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loja 45 Altos
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Apostila do Curso
MMoonniittoorraammeennttoo ddee DDEESSCCAARRGGAASS
PPAARRCCIIAAIISS
Verso: 5 Junho 2012
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Monitoramento PDA POLUX v5 2
ndice Pgina 1 Introduo
...................................................................................................................
5 2 Monitoramento On-Line
..............................................................................................
6
2.1 Tipos de Manuteno
........................................................................................................
6 2.2 Vantagens do Monitoramento On-Line
..............................................................................
8 2.3 O que so Descargas Parciais?
.........................................................................................
9
3 Enrolamentos Estatricos
.........................................................................................
11 3.1 Tipos de Enrolamentos Estatricos
.................................................................................
11 3.2 Tipos de Isolaes
...........................................................................................................
12 3.2.1 Isolao dos Condutores Individuais (Strand)
..................................................................
12 3.2.2 Isolao das Espiras (Turn)
.............................................................................................
13 3.2.3 Isolao Externa (Groundwall)
.........................................................................................
13 3.3 Processos de Fabricao das Bobinas
............................................................................
14 3.3.1 Impregnao Vcuo Individual (VPI)
.............................................................................
14 3.3.2 Impregnao Global Vcuo (Global VPI)
......................................................................
14 3.3.3 Fitas com Resinas (B-stage ou Resin-rich)
......................................................................
15 3.3.4 Enrolamentos Selados
.....................................................................................................
16 3.4 Coberturas de Superfcie
.................................................................................................
16 3.4.1 Cobertura Semicondutora
................................................................................................
16 3.4.2 Interface de Alvio de Tenso (ou Luva Anti-Corona)
....................................................... 16
4 Causas das Falhas nos Enrolamentos Estatricos
.................................................. 18 4.1 Impregnao
Inadequada Fabricao
.........................................................................
18 4.2 Descargas na Ranhura Fabricao
.............................................................................
19 4.2.1 Falhas na Cobertura Semicondutora
...............................................................................
19 4.2.2 Enrolamento Solto
...........................................................................................................
20 4.3 Centelhamento por Vibrao Fabricao
....................................................................
20 4.4 Deteriorao da Interface de Alvio de Tenso Fabricao
......................................... 21 4.5 Espaamento
Inadequado Instalao
.........................................................................
22 4.6 Vibrao das Cabeas das Bobinas Instalao
........................................................... 22 4.7
Conexes Eltricas Pobres Instalao
........................................................................
23 4.8 Transporte e Montagem Instalao
.............................................................................
24 4.9 Surtos ou Partidas Excessivas Operao
....................................................................
24 4.10 Deteriorao Trmica Operao
.................................................................................
24 4.11 Ciclos de Carga Operao
..........................................................................................
25 4.12 Contaminao dos Enrolamentos Operao
............................................................... 26
4.13 Resumo das Causas das Falhas nos Enrolamentos Estatricos
..................................... 27
5 Teoria Bsica sobre Descargas Parciais
..................................................................
28 5.1 PD como um Sintoma
......................................................................................................
28 5.2 Corona ou Descargas Parciais
........................................................................................
28 5.3 Formao de Vazios na Isolao
.....................................................................................
28 5.4 Fsica das PD
..................................................................................................................
29 5.5 Propagao dos Pulsos PD
.............................................................................................
30 5.5.1 Transmisso
....................................................................................................................
30 5.5.2 Acoplamento Capacitivo
..................................................................................................
30 5.5.3 Radiao
.........................................................................................................................
31 5.6 Polaridade dos Pulsos PD
...............................................................................................
31 5.6.1 Vazios dentro da Isolao
................................................................................................
31 5.6.2 Vazios prximos aos Condutores de Cobre
.....................................................................
32 5.6.3 Vazios prximos ao Ncleo
.............................................................................................
32 5.6.4 Descargas entre Fases
....................................................................................................
32
6 A Medio das Descargas Parciais
..........................................................................
33 6.1 Sensor Acopladores Capacitivos 80 pF
........................................................................
33 6.1.1 Acoplador Capacitivo
.......................................................................................................
33 6.1.2 Caixa Terminal
................................................................................................................
34 6.1.3 Kit de Montagem dos Acopladores
..................................................................................
34
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Monitoramento PDA POLUX v5 3
6.1.4 Cabos Coaxiais
...............................................................................................................
35 6.2 Sensor Acopladores de Ranhura
..................................................................................
35 6.3 Sensor Cabos 80 pF
.....................................................................................................
35 6.4 Sensor Transformador de Corrente de Rdio Freqncia
............................................. 36 6.5 Separao de
Rudos
......................................................................................................
36 6.5.1 Freqncia
......................................................................................................................
37 6.5.2 Diferena de Impedncia
.................................................................................................
37 6.5.3 Tempo de Vo PDA ou Diferencial
..................................................................................
37 6.5.4 Tempo de Vo PDA Direcional
........................................................................................
39 6.5.5 Tempo de Vo Direcional ou BUS Double-Ended
............................................................ 39
6.5.6 Tempo de Vo Direcional ou BUS Single-Ended
............................................................. 40
6.6 Equipamentos de Medio PD
........................................................................................
40 6.6.1 Equipamentos Portteis de Medio Peridica
................................................................ 40
6.6.2 Equipamentos TRACII e GUARDII de Medio Contnua
................................................ 41 6.6.3 Aplicaes
dos Equipamentos de Medio PD
................................................................
41
7 Os Dados PD
............................................................................................................
43 7.1 Grfico de Altura do Pulso (2-D)
......................................................................................
43 7.2 Variveis Sumrias NQN
..............................................................................................
44 7.3 Variveis Sumrias Qm
................................................................................................
45 7.4 Grfico de Densidade Linear (2-D)
..................................................................................
46 7.5 Grfico de Fase do Pulso (3-D)
.......................................................................................
46 7.6 Grfico Polar da Densidade de Pulsos
............................................................................
47 7.7 Comparaes entre Fases
...............................................................................................
47 7.8 Distribuio dos Pulsos
...................................................................................................
47 7.9 Pulsos Clssicos e No-Clssicos
...................................................................................
47 7.9.1 Pulsos Interfases (ou Fase-Fase)
....................................................................................
48 7.9.2 Pulsos 0o e 180o
.............................................................................................................
48 7.9.3 Pulsos 90o e 270o
...........................................................................................................
48 7.9.4 Pulsos por Acoplamento Capacitivo
................................................................................
48 7.10 Resumo da Distribuio dos Pulsos
................................................................................
49
8 A Anlise PD
............................................................................................................
50 8.1 Anlise do Comportamento da Tendncia
.......................................................................
50 8.2 Efeitos da Carga
..............................................................................................................
52 8.3 Efeitos da Temperatura
...................................................................................................
52 8.4 Efeitos da Presso de Hidrognio
....................................................................................
53 8.5 Efeitos da Umidade
.........................................................................................................
54 8.6 Comparao com o Banco de Dados IRIS
......................................................................
54 8.7 Diagrama de Blocos de Anlise PD
.................................................................................
55
9 Testes Off-Line
.........................................................................................................
58 9.1 Testes PD Off-Line
..........................................................................................................
58 9.1.1 Introduo
.......................................................................................................................
58 9.1.2 Testes Off-line com Neutro Acessvel
..............................................................................
59 9.1.3 Testes Off-line sem Neutro Acessvel
..............................................................................
60 9.1.4 Testes Off-line em Baixa Frequncia
...............................................................................
61 9.2 Outros Testes Off-Line
....................................................................................................
61 9.2.1 Resistncia de isolao ou Rigidez Dieltrica
..................................................................
61 9.2.2 Teste de Hipot (ou de Suportabilidade)
............................................................................
63 9.2.3 Teste de Fator de Potncia (ou Tangente Delta)
............................................................. 64
9.2.4 Antena TVA (Corona Probe)
............................................................................................
65
10 Descargas Parciais em Outros Equipamentos
......................................................... 67 10.1
PD em Seccionadoras
.....................................................................................................
67 10.2 PD em Transformadores a Seco
......................................................................................
68 10.3 PD em Transformadores a leo e Cabos
........................................................................
68
11 Adendo Uma Pequena Anlise Econmico-Financeira
......................................... 70 11.1 Caso Real
Turbogerador
..............................................................................................
70
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Monitoramento PDA POLUX v5 4
11.2 Caso Real Motor
...........................................................................................................
72 11.3 Comentrios
....................................................................................................................
74
12 Bibliografia e Referncias
.........................................................................................
76
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Monitoramento PDA POLUX v5 5
1 Introduo Bem-vindo ao Curso Monitoramento de Descargas
Parciais, apresentado pela POLUX Tecnologia em Equipamentos Ltda.
Esperamos que o curso atenda suas expectativas, possibilitando-lhe
um melhor conhecimento sobre o fenmeno das descargas parciais, sua
medio e interpretao, e o melhor modo para implementar uma soluo
adequada de manuteno preditiva em suas grandes mquinas girantes,
sejam motores, hidrogeradores ou turbogeradores.
Todos os itens discutidos nessa apostila so uma extenso da
apresentao passada durante o curso, incluindo fotos, desenhos,
planilhas e outros. Esto inclusos diversos outros documentos, como
estudo de retorno de investimento e catlogos.
Note que existe uma grande variedade de tcnicas de monitoramento
das descargas parciais. Essa apostila somente foca os mtodos
utilizados e fabricados pela IRIS Power LP. Para mais informaes
sobre outros mtodos, por favor, consulte as normas IEEE 1434 Guide
to the Measurement of Partial Discharges in Rotating Machinery e
IEC 60034-27-2 On-line partial discharge measurements on the stator
winding insulation of rotating electrical machines.
Esperamos que o contedo do curso seja de enorme valia no auxlio
para a implementao do monitoramento de descargas parciais como sua
ferramenta de Manuteno Preditiva ou Manuteno Baseada nas Condies da
Mquina (ou Condition-Based Maintenance CBM) para os enrolamentos
estatricos de suas mquinas.
Captulo
1
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Monitoramento PDA POLUX v5 6
2 Monitoramento On-Line No momento atual, a desregulamentao, a
competio e a busca incessante pelo lucro esto levando necessidade
de prticas incrementadas de negcio em todos os nveis dentro da
indstria, seja ela na de gerao de energia ou na produo industrial.
Entretanto, paradas no planejadas, inabilidade de se adequar ou
atingir a demanda do mercado, incidncias de segurana e de meio
ambiente todos so srios problemas que ocorrem devidos a falta de
confiabilidade e falhas de equipamentos. A grande maioria dos
problemas cai sempre no mesmo ciclo:
O resultado dessas ocorrncias sempre um redemoinho de eroso do
lucro e custos fora de controle. Muitas companhias ainda esto
enterradas nesse ciclo porque no possuem sistemas de informao que
permitam acesso efetivo ao estado geral de seus equipamentos e
mquinas. Perde-se assim a habilidade de criar estratgias que
permitam o conhecimento da capacidade de utilizao das mquinas, de
evitar falhas e de maximizar o lucro. Apesar de existir sempre uma
quantidade enorme de atividades de manuteno, os incrementos na
capacidade de utilizao e confiabilidade das mquinas nunca sero
atingidos sem um novo tipo de manuteno, denominada preditiva.
A implementao de um projeto bem estruturado de incremento da
confiabilidade atravs da manuteno preditiva alcana resultados
rpidos. O problema muito comumente levantado em qualquer organizao
- Ns no temos os recursos necessrios para implementar um projeto de
aumento da confiabilidade de nossas mquinas - deve ser revisto.
Normalmente, a natureza dos investidores focar a ateno em coisas
mais palpveis. Implementado inicialmente em reas de alto risco,
como por exemplo, nos mancais e enrolamentos estatricos das mquinas
rotativas de alta tenso, o retorno acontece em menos de um ano.
Estudos demonstram que em menos de trs anos, a otimizao dos
investimentos em confiabilidade mostra retorno de cinco a doze
vezes o investimento no projeto, e a alocao dos recursos necessrios
simplesmente se torna parte necessria da soluo.
Atravs da anlise de milhares de resultados, o IEEE Instituto de
Engenheiros Eltricos e Eletrnicos concluiu que problemas em grandes
mquinas rotativas esto relacionados com:
50% das falhas problemas em mancais, vibrao, etc. (Mecnicas) 40%
das falhas problemas nos enrolamentos estatricos (Eltricas) 10% das
falhas problemas no rotor, ou plos (Eltricas) E a entram os tipos
de manuteno hoje efetuados. 2.1 Tipos de Manuteno Ainda hoje,
muitas empresas utilizam o tipo mais bsico de manuteno, no somente
para sistemas banais como iluminao, etc., mas para sistemas mais
complexos como grandes mquinas rotativas em alta tenso.
Esse procedimento consiste simplesmente em operar o sistema ou
mquina at a falha. Depois de constatada a falha, efetua-se a reparo
e/ou manuteno, e o processo se inicia novamente. comumente chamado
de Manuteno Corretiva. Sem dvida, o modo mais
Captulo
2
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Monitoramento PDA POLUX v5 7
incorreto de se efetuar manuteno, pois podem ocorrer altssimos
custos inesperados em funo de grandes danos e perda de produo, com
conseqente prejuzo financeiro.
Outro tipo de manuteno, mais avanado que o anterior, mas que
ainda gera muitos riscos, a Manuteno Preventiva. Tambm conhecida
como manuteno baseada no calendrio, ou sua derivada, a manuteno
baseada nos resultados de inspeo. Diferentemente da anterior, a
equipe de manuteno da planta possui uma programao de parada e,
durante essa parada, efetua uma inspeo visual e vrios tipos de
testes que se supem necessrios para se obter uma idia do estado que
se encontra o equipamento ou mquina naquele momento.
Apesar de largamente utilizado e apresentar alguns resultados
teis, esse tipo de manuteno efetuado muitas vezes
desnecessariamente, custoso, consome muito tempo, apresenta uma
eficincia muito baixa e totalmente incapaz de apresentar um perfil
correto do estado do equipamento. Pior que isso, geralmente o
pessoal de manuteno assume como verdade absoluta a condio em que o
equipamento se encontra conforme indicado por testes off-line (com
a mquina parada). Adicionalmente, existe sempre o perigo de se
adicionar problemas na mquina quando se executam testes off-line
(montagem e desmontagem de partes/peas, aplicao de altas tenses,
etc.).
No caso de grandes mquinas rotativas de alta tenso, como motores
e geradores, as condies encontradas em testes off-line no so as
mesmas que ocorrem quando a mquina est em operao nominal. Nos
testes off-line a condio esttica; ao passo que, nas mquinas
rotativas as condies so dinmicas, e isso faz toda a diferena. E
justamente por possuir apenas resultados de testes off-line, no
conclusivos sobre as reais condies da mquina e dos diversos
estresses agindo sobre a mesma, que, mesmo assim, muitas mquinas
falham entre paradas de manuteno.
Com os avanos da instrumentao e da computao, um novo tipo de
manuteno foi desenvolvido e est sendo cada vez mais aplicado na
indstria em geral. Trata-se da Manuteno Preditiva, ou tambm
conhecida como Manuteno Baseada nas Condies da Mquina (CBM, do
ingls Condition Based Maintenance).
O principal objetivo da Manuteno Preditiva eliminar manutenes de
rotina e permitir ao usurio trabalhar no equipamento somente quando
um sistema de monitoramento indicar que tal servio est sendo
necessrio.
Sua principal ferramenta a adoo do monitoramento on-line atravs
de instrumentao digital, que efetua leituras dinmicas do
comportamento e desempenho, permitindo anlise das condies reais da
mquina. Nessa condio, os parmetros monitorados so mostrados como
tendncia no tempo para predizer quando parar a mquina, permitindo
tempo para planejar os procedimentos de manuteno e efetuar a
manuteno somente quando e onde for necessrio. Em resumo:
Assim, dependendo das condies fornecidas pelos dados obtidos, as
aes de manuteno podem ser de vrios tipos, como por exemplo: parar
para executar outros testes, priorizar a parada, subutilizar a
mquina, definir uma mquina reserva, contratar mo de obra
especializada, adquirir materiais necessrios para reparo, ou mesmo,
no parar a mquina (continuar monitorando).
Em resumo, o monitoramento permite executar os 3 Certos da
manuteno:
Manuteno Certa na mquina Certa no tempo Certo
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Monitoramento PDA POLUX v5 8
2.2 Vantagens do Monitoramento On-Line Apesar de muitas vezes as
vantagens no serem palpveis ou facilmente medidas e/ou
contabilizadas, diversos casos comprovam que o Monitoramento
On-Line colabora na diminuio dos custos, no aumento da eficincia da
manuteno e na disponibilidade das mquinas, pois permite e/ou
fornece:
Deteco dos indcios de problemas para correo a tempo com custo
mnimo Informaes que possibilitam ajuste fino das partes mecnicas e
desempenho otimizado
de modo a minimizar estresse e evitar envelhecimento
prematuro
Verificao dos efeitos de qualquer trabalho ou ajuste mecnico e
diminuio do tempo e esforo para alcanar tolerncias requeridas
Diagnsticos rpidos e precisos da mquina Determinao das
prioridades na manuteno e limpeza Aumento da segurana Deteco das
reas com probabilidade de falhas, sejam elas de natureza
mecnica,
eltrica ou inclusive de pessoal de manuteno
Aumento das habilidades de operao e manuteno do pessoal Condies
de se verificar com antecedncia problemas em desenvolvimento na
mquina,
permitindo planejamento da manuteno em longo prazo de modo a
minimizar riscos de parada no prevista
Postergar ou cancelar uma parada programada desnecessria
Planejamento eficientemente de uma parada programada (eliminar
testes
desnecessrios, comprar antecipadamente somente materiais
necessrios, distribuir adequadamente os recursos humanos,
minimizando necessidade de horas extras, etc.) o planejamento
eficiente diminui o perodo da parada programada
Informaes verdadeiras sobre condies da mquina, permitindo
decidir se necessrio parar a unidade para inspeo em casos onde
outros equipamentos de proteo sinalizam um problema
Aumento da capacidade de produo atravs do monitoramento da
sobrecarga da mquina
Melhor conhecimento tcnico permitindo operar mquinas crticas com
mais segurana e confiana
Extenso da vida til de mquinas antigas, postergando repotenciao
ou reforma muitas vezes desnecessria e inoportuna
Dados tcnicos e econmicos que permitem negociar menores prmios
de seguro Anlise do comportamento dos componentes, evitando
inclusive excesso de partes e
peas de reserva
Informaes para se obter vantagem total da garantia, em mquinas
novas ou em mquinas repotenciadas/reformadas, atravs da verificao
das tolerncias
Eliminao de paradas peridicas para medies estticas Preveno de
gastos de milhes de US$, atravs de alarme na ocorrncia de
parmetros
crticos
Como exemplo mais prtico, citamos abaixo os resultados de uma
pesquisa multi-industrial (includas a diversas concessionrias de
energia, pblicas e privadas) efetuada pelo Engo Pat March,
Engenheiro Mecnico do TVA (Tennessee Valley Authority Engineering
Laboratory), e publicada pelo EPRI. Essa pesquisa apresenta os
seguintes benefcios
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Monitoramento PDA POLUX v5 9
obtidos pelo uso de sistemas de monitoramento on-line como
ferramenta da Manuteno Preditiva:
Custos de manuteno Reduo de 50 a 80 % Danos nos equipamentos
Reduo de 50 a 60 % Inventrio de sobressalentes Reduo de 20 a 30 %
Tempo de retirada de operao Reduo de 50 a 80 % Despesas de horas-
extras Reduo de 20 a 50 % Vida til da mquina Aumento de 20 a 40 %
Produtividade total Aumento de 20 a 30 % Lucro Aumento de 25 a 60 %
Em resumo, a relao custo x benefcio relativa ao investimento em
sistemas de monitoramento pode ser resumida na figura abaixo:
Em apenas 2 horas, ns salvamos US$ 480.000. Essa citao foi feita
pelo Eng. Judson Alward da Duke Power Company, EUA, em 1992, ao
constatar, atravs do monitoramento de temperatura e vibrao, srios
problemas se desenvolvendo nos mancais de algumas de suas mquinas
durante condies operacionais nominais.
E onde aplicar o monitoramento on-line em uma mquina
rotativa?
Temperatura sobreaquecimento Vibrao mancais e eixos Entreferro
alinhamento e circularidade Fluxo Magntico isolao dos enrolamentos
polares Descargas Parciais isolao do enrolamento estatrico 2.3 O
que so Descargas Parciais? Descargas Parciais so pequenos arcos ou
fagulhas eltricas que ocorrem em cavidades preenchidas de ar dentro
ou adjacentes isolao eltrica de alta tenso. Elas so chamadas
Parciais uma vez que no h uma ruptura completa (que seria uma
descarga total, ou curto-circuito), e ocorrem porque a rigidez
dieltrica do ar (3 kV/ mm) menor que a isolao slida (~300 kV/mm)
que compe a isolao dos enrolamentos estatricos.
As PD (do ingls Partial Discharge) criam pequenos pulsos de
tenso em alta freqncia que trafegam pelos enrolamentos, que podem
ser medidos e analisados por um sistema de monitoramento PD.
Alm do fator dieltrico, as descargas parciais so tambm o
resultado de danos causados por outras foras atuando nos
enrolamentos do estator, sejam elas de caractersticas trmicas,
mecnicas, eletromagnticas, qumicas ou mesmo do meio ambiente.
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Monitoramento PDA POLUX v5 10
O desenvolvimento progressivo de atividades de descargas
parciais o maior sintoma da deteriorao da isolao. As descargas
tambm contribuem para o envelhecimento do sistema dieltrico da
mquina pela eroso do sistema de isolao.
importante ter em mente que a falha da isolao (curto-circuito)
no previsvel, pois diversos fatores esto em jogo. O monitoramento
PD, atuando como um alarme antecipado, permite acompanhar a
degradao da isolao ao longo do tempo, dando subsdios para a melhor
tomada de deciso.
Lembre-se que o importante detectar um mecanismo de falha em
andamento e o quo ruim e urgente o problema . Por sorte, uma vez
que a maioria das isolaes aplicadas em mquinas rotativas acima de
2300 V possui um material de excelente resistncia s descargas,
chamado mica, a degradao da isolao geralmente lenta. Por causa
desse relativamente lento processo de envelhecimento e considerando
que 40% das falhas relatadas em motores e geradores so devidas aos
enrolamentos do estator, que o monitoramento PD faz sentido.
As descargas parciais ocorrem antes da falha em mquinas de alta
tenso, ou seja, o monitoramento PD a essncia da Manuteno Preditiva
aplicada aos enrolamentos estatricos. Mas, quanto tempo antes da
falha? O tempo estimado de alto risco de falha na isolao
proporcional tenso do estator, e dado por:
Mquinas >18 kV ~ 10 anos de aviso antecipado Entre 11 e 13,8
kV ~ 5 anos de aviso antecipado Entre 6,9 e 8 kV ~ 2-3 anos de
aviso antecipado Entre 3,3 e 4 kV ~ poucos meses de aviso
antecipado O monitoramento PD funciona para motores de induo e
sncronos, permite distinguir entre os diversos processos de falha e
permite analisar a tendncia do comportamento das atividades PD no
tempo para fornecer um aviso antecipado de problemas em
desenvolvimento.
O monitoramento PD verstil no sentido de que pode detectar
atividades de descargas parciais no somente em motores e geradores,
mas tambm em transformadores a seco e seccionadoras. Entretanto, em
funo de diversos fatores (como nvel e tipo de isolao e de tenso),
no possvel monitorar PD em cabos e transformadores a leo.
Uma questo sempre colocada refere-se qual a menor tenso de
mquina na qual se pode utilizar monitoramento PD. Em resposta,
qualquer sistema de Anlise de Descargas Parciais (PDA) pode
detectar atividades at o gatilho terico de aparecimento de PD como
dado pela Lei de Paschen (isto , por volta de 300 V para o ar, em
presso atmosfrica de 1bar, na temperatura ambiente).
Na prtica, o sistema normalmente utilizado em equipamentos de
3,3 kV e acima, embora problemas de isolamento no estator relativos
PD tm sido reportados em mquinas de 2 kV. A menor tenso para
aplicao do sistema PDA pode ser selecionada pelo usurio dependendo
da importncia de uma mquina em particular e a experincia e/ou
confiana no isolamento do estator naquela tenso.
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Monitoramento PDA POLUX v5 11
3 Enrolamentos Estatricos Um gerador ou motor composto de dois
componentes principais, o estator e rotor. O rotor um campo
magntico rotativo e o estator um conjunto de condutores, ou
enrolamentos, fixos por um ncleo. Os enrolamentos fornecem um
caminho para os eltrons, enquanto que o ncleo foca o campo
magntico, fixa os enrolamentos e dissipa calor. Uma vez que a
diferena de tenso entre os enrolamentos e o ncleo aterrado pode
chegar a alguns milhares de volts, necessrio separar ambas as
superfcies por um material isolante. Esse material isolante, embora
extremamente necessrio na isolao, suporte e transferncia de calor,
no tem nenhuma funo na produo de eletricidade ou torque em si. A
isolao, embora confivel por princpio, tambm a parte mais fraca e a
que envelhece mais rpido, por ao dos mais diversos estresses que
esto presentes em uma mquina em condies operacionais. 3.1 Tipos de
Enrolamentos Estatricos A principal funo do enrolamento estatrico
fornecer um caminho para as correntes induzidas pelo campo magntico
rotativo (rotor). O tipo do enrolamento depende da potncia, fator
de potncia e facilidade de fabricao, instalao e reparo. Geralmente
mquinas de tenso abaixo de 2300 V so enroladas aleatoriamente com
fios de cobre isolado, enquanto que mquinas maiores que 2300 V so
montadas com enrolamentos pr-formados. Somente este ltimo tipo ser
discutido nessa apostila
Normalmente, em mquinas cujo ncleo muito longo ou com pequeno
dimetro, onde a montagem com bobinas completas difcil, utilizam-se
barras em duas sees denominadas meia bobinas ou barras Roebel.
Geralmente so identificadas por sua posio relativa dentro do ncleo
como barra superior ou barra inferior.
Essa montagem mais simples, pois as barras so inseridas nas
ranhuras e depois conectadas outra metade, formando a bobina
completa. A barra formada por condutores de cobre isolados
individualmente (strands), que so torcidos para a montagem do
efeito Roebel, e esse conjunto coberto por uma isolao externa
(groundwall).
(O efeito Roebel no ser detalhado nessa apostila, porm um tipo
de montagem que faz a rotao dos condutores internos dentro da barra
permitindo melhor distribuio das correntes pelo efeito de superfcie
(ou de Kelvin) e dissipao de calor.)
J as bobinas de mltiplas espiras, ou do tipo diamante, so
formadas por grupos de condutores de cobre isolados individualmente
(strands), montados em conjuntos tambm isolados denominados espiras
(turn). Esses conjuntos so ento montados de modo a formar a bobina
em formato de diamante e isolados externamente (groundwall).
Captulo
3
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Monitoramento PDA POLUX v5 12
3.2 Tipos de Isolaes Como informado acima, existem trs tipos de
isolaes em um enrolamento estatrico: a isolao individual do
condutor de cobre (strand), a isolao de um grupo de condutores
formando uma espira (turn), e a isolao externa da bobina ou barra
(groundwall). Em bobinas de mltiplas espiras encontramos os trs
tipos de isolao, enquanto que em barras, por no existirem espiras,
somente encontramos as isolaes strand e groundwall.
Barra Roebel ou Meia Bobina
Bobina de Mltiplas Espiras
A funo primria da isolao separar o condutor de cobre em alta
tenso do ncleo estatrico aterrado. Os materiais mais comuns de
isolao so o vidro, papel e flocos de mica. Todos possuem excelentes
propriedades de isolao eltrica; entretanto possuem pssimas
propriedades mecnicas. Tanto o vidro quanto a mica tendem a rachar
ou esfarelar quando sujeitos vibrao de 120 Hz (2 harmnica) presente
em um gerador. Para diminuir esse estresse mecnico, os fabricantes
utilizam a impregnao da barra ou bobina com fitas ou tintas de
compostos orgnicos. Os compostos utilizados mais comuns so asfalto,
polister e epxi. O tipo de isolante existente em uma mquina depende
do fabricante e do ano de fabricao. 3.2.1 Isolao dos Condutores
Individuais (Strand) Um conjunto de pequenos condutores de cobre
possui uma rea maior que uma barra slida de cobre, podendo assim
conduzir mais corrente atravs do efeito de superfcie (skin effect).
Dividindo um condutor slido em vrios condutores menores, a
eficincia do gerador aumentada em alguns por centos. O propsito da
isolao strand isolar esses pequenos condutores de cobre
individualmente para a formao de um conjunto denominado espira.
Isolao da espira (8 condutores por espira) Construo
tipo tijolo
Isolao dos condutores de cobre
Condutores de cobre
Construo de condutores
iguais Isolao externa
Isolao externa
Isolao dos condutores de cobre
Condutores de cobre
Transposio Roebel
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Monitoramento PDA POLUX v5 13
A tenso entre os condutores de cobre dentro de uma barra ou
bobina menor que 1 V. A falha entre a isolao dos condutores
individuais geralmente no apresenta maiores problemas, pois apenas
aumenta as perdas pelo fluxo magntico. Entretanto, se houver
centelhamento, pode levar ao dano completo da barra/bobina.
Os materiais utilizados para isolao dos condutores individuais
dependem do fabricante e do ano de fabricao. Antes dos anos 60
utilizavam-se vernizes, enamel e compostos de algodo. Atualmente so
utilizados folhas de mica, vidro, poliamida, dacron, e outros.
3.2.2 Isolao das Espiras (Turn) Uma vez que barras no possuem
espiras, esse tipo de isolao no est presente. Apenas bobinas de
mltiplas espiras possuem esse tipo de isolao, que varia de acordo
com as especificaes dos enrolamentos e do fabricante.
O propsito dessa isolao prevenir contra altas correntes
induzidas entre espiras. A tenso induzida entre espiras depende do
projeto da mquina. calculada em funo da tenso fase-neutro, do nmero
de bobinas em srie em um paralelo, e do nmero de espiras numa
bobina. Tipicamente, a tenso atravs da isolao turn da ordem de 10 a
300 V por espira.
Por exemplo, se uma mquina possui tenso 13,8 kV fase-fase com 21
bobinas por paralelo e 3 espiras por bobina, o seguinte clculo
aplicado:
Tenso fase-neutro = 13800 / 3 = 7967 V
Tenso por bobina = tenso fase-neutro / no de bobinas = 7967 / 21
= 379 V/bobina
Tenso por espira = tenso por bobina / no de espiras = 379 V / 3
espiras = 126 V/espira
Se a isolao turn falhar, haver uma enorme quantidade de corrente
circulando dentro da bobina. Isso causado pela exposio de um
circuito completo ao forte campo magntico, permitindo que uma alta
corrente circule atravs das espiras em curto. Isso resulta em um
forte estresse trmico na regio que pode danificar a isolao externa
(groundwall) e levar a um curto-circuito. O tempo de falha
desconhecido, porm pode ser de alguns poucos segundos, dependendo
da impedncia da falha.
Os materiais utilizados para isolao das espiras so geralmente
compostos de algodo (mquinas mais antigas) e folhas de mica, vidro
e dacron. 3.2.3 Isolao Externa (Groundwall) O propsito da isolao
externa prevenir contra curtos entre os condutores de cobre em alta
tenso e o ncleo aterrado. A espessura da isolao externa dependente
exclusivamente da tenso da mquina e do estresse volts/mm definido
pelo fabricante. Por exemplo, para uma mquina 13,8 kV, a tenso
fase-neutro ser de 7.967 V. Se o fabricante definiu o estresse como
2,5 kV/mm, ento a espessura da isolao ser de 3 mm. Quanto mais
grossa a isolao, menos cobre e maior estresse trmico. Quanto mais
fina a isolao, maior estresse de tenso e maior risco de falha.
O estresse de tenso baseado na tenso nominal e na posio relativa
da bobina dentro do enrolamento. Na sada do barramento, a primeira
bobina ter um estresse igual ao da tenso fase-neutro nominal, ou
7967 V. Entretanto, em cada bobina posterior em direo ao neutro, o
estresse de tenso diminuir em funo do nmero de bobinas na seqncia,
como abaixo:
Tenso fase-neutro - (tenso/bobina x posio da bobina) ou como no
exemplo acima
7967 V - (398 V/bobina x 1) = 7569 V (fim da primeira
bobina)
7967 V - (398 V/bobina x 10) = 3987 V (fim da dcima bobina)
7967 V - (398 V/bobina x 19) = 398 V (fim da vigsima bobina)
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Monitoramento PDA POLUX v5 14
A falha da isolao externa, geralmente nas bobinas sujeitas ao
maior estresse de tenso (as primeiras 30%), causa um grande dano
(curto-circuito). Normalmente, nesses casos, a mquina deve sofrer
uma parada de grande porte e custo para os reparos.
O material bsico empregado na isolao externa a mica, que possui
excelentes propriedades trmicas e eltricas, porm pssimas
propriedades mecnicas, pois trinca e racha com facilidade. Por
isso, necessrio impregnar a mica com fitas ou tintas de resinas
orgnicas. Essas resinas fornecem melhor estabilidade mecnica, porm
podem sofrer impactos resultantes dos estresses eltricos e
trmicos.
At os anos 60, as resinas orgnicas eram basicamente fabricadas
de asfalto ou micafolium. Ambos os materiais alteram a forma e
tamanho quando submetidos a estresses trmicos, e por isso so
denominados como termoplsticos (thermoplastic, geralmente da Classe
B 130oC), retendo parte da deformao quando esfriados. Em mquinas
mais modernas, so utilizadas resinas de epxi ou polister, que so
menos afetadas pelo estresse trmico da mquina em operao nominal.
Essas isolaes so denominadas termorrgidas (thermoset, geralmente
Classe F 155oC). 3.3 Processos de Fabricao das Bobinas Existem
diversos processos de fabricao das bobinas, cada um dependendo do
fabricante, da potncia e tenso da mquina, etc., mas todos seguem
mais ou menos os mesmos passos. 3.3.1 Impregnao Vcuo Individual
(VPI) o processo mais comumente empregado em mquinas de pequeno
tamanho de ncleo ou pequeno dimetro, porm o mais caro, pois cada
bobina fabricada individualmente. Consiste na aplicao de papel ou
fita seca de mica s bobinas e depois na insero em um molde (um por
bobina). Na seqncia aplicado vcuo para a remoo do ar e uma
impregnao com epxi ou polister de baixa viscosidade. bobina
aplicado calor para curar os compostos orgnicos, e presso para
reduzir o tamanho das bolhas internas. As bobinas so ento inseridas
nas ranhuras e fixadas. O sistema completo aquecido para selar e
curar as resinas e componentes de fixao (principalmente em
motores). Depois de pronto, so efetuados testes para aceitao e
controle de qualidade. 3.3.2 Impregnao Global Vcuo (Global VPI) o
processo mais comumente empregado em mquinas de pequeno dimetro,
apesar de que atualmente muitos fabricantes tm utilizado esse
processo para mquinas acima de 100 MW. O processo consiste na
aplicao de papel ou fita seca de mica s bobinas e depois na insero
direta no ncleo. Depois que todas as conexes eltricas so efetuadas,
e as cunhas bem como as cabeas de bobinas so fixadas, feita a
impregnao de todo o ncleo dentro de um tanque para posterior cura
em um forno.
Um segundo processo geralmente aplicado para selar o enrolamento
e fornecer melhor estabilidade mecnica. Alguns fabricantes giram o
rotor dentro do forno para que as resinas possam melhor colar nos
barramentos. o sistema mais barato, pois em poucos passos se isola
completamente o estator, resultando em menores custos, e o produto
final tem uma boa estabilidade mecnica (lembre-se que as cunhas,
espaadores e todo o material de fixao so impregnados juntos).
A qualidade da isolao totalmente dependente da impregnao total
dos componentes durante o processo de cura, que pode durar de oito
meses a um ano. Tambm no possvel efetuar testes de qualidade
durante o processo de fabricao, somente aps o estator estar pronto.
Desde os anos 60, o mtodo preferido para motores de pequeno
porte.
Um resumo completo do mtodo mostrado na tabela abaixo:
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Monitoramento PDA POLUX v5 15
Critrio Propriedade e Benefcios Processo de Reparo Estatores e
rotores so enrolados em massa, testados durante a aps a cura da
resina VPI Local de Reparo Somente em oficina (os tanques VPI no so
portteis) Reparo de uma Bobina No possvel, bobinas encapsuladas em
massa de resina
Protocolos de Testes de Reparo IEEE 1043 Voltage Endurance, IEEE
429 Imerso em gua, descargas parciais, fator de potncia e corona
probe Rigidez Dieltrica Excelente Fator de Potncia / PD Excelente
Resistncia ao Choque e Vibrao Excelente, colado como uma massa
slida Rigidez das Cabeas de Bobinas Excelente, colado como uma
massa slida Rigidez das cunhas e enchimentos Excelente, colado j na
posio Estabilidade Temperatura Altamente estvel
Proteo Corroso Excelente p/ cido sulfrico, cido hidroclordrico,
hidrxido de sdio, cloreto de sdio, resduos custicos de papel e
detergentes Limitaes de Tenso At 15 kV Limitaes de Tamanho Depende
do tanque VPI disponvel
Caso Real 1: um turbogerador de 40 MW alimentado por turbina
movida a farelo de madeira entrou em curto-circuito somente aps 40
dias de operao nominal. A isolao dos enrolamentos, fabricada pelo
mtodo Global VPI, apesar de considerada adequada pelos testes
off-line de fbrica, no resistiu aos estresses da operao
nominal.
3.3.3 Fitas com Resinas (B-stage ou Resin-rich) Devido ao seu
tamanho, esse o processo mais comumente empregado em barras Roebel.
Nesse processo, fita de papel mica impregnada diretamente com as
resinas orgnicas. As fitas impregnadas so ento aplicadas na bobina,
que vai para um molde e esse molde submetido a calor e presso
dentro de uma autoclave para curar as resinas. O calor faz com que
as resinas fluam por todo o corpo da bobina e as camadas de fita, e
a presso remove todas as eventuais bolhas. necessrio um bom
controle de qualidade durante esse processo para evitar excesso de
fluidez das resinas (com o qual as resinas no colam nas fitas e no
corpo da bobina) e uma correta impregnao dos vazios. Testes de
aceitao podem ser efetuados para confirmao da qualidade da
impregnao.
Depois que as bobinas so inseridas no ncleo e cunhadas, o
conjunto ainda passa por mais uma etapa no forno para garantir a
melhor colagem dos componentes de fixao. Se possvel, esse processo
pode ser repetido para selagem dos componentes das cabeas das
bobinas. o processo que apresenta os melhores resultados, sendo um
mix dos anteriores. A nica preocupao com o envelhecimento, que mais
rpido que nos anteriores. Um resumo completo do mtodo mostrado na
tabela abaixo:
Critrio Propriedade e Benefcios Processo de Reparo Bobinas so
instaladas e testadas uma a uma Local de Reparo Em oficina ou no
campo (as barras so transportveis) Reparo de uma Bobina Possvel na
maioria dos casos
Protocolos de Testes de Reparo IEEE 1043 Voltage Endurance, IEEE
429 Imerso em gua, descargas parciais, fator de potncia e corona
probe Rigidez Dieltrica Excelente Fator de Potncia / PD Excelente
Resistncia ao Choque e Vibrao Excelente Rigidez das Cabeas de
Bobinas Excelente Rigidez das cunhas e enchimentos Mecanicamente
seguras Estabilidade Temperatura Em caso de reparo, to boa quanto a
original Proteo Corroso Em caso de reparo, to boa quanto a original
Limitaes de Tenso Sem limite, baseado no projeto da isolao Limitaes
de Tamanho Sem limite
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Monitoramento PDA POLUX v5 16
3.3.4 Enrolamentos Selados muito semelhante ao Global VPI, porm
para aplicaes especiais tais como em mquinas para indstrias
petroqumicas, motores para uso ao ar livre com carcaa aberta, reas
perigosas, explosivas ou com materiais condutivos no ar e motores
submersveis com alto grau IP (submerso ou jatos de gua). 3.4
Coberturas de Superfcie Adicionalmente s isolaes dos condutores de
cobre, das espiras e a isolao externa (respectivamente strand,
turn, e groundwall), h tambm a necessidade de controle do estresse
eltrico em mquinas acima de 6 kV.
Uma cobertura de superfcie, denominada cobertura semicondutora,
aplicada em cada bobina para criar um estresse uniforme atravs da
isolao em toda a poro do ncleo do estator. Outra cobertura,
denominada interface de alvio de tenso, se sobrepe cobertura
semicondutora e se estende em direo cabea da bobina. 3.4.1
Cobertura Semicondutora
Entre o cobre em alta tenso e o ncleo aterrado existe um
isolante e um espao de ar. Originalmente esse espao de ar de menos
que 0,05mm. Entretanto, depois do 1 ano de operao, a isolao
encolhe, aumentando esse espao de ar.
Visto que a isolao e o espao de ar esto entre duas peas de metal
(cobre e ncleo), elas formam capacitores com diferentes
caractersticas dieltricas. Quando a tenso fase-neutro aplicada, o
estresse de tenso se divide entre cada dieltrico, baseado nas suas
caractersticas e dimenses.
Um arco, ou descarga parcial, pode acontecer no espao de ar se a
tenso atravs do dieltrico do ar exceder 3 kV/mm.
Para reduzir o estresse de tenso, tinta ou fita semicondutora
carregada de carbono (ex. Durocal) aplicada na bobina uniformemente
para curto-circuitar a capacitncia do espao de ar e prevenir contra
um incremento de tenso suficiente para causar uma descarga.
Enquanto a superfcie semicondutora estiver intacta e contnua, no
haver oportunidade para o estresse de tenso que ocorre entre o
ncleo e a superfcie da barra alcanar o limite de ruptura. Um slido
aterramento da superfcie da barra permite um estresse de tenso
uniforme por toda a isolao. 3.4.2 Interface de Alvio de Tenso (ou
Luva Anti-Corona)
No ponto de sada da bobina da poro do ncleo, a falta de um plano
de aterramento definido permite que a superfcie da bobina esteja no
mesmo potencial que o condutor de cobre. Para a primeira bobina do
enrolamento isso a tenso fase-neutro nominal.
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Monitoramento PDA POLUX v5 17
Na cobertura semicondutora logo na sada do ncleo h um grande
estresse eltrico, pois a tenso da superfcie abruptamente aterrada.
Para prevenir contra esse estresse, os fabricantes utilizam uma
camada de pintura ou fita de carboneto de silcio que se sobrepe
cobertura semicondutora e segue por alguns centmetros (de 7 a 12)
na direo das cabeas das bobinas. O tamanho total da interface de
alvio depende do projeto.
O carboneto de silcio possui uma propriedade de resistncia no
linear, na qual a resistncia diminui com a tenso aplicada. O
propsito dessa cobertura gradualmente diminuir a tenso da cabea da
bobina para a camada semicondutora aterrada. Sem essa proteo,
fortes estresses de tenso poderiam danificar alguns pontos do
enrolamento, reduzindo sua vida til e produzindo descargas
parciais.
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Monitoramento PDA POLUX v5 18
4 Causas das Falhas nos Enrolamentos Estatricos Existem muitos
tipos de estresses agindo na isolao dos barramentos estatricos, e
raramente algum deles ocorre sozinho. Esses estresses podem ser de
natureza diversa, como eltricos (em funo da tenso), mecnicos
(vibrao), trmicos (sobreaquecimento), qumicos, eletromagnticos e
como funo do meio ambiente (umidade, contaminao). Quanto mais
estresses estiverem presentes, maior ser a taxa de deteriorao da
isolao. Por exemplo, em algumas isolaes o aumento de 10C na
temperatura de operao reduz vida til em 50%; em outras o aumento de
1% na tenso diminui a vida til em 10%; e em todas, a abraso aumenta
exponencialmente com a amplitude de vibrao da bobina.
Algumas das causas das falhas na isolao de mquinas girantes esto
abaixo descritas: 4.1 Impregnao Inadequada Fabricao
Durante o processo produtivo, inadvertidamente alguns vazios
podem ser deixados dentro da isolao do enrolamento como resultado
de cura incompleta, alta viscosidade das resinas, falhas na presso
ou no vcuo aplicado nos barramentos, temperatura imprpria, ou mesmo
a presena de objetos estranhos (resduos).
Quando sob estresse de tenso, descargas podem ocorrer no
interior desses vazios e atacar a resina orgnica. Isso pode
danificar as isolaes dos condutores de cobre e das espiras quando
as descargas ocorrem prximas aos condutores de cobre.
Se as descargas ocorrem no interior da isolao, isso menos
prejudicial, pois todo o vazio est circundado por mica, podendo
levar anos para uma falha de grande porte.
Um problema adicional que ocorre devido a falhas no processo de
fabricao que os vazios internos criam uma barreira trmica que
impede a transferncia de calor entre os condutores de cobre e o
ncleo, uma de suas principais funes.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Impregnao inadequada
PD PDA, tan , fator de potncia
Global VPI e fita com resina
Caractersticas: Dependente inverso da temperatura No dependente
da carga Defeito fase-neutro Muito severo em mquinas com espiras
(multi-turn) e com impregnao Global VPI No permite reparo, somente
substituio de bobinas
Captulo
4
-
Monitoramento PDA POLUX v5 19
4.2 Descargas na Ranhura Fabricao Descargas na ranhura se
referem ao fato de que descargas parciais podem ocorrer na
superfcie da barra, tanto dentro da ranhura como nos pontos logo
fora dela. H duas fontes genricas de descargas na ranhura: Falha na
cobertura semicondutora: ocorre quando a cobertura semicondutora da
ranhura
no est preenchendo sua funo. Isso pode ocorrer em funo de dois
fatores. Um quando ocorre uma excessivamente alta resistncia devido
presena de filme ou preenchimento lateral isolante entre a
cobertura semicondutora e o estator. O outro devido a falhas na
impregnao da cobertura semicondutora.
Enrolamento solto: quando problemas de fixao das barras permitem
que as mesmas vibrem dentro da ranhura, causando abraso da
cobertura semicondutora e da isolao externa (groundwall).
Geralmente pode ser difcil determinar qual desses processos pode
iniciar descargas na ranhura, uma vez que a aparncia pode ser muito
similar e um processo pode eventualmente ocasionar o outro. Em
todos esses casos, a energia das descargas vem da energia
capacitiva do campo eltrico e, portanto, esses processos somente
ocorrem nas barras de mais alta tenso de cada fase.
Em geral, descargas na ranhura um mecanismo de deteriorao muito
lento em sistemas de isolao base de mica. Falhas no devem ser
esperadas em muitas dcadas se no ocorrerem influncias externas como
vibrao ou defeito da camada semicondutora. Em mquinas refrigeradas
a ar, as descargas na ranhura geram oznio. Se produzido em alta
concentrao, o oznio pode causar numerosos outros problemas,
incluindo de sade para o pessoal de operao/manuteno, e pode
requerer o rebobinamento da mquina. 4.2.1 Falhas na Cobertura
Semicondutora
Se a camada semicondutora deteriora, ou se h uma alta resistncia
de contato (maior que 5000 ohms), descargas eltricas surgem dentro
da ranhura com conseqente produo de oznio. A experincia mostra que
concentraes de oznio excedendo 0,1ppm, descargas parciais severas
esto presentes. As descargas e o oznio aceleram a decomposio das
resinas epxi ou polister. Devido decomposio, as bobinas podem
diminuir de tamanho e ficarem frouxas.
Se isso for permitido, podem surgir reas de alto estresse
eltrico. Se a impregnao foi mal executada, especialmente no caso de
tintas, a cobertura semicondutora pode se tornar no condutiva em
altas temperaturas.
Se as barras forem mantidas fixas, pode levar dcadas para a
ocorrncia de uma ruptura eltrica, portanto o sistema de cunhagem
deve ser verificado e mantido em pleno funcionamento. O reparo
muito difcil, portanto a preveno essencial.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Falhas na cobertura semicondutora
PD, descarga na ranhura, oznio
PDA, inspeo visual e monitorar oznio
Refrigeradas a ar
Caractersticas: Dependente inverso da temperatura No dependente
da carga Defeito fase-neutro Reparo muito difcil
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Monitoramento PDA POLUX v5 20
4.2.2 Enrolamento Solto
Durante a montagem do enrolamento estatrico, as bobinas so
instaladas na ranhura juntamente com um preenchimento lateral para
manter uma boa interferncia com a ranhura em ambiente sujeito aos
fortes estresses eletromagnticos de 2 harmnica. Adicionalmente o
sistema de cunhagem fixa as bobinas, sustentando-as contra foras
radiais. Se essa fixao feita e mantida de modo adequado,
dificilmente ocorrero problemas com bobinas soltas.
Entretanto, algumas resinas utilizadas atualmente encolhem aps a
cura, fazendo com a bobina possa ficar solta dentro da ranhura.
Tambm alguns tipos de cunhagens e materiais de fixao podem encolher
ou ficarem quebradios com o tempo, permitindo que bobinas fiquem
soltas. Na presena de vapor de leo e contaminantes, cunhas tipo
mola (ripple springs) e alguns materiais de fixao perdem totalmente
suas caractersticas de fixao.
Quando as bobinas ficam soltas, elas vibram e sofrem abraso
contra a parede do ncleo. No incio desse processo, os danos so mais
localizados, nos pontos onde a superfcie semicondutora se afasta e
volta a tocar o ncleo. Com o incremento do problema, a superfcie
pode se danificar totalmente devido tanto os estresses eltricos
quanto mecnicos. comum o desenvolvimento do efeito escada, que o
afinamento da superfcie nos pontos de contato com o ncleo enquanto
que permanece com as dimenses corretas nos pontos onde existem os
furos de ventilao do ncleo.
O tempo de falha desconhecido, porm pode ser bem rpido (algo em
torno de 2 anos) em isolaes termorrgidas (thermosets), como epxi e
polister, em funo da diminuio da espessura da isolao
(groundwall).
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Enrolamento solto PD, oznio, cunhas soltas
PDA, inspeo visual, monitorar oznio e testes da cunhagem
Sistemas com isolao termorrgida (epxi e polister)
Caractersticas: Dependente inverso da temperatura Dependente da
carga Defeito fase-neutro Pode ser reparado se no for Global VPI
Verificao do sistema de cunhagem atravs do Sistema WTD 4.3
Centelhamento por Vibrao Fabricao Apesar de visualmente parecido
com descargas na ranhura, o centelhamento por vibrao um processo de
deteriorao completamente diferente. O mecanismo deriva do fluxo
magntico no ncleo e, enquanto que as descargas parciais somente
podem ocorrer nas barras de maior potencial, o centelhamento por
vibrao pode ocorrer em qualquer ponto do enrolamento, incluindo o
neutro.
Para que esse centelhamento ocorra, a barra precisa estar solta
na ranhura. Portanto, mais comum em isolaes base de fita com resina
ou impregnao individual (e no em Global VPI). Em paralelo, a
cobertura semicondutora deve possuir uma baixssima resistncia de
contato CC para com o ncleo (menor que 300 ohms).
-
Monitoramento PDA POLUX v5 21
Essencialmente, se uma barra pode vibrar na ranhura, uma rea ao
longo da superfcie da barra pode se tornar isolada do ncleo. Um
circuito de corrente pode ento ser criado entre a cobertura
semicondutora, as laminaes e os tirantes de fixao do ncleo. Se a
cobertura semicondutora for muito condutiva, uma corrente pode
circular por esse circuito devido ao campo magntico no ncleo.
A vibrao da barra faz com que a cobertura semicondutora perca o
contato com o ncleo, fazendo com que a corrente seja interrompida e
ocorra um centelhamento que pode danificar a isolao da barra.
Assim, o centelhamento por vibrao requer dois erros: de projeto
e/ou fabricao. O processo de falha pode ser muito agressivo,
resultando em um curto-circuito em perodos to rpidos como menos de
cinco anos.
Embora a maioria dos fabricantes esteja atenta em fabricar
barras com uma cobertura semicondutora com uma resistncia mnima, um
grande nmero de turbogeradores falhou em servio nos ltimos 10
anos.
Pode ser difcil distinguir entre centelhamento por vibrao ou
descargas na ranhura. Se a barra danificada de alta tenso, muito
difcil ter uma certeza; entretanto, se a barra deteriorada da poro
de baixa tenso, certamente o dano devido ao centelhamento por
vibrao.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Centelhamento por vibrao
PD, oznio (?), cunhas soltas
PDA, inspeo visual, monitorar oznio (?) e testes da cunhagem
Com isolaes base de fita com resina ou VPI
Caractersticas: Dependente inverso da temperatura Dependente da
carga Defeito fase-neutro Reparo muito difcil Verificao do sistema
de cunhagem atravs do Sistema WTD Inspeo visual com boroscpio
dentro da ranhura, atravs dos dutos de ventilao Monitoramento PDA
com acoplador instalado no neutro 4.4 Deteriorao da Interface de
Alvio de Tenso Fabricao
Devido aos altos estresses eltricos e temperaturas, a interface
de alvio pode deteriorar, especialmente quando usada pintura ao
invs de fitas. Como resultado, a interface de alvio perde contato
com o ncleo, e flutua para nveis de alta tenso, fazendo surgir
arcos da interface para a cobertura semicondutora (aterrada). Em
mquinas refrigeradas a ar, essa ocorrncia produz oznio e deixa um
anel de p branco (cido ntrico) na sada da barra da ranhura. Os
danos isolao so muito lentos uma vez que as PD ocorrem entre dois
pontos da superfcie.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Interface de alvio de tenso
PD, p branco (cido ntrico), oznio
PDA, tan , fator de potncia, inspeo visual e monitorar oznio
Refrigeradas a ar e com pintura na interface de alvio de
tenso
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Monitoramento PDA POLUX v5 22
Caractersticas: Dependente da temperatura No dependente da carga
Defeito fase-neutro O p branco, para esse tipo de falha, somente
ocorre nas barras de mais alta tenso 4.5 Espaamento Inadequado
Instalao
Devido a erros de projeto, algumas mquinas so construdas com um
espaamento inadequado entre barras de fases diferentes, nas cabeas
das bobinas. Esse pequeno espaamento pode ser suficiente para
iniciar atividades de descargas parciais, com conseqente eroso da
isolao e eventual ruptura. Em mquinas refrigeradas a ar, ocorre o
aparecimento de oznio e formao de p branco (cido ntrico) sobre as
regies onde as superfcies esto prximas. Quanto mais prximas
estiverem as barras, maior ser a destruio. Geralmente esses
defeitos fase-fase podem levar muitos anos para acontecer,
entretanto produzem grandes quantidades de oznio em mquinas
refrigeradas a ar.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Espaamento inadequado
PD, p branco, descolorao da isolao e oznio
PDA, inspeo visual, monitorar oznio
Refrigeradas a ar, seccionadoras e conexes de motores
Caractersticas: Dependncia da temperatura imprevisvel No
dependente da carga Defeito fase-fase (entre materiais similares)
Pode ser reparado; melhor opo cobrir todo o espao entre barras com
epxi Em cabos a condio pior, pois no h mica na isolao 4.6 Vibrao
das Cabeas das Bobinas Instalao
Devido ao projeto, muitas mquinas (principalmente geradores de
dois plos) possuem longas cabeas de bobina, que tem que suportar
foras eletromagnticas de 2 harmnica (120 Hz). Adicionalmente, se um
motor tem partida direta da linha, ou um gerador sincronizado fora
de fase, altssimas foras eletromagnticas so impostas s cabeas das
bobinas devido s altas correntes do estator fluindo nesse momento
de partida (seis vezes a corrente nominal em um motor durante a
partida equivale a 36 vezes a fora nominal na cabea das
bobinas).
Essa vibrao pode causar movimentao em sistemas de bloqueio e
amarrao mal projetados e/ou montados, deixando as barras soltas, e
conseqentemente levando ruptura dos condutores de cobre e da
isolao, e sobreaquecimento local, alm de abraso contra a ranhura,
amarrao e bloqueios.
Essa abraso pode gerar a formao de p branco disperso pelas
cabeas das bobinas. Note que esse p branco, diferentemente dos
problemas acima mencionados, no causado pelas atividades de
descargas parciais (que so pontuais), e sim pela abraso dos
sistemas de amarrao e fixao.
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Monitoramento PDA POLUX v5 23
Ocasionalmente, tambm pode ser constatada a existncia de graxa,
que resultante da mistura de vapor de leo com partculas soltas da
isolao ou da amarrao causadas vibrao das cabeas.
Caso se suspeite de vibrao das cabeas de bobinas, essas devem
ser monitoradas atravs da utilizao de acelermetros de fibra tica
fixados nas bobinas de maior potencial.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Vibrao das cabeas das bobinas
Perda do sistema de bloqueio e amarrao, p branco disperso ou
graxa
Inspeo visual, acelermetro de fibra tica
Alta tenso, alta velocidade com grandes cabeas de bobinas
Caractersticas: Dependncia da temperatura imprevisvel No
dependente da temperatura No dependente da carga Defeito fase-fase
(na cabea da bobina) ou fase-neutro (na ranhura) Pode ser reparado
4.7 Conexes Eltricas Pobres Instalao
Conexes mal feitas ou envelhecidas, em parafusos na conexo de
cabos de alimentao de motores ou no fechamento (solda) das barras
nos geradores, podem levar oxidao do cobre e consequente
faiscamento e sobreaquecimento localizados.
Isso leva produo de atividades de descargas parciais com perfil
definido (pulsos em 0 e 180) e formao de p branco localizado.
Alm da inspeo visual, o monitoramento atravs de cmaras de
infravermelho pode ajudar a detectar os locais onde as conexes esto
prejudicadas.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Conexo eltrica pobre
PD, p branco e descolorao das conexes
PDA, inspeo visual, temperatura com infravermelho
Qualquer conexo
Caractersticas: Dependente da temperatura Dependente da carga
Pode ser reparado
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Monitoramento PDA POLUX v5 24
4.8 Transporte e Montagem Instalao
Problemas adicionais isolao podem ser verificados quando os
devidos cuidados no so tomados, como por exemplo, durante embalagem
na fbrica, transporte, desembalagem e at mesmo durante
procedimentos de montagem no campo (isolao das conexes, insero e/ou
fixao das barras nas ranhuras, etc.). Verificao e acompanhamento
constantes durante esses passos podem prevenir contra danos
futuros.
4.9 Surtos ou Partidas Excessivas Operao Uma espira (turn) tem
isolao entre 10 e 300 V. Porm chaveamento, descargas atmosfricas e
pulsos de inversores de frequncia e/ou soft-starters podem gerar
picos de 3,5 vezes a tenso fase-neutro. Principalmente motores
multi-espiras com dispositivos de partida com inversores de
freqncia devem ser acompanhados cuidadosamente, pois a falha na
isolao da espira pode levar falha completa da isolao em poucos
segundos ou minutos. Surtos tambm podem levar vibrao das cabeas de
bobinas.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Surtos e partidas excessivas
Curto espira-espira, PD (?), cabeas de bobinas soltas
Surge Test, PD (?), inspeo visual
Motores com inversores de freqncia
Caractersticas: No dependente da temperatura No dependente da
carga Defeito fase-neutro No pode ser reparado 4.10 Deteriorao
Trmica Operao
Quando exposta sobrecarga trmica, a isolao perde suas
caractersticas adesivas, acarretando o fenmeno chamado de
delaminao, ou desfolhamento das camadas. Os condutores internos de
cobre ficam livres para vibrar e ento atividades de descargas
parciais aparecem nos vazios internos. Os danos isolao so
cumulativos e no-reversveis.
Um dos sintomas mais fceis de determinar o estresse trmico
atravs da inspeo visual, onde se verifica uma descolorao da
isolao.
importante ter em mente que sensores de temperatura (RTD)
instalados nas ranhuras somente medem a temperatura da isolao
externa, e no nos condutores internos de cobre.
A ruptura da isolao, considerando apenas a sobrecarga trmica,
pode levar vrios anos para acontecer, e depende diretamente do
gradiente de temperatura e espessura da isolao. Esse problema
ocorre em menor quantidade em barras com isolao base de resinas de
epxi ou aquelas refrigeradas gua, uma vez que esses tipos de
montagens suportam melhor o estresse trmico.
A deteriorao trmica pode ocorrer devido a diversos motivos, como
operao contnua em regime de sobrecarga, erro no projeto das barras
fazendo com que as mesmas trabalhem sempre em sobrecarga trmica
mesmo com a mquina em operao nominal, refrigerao
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Monitoramento PDA POLUX v5 25
deficiente (ou entupida por contaminaes) e desbalano das fases.
Em motores alimentados atravs de inversores de freqncia, um
problema adicional decorre do contedo harmnico extra que dissipado
como calor dentro do mesmo.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Deteriorao trmica PD, descolorao da isolao
PDA, tan , fator de potncia, inspeo visual
Todos os tipos de mquina
Caractersticas: Dependente inverso da temperatura No dependente
da carga No pode ser reparado 4.11 Ciclos de Carga Operao Os
materiais que compe as barras do estator possuem diferentes
coeficientes lineares de expanso trmica. O cobre se expande
linearmente devido s perdas por I2R, enquanto que a isolao a ele
colada, devido ao seu baixo coeficiente de expanso e menor
temperatura a que est sujeita, no se expande do mesmo modo. Esse
estresse pode causar o enfraquecimento da cola entre a isolao e o
cobre, levando a curtos os condutores de cobre e espiras. Esse
problema mais comum em mquinas com grandes ncleos, com grandes
barras ou bobinas (maiores que 2 m).
As mquinas com maior incidncia desse tipo de problema so
turbogeradores de regime emergencial, hidrogeradores de horrio de
pico ou com problemas de reservatrio e os motores/geradores de
estaes elevatrias. Mas talvez os motores sejam os que mais sofrem
com esse estresse, devido aos surtos naturais de repetitivas
partidas e paradas.
Os ciclos de partida e parada tambm exigem eletromagneticamente
as barras, e caso o sistema de fixao e cunhagem esteja falho, as
barras podem se movimentar dentro da ranhura, causando abraso da
superfcie semicondutora contra o ncleo e conseqente deteriorao.
Em alguns sistemas antigos de isolao (termoplsticas, como
asfalto), os ciclos de carga causam pequenos rompimentos da barra
que ocorrem na circunferncia da bobina no ponto de sada da ranhura
(um fenmeno chamado girth cracking). Isso ocorre porque o cobre
aquecido expande linearmente e arrasta a isolao fora da ranhura.
Quando o cobre esfria e se contrai, a isolao no retorna sua posio e
forma originais. Esse comportamento repetitivo leva ruptura da
parte externa da bobina.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Ciclos de carga PD, ruptura da isolao na sada da barra
PDA, tan , fator de potncia, inspeo visual, Surge Test,
Hipot
Todos os tipos de mquina (com barras longas)
Caractersticas: Dependente inverso da temperatura No dependente
da carga No pode ser reparado Defeito fase-neutro
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Monitoramento PDA POLUX v5 26
Melhor modo de testar aplicar Hipot Melhoria na refrigerao ajuda
muito 4.12 Contaminao dos Enrolamentos Operao
A contaminao em uma mquina pode ser causada por uma mistura de
vapor de leo, poeira, sujeira, resduos do desgastes de peas da
prpria mquina ou deixados em procedimentos de manuteno. Essa
contaminao pode propiciar o aparecimento de pequenas pontes entre
diferentes potenciais (na ranhura fase-neutro ou nas cabeas de
bobinas fase-fase), causando o surgimento de descargas parciais que
atacam a isolao.
A contaminao tambm reduz a dissipao de calor pela cobertura
semicondutora e pode inclusive entupir a refrigerao do estator,
causando sobreaquecimento localizado ou generalizado. Outro fator
pode ser presena de corpos estranhos, levando ao rompimento
progressivo da isolao e eventual curto-circuito.
Caso Real 2: Um hidrogerador apresentava medies crescentes de
descargas parciais, ms aps ms. Foi programada uma parada para uma
limpeza utilizando gelo seco. O servio eficiente foi suficiente
para diminuir a tendncia de aumento nas medies. Caso Real 3: Isolao
de polister em motor a ser utilizado em fbrica de subprodutos de
polister foi detectada a tempo como extremamente perigosa.
Descobriu-se que os gases em suspenso quebravam a cadeia qumica do
composto da isolao, podendo levar o motor a ficar totalmente sem
isolao Caso Real 4: Um parafuso preso entre bobinas adjacentes, de
diferentes fases, por procedimento inadequado de montagem e/ou
manuteno, causou inicialmente a eroso da isolao das bobinas, e
depois a um curto-circuito entre fases em um grande hidrogerador. A
presena do parafuso foi constatada pela aplicao de um im nos
resduos (gotas) de material derretido das barras.
Mecanismo de Falha Sintomas Testes de Deteco Tipo de mquina
Contaminao dos enrolamentos
PD, combinao de leo, poeira, graxa, p branco
PDA, IR, PI, Hipot, tan , fator de potncia e inspeo visual
Todos os tipos de mquina
Caractersticas: Pode ser dependente da temperatura No dependente
da carga Defeito fase-neutro ou fase-fase Dano pode ser severo Pode
ser reparado, na maioria das vezes atravs de uma limpeza eficiente.
Existem
diversas experincias comerciais aplicando farelo de cascas de
nozes, quirera de milho e gelo seco. Para os dois primeiros
necessrio que todas as outras partes da mquina sejam cobertas para
evitar o espalhamento do farelo; alm disso, tambm necessria a
aplicao de um potente aspirador de p aps a limpeza. Para o gelo
seco, a desvantagem que no totalmente eficaz na remoo de leos
impregnados. Nos trs casos, importante que o tcnico que esteja
aplicando o jato do produto no se detenha por muito tempo em um
nico ponto da isolao, pois a mesma pode ser danificada pela abraso.
Tambm pode ser aplicado detergente neutro e gua para uma limpeza
manual, porm cuidados especiais de secagem dos enrolamentos devem
ser tomados aps a limpeza, e uma medio de rigidez dieltrica deve
confirmar que a umidade no est
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Monitoramento PDA POLUX v5 27
aterrando a isolao. Muito cuidado deve ser tomado na aplicao de
solventes de uso geral, uma vez que muitos deles so higroscpicos
(retm umidade) fazendo com que seja muito perigoso energizar a
mquina com baixa rigidez dieltrica da isolao.
4.13 Resumo das Causas das Falhas nos Enrolamentos Estatricos Um
resumo geral sobre os diversos efeitos que causam PD em uma mquina
mostrado na figura abaixo.
importante ter em mente que vibrao nas cabeas das bobinas,
pequenas peas e/ou fragmentos metlicos em geral, problemas nas
bobinas/barras prximas ao neutro, penetrao por objeto perfurante ou
roamento causado por conexo danificada de plos podem levar a falhas
no enrolamento, mas no necessariamente so detectados pela anlise de
descargas parciais.
Envelhecimento da isolao Condies de Operao Cunhagem Deficiente M
Impregnao Erros de Projeto Ciclos de Carga Contaminao
Perda do Sistema de Cunhagem
Vibrao das Barras
Efeitos Mecnicos Ruptura
Eroso da Pintura Semicondutora
Descarga na Ranhura Efeito Corona
Produo de Oznio
Pulverizao do Material Degradao da Isolao
Efeitos Trmicos Aquecimento das Barras
Efeitos Eltricos Curto-circuito
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Monitoramento PDA POLUX v5 28
5 Teoria Bsica sobre Descargas Parciais 5.1 PD como um Sintoma
Descargas Parciais (PD, de Partial Discharges) so centelhas, arcos
ou fascas envolvendo o fluxo de eltrons e ons quando um pequeno
volume de gs se rompe. Pode ocorrer em vazios ou bolhas no interior
ou adjacente ao sistema de isolao de altas tenses dos estatores de
mquinas eltricas. Essas descargas so parciais porque existe uma
isolao slida (mica) em srie com o vazio, o qual previne contra uma
ruptura completa (curto-circuito). A centelha gera um rpido pulso
eltrico que se propaga atravs dos enrolamentos e pode ser detectado
nos terminais da mquina por sensores.
As PD so o resultado de danos causados por vrios estresses
atuando nos enrolamentos do estator, sejam eles de caractersticas
trmicas, mecnicas, qumicas, eletromagnticas ou do meio ambiente. O
desenvolvimento progressivo das atividades PD o maior sintoma da
deteriorao da isolao. As PD tambm contribuem para o envelhecimento
e o aparecimento de danos na isolao. importante ter em mente que a
falha da isolao no previsvel, pois diversos fatores esto em jogo.
Assim, o monitoramento PD permite acompanhar degradao da isolao no
tempo, dando subsdios para melhor tomada de deciso. 5.2 Corona ou
Descargas Parciais Corona ou Descargas Parciais? A nomenclatura
tcnica ou mesmo a terminologia empregada pelo pessoal de manuteno
distingue descargas parciais de corona como sendo o mesmo efeito,
porm ocorrendo em locais distintos. Entretanto, as definies citadas
pela norma IEEE 1434, diferenciam ambos os fenmenos.
As descargas parciais so descargas eltricas incompletas entre
isolao-isolao ou entre isolao-condutor. Isso diferente de uma
descarga completa, entre condutor-condutor (curto-circuito).
J a corona ocorre quando o gs prximo a um condutor exposto se
ioniza, produzindo descargas parciais visveis. Note que corona no
envolve a isolao. Corona pode ser verificada principalmente em
cabos de alta tenso blindados, cabos de conexo no blindados, linhas
de transmisso (principalmente nos componentes das torres de
transmisso) e em mquinas rotativas. Um dos testes mais comuns em
manuteno de grandes mquinas escurecer o ambiente e aplicar alta
tenso atravs de um Hipot para detectar os pontos iluminados gerados
pela corona. 5.3 Formao de Vazios na Isolao O primeiro passo para
uma falha a criao de bolhas ou vazios (voids) preenchidos com gs na
isolao. Vazios aparecem como resultado da degradao da isolao
(deteriorao trmica, surtos/partidas, ciclo de carga, impregnao
imprpria, conexes). Tambm aparecem na superfcie da isolao (bobinas
soltas, deteriorao da interface de alvio e cobertura semicondutora,
contaminao, espaamento inadequado).
Lembre-se que vibrao das cabeas das bobinas, fragmentos
metlicos, problemas nas barras prximas ao neutro ou penetrao por
objeto perfurante no desenvolvem bolhas, e, portanto no so
detectados pela medio PD.
Captulo
5
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Monitoramento PDA POLUX v5 29
Assim que um vazio criado dentro do corpo ou na superfcie da
isolao, uma diferena de potencial ser criada atravs dele. A
magnitude dessa tenso depender da tenso aplicada e da capacitncia
da isolao e do gs dentro do vazio. Uma descarga somente ocorrer
quando o estresse eltrico (V/mm) exceder o ponto de ruptura
dieltrica do ar que 3 kV/mm.
Por exemplo, imagine uma mquina 13,8 kV refrigerada a ar, com
uma isolao de epxi de espessura 5 mm e com um vazio preenchido de
ar com espessura de 0,5 mm. O estresse eltrico desenvolvido dentro
do vazio pode ser calculado, e apresenta um valor de 4,9 kV/mm,
portanto suficientemente forte para ocorrer uma ruptura dentro
desse vazio. Outros parmetros que podem afetar o estresse eltrico,
alm do tamanho do vazio, so o dimetro, o gs interno e presso e a
natureza da superfcie interna do vazio.
5.4 Fsica das PD Quando a tenso 60 Hz aplicada na mquina, o
estresse eltrico dentro do vazio aumenta at que uma condio de
sobretenso ocorra dentro desse vazio. A ruptura dieltrica causa uma
avalanche de eltrons dentro do vazio, que ocasiona o aparecimento
de um pulso muito rpido (alguns nano-segundos) chamado PD, que se
propaga pelos enrolamentos da mquina.
Quando a ruptura dieltrica acontece, a tenso atravs do vazio
retrocede a um nvel suficiente para sustentar a descarga. Apenas o
pulso inicial de ruptura dieltrica detectado pela maioria dos
instrumentos como um pulso PD. Outros pulsos PD somente sero
detectados quando a tenso dentro do vazio mudar de polaridade, e
outra condio de sobretenso for estabelecida. Assim, para cada
vazio, aparecero dois pulsos PD detectveis em cada ciclo CA.
A freqncia e a magnitude das PD dentro de vazio so um fenmeno
complexo que depende do tamanho, forma, superfcie interna e presso
interna do gs. Quanto maior o vazio, maior a descarga.
A tenso fase-neutro decresce linearmente at 0 V na direo do
neutro. Uma vez que alto estresse eltrico (3 kV/mm) necessrio para
a ocorrncia de PD, no existem PD nas
C isolao
C isolao
C vazio V vazio
V cobre
0 V
Tenso -N, 60 Hz
sustentao
aparecimento da PD-
aparecimento da PD+
Tenso dentro do vazio, ruptura
quando passa de 3 kV/mm
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Monitoramento PDA POLUX v5 30
bobinas/barras prximas ao neutro. As PD ocorrem aproximadamente
nos 10% superiores das barras e 15% das bobinas quando a mquina est
em operao.
Um pulso PD unipolar e caracterizado por rpido tempo de rampa (1
a 5 ns) e pequena banda (2 a 6 ns). O perodo de oscilao, o tempo de
rampa e a magnitude variam para cada pulso. Isso depende da
geometria da mquina, localizao do pulso e material de isolao. As PD
so pulsos, produzem energia atravs de espectro de freqncia CC at
GHz. Aplicando a frmula f = 1/T, a faixa de freqncia para pulsos PD
de 1 a 5 ns (cujos perodos so de 4 a 20 ns respectivamente) de 50 a
250 MHz. 5.5 Propagao dos Pulsos PD Uma vez criados, os pulsos PD
se propagam pelos enrolamentos da mquina e so detectados por
sensores convenientemente localizados. Pulsos de altas freqncias se
propagam de trs modos diferentes: transmisso, acoplamento
capacitivo e radiao. 5.5.1 Transmisso O modo mais fcil de se
entender a propagao atravs da transmisso, pois os pulsos viajam
atravs dos condutores de cobre, similares ao sinal 60 Hz.
Entretanto, quando os pulsos viajam atravs desse meio, ocorre uma
grande distoro, com conseqente atenuao do sinal devido indutncia
dos enrolamentos estatricos. A indutncia, uma caracterstica normal
dos enrolamentos, permite a passagem dos sinais de baixa freqncia
(60 Hz), porm diminui a transmisso de sinais de altas
freqncias.
O modelo matemtico para a indutncia (resistncia corrente) de um
indutor dada por XL = 2fL, onde f a freqncia do sinal e L a
indutncia da bobina. Comparando as impedncias do sinal de potncia a
60 Hz com um pulso de descargas parciais a 83 MHz (pulso mdio de 3
ns), temos:
XL(60 Hz) = 2(60)L e XL(83 MHz) = 2(83M)L
Assim, assumindo que o L da bobina seja constante, teremos que
XL(60 Hz) > XC(83 MHz), na faixa de 1.383.000 vezes.
Portanto, para sinais de alta freqncia, os capacitores so como
curtos e permitem passagem de corrente. Qualquer mquina tem
diversas capacitncias, por exemplo, nas ranhuras, nas cabeas de
bobinas, etc. A magnitude das capacitncias depende da espessura e
integridade da isolao, espao de separao e alteraes na temperatura,
umidade e carga. Portanto, embora saibamos que ocorre e que podemos
detectar, o acoplamento capacitivo tem um comportamento
desconhecido.
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Monitoramento PDA POLUX v5 31
5.5.3 Radiao
Pulsos de alta freqncia criam ondas que viajam no meio.
Entretanto, do mesmo modo que na transmisso, os pulsos so
distorcidos e atenuados. Para medir esses pulsos, necessrio estar
muito prximo da fonte e utilizar uma antena de rdio freqncia.
Geralmente, no caso de motores e geradores, isso s permitido com
a mquina parada, alimentada por fonte
externa, e o uso de um equipamento conhecido como Antena TVA (ou
Corona Probe). 5.6 Polaridade dos Pulsos PD O modelo ideal das
caractersticas de um pulso difcil de definir. Diversos fatores como
dimenses do vazio, gs dentro do vazio, presso, capacitncia,
indutncia, geometria e outros podem afetar a magnitude e a freqncia
dos pulsos. Entretanto, algumas caractersticas bsicas podem ser
definidas baseadas na localizao dos pulsos: na interface entre o
condutor de cobre e a isolao; no interior da isolao; dentro da
ranhura, onde a superfcie semicondutora da bobina est em contato
com o
ncleo; externo ranhura, ou entre barras na regio das cabeas das
bobinas. As localizaes dos trs primeiros tipos so mostradas na
figura abaixo.
5.6.1 Vazios dentro da Isolao
Mquinas que no foram adequadamente impregnadas ou com longa
operao em estresse trmico desenvolvem vazios no interior da isolao.
Como j discutido, ocorrero dois pulsos PD em cada ciclo CA. Se
ambos os lados do vazio possuem similares materiais de isolao, ento
a distribuio de cargas ser igual tanto no pulso positivo como no
pulso negativo. Esses pulsos sero de igual magnitude e polaridade
oposta por vazio, dentro da isolao. Esses pulsos localizam-se nas
posies clssicas para pulsos dependentes da tenso fase-neutro, ou
seja, pulsos negativos a 45o e pulsos positivos a 225o com
referncia tenso fase-neutro.
SUPERFCIE EXTERNA DA BARRA (+PD > -PD) barra x ranhura barra
x barra
CUNHA NCLEO DO ESTATOR
CONDUTORES DE COBRE
BARRAS DO ESTATOR
ISOLAO
RANHURA
INTERFACE COBRE E ISOLAO (+PD < -PD)
NO INTERIOR DA ISOLAO (+PD ~ -PD)
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Monitoramento PDA POLUX v5 32
5.6.2 Vazios prximos aos Condutores de Cobre Mquinas sujeitas a
ciclos de carga ou severamente sobreaquecidas desenvolvem vazios
prximos ao cobre. Um vazio entre o cobre e a isolao exibe um
fenmeno diferente daquele no interior da isolao. Apesar dos
mecanismos de ruptura dieltrica ser os mesmos, uma vez que os
eletrodos so diferentes (cobre x isolao), verifica-se predominncia
de polaridade. Ou seja, a predominncia de ons positivos na
superfcie da isolao menor que os ons negativos na superfcie do
cobre, ocasionando uma migrao dos ons negativos do cobre atravs do
vazio para a superfcie positiva da isolao. Assim, temos uma
predominncia de pulsos PD negativos localizados a 45 durante o
ciclo CA positivo. 5.6.3 Vazios prximos ao Ncleo
J bobinas soltas, problemas na cobertura semicondutora e na
interface de alvio de tenso podem levar a descargas de superfcie
entre as barras do estator e o ncleo aterrado, e so comumente
chamadas de descargas na ranhura. Do mesmo modo que no exemplo
anterior, as descargas ocorrem entre materiais de caractersticas
diferentes. Ou seja, as cargas positivas imveis da isolao e as
cargas negativas mveis da superfcie aterrada levam ocorrncia de
pulsos no semiciclo negativo CA. Uma vez que a superfcie do ncleo
est aterrada, pulsos PD positivos ocorrero predominantemente na
posio de 225.
5.6.4 Descargas entre Fases Contaminao ou espaamento inadequado
entre fases podem levar a atividades PD. Porm, diferentemente dos
exemplos anteriores, esses pulsos so dependentes da tenso
fase-fase. Embora esses pulsos possam ser errticos, possvel
distingui-los com relao tenso fase-terra, pois apresentam um
defasamento de 30 das posies clssicas associadas tenso fase-terra.
Ou seja, tendem a se posicionar em 15, 75, 195 e 255, dependendo da
localizao dos pulsos e da rotao da mquina. s vezes possvel
determinar quais duas fases esto envolvidas, mas, mais
freqentemente, difcil de se confirmar com preciso.
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Monitoramento PDA POLUX v5 33
6 A Medio das Descargas Parciais A medio das PDA requer um
sistema de sensores que capaz de: Estar permanentemente instala