Definição de Descargas Parciais. Descargas Parciais são "centelhas" ou "faíscas" envolvendo o fluxo de elétrons e íons quando um pequeno volume de gás se rompe. Pode ocorrer em vazios ou bolhas no interior do sistema de isolamento elétrico ou adjacente ao isolamento de altas tensões dos estatores de máquinas elétricas. Essas descargas são "parciais" porque existe algum isolamento sólido, em série com o vazio, o qual previne contra uma ruptura completa (ou curtocircuito). A centelha gera um rápido pulso elétrico que se propaga através dos enrolamentos do estator e pode ser detectado nos terminais da máquina por acopladores capacitivos. Dependendo do tamanho do vazio, a constante dielétrica e a temperatura, o estresse do gás no interior do vazio pode se tornar suficiente para a ocorrência de uma ruptura dielétrica. Uma descarga somente ocorrerá quando o estresse elétrico (V/mm) exceder o ponto de ruptura dielétrica do gás, que é 3kV/mm para o ar. Além do fator dielétrico, as descargas parciais são também o resultado de danos causados por outras forças atuando nos enrolamentos do estator, sejam elas de características térmicas, mecânicas, eletromagnéticas, químicas ou mesmo do meio ambiente. O desenvolvimento progressivo de atividades de descargas parciais é o maior sintoma da deterioração da isolação. As descargas também contribuem para o envelhecimento do sistema dielétrico da máquina pela erosão do sistema de isolação. Em resumo, as descargas parciais são não só um sintoma da degradação da isolação da máquina, mas elas próprias podem contribuir para tal deterioração (envelhecimento) e conseqüente falha total na máquina (ou seja, uma descarga total ou curtocircuito que pode ocorrer entre fases ou entre fase e terra). É importante ter em mente que a dependência de elétrons livres para uma descarga parcial faz da PD um evento estatístico, e portanto não previsível. Descargas parciais e corona são a mesma coisa? A nomenclatura técnica ou mesmo a terminologia empregada pelo pessoal de manutenção distingue descargas parciais de corona como sendo o mesmo efeito, porém ocorrendo em locais distintos. Entretanto, as definições citadas pelo IEEE 1434-2002, diferenciam ambos os fenômenos. As descargas parciais (doravante denominadas como PD) são "centelhas", ou surtos de elétrons e íons ocorrendo em espaços vazios (ou "voids") dentro, ou adjacente à isolação das barras do estator, sendo difícil sua verificação visual. Já a corona ocorre quando o gás próximo a um condutor exposto se ioniza, produzindo descargas parciais visíveis. Note que corona não envolve a isolação. Corona pode ser verificada principalmente em cabos de alta tensão blindados, cabos de conexão não blindados, linhas de transmissão (principalmente nos componentes das torres de transmissão) e em máquinas rotativas. Um dos testes mais comuns em manutenção de grandes máquinas é "escurecer" o ambiente e aplicar alta tensão através de um HIPOT para detectar os pontos "iluminados" gerados pela corona. Quais são as causas das falhas na isolação dos enrolamentos? Existem muitos tipos de estresses agindo na isolação dos barramentos estatóricos, e raramente algum deles ocorre sozinho. Esses estresses podem ser de natureza diversa, como elétricos (em função da tensão), mecânicos (vibração), térmicos, químicos, eletromagnéticos e como função do meio ambiente. Quanto mais estresses estiverem presentes, maior a taxa de deterioração da isolação. Algumas das causas das falhas na isolação de máquinas girantes estão abaixo descritas: Má Impregnação da Isolação Descargas Parciais podem ocorrer dentro da isolação do enrolamento como resultado de vazios causados por falhas no processo produtivo, como cura incompleta ou alta viscosidade das resinas, falhas na pressão ou no vácuo aplicados nos barramentos, temperatura imprópria, ou mesmo a presença de objetos estranhos. Outro problema que ocorre devido a falhas no processo de fabricação é que os vazios internos criam uma barreira térmica que impede a transferência de calor entre o cobre e o núcleo. Problemas adicionais à isolação podem ser verificados quando os devidos cuidados não são tomados, como por exemplo, durante embalagem na fábrica, içamento e transporte, desembalagem e até mesmo durante procedimentos de montagem no campo. Sobreaquecimento das Bobinas Quando o sistema de isolação é exposto continuamente a sobreaquecimento, as resinas orgânicas tendem a perder sua rigidez mecânica, acarretando 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 se determinar o estresse térmico é através da inspeção visual, onde se verifica uma descoloração da isolação. 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. A deterioração térmica pode ocorrer devido a diversos motivos, como operação contínua em regime de sobrecarga, erro no projeto das barras fazendo com que as mesmas trabalhem sempre em sobrecarga térmica mesmo com a máquina em operação nominal, refrigeração deficiente e desbalanço das fases (veja mais detalhes no início desse texto). Deterioração das Tintas Semicondutoras e Anti-Corona Dentro da ranhura, a superfície da bobina é aterrada ao núcleo estatórico com uma cobertura de pintura ou fita condutiva de baixa resistência. Devido aos estresses elétricos e térmicos, essa interface pode deteriorar fazendo com que o contato entre a superfície condutiva na bobina e o núcleo seja perdido, propiciando o surgimento de descargas de alta tensão entre a barra em alto potencial e a ranhura aterrada. O fenômeno é conhecido como descarga na ranhura ( descargas parciais), e pode queimar seriamente a superfície da bobina. Em máquinas refrigeradas a ar, essa ocorrência produz ozônio, que acelera a decomposição da isolação, e um pequeno anel de pó branco surge no ponto de saída das barras das ranhuras, facilmente identificável. Má Fixação dos Enrolamentos: Descargas parciais também podem ocorrer como resultado da vibração das barras, tanto em decorrência de falhas no sistema de cunhagem na porção do núcleo ou de fixação no sistema de bloqueio das cabeças das bobinas. Também algumas resinas utilizadas atualmente encolhem após o processo de cura, fazendo com a barra fique solta dentro da ranhura. Com a vibração, ocorre o roçamento da isolação na ranhura e outros elementos de fixação, e conseqüentemente abrasão e/ou erosão. Espaço Inadequado em Barras ou Bobinas Geralmente devido a erros de projeto, algumas máquinas são construídas com um espaçamento inadequado entre barras de fases diferentes, principalmente nas cabeças das bobinas. Esse pequeno espaçamento pode ser suficiente para iniciar atividades de descargas parciais, com conseqüente erosão da isolação e eventual ruptura. Em máquinas refrigeradas a ar, a ionização do espaço entre barras de diferentes potenciais causará o aparecimento de corona e ozônio, com formação de um pó branco sobre as superfícies. Contaminação do Enrolamento: A contaminação em uma máquina pode ser causada por uma mistura de vapor de óleo, poeira, sujeira, umidade, resíduos do desgastes de peças da própria máquina ou deixados em procedimentos de manutenção. Essa contaminação pode propiciar o aparecimento de pequenas "pontes" entre barras de fases diferentes, causando o surgimento de descargas parciais que atacam a isolação. Um caso clássico, ocorrido no Brasil, mostrou que uma limpeza eficiente da máquina foi suficiente para diminuir a tendência de aumento nas medições PD. • Vibração das Cabeças das Bobinas: Em função das características de projeto, muitas máquinas elétricas, notadamente turbogeradores, possuem longas cabeças de bobina. Caso os sistemas de bloqueio e cunhagem não tenham sido adequadamente projetados e montados, as cabeças, sujeitas a forças eletromagnéticas, podem sofrer movimentação e conseqüentemente danos nos condutores de cobre, além de abrasão contra a ranhura, amarração e bloqueios. • Ciclos de Carga: Os materiais que compõe as barras estatóricas possuem diferentes coeficientes de expansão térmica, ou seja, o cobre se expande mais que a isolação a ele fixada. Em máquinas sujeitas a freqüentes ciclos de partidaparada, a expansão térmica pode ser a causa de sérios danos à isolação. Esse estresse causa enfraquecimento da isolação, levando a pequenos danos no interior da mesma. As máquinas com maior incidência desse tipo de problema são os motores e os motores-geradores de estações elevatórias. Os ciclos de partida e parada também exigem eletromagneticamente as barras, e caso o sistema de fixação e cunhagem esteja falho, as barras podem se movimentar dentro da ranhura, causando abrasão e deterioração da isolação. • Presença de Corpos Estranhos: Outro fator pode ser presença de corpos estranhos levando ao rompimento progressivo da isolação e eventual curto-circuito. Como exemplo, citamos uma máquina no Brasil onde um parafuso preso entre bobinas adjacentes de diferentes fases, por procedimento inadequado de montagem e manutenção, causou inicialmente a erosão da isolação das bobinas levando-as a um curtocircuito entre fases. Porque devemos monitorar Descargas Parciais em grandes máquinas? Citamos abaixo 10 boas razões para que o monitoramento PD seja implementado como ferramenta da Manutenção baseada nas Condições das Máquinas (CBM): • Identificar e Prevenir Falhas Catastróficas no Sistema de Isolação do Estator. O monitoramento PD é capaz de detectar, com a devida antecedência, problemas em desenvolvimento nos enrolamentos do estator de grandes máquinas girantes, inclusive dentro de programas de manutenção preditiva ou CBM. Os testes PDA reduzem significantemente os tempos de parada forçada e a possibilidade de o motor ou gerador ser danificado através da informação prematura das condições de deterioração. • Estender a Vida Útil da Isolação do Estator. As leituras de PDA podem identificar os estágios iniciais de danos reparáveis na isolação (por exemplo, descargas na ranhura devido à corrosão da cobertura semicondutiva) os quais, se corrigidos, estenderão a vida útil da máquina antes que uma nova falha venha a ocorrer. • Estender o Intervalo entre Paradas de Manutenção. O monitoramento PD é a essência da manutenção preditiva aplicada à isolação ou, em outras palavras, evita tempos perdidos na produção para paradas de manutenção desnecessárias, que além de altos custos, podem ainda mais reduzir a vida útil pela aplicação de testes destrutivos. O monitoramento PDA das condições da isolação do estator permite estender o intervalo entre os tradicionais testes de isolação off-line e as inspeções visuais. Em resumo, se o sistema de monitoramento informa que as condições da isolação estão adequadas, não é necessário parar a máquina. • Reduzir os Custos de Capital. Conhecendo as condições da isolação das barras, por exemplo é possível um melhor gerenciamento de estoques de barras reservas e outras partes e/ou peças. • Incrementar Preparação e Planejamento das Paradas. Muito antes de uma parada programada para manutenção, os resultados online dos testes PDA podem identificar um dano nos enrolamentos do estator. A mão de obra e as peças de reserva podem ser então determinados e solicitados antecipadamente. Prioridades podem ser precisamente definidas para que o reparo ou rebobinamento de várias unidades seja executado de uma só vez. • Facilidade, Segurança e Baixo Custo na Execução dos Testes PDA. Todo o conhecimento necessário para os testes PDA pode ser facilmente aprendido e executado pelo pessoal da usina, pois os mesmos são completamente objetivos . Os testes PDA não requerem fonte de tensão potente e portanto não expõe o operador a riscos. Visto que os acopladores PDA estarão permanentemente instalados, nenhuma interrupção na operação da máquina é necessária para a execução dos testes PDA. • Informações específicas para definir trabalhos de reparo. O monitoramento PD fornece mais informações que outros testes da isolação (como no índice de polarização ou no Surge Teste) pois possui a habilidade em determinar qual o tipo de atividade das descargas parciais (exemplo, descarga na ranhura), sua possível causa (exemplo, barramento frouxo) e sua severidade (degeneração ou estabilização). Também as fontes de deterioração podem ser identificadas (descarga na ranhura, problemas na fabricação, cabeças das bobinas, etc.). Informações mais precisas permitem uma melhor tomada de decisão quanto à manutenção necessária. • Confirmação da eficiência de reparos. A comparação dos resultados PDA tomados antes e após o reparo ou rebobinamento de uma máquina permite ao usuário rápida e facilmente determinar se o serviço foi bem executado. • Acesso às máquinas em condições normais de operação. Os testes são on-line, ou seja, com a máquina em condições normais de operação, levando em consideração todos os estresses presentes nesse processo (elétricos, térmicos, mecânicos, eletromagnéticos, químicos, meio ambiente, etc.). Em resumo, o monitoramento PD não requer interrupção para serviço. • Testes não destrutivos. Os testes PDA não são destrutivos. São executados dentro das condições normais de estresse agindo no enrolamento. Isso evita que qualquer parte da isolação do estator esteja sujeita a estresses altamente anormais, como por exemplo no neutro do barramento durante os testes de HIPOT. Em resumo, o monitoramento PD permite executar os 3 " Certos " da manutenção: • A manutenção Certa • Na máquina Certa • No tempo Certo Onde ocorrem as descargas parciais em uma máquina rotativa? descargas parciais ocorrerem em três pontos distintos de uma barra: • na interface cobre e isolação; • no interior da isolação; • na superfície externa da barra, seja entre barra e ranhura ou entre barra e barra. Qual a largura da faixa de freqüência necessária para se medir com precisão as descargas parciais em máquinas rotativas? Diversos fatores devem ser considerados quando escolhendo a faixa de freqüência para medição de PD (descargas parciais). A largura da faixa de freqüência é determinada principalmente pelo tempo de subida do pulso PD nos pontos de detecção, a sensibilidade de detecção requerida e as características de ruído. Como regra, quanto mais baixa a faixa de freqüência, maior a probabilidade das PD de todos os pontos dos enrolamentos sejam detectados. Os componentes de freqüência maiores que 50MHz são severamente atenuados enquanto se propagam através dos enrolamentos do estator. Em contrapartida, faixas de freqüência maiores aumentarão a probabilidade de que apenas fontes PD próximas ao sensor sejam detectadas. A freqüência inferior de corte para instrumentos PDA é determinada pela capacitância do circuito de acoplamento. A freqüência inferior de corte permite a leitura de freqüências que contenham um total de energia dos pulsos PD e ainda evitam quaisquer sinais de ruídos. Nossa experiência tem mostrado que uma freqüência de corte de -3dB em aproximadamente 5MHz é boa para medições de PD on-line em motores e geradores. A freqüência superior de corte para instrumentos PDA é determinada pelo tempo de subida do pulso PD nos terminais do detector. Pulsos PD originados dentro dos enrolamentos do estator possuem tempo curto de subida do pulso. Entretanto, pulsos PD aparecendo nos terminais da máquina, após se propagarem através dos enrolamentos do estator via passos complexos de transmissão, possuem um tempo de subida degradado. Enquanto o tempo de subida da maioria dos pulsos PD detectados via acopladores capacitivos é pelo menos de 5ns (nanosegundos), pulsos com tempo de subida por volta de 3ns tem sido medidos. Pela Análise de Fourier, um tempo de subida de um pulso de 3ns contém componentes de freqüência por volta de 100MHz. Portanto, em geral, instrumentos PD com faixa de freqüência superior a 100MHz são suficientes para medir com precisão os pulsos PD detectados pelos acopladores capacitivos conectados aos enrolamentos do estator. 8) Qual tipo de acoplador PDA deve ser usado? A ADWEL oferece dois tipos de acopladores capacitivos ( tipo cabo e tipo epóxi-mica ) e o transformador de corrente de alta freqüência (HFCT). Algumas das principais vantagens e desvantagens de cada tipo são mostradas na tabela abaixo. A escolha do tipo depende da aplicação. Os acopladores capacitivos de 80pF em 50O tradicionalmente utilizados para o monitoramento PDA on-line em máquinas rotativas possuem um freqüência inferior de corte -3dB de aproximadamente 40MHz. Esse limite inferior tem mostrado resultados de teste adequados enquanto ainda fornecem uma larga margem entre sinais PD e potenciais sinais de ruído que são comumente encontrados. A ADWEL constatou que acopladores com maior capacitância apresentam uma sensibilidade aumentada e detectam mais pulsos PD que os acopladores de 80pF enquanto mantém uma margem de freqüência adequada entre sinais PD e possíveis ruídos. Acopladores com alta capacitância permitem a detecção de PD em baixos níveis e portanto identifica antecipadamente problemas no isolamento. E os acopladores montados na ranhura (stator slot couplers)? A ADWEL não fornece nem recomenda o uso de acopladores montados na ranhura para medições PD on-line em máquinas rotativas. A principal razão é que esses acopladores funcionam com sensores de proximidade e somente são sensíveis a pulsos PD ocorrendo muito próximos a eles (por exemplo, pulsos ocorrendo a mais de 30cm de distância são atenuados em 50%). Descargas Parciais são normalmente o sintoma de algum tipo de dano causado por forças térmicas, mecânicas, químicas e eletromagnéticas agindo no estator. Essas forças e o dano resultante estão presentes em qualquer lugar através dos enrolamentos do estator. Defeitos de fabricação, que podem ocorrer em qualquer lugar dos enrolamentos, também podem causar PD. Uma vez que os acopladores montados na ranhura podem efetivamente "ver" somente uma barra ou ranhura, um acoplador seria necessário em cada ranhura para cobrir adequadamente todo o enrolamento do estator. Isso é pouco prático e antieconômico. Por essa e outras razões (por exemplo, instalação e reparos requerem a retirada do rotor, o que pode prejudicar a garantia do OEM), a ADWEL não recomenda os acopladores montados na ranhura. Quantos acopladores são necessários por máquina? O número de acopladores depende da aplicação. Normalmente, pelo menos dois acopladores capacitivos por fase devem ser instalados em cada máquina. Esses dois acopladores rejeitam pulsos de ruído semelhantes aos de PD utilizando a técnica de tempo de vôo ("time-of-flight"). Pulsos vindos de fora da máquina chegam nas duas entradas com uma certa janela de tempo e são cancelados, enquanto os pulsos PD vindos do interior do estator chegam espaçados no tempo de modo a que sejam reconhecidos e contados. Algumas vezes mais de dois acopladores por fase são instalados em grandes máquinas com mais de dois circuitos paralelos por fase. Nesse caso, deve-se instalar um acoplador em cada circuito paralelo. Esse procedimento melhora a sensibilidade do sistema de acoplamento e aumenta a habilidade do operador em identificar a fonte PD em um dado circuito paralelo. Os acopladores são então arranjados e conectados ao sistema PDA em pares. Apenas um acoplador por fase, ou três por máquina, são necessários para motores e geradores conectados com cabos de alimentação blindados. Quanto maior o cabo de alimentação, melhor a atenuação de distúrbios semelhantes à PD e mais efetivo o seu bloqueio entrando no sistema PDA. Retorna ao menu. 11) Onde são instalados os acopladores? Em hidrogeradores, os acopladores capacitivos são normalmente conectados nos enrolamentos do estator, nos jumpers dos anéis. Os acopladores podem ser montados nos suportes dos barramentos ou na carcaça do estator. Em máquinas menores, com espaço limitado ou dificuldade de acesso às barras, os acopladores podem ser montados fora do enrolamento, nas barras de conexão da máquina. Os acopladores capacitivos são normalmente instalados nos barramentos isolados de fase ou no cubículo da seccionadora para turbogeradores a vapor ou gás, devido à montagem compacta das cabeças das bobinas e o limitado espaço disponível nessas máquinas. Em motores, os acopladores capacitivos são normalmente instalados na caixa de terminais do motor e conectados aos terminais principais da máquina. Também podem ser montados no cubículo da seccionadora associada. Transformadores de corrente de alta freqüência (HFCT) são instalados no condutor de terra dos capacitores de curto. Retorna ao menu. 12) Qual a menor tensão de uma máquina na qual se deve utilizar PDA? O Sistema ADWEL de Análise de Descargas Parciais (PDA) ode detectar atividades PD até o gatilho teórico de aparecimento de PD como dado pela Lei de Paschen (isto é, por volta de 300V para o ar, em pressão atmosférica de 1bar, na temperatura ambiente). (1) Praticamente, o sistema é normalmente utilizado em máquinas de 4kV e acima, embora problemas de isolamento no estator relativos a PD têm sido reportados em máquinas de 2kV. A menor tensão para aplicação do sistema PDA pode ser selecionada pelo usuário dependendo da importância de uma máquina em particular e a experiência e/ou confiança no isolamento do estator naquela tensão. 1 John C. Botts, " Corona in High Voltage Rotating Machine Windings", IEEE Electrical Insulation, July/August, 1988, pp.29-34. Retorna ao menu. 13) Podem ser executados testes PDA com a máquina parada? Muitas vezes, em função de restrições orçamentárias para investimento em sistema de acoplamento permanentemente instalado na máquina ou apenas para a contratação de um teste visando manutenção preventiva ou testes de comissionamento, alguns usuários requerem testes off-line, ou seja, com a máquina parada. Porém algumas questões adicionais surgem: 13.1) Testes off-line podem ser executados? A resposta é sim, porém será necessária uma fonte externa com tensão igual ou próxima à tensão nominal da máquina para alimentar cada fase de uma vez para a execução dos testes. Essa fonte geralmente é de alto custo (em alguns casos, utiliza-se derivação de outro gerador da própria usina), tornando o teste caro, demorado e perigoso. Retorna ao menu. 13.2) Testes off-line são conclusivos? Não, pois os estresses característicos que aparecem na máquina quando esta está em operação nominal (térmicos, mecânicos, químicos, meio ambiente e eletromagnéticos) não estão presentes na condição de máquina parada, ou seja, nesse caso somente o estresse elétrico está presente. Além do que, o teste PD off-line não é sensível a fatores importantes como descargas nas ranhuras e perdas na fixação das barras (cunhagem), devido ausência das forças eletromagnéticas. Portanto o resultado final é "mascarado", causando interpretação errônea. Retorna ao menu. 13.3) Testes off-line apresentam leituras reais? Não. Em condições nominais, as atividades PD aparecem em muito maior quantidade nas bobinas de maior potencial (aquelas próximas ao barramento de saída). No teste off-line, entretanto, todo barramento é submetido à tensão nominal através de fonte externa, inclusive aquelas bobinas próximas ao aterramento. Isso acarreta maior estresse no ponto de neutro e eventuais falsas leituras, pois as barras próximas ao neutro, que em operação nominal são menos exigidas eletricamente, passam a sofrer estresse elétrico, e conseqüentemente mais atividades de descargas parciais. Além disso, o teste on-line identifica os pontos de atividades de PD em cada fase e circuito paralelo, o que não ocorre no teste off-line, onde é necessária uma antena TVA (como o modelo Corona Probe da ADWEL) para detectar precisamente a localização de pontos de atividades PD. Como localizar exatamente os pontos onde estão ocorrendo as Descargas Parciais? Através dos testes PDA podemos facilmente detectar a ocorrência de atividades de descargas parciais em um circuito paralelo ou fase de uma máquina, porém na maioria das vezes não conseguimos determinar exatamente o ponto onde essas atividades aparecem. Para a localização exata dos pontos onde a isolação está falha e descargas parciais estão em atividade, utiliza-se um equipamento auxiliar denominado "antena TVA", como o modelo Corona Probe da ADWEL. É denominado TVA porque foi desenvolvido em uma instituição americana chamada Tennessee Valley Authority - TVA. O Corona Probe é um sensor de proximidade que responde aos sinais RF radiados das atividades de descargas parciais entre isolação e ranhura (pulsos PD positivos). Consiste de uma bobina com múltiplas espiras enroladas em um núcleo de ferrite. Essa bobina é conectada a um medidor dos picos dos pulsos de descargas parciais. O procedimento de teste consiste em aplicar a tensão nominal na máquina em uma fase de cada vez, através de uma fonte de tensão externa, mantendo as duas outras fases aterradas, e passar a antena sobre as cunhas de cada ranhura. Os pontos com atividades de descargas parciais serão detectados uma vez que as PD ocasionam uma deflexão do medidor acoplado à antena. Referencia: http://www.poluxtec.com.br/html/faq/descargas.htm#11