação do dímero obtido. Além disso, é fornecida uma composição lubrificante contendo o composto de hidrocarboneto alifático saturado produzido pelo processo.
[0010] A WO 2012/141784 divulga isoparafinas derivadas de terpenos de hidrocarbonetos tais como o mirceno, ocimeno e farneceno, e métodos para fazer os mesmos. As isoparafinas têm utilidade como estoques de base de lubrificantes.
[0011] Terpenos são compostos orgânicos produzidos por muitas plantas diferentes. Terpenos são derivados biossinteticamente a partir de unidades de isopreno, onde um terpeno é uma molécula formada por uma pluralidade de unidades de isopreno vinculadas. Tradicionalmente, todos os compostos naturais construídos a partir de subunidades de isopreno e na maior parte provenientes de plantas são denotados como terpenos. Às vezes, terpenos são também chamados isoprenoides. Na natureza os terpenos ocorrem, predominantemente, como hidrocarbonetos, álcoois e seus glicosídeos, éteres, aldeídos, cetonas, ácidos carboxílicos, etc.
[0012] A WO 2012/116783 divulga uma célula de levedura e o uso da referida célula para a produção de um ou mais terpeno(s). Além disso, o documento refere-se aos métodos de geração da referida célula e à produção de um ou mais terpeno(s) e uma composição farmacêutica ou de cosméticos, um lubrificante ou um óleo de transformador composto pelo(s) referido(s) terpeno(s).
[0013] É um objetivo da presente invenção o fornecimento de um fluido de isolamento elétrico ambientalmente mais amigável do que os fluidos à base de petróleo usados anteriormente para o uso em equipamentos elétricos.
[0014] De acordo com um aspecto da presente invenção, é fornecido um uso de um fluido de isolamento elétrico composto de isoparafinas no equipamento elétrico. As isoparafinas são derivadas de uma fonte de carbono renovável. O fluido tem um ponto de fulgor de pelo menos 210°C e é composto por pelo menos 70% do peso das isoparafinas.
[0015] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um equipamento elétrico compreendendo um fluido de isolamento elétrico composto por isoparafinas derivadas de uma fonte de carbono renovável, o fluido tendo um ponto de fulgor de pelo menos 210°C e composto por pelo menos 70% do peso das isoparafinas.
[0016] Os inventores perceberam que derivando as isoparafinas a partir de uma fonte de carbono renovável, e não como normalmente é feito, a partir de uma fonte de petróleo ou óleo mineral, uma mistura de isoparafina que é mais adequada para o uso como um fluido de isolamento em equipamentos elétricos pode ser obtida. O fluido resultante tem um alto ponto de fulgor de pelo menos 210°C, ou de pelo menos 220°C, em comparação com o fluido de isoparafina obtido a partir de óleo mineral, que geralmente tem um ponto de fulgor na faixa de 140-170°C. Para obter um fluido de isoparafina com um ponto de fulgor superior a partir de óleo mineral, uma cara e dispendiosa refinação das isoparafinas é necessária, o que é indesejável. Além disso, o fluido resultante tem um alto teor de isoparafinas, de pelo menos 70% em peso, em que o resto é composto de outros compostos de carbono, por exemplo, compostos naftênicos ou aromáticos, quaisquer aditivos e outras impurezas. O conteúdo de alta isoparafina em combinação com a mistura de outros compostos no fluido derivado a partir de uma fonte de carbono renovável fornece o fluido com uma alta biodegradabilidade, maior do que a de um fluido de isoparafina proveniente de uma fonte de óleo mineral, fazendo com que o fluido da presente invenção seja mais ambientalmente amigável.
[0017] Curiosamente, o fluido compreendendo isoparafinas possui menor viscosidade e maior condutividade térmica sob alta pressão. O efeito combinado de uma menor viscosidade e uma maior condutividade térmica do fluido de isolamento elétrico compreendendo isoparafinas a pressões elevadas, em comparação com os ésteres ou óleos comumente utilizados, fazem com que o fluido de isolamento elétrico seja particularmente apropriado para aplicações de energia elétrica submarinas.
[0018] Em geral, todos os termos usados no pedido devem ser interpretados de acordo com seus significados comuns no domínio técnico, a menos que explicitamente definido de modo contrário neste documento. Todas as referências a “um/uma/o elemento, aparelho, componente, meios, etapa, etc.” devem ser interpretadas abertamente como referindo-se a pelo menos uma instância do elemento, aparelho, componente, meios, etapa, etc., a menos que explicitamente indicado de modo contrário. As etapas de qualquer método divulgado neste documento não precisam ser executadas na exata ordem divulgada, a menos que explicitamente declarado. O uso de "primeiro", "segundo", etc., para recursos/componentes diferentes da presente divulgação servem apenas para distinguir os recursos/componentes de outros recursos/componentes semelhantes e não para dar qualquer ordem ou hierarquia para os recursos/componentes.
[0019] As modalidades serão descritas, a título de exemplo, com referência aos desenhos que acompanham, em que:
[0020] A Fig. 1 é uma vista de seção lateral esquemática de uma incorporação de um transformador elétrico em conformidade com a presente invenção.
[0021] As modalidades serão agora descritas mais detalhadamente deste ponto em diante tendo como referência os desenhos que acompanham, em que determinadas modalidades são mostradas. No entanto, outras modalidades em muitas formas diferentes são possíveis no âmbito da presente divulgação. Em vez disso, as modalidades que se seguem são fornecidas a título de exemplo, para que esta divulgação seja aprofundada e completa, e transmitirá totalmente o escopo da divulgação para aqueles qualificados na tecnologia. Números semelhantes referem-se a elementos semelhantes através de toda a descrição.
[0022] Óleos base, por exemplo, isoparafinas podem ser derivadas de matérias-primas de terpenos ao reagi-las com comonômeros de olefinas (veja, por exemplo, 2. WO 2012/141784). Para gerar isoparafinas, uma matéria-prima de terpeno de hidrocarboneto é acoplada a um ou mais comonômeros de olefinas na presença de um catalisador para formar um ou mais alcenos ramificados. Estes alcenos ramificados são então hidrogenados para formar uma ou mais isoparafinas. Um aspecto interessante destas isoparafinas derivadas é que as matérias-primas de terpeno podem ser produzidas a partir de uma fonte renovável, e suas propriedades podem ser ajustadas ao selecionar-se o tipo certo de comonômero de olefina e terpeno para a reação.
[0023] Fluidos de isoparafina foram desenvolvidos para o propósito de isolamento elétrico e hoje em dia, óleos de isoparafina para aplicações de transformador estão comercialmente disponíveis e também em desenvolvimento. As isoparafinas podem ser produzidas através de processos diferentes, por exemplo, por tecnologias de refino de petróleo bruto ou de gás para óleo (GTL). Apesar das isoparafinas derivadas de petróleo bruto terem propriedades desejáveis em relação à viscosidade e pontos de fluidez, elas têm apenas biodegradabilidade marginalmente superior comparada aos óleos minerais existentes e baixos valores de ponto de fulgor/fogo.
[0024] Em algumas modalidades, o fluido de isolamento é composto por pelo menos 90% do peso das isoparafinas. Este conteúdo de isoparafina ainda mais elevado pode melhorar ainda mais o ponto de fulgor e a biodegradabilidade do fluido. Em algumas modalidades, o fluido tem uma biodegradabilidade de pelo menos 65%, que é maior do que um fluido de isoparafina correspondente, derivado de óleo mineral. A biodegradabilidade pode ser medida de acordo da OCDE 301B. Em algumas modalidades o fluido é facilmente biodegradável de acordo da OCDE 301B.
[0025] Em algumas modalidades, as isoparafinas têm sido derivadas a partir da fonte de carbono renovável através de microrganismos ou algas, tais como bactérias, fungos ou algas. A produção biológica, pelo menos em um estágio, das isoparafinas e do fluido de isoparafina pode ser conveniente e ambientalmente mais amigável do que uma síntese química regular. Veja, por exemplo, os métodos microbianos da WO 2012/141784 e da WO 2012/116783 mencionadas em segundo plano.
[0026] Em algumas modalidades, as isoparafinas têm sido derivadas de terpenos ou de compostos insaturados obtidos a partir da fonte de carbono renovável. Nestas modalidades, as isoparafinas são derivadas a partir da fonte de carbono renovável, via terpenos ou (outros) compostos insaturados. Os terpenos podem, em primeiro lugar, ser derivados da fonte de carbono renovável e em seguida, as isoparafinas são derivadas dos referidos terpenos, ou os terpenos podem ser parte da fonte de carbono renovável. Os terpenos podem ser compostos convenientes para a produção de isoparafinas (veja, por exemplo, o método da WO 2012/141784). Deste modo, em algumas modalidades, as isoparafinas têm sido derivadas de terpenos por meio de microrganismos ou algas, tais como bactérias, fungos ou algas.
[0027] Em algumas modalidades, a fonte de carbono renovável é uma biomassa, como uma polpa de celulose, melaço ou cana de açúcar. De qualquer maneira, qualquer fonte de carbono renovável, ao contrário das fontes de carbono fóssil, é contemplada pela presente invenção.
[0028] Em algumas modalidades, o fluido tem um ponto de fluidez inferior a -25°C em conformidade com a ASTM D 5950. Um ponto de fluidez de baixa temperatura é vantajoso em fluidos de isolamento elétrico para o uso em equipamentos elétricos, e pode ser obtido com um fluido em conformidade com a presente invenção.
[0029] Em algumas modalidades, o fluido tem uma viscosidade cinemática a 100°C, na faixa de 2-10 cSt (centi Stokes ou mm2/s). Uma tal viscosidade cinemática é vantajosa em fluidos de isolamento elétricos em equipamentos elétricos, e pode ser obtida com um fluido em conformidade com a presente invenção.
[0030] Em algumas modalidades, o fluido também compreende um aditivo, tal como um antioxidante ou um depressor de ponto de fluidez. As isoparafinas podem ser combinadas com quaisquer aditivos adequados para melhorar as propriedades do fluido de isolamento para a aplicação na qual o fluido é usado.
[0031] Em algumas modalidades, o equipamento elétrico é um transformador elétrico, um motor elétrico, um capacitor, um polo de disjuntor, um conversor de frequência, um reator ou uma bucha. O fluido é imaginado para ser usado vantajosamente em transformadores, mas também usado em motores elétricos ou outros equipamentos elétricos, especialmente aparelhos de alta temperatura.
[0032] A Figura 1 é uma ilustração esquemática de uma incorporação de um equipamento elétrico da presente invenção, aqui sob a forma de um transformador elétrico 1. O transformador 1 tem um alojamento 2 contendo as peças elétricas do transformador imersas em um fluido de isolamento 3. O fluido de isolamento elétrico 3 está em conformidade com qualquer incorporação do mesmo discutida neste documento, tendo um ponto de fulgor de pelo menos 210°C e é constituído por pelo menos 70% do peso das isoparafinas. No topo do transformador 1, um gás, por exemplo, ar, fase 6 pode estar presente no interior do alojamento e, acima de uma superfície superior de um fluido líquido 3. As peças elétricas do transformador 1 são compostas por um núcleo de metal 4 rodeado por bobinas/enrolamentos 5 de condutores elétricos 8 e 10. Na muito simplificada ilustração da figura, um condutor elétrico de entrada 8 entra no interior do alojamento 2através de uma bucha 7, e um condutor elétrico de saída 10 sai do alojamento 2 através de uma bucha 10. O transformador 1, ou outro equipamento elétrico em que o fluido é usado, por exemplo, pode ser um transformador de alta temperatura, organizado para operar a uma temperatura que é maior do que a temperatura normal de funcionamento do fluido de isolamento derivado de óleo mineral, por exemplo, uma temperatura de funcionamento acima de 160°C, 180°C ou acima de 200°C.
[0033] Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente na instalação de instalações elétricas no fundo do mar em profundidades de algumas dezenas de metros a até mesmo quilômetros. A produção de petróleo e gás submarina emprega equipamentos elétricos tais como motores de perfuração, bombas e compressores que atualmente são acionados por conversores de frequência, localizados em plataformas de superfície. A energia elétrica é fornecida para a maquinaria submarina por umbilicais caros. Através da instalação de transformadores, disjuntores, conversores de frequência e outros equipamentos de energia elétrica submarinos, cabos e instalações de superfície podem ser poupados e uma enorme redução de custos poderia ser alcançada.
[0034] No fornecimento de energia elétrica em profundidades submarinas, existem dois conceitos gerais: (1) o equipamento permanece à pressão atmosférica; e (2) o equipamento é pressurizado para o nível da pressão hidrostática no fundo do mar. Os dois conceitos podem ser diferenciados da seguinte forma. O conceito (1) tem a vantagem de que componentes elétricos padrão, conhecidos a partir de instalações em terra, podem ser usados, enquanto as desvantagens incluem paredes espessas, necessárias para o recinto suportar a diferença de pressão entre o lado de dentro e o lado de fora. As paredes grossas tornam o equipamento pesado e caro. Além disso, a transferência de calor através de paredes grossas não é muito eficiente e unidades de refrigeração enormes, caras, são necessárias. O conceito (2) tem a vantagem de que as paredes grossas não são necessárias para o encapsulamento, uma vez que não há diferença de pressão entre o lado de dentro e o lado de fora do confinamento. O resfriamento é largamente facilitado pelas paredes finas. As desvantagens do conceito (2) são que todos os componentes devem estar livres de inclusões de gás e vazios compressíveis, caso contrário eles podem implodir durante a pressurização e serem destruídos. Usando o fluido de isolamento elétrico compreendendo isoparafina, com propriedades vantajosas em altas pressões, ou seja, menor viscosidade e maior condutividade térmica, ao invés dos óleos comumente usados ou ésteres, a instalação submarina e a operação dos equipamentos elétricos compreendendo um fluido de isolamento podem ser feitas da forma mais confiável.
[0035] Em algumas modalidades, o equipamento elétrico é instalado abaixo da superfície da água/mar, por exemplo, de modo submarino, o equipamento elétrico é um transformador elétrico, um motor elétrico, um capacitor, um polo de disjuntor, um conversor de frequência, um reator ou uma bucha. O fluido é imaginado para ser usado vantajosamente em transformadores, mas também usado em outros equipamentos elétricos.
[0036] Em algumas modalidades, o equipamento elétrico é instalado dentro de um alojamento 2 que contém o fluido de isolamento elétrico 3 e uma ou mais partes do equipamento elétrico são imersas no fluido de isolamento 3, e neste caso, o equipamento elétrico pode ser, por exemplo, módulos eletrônicos de energia.
[0037] O fluido de isolamento de isoparafina de acordo com a presente invenção pode ser um líquido dielétrico, por exemplo, fluido, que é derivado de terpenos. Os fluidos dielétricos baseados em terpenos ou derivados de terpenos (ou seja, um fluido de acordo com a presente invenção) podem ter as seguintes propriedades vantajosas, além de um custo que é semelhante ao do óleo mineral. - É usada uma matéria-prima renovável - Elevada biodegradabilidade (>65%) - Excelente viscosidade cinemática (ajustável entre 2 cSt para > 12 cSt a 100°C e < 30 cSt a 40°C) - Altos pontos de fulgor (> 210°C) - Baixos pontos de fluidez (< -30°C) - Melhores capacidades de transferência de calor em comparação com óleo mineral - Estabilidade de oxidação superior - Menor viscosidade e maior condutividade térmica a altas pressões.
[0038] A presente divulgação, principalmente, tem sido descrita acima com referência a algumas modalidades. No entanto, como é facilmente apreciado por uma pessoa versada na tecnologia, outras modalidades além daquelas divulgadas acima são igualmente possíveis no âmbito da presente divulgação.
Claims (15)
1. Uso de um fluido de isolamento elétrico (3), CARACTERIZADO por compreender isoparafinas derivadas de uma fonte de carbono renovável em um equipamento elétrico (1), o fluido tendo um ponto de fulgor de pelo menos 210°C e composto por pelo menos 70% do peso das isoparafinas.
2. Uso, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluido é composto por pelo menos 90% do peso das isoparafinas.
3. Uso, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluido tem uma biodegradabilidade de pelo menos 65% ou de pelo menos 95% de acordo com OECD 301B.
4. Uso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que as isoparafinas foram derivadas a partir da fonte de carbono renovável por meio de microrganismos ou algas, tais como bactérias, fungos ou algas.
5. Uso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que as isoparafinas foram derivadas de terpenos ou compostos insaturados obtidos a partir da fonte de carbono renovável.
6. Uso, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que isoparafinas foram derivadas de terpenos através de microrganismos ou algas, tais como bactérias, fungos ou algas.
7. Uso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a fonte de carbono renovável é a biomassa, tal como uma polpa de celulose, melaço ou cana de açúcar.
8. Uso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluido tem um ponto de fluidez inferior a -25°C em conformidade com a ASTM D 5950.
9. Uso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluido tem uma viscosidade cinemática a 100°C, na faixa de 2 cSt a 10 cSt.
10. Uso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluido também é composto por um ou mais aditivos, tais como um antioxidante ou um depressor de ponto de fluidez.
11. Uso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, CARACTERIZADO pelo fato de que o equipamento elétrico é um transformador elétrico, um motor elétrico, um capacitor, um reator ou uma bucha.
12. Equipamento elétrico (1), CARACTERIZADO por compreender uma estrutura para comportar um fluido de isolamento elétrico (3), conforme definido na reivindicação 1.
13. Equipamento elétrico, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que o equipamento elétrico (1) é um transformador elétrico, um motor elétrico, um polo de disjuntor, um conversor de frequência, um capacitor, um reator ou uma bucha.
14. Equipamento elétrico, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, CARACTERIZADO pelo fato de que o equipamento elétrico é instalado e operado de modo submarino.
15. Equipamento elétrico, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que o equipamento elétrico (1) é instalado dentro de um alojamento (2) que contém o fluido de isolamento elétrico (3) e uma ou mais partes do equipamento elétrico estão imersas no fluido de isolamento (3).
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