TÍTULO DO TRABALHO(TITLE)

Implementação de um Sistema de Medição de Capacitância e
Tangente Delta em Geradores e Motores Elétricos
Hélio Amorim, André Tomaz, Thiago Baptista, João Borges, Caio Fleming
CEPEL - Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
RESUMO
O CEPEL desenvolveu um sistema de medição de Capacitância e Tangente Delta
(CTD) com o objetivo de avaliar os sistemas isolantes de equipamentos elétricos de
alta tensão. O sistema, denominado IMA-CTD (Instrumentação para monitoramento e
análise de Capacitância e Tangente Delta), utiliza uma ponte de Schering modificada
na qual, através das tensões elétricas obtidas em ambos os lados da ponte, realiza
cálculos matemáticos que são capazes de determinar a capacitância e tangente delta
do objeto sob ensaio. O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados deste
sistema quando aplicado em geradores elétricos em que a capacitância e tangente
delta são importantes grandezas para subsidiar a tomada de decisão referente à
manutenção dos equipamentos.
PALAVRAS-CHAVE
Monitoramento, Geradores Elétricos, Capacitância e Tangente Delta
1. INTRODUÇÃO
A deterioração dos materiais que compõe a estrutura isolante é um processo natural e
contínuo ao longo da vida operacional dos equipamentos. Ela pode ser causada por
alterações físicas, pela absorção de contaminantes ou por reações químicas, as quais
podem ser aceleradas por um conjunto de solicitações mecânicas, elétricas e/ou
térmicas. Duas técnicas importantes e complementares podem contribuir para uma
avaliação desta deterioração: Capacitância e Tangente Delta. Enquanto a tangente
delta quantifica o fluxo de corrente resistiva através do material isolante e está
associada à perda da qualidade do isolamento, a Capacitância é a propriedade que
estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo
eletrostático. A capacitância é literalmente função das geometrias físicas dos
equipamentos. O estator, composto por barramentos e ranhuras aterradas, forma
capacitores de placas paralelas constituído de dois eletrodos planos separados por
materiais isolantes. Sendo assim, o estator possue um valor prévio de capacitância e
tangente delta estabelecido no processo de fabricação. Desta forma, os equipamentos
elétricos de alta tensão devem ser submetidos a processos de avaliações com certa
periodicidade, principalmente aqueles que possuam sistemas dielétricos com maior
probabilidade de alteração em suas características de isolamento elétrico. As
medições são realizadas tradicionalmente em laboratório e nas indústrias, seja para
verificar se estes valores estão dentro de certos limites normalizados ou como
parâmetros de controle da variação das características de determinado equipamento
após determinados ciclos operativos.
No laboratório, pontes adequadas para medição de capacitância e tangente de delta
estão disponíveis em diversos modelos e são, na sua maioria, baseadas no princípio
da ponte de Schering. No entanto, no campo, o procedimento difere substancialmente,
devido principalmente a inexistência de um capacitor padrão com precisão de
laboratório e das condições de instalação do objeto sob ensaio, que em muitos casos
não pode ser suspenso do terra, como nos procedimentos laboratoriais. Sendo assim,
deve-se fazer uso de uma aparelhagem não convencional.
Desta forma, o sistema IMA-CTD e os resultados obtidos nos permitem afirmar que o
programa está pronto para ser utilizado amplamente pelas empresas que compõe o
Sistema Eletrobrás. É, segundo o nosso ponto de vista, um avanço tecnológico
importante para a nação que busca se desenvolver e diminuir a dependência
tecnológica externa.
2.
METODOLOGIA
Um sistema isolante com perdas dielétricas pode ser representado eletricamente por
uma resistência e uma capacitância em paralelo, conforme ilustrado na figura 1. A
capacitância representa o parâmetro sem perdas e a resistência representa as perdas
dielétricas do material.
Figura 1 – Representação elétrica de um material isolante
Onde:
C  capacitância global entre eletrodos;
Ri  resistência de isolamento;
Ic  corrente capacitiva de carga;
Ir  corrente resistiva de perdas.
Os termos fator de dissipação e tangente delta por vezes são confundidos, mas para
sistemas elétricos de alta tensão, com altíssima qualidade nos materiais e processos
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de fabricação dos materiais isolantes, esses dois termos são equivalentes. O diagrama
fasorial representativo das correntes em um material isolante, mostrado na figura 2,
permite compreender o comportamento destes materiais quando submetidos a uma
diferença de potencial entre os seus terminais.
Figura 2 – Diagrama fasorial representativo
A tangente delta, dada pela razão Ir/Ic , constitui uma característica de um material
dielétrico ou de um sistema de isolamento elétrico, sendo uma indicação do grau de
pureza do meio dielétrico. Ela representa a qualidade, ou a dissipação relativa de calor
no meio dielétrico quando submetido a um campo elétrico alternado. Pode ser
determinado também pela razão entre a potência útil e a potência reativa do sistema
capacitivo. Quanto menor for a amplitude de Ir com relação a Ic , menor será o ângulo
delta () entre Ic e a corrente total Ir+Ic , menor o valor de tan , e melhor a condição do
dielétrico. Considerando que os valores do ângulo delta são sempre mínimos, a
tangente deste ângulo deverá ser praticamente igual ao cosseno do ângulo teta, que
determina o fator de potência ou fator de dissipação. Sendo assim, o valor de tangente
delta é praticamente igual ao valor do cosseno teta.
O enrolamento de uma máquina elétrica deve ser testado após a sua impregnação
completa. A ionização gasosa de vazios, em inglês voids, existentes no isolamento
pode causar um aumento do fator de perdas, especialmente quando a tensão aplicada
é elevada. Nestes casos, o gradiente de tensão crítico nesses vazios é ultrapassado
devido ao aumento do campo elétrico. Estas imperfeições deverão causar também
descargas parciais, que surgirão e serão intensificadas em função da tensão aplicada.
Desta forma, é possível relacionar altos níveis de DP com um fator de perdas elevado,
pois as imperfeições que causarão as DP também serão responsáveis pelo aumento
do fator de perdas.
Esta informação é útil como mecanismo de manutenção das máquinas, na qual pode
ser obtida uma avaliação da condição estatórica. Uma mudança no valor da tangente
delta em um curto período de tempo pode ser um indicativo de que ocorreram
mudanças na condição do isolamento e que estas devem ser monitoradas.
O tip-up, conhecido como a diferença do fator de perdas medido em duas tensões
diferentes, 20% e 100% da tensão nominal de operação do equipamento, pode ser útil
na diagnóstico de alguns defeitos no isolamento, tais como problemas na cura da
resina ou contaminação devido a impurezas no material, podem ser diagnosticados
com a variação da tangente delta em razão da tensão aplicada. Desta forma, é
possível afirmar que a curva fator de perdas versus a tensão de teste é útil para a
avaliação do isolamento, tanto do material em uso quanto no processo de fabricação
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de um novo isolamento. Dois ou mais níveis de tensão podem ser utilizados para esta
avaliação.
O sistema, denominado IMA-CTD (Instrumentação para monitoramento e análise de
Capacitância e Tangente Delta), desenvolvido pelo CEPEL, utiliza uma ponte de
Schering modificada no qual, através da medição de das grandezas de tensão em
ambos os lados da ponte, determina, a partir de cálculos matemáticos, a capacitância
e tangente delta do objeto sob teste.
Este sistema, além de representar tecnicamente um domínio total de todo os
fundamentos que regem a medição e avaliação desta grandeza em sistemas isolantes,
apresenta um custo infinitamente mais baixo quando comparado com sistemas
comerciais, especialmente para as Empresas Eletrobras, que são detentoras de todas
as invenções e desenvolvimentos realizados pelo CEPEL.
A ideia central baseia-se nos dados os parâmetros do circuito e, através dos valores
de Vsn e Vsx, medidos com o uso circuitos de fibra ótica, pode-se determinar Cx, Rx e
tensão sob o objeto. Além disso, as potências ativa e reativa no objeto são
encontradas, bem como o ângulo delta, que é o complemento do ângulo do fator de
potência. Desta forma, tem-se as saídas desejadas: Cx e TanDelta. Vejamos o circuito
elétrico definido na figura 3 a seguir.
Figura 3 - Modelo Elétrico da Ponte Schering
3. RESULTADOS
Utilizando o laboratório IMA-e, que tem por finalidade exclusiva apoiar o
desenvolvimento experimental de soluções técnicas, tal qual o IMA-DP, o IMA-CTD e
outros produtos oriundos do projeto, foi possível validar a metodologia em
equipamentos reais de alta tensão, comparando os resultados com o sistema
comercial disponível no Centro de Pesquisas.
A tabela a seguir demonstra de forma comparativa os resultados obtidos pelo sistema
comercial e o IMA-CTD.
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Tabela 1 – Resultados Comparativos entre o sistema Comercial e o IMA-CTD
Capacitância
Objeto
S.Comercial
IMA-CTD
Tangente Delta
S. Comercial
IMA-CTD
10-2
2,94012 x 10-2
Estator Fase A
17,55 nF
17,64 nF
2,78012 x
Estator Fase B
17,57 nF
17,65 nF
2,81993 x 10-2
2,85993 x 10-2
Capacitor Padrão
1,01 nF
0,998 nF
3,05212 x 10-4
3,19779 x 10-4
Cap. Acoplamento
455,6 pF
454,46 pF
1,00214 x 10-3
1,02406 x 10-3
Em posse destes resultados, buscou-se a utilização do sistema em equipamentos
reais, em atividades no campo nas quais o Cepel era o responsável pela medição e
avaliação dielétrica dos geradores elétricos. Sendo assim, o sistema já foi utilizado
diversas vezes, demonstrando robustez e confiança nos resultados. Para a realização
do ensaio, faz-se necessário a utilização de fibras óticas, bem como dos seus
respectivos transmissores e receptores. Este é um diferencial que viabiliza a utilização
desta ferramenta no campo.
Uma grande máquina do setor brasileiro também foi avaliada utilizando o método de
cruzamento de zero. Por razões industriais não será possível expor os resultados
encontrados neste ensaio. No entanto, pode-se afirmar que, baseados nos dados
originais da máquina, com o levantamento dos dados pelo fabricante, confrontados
com os dados obtidos, não foi constatado nenhuma variação das grandezas, onde
pode-se concluir que a mesma se encontra em perfeitas condições no que se refere as
estas duas grandezas. A figura 4 apresenta a tela principal do sistema IMA-CTD.
Figura 4 - Tela Principal do IMA-CTD
4. CONCLUSÕES
A necessidade do monitoramento das máquinas elétricas rotativas é, de certa forma,
uma discussão em aberto dentro de cada empresa. Algumas delas, quer por
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experiências negativas, quer por revisão de conceitos, já tomaram ciência que este
procedimento pode aumentar o seu conhecimento a respeito da saúde de seus
equipamentos. Entre os sistemas de monitoramento existentes, a medição de
Descargas Parciais é a única capaz de dar algum indicativo sobre o isolamento
elétrico das barras estatóricas e enrolamentos de motores de alta tensão sem a
necessidade de intervir na máquina quando este estiver em operação, ou seja, uma
medição em on-line.
Nos casos em que a máquina está fora de operação, quer seja para manutenção ou
por outras razões, a medição de capacitância e tangente delta também podem ser
realizadas e são importantes mecanismos de avaliação da condição estatórica do
isolamento.
O sistema desenvolvido pelo CEPEL foi testado em vários objetos como: barras
estatóricas e buchas capacitivas; e comparado com um sistema comercial de medição
de capacitância e tangente delta. Após esta etapa de testes e avaliações, ele foi
utilizado no campo, em uma das maiores máquinas rotativas do país, tendo sido
validado através de comparação com o sistema comercial empregado na ocasião.
Desta forma, é possível afirmar que o CEPEL possui, e portanto todas as Empresas
Eletrobrás, um sistema capaz de realizar medidas de capacitância e tangente delta
com um baixo custo de investimento e com total domínio de toda a cadeia de
medição, desde o sensor até o diagnóstico.
3. REFERÊNCIAS
[1] Bartnikas, R., and MacMahon, E. J., Engineering Dielectrics, Vol. 1, Corona
Measurement and Interpretation, STP 699, ASTM, Philadelphia, 1979.
[2] IEC/TR 60894 (1987-03), Guide for Test Procedure for the Measurement of Loss
Tangent of Coils and Bars for Machine Windings.
[3] ASTM D150-98, Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and
Permittivity (Dielectric Constant) of Solid Electrical Insulation.
[4] IEEE Std 286-2000 - IEEE Recommended Practice for Measurement of Power
Factor Tip-Up of Electric Machinery Stator Coil Insulation, ISBN 0-7381-2490-7
SH94854
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