Descargas Parciais em Barras/Bobinas do Estator da Máquina Síncrona, Trabalhos de Engenharia Elétrica

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DESCARGAS PARCIAIS EM BARRAS/BOBINAS DO CIRCUITO DO ESTATOR DE MÁQUINAS SÍNCRONAS Leonardo Brêtas Leal Orientadores: Prof. Manuel Luiz Barreira Martinez Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE) Eng. Francisco Rennó Neto Rennosonic Tecnologia LTDA Resumo – O ensaio de Descargas Parciais é, há mais de 5 décadas, uma maneira eficaz para diagnosticar a situação do sistema de isolamento do circuito do estator de máquinas síncronas de médio e grande porte, e também indicar possíveis problemas com o conjunto do estator destas máquinas quando em operação. Porém nos últimos 20 anos, este tipo de ensaio tornou-se uma ótima ferramenta para, em conjunto com outros tipos de ensaio, auxiliar os fabricantes de barras/bobinas a avaliarem o desempenho de seu sistema de isolamento e também de seu processo de fabricação. O ensaio de Descargas Parciais atingiu neste âmbito, um status de qualificador do sistema de isolamento das barras/bobinas nas etapas de protótipo e na aprovação de lotes fabricados. Palavras-Chave: ensaio, diagnosticar, fabricantes, sistema de isolamento, processo de fabricação, qualificador. I. INTRODUÇÃO O mercado de máquinas rotativas de médio e grande porte é muito competitivo, e para obter sucesso neste ambiente os fabricantes sempre estão focados em desenvolver máquinas confiáveis e eficientes sem sacrificar a vida útil das mesmas, isto é, projetar um sistema de isolamento que utilize a menor quantidade de material isolante possível sem sacrificar a capacidade operativa da máquina. Sendo a vida útil de um sistema de isolamento inversamente proporcional a estresses elétricos, térmicos e mecânicos; para atingir uma parede isolante mais fina é necessário utilizar materiais que possam suportar maiores stresses elétricos ocasionados por manobras de carga, operação em sobrecarga e o aumento de fenômenos como Descargas Parciais ou até mesmo Efeito Corona que eventualmente aparecerão em vários anos de operação. Vários são os tipos de ensaio que podem indicar a qualidade de um sistema de isolamento sobre os aspéctos dielétricos, térmicos e mecânicos, tais como Fator de Dissipação, Ciclagem Térmica, Tensão Aplicada e Voltage Endurance. Sôb a perspectiva dielétrica, o ensaio de Descargas Parciais consegue apontar a existência ou não de defeitos no sistema de isolamento e também apontar o local do defeito ao longo do corpo de prova, seja ele uma barra ou uma bobina. II. DEFINIÇÕES E CONCEITOS Para o entendimento do fenômeno de Descargas Parciais, faz-se necessário lançar mão de alguns conceitos que são fruto de estudos e normas. Descarga Parcial é definida como uma descarga elétrica que parcialmente abre caminho no isolamento entre dois condutores, em outras palavras, é uma ionização transiente de gases que ocorre em um sistema de isolamento quando o estresse elétrico excede seu valor crítico produzindo assim a Descarga Parcial [1]. Ao longo da barra/bobina, as Descargas Parciais podem ocorrer nas superfícies externas e em vazios existentes entre condutores, entre condutores e TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO SETEMBRO/2009 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA 2 isolamento terra, vazios existentes entre isolamento terra e a camada semi-condutiva, enfim, configura-se como vazio um defeito no sistema de isolamento que se caracteriza como um espaço não impregnado por material isolante e que pode enclausurar gases provenientes do material isolante. A Figura 1 ilustra uma secção transverssal de uma barra indicando seus componentes. Fig. 1 – Secção transverssal de uma barra. Os vazios existentes em uma barra/bobina na etapa de pós fabricação podem ser extinguidos quando a máquina entrar em funcionamento. Pouco tempo depois de ser montada a máquina, as barras/bobinas são submetidas à elevações de temperatura de projeto e o material isolante sofre um rearranjo molecular, preenchendo os vazios e curando definitivamente a resina. Assim, uma quantidade tolerável de vazios surge como um padrão na etapa de fabricação e é detectável em forma de Descargas Parciais. Cada fabricante possui seu padrão de Descargas Parciais, visto que são processos diferentes de fabricação e materiais diferentes utilizados e desenvolvidos por cada um. Não há padrão fixo normalizado para ensaios realizados em barras/bobinas individualmente [1]. III. O ENSAIO O ensaio de Descargas Parciais realizado individualmente em barras/bonias deve ser realizado conforme NBR 6940, ou IEEE Std 1434-2000, ou IEC 270 – 1981 ou ainda ASTM D-1868. Estas quatro normas convergem no que diz respeito a como deve ser realizado este tipo de ensaio. Neste ensaio dipõe-se do corpo de prova devidamente alocado em canaletas metálicas que simulem a ranhura do estator; estas canaletas são aterradas. Aplica-se tensão em degraus de 0,2 pu da tensão fase-terra nominal da barra até 1,2 pu, tensão esta na frequência de 50/60 Hz e sob temperatura ambiente de 23 ºC [2]. A Figura 2 ilustra o circuito do ensaio. Nota-se a presença de um acoplador capacitivo neste circuito; o que é este acoplador e qual sua função, são conceitos que serão discutidos na próxima seção deste artigo denominada Detecção de Descargas Parciais. Fig. 2 – Circuito do ensaio de Descargas Parciais realizado individualmete em barras/bobinas. Os dados obtidos com o ensaio, tais como valor da descarga, bem como frequência das descargas e localização das descargas, são todos processados pelo equipamento medidor de Descargas Parciais. O equipamento geralmente é microprocessado e vem acompanhado com software para melhor tratar os dados, facilitando o diagnótico da situação do isolamento. IV. DETECÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS Partindo do pressuposto de que não existe isolamento perfeito e que portanto existam vazios no sistema de isolamento da barra/bobina submetida ao ensaio, teremos uma diferença de potencial ao longo dos vazios. A magnitude da tensão nos vazios depende da tensão aplicada na barra/bobina, da capacitância do isolamento e dos gases enclausurados pelos vazios. A Figura 3 ilustra a capacitância do isolamento a ser modelada bem como as eventuais localidades de ocorrência de vazios. Em seguida, a Figura 4 mostra o circuito de modelagem da tensão aplicada nos vazios, nota-se que a tensão no vazio é fruto do paralelo entre a capacitância do acoplador, que se trata de um capacitor de referência, e o conjunto da capacitância do isolamento e da resistência da camada semi-condutiva da barra/bobina. 5 IV.2 Quantificação e indicação de severidade das Descargas Parciais Realizado um ensaio de Descargas Parciais, pode-se tratar a massa de dados obtida pelo medidor de forma a determinar a atividade total de descargas e determinar quão severas foram as descargas para com o isolamento do corpo de prova. Neste caso dois indicadores são utilizados. Um deles é o NQN, Normalized Quantity Number, que é a quantidade proporcional à Descarga Parcial total medida [1]. O NQN indica a condição média do isolamento dada à taxa de repetição dos eventos de descarga. Matematicamente o NQN pode ser representado pela Equação (3) [1]. O NQN possui valores positivos indicando descargas no semi-ciclo positivo, e negativos indicando descargas do semi-ciclo negativo.
     ++∗ ∗ =  − = 2 log log 2 log 101 2 10 110 N N i P Pi P NG FS NQN (3) Pi número de pulso por segundo de mesma magnitude N quantidade de magnitudes iguais G ganho aritmético do medidor de Descargas Parciais utilizado FS máxima magnitude em mV O outro indicador é o Qm, Peak Magnitude, que é a magnitude de uma categoria de pulsos que tem uma taxa de repetição de 10 pulsos por segundo. Esta magnitude corresponde ao pico de atividade das descargas e indica quão severas as descargas são nas partes mais afetadas por vazios [3]. Pela mesma razão do NQN, o Qm possui valores positivos e negativos. V. ESTUDO DE CASO Um motor de 13.2 KV possui 110 bobinas fabricadas pelo processo denominado Resin-rich. Este processo consiste em conceber o isolamento da bobina formada, com fitas impregnadas de resina. A cura da resina é realizada em uma autoclave com asfalto pressurizado em alta temperatura. Todas as 110 bobinas foram ensaiadas conforme a IEEE Std 1434-2000. O indicador Qm das bobinas ensaiadas se comportou conforme ilustra a Figura 10. Das 110 bobinas ensaiadas, 90% apresentaram Qm relativamente baixo. Embora as Descargas Parciais normalmente decresçam depois de um período após a entrada do motor em operação, ensaios com a máquina em operação mostraram uma forte predominância de descargas com polaridade positiva em muitas das bobinas, indício este de possíveis problemas com a superfície semi- condutiva na região de grading. Algumas das bobinas apresentaram descargas com polaridades de mesma intensidade, o que revelou problema de má impregnação da resina entre os condutores. As bobinas com problemas na superfície semi-condutiva foram reparadas e, as que possuíam vazios entre os condutores foram, substituídas. Depois destas ações, os ensaios com o motor em funcionamento indicaram que o sistema de isolamento estava funcionando de maneira satisfatória[4]. Fig. 10 – Qm’s obtidos em ensaio pós fabricação e antes da montagem do motor. VI. CONCLUSÃO Com o mercado competitivo de máquinas rotativas de médio e grande porte, em que novas qualificações do sistema de isolamento são exigidas ao longo dos anos por parte dos clientes e por parte de normas, lançar mão de uma alternativa como Descargas Parciais é uma opção interessante. Utilizar o ensaio de Descargas Parciais realizado individualmente em barras/bobinas, com o intuito de estabelecer um nível tolerável de descargas, exige que se crie um banco de dados de amostras fabricadas anteriormente. Este banco de dados deve ter exemplos de sistemas de isolamento que tenham obtido sucesso quando em operação, e que tenham sido submetidos a ensaios como Fator de Dissipação, Tip-Up, Tensão Aplicada e o próprio ensaio de Descargas Parciais. O ensaio de Descargas Parciais, por ser capaz de diagnosticar problemas com processo de fabricação, pode ser considerado uma ferramenta muito boa para o desenvolvimento de novas tecnologias de fabricação e desenvolvimento de novos materiais de isolamento. Se for de interesse do fabricante o desenvolvimento 6 tecnológico, o investimento em equipamentos de medição de Descargas Parciais é uma boa saída. VII. REFERÊNCIAS [1]IEEE Std 1434-2000 – “IEEE Trial-Use Guide to the Measurement of Partial Discharges in Rotating Machinery”, USA, Abril 2000. [2]ASTM D-1868-93 – “Detection and Measurement of Partial Discharges (Corona) Pulses in Evaluation of Insulation Systems”. [3]Iris Power LP. – “PD Seminar – Volume 1”, Canada, Agosto 2006. [4]Iris Power LP. – “ Partial Discharge as a Quality Assurance Test for Motor Stator Windings”, Canada, EPRI Motor Insulation Conference, Setembro 2000. BIOGRAFIA: Leonardo Brêtas Leal Nascido em São Paulo (SP), criado em Araraquara (SP) onde cursou até o segundo grau. Ingressou na UNIFEI em 2004 no curso de engenharia Elétrica. Fez estágios de férias no setor de manutenção elétrica na empresa IESA Equipamentos e Montagens LTDA, e atualmente é estagiário da empresa Andritz Hydro Inepar do Brasil SA, no setor de Engenharia de Geradores.