Motores

Guia prático para identificar a origem do defeito em motores e geradores de média e alta tensão.

Resumo. Detetar descargas parciais (DP) é relativamente simples; saber onde está o defeito e de que tipo é, não. Este artigo explica o método de localização geométrica que o monitor de máquinas rotativas (RMM) com o módulo RTD-PD permite: como os sensores se distribuem ao longo do enrolamento, que informação dá cada um, como se leem os padrões de fase e a polaridade, e como se confirma o diagnóstico com a tendência temporal. É ilustrado com dois casos de estudo reais da Dynamic Ratings, um dos quais evitou uma paragem forçada e poupou cerca de 70 000 USD.

O que localizamos e porquê

As descargas parciais são pequenas descargas elétricas que não chegam a curto-circuitar por completo o isolamento entre condutores. Têm origem habitualmente em vazios (voids), fissuras ou inclusões dentro de um dielétrico sólido, ou nas interfaces condutor-dielétrico. O seu nível cresce de forma progressiva à medida que o isolamento se degrada, pelo que a monitorização contínua permite detetar a deterioração antes de provocar uma falha e programar uma paragem planeada, muito mais económica do que uma paragem forçada.

Localizar a avaria significa responder a três perguntas a partir dos dados de DP:

• Onde está o defeito? Que zona do enrolamento, que ranhura, que fase.
• De que tipo é? Vazio interno, enrolamento solto ou problema na saída de ranhura.
• Como evolui? Se a atividade cresce, estabiliza ou responde a uma reparação.

Nenhum dado isolado o resolve. A localização resulta do cruzamento da posição física dos sensores, do padrão de fase, da polaridade e da correlação com as condições de operação. Se quiser revisitar antes os fundamentos, temos artigos dedicados aos tipos de descargas parciais e aos métodos de deteção de descargas parciais.

Como se localiza a origem, passo a passo

Aproveitar a distribuição espacial dos sensores

A chave da localização é que sensores diferentes cobrem zonas diferentes do enrolamento. Combinando-os, delimita-se a região do problema:

• Condensadores de acoplamento (Coupling Capacitors, CC): instalados nos terminais de linha. Devido à atenuação do sinal, só detetam DP em aproximadamente 10–15 % do enrolamento (a parte mais próxima do terminal). Os defeitos profundos passam-lhes ao lado.
• RTD como sensores de DP: situados dentro das ranhuras e distribuídos ao longo do enrolamento. Funcionam «como binóculos» que permitem ver muito mais extensão do enrolamento do que os CC por si só.
• Acopladores de ranhura (Stator Slot Couplers, SSC): têm uma «zona de sensibilidade» limitada e só detetam DP na ranhura concreta onde estão instalados.

Como, ao instalar o sistema, não se sabe antecipadamente que sensor captará mais DP, recomenda-se utilizar RTD e condensadores de acoplamento de forma complementar. Comparando que sensor — e em que posição — registra a maior amplitude, identifica-se a região afetada.

Identificar que sensor numerado apresenta maior atividade

O passo prático consiste em revisitar a atividade por canal. Cada CC e cada RTD tem uma posição física conhecida; o sensor com maior Qmax (amplitude máxima de DP) aponta diretamente para a zona do enrolamento ou a ranhura onde o problema se concentra. A evolução mensal de cada canal permite ainda ver que sensor «dispara» ao longo do tempo.

Interpretar o padrão de fase e a polaridade

Os gráficos de fase (PD plots, com o ângulo de 0 a 360°) revelam o tipo de defeito:

• Polaridades equilibradas + correlação com os parâmetros de operação → sugerem defeitos de tipo vazio (void) dentro da estrutura do isolamento.
• Padrões diferentes podem apontar para enrolamentos soltos ou para problemas nos pontos de saída de ranhura (slot exit).

Há um detalhe de simetria muito útil para localizar em profundidade: os RTD ocupam uma posição simétrica entre as barras do estator, enquanto o SSC está numa posição assimétrica. Além disso, a DP da barra inferior fica blindada pela barra superior, pelo que o SSC é menos sensível às descargas da barra inferior. Comparar ambos os sensores ajuda a discernir se o defeito está na barra superior ou na inferior da ranhura.

Correlacionar com a operação e com a tendência temporal

• Monitorizar durante um arranque do motor permite verificar se o enrolamento está apertado: se a DP não for afetada pelos esforços do arranque, o enrolamento está firme e a origem é mais provavelmente um vazio interno do que uma folga mecânica.
• Seguir a tendência ao longo do tempo (meses ou anos) confirma se a atividade cresce e se uma reparação teve efeito. Se, após uma intervenção, a DP não baixar, a origem não estava onde se atuou.

Procedimento resumido

1. Instalar sensores complementares: RTD nas ranhuras e condensadores de acoplamento nos terminais, para cobrir todo o enrolamento.
2. Revisitar a amplitude de DP por sensor numerado para delimitar a zona física do defeito.
3. Analisar os padrões de fase e a polaridade para classificar o tipo de defeito (vazio, folga, saída de ranhura).
4. Usar a simetria RTD/SSC e a blindagem entre barras para distinguir barra superior de barra inferior.
5. Correlacionar com os parâmetros de operação (p. ex. um arranque) e com a tendência histórica para confirmar a origem e validar as reparações.

Caso real: motor de 13,8 kV

Um motor de grandes máquinas apresentava, em medições periódicas, uma atividade de DP significativa e crescente ao longo de vários anos. Os níveis mais altos foram reportados nos RTD números 3, 4 e 6. Pelas polaridades equilibradas e pela correlação com os parâmetros de operação, a Dynamic Ratings concluiu que existiam defeitos de tipo vazio (void) na estrutura do isolamento. Como a DP foi monitorizada durante um arranque sem efeitos adversos, deduziu-se que o enrolamento estava apertado.

Um fornecedor concluiu, após ensaios periódicos, que a maioria dos defeitos se devia a enrolamentos soltos ou a pontos de saída de ranhura. O cliente procurou uma segunda opinião, dada a importância económica da máquina e o longo prazo de substituição. Na paragem de março de 2010, uma inspeção externa encontrou o enrolamento apertado e sem indícios de DP na saída de ranhura; o consultor aplicou pintura de gradiente adicional na esperança de reduzir a atividade.

A Dynamic Ratings foi chamada. Com o monitor de máquinas rotativas recolheram-se e analisaram-se dados: após a paragem, a atividade de DP não se tinha reduzido e continuava a aumentar, o que demonstrou que a pintura de gradiente não teve efeito e, portanto, que a origem não estava na saída de ranhura mas no interior do isolamento (vazios), tal como indicavam os padrões de fase.

Resultado. A monitorização contínua permitiu tomar a decisão correta sobre a máquina, e o cliente documentou uma poupança estimada de 70 000 USD como diferença entre uma paragem planeada e uma paragem forçada. A lição de localização é clara: os sensores com maior amplitude (RTD 3, 4 e 6) apontaram a zona, e o padrão de fase apontou o tipo de defeito (vazio), corrigindo o diagnóstico inicial de «enrolamento solto».

Caso complementar: porque combinar sensores melhora a localização

Num gerador de 300 MW e 20 kV equipado com SSC, instalaram-se RTD na mesma ranhura, diretamente sob o SSC, entre a barra superior e a inferior. As medições simultâneas mostraram que ambos os tipos de sensor têm uma sensibilidade quase idêntica e padrões de DP praticamente iguais; as diferenças menores explicam-se pela posição simétrica do RTD face à assimétrica do SSC.

A distribuição de amplitude por sensor demonstra o valor de os combinar: conforme a medição, umas vezes destacam-se os condensadores de acoplamento e outras os RTD. Como os CC só «veem» os 10–15 % do enrolamento mais próximos do terminal, os RTD distribuídos nas ranhuras permitem localizar defeitos profundos que os CC não detetariam.

Conclusão de localização: RTD e condensadores de acoplamento são complementares, não exclusivos. Usar ambos oferece uma visão mais profunda e sem lacunas da atividade de DP, necessária para situar o defeito na zona correta do enrolamento e para não diagnosticar erradamente a sua natureza.

Perguntas frequentes

É possível localizar uma descarga parcial só com condensadores de acoplamento?

Apenas em parte. Os condensadores de acoplamento instalam-se nos terminais de linha e a atenuação limita o seu alcance aos 10–15 % do enrolamento mais próximos do terminal. Servem para detetar atividade, mas um defeito situado no interior do enrolamento pode passar-lhes ao lado. Para localizar é preciso acrescentar sensores distribuídos nas ranhuras.

Porque usar os RTD já instalados como sensores de descargas parciais?

Porque estão dentro das ranhuras e repartidos ao longo do enrolamento, que é exatamente onde interessa olhar. Com o módulo RTD-PD do RMM, os RTD de temperatura existentes são aproveitados como sensores de DP, o que amplia enormemente a cobertura do enrolamento sem refazer o bobinado nem instalar acopladores de ranhura em cada posição.

Como se distingue um vazio interno de um enrolamento solto?

Pelo padrão de fase e pela resposta à operação. Polaridades equilibradas e uma boa correlação com os parâmetros de funcionamento apontam para vazios internos no isolamento. Um enrolamento solto, em contrapartida, é sensível aos esforços mecânicos: se, ao monitorizar um arranque, a atividade de DP não for afetada, o enrolamento está firme e a origem é mais provavelmente um vazio.

Que diferença há entre um RTD e um acoplador de ranhura (SSC)?

A sensibilidade é quase idêntica e os padrões praticamente coincidem, como mostra a figura 4. A diferença relevante é geométrica: o RTD ocupa uma posição simétrica entre barras e o SSC uma posição assimétrica, e a barra superior blinda parcialmente a DP da inferior face ao SSC. Comparar ambos ajuda a decidir se o defeito está na barra superior ou na inferior.

Quando convém monitorizar em contínuo em vez de fazer medições periódicas?

Quando a máquina é crítica, o seu prazo de substituição é longo ou o custo de uma paragem forçada é elevado. O caso do motor de 13,8 kV ilustra-o: foi precisamente a tendência contínua posterior à paragem que demonstrou que a reparação não tinha atacado a origem real do problema, algo que uma medição pontual não teria revelado.

Equipamentos e assessoria

O monitor de máquinas rotativas (RMM) realiza monitorização contínua de descargas parciais e, além disso, registra e correlaciona a dinâmica de funcionamento do motor ou gerador, incluindo acionamentos com variador de frequência (VFD). Pode consultar também o resto dos nossos equipamentos e detetores de descargas parciais, bem como a análise de descargas parciais de um ponto de vista mais geral.

Tem um motor ou um gerador com atividade de DP crescente e precisa de saber onde está o defeito? Contacte os nossos engenheiros e aconselhá-lo-emos sobre a instrumentação e o plano de medição mais adequados.

Fontes

Dynamic Ratings — «Partial Discharge Monitoring Saves 13.8 kV Motor» e «Use of Stator Slot Couplers and RTDs with Coupling Capacitors for Thorough Partial Discharge Activity Sensing». Imagens reproduzidas desses casos de estudo.