J.P.C. GUTIERREZ - MANUTENÇÃO INDUSTRIAL: ENSAIOS ELÉTRICOS NO MOTOR DO COMPRESSOR: - O.S. Nº 062342198

 

Falhas no enrolamento do estator: ( a ) curto-circuito em um enrolamento de alta tensão; ( b ) curto-circuito em um enrolamento de baixa tensão.

Os profissionais de manutenção encarregados de manter a confiabilidade do motor elétrico geralmente se preocupam em testar seus motores críticos em tensões bem acima dos níveis da placa de identificação. Certamente pode parecer contra-intuitivo testar um motor de 440 V para 2.000 V ou um motor de 4.160 V para 9.320 V. Afinal, o motor só é classificado para essa tensão mais baixa, certo?

Hipot 60 kV - 5mA

Alguns podem até ter tido experiências com falha do motor após um teste de hipot ou surto nessas tensões elevadas. Esses eventos podem criar ainda mais hesitação no uso de testes de alta tensão como uma técnica de avaliação em serviço.

Primeiro, vamos explorar as tensões operacionais que os sistemas de isolação do motor devem suportar e, em seguida, mergulhar em uma descrição da natureza da deterioração e falha da isolação, bem como uma visão geral das medidas de segurança projetadas em modernos equipamentos de teste de alta tensão para que os operadores de teste possam se sentir mais confortável aplicando esses métodos de teste.

A importância das especificações da placa de identificação

Todo motor instalado em uma aplicação industrial possui critérios específicos de projeto de placa de identificação. Esses parâmetros de placa de identificação definem as características operacionais adequadas do motor durante o serviço. É importante que os níveis de tensão e corrente do motor sejam mantidos dentro de uma faixa especificada nestas especificações de placa de identificação. Uma condição de sobretensão de 115 por cento pode levar à saturação do núcleo de ferro do estator e, por sua vez, criar um aquecimento excessivo do sistema de isolamento do motor, o que levará à falha do motor.

Por outro lado, uma condição de subtensão resultará em fluxos de corrente maiores do que o normal para uma determinada quantidade de potência de eixo fornecida. Isso também levará ao aquecimento excessivo e subsequente degradação do isolamento. Esses cenários são tão prejudiciais para o sistema de isolamento quanto uma condição de sobrecarga devido ao estresse térmico adicional nos enrolamentos do motor. Por esses motivos, é fundamental que o motor seja operado próximo ao nível de tensão da placa de identificação.

“A pesquisa mostrou que os níveis de tensão induzidos nos enrolamentos do motor podem ser até quatro vezes os níveis de tensão nominal do barramento.”

Interpretando a tensão da placa de identificação do motor

É importante saber que a tensão de placa do motor não se refere à sua tensão nominal de isolação. A classificação da tensão de isolamento é, na verdade, baseada em sua tensão de ruptura.

A tensão de ruptura do isolamento é a tensão acima da qual o isolamento se rompe eletricamente. Em sua tensão de ruptura, o isolamento não pode mais suportar o estresse de tensão através dele e a resistência cairá para zero. Uma corrente significativa fluirá agora através do material de isolamento, fazendo com que ele falhe.

A tensão de ruptura é uma classificação independente do isolamento e não está associada à classificação da placa de identificação do motor. Quando um motor é projetado para uma tensão operacional específica, o isolamento é projetado para suportar uma tensão significativamente maior do que a tensão nominal do barramento.

Existem várias razões para isso, mas a mais importante é que a tensão de tensão imposta aos enrolamentos durante a abertura dos contatos pode chegar a quatro vezes a tensão aplicada na barra. Se os motores fossem isolados apenas para suportar a tensão da placa de identificação, eles falhariam quase assim que fossem colocados em serviço.

Pesquisas científicas de campo mostraram que os níveis de tensão induzidos nos enrolamentos do motor durante os transientes de comutação podem ser até quatro vezes maiores do que a tensão nominal da placa de identificação do motor.

Figura 1: Esta tabela mostra os níveis relativos de estresse de tensão para diferentes classificações de tensão de barramento (Imagem cortesia de IEEE, 2002)

Tensão de quebra de isolamento

Os motores começam sua vida com uma tensão de ruptura de isolamento muito alta. O sistema de isolamento de um motor de 460 V terá tensões de ruptura de 28.000 V para o terra e 16.800 V entre as voltas no início de sua vida útil. Isso dá ao isolamento muito espaço para se degradar com o tempo sem sacrificar a integridade do isolamento ou a confiabilidade do serviço.

Ao longo do ciclo de vida operacional do motor, ele é exposto a vários fatores ambientais, incluindo fricção mecânica, exposição a produtos químicos e estresse térmico. Esses estressores deterioram o material de isolamento ao longo do tempo. A taxa dessa degradação depende da gravidade desses fatores ambientais, sendo o principal fator o estresse térmico.

Figura 2: Curva de vida do isolamento

Uma vez que a tensão de ruptura do isolamento do motor caia abaixo do nível máximo de estresse de tensão mostrado na Figura 2, o motor está em seus estágios finais de vida. Neste ponto, o motor consumiu a maior parte de sua vida útil de isolamento e deve ser agendado para substituição o mais rápido possível.

Importância do teste de motores de alta tensão

A capacidade de determinar a condição do isolamento e sua capacidade de suportar as tensões causadas pela operação normal é crítica para definir sua confiabilidade. É por isso que o teste de alta tensão é tão importante. Ser capaz de determinar que um motor entrou em seu estágio final de vida é a chave para um programa eficaz de confiabilidade do motor elétrico. Sem esse teste preditivo, a falha do motor ocorrerá sem conhecimento prévio, pois alguém realiza cegamente apenas testes de baixa tensão.

“Um teste também pode mostrar uma resposta de corrente não linear, indicando que o isolamento está chegando ao fim de sua vida útil.”

Teste de Resistência de Isolamento

O sistema de isolamento do motor tem duas barreiras principais a serem consideradas, a parede de aterramento e as camadas de isolamento entre espiras. Ao realizar testes no isolamento, começa-se com uma série de testes de parede de aterramento CC. O primeiro deles é o teste de resistência de isolamento. Este é um teste de um minuto que permite a quantificação do valor da resistência de isolamento e é realizado próximo ou abaixo da tensão nominal.

O teste de resistência de isolamento é descrito no Padrão 43 do Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE). Este é um teste nominal e não foi projetado para estressar o isolamento de forma alguma. Nos casos de motores de maior tensão, este teste é realizado em tensões menores que a placa de identificação. O objetivo é medir a corrente de fuga em um nível de tensão CC não estressante, medindo assim o valor da resistência de isolamento por meio de cálculo (Lei de Ohm R = V/I). Isso é útil no campo como um medidor de contaminação e efeitos de umidade no circuito do motor.

Este teste pode ser prolongado por até 10 minutos para avaliar melhor a contaminação, bem como a umidade e, no caso de enrolamentos limpos e secos, a capacidade de polarização do isolamento do motor, que é uma indicação de envelhecimento e deterioração do isolamento.

Figura 3: Níveis de estresse de tensão de teste 1

Teste de hipopotassemia

O próximo teste DC é o teste de alto potencial ou hipot. Este teste é regido pelo padrão IEEE 95 e vem em uma variedade de formas. O mais eficaz desses métodos é o teste de tensão degrau. Este teste é como um teste de resistência de isolamento, mas aumenta gradualmente a tensão de teste em etapas para avaliar a alteração resultante na corrente de fuga.

A tensão de teste final recomendada para um teste de etapa CC é 2X tensão de linha + 1000 V, com pelo menos cinco etapas ao longo do caminho. Essas etapas permitem a avaliação das respostas da corrente de fuga ao aumento da tensão. À medida que a tensão aumenta em etapas, a corrente de fuga também deve aumentar de forma linear. Isso valida que a resistência de isolamento permanece constante nessas tensões mais altas. A tensão de teste sugerida varia de 5 por unidade a 2,5 por unidade, conforme mostrado na tabela da Figura 3.

Se a resistência for estável em cada uma das etapas, pode-se ter certeza de que o isolamento da parede de aterramento é adequado para um serviço confiável contínuo.

No entanto, o teste pode falhar devido a uma condição de sobrecorrente ou arco. Isso indicaria exatamente onde a tensão de ruptura do isolamento está em relação à tensão do barramento. Isso dá uma indicação clara de que o isolamento chegou ao fim de sua vida útil confiável.

Um teste também pode mostrar uma resposta de corrente não linear, indicando que o isolamento está chegando ao fim de sua vida útil. Isso permite que o planejador de manutenção tenha bastante tempo para programar a substituição do motor. 2

“ O estresse diário de alta tensão impresso no motor pela atividade de comutação normal é muito mais destrutivo do que qualquer teste de hipot ou surto bem regulado. ”

Teste de surto

Além da parede de aterramento, o motor também possui um sistema de isolamento entre espiras. Este é o isolamento entre os fios individuais de uma bobina, o isolamento entre as bobinas adjacentes e o isolamento entre os pontos de cruzamento fase a fase dentro do sistema de enrolamento.

Durante os surtos de comutação, essas barreiras de isolamento entre espiras são tensionadas devido à natureza da indução nos enrolamentos do motor. A queda de tensão entre as espiras é não linear em sua distribuição e coloca uma tensão maior nas espiras mais próximas dos condutores do motor. Essas espiras em curto produzem altas correntes induzidas nos circuitos fechados em curto, levando à falha de isolamento de fase ou terra. 3

Frequentemente, verifica-se que faltas à terra e falhas de enrolamento fase a fase se originam de curtos de isolação entre espiras. Isso torna o teste de surto uma das indicações mais críticas da deterioração inicial do isolamento. O teste de surto simula efetivamente o mesmo estresse sofrido pelo enrolamento do motor durante um ciclo de comutação típico. Pela avaliação constante da estabilidade da onda de surto, pode-se detectar a variação da frequência da forma de onda de surto, limitando o fluxo de energia uma vez que a fraqueza é detectada.

Embora esses testes não sejam de forma alguma uma nova tecnologia, os métodos de teste, avaliação e controle são relativamente novos. As empresas de teste e medição elétrica agora podem testar instrumentos utilizando os recursos de monitoramento de seus computadores de bordo para avaliar e controlar continuamente a tensão e a corrente, bem como interromper o teste imediatamente quando forem detectadas irregularidades.

No passado, o equipamento de teste de surto dependia do técnico para interromper o teste quando surgiam condições anormais. Ao fornecer controles e supervisão de teste constantes, o instrumento minimiza automaticamente qualquer risco de potencial carbonização do isolamento que possa ocorrer durante o teste. Isso não apenas garante a mais alta precisão e repetibilidade, mas também elimina as preocupações relacionadas ao estresse excessivo do isolamento.

“Partida excessiva do motor, baixa qualidade de energia e sobrecarga são métricas controláveis ​​que podem ter efeitos destrutivos muito maiores no equipamento do que qualquer teste de alta tensão. ”

Os testes Hipot e Surge são destrutivos?

As pessoas costumam perguntar se os testes de hipot e surto são destrutivos e muitas vezes ficam surpresos ao saber que a resposta é sim, eles podem ser destrutivos se o enrolamento estiver degradado. No entanto, se o enrolamento não for degradado, a resposta é não.

A única maneira de degradar o isolamento é por carga excessiva fluindo através do material enfraquecido. Isso não ocorre com um bom isolamento.

Se o isolamento estiver degradado, a corrente que flui através do isolamento pode potencialmente causar mais carbonização à degradação já existente. Como o teste é regulado, qualquer potencial de carbonização é minimizado e, portanto, o motor pode continuar funcionando até que um substituto adequado seja instalado. Se o isolamento estiver degradado, o teste de alta tensão não causará mais do que a degradação equivalente naturalmente causada por um único ciclo de inicialização. 4

“Os dados mostram claramente que não há absolutamente nenhuma correlação entre o valor da resistência do isolamento em tensões baixas e sem estresse e a capacidade do isolamento de suportar o estresse de alta tensão.”

O ponto mais importante a ser lembrado é o seguinte: o estresse diário de alta tensão imposto ao motor pela atividade normal de comutação é muito mais destrutivo do que qualquer teste de sobretensão ou hipotensão bem regulado. Partida excessiva do motor, baixa qualidade de energia e sobrecarga são métricas controláveis ​​que podem ter efeitos destrutivos muito maiores no equipamento do que qualquer teste de alta tensão.

Testes de isolamento de rotina realizados com controle de precisão e em níveis de energia reduzidos são uma das coisas menos prejudiciais que o motor experimentará ao longo de seu ciclo de vida. É importante considerar que quando uma fraqueza de isolação é acentuada pela tensão de kick indutivo causada pela operação do contator do motor, toda a energia do sistema de distribuição fica disponível para carbonizar os enrolamentos. 5 Ao realizar testes de hipot e surge, os níveis de energia são apenas uma pequena fração daqueles experimentados durante as operações normais de comutação do motor.

Experimentos de tensão de ruptura

Uma empresa de testes e medições elétricas conduziu recentemente alguns experimentos de tensão de ruptura como uma demonstração da resistência de vários materiais. Ele testou muitos itens comuns, como folhas de plantas, dutos e fitas isolantes, materiais de isolamento e até papel higiênico. Ao realizar um teste de resistência de isolamento a 500 V, descobriu que o papel higiênico de duas camadas tinha um valor de resistência de isolamento de 2.000 megohms e um cabo de alimentação comum de computador tinha apenas um valor de resistência de 260 megohms.

Quando conduziu o hipotético de tensão de passo, o papel higiênico tinha uma tensão de ruptura de 2.000 V e o cabo de alimentação foi capaz de suportar todos os 30.000 V disponíveis da fonte de alimentação e nunca quebrou.

Os dados mostram claramente que não há absolutamente nenhuma correlação entre o valor da resistência do isolamento em tensões baixas e não estressantes e a capacidade do isolamento de suportar o estresse de alta tensão. A capacidade do isolamento de resistir ao estresse de alta tensão, para o qual foi projetado, simplesmente não é avaliada por testes de CC de baixa tensão.

Condições de pseudoteste

Esteja você ciente disso ou não, você está testando hipotéticos e surtos em seus motores com muito mais frequência do que imagina. A partida e parada de cada motor são efetivamente um teste de hipot e surge com uma quantidade ilimitada de energia disponível para danificar o enrolamento. Testar com um testador estático é um meio de simular essa mesma tensão com baixa energia e de maneira precisamente controlada.

Embora o teste de resistência de isolamento de baixa tensão tenha um papel importante a desempenhar, é totalmente inadequado para avaliar a integridade do isolamento e validar a confiabilidade. Com todos esses fatos em mente, fica fácil entender a importância dos testes de isolação em alta tensão e sua capacidade de garantir a mais alta confiabilidade do equipamento.

Referências

1. Zotos, Peter. “Falhas do motor devido a surtos de comutação de frente íngreme: a necessidade de proteção contra surtos – experiência do usuário.” IEEE Transactions on Industry Applications , vol. 30, nº 6, novembro/dezembro de 1994.

2. O Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos. IEEE 95-2002 – Prática recomendada IEEE para teste de isolamento de maquinário elétrico CA (2300 V e acima) com alta tensão direta. 2002.

3. Tallam, RM, Habetler TG e Harley, RG “Modelo transitório para máquinas de indução com falhas de rotação do enrolamento do estator”. IEEE Transactions on Industry Applications , vol. 38, nº 3, maio/junho de 2002.

4. Gupta, BK, Stone, GC e Stein, J. "Uso de teste de Hipot de máquina em utilitários elétricos". Anais: Conferência de Isolamento Elétrico e Conferência de Fabricação Elétrica e Enrolamento de Bobina , Cincinnati, OH, 2001, pp. 323-326.

5. Wilson, John. “Energia armazenada em um motor”. Nota Técnica, Baker Instrument Company , 2006.