CAPÍTULO 03 DESCARGAS PARCIAIS
3.7. EFEITOS DA TEMPERATURA
Um estudo realizado por (Alvarestech,2011) evidenciou o fenômeno das descargas parciais causados por efeito da temperatura, um dos fatores seria a deterioração térmica o que acarreta em perda das capacidades mecânicas e elétricas da isolação do estator devido à operação estendida em altas temperaturas. Todo material utilizado na isolação e fixação com o tempo operando em temperaturas elevadas leva a deterioração do enrolamento. Claro que o tempo em que isso vai ocorrer dependerá das propriedades físicas e químicas de cada material, bem como as condições de operação a qual o equipamento é submetido pois tudo irá influenciar para que a deterioração que irá ocorrer esteja dentro de limites aceitáveis.
O sobreaquecimento tem a consequência de reduzir a vida útil da isolação, e este pode ter inúmeras causas, tais como operação em contínua sobrecarga, o que requer uma corrente maior passando pelo estator, o que consequentemente gera temperaturas mais altas. Outro ponto seria um sistema de refrigeração ineficiente, tais como bloqueios ou pontos não assistidos pela refrigeração, o que ocasiona aumento de temperatura também. A fonte deste tipo de problema as vezes é devido a falhas de projeto ou erros em processos de manutenção. Excessivos ciclos de partida e parada requerem altas correntes de partida, e volta-se ao fato de ocorrer temperaturas altas. Desbalanço de tensão pode ocasionar correntes de sequência negativa nos enrolamentos do estator, atuando efetivamente como aquecedores do circuito, e essas correntes serão dissipadas através da vibração, ruído e aquecimento. E o último seria o uso de variadores de frequência (PWM) que gera sinais de saída com largura de pulso modulado, ao invés de uma forma senoidal, e o conteúdo harmônico extra de tais sinais é convertido e dissipado em calor dentro do gerador/motor.
Há de se levar em conta os estresses aos quais a máquina e consequentemente seus enrolamentos são submetidos. Tais estresses podem ter caráter elétrico, mecânico, químico, eletromagnético, sujeira, etc. Quanto mais estresse, maior a taxa de deterioração.
Alguma das causas das falhas na isolação de máquinas girantes é o sobreaquecimento das bobinas, à medida que o sistema de isolação é exposto continuamente a esse sobreaquecimento, as resinas orgânicas tendem a perder sua rigidez mecânica, ocasionando um fenômeno conhecido como delaminação ou "desfolhamento" das camadas. Quando as camadas da isolação "desfolham", os condutores internos de cobre ficam livres para vibrar e então as descargas parciais aparecem nos vazios internos.
Os danos à isolação são cumulativos e não-reversíveis. Um dos sintomas mais fáceis de determinar o estresse térmico é através da inspeção visual, onde se verifica uma descoloração da isolação, que pode ser apreciado na Figura 3.13. A ruptura da isolação, considerando apenas a sobrecarga térmica, pode levar vários anos para acontecer e depende diretamente do gradiente de temperatura e espessura da isolação. Esse problema ocorre em menor quantidade em barras com isolação à base de resinas de epóxi ou aquelas refrigeradas à água, uma vez que esses tipos de montagens suportam melhor o estresse térmico.
Figura 3.13 - Descarga Parcial em Enrolamento Estatórico Fonte: Csanyi,2011
Pela lei de Arrhenius que permite calcular a variação da constante de velocidade de umareação químicacom atemperatura, o que consequentemente implica em estabelecer a vida útil do sistema de isolação, a qual é exposta na equação 3.15 (Moderna Plus, 2013):
𝑘 = 𝐴 ∗ 𝑒−𝐸𝑎/(𝑅∗𝑇) (3.15)
Na qual :
- k = constante de velocidade;
- A = constante pré-exponencial (depende, dentre outros, da área de contato);
- Ea = Energia de ativação da reação (em kJ/mol, kcal/mol, ou outra unidade de energia por mol);
- R = constante universal dos gases; - T = Temperatura na escala kelvin.
Em isolações mais antigas, os resultados podem ser delaminação, escoamento do material de amarração ou fixação e folga da isolação. Em isolações mais modernas encontra-se geralmente encolhimento e queima. Os sintomas costumam ser emissão de fumaça, descoloração e aparecimento das descargas parciais.
O ideal seria monitorar as atividades das descargas parciais nas máquinas rotativas para diagnosticar a deterioração da isolação do estator em geradores e motores. Vazios na isolação do estator, criados durante processo de fabricação ou pelo envelhecimento térmico e mecânico durante a operação que podem produzir Descargas Parciais durante estresse em alta tensão.
O desenvolvimento progressivo das atividades de descargas parciais é um sinal da deterioração da isolação em geradores e motores. Descargas parciais também contribuem para o envelhecimento do sistema dielétrico através da erosão gradual do sistema de isolação.
Falhas em grandes máquinas girantes causadas pela ruptura da isolação, ou curto- circuito, podem causar danos catastróficos e perdas muito caras. O teste de descargas parciais pode acessar a condição da isolação dos enrolamentos estatóricos e, portanto ajudar a estabelecer um programa de manutenção baseado nas condições da máquina. O monitoramento das condições e uma manutenção preditiva do isolamento estatórico trazem ao usuário os acrescimentos de uma operação confiável, número ótimo de paradas para manutenção e tempo de vida máximo aos geradores e motores, demonstrado grande habilidade em detectar uma variedade de falhas nas condições da isolação dos barramentos estatóricos. (Alvarestech, 2011)
3.8. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A medição de descargas parciais em linhas de monitoramento vem cada vez mais se consolidando com um dos métodos mais eficazes de se avaliar a situação do enrolamento estatórico de máquinas rotativas, no caso em questão analisado, de hidrogeradores de grande porte.
Ao longo do capítulo apresentou-se conceitos básicos que envolvem o fenômeno, e mostrou-se os aspectos físicos, químicos e elétricos para que a compreensão do tipo de ocorrências e os padrões apresentados na literatura para uma unidade geradora ocorresse e estabeleceu-se os limites de magnitude aceitáveis de DP baseados na experiência técnica dos colaborados da Eletrobras Eletronorte.
De posse destas informações observa-se que não apenas a geometria da máquina implica no aparecimento das descargas parciais, mas também a presença do fenômeno é
uma consequência de vários fatores como temperatura, umidade, método de isolação, níveis de operação da máquina, envelhecimento, estresses elétricos, químicos ou físicos, etc. Todos estes contribuem para que a isolação sofra e que propicie a degradação desta.
A medição das descargas parciais em hidrogeradores e o acompanhamento da evolução destas ao longo do tempo é crucial para avaliar a condição do enrolamento, pois o fenômeno normalmente tem um desenvolvimento lento, e caso apareça alguma anomalia como um aumento repentino dos níveis de DPs em determinado ponto do enrolamento um alerta é feito e uma possível intervenção será realizada.
Evidencia-se que em especial para geradores as descargas parciais têm uma caráter maior de alarme do que condenatório da isolação do enrolamento do estator.